DE102007063141A1 - Heating device for heating a building by means of a heat pump driven by an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
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. Um eine kompakte und geräuscharme Heizungsvorrichtung mit größtmöglichem Wirkungsgrad bei vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen, ist die Trennwand 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. 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 aufnimmt.The invention relates to a heating device, in particular for use in buildings, for heating a building by means of a heat pump driven by a liquid-cooled internal combustion engine and at least one heat accumulator for absorbing heat energy, the heat accumulator housing enclosing or delimiting the internal combustion engine at least partially, wherein the heat accumulator at least one heat-conducting partition to forms the air surrounding the internal combustion engine. In order to create a compact and low-noise heating device with the greatest possible efficiency at relatively low cost, the partition with at least one particular cooling fins having heat sink to improve the heat transfer and / or at least one heat exchanger, in particular for heat recovery from the exhaust gas and / or from the lubricant Internal combustion engine, equipped. The internal combustion engine is for this purpose at least partially enclosed by a multi-functional, self-supporting, outwardly insulated housing, which also forms the tank of the heat accumulator, which preferably absorbs the waste heat of the engine coolant.
Description
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.The The invention relates to a particular for use in buildings certain heating device for heating a building by means of one of a liquid-cooled Internal combustion engine driven heat pump and at least one heat storage for absorbing heat energy, its heat storage housing the internal combustion engine at least partially enclosing or limited, wherein the Heat storage at least one heat-conducting partition to the air surrounding the internal combustion engine.
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.A such heating device is used in practice in particular the Supply of single or multi-family houses as well Office buildings or industrial facilities with the required thermal energy. For single-family homes are mostly systems with small electrical heat pumps used for hot water heating and heating. The heat pump is driven by an electric motor. In contrast, come in air conditioning systems for larger buildings also powerful Internal combustion engines, for. B. gas engines used. These plants are both for cooling, as well as for a heating operation designed. They are predominantly in warmer countries widely used and provide by means of the used air collectors good efficiency in cooling mode, during the Heating operation only at clearly positive outside air temperatures is effective.
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.In In practice there is a fundamental interest in optimization and further development of heat pumps to meet the heating needs especially for single-family homes and smaller ones Residential units as possible even cheaper cover and increase efficiency.
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.there have the equipment with gas engines or other conventional Internal combustion engines are equipped, the advantage of a higher primary energy efficiency than those with electrical Drives. Instead of an electric motor drives in this case an internal combustion engine, preferably with natural gas, diesel fuel or biomass, such as rapeseed oil or biogas operated can be, the heat pump. However needed the internal combustion engine a sound insulation. Furthermore are the basic investment costs as well as the operating and maintenance costs generally higher. So these systems are so far only for large Buildings with significant air conditioning or refrigeration needs economically reasonable, not for smaller units.
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.Of the Construction and function of the internal combustion engine driven plants are analogous to the heat pump driven by an electric motor, the compressor being directly or via a transmission from Internal combustion engine is driven. In addition, it can the heat from the cooling water as well as from the exhaust gas of the engine are discharged into the heating system.
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.The advantages over electric heat pumps are mainly in the higher primary energy utilization, in particular by attributable conversion and transmission losses in the electrical network and an associated relatively low specific CO 2 emissions. In contrast to the electric heat pump, the losses due to waste heat from the internal combustion engine can be used to a greater or lesser extent. However, the use of air collectors and ventilation-cooled motors, which are generally installed externally from the building, is disadvantageous for maximum efficiency in the heating operation of internal combustion engine air conditioning units. Here are significant thermal losses in the environment, which reduce the efficiency.
Eine
weiterentwickelte Vorrichtung ist beispielsweise durch die
Die
Aus
der
Die
Die
Die
Eine
gattungsgemäße Heizungsvorrichtung gemäß der
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.Of the The present invention is based on the object, one with a Internal combustion engine and a driven by this heat pump equipped Significantly improve heating device. In particular, should a compact, low-noise, easy to install, maintenance-intensive, durable, economical and environmentally friendly plant with highest possible efficiency with comparatively be made possible little effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Heizungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.These Object is according to the invention with a heating device solved according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention is the subclaims refer to.
