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Die
Erfindung betrifft eine insbesondere zum Einsatz in Gebäuden
bestimmte Heizungsvorrichtung zum Beheizen eines Gebäudes
mittels einer von einer flüssigkeitsgekühlten
Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Wärmepumpe und
mindestens einem Wärmespeicher zur Aufnahme von Wärmeenergie,
dessen Wärmespeichergehäuse die Verbrennungskraftmaschine
zumindest teilweise umschließt oder begrenzt, wobei der
Wärmespeicher zumindest eine wärmeleitende Trennwand
zu der, die Verbrennungskraftmaschine umgebenden Luft bildet.
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Eine
solche Heizungsvorrichtung dient in der Praxis insbesondere der
Versorgung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern ebenso wie
Bürogebäuden oder Industrieeinrichtungen mit der
erforderlichen thermischen Energie. Bei Einfamilienhäusern
werden zumeist Anlagen mit elektrischen Kleinwärmepumpen
zur Heißwassererwärmung und Heizung eingesetzt.
Die Wärmepumpe wird dabei durch einen Elektromotor angetrieben.
Demgegenüber kommen bei Klimatisierungsanlagen für
größere Gebäude auch leistungsstarke
Verbrennungsmotoren, z. B. Gasmotoren zum Einsatz. Diese Anlagen
sind sowohl zur Kühlung, als auch für einen Heizbetrieb
ausgelegt. Sie sind überwiegend in wärmeren Ländern
weit verbreitet und bieten mittels der verwendeten Luftkollektoren
gute Wirkungsgrade im Kühlbetrieb, während der
Heizbetrieb nur bei deutlich positiven Außenlufttemperaturen
effektiv ist.
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In
der Praxis besteht ein grundlegendes Interessen an der Optimierung
und Weiterentwicklung der Wärmepumpen, um den Heizungsbedarf
gerade auch für Einfamilienhäuser und kleinere
Wohneinheiten möglichst noch kostengünstiger zu
decken und die Effizienz zu steigern.
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Dabei
haben die Anlagen, die mit Gasmotoren oder anderen konventionellen
Verbrennungsmotoren ausgestattet sind, den Vorteil eines höheren
primärenergetischen Wirkungsgrades als diejenigen mit elektrischen
Antrieben. Anstelle eines elektrischen Motors treibt in diesem Fall
ein Verbrennungsmotor, der vorzugsweise mit Erdgas, Dieselkraftstoff
oder Biomasse, wie beispielsweise Rapsöl oder Biogas, betrieben
werden kann, die Wärmepumpe an. Allerdings benötigt
der Verbrennungsmotor eine Schalldämmung. Weiterhin sind
die Grundinvestitionskosten sowie der Betriebs- und Wartungsaufwand
allgemein höher. Damit sind diese Anlagen bisher nur für große
Gebäude mit erheblichem Klimatisierungs- bzw. Kältebedarf ökonomisch
vertretbar, nicht für kleinere Wohneinheiten.
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Der
Aufbau und die Funktion der Verbrennungsmotor getriebenen Anlagen
sind analog der durch einen Elektromotor antreibbaren Wärmepumpe,
wobei der Verdichter direkt oder über ein Getriebe vom
Verbrennungsmotor angetrieben wird. Zusätzlich kann dabei
die Wärme aus dem Kühlwasser sowie aus dem Abgas
des Motors in das Heizungssystem abgegeben werden.
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Die
Vorteile gegenüber Elektrowärmepumpen liegen vor
allem in der höheren Primärenergieausnutzung,
insbesondere durch entfallende Umwandlungs- und Übertragungsverluste
im elektrischen Netz und einem damit verbundenen vergleichsweise
geringen spezifischen CO2-Ausstoß. Dabei
können im Gegensatz zur Elektrowärmepumpe die
Verluste durch Abwärme des Verbrennungsmotors zu einem
mehr oder minder großen Teil genutzt werden. Nachteilig
für einen größtmöglichen Wirkungsgrad
beim Heizbetrieb von verbrennungsmotorischen Klimageräten
ist allerdings die Verwendung von Luftkollektoren sowie ventilationsgekühlten Motoren,
die in der Regel extern vom Gebäude installiert sind. Hier
gelangen erhebliche thermische Verluste in die Umwelt, die den Wirkungsgrad
schmälern.
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Eine
weiterentwickelte Vorrichtung ist beispielsweise durch die
US 2006/0059911 A1 bekannt, bei
welcher eine mit einem geothermischen Kollektor verbundene Wärmepumpe
durch einen Verbrennungsmotor antreibbar ist. Die mittels des Verbrennungsmotors
gewonnene thermische Energie wird einem Hochtemperaturspeicher zugeführt
während die mittels der Wärmepumpe gewonnene Energie
einem Niedertemperaturspeicher zugeführt wird. Um die Lebensdauer
zu erhöhen kann der Verbrennungsmotor nach einer speziellen
Ausführungsform auch intermittierend betrieben werden.
