DE1551994A1

DE1551994A1 - Waermepumpe zum Heizen und zur Warmwasserbereitung

Info

Publication number: DE1551994A1
Application number: DE19671551994
Authority: DE
Inventors: Peter Rabien
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-09-20
Filing date: 1967-09-20
Publication date: 1970-03-19

Description

Wärmepumpe zum Heizen und zur Warmwasserbereitung Die bi4jetzt bekanntgewordenen Wärmepumpen nach dem Kompressionsprinzip geben vom elektrischen Strom als Energieträger aus.Der hohe Strompreis verhindert ihre' allgemeine Anwendung zu fIeizzwecken.
Wärmepumpen nach dem Absorptionsprinzip können zwar mit billiger Primärenergie(Kohle,Öl,Gas)oder Abf allenergie(Abgas,Abdampf,Abwasser) betrieben werden,doch gibt es leider noch kein ideales Stoffpaar, das sowohl ungiftig ist,als auch korrosionsmäßig befriedigt.
Die Erfindung beschreibt eine Gas-oder Ölbetriebene Kompressionawärmepumpe um dadurch die Kosten der Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung zu senken.
Dies geschieht auf folgende leise: Der in Abb.1 dargestellte Öl oder GasmotoxAverbrennt das heizöl bzw.Gaa und treibt einen Kompressor(K) an..
Eines der üblichen Arbeitsmittel(am besten Frigen 12 oder 22) verflüssigt sich im Kondensator(Ko),wird im Expansionsventil () entspannt und verdampft bei Außentemperatur(Ta) im Verdampfer(Ve). Die im Kondensatmr(Ko) erzeugte .Wärme und die Abwärme des Öl oder Gaamotors(bi) liefern. die gesamte Heizwärme.
Die Wärmemenge,die der Verdampfer(V9)der Lmgebung entzieht entspricht der Ersparnis an Brennstoff.
Die Abwärme des Motors(Ii),riühlwasser und durch Wärmeaustauscher(W) entnommene Abgaswärme,fällt zwischen 70 und 48 Grad an,sie läBt sich somit direkt im 1.rieizmittelkreislauf(Wasser) durch Heizkörper(üKI) an den zu beheizenden Raum abgeben.
Beim Kondensator(Ko)ergeben sich Schwierigkeiten.Man kann aus SicherheitagrUnjen den Kondensator nicht direkt als Heizkörper verwenden(Hoher Druck des Frigens,Geruehlosigkeit bei Lndichtigkeiten _ a ber Zera®tzbarkeit bei offenen Flammen zu giftigen Bestandteilen) Darum wird im 2.äeizmittelkreislauf(Wasser) die Wärme vom Kondensator übernommen und an den oder die Heizkörper(HK2) abgegeben.
.(HK2)muß jedoch eine wesentlich niedrigerer Vorlauftemperatur erhalten alg (HK1).weil nach Carnot die Leistungsziffer des Wärmepumpenprozesses sonst zu niedrig wird.
Eine niedrige Heizkörpertemperatur(30 bis 50 Grad) von (:;h2) führt aber zu nicht vertretbareh großen iieizflüchen,die weder im normalen Ba u architektonisch unterzubringen sind,noch armortisiert werden können.
Die Lösung ergibt sich auf zwei Wiegens a.)Die gesamten Außenwände,der unterste Fußboden und die oberste Decke des zu beheizenden Gebäudes erhalten im Putz,bzw. Hodentelag ein dichtes Netz(N in Abb.2)von Schläuchen,Röhren oder Lohlen Platten, durch die das heizmittel des 2.fieizmittelkreislaufes gepumpt wird.Die Temperatur der Wandgrenzschicht soll dadurch na hezu Raumtemperatur erhalten.
falls noch die Fenster zwischen Doppelscheiben an den 2.üeizmittelkreislauf angeschlossen werden,könnte etwa der Transmissionswärmeverlust des Gebäudes über den Kondensatorkreislauf gedeckt werden.(HK1) muß dann den lüftungswärmebedarf und bei normalen Fenstern und Türen deren Transmissionsverlust aufbringen.
(P) bedeutet in den AbbildungensHeiznittelpumpen. quantitativ ergibt sich bei dieser Ausführung folgendes: Der hüftungswärmebedarf liegt im Normalfall zwischen 1; und 30 % des gesamten Wärmebedarfes.Iiei Zuschlag der Fenster und Türen müßten es- 40 bis 45% über (FIK1) und die anderen 55 bis e0;o über (MR2) also Wände,Deeke,Fußboden geliefert werden.
Bei minus 20 Grad Außentemperatur,minus 30 Grad Verdampfertemperatur und etwa plus 30 Grad Kondensatortemperatur hat der Wärmepumpenkreislauf mit Frigen 12 als Arbeitsmittel eine Leistungeziffer von 3,57 bei einem Gütegrad des Verdichters von 0,8.
Der Öl oder Gasmotor(M) habe einen niedrig angesetzten Wirkungsgrad von 23%.Nach Ubertragunsverlusten gibt er noch 21,7'% der Öl oder Gasenergie an die Kompressorwelle ab.
Dann stehen 3,57 z 21,7 - 76,6% im Kondensator zur Verfügung. Von den 77'f Abwärme gehen 15% im Auspuff voll verloren um den Abgasen einen iiernünftigen Auftrieb zu geben und den Taupunkt 'nicht zu unterschreiten(Korrosionl).5o bleiben für (HK1) 77 - 15 = 62% erhalten.