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.According to the invention a heating device provided with heat pump, at the partition between the heat storage and the Internal combustion engine surrounding air with at least one particular Cooling fins having heat sink for Improvement of the heat transfer and / or at least a heat exchanger, in particular for heat recovery from the exhaust gas and / or from the lubricant of the internal combustion engine Is provided. The internal combustion engine is at least for this purpose partly from a multifunctional, self-supporting, outward enclosed housing, which at the same time the tank the heat accumulator forms, which preferably the waste heat the engine coolant, in particular so the cooling water receives. Within this case are at least in places good heat-conducting wall surfaces for direct heat exchange between the air surrounding the engine and the temperature accumulator and / or for the direct installation of heat exchangers, in particular exhaust gas heat exchangers and formed lubricant heat exchangers. Likewise Here, heat sink elements to improve the heat exchange with be provided for the air in the engine compartment.
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.hereby is in a surprisingly simple way almost the entire thermal energy of the internal combustion engine from the cooling water, the exhaust gas, the lubricant and the exhaust air detected and directly or via the heat exchangers integrated into the partitions led into the heat storage, without causing a loss of energy takes place to the environment.
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.The Partition could at least partially double-walled or hollow, so as to easily a to allow immediate use as a heat exchanger. In this case, in the cavity thus created, the exhaust gas, the engine oil and / or the cooling water are guided.
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.Especially advantageous, however, is the installation of heat exchangers on these partitions or integrated into at least one Partition and offers significant advantages over the installation within the heat accumulator. The assembly and production costs is minimal. A leak of heat storage can be effectively and easily prevented, since neither exhaust pipes still other lines must be brought in and a good, large-scale heat transfer can be guaranteed in the heat storage medium.
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.By the heat storage housing outside enclosing sound and heat insulation, a simultaneous reduction of noise pollution and thermal losses is achieved in the environment, this with low design and manufacturing effort, since two functions are achieved with a Dämmmmantel. With these characteristics, the heating device is suitable for installation within a building, so that no waste heat passes directly into the environment outside the building, as with the internal combustion engine air conditioning units with outdoor installation ü is common.
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.Farther proves to be advantageous that the internal combustion engine is operated cyclically, which by the inventively provided heat storage is reached. With at the same time higher peak performance of Internal combustion engine will significantly improve the or service life of the heating device achieved by the internal combustion engine only active during the short charging cycle must and during the longer discharge cycle rests. This is helpful as the life and maintenance intervals of internal combustion engines are significantly lower than the operating times from conventional gas or oil heating systems.
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.Further Measures to increase the lifetime are the Reduction of the speed and an increase the volume of oil, which in particular a largely low-maintenance operation with long maintenance intervals allowed.
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.It proves to be particularly advantageous when the internal combustion engine almost completely from the temperature storage and the therein Heat transfer medium is included, which means a effective noise reduction through the heat storage medium is reached. In addition, so the cooling of the internal combustion engine in downtime prevented, which also causes an increase in the life.
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.The Heat storage housing is preferably in a self-supporting, formed upright construction to further effort for avoid a supporting structure and order on a very limited, For example, in basements available floor space a remarkable heat storage volume of several hundred Liters in the heat storage to realize.
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.The Internal combustion engine drives a compressor of the heat pump which is also within the temperature memory or else connected by a drive element outside the temperature memory can be arranged.
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.A particularly advantageous embodiment of the present invention Invention is achieved in that the heating device next the preferably used as a high temperature storage heat storage another, preferably arranged separately, as a low-temperature storage running heat storage for a lower Temperature level has. The thermal energy of the internal combustion engine is doing the high-temperature storage and by means of the heat pump obtained energy from the environment supplied to the low-temperature storage, so an optimal economic use of different Temperature levels of engine waste heat, for example 90 ° C, and the heat pump, for example, 55 ° C to allow.
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.in this connection it has already proven to be particularly useful if the high-temperature accumulator of the heating of hot water, for example, for a shower or drinking water, and the low-temperature storage for the heating circuit, in particular the heating of a floor heating, serves.