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Die
DE 197 40 398 A1 offenbart
eine Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb eines Generators, welcher
mit einer Wärmepumpe verbunden ist. An die Wärmepumpe
sind Solarkollektoren angeschlossen. Die mittels der Verbrennungskraftmaschine
gewonnene Energie wird einem Wärmespeichersystem zugeführt,
welches einen Warm- und einen Kaltspeicher aufweist.
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Aus
der
DE 101 16 573
A1 ist weiterhin eine durch einen Verbrennungsmotor antreibbare
Wärmepumpe bekannt, welche mit einem Erdkollektor verbunden
ist, wohingegen gemäß der
DE 34 14 002 A1 ein Verbrennungsmotor
eine Wärmepumpe antreibt, welche mit einem Luftkollektor
verbunden ist.
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Die
DE 199 09 885 A1 offenbart
auch bereits einen Verdichter einer Wärmepumpe, die durch
einen Antriebsmotor angetrieben wird.
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Die
DE 26 33 662 A1 betrifft
ein Heizungs- und Energieversorgungssystem. Durch eine entsprechende
Stellung eines Ventils kann das Wasser eines ersten und eines zweiten
Wärmespeichers gemischt und damit ein Temperaturausgleich
vorgenommen werden.
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Die
DE 26 33 775 A1 bezieht
sich auf eine Motorheizung, die im Wesentlichen aus einem Verbrennungsmotor,
einer Wärmepumpe und dem Heizungssystem besteht, wobei
der Verbrennungsmotor den Kompressor der Wärmepumpe antreibt
und die vom Verbrennungsmotor erzeugte Verbrennungswärme
ebenfalls wie die von der Wärmepumpe abgegebene Wärme
dem Heizungssystem zugeführt wird. Ein Teil der vom Verbrennungsmotor
erzeugten Verbrennungswärme wird über das für
den Verbrennungsmotor notwendige Kühlsystem über
Wärmeaustauscher an das Heizungssystem abgegeben.
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Eine
gattungsgemäße Heizungsvorrichtung gemäß der
DE 30 14 357 A1 betrifft
ein Heizaggregat mit einem Verbrennungsmotor und mit Wärmeübertragungseinrichtungen
zur Übertragung von Abwärme des Verbrennungsmotors
auf einen Heizwasserkreislauf, wobei der Verbrennungsmotor in einer
wärmeleitenden Kapsel angeordnet ist, die zumindest teilweise
in einen in den Heizwasserkreislauf gelegten Wasserkessel hineinragt.
In der Kapsel kann zusätzlich ein Kompressor einer Wärmepumpe
angeordnet sein. Durch diese Anordnung soll erreicht werden, dass
ein der Vergleichmäßigung der Heizwassertemperatur
dienender Pufferspeicher die Verlustwärme des Verbrennungsmotors
und seiner Abgase aufnimmt und gleichzeitig die Masse des Aggregats beträchtlich
erhöht, wodurch Schwingungen und die bei dem Verbrennungsprozess
entstehenden Geräusche aufgefangen und gedämpft
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine mit einer
Verbrennungskraftmaschine und einer durch diese antreibbaren Wärmepumpe ausgestattete
Heizungsvorrichtung erheblich zu verbessern. Insbesondere soll eine
kompakte, geräuscharme, installationsfreundliche, wartungsextensive,
langlebige, ökonomische und umweltfreundliche Anlage mit
größtmöglichem Wirkungsgrad bei vergleichsweise
geringem Aufwand ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Heizungsvorrichtung
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
eine Heizungsvorrichtung mit Wärmepumpe vorgesehen, bei
der die Trennwand zwischen dem Wärmespeicher und der die
Verbrennungskraftmaschine umgebenden Luft mit zumindest einem insbesondere
Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper zur
Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder zumindest
einem Wärmetauscher, insbesondere zur Wärmegewinnung
aus dem Abgas und/oder aus dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine
ausgestattet ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist hierzu zumindest
teilweise von einem multifunktionalen, selbsttragenden, nach außen
isolierten Gehäuse umschlossen, welches zugleich den Tank
des Wärmespeichers bildet, welcher vorzugsweise die Abwärme
des Motorkühlmittels, insbesondere also des Kühlwassers
aufnimmt. Innerhalb dieses Gehäuses sind zumindest stellenweise gut
wärmeleitende Wandflächen zum direkten Wärmeaustausch
zwischen der den Motor umgebenden Luft und dem Temperaturspeicher
und/oder zur direkten Montage von Wärmetauschern, insbesondere Abgaswärmetauschern
und Schmiermittelwärmetauschern ausgebildet. Ebenso können
hier Kühlkörperelemente zur Verbesserung des Wärmeaustausches mit
der Luft im Motorraum vorgesehen sein.
