DE2728273A1

DE2728273A1 - Verbrennungsmotorisch betriebene waermepumpenanordnung

Info

Publication number: DE2728273A1
Application number: DE19772728273
Authority: DE
Inventors: Edgard Ing Grad Grundmann; Horst Dipl Ing Rostek
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EOn Ruhrgas AG
Priority date: 1977-06-23
Filing date: 1977-06-23
Publication date: 1979-01-04

Description

Verbrennungsmotorisch betriebene Wärmepumpenanordnung
Die Erfindung betrifft eine verbrennungsmotorisch betriebene Wärmepumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Elauptanspruchs.
Unter dem Begriff Abwärme des Motors? ist dabei sowohl die Wärme der Abgase als auch diejenige des Kühlwassers des Motors zu verstehen.
Der Aufbau und die Wirkungsweise von verbrennungsmotorisch und elektromotorisch betriebenen Wärmepumpen für Heizzwecke sind bekannt. Es ist auch bekannt, daß bei Verwendung der Außen- oder Umgebungsluft die aus der Luft gewinnbaren bzw.
nutzbaren Wärmemengen in hohem Maße von den Schwankungen der Lufttemperatur abhängig sind. Will man eine Wärmepumpenanordnung so auslegen, daß sie auch bei sehr tiefen Temperaturen der Außenluft, z. B. - 15 OC, noch den gesamten Wärmebedarf beispielsweise eines Hauses deckt, so muß die Anordnung überproportional groß ausgelegt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Wärmepumpenanordnung - wie jede andere Heizungsanlage - während der Heizperiode nur an wenigen Tagen - und dann auch meistens nur stundenweise - mit voller Leistung arbeitet.
Besonders ungünstig sind die Verhältnisse bei elektrisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen, bei denen im Gegensatz zu verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen praktisch keine vom Antrieb erzeugte Abwärme zur Verfügung steht.
Es ist bekannt, den Wärmebedarf durch elektrisch betriebene Wärmeptimpenanordnungen nur bis zu I.ufttemperaturen nahe 0 OC in vollem Umfang über die Wärmepumpenanordnung abzudecken, dagegen bei tieferen Temperaturen die Anordnung abzuschalten und ein zweites Heizsystem, daß über einen öl- oder Gasbrenner betrieben wird, einzuschalten (bivalente Heizsysteme).
Günstiger liegen die diesbezüglichen Verhältnisse bei verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen, wie sie auch die Erfindung betrifft. Auch bei niedrigen Temperaturen der Außenluft, bei denen die Außenluft als Wärmequelle nur noch zu einem geringen Maße ausgenutzt werden kann, sind hier durch die Nutzung der Kühlwasser- und Abgaswärme noch erhebliche Heizwärmemengen verfügbar. Daher besteht bei verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen grundsätzlich die Möglichkeit, auch bei tiefen Temperaturen der Außenluft den Wärmebedarf beispielsweise eines Hauses noch durch die Anordnung zu decken.
Allerdings steht dem bei bekannten verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpenanordnungen folgender Tatbestand entgegen: Die Leistungsaufnahme des Kompressors für das Kältemittel sinkt mit abnehmender Temperatur der Außenluft infolge Verringerung der volumetrischen Kälteleistung ab. - Die volumetrische Kälteleistung ist in bekannter Weise abhängig vom Dampfdruck und der Dichte, d. h. vom Massenstrom des geförderten Kältemittels. - In Figur 1, in der verschiedene Leistungen P in Abhängigkeit von der Temperatur T der Außenluft aufgetragen sind, ist dies durch die Kurve a für konstante Drehzahl wiedergegeben. Entsprechend sinkt verständlicherweise auch die Leistung des Verbrennungsmotors, da dieser ja nur durch den Kompressor belastet ist. Dies wiederum hat eine Verringerung der Abwärme des Motors und damit der über die Wärmetauscher der Heizflüssigkeit, in der Regel Wasser, zugeführten Wärmemenge zur Folge.
Das Ergebnis ist, daß die in der Wärmepumpenanordnung "erzeugte" IIeizleistung gemäß Kurve b in dem Diagramm nach Figur 1, die wiederum für konstante Drehzahl gilt, ebenfalls stark abnimmt. Das Verhalten der Wärmepumpenanordnung ist demgemäß entgegengesetzt dem Verlauf des Wärmebedarfs beispielsweise zum Heizen eines Gebäudes in Anhängigkeit von der Außenlufttemperatur T. Dieser Wärmebedarf ist in Figur 1 durch die Kurve c angegeben.
