DE2516960A1

DE2516960A1 - Waermeanlage mit einer waermepumpe und einem brennstoffgeheizten kessel mit radioatorkreis

Info

Publication number: DE2516960A1
Application number: DE19752516960
Authority: DE
Inventors: Berth Ulrik Gustafsson
Original assignee: PROJECTUS IND PRODUKTER AB; Projectus Industriprodukter AB
Current assignee: PROJECTUS IND PRODUKTER AB; Projectus Industriprodukter AB
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-17
Publication date: 1975-10-30
Also published as: JPS50141847A; CA1020920A; FI751122A7; NO751385L; NO140079B; US3986664A; FI58017B; NO140079C; GB1483148A; FR2268229B1; SE392766B; FR2268229A1; JPS5918612B2; SE7405257L; FI58017C

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath

Dr. Dieter Weber DipL-Phys. Klaus Seiffert

PATENTANWÄLTE

7516960

D — 62 WIESBADEN
Postfach 1327

' Gustav-Freytag-Strage 25

® [06121) 3727 20

Telegrammadresse: WILLPATENT

15. April 1975

File 15227

Projectus Industriprodukter AB, Torsgatan 21, Stockholm / Schweden

Wärmeanlags mit einer Wärmepumpe und einem brennstoffgeheizten Kessel mit Radiatorkreis

Priorität; 18. April 197 4 in Schweden, Anmelde-Mr. 74-05257-2

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeanlage mit einem herkömmlichen, mit Brennstoff befeuerten Kessel, an welcher ein Radiatorkreis und eine Wasserwärmevorrichtung angeschlossen sind, zusammen mit einer Wärmepumpe mit einem Kühlkreis und in Reihe in diesem einem Kühlexpansionsventil, einem Verdampfer, einem Kompressor und einem Kondensator, der als Wärmetauscher

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ausgebildet ist, um die Wärme des Kühlkreises zum Radiatorkreis zu übertragen. Zürn Zwecke der Raumheizung und Wasserheizung ist es schon bekannt, Wärmepumpen zu verwenden, und wo die Außentemperaturen niedrig sind, eine Art Hilfsquelle zu benutzen. Anstelle von Hilfswärmequellen sind bei einzelnen Beispielen herkömmliche, mit Ol befeuerte Kessel verwendet worden, /lan fand jedoch, daß die Kombination einer Wärmepumpe und eines in Reihe geschalteten, mit Öl befeuerten Kessels vom Gesichtspunkt der Steuerung Anlaß zu unerwünschten Bedingungen gibt, und dies mag einer der Gründe sein, warum bislang häufiger die Auswahl dafür getroffen wurde, elektrische Heizungen oder äußere Heizungen als Ergänzung zur Wärmepumpe zu verwenden, und zwar unbeachtlich der Tatsache, daß diese Energieformen teurer und vom Standpunkt der Krafterzeugerundverteiler unzweckmäßig sind.

Eine Eigenschaft der Wärmepumpe besteht darin, daß sie unter dem Vorbehalt einer konstanten Kondensationstemperatur im Kühlteil einen steilen Abfall der ".iärmebildungsfähigkeit" zeigt, d. h.

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des Verhältnisses zwischen den Ausgangs- und Eingangsenergien, bei fallender Außenlufttemperatur. Außerdem steigt bis zu einem gewissen Grad das Wärmebedürfnis eines Gebäudes bei abnehmender Außentemperatur. Zusätzlich ist es unwirtschaftlich, eine Wärmepumpe so auszulegen, daß sie den gesamten Wärmebedarf eines Anwesens am kältesten Tag des Jahres deckt. Normalerweise werden 30 bis 40 % des Wärmebedarfs von der Wärmepumpe gedeckt, während jeglicher zusätzlicher Wärmebedarf durch die Verwendung einer anderen Wärmequelle berücksichtigt wird. Wenn zusätzlich zu der Wärmequelle eine äußere Wärmequelle oder elektrische Heizung verwendet wird, dann hat diese bei hohen Außenlufttemperaturen einen niedrigen Kraftbedarf und bei niedrigen Außenlufttemperaturen einen hohen Kraftbedarf. Zusammengenommen mit anderen zugeordneten Effekten ist dies vom Produktionsstandpunkt äußerst unerwünscht, da Anlagen mit großer Energieerzeugung nur mit Schwierigkeit eingerichtet werden können, um den Kraftausgang entsprechend der Art des erhöhten Bedarfes zu erzeugen, der durch niedrige Außentemperaturen hervorgerufen wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Heiz-