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Hierdurch
wird in überraschend einfacher Weise nahezu die gesamte
thermische Energie des Verbrennungsmotors aus dem Kühlwasser,
dem Abgas, dem Schmiermittel und der Abluft erfasst und direkt oder über
die in die Trennwände integrierten Wärmetauscher
in den Wärmespeicher geführt, ohne dass ein Energieverlust
an die Umgebung stattfindet.
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Die
Trennwand könnte zumindest abschnittsweise doppelwandig
oder hohl ausgeführt sein, um so in einfacher Weise eine
unmittelbare Nutzung als Wärmetauscher zu ermöglichen.
Dabei kann in dem so geschaffenen Hohlraum das Abgas, das Motoröl
und/oder das Kühlwasser geführt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist hingegen die Montage von Wärmetauschern
auf diesen Trennwänden oder integriert in zumindest eine
Trennwand und bietet dabei deutliche Vorteile gegen über
dem Einbau innerhalb des Wärmespeichers. Der Montage- und Fertigungsaufwand
ist minimal. Einer Undichtigkeit des Wärmespeichers kann
wirkungsvoll und einfach vorgebeugt werden, da weder Abgasleitungen
noch sonstige Leitungen hineingeführt werden müssen und
eine gute, großflächige Wärmeübertragung
in das Wärmespeichermedium gewährleistet werden kann.
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Durch
die das Wärmespeichergehäuse außen umschließende
Schall- und Wärmedämmung wird eine gleichzeitige
Verringerung der Geräuschbelästigung und der thermischen
Verluste an die Umgebung erreicht, dies bei geringem konstruktivem
und fertigungstechnischem Aufwand, da mit einem Dämmmantel
zwei Funktionen erreicht werden. Mit diesen Eigenschaften eignet
sich die Heizungsvorrichtung zur Montage innerhalb eines Gebäudes,
sodass keine Abwärme direkt in die Umgebung außerhalb
des Gebäudes gelangt, wie es bei den verbrennungsmotorischen
Klimageräten mit Außenmontage üblich
ist.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, dass die Verbrennungskraftmaschine
zyklisch betrieben wird, was durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmespeicher
erreicht wird. Bei zugleich höherer Spitzenleistung der
Verbrennungskraftmaschine wird eine deutliche Verbesserung der Lebens-
bzw. Nutzungsdauer der Heizungsvorrichtung erreicht, indem die Verbrennungskraftmaschine
nur während des kurzzeitigen Ladezyklus aktiv arbeiten
muss und während des längeren Entladezyklus ruht.
Dies ist hilfreich, da die Lebensdauer und die Wartungsintervalle
von Verbrennungskraftmaschinen deutlich geringer sind, als die Betriebszeiten
von herkömmlichen Gas- oder Ölheizungen.
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Weitere
Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer sind die
Reduzierung der Drehzahl sowie ein Vergrößerung
des Ölvolumens, welches insbesondere auch einen weitgehend
wartungsarmen Betrieb mit langen Wartungsintervallen gestattet.
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Es
erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Verbrennungskraftmaschine
nahezu vollständig von dem Temperaturspeicher und dem darin befindlichen
Wärmeträgermedium eingeschlossen ist, womit eine
effektive Geräuschdämmung durch das Wärmespeichermedium
erreicht wird. Außerdem wird so das Auskühlen
des Verbrennungsmotors in Stillstandszeiten verhindert, was ebenfalls
eine Erhöhung der Lebensdauer bewirkt.
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Das
Wärmespeichergehäuse wird bevorzugt in einer selbsttragenden,
hochkant stehenden Bauform ausgebildet, um weiteren Aufwand für
eine tragende Struktur zu vermeiden und um auf einer sehr begrenzten,
beispielsweise in Kellerräumen verfügbaren Grundfläche
ein nen nenswertes Wärmespeichervolumen von mehreren hundert
Litern in dem Wärmespeicher zu realisieren.
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Die
Verbrennungskraftmaschine treibt einen Verdichter der Wärmepumpe
an, welcher ebenfalls innerhalb des Temperaturspeichers oder auch
durch ein Antriebselement verbunden außerhalb des Temperaturspeichers
angeordnet sein kann.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Heizungsvorrichtung neben
dem vorzugsweise als Hochtemperaturspeicher genutzten Wärmespeicher
einen weiteren, vorzugsweise separat angeordneten, als Niedertemperaturspeicher
ausgeführten Wärmespeicher für ein geringeres
Temperaturniveau aufweist. Die thermische Energie der Verbrennungskraftmaschine
wird dabei dem Hochtemperaturspeicher und die mittels der Wärmepumpe
gewonnene Energie aus der Umwelt dem Niedertemperaturspeicher zugeführt,
um so eine optimale wirtschaftliche Nutzung der unterschiedlichen
Temperaturniveaus der Motorabwärme, beispielsweise 90°C,
und der Wärmepumpe, beispielsweise 55°C, zu ermöglichen.