Die gesamte Heizwärme beträgt folglich 76,6,+ 62 -138,6 f .

rezieht man die GesamtiteiZRärme auf den vollen iic:zwert des

e;reiinstoffes, so ergibt sieh eine ljrsF,arnis von 28 rö.

vt-:rgleicht man die Gesamtheizwärme. aber mit einer normalen

izeizcng, die ja, mindestens 1 5 ;@ Abgasverlust hat, so erhöht .-_ich

die r:iz`k.! iC@Ie rärsparnis beträchtlich.

Dieser I:ei.i`i@etrag soll aber teilweise für die heizmittelpumpen

und eventuell n;itit;e Liifter am Verdampfer oder auch an den

Geizkörpern als verbraucht B=elten.

Pumpen und Lüfter werden direkt vom I:otor(.:) angetrieben.

Ist dies nicht möglich,wit bei einem Verdampfer am Bach des

cia:;ses oder bei mehreren Gebläsekonvektoren oder den weiter -

:änte.n beschriELenen Gebläseheizkörpern,dann erzeugt der Motor(m)

bis ca.10 ;ü seiner Leistung elektischen Strom um die dilfsaggregate

anzutreiben.

I)fp&er Verlust ist bei den folgenden Berechnungen immer bereits

abgezogen.

Da nun die Außentemperatur selten lange bei minus 20 Grad

bleibt, i;:t die zu erzielende Durchschnittsersparnis über die

Reizperiode natürlich größer als 28 °;l).

Die folgende `Tabelle zeigt wie sich die Brennstoffersparnis

bei den verschiedenen Außentemperaturen entwickelt.,

,Der Verdamper sei immer um zehn Grad kälter als die Außenluft,

der Kondensator habe 30 Grad.Bie Leistungsziffern ergek*sich aus den

üblichen Arbeitsdiagrammen bei politropher Verdichtung.

Außentemperatur Leistungsziffer i::echanische Kondensator-

Energie an der leistung:

(Tq t Komprez:@.orwelle e x 2197

@

_20 Gra d- 3-e57 21., 7 f 7696

-1o 434 ,@ 94 ;ö

0 121

3 .r S

+ 737 @, 168

+20 1-194 @i 248-

Y

Gesamtxärmeleistung m Ersparnie,wenn der

nutzbare Abwärme(62 lö) + t..ntere @ieizwert des

1; =100 5.1

(Ta)

-20 Grad 13896 % 28 5ö

-10 156 36

` 0 183 j@ 46 %

+10 210 j 56 774

+20 310 ;@ 67, 7Y3

Verhältnis von nutzbarer Abwärme und Kondensatorleitung bei den verschiedenen Außentemperaturen: .