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.Especially advantageous is the heating of the hot water, For example, the drinking water, in the illustrated design with each a heat exchanger in each heat storage. By This arrangement of the heat exchanger takes place during use of hot water an advantageous heat extraction from both heat stores. This will make the high-temperature storage less heavily loaded during removal and may be the required keep high level for hot water preparation longer.
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.Farther proves to be particularly promising when the High temperature storage and low temperature storage to the thermal Energy balance by a line element for the heat transfer fluid connect. The so realizable adjustable demand Balancing between the high-temperature storage and the low-temperature storage In particular, to increase the rest of the Internal combustion engine through a so achievable complete Emptying used both temperature storage. At the same time, a very low starting temperature of the heat storage for created the charging process by the heat pump. The energy exchange can either via heat exchangers or directly by replacing the heat transfer fluid between the high-temperature storage and the low-temperature storage done. A defined starting temperature when heating the temperature memory allows accurate dimensioning of the temperature memory with the aim of achieving both predetermined end temperatures at the same time.
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.at the activation of the compensation circuit are the two heat exchangers for hot water preparation with an inventive occupied advantageous dual function. This is done by this heat exchanger by means of a circulation pump and a check valve an additional heat transfer between made the heat storage. The check valve prevents the bypass of drinking water during hot water preparation.
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.The heat pump could be connected to an air collector. Particularly promising, however, is a modification of the present the invention in which the heat pump is connected to a ground collector. The earth collector ensures especially in deep winter higher flow temperatures and brine temperatures for the heat pump as an air collector and can thus further improve the efficiency of the device.
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.in principle but can also be a version of the heating device with a cheaper, but less effective air collector of economic advantage especially in areas without particularly low outside temperatures.
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.A heat pump with a well-sized ground collector, a depth probe or a collector for energy from a body of water can bring an energy gain by a factor of 4 to 5 based on the mechanical energy supplied by the internal combustion engine. The internal combustion engine generates with the primary energy supplied to it about 1/3 mechanical energy for the heat pump and 2/3 waste heat. By this 1/3 portion of the mechanical energy so 4/3 or 5/3 thermal energy removed by the heat pump from the environment and fed to the low-temperature storage. The 2/3 energy from the engine waste heat are detected with the cooling water and the advantageous heat exchanger system according to the invention on or within the partition and made available in the high-temperature heat storage. In both heat accumulators, a total of 6/3 or 7/3 energy related to the primary energy used is made available. This corresponds to a theoretical primary energy use of 200% to 233%. In contrast, a conventional gas or oil heater uses only 2/3 thermal energy of the fuel (66% of the primary energy). So it is up to 3.5 times better use of the fuel possible, ie the consumption drops to 1/3 of a forth conventional heating system. This effective use results in an equally high reduction of emissions, in particular CO 2 .
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.A Other also particularly practical modification is characterized achieved that the heating device by means of the internal combustion engine has a drivable generator for electrical power generation, so that with low demand for thermal energy optional electrical Energy can be generated alternatively or simultaneously. The energy production can be done for example in the low voltage range, so the Cost of energy storage by means of a rechargeable battery to keep low. In certain operating conditions would be It also advantageous the mechanical energy of the internal combustion engine over the to convert electrical energy into thermal energy, to affect the load of the internal combustion engine, so optimum performance of the internal combustion engine is achieved. This situation occurs especially when the compressor has a lower performance of the internal combustion engine receives, for example if the ambient temperature of the evaporator is too low, or when the ambient temperature of the capacitor is increased.
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.A other also particularly profitable embodiment of the device is achieved in that the internal combustion engine with a associated with the high-temperature accumulator exhaust heat exchanger is equipped so as to increase the thermal energy of the internal combustion engine to use in an optimal way.
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.In similar Way, the efficiency of thermal energy production can continue be improved by the internal combustion engine with a Lubricant heat exchanger connected to the high-temperature reservoir, especially lubricant cooler is equipped so that not only the thermal energy of the lubricant of energy production can be supplied, but also the operational readiness the internal combustion engine by the thus achievable low lubricant temperature can be improved.