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Hierbei
hat es sich bereits als besonders zweckmäßig erwiesen,
wenn der Hochtemperaturspeicher der Erwärmung von Heißwasser,
beispielsweise für eine Dusche oder als Trinkwasser, und
der Niedertemperaturspeicher für den Heizkreislauf, insbesondere
der Erwärmung einer Fußbodenheizung, dient.
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Besonders
vorteilhaft ist die Erwärmung des Heißwassers,
beispielsweise des Trinkwassers, in der gezeigten Bauform mit je
einem Wärmetauscher in jedem Wärmespeicher. Durch
diese Anordnung der Wärmetauscher erfolgt bei der Nutzung
von Heißwasser eine vorteilhafte Wärmeentnahme
aus beiden Wärmespeichern. Dadurch wird der Hochtemperaturspeicher
bei der Entnahme weniger stark belastet und kann das erforderliche
hohe Niveau zur Heißwasserbereitung länger halten.
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Weiterhin
erweist es sich als besonders Erfolg versprechend, wenn sich der
Hochtemperaturspeicher und der Niedertemperaturspeicher zum thermischen
Energieausgleich durch ein Leitungselement für das Wärmeträgerfluid
verbinden lassen. Der so realisierbare bedarfsgerecht einstellbare
Ausgleich zwischen dem Hochtemperaturspeicher und dem Niedertemperaturspeicher
wird insbesondere auch zur Erhöhung der Ruhezeiten der
Verbrennungskraftmaschine durch eine so erreichbare vollständige
Entleerung beider Temperaturspeicher genutzt. Zugleich wird eine
sehr geringe Starttemperatur der Wärmespeicher für
den Ladevorgang durch die Wärmepumpe geschaffen. Der Energieaustausch kann
dabei entweder über Wärmetauscher oder unmittelbar
durch Austausch des Wärmeträgerfluides zwischen
dem Hochtemperaturspeicher und dem Niedertemperaturspeicher erfolgen.
Eine definierte Starttemperatur beim Erwärmen der Temperaturspeicher
ermöglicht eine genaue Dimensionierung der Temperaturspeicher
mit dem Ziel, beide vorbestimmte Endtemperaturen zeitgleich zu erreichen.
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Bei
der Aktivierung des Ausgleichskreislaufs werden die beiden Wärmetauscher
zur Heißwasserbereitung mit einer erfindungsgemäßen
vorteilhaften Doppelfunktion belegt. Hierzu wird durch diese Wärmetauscher
mittels einer Umwälzpumpe und eines Rückschlagventils
eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen
den Wärmespeichern hergestellt. Das Rückschlagventil
verhindert den Bypass des Trinkwassers bei der Heißwasserbereitung.
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Die
Wärmepumpe könnte mit einem Luftkollektor verbunden
sein. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Abwandlung
der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Wärmepumpe
mit einem Erdkollektor verbunden ist. Der Erdkollektor gewährleistet
vor allem im tiefen Winter höhere Vorlauftemperaturen bzw.
Soletemperaturen für die Wärmepumpe als ein Luftkollektor
und kann so die Effizienz der Vorrichtung weiter verbessern.
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Prinzipiell
kann aber auch eine Version der Heizungsvorrichtung mit einem preiswerteren,
aber weniger effektivem Luftkollektor von ökonomischem Vorteil
sein, insbesondere in Gebieten ohne besonders niedrige Außentemperaturen.
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Eine
Wärmepumpe mit einem gut dimensionierten Erdkollektor,
einer Tiefensonde oder einem Kollektor zur Energiegewinnung aus
einem Gewässer kann einen Energiegewinn um den Faktor 4
bis 5 bezogen auf die von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte
mechanische Energie bringen. Die Verbrennungskraftmaschine erzeugt
mit der ihm zugeführten Primärenergie etwa 1/3
mechanische Energie für die Wärmepumpe und 2/3
Abwärme. Durch diesen 1/3-Anteil der mechanischen Energie
werden also 4/3 bzw. 5/3 thermische Energie mittels der Wärmepumpe
aus der Umwelt entnommen und dem Niedertemperaturspeicher zugeführt.