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anlage, deren Aufbau vom Standpunkt der Steuerung diese günstigen Bedingungen liefert, so daß spezielle Anpassungen zwischen der Wärmepumpe und dem brennstoffbefeuerten Kessel derart ausgegeben werden können, daß einfache Steuereinrichtungen verwendet werden können, um die Wärmeverteilung zv/isehen der Pumpe und dem Kessel in einer Situation zu steuern, wo die Wärmepumpenkapazität nicht ausreicht, um dem Wärmebedürfnis des Anwesens zu genügen. Ein anderes Merkmal der Erfindung ist das Aufzeigen eines Bauverfahrero einer erfindungsgemäßen Heizanlage durch Hinzufügen einer Wärmepumpe zu einer bestehenden, herkömmlichen, mit Brennstoff befeuerten Wasserheizanlage, und dies auf eine solche Weise, daß komplizierte Steuersysteme und Anpassungen vermieden werden können.

In vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Wärmeanlage so ausgebildet, daß eine Belastung des Krafterzeugungsnetzes unter extremen Wetterbedingungen verhindert ist.

Die erfindungsgemäße Anlage ist insbesondere für Mehrfamilienhäuser, Industriewerke, Büros und dergleichen ausgebildet, bei denen der Kraftbedarf etwa 10 kW überschreitet.

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Die eingangs beschriebene Anlagenart unterscheidet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß der Kondensatorwärmetauscher parallel zum Kessel angeschlossen ist und daß der Kompressor über die Vermittlung des Druckes des Kühlkreises, und zv/ar zwischen Kompressor und Verdampfer, gesteuert wird. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren des Zufügens einer Wärmepumpe zu einer bestehenden, ölbefeuerten Heizanlage unterscheidet sich dadurch, daß die Wärmepumpe parallel zu dem ölbefeuerten Kessel liegt und der Wärmepumpenkompressor gemäß dem Druck auf der Jiederdruckseite des Kahlkreises gesteuert wird.

Die Anlage weist vorzugsweise einen großen, ölbefeuerten Kessel mit getrenntem Heißwassererwärmer auf.

Line bevorzugte Ausführungsform dieser Anlagenart, bei welcher ein iiaupt-Zweigventil in der Zwischenleitung des Radiatorkreises angeordnet ist und in dem eine Zweigleitung zwischen dem Haupt-Zweigventil und der Ilückleitung des Radiatorkreises angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das andere Zv/eigventil auf der Abgabeseite des KondensatoriJärmetauschers angeordnet ist, wobei das letztge-

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nannte Ventil so ausgestaltet ist, daß es den den Wärmetauscher verlassenden Fluß in die Zweigleitung hinein zu richten vermag. Dies ist ein einfaches Steuerverfahren des £nergieflusses von der Wärmepumpe zum ölbefeuerten Kessel oder Heißwassererwärmer und der Zwischenleitung des Radiatorkreises. Beide Ilaupt-Zweigventile und das andere Zweigventil können selbsttätig sein, d. h. so angeordnet sein, daß sie je nach der gewünschten Temperatur das heiße Wasser abzweigen. Selbstverständlich können diese beiden Ventile ebenso auf einfache Weise von Hand betätigte Zweige oder Brücken sein, um aber die Einstellung des Wärmeflusses bei einem gegebenen Bedarf zu einem gewissen Grad zu ermöglichen, können diese zwei Zweige beispielsweise durch eine mechanische Totgangkupplung so miteinander verbunden sein, daß eine gewisse Einstellung des anderen Zweiges nicht sofort die .Einstellung des Hauptzweiges stört.

