DE3002096A1

DE3002096A1 - Vorrichtung zur nutzung von umgebungsenergie zu heizzwecken

Info

Publication number: DE3002096A1
Application number: DE19803002096
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.Ing. 3008 Gabsen Schimmelpfennig
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1980-01-22
Publication date: 1981-07-23

Description

300209

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

1-1730 18.01.00

Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergie zu Heizzwecken

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergie zu Heizzwecken, bestehend aus einer Wärmepumpenanlage, deren kaltseitiger Wärmetauscher der Atmosphäre ausgesetzt ist.

Durch die zunehmende· Verknappung und Verteuerung von Primarenergie wie Erdöl, Kohle, Erdgas usw. gewinnt die Ausnutzung von Niedertemperaturwärme wie Abwärme, Wärme aus der Umgebungsluft und der Globarstrahlung zunehmend an Bedeutung.

Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, in die Dachhaut sogenannte Solarkollektoren zu integrieren und die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie, beispielsweise zur Brauchwasserbereicung und auch zur Heizung nutzbar zu machen. Insbesondere für den Anwendungsfall Heizung sind derartige Solarkollektoren aber nicht geeignet, da insbesondere im mitteleuropäischen Raum die Anzahl der Sonnentage nicht ausreicht, die benötigte Energie aufzunehmen.

1 3 0J0 3Q./ 0 6

Darüber hinaus sind relativ große Speicher notwendig, die während der Sonnenperioden aufgeheizt werden und denen bei bedecktem Himmel und nachts die Wärme entzogen wird.

Eine wesentlich vorteilhaftere Lösung besteht darin, das Dach des zu beheizenden Gebäudes als Wärmetauscher auszubilden, beispielsweise in Form von Kupferblechen, in denen Rohrkanäle integriert sind, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt sind. Da das Wämreträgermedium - im Normalfall ist dies eine Sole - eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur hat, kann es zu einer Schwitzwasserbildung kommen, welche eine aufwendige Unterkonstruktion für das Dach notwendig macht. Derartige Anlagen, die mit einer Wärmepumpe arbeiten, ermöglichen die Beheizung des Gebäudes bei Außentemperaturen von bis zu -2 C. Bei niedrigeren Temperaturen sollte mit einem Zwischenspeicher gearbeitet werden oder aber bivalent, d.h. mit einer Zusatzheizung gearbeitet werden. Dennoch sind derartige Heizungsanlagen geeignet, den Verbrauch von Primärenergie gegenüber herkömmlichen Öl- oder Gasheizungsanlagen um bis zu 70 % zu senken.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beheizung von Gebäuden anzugeben, die wesentlich wirtschaftlicher herstellbar ist und die ohne größeren wirtschaftlichen und technischen Aufwand eine Direktverdampfung des Kältemittels der Wärmepumpenanlage ermöglicht. Darüber hinaus soll die Anlage dem unterschiedlichen Wärmebedarf verschieden großer Gebäude leicht anpaßbar sein. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher aus einer Vielzahl von im wesentlichen vertikal verlaufenden Wellrohren besteht, welche in Reihen hintereinander angeordnet sind, daß die Wellrohre jeder Reihe am unteren Ende an eine im wesentlichen horizontal verlaufenden Zuführleitung und am oberen Ende an eine im

13 0 0 30/0635

— 3 -

300209'