Die 2/3 Energie aus der Motorabwärme werden mit dem Kühlwasser und
dem erfindungsgemäßen, vorteilhaften Wärmetauschersystem
auf oder innerhalb der Trennwand erfasst und in dem Hochtemperaturwärmespeicher verfügbar
gemacht. In beiden Wärmespeichern werden damit insgesamt
6/3 bzw. 7/3 Energie bezogen auf die eingesetzte Primärenergie
verfügbar gemacht. Dies entspricht einer theoretischen
Primärenergienutzung von 200% bis 233%. Dagegen nutzt eine
herkömmliche Gas- oder Ölheizung lediglich die 2/3
thermische Energie des Kraftstoffs (66% der Primärenergie).
Es ist also eine bis zu 3,5-fach bessere Nutzung des Kraftstoffs
möglich, d. h. der Verbrauch sinkt auf 1/3 einer her kömmlichen
Heizungsanlage. Aus dieser effektiven Nutzung erfolgt eine gleichermaßen
hohe Reduktion von Emissionen, wie insbesondere CO2.
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Eine
andere ebenfalls besonders praxisgerechte Abwandlung wird dadurch
erreicht, dass die Heizungsvorrichtung einen mittels der Verbrennungskraftmaschine
antreibbaren Generator zur elektrischen Energieerzeugung aufweist,
sodass bei geringem Bedarf an thermischer Energie wahlweise elektrische
Energie alternativ oder zugleich erzeugt werden kann. Die Energieerzeugung
kann beispielsweise im Niederspannungsbereich erfolgen, um so die
Kosten für eine Energiespeicherung mittels eines Akkumulators
gering zu halten. In bestimmten Betriebszuständen wäre
es auch vorteilhaft die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine über die
elektrische- in thermische Energie umwandeln zu können,
um die Last der Verbrennungskraftmaschine zu beeinflussen, sodass
eine optimale Leistung der Verbrennungskraftmaschine erreicht wird.
Diese Situation kommt besonders dann vor, wenn der Verdichter eine
niedrigere Leistung der Verbrennungskraftmaschine aufnimmt, beispielsweise
wenn die Umgebungstemperatur des Verdampfers zu niedrig ist, bzw.
wenn die Umgebungstemperatur des Kondensators erhöht ist.
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Eine
andere ebenfalls besonders gewinnbringende Ausgestaltung der Vorrichtung
wird dadurch erreicht, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem
mit dem Hochtemperaturspeicher verbundenen Abgaswärmetauscher
ausgestattet ist, um so die thermische Energie der Verbrennungskraftmaschine
in optimaler Weise nutzen zu können.
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In ähnlicher
Weise kann die Effizienz der thermischen Energiegewinnung weiter
verbessert werden, indem die Verbrennungskraftmaschine mit einem
mit dem Hochtemperaturspeicher verbundenen Schmiermittelwärmetauscher,
insbesondere Schmiermittelkühler ausgestattet ist, sodass
nicht nur die thermische Energie des Schmiermittels der Energiegewinnung
zugeführt werden kann, sondern auch die Funktionsbereitschaft
der Verbrennungskraftmaschine durch die so realisierbare niedrige Schmiermitteltemperatur
verbessert werden kann.
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Erfindungsgemäß besteht
ein erheblicher Vorteil darin, die beiden Wärmetauscher
für das Abgas und das Schmiermittel von der Motorraumseite direkt,
flächig auf der wärmeleitenden Trennwand zwischen
Wärmespeicher und Motor anzubringen. Durch diese Bauform
entfallen aufwändige Rohrleitungen und Pumpen zu Wärmetauschern
innerhalb des Motorraumes oder eine technisch schwierige Integration
von Wärmetauschern in die Wärmespeicher. Der Wärmespeichertank
bleibt „unverletzt". Infolge dessen wird eine kompakte,
einfache, montage- und reparaturfreundliche Energiegewinnung und Zuführung
in die Wärmespeicher er reicht, ohne Probleme mit undichten
Wärmespeichern, Korrosion von Wärmetauschern und
unzugänglichen Komponenten innerhalb der in der Regel verschweißten
Wärmespeicher.
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Zur
Gewährleistung einer ausreichenden Kühlung und
der dadurch erhöhten Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine
eignet sich eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wobei der
Verbrennungskraftmaschine ein mit einer variablen Förderpumpe
ausgestatteter Kühlkreislauf zugeordnet ist, durch welche
der Kühlmittelstrom einstellbar und in Abhängigkeit
erfasster Temperaturmesswerte variabel ist. Durch die Regelung des
Volumenstroms kann ein geringer Energieverbrauch der Wärmepumpe
sowie eine bedarfsweise hohe Förderleistung zur Kühlung
der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden.