Der Wärmepunpenkompressor hat vorzugsweise einen Mehrfachzylinderaufbau, der entsprechend dem sich verändernden V7ärmebedarf des Anwesens abgeschaltet bzw. außer Betrieb gestellt werden kann. Das Abstellen bzw. Außerbetriebsetzen des Kompressors kann man auch von der Kesselwassertemperatur steuern

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lassen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der einzigen Zeichnung.

In dieser ist rechts ein geschlossener Kreis 1 für ein Kühlmittel gezeigt, z. B. für Freon. Der Kreis 1 weist in Reihe eine Verdampferanordnung 2, die einem Gebläse 3 zugeordnet ist, um den Luftstrom durch die Anlage 2 hindurch zu erhöhen, einen Kompressor 4,einen Kondensator 5 und ein Expansionsventil 6 auf. Das Kühlmittel fließt durch den Areis, wobei es der Kompression im Kompressor 4, der Kondensation im Wärmetauscher 5, der Expansion im Expansionsventil 6 und der Verdampfung im Verdampfer 2 unterworfen wird. Der Kondensator ist als Wärmetauscher ausgebildet, um den Wärmeinhalt des Kühlmittels avf das durch den Radiator und das Kesselsystem strömende Wasser zu übertragen. Die Radiatoren sind an einer Zwischenleitung 8 und einer Rücklaufleitung angeschlossen. Eine Pumpe 10 ist in der Rücklaufleitung 9 angeordnet, um die Zirkulation durch die Radiatoren 7 zu verbessern. Die Zwischenleitung 8 und die Rackleitung 9 sind über eine Zuführleitung 12 und eine

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Rückleitung 13 an einen ölbefeuerten Kessel 11 angeschlossen. Eine Pumpenleitung 14 ist zwischen der Rückleitung 9 und der Zwischenleitung 8 angeschlossen. Ein Ventil 15 steht in Verbindung mit der Zwischenleitung 8, der Zuführleitung 12 und der Zweigleitung 14. Die Wärmepumpe 1-6 ist durch Rohrleitungen 16 und 17 an der Rückleitung 13 und der Zuleitung 12 so angeschlossen, daß der Wärmetauscher 5 in wirksamer Weise parallel zu dem ölbefeuerten Kessel 11 angeordnet ist. Ein Rohr 18 erstreckt sich zwischen der Zwischenleitung 14 und dem Rohr 17. Die Leitung 18 ist an das Rohr 17 über ein anderes Zweigventil 19 angeschlossen, mit dessen Hilfe der Wärmetauscherfluß in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise verteilt v/erden kann. Ein getrennter Heißwasserwärmer. 20 konventioneller Art ist auf dem normalen Weg mit dem ölbefeuerten Kessel 11 verbunden. Andererseits kann der Heißwasserwärmer parallel zum Kessel 11 angeschlossen sein.

Wenn wir nun die typische Steueranlage betrachten bzw. berücksichtigen, die zur Anpassung der Wärmepumpe an den ölbefeuerten Kessel verwendet wird,