wesentlichen horizontal verlaufende Sammelleitung angeschlossen sind, und daß die Wellrohre an ihrer inneren Oberfläche aufgerauht sind. Mit besonderem Vorteil ist die innere Oberfläche der Wellrohre sandgestrahlt. Eine andere Möglichkeit, eine Aufrauhung der inneren Oberfläche zu erzeugen, besteht darin, daß die innere Oberfläche der Wellrohre durch Prägen aufgerauht ist. Sowohl die Prägung als auch das Sandstrahlen intensiviert die Verdampfung des Kältemittels, da der Wärmeübergang verbessert wird. Die Verwendung von Wellrohren hat neben der relativ großen Oberfläche pro Längeneinheit noch den Vorteil,daß evtl. Längenänderungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen in den einzelnen Rohrregistern durch die Wellung selbst kompensiert werden. Die Anordnung von horizontal verlaufenden Zuführ- und Sammelleitungen, die durch eine Vielzahl von Wellrohren miteinander verbunden sind, gewährleistet, daß jedes Wellrohr von annähernd der gleichen Kältemittelmenge pro Zeiteinheit durchströmt wird, wenn dafür Sorge getragen wird, daß das Kältemittel, welches zweckmäßigerweise am unteren Ende in die Wellrohre eingespeist wird, am entgegengesetzten Ende der Sammelleitungen abgeführt wird. Die Anpassung an unterschiedlichen Wärmebedarf geschieht zweckmäßigerweise dadurch, daß der Wärmetauscher aus leicht montierbaren Registern aufgebaut ist, von denen jedes aus zwei Reihen vertikal verlaufender Wellrohre, sowie zwei an einem Ende miteinander verbundenen Zuführleitungen und zwei ebenfalls endseitig verbundenen Sammelleitungen besteht und daß von jedem Verbindungsstück ein Abzweig abgeht. Die freien verschlossenen Enden der Sammelleitungen sind zweckmäßigerweise in einer Lochschiene gehaltert. Das gleiche gilt für die freien verschlossenen Enden der Zuführungsleitungen. Dadurch ist in einfacher Weise gewährleistet, daß der Abstand der einzelnen Wellrohrreihen zueinander konstant gehalten wird. Alle Abzweige der Sammelleitungen sowie der Zuführleitungen sollten jeweils in einem Rohr münden. Auf diese Weise wird erreicht, daß zum Anschluß des Wärmetauschers in

130030/063S

dem Wärmepumpenkreislauf nur zwei Anschlüsse erforderlich sind. Der Abstand zweier benachbarter Wellrohre sollte mindestens 15 cm plus Wellrohraußendurchmesser betragen. Dies ist erforderlich, damit bei Temperaturen von beispielsweise unter 4 C bei einer Vereisung der Wellrohre diese nicht zusammenfrieren. Um die geometrischen Abmessungen des Wärmetauschers zu beschränken, ist aus diesem Grunde vorgesehen, die Wellrohre zweier benachbarter Reihen versetzt zueinander anzuordnen. Mit besonderem Vorteil sind die Wellrohre aus Kupferband durch Längsnahtschweißen und Wellen hergestellt. Die in einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß hergestellten Wellrohre werden zunächst aufgetrommelt und dann in vorbestimmte Langen geschnitten. Dabei ist es zweckmäßig, die Wellung an den Stellen zu unterbrechen, an denen die Rohre durchtrorint werden. Auf diese Weise lassen sich die Wellrohre wie Gleittrohre an die Sammel- bzw. Zuführleitungen anschließen. Die Sammelleitungen und Zuführleitungen und die Verbindungsstücke sind zweckmäßigerweise als nahtlos gezogene Kupferrohre ausgebildet und die Abzweige sind entsprechende T-Stücke. Die nahtlos gezogenen Kupferrohre sorgen für die notwendige Stabilität des Wärmetauschers. Dadurch, daß die Abzweige als T-Stücke ausgebildet sind, lassen sich diese sehr leicht montieren.

Die fJrfindung ist anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Der Wärmetauscher gemäß der Lehre der Erfindung besteht aus einer Vielzahl von horizontal und parallel zueinander verlaufenden Zuführleitungen 1 sowie in einer höhergelegenen Ebene ebenfalls horizontal und parallel zueinander vorlaufenden Sammelleitungen 2. Zuführleitungen 1 und Sammelleitungen 2 sind an einem Ende verschlossen und in einer Lochschiene 3 bzw. 4 gehaltert. Die gegenüberliegenden Enden jeweils zweier benachbarter Leitungen 1 oder 2 sind durch Verbindungsstücke 5, die einen Abzweig 6 tragen,

130030/063S

— 5 -

JSÄEODHIG1NÄL

verbunden. Jede Zuführleitung 1 ist mit der über ihr gelegenen Sammelleitung 2 über eine Violzahl von Wellrohren derart verbunden, daß mehrere Wellrohr reihen in Richtung der Schienen 3 und 4 hintereinander entstehen. Der Warmetauscher ist an den Lochschienen 3 bzw. 4 und den Verbindungsstücken 5 an einem Gerüst befestigt, so daß ein sich selbsttragender Wärmetauscher entsteht. Die Zuführleitungen 1 und die Sammelleitungen 2 sind als nahtlos gezogenene Kupferrohre ausgebildet, an welche in an sich bekannter Technik die Abzweige 5 und die Wellrohre 7 angeschlossen sind. Jeweils zwei Zuführleitungen 1 und zwei. Sammelleitungen 2 mit den entsprechenden Verbindungsstücken. 5 und Abzweigen 6 sowie den Wellrohren 7 bilden ein Register, von denen mehrere den Wärme tausche»- bilden.