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Wobei
zudem gemäß einer weiteren besonders zielführenden
Abwandlung in dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine
ein Strömungsleitelement, vorzugsweise ein Ventil angeordnet
ist, durch welches das Wärmeträgerfluid der Verbrennungskraftmaschine
wahlweise aus dem Niedertemperaturspeicher und/oder dem Hochtemperaturspeicher zuführbar
ist, um so eine ausreichende Kühlung der Verbrennungskraftmaschine
und optimale Nutzung der thermischen Energie sicherzustellen.
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Ebenfalls
zeigt sich in der Praxis eine Ausgestaltung als Gewinn bringend,
wenn zumindest ein Temperaturspeicher als ein Schichtspeicher ausgeführt
ist, um so die in dem Temperaturspeicher vorherrschende Temperaturverteilung
optimal für die jeweiligen Nutzungsanforderungen einsetzen
zu können. Im optimalen Fall wird die erforderliche Temperatur
durch Entnahme der entsprechenden Schicht erhalten.
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Um
eine zuverlässige Versorgung unter allen Umständen
sicherzustellen ist die Heizungsvorrichtung mit einer elektrischen
Heizvorrichtung ausgestattet, die insbesondere bei Ausfall der Heizungsvorrichtung
oder ergänzend zum Einsatz kommt.
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Die
Verbrennungskraftmaschine kann auf beliebigen Wirkprinzipien beruhen
und an die individuellen Anforderungen angepasst sein. Besonders sinnvoll
ist es hingegen, wenn die Verbrennungskraftmaschine als ein Dieselmotor,
ein Gasmotor oder ein Heißluftmotor, insbesondere ein Stirlingmotor,
ausgeführt ist. Die Verbrennungskraftmaschine kann zudem
auch austauschbar ausgeführt sein, wobei ein modularer
Aufbau der Klimatisierungsvorrichtung eine einfache Anpassung an
verfügbare Treibstoffe, insbesondere auch Biokraftstoffe,
oder die Anforderungen der zu beheizenden Gebäude gestattet.
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Insbesondere
temperaturempfindliche Komponenten wie die Steuerung, der Generator
und eventuell der Kompressor können in einem gesonderten
Raum, vorzugsweise unterhalb des Motorraums angeordnet werden, der
keinen unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Hochtemperaturspeicher hat.
Das Kühlen von temperaturempfindlichen Komponenten ist
auch durch das Positionieren dieser Komponenten in dem Einsaugluftstrom
bzw. der Einsaugluftleitung der Verbrennungskraftmaschine realisierbar.
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Durch
eine Umkehrung des Betriebs der Wärmepumpe oder eine Nutzung
eines Erdkollektors als direktes Kühlorgan ohne Wärmepumpe
ist wahlweise der Einsatz der Heizungsvorrichtung zum Heizen oder
Kühlen möglich, sodass sich eine optimale Nutzung
beispielsweise auch in den Sommermonaten erreichen lässt.
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Die
Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung.
Eine flüssigkeitsgekühlte, vorzugsweise wassergekühlte
Verbrennungskraftmaschine 1 erzeugt mechanische Leistung
und Abwärme in einem Verhältnis von ca. 1 kW mechanisch
zu 2 kW thermisch. Die thermische Leistung wird mittels eines Kühlkreislaufs 23 und
einer Kühlmittelpumpe 4 aus dem Kühlwasser
der Verbrennungskraftmaschine 1 und eventuell aus einem
Abgaswärmetauscher 2 sowie aus einem Ölwärmetauscher 46 entnommen und
in einem Hochtemperaturspeicher 31 mit einem maximalen
Temperaturniveau von etwa 95°C gespeichert. Das Abgas kann
bei Bedarf über eine Abgasreinigung 3 an den Abgasanschluss 5 geführt
werden. Die hohe Wärmespeichertemperatur von maximal 95°C
wird vorzugsweise zur Warmwasserbereitung des Gebäudes
genutzt. Hierzu sind zwei Wärmetauscher 32 und 35 sowie
ein Kaltwasseranschluss 33 und ein Warmwasseranschluss 34 vorgesehen.
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Die
mechanische Leistung wird direkt oder über ein Getriebe,
beispielsweise Riemengetriebe, bestehend aus Riemenscheibe 9,
Riemen 10 und Riemenscheibe motorseitig 11 dem
Kompressor bzw. Verdichter 15 einer Wärmepumpe
zugeführt. Die Wärmepumpe besteht aus dem genannten
Kompressor 15, dem Wärmetauscher bzw. Kondensator 16, dem
Wärmetauscher bzw. Verdampfer 17, dem Expansionsventil 18 und
einem Leitungssystem für den Kältemittelkreislauf 19.