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dann erkennt man, daß die Wärmepumpe ein Detektorelement 21 aufweist, welches den Kühlmittelaruck zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor mißt. Der üblicherweise als riehrfachzylinder ausgebildete Kompressor 4 ist so angeordnet, daß ein oder mehrere Kolben angehalten oder eingekoppelt werden können, und zwar gemäß dem bestehenden Wärmebedarf. Die Druckvorrichtung 21 ist so angeordnet, daß sie die Anzahl der Zylinder des Kompressors 4 auswählt, die eingekuppelt werden. Durch Erfassen des Kühlmittelvakuumniveaus, welches dem Verdampfer folgt, erhält man eine Anzeige der Gasdichte und deshalb der Außentemperatur, und hierdurch wird der Betrieb der Wärmepumpe gesteuert. Außerdem kann der Kompressor 4 in seiner Anordnung gemäß der Kesselwassertemperatur abgestellt oder außer Betrieb gesetzt werden. Somit kann der Thermostat 25, welcher die lieißwassertemperatur der Anlage abtastet und den Betrieb des ölbrenners 23 steuert, auch angeordnet sein, um das Anhalten des Kompressormotors 26 zu steuern. Das Expansionsventil 6 kann in der üblichen Weise entsprechend dem Kühlmitteldruck nach der Verdampfung gesteuert werden.

Die in der Zeichnung dargestellte Anlage weist somit

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einen Kreis mit dem ölbefeuerten Kessel 11, den Rohren 12, 8, den Radiatoren 7, dem Rohr 9, der Pumpe 10 und dem Rohr 13 auf. In dieser Schaltung ist der Kondensatorwärmetauscher 5 parallel zum ölbefeuerten Kessel 11 angeschlossen.

Um so weit wie möglich das System in Beziehung zu den normalen Rohrfestigkeitgrenzen optimal zu gestalten, wählt man bevorzugt eine Druckgrenze von 24 Atmosphären absolut. Wenn eine Wärmepumpe Freon 22 enthält, dann erhält man eine Wassertemperatur von 55 C. Im Betrieb im Sommer wird dann die Kesseltemperatur in üblicherweise auf maximal 55 ⁰C gestellt, so daß der ölbefeuerte Kessel normalerweise sich im Sommer nicht einschalten muß. In diesem Falle wird der Zweig bzw. Shunt 19 so eingestellt, daß der Fluß durch den Kondensatorwärmetauscher in seiner Gesamtheit zur Zuführleitung 12 gefördert wird, von wo das durch die Wärmepumpe erwärmte Wasser durch den ölfeuerkessel und über die Rohre 13, 16 zurück zur Kondensatoreinheit 3, 5 unter der Steuerung der Beschickungspumpe 22 fließt. Diese Zirkulation setzt voraus, daß der Zweig 15 in der Zwischenleitung zur Zuführleitung schließt.

Es sei nun angenommen, daß Heißwasser zu den Radiatoren zuzuführen ist, dann wird der steuerbare Zweig 15 auf

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eine geeignete Fließgröße eingestellt, oder der Zweig wird so justiert, daß er eine geeignete Zwischenleitungstemperatur gibt, und ein Teil des Wärmetauscherflusses ist mittels Zweig 19 zur Zweigleitung 15 angezapft. Folglich reduziert sich der Fluß durch den Kessel mit dem folgenden Risiko, daß das Wasser in dem Heißwasserwärmer nicht eine hinreichend hohe Temperatur erreicht, z. B. nach einem erheblichen Abzug von der Anlage. Dies bedeutet, daß die Kesselwassertemperatur sinkt, und dies bedeutet bei Betrieb der Wärmepumpe maximaler Kapazität, daß die Brennereinheit 23 bei Steuerung der Steuervorrichtung, die normalerweise für diesen Zweck vorgesehen ist, eingeschaltet wird. Folglich fließt Heißwasser vom Kessel zur Zuführleitung 12 und zum steuerbaren Zweig, welcher über die Zweigleitung 18 und die Zweigleitung 15 mit dem Wärmetauscherwasser so versorgt wird, daß die Zwischenleitung 8 je nach der Vermischung, die von den zwei am Zweig ankommenden Leitungen stattfindet, mit Wasser der korrekten Temperatur beschickt werden kann. Unter diesen Umständen verändert sich die Fließvorrichtung durch den ölbefeuerten Kessel im Verhältnis zu der zuvor beschriebenen Sommerbedingung. Somit fließt im Winter das im Wärmetauscher 5 erwärmte Wasser durch die Leitung 17,