Eine Anpassung an den Wärmebedarf unterschiedlich großer Gebäude ist somit in einfacher Weise durchführbar.

Das Kältemittel der Wärmepumpenanlage wird über die Abzweige 6 zunächst in die Zuführleitungen 1 eingespeist und strömt von diesen in die Wellrohre 7. Im Bereich der Wellrohre 7 wird das Kältemittel verdampft und über die Sammelleitungen 2 und die Abzweige 6 der Wärmepumpenanlage wieder zugeführt. Zwecks Beschleunigung der Wärmeaufnahme und Verdampfung des Arbeitsmittels sind die Wellrohre, die an sich schon für eine gute Verwirbelung des in ihnen strömenden Kältemittels aufgrund ihrer Wellung sorgen, an ihrer inneren Oberfläche aufgerauht. Der Abstand der einzelnen Wellrohre 7 zueinander sollte mindestens 15 cm plus Außendurchmesser der Wellrohre 7 betragen, um ein Zusammenfrieren der Wellrohre aufgrund der Eisbildung zu vermeiden. Aus diesem Grunde und um eine möglichst kompakte Bauweise zu erreichen, sind die Wellrohre 7 zweier benachbarter Wellrohrreihen in nicht dargestellter Weise versetzt zueinander angeordnet.

Der gesamte Wärmetauscher steht in einer Wanne 8, an deren unterem Ende eine oder mehrere Sonden 9 angeordnet sind,

130030/0635

BAD ORIGiNAL

die im Falle einer Leckage das austretende Kältemittel aufspüren und Alarm geben.

Die Zuführleitungen 1 können so nach oben ausgeformt sein, daß die übrigen Komponenten der Warmepumpenanlage unter den Ausformungen wxtterungsgeschützt Platz finden. Wärmetauscher und die übrigen Teile der Wärmepumpe können an einem geeigneten Ort außerhalb des Gebäudes, zum Beispiel im Garten oder im Haus aufgestellt werden. Da alle Abzweige 6 sowohl der Zuführleitungen 1 als auch der Sammelleitungen 2 in ein gemeinsames Rohr münden, sind in jedem Fall vom Installateur zwei Anschlüsse zu tätigen, da die gesamte Einheit werksseitig vorgefertig ist. Der Installateur braucht nur den Wärmetauscher der Warmepumpenanlage anzuschließen und im Falle einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe den elektrischen Anschluß herzustellen.

130030/0635

Claims

Kabel- "und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

1-1730 18.01.80

Patentansprüche

Vorrichtung zur Nutzung von' Umgebungsenergie zu Heizzwecken, " bestehend aus einer Wärmepumpenanlage, deren kaltseitiger Wärmetauscher der Atmosphäre ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet_p daß der Wärmetauscher aus einer Vielzahl von im wesentlichen vertikal verlaufenden Wellrohren (7) besteht, welche in Reihen hintereinander angeordnet sind, daß die Wellrohre (7) jeder Reihe am unteren Ende an eine im wesentlichen horizontal verlaufende Zuführleitung (1) und am oberen Ende an eine im wesentlichen horizontal verlaufende Sammelleitung (2) angeschlossen sind und daß die Wellrohre (7) an ihrer Innenoberfläche aufgerauht sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der Wellrohre (7) sandgestrahlt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der Wellrohre (7) durch Prägen aufgerauht ist.

130030/063
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet., daß .der Wärmetauscher aus leichtraontierbaren Registern aufgebaut ist, von denen jedes aus zwei Reihen vertikal verlaufender· Wellrohre

(7) sowie zwei an einem Ende miteinander verbundenen Zuführleitungen (1) und zxvei ebenfalls endseitig verbundenen Sammelleitungen (2) besteht und daß von jedem Verbindungsstück (5) ein Abzweig (6) abgeht,
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die freien verschlossenen Enden der Zuführ- und der Sammelleitungen (1,2) in je einer LOchschiene (3,4) gehaltert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abzweige (6) in einem Rohr münden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier benachbarter Wellrohre (7) mindestens 15 cm plus Wellrohraußendurchmesser ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrohre (7) zweier benachbarter Reihen versetzt zueinander angeordnet, sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrohre (7) aus Kupferband durch Längsnahtschweißen und Wellen hergestellt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführ- und Sammelleitungen (1,2) und die Verbindungsstücke (5) als nahtlos gezogene Kupferrohre ausgebildet sind und die Abzweige (6) entsprechende T-Stücke sind.

130030/0635