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Die
am Kondensator anfallende Wärme wird über eine
Umwälzpumpe 20, einen Zwischenkreislauf 24 und
einen Wärmetauscher 39 einem Niedertemperaturspeicher 38 bei
einem für die Wärmepumpe günstigen Temperaturniveau
von beispielsweise maximal 60°C zugeführt. Alternativ
zur gezeichneten Variante kann der Wärmetauscher 39 auch
entfallen, wenn das Wärmespeichermedium des Niedertemperaturspeichers 38 direkt
an den Zwischenkreislauf 24 angeschlossen ist, d. h. durch
den Kondensator 16 geleitet wird.
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Aus
dem Niedertemperaturspeicher wird über eine Umwälzpumpe 42 vorzugsweise
der Heizkreislauf eines Gebäudes 41 mit Heizkörpern 43 und/oder
Fußboden-/Flächenheizung 44 gespeist. Der
Niedertemperaturspeicher 38 und/oder der Hochtemperaturspeicher 31 oder
andere Systemkomponenten können alternativ im Notbetrieb
durch Elektroheizvorrichtungen 40 beheizt werden, sollte die
Anlage ausfallen.
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Um
verschiedenen Entnahmesituationen von Wärme aus den beiden
Wärmespeichern gerecht zu werden, ist zeitweise ein Wärmetransport zwischen
den Wärmespeichern hilfreich, insbesondere um ein verfrühtes
Einschalten und Aufheizen der Wärmespeicher durch den Verbrennungsmotor und
die Wärmepumpe zu vermeiden. Zwischen den beiden Wärmspeichern
kann dazu mittels eines Ausgleichskreislaufs 45, bestehend
aus einer Umwälzpumpe 36 und einem Rückschlagventil 37,
ein Wärmetransport hergestellt werden. Dabei werden durch diese
Anordnung die beiden bereits vorhandenen Wärmetauscher
der Warmwasserbereitung genutzt. Es sind also keine zusätzlichen
Wärmetauscher erforderlich. Das Rückschlagventil 37 gewährleistet, dass
bei Warmwasserentnahme das Wasser durch die beiden Wärmetauscher
fließt und nicht durch die Ausgleichsleitung. Durch diese
Bauform können die Wasserfüllungen beider Wärmespeicher
getrennt bleiben, was Vorteile bei der Befüllung, bei Verschmutzungen
und beim Korrosionsschutz sowie dem Installationsaufwand und der
Auslegung hinsichtlich des maximalen Drucks im Wärmespeicher bietet.
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Alternativ
ist auch ein einfacher Wasseraustausch beider Wärmespeicher
zum Temperaturausgleich, beispielsweise über eine Pumpe,
möglich, der die genannten Vorteile nicht bietet, aber
ebenfalls mit sehr wenigen Bauteilen, aber zusätzlichem
externen Aufwand für Leitungen auskommen kann.
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Die
am Verdampfer 17 der Wärmepumpe entstehende Kälte
wird über eine Umwälzpumpe 21 und ein
Leitungssystem des Solekreislaufs 25 mittels Kollektor
oder Wärmetauscher 26 abgeführt. Als nutzbare
Wärmequelle kommen hierfür sowohl das Erdreich,
das Grundwasser, ein Gewässer, die Umgebungsluft als auch
sonstige Abwärmequellen in Betracht.
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Die
Verbrennungskraftmaschine 1 befindet sich vorzugsweise
zusammen mit den wesentlichen Aggregaten der Wärmepumpe
in einem lärmgedämmten Gehäuse 6,
welches erfindungsgemäß zumindest teilweise aus
dem Tank eines Wärmespeichers, vorzugsweise des Hochtemperaturspeichers gebildet
wird.
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Diese,
zum Teil aus anderen Anmeldungen bekannten Merkmale werden erfindungsgemäß durch
eine wärmeleitende, multifunktionale Trennwand 47 zwischen
dem Wärmespeicher und dem Motorraum ergänzt. Die
besondere Bauform der Trennwand 47 ermöglicht
nicht nur eine direkte und optimale, verlustfreie Einleitung der
Luft- und Strahlungsabwärme der Verbrennungskraftmaschine 1 in den
Wärmespeicher, eventuell verbessert mittels zusätzlicher
Kühlkörperelemente, sondern wird als Träger
für die Wärmetauscher 46 für
das Motoröl und das Abgas genutzt.
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Dabei
besteht ein erheblicher Vorteil darin, die beiden Wärmetauscher
für Abgas und Schmiermittel von der Motorraumseite direkt,
flächig auf dieser Trennwand 47 zwischen Wärmespeicher
und Verbrennungskraftmaschine 1 anzubringen. Durch diese
Bauform entfallen aufwändige Rohrleitungen und Pumpen zu
Wärmetauschern innerhalb des Motorraums oder eine technisch
schwierige Integration von Wärmetauschern in die Wärmespeicher.