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die iiSitung 18 und die Zweigleitung 15 zum Zwischenleitungszweig, während das im Kessel 11 erwärmte Wasser durch die Leitung 12 zu dem steuerbaren Zweig fließt. Der steuerbare Zweig kann dann so eingestellt werden, daß die geeignete Zwischenleitungstemperatur gegeben wird. Das Wasser aus dem Wärmetauscher, welches nicht in die Zwischenleitung eingeführt wird, fließt durch die Zweigleitung und durch die Rückleitung 13 zum Kessel ab sowie zur Leitung 16 zum Rückwälzen durch den Wärmetauscher. Auf diese Weise erreicht man einen äußerst breiten Flexibilitätsgrad, auch hinsichtlich der Verträglichkeit zwischen zwei Heizquellen. Beide Zweige 15 und 19 können automatisch sein oder einen einfachen Aufbau unter Ansprechen auf die Temperatur haben.

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Claims

Patentansprüche

1. Wärineanlage mit einem herkömmlichen brennstoffbefeuerten Kessel (11), an welchem ein Radiatorkreis (12, 8, 7, 9, 137 und ein Uasserwärmer (20) angeschlossen sind, einer Wärmepumpe mit einem Kühlkreis (1) sowie in Reihe darin einem Kühlinittelexpansionsventil (6) , einem Verdampfer (2) , einem Kompressor (4) und einem Kondensator (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorwärmetauscher (5) parallel zum Kessel (11) angeschlossen ist und daß der Kompressor entsprechend dem Druck des Kühlmittels in dam Kühlmittelkreis zwischen Kompressor (4) und Verdampfer (2) steuerbar ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (4) riehrzylinderform hat und mindestens einer der einzelnen Zylinder des Kompressors entsprechend dem Kühlmitteldruck an der i\iiederdruckseite der Wärmepumpe abtrennbar oder verbindbar ist.

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3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (4) derart aufgebaut ist, daß seine Umdrehungszahl entsprechend dem niedrigsten Kühlmitteldruck steuerbar ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (4) gemäß der
Wassertemperatur im Kessel (11) außer Betrieb
setzbar ist.

5. Anlage nach einem der Ansprache 1-4, bei welcher ein Hauptzweigventil (15) in der Zwischenleitung

(8) des Kühlkreises angeordnet ist und eine Zweigleitung (14) zwischen dem Zweigventil (15) und der Rückleitung (9) des Radiatorkreises angeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites
Zweigventil (19) in der Ausgangsleitung (17) des Kondensatorwärmetauschers (5) angeordnet ist und so ausgebildet ist, daß es den den Wärmetauscher verlassenden Viasserfluß in die Zweigleitung (14) hinein zu richten vermag.

6. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einem herkömmlichen, brennstoff-

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befeuerten Kessel (1), an welchem ein Radiatorkreis (12, 8, 7, 9, 13) und ein Heißwasserwärmer (20) sowie eine Wärmepumpe angeschlossen sind, die einen Kühlmittelkreis (1) und in Reihe darin ein Expansionsventil (6) für das Kühlmittel, einen Verdampfer (2), einen Kompressor (4) und einen Kondensator (5) aufweist, der als Wärmetauscher ausgebildet ist, um die Wärme des Kühlmittelkreises zum Radiatorkreis zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer bestehenden Heizanlage mit einem brennstoffbefeuerten Kessel mit einem Radiatorkreis und einem Heißwasserwärmer der Kondensator-Wärmetauscher (5) parallel zum Kessel (11) hinzugefügt für den compressor (5) so angeordnet ist, daß er durch den Kühlmitteldruck im Kühlmittelkreis zwischen Verdampfer (2) und Kompressor (4) steuerbar ist.

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