Im Hinblick auf die unterschiedlichen Tendenzen der Kurven b und c ist daher auch bei einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpenanordnung eine relativ große Auslegung derselben erforderlich, wenn man sie auch bei relativ niedrigen Außentemperaturen zur alleinigen Abdeckung des Wärmebedarfs verwenden, also auf eine bivalente Anordnung verzichten will.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanordnung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art so auszubilden, daß eine Anlage, deren Kompressor zur Deckung des Wärmebedarfes bei mittlerer Wintertemperatur, z. B. etwa O OC, ausgelegt ist, auch bei sehr niedrigen Temperaturen {1 Außenluft, 7. B. - 10 his - 15 OC, nnd entsprechend höherem Wärmebedarf, beispielsweise eines Wohngebäudes, zur alleinigen Deckung dieses Bedarfes ausreicht. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.
Erfindungsgemäß wird also die Abnahme der Antriebsleistung des Kompressors mit abnehmender Temperatur der Außenluft (Kurve a in Figur 1) gleichsam kompensiert durch Einschaltung einer zusätzlichen Motorbelastung, wobei diese zusätzliche Motorbelastung so groß sein kann, daß beim Einschalten derselben der Kompressor von dem Motor abgekuppelt wird.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung kennzeichnen die Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand Figur 3, seine Wirkungsweise anhand Figur 2 erläutert.
Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die im Anspruch 2 angegebene Motorbelastung durch eine Strömungsbremse.
Die Welle des Verbrennungsmotors 1, dessen Abgaswärme über den Wärmetauscher 2 und dessen Kühlwasserwärme über den Wärmetauscher 3 im Heizwasservorlauf 4 das Heizwasser aufheizen, steht über die Elektromagnetkupplung 5 mit dem Kompressor 6 für das über die Leitung 7 vom Verdampfer 16 kommende Kältemittel in drehfester Verbindung; der Kompressor 6 führt das Kältemittel (zur Verflüssigung) über die Leitung 8 dem Kondensator 9 zu, dessen Wärmetauscherschlange 10 ebenfalls in dem Heizwasservorlauf 4 liegt. Insoweit ist die Wärmepumpenanordnung bekannt; ihr Verhalten ist durch die Kurven in Figur 1 gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß ist mit dem Verbrennungsmotor 1 über eine weitere Elektromagnetkupplung 11 die Strömungsbremse 12 kuppelbar, die einen bekannten und daher hier nicht heschriehenen Aufbau besitzt und in dem Zweig 13 des Wasservorlaufs liegt.
Über das Zweiwegeventil 14 kann der Heizwasservorlauf wahlweise unter Umgehung der Strömungsbremse 12 oder über dieselbe durchgeschaltet werden. Im letztgenannten Falle verläuft der Heizwasserkreis also über den Heizwasserrücklauf 15, die drei Wärmetauscher 10, 3 und 2 sowie die Strömungsbremse 12.
Durch das Einschalten der Strömungsbremse 12, also das Wirksammachen der Kupplung 11, wird bei tiefen Temperaturen der Außenluft eine zusätzliche Belastung für den Verbrennungsmotor 1 geschaffen, die der Abnahme der Antriebsleistung des Kompressors 6 mit der Temperatur Rechnung trägt. Die Verhältnisse sind im einzelnen aus Figur 2 ersichtlich, in der wiederum verschiedene Leistungen P über der Außenlufttemperatur T aufgetragen sind: Mit a ist wiederum der Verlauf der Antriebsleistung des Kompressors bei konstanter Drehzahl bezeichnet. Im Punkt A, d. h. bei einer relativ niedrigen Außenlufttemperatur, wird über die Kupplung 5 (siehe Figur 3) der Kompressor 6 abgeschaltet und über die Kupplung 11 die Strömungsbremse 12 zugeschaltet. Die Kurve b für die Ileizleistung der Wärmepumpenanordnunz springt im Betriebspunkt A also gleichsam auf den konstanten Wert B', wodurch dem Ansteig des Wärmebedarfs des Gebäudes oder dergleichen gemäß Kurve c Rechnung getragen wird. Die Darstellung gilt wiederum für eine konstante Motordrehzahl. Sofern, wie hier angenommen, der Kompressor 6 über die Kupplung 5 im Betriebspunkt A abgeschaltet wird, liegt in Figur 2 bei Temperaturen rechts vom Betriebspunkt A reiner Wärmepumpenbetrieb, dagegen links vom Betriebspunkt A, d. h. bei tiefen Außenlufttemperaturen, Heizbetrieb mit alleiniger Motorbelastung durch die Strömungsbremse 12 vor.
Neben diesen beiden Grenzfällen ist es jedoch auch möglich, mit dem Motor sowohl den Kompressor als auch die Strömungstr ,nse gleichzeiLtg zu betreiben, d. h. den Motor z! itzlich zu der vom Kompressor abgenommenen Leistung zu belasten. Maßgebend für den Betriebspunkt, an dem der Kompressor vom Motor abgekuppelt wird, ist die Auslegung bzw. die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors.