Der Wärmespeichertank bleibt ohne zusätzliche
Durchbrechungen. Infolge dessen wird eine kompakte, einfache, montage-
und reparaturfreundliche Energiegewinnung und -zuführung
in die Wärmespeicher erreicht, ohne Probleme mit undichten
Wärmespeichern, Korrosion von Wärmetauschern und
unzugänglichen Komponenten innerhalb der in der Regel verschweißten
Wärmespeicher. Die drei Funktionen der Luft-, Abgas- und
Schmiermittelwärmetauscher können vorzugsweise
in einer platzsparenden, korrosionsarmen und preiswerten Stranggussbauweise aus
Aluminium gefertigt sein, wobei es sinnvoll erscheint, zumindest
einzelne Funktionen in ein gemeinsames Profil zu integrieren.
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Durch
diese Bauform werden in der Summe folgende Vorteile erreicht: Eine
gemeinsame Wärmedämmung nach außen minimiert
thermische Verluste und vermeidet das Auskühlen des Motors
im Stillstand. Die Wasserfüllung und der massive Tank dämpfen
den Lärm- und Schwingungspegel des Motors erheblich. Die
Leitungsführungen zwischen den Komponenten liegen weitgehend
im Inneren des Geräts und werden in ihrer Länge
minimiert. Der externe Installationsaufwand kann minimal gehalten
werden. Alle wesentlichen Teile befinden sich innerhalb des Systems.
Der Installationsaufwand, Verrohrungsaufwand und Platzbedarf für
Abgaswärmetauscher und andere Wärmetauscher ist
durch den direkten Wärmeübergang eines eventuell
gemeinsamen Wärmetauscherelements auf der Trennwand minimal.
Der zusätzliche Gehäuseaufwand kann minimiert
werden. Weiterhin wird eine äußerst kompakte Bauform erreicht.
Insgesamt werden alle energetischen Verluste durch das Gesamtsystem
minimiert, wobei zur effektiven Schwingungsdämpfung zusätzliche Schwingungsisolatoren 7 vorgesehen
werden können.
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Die
Bauform des Wärmespeichergehäuses kann im einfachsten
Falle durch ein direktes Anordnen des Wärmespeichers über
dem Motorraum mit einem direkten Wärmeübergang
erreicht werden, ohne dass eine komplette Umhüllung der
Verbrennungskraftmaschine durch den Wärmespeicher vorgesehen
ist.
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Insbesondere
temperaturempfindliche Komponenten wie die Steuerung, der Generator
und eventuell der Kompressor können in einem gesonderten
Raum, vorzugsweise unterhalb des Motorraums angeordnet werden, der
keinen unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Hochtemperaturwärmespeicher
hat.
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Die
verschiedenen Wärmespeicher gewährleisten einen
zyklischen Betrieb des Verbrennungsmotors und Verdichters, das heißt,
der Motor läuft nur so lange, bis beide Hauptspeicher 38 und 31 ihr
maximales Temperaturniveau von 55°C bzw. 95°C
erreicht haben. Danach kann die Anlage über einen längeren
Zeitraum ruhen, bis beide Wärmespeicher auf eine zulässige
Minimaltemperatur von beispielsweise 35°C... 40°C
abgekühlt sind. Bei Bedarf wird über den genannten
Ausgleichskreislauf Energie in beiden Richtungen transportiert,
um eine vollständige Wärmeentnahme beider Hauptspeicher
zu erreichen, bevor die Anlage wieder einschaltet. Durch die getaktete
Arbeitsweise des Motors wird dieser vor hohen Laufzeiten und häufigen
Wartungsintervallen bewahrt. Die gesamte Anlage wird über
eine elektronische Steuerung 29 kontrolliert und betrieben.
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Über
einen Generator 22, der mittels Riementrieb 12, 13, 14 vom
Verbrennungsmotor angetrieben wird, kann alternativ elektrische
Energie gewonnen werden, um vorzugsweise zu Jahreszeiten mit geringem
Heizungsbedarf aber erforderlicher Warmwasserbereitung die mechanische
Energie elektrisch zu nutzen. Eine Netzeinspeisung ist ebenso denkbar.
Der Generator kann dabei auch die Energie für den Anlasser
des Motors liefern, wenn ein Akkumulator ergänzt wird.
Er ist hierzu beispielsweise in Niedervolttechnik, beispielsweise
12 V oder 24 V, ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0059911
A1 [0007]
- - DE 19740398 A1 [0008]
- - DE 10116573 A1 [0009]
- - DE 3414002 A1 [0009]
- - DE 19909885 A1 [0010]
- - DE 2633662 A1 [0011]
- - DE 2633775 A1 [0012]
- - DE 3014357 A1 [0013]