(Ta) nutzbare AbwürTne Kondensatorleistung

-20 Grad 446 i''- 55 9 4 5G

-10 3997 % 60, 3

0 34 i 66

+1o 27 Jn 73

+20 20 ;Q 80

Geht man von einer dirchschnittlichen Außentemperatur zwischen »5 Grad bis ca fGrad während der Reizperiode aus,so lä.ßt sich eine durchschnittliche Brennstoffersparnis von 40 bis 50 erzielen. Diese hohe Ersparnis rechtfertigt den Einsatz der Laschinenaggregate an stelle des üblichen kessels,selbst wenn nach ca.5 Jahren Motor und Kompressor überholungsbedürftig sind. Die letzte Tabelle zeigt noch das Verhältnis zwischen nutzbarer Abwärme und Kondensatorleistung.Dies Verhältnis ist sehr wichtig, denn wenn die nutzbare Abwärme niedriger wird als der Lüftungswärmebedarf, . muß die Temperatur der neizsohläuehe(N) über itaumtemperatur gesteigert werden.Liegt der prozentuale Anteil der nutzbareh Abwärme über dem Lüftungswärmebedarf,kann die Temperatur der Xeizschläuche(N) und damit die des Kondensators gesenkt werden.

Da dieser F,11 bei niedrigen Außentemperaturen auftritt,wo der hauptwärmeverbrauch liegt,ateigert sich die Leistungsziffer des Wärmepumpenprozesses und dadurch die Ersparnis.
Die schlechtere Leistungsziffer durch erhöhte Wandtemperatur des Netzes(N) fällt dagegen sinngemäß nicht so ins Gewicht. Bei normalen Gebäuden dürfte eine Erhöhung der Wandtemperatur ab +10 Grad Außentemperatur um wenige Grad nötig sein,dagegen senkt sich die erforderliche Kondensator und Wandtemperatur bei (Ta) -20 um mindestens zehn Grad.
Ist durch die .Bauart des zu beheizenden übäudea der Lüftungs und Fenstortransmissionaverlust von vornherein zu hoch oder sind die wasserführenden Außenwände cnerwünsQht, so läßt sich diese Lösung nicht anwenden.
b.)Die zweite Lösung des Froblems,ohne den Zwang alle Außenflächen mit Schläuchen oder Rohren zu durchsetzen zeigt Abb.3.
Ein Geblüseheizkerper(GHK)besonderer,weiter unten beschriebener Bäuart gibt die neizwärme an den Raum ab.
Das heizmIttel wird Am Kondensator(Ko) von 25 auf ca.35 Grad exwärzt,durch den Öloder Gasmotor geleitet und duroh die Abwärme auf ca.42-45 Grad erwärmt(Bei Ta-20 Grad).

Der Gebläseheizkörper ist so-gebaut 1daß er trotz der niedrigen, ' mittleren Heizmitteltemperatur von nur va.35 Grad keine riesigen Äusmaße annimmt.

.Die schlechte Wärmeübergangszahl von Heizkörpez#gf auf Luft

1ä ßt sich durch die Erhöhung der relativen Geschwiniigkeit

zwischen Luft und Metall erhöhen.

Bei Verwendung eines normalen Gebläsekonvektors kann diese

rtela tivgeschwindigkeit geräuscharm bis ungefähr 8 m/sek

gesteigert werden.Die k-Zahl(Wärmeübergangszahl beträgt

dan+a. 2+108 -ca.30 Koal/h nt" Grad.

Dies ist immerhin sehjn vier .aal soviel wie bei einem

Normalradiator oder Konvektor.

Doch ist der hohe Energieaufwand für die unnötige Beschleunigung der

Luft kaum tragbar.

Er würde die Leistungsziffer des Gesamtprozessee merklich

vergchlechtern.

Abt-.4 und 5 zeigen je eine Lösung:

Zu Abbb. 4:

Ein motorisch angetriebener,hohler Lüfterflügel wird im

Inneren vom -eizmittel durehflossen.Vorlauf und Rücklauf

gehen durfte die hohle Achse mit Gleitringdichtungen.

Im großflächigen,sehmalen,stroalinienförmigen Lüfterblatt

sind Leitstege angeordnet,die das Heizmittel in Gegenstrom

zur Luft führen.Der Winkel des Lüfterflügels zur Drehebene

ist so gering,daB bei größtmöglicher Umfangsgeschwindigkeit,

nur gerade die Luftmenge gefördert wird, die zum Transport

der nötigen Wärmemengen ausreicht.