Anstelle der vorstehend beschriebenen Strömungsbremse kann gemäß anspruch 3 und Figur 4 zur zusätzlichen oder alleinigen Motorbelastung mit dem Verbrennungsmotor 1 ein elektrischer Generator 17 verbunden werden, der eine Widerstandsheizung 18 speist, welcne analog wie die Strömungsbremse 12 im eizflüssigkeitsvorlauf angeordnet ist. Für die Betriebs- und Wirkungsweise dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes gelten die in Verbindung mit Figur 2 und 3 gemachter Ausführungen sinngemäß. Da die Ausbildung von elektrischen Generatoren und Widerstandsheizungen bekannt ist, werden diese Anlagenteile hier nicht näher beschrieben.
Wie Figur 2 zeigt, kann durch die erfindungsgemäßen Maßnaltrnen die Heizieistung der Anordnung bei tiefen Temperaturen r.çesenlich erhöht werden. Man wird den Betriebspunkt A, bei der die Einschaltung der zusätzlichen Belastung des Motors bzw.
die Umschaltung des Motors auf alleinigen Antrieb der Strömungsbremse bzw. des Generators erfolgt, so wählen, daß er zumindest ungefähr zusammenfällt mit dem Schnittpunkt der Kurven b und c. Die Möglichkeit der Abschaltung des Klimakompressors bei diesen tiefen Temperaturen ist insofern besonders vorteilhaft, als bei Vereisungsgefahr des Verdampfers der Wärmeentzug aus der Außenluft ohnehin erschwert zird u;-durch den eigentlichen Wärmepumpenbetrieb, d. h. den Weiterbetrieb des Kompressors, der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung allenfalls noch geringfügig verbessert werden kann.
Verständlicherweise bedingt der Betrieb mit zusätzlicher bzw höherer Last als der des Kompressors einen zusätzlichen Bedarf des Motors an Brennstoff. Da aber Betriebszustände, die die Einschaltung der zusätzlichen bzw. höheren Last erfordern.
relativ selten und kurzzeitig auftreten, ist dieser Mehrvebrauch an Brennstoff gegenüber dem reinen Wärmepumpenbetrieb praktisch vernachlässigbar. Der Mehrverbrauch an Brennstoff schlägt umso weniger zu Buche, als die Anordnung wärmepum?e>-seitig, d. h. bezüglich der Auswahl des Kompressors, nicht für den Betrieb bei tiefen Außentemperaturen ausgelegt zu werden braucht und auf ein bivalentes Heizsystem verzichtet werden kann. Außerdem bietet die Verwendung der erfindungs- gemäßen Strömungsbremse bzw. der vom Generator gespeisten Widerstandsheizung den Vorteil, daß die Motorleistung unmittelbar bzw. mittelbar ollne wesentliche Energieverluste in Wärmeenergie umgewandelt und in einem weiteren, letzten Wärmetauscher an das IJeizwasser abgegeben wird, in welchem dieses auf die bei sehr niedrigen Außentemperaturen erforderliche hohe Vor]auftemperatur erhitzt wird.
Die Vorteile der bekannten verbrennungsmotorisch betriebenen Wärmepumpen, die darin bestehen, daß ihre Heizleistung einem abnehmenden Wärmebedar f (bei steigenden Außenlufttemperaturen) durch Verringerung der Motor- und Kompressordrehzahl ohne Einsatz aufwendiger Regeleinrichtungen leicht angepaßt werden kann, gelten für die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung auch für relativ niedrigc Außentemperaturen: Auch die in Figur 2 durch Linie b gekennzeichnete Heizleistung kann durch Regelung der IJ\otordrehzahl dem jeweiligen Heizbedarf angepaßt werden. Eine Veränderung der Motordrehzahl hat im iibrigen auch bei Koppelung des Motors mit einem elektrischen Generator, der eine Winderstandsheizung speist, keine negativen Auswirkunge, da eine Veränderung der im Generator erzeugten Stromfrequenz für den Betrieb der Widerstandsheizung unerheblich ist.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung bietet auch die Möglichkeit, Motoren mit relativ engem Drehzahlbereich zu verwenden und die Wärmeleistung der Anordnung vorzugsweise durch die Motorbelastung - allein durch den Kompressor und die Vorrichtung zur Umwandlung der mechanischen Energie in Wärmeenergie oder allein durch die zuletzt genannte Vorrichtung - zu regeln.
Als Wärmequelle kann statt der Außenluft auch eine Flüssig-]eit, beispielsweise Grund- oder Abwasser, dienen. Wenn auch die Temperatur dieser Wärmequelle weitgehend konstant sein mag, kann die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auch in diesem Fall vorteilhaft sein, weil beispielsweise b-i einer Verringerung der verfügbaren Wassermenge der Motor mit shr hohen Drehzahlen betrieben werden kann, ohne daß ein für diese Drehzahlwerte dimensionierter Kompressor vorgesehen sein muß.
Eine im Rahmen der Erfindung verwendbare Strömungsbremse ist im Prospekt L 3051 Hydraulische Leistungsbremse" der Firma Schenck beschrieben. Eine Ströinungsbremse hat den bosonleren Vorteil, relativ sehr kleine Abmessungen zu besitzen.
L e e r s e i t e

Claims

A N S P R Ü C H E 1. Verbrennungsmotorisch betriebene Wärmepumpenanordnung rnit einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Kompressor für ein Kältemittel zum Wärmeentzug insbesondere aus der Außenluft, und einem Heizflüssigkeitsvorlauf, in dem zumindest ein mit der Abwarme des Motors gespeister und ein einen Bestandteil eines Kondensators für das Kältemittel bildender Wärmetauscher liegen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Heizflüssigkeitsvorlauf (4) eine Vorrichtung (12 bzw. 17) einschaltbar ist, die die mechanische Energie des Motors (1) unmittelbar oder mittelbar in Wärmeenergie umwandelt.
2. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Heizflüssigkeitsvorlauf (4) eine von dem Motor (1) angetriebene Strömungsbremse (12) einschaltbar ist.
3. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Heizflüssigkeitsvorlauf (4) eine Widerstandsheizung (18) einschaltbar ist, die von einem mit dem Motor (1) verbindbaren Generator (17) gespeist wird.
4. Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (6) und die Vorrichtung (12 bzw. 17) über Kupplungen (5, 11) mit dem Motor (1) verbindbar sind.
5. Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (12 bzw. 18) tiber ein zwischen ihr und den Wärmetauschern (10, 3, 2) in dem eizflüssigkeitsvorlauf (4) angeordnctes Zweiwegeventil (14) in diesen einschaltbar ist.