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.According to the invention a significant advantage in that, the two heat exchangers for the exhaust and lubricant from the engine compartment side directly, flat on the heat-conducting partition between Heat storage and engine to install. Due to this design Costly pipelines and pumps are no longer required for heat exchangers within the engine compartment or a technically difficult integration of heat exchangers in the heat storage. The heat storage tank remains "uninjured." As a result, a compact, simple, easy to assemble and repair energy and supply in the heat storage he goes, without problems with leaking Heat storage, corrosion of heat exchangers and inaccessible components within the usually welded Heat storage.
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.to Ensuring adequate cooling and the resulting increased life of the internal combustion engine is another embodiment of the invention, wherein the Internal combustion engine with a variable feed pump equipped cooling circuit is assigned, through which the coolant flow adjustable and depending detected temperature readings is variable. By the regulation of Volume flow can be a low energy consumption of the heat pump and a high flow rate as needed for cooling the internal combustion engine can be ensured.
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.In which also according to another particularly expedient Modification in the cooling circuit of the internal combustion engine a flow guide, preferably a valve arranged is, through which the heat transfer fluid of the internal combustion engine optionally supplied from the low-temperature storage and / or the high-temperature storage is so as a sufficient cooling of the internal combustion engine and ensure optimal use of thermal energy.
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.Also shows in practice an embodiment as a profit, when at least one temperature memory is executed as a stratified memory is so the temperature distribution prevailing in the temperature storage optimal for the respective usage requirements to be able to. In the optimal case, the required temperature obtained by removal of the corresponding layer.
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.Around a reliable supply in all circumstances ensure the heating device is with an electric Heating device equipped, in particular in case of failure of the heating device or additionally used.
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.The Internal combustion engine can be based on any principles of action and adapted to individual requirements. Especially useful on the other hand, if the internal combustion engine is a diesel engine, a gas engine or a hot-air engine, in particular a Stirling engine, is executed. The internal combustion engine can also also be designed interchangeable, with a modular Structure of the air conditioning device to a simple adaptation available fuels, especially biofuels, or the requirements of the building to be heated.
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.Especially temperature-sensitive components such as the controller, the generator and possibly the compressor can be in a separate Space, preferably be arranged below the engine compartment, the has no direct heat exchange with the high temperature storage. The cooling of temperature-sensitive components is also by positioning these components in the intake air flow or the intake air line of the internal combustion engine feasible.
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.By a reversal of the operation of the heat pump or use an earth collector as direct cooling element without heat pump is either the use of the heating device for heating or Cooling possible, allowing for optimal use For example, in the summer months can be achieved.
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
Die
mechanische Leistung wird direkt oder über ein Getriebe,
beispielsweise Riemengetriebe, bestehend aus Riemenscheibe
Die
am Kondensator anfallende Wärme wird über eine
Umwälzpumpe
Aus
dem Niedertemperaturspeicher wird über eine Umwälzpumpe
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
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.alternative is also a simple water exchange both heat storage for temperature compensation, for example via a pump, possible, which does not offer the advantages mentioned, but also with very few components, but additional external effort for lines can get along.
Die
am Verdampfer
Die
Verbrennungskraftmaschine
Diese,
zum Teil aus anderen Anmeldungen bekannten Merkmale werden erfindungsgemäß durch
eine wärmeleitende, multifunktionale Trennwand
Dabei
besteht ein erheblicher Vorteil darin, die beiden Wärmetauscher
für Abgas und Schmiermittel von der Motorraumseite direkt,
flächig auf dieser Trennwand
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
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.The Design of the heat storage housing can be the simplest Trap by directly arranging the heat storage over the engine compartment with a direct heat transfer be achieved without a complete wrapping of the Internal combustion engine provided by the heat storage is.
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.In particular, temperature-sensitive components such as the controller, the generator and possibly the compressor can in a separate room, preferably below the engine be arranged space that has no direct heat exchange with the high-temperature heat storage.
Die
verschiedenen Wärmespeicher gewährleisten einen
zyklischen Betrieb des Verbrennungsmotors und Verdichters, das heißt,
der Motor läuft nur so lange, bis beide Hauptspeicher
Über
einen Generator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
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Effective date: 20141218 |
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| R082 | Change of representative | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |