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Elektrischer Boiler mit Wärmepumpe
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-----------------------------------------Die Erfindung betrifft einen
elektrischen Boiler von der Art, bei dem ein isolierter, elektrisch beheizter Wasserbehälter
zusamnen
mit Rohrinstallationen für den Eintritt kalten Wassers
und den Austritt warmen Wassers und elektrischen Leitungsanschlüssen sowie einem
Thermostaten und Sicherungsmitteln in einen gemeinsamen Schrankmodul eingebaut ist.
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Derartige Boiler, die sich durch ein in ästhetischer Hinsicht ansprechendes
Ausseres, einfache Installation sowie leichte Zugänglichkeit und somit Servicefreundlichkeit
auszeichnen, haben sich in den letzteren Jahren zum Erhitzen von Gebrauchswasser
in solchen Wohnungen, die nicht durch Zentralheizung beheizt werden, weiter Verbreitung
erfreut.
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Die Erfindung bezweckt, einen Boiler der genannten Art mit stark reduzierter
elektrischer Leistungsaufnahme anzugeben, und zur Lösung dieser Aufgabe ist der
erfindungsgemässe Boiler dadurch gekennzeichnet, dass der den Wasserbehälter beheizende
Modul eine Wärmepumpe in der Form einer Luftkühlanlage mit einem über dem Wasserbehälter
angebrachten Verdampfer mit separatem Lufteintritt und -austritt und einem zugehörigen
Gebläse enthält, von welchem Verdampfer aus Kühlmittel in gasformigem Zustand über
einen Kompressor zu einem im Inneren des Behälters angeordneten Kondensator und
sDn dort aus in flüssigem Zustand über einen Sammelbehälter wieder zurück zum Verdampfer
geleitet wird, wobei zum ergänzenden Beheizen auf an sich bekannte Weise ein elektrischer
Heizkörper im Wasserbehälter vorgesehen ist.
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Die vielen Anstrengungen, die heutzutage bezüglich der Entwicklung
energiesparender Massnahmen gemacht werden, haben auch zu zahlreichen Vorschlägen
geführt, die die Anwendung von Wärmepumpen zu verschiedenen Heizzwecken, wie z.B.
die eigentliche Heizung von Räumen oder die Erwärmung von Wasser z.B. in Schwimmbecken,
unter Ausnutzung der Erdwärme oder des Wärmegehalts der atmosphärischen Isuft betreffen.
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Alle diese Vorschläge hatten gemeinsam, dass es sich jeweils um die
Erwärmung auf verhältnismässig bescheidene Temperaturen handelte und dass die Warmepumpe
immer als separate Einheit ausserhalb
und oft in relativ grosser
Entfernung von derjenigen Stelle plaziert war, wo die Wärme gebraucht wurde.
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Durch eine Kombination der in einem Boiler erfolgenden Erhitzung des
Wassers durch-den eigentlichen elektrischen Heizkörper mit einer Erhitzung durch
eine Wärmepumpeneinheit, die in einen gemeinsamen Schrankmodul eingebaut wird und
die in der umgebenden atmosphärischen Luft enthaltene Warme ausnutzt, und dadurch,
dass man diese Wärmepumpeneinheit die Grunderhitzung des Wassers im Wasserbehälter
besorgen lässt, ist es normalerweise möglich, den Stromverbrauch auf ungefähr ein
Drittel dessen zu reduzieren, worauf er sich bei einer ausschliesslich mit Hilfe
eines elektrischen Heizkörpers erfolgenden Erhitzung belaufen würde.
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Gewöhnlich gewährleistet die Warmepumpe allein bereits eine ausreichende
Erhitzung, so dass der ergänzende elektrische Heizkörper nur bei einem ausserordentlich
hohen Verbrauch an warmem Wasser in Funktion tritt oder wenn die Luft z.B. in länger
andauernden Perioden mit starkem Frost nicht genügend Wärme liefern kann.
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Beim erfindungsgemässen Boiler führt die Anwendung einer Warmepumpe
im Gegensatz zu dem, was nach den bisherigen Vorschlägen der Fall war, im wesentlichen
keine installationsmässigen Komplikationen mit sich, da ausser den gewöhnlichen
Wasserleitungsanschlüssen und elektrischen Anschlüssen nur die Verbindung von Luftkanälen
an den separaten Lufteintritt bzw. -austritt der Wärmepumpeneinheit erforderlich
ist.
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In Verbindung hiermit wird die Möglichkeit für eine gleichzeitige
Entlüftung von solchen Räumen eröffnet, wo dies erwünscht oder erforderlich sein
sollte, z.B. von Küchen oder Badezimmern, indem die der Wärmepumpe zugeführte Luft
aus derartigen Raumen abgezogen wird. Nachdem die Luft durch die Wärmepumpeneinheit
hindurchgeströmt ist, kann die abgekühlte Luft dann entweder ins Freie abgeblasen
oder in einen Raum geleitet werden, wo Luftkühlung erwünscht ist.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische
Zeichnung näher erklärt. Es zeigt Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemässen Boilers, Fig. 2 ein Diagramm für den Wärmepumpenkreislauf
im Boiler, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 durch den oberen
Teil des Boilers und Fig. 4 ein Schaltbild des elektrischen Kreislaufes des Boilers.
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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Boilers
in der Form eines Schrankmoduls mit einem äusseren Mantel 1 wiedergegeben, in den
ein Wasserbehälter 2 mit Isolationsmaterial 3 zwischen dem Mantel 1 und der Wand
des Behälters eingebaut ist, dessen Oberfläche mit einem geeigneten korrosionsverhindernden
flberzug, z.B. einer Emailleschicht, versehen ist.
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Der Warmwasseraustritt und der Kaltwassereintritt erfolgen durch Rohrstutzen
4 bzw. 5 am Boden des Behälters, und im Inneren des Behälters ist auch ein bei der
gezeigten Ausführungsform stabförmiger elektrischer Heizkörper 6 mit einer zugehörigen
Uberhitzungssicherung montiert, deren Einrichtung und Funktion aus der nachstehenden
Beschreibung der elektrischen Schaltung genauer hervorgeht.
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Der Heizkörper 6 ist elektrisch verbunden mit einem Klemmenkasten
7, der genau wie der grösste Teil der übrigen elektrischen Ausrüstung des Boilers
im unteren Teil des Schrankmoduls unter dem Wasserbehälter 2 untergebracht ist.
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Von der elektrischen Ausrüstung sind mit 8 und 9 Thermostaten mit
zugehörigen Temperaturfühlern Sa und 9a für den Heizkörper 6 bzw. einen Kompressor
10 bezeichnet, welcher Kompressor einen Teil der nachstehend beschriebenen Warmepumpeneinheit
darstellt.
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Der Kaltwassereintritt 5 ist mit einer gewöhnlichen Wasserwerkinstallation
verbunden, und zwar über ein einstellbares Rflckschlagventil 11 und mit der vorgeschriebenen
Montage eines Hahnes
12 sowie eines Sicherheitsventils 13, das
einen flberlauf zu einer Abwasserleitung auf der vom Kaltwassereintritt 5 abgekehrten
Seite hat.
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Der Wasserbehälter 2 ist oben mit einem Zirkulationsstutzen 14 versehen,
der an eine Zirkulationspumpe 15 angeschlossen werden kann, die, wie schematisch
angedeutet, ebenfalls im unteren Teil des Schrankmoduls montiert werden kann.
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Im erfindungsgemässen Boiler erfolgt die Erhitzung, wie bereits erklart,
primär mit Hilfe einer Wärmepumpe und nicht, wie normalerweise, ausschliesslich
mit Hilfe des elektrischen Heizkorpers 6. Die Wärmepumpe hat die Form einer Luftkühlanlage
mit einem im oberen Teil des Schrankmoduls über dem Wasserbehälter 2 angebrachten
Verdampfer 16 mit separatem Lufteintritt und -austritt 17 bzw. lt und einem zugehörigen
Gebläse 19. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erklärt ist, leitet der Verdampfer
16 ausgangsseitig ein an sich bekanntes Kühlmittel, z0B. Freon, in gasförmigem Zustand
über den Kompressor 10 zu einem im Inneren des Behälters 2 angebrachten Kondensator
20, von wo aus das in seinen flüssigen Zustand verdichtete Kühlmittel über einen
in Fig. 1 nicht eingezeichneten Sammelbehälter 21, ein Filter 22 und ein Reduktionsventil
23 wieder zum Verdampfer 16 zurückgeleitet wird.
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Da der Lufteintritt 17 und der Luftaustritt lS auf geeignete Weise
mit Je einem Luftkanal verbunden ist, wird mit Hilfe des Gebläses 19, welches in
der gezeigten Ausführungsform ein Zentrifugalgebläse ist, ein Luftstrom vom Eintritt
17 durch den Verdampfer 16 hindurch und zum Austritt 18 gesaugt, wobei der Wärmegehalt
dieses Luftstromes im Verdampfer zur Verdampfung des Kühlmittels ausgenutzt wird,
welches nach der Kompression im Kompressor 10 unter seiner Verdichtung in dem im
Wasserbehälter montierten Kondensator 20 die aufgenommene Wärme wieder abgibt.
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Während des Betriebes vereist die Aussenseite des Verdampfers
nach
und nach und muss deshalb von Zeit zu Zeit abgetaut werden.
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In dem im wesentlichen geschlossenen Schrankmodul kann dieses Abtauen
einem besonderen Zug der Erfindung gemäss automatisch und unter direkter Ausnutzung
der Wärme des unter dem Verdampfer befindlichen Wasserbehälters 2 erfolgen, und
zwar mit Hilfe von Mitteln zum zeit- oder temperaturabhängigen Abschalten des Kompressors
10 und Unterbrechen der Stromzufuhr zum ergänzenden elektrischen Heizkörper 6 unter
Umgehung der normalen Steuerung derselben mit Hilfe der Thermostaten 9 bzw. 8.
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Im Hinblick hierauf kann der Wasserbehälter 2, wie in Fig. 3 im Schnitt
gezeigt ist, auf der dem Verdampfer 16 zugekehrten Oberseite ohne Isolation sein,
indem zwischen dem Verdampfer und dem Wasserbehälter eine schräggestellte Platte
24 aus wärmeleitendem Material angebracht ist, die das beim Abtauen vom Verdampfer
abtropfende Kondenswasser auffängt und es durch einen Abflusskanal 25 im Modul,
der ausserhalb des Wasserbehälters 2 liegt, z.B., wie in Fig. 3 gezeigt, zwischen
dem Behälter und der Vorderseite des Schrankmoduls, zu dem in Fig. 1 angedeuteten
Abfluss vom Sicherheitsventil 13 leitet.
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Der Aufbau dieser automatischen Abtausteuerung ist aus dem elektrischen
Schaltbild in Fig. 4 genauer ersichtlich. An den Klemmenkasten 7 ist die im Wasserbehälter
2 montierte Überhitzungssicherung für den elektrischen Heizkörper 6 angeschlossen.
Diese Uberhitzungssicherung besteht aus zwei Mikroschmelzsicherungen 26 und 27,
die in je einen Leiter eingeschaltet und in einem Rohr 28 untergebracht sind, welches
in wärmeübertragendem Kontakt mit dem umgebenden Wasser im Boden des Behälters 2
montiert ist, Von der Uberhitsungssicherung aus gelangt der Strom zum Kompressorthermostaten
9, von wo aus er teils über den Heizkörperthermostaten 8 zum ergänzenden Heizkörper
6 und teils parallel zum Kompressor 10 und dem Gebläse 19 geleitet wird.
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Die Abtausteuerung erfolgt durch ein Abtausteuerelement 29. Dieses
Abtausteuerelement ist an die Rückleitung für den elektrischen
Strom
angeschlossen und enthält einen Schalter, der in die Rflckleitung vom Kompressor
10 und dem Gebläse 19 eingeschaltet ist.
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Das Abtausteuerelement 29 kann z.B. eine elektrische Kontaktuhr sein,
die, wie in Fig, 1 gezeigt ist, zusammen mit der übrigen elektrischen Ausrüstung
des Boilers im unteren Teil des Schrankmoduls untergebracht ist und für ein zeitabhängiges
periodisches Abtauen in Perioden von z.B. jeweils einer halben Stunde mit Intervallen
von z.B. 6 Stunden sorgt, oder von einem Differenzthermostaten gebildet werden,
der mit Hilfe von Fühlern, die auf der Verdampferfläche selbst bzw. im Luftstrom
hinter dem Verdampfer angeordnet sind, auf den Unterschied zwischen den Temperaturen
an diesen Stellen reagiert und für ein Abtauen sorgt, wenn dieser Temperaturunterschied
eine vorgeschriebene obere Grenze von z.B.
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lO0C überschreitet, und den Abtauvorgang wieder unterbricht, sobald
der Temperaturunterschied wieder unter einen vorgeschriebenen unteren Grenzwert
von z.B. 7°C gefallen ist.
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Die vom Kompressorthermostaten 9 gesteuerte Wärmepumpe stellt, wie
bereits erwähnt, die primäre Wärmequelle im Boiler dar, und der Fühler 9a des Thermostaten
9 ist auf bekannte Weise am Boden des Wasserbehälters 2 montiert und so eingerichtet,
dass der Strom zum Kompressor 10 eingeschaltet und abgeschaltet wird, wenn die Temperatur
an dieser Stelle vorgeschriebene Werte z.B. von ca.
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50°C und ca. 52 0C unter- bzw. überschreitet.
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Da die Wärmepumpe an sich jedoch nur eine verhältnismässig langsame
Erhitzung vornimmt und bei sehr grossem Warmwasserverbrauch oder bei zu kalter den
Verdampfer 16 umspülender Luft nicht mit Sicherheit eine ausreichende Warmemenge
liefern kann, kann erfindungsgemäss eine ergänzende Erhitzung mit Hilfe des Heizkörpers
6 erfolgen, und in Verbindung hiermit kann bei sehr grossem Warmwasserverbrauch
zusätzlich eine schnelle Wiedererhitzung sichergestellt werden, wenn der Fuhler
ea des Heizkörperthermostaten 8 in einer vorgegebenen Höhe über dem Boden des Wasserbehälters
2 angebracht wird, z.B., wie in Fig. 1 gezeigt, in einem Abstand über dem Boden,
der ungefähr zwei Dritteln der Gesamthöhe des Behälters
entspricht,
indem der Thermostat in Verbindung hiermit so eingestellt werden kann, dass er die
Stromzufuhr zum Heizkörper bei denselben Temperaturwerten ein- bzw. abschaltet,
auf die der Kompressorthermostat eingestellt ist.
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Bei Verbrauch von warmem Wasser, das oben aus dem Wasserbehälter entnommen
und zum Austrittstutzen 4 in Fig. 1 geleitet wird, aktiviert der hierdurch verursachte
Kaltwasserzulauf im unteren Teil des Behälters den Kompressorthermostaten, sobald
die Temperatur dort den unteren Grenzwert von z.B. 50° unterschreitet. Wird der
Warmwasserverbrauch so gross, dass in Hohe des Fühlers für den Heizkörperthermostaten
ein Temperaturabfall unter denselben Wert registriert wird, so schaltet auch der
Heizkörperthermostat durch.
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Letzterer schaltet jedoch den Heizkörper wieder ab, wex.n die Temperatur
in der betreffenden Höhe den oberen Grenzwert von z.B.
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52 0C überschreitet, während der Kompressorthermostat den Kompressor
erst dann wieder abschaltet, wenn auch die Wassertemperatur im unteren Teil des
Behälters diesen Wert erreicht hat.
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