Wegen der Geräuschbildung liegt die Grenze der tafangs-

geschwindigkeit bei etwa 20 a/sek.Darau# ergibt sich

eia k-Wert von ca. 2+10 f2"0. ca.46 Kcal/h J Grad.

Also ein Achtel der Heizfläche normaler Heizkörper oder

in Fall der Wärmepumpe mit niedriger Heizmitteltemperatur

etwa die Hälfte.

Da die Luftleistung pro 1000 Keal/h nur etwa 250 m/h bei einigen

Millimetern Gesamtpressung erreicht@ist der Energiebedarf

eines so gebauten sebläoeheizkörpers trotz der hohen k-Zahl .

.minimal und bleibt unter 10 #4 der Ibtorleistung des Notors(M).

h@.c, I=e@.sti.uisziffc=r dieser i@nordnüng ist allerdings geringer als

bei Lösung a.) mit dein Wandnetz(N) da sich die Kondensatortemperatur

kaum unter drei3;ie; Grad drücken lä.::t.

Zu Abb.js

hine weitere h'si.ng des @ieizl:spexprolslems,d@s c?a;entschEiaerde

bei einer wlärmept"impe ist, läßt sich mit noch gering-erem Energie-

a:.,t'wand dadi:roli erreichen, daß eine oder mehrere hohle, heizmittel-

durchflossene Scheiben mit hoher Geschwindigkeit rotieren.

(::,ehr als 20 mI's möglich) Die Scheibe oder Scheiben sind-, .

strömungsgünstig an;=eordnet und der

Sciiaci:t»cs, sowie die Itadialbeschleunigung scheibennaher Luft-

teilchen besorgen die Förderung der l@aumluft.

Eine dritte Abwandlung wäre die Beibehaltung von zwei

heizmittelkreislä,ufen und die Verwendung der @sebläse-oder

Schcibenheizkörper.Der 1.ueizmittelkreislauf mit der hohem

Vorlauftemperatur könnte über normale aadiatoren oder Konvektoren

heizen, der c. über die Gebläseheizkd rper.

Diese Lösung ergibt mirixinalsten Heizf lächenbedarf aber

umständlioae Strangführung, 2 Pumpen usw .

Die Steuerung des (il oder Gasmotors, des Expansionsventils,der

nimpen und Lüfter erfol£-t mit den bekannten Geräten und Schaltungen.

:it einer automatischen Abtauvorrichtung für den Verdampfer,einen

elektridchen Anlasser am Gas-oder Ülmotor läßt sich der

gleiche Bedienungskomfort erreichen wie bei den üblic:en Heizungen.

Eine gute Schallisolierung des Inlaschinenraums ist natürlich

nötig.

Der Einbau eines ;Va rniwaaserbmilers oder Durchlauferhitzers

in den Abwärmekreislauf oder bei zeitweilig erhöhter Konden-

satortemperat"r°Z@:H.im Sommer) in den Kondensatorkreislauf

bereitet keine äcüwierigkeiten.

Die Gebläse oder Scltieibenheizkörper eignen sich auch unabhängig

von der Wärmepumpe zum Einbau in konventionelle Heizungen.

Bei hofier Vorlauftemperatur würden sich sehr kleine Abmessunugen

ergeben,die architektonnsch weniger stören als die biyjetzt -

eingebauten:

Der Fortschritt der Erfindung gegenüber den Gekannten Wärmepumpenanlagen 'besteht darin, daß die zur Zeit billigste Primärenergie aus ß1 oder Gas für eine Kompressionswärmepumpe verwendet werden kann.

Die vorgesehenen Scheiben oder Gebläseheizkörper ermöglichen eine wirtschaftliche Betriebsweise mit niedriger Kondensator-. temperatur,die sich bei Ausführung mit dem Wandnetz noch mehr senkt.
Eine lieizkostenersparnis von 40 > über die heizperiodezim jommer die noch größere Ersparnis bei der fieißwasserbereitvng ergeben eine schnelle Amortisation der Anlage.
erwähnen. ist auch noch der Fortfall des Schornsteins bei Neubauten und der Ersatz durch ein wesentlich dünneres Auspuffrohr.Bei Ölheizun*en kann der vorzl.:;el,ende Tankraum auf die hälfte rollte im La u8 der nächsten zehn oder zwanzig Jahre der elektrische :itrom aus Atomenergie billiger werden als Heizöl oder Gas,so kann der Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor ersetzt werden.
Die Anlage hat dann wieder niedrigerere.heizkosten als bei direkter tromheizung.
Allerdings muß der eventuelle umbau vorgesehen sein. (Größerer oder zweiter Kompre ssor, nur Gebläseheizkörper ) Besonders geeignet ist die Eifindung auch zur hereitung großer Mengen warnen Wassers für Hallenbäder,ScriwimmiLecken -isw. Da sich am Verdampfer die gleichen Probleme ergeben wie an den äeizkörpern(niedrige Temperaturdifferenz wird er zweckmäßig ebenfalls wie die Gebläse oder Scheibenheizkörper gebaut.notfalla, , . . unter Zwischenschaltung eines Wärmeaustauschers falls Frigen Ein Kühlnittelkreislauf würde.dann zwischen Verdampfer und "Scheiben oder Gebläsekühler9 eingeschaltet.
Ist ein See oder Fluß in der Nähe bringt man den Verdampfer darin untersämtliche aus dem Haus fließende Abwässer, die ja im Winter zumeißt wärmer als die Außenluft sind 1 ließen sich-4vauch noch ausnutzen und bis ca. +2 Grad abkühlen, Eine höhere Leistungsziffer wäre das Ergebnis.
Liegt der Verdampfer in einem Gewässer muß natürlich für die Ta--e an denen die Luft wärmer ist- auf einen Verdampfer in der Luft umgeschaltet werden können.

Claims

' Patentansprüchen r ,1.Wärmepumpe zum Heizen und zur Warmwasserbereitung dadurch . gekennzeichnet,daß ein Öloder Gasmotor einen Kompressor antreibt, dessen Arbeitsmittelkreislauf der Lmgebung Wärme entzieht,.die zusammen mit der nutzbaren Abwärme des Ö1-oder Gasmotors verwendet wird. 2.Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeiehnet,daß die am Kondensator des Arbeitsmittelkreislaufes anfallenden Wärmemengen durch ein dichtes Rohr oder Schlauchnetz in den Außenflächen des zu beheizenden Gebäudes knapp unter der Innenseite(Innenputz,Fußboden) abgegeben werden,sodaß bei eventuell mitgeheizten,doppelter! Fenstern ein möglichst großer Teil des fransmissionswärmeverlustes gedeckt wird. 3.Wärmepumpe nach .Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die nutzbare Abwärme des-Öl oder Gasmotors mit hoher Vorlauftemperatur den Lüftungswärmebedarf deckt und den liest des Transmissionaverlustes. 4.Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß die -Temperatur des Kondensators und'damit des Wandnetzes über oder unter Raumtemperatur liegt je nach der unterschiedlichen Wärmeverteilung zwischen Kondensator und Abwärme bei den verschiedenen Außentemperaturen. 5-Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeiehnet,daB die Wärmemengen des Kondensators und die Abwärme des Motors zusammen oder getrennt über Gebläseheizkörper,deren hohle* Lüfterflügel vom Heizmittel durchflossen werden, an die zu beheizenden Räume abgegeben wirden. 6.Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurchgekennzeichnet,daß der 'hohle Lüfterflügel de#- Gebläseheizkörperji bei höchst möglicher Umfangsgeaehwindigkeit die geringste nötige Luftmenge bei kleinstem Gesamtdruck liefert: 7.Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeiehnet,daB hohle Scheiben rotieren und ein darüber liegender Schacht sowie die Radialbeschleunigung scheibennaher Luftteilchen die Luft-_ förderurig besorgen. 8.W'd.rmepumpe nach Anspruch 1 dadurch'gekennzeichnet,daß der Verdampfer die gleiche Hauart hat wie die Gebläse -oder Scheibenheizkörper. 9.Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurchgekennzeichnet,daß die Hilfsenergie für Pumpen, Lüfter, Verdampfer vom till oder Gasmotor erzeugt wird. 10.Wärmepumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß die Anlage so eingerichtet wird daß bei billigen elektrischen Energiekosten ein Umbau oder eine Umstellung auch nachträglich möglich ist.