DE69805605T2 - Heizungsinstallation auf einem stirling-process basierend - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Heizungsanlage zur Flächenheizung, umfassend einen Brenner und einen mit dem Brenner wärmegekoppelten Stirlingmotor, wobei der Stirlingmotor einen ein Arbeitsgas enthaltenden geschlossenen Druckbehälter umfasst, wobei der Druckbehälter umfasst: eine erste heiße Kammer und eine erste kalte Kammer und angrenzend an die letztgenannte eine ein Kolbenelement enthaltende Arbeitskammer, sowie eine zweite heiße Kammer und eine zweite kalte Kammer, wobei die heißen Kammern, die Arbeitskammer und die kalten Kammern miteinander in Fluidverbindung stehen, wobei der Druckbehälter am Niveau der heißen Kammern und der kalten Kammern mit in jedem Fall einem externen Wärmetauscher versehen ist, wobei die erste kalte Kammer und die zweite heiße Kammer über ihre jeweiligen Wärmetauscher mit einem Warmwassersystem verbunden sind.
• Im IEA Heat Pump Centre Newsletter, Band 13, Nr. 4, 1995, Seiten 31-34 ist ein Duplexstirlingwärmepumpensystem beschrieben, bei dem ein Freikolbenstirlingmotor eine Stirlingwärmepumpe treibt. In diesem System ist ein Leistungskolben durch eine Resonanzgassäule ersetzt, wodurch die Motorkolbendichtung vermieden werden kann. In der ersten heißen Kammer des Stirlingmotors betragen die Temperaturen bis zu 600ºC-800ºC. Die erste kalte Kammer des Stirlingmotors erzeugt Wärme bei einer Temperatur von 40-60ºC. Die zweite kalte Kammer, die die kalte Kammer der Stirlingwärmepumpe ist, zieht Wärme aus der umgebenden Luft, Wasser oder Erdboden bei Temperaturen zwischen -20ºC und 20ºC, welche Wärme durch den Wärmetauscher der heißen Kammer der Stirlingwärmepumpe bei Temperaturen zwischen 40 und 60ºC ausgestoßen wird.
• Die Europäische Patentanmeldung EP-A 0 457 399 offenbart ein kombiniertes Wärme- und Kraftwerk für Privatwohnungen, bei dem ein Stirlingmotor verwendet wird, um Elektrizität zu erzeugen. Die von der verhältnismäßig kalten Kammer des Stirlingmotors freigesetzte Wärme und die heißen Abgase werden zur Erwärmung von Wasser, für z. B. Leitungswasser, oder zur Erwärmung von Luft verwendet. Ein Nettowirkungsgrad von 85% oder höher kann mit einem System von diesem Typ erreicht werden.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine auf einem Stirlingsystem des oben beschriebenen Typs beruhende Heizungsanlage bereitzustellen, bei der eine hohe Leistungsziffer erhalten werden kann, die einfach zu installieren und instand zu halten ist und die bei verschiedenen unterschiedlichen Bedingungen von Wärmebedarf betrieben werden kann.
• Dazu ist eine Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem zwei Wärmetauscher, die mit der ersten kalten Kammer bzw. der zweiten heißen Kammer gekoppelt sind, und einen dritten Wärmetauscher, der mit den Abgasen des Brenners wärmegekoppelt ist, umfasst.
• Indem man das kalte Wasser durch die Wärmetauscher erwärmt, einschließlich eines Wärmeaustauschs mit den Abgasen, kann eine hohe Leistungsziffer erhalten werden. Die Leistungsziffer oder die "COP" wird hierin als die Gesamtwärme definiert, die durch das ganze System erzeugt wird, dividiert durch die Enthalpie des zugeführten Brennstoffs.
• In einer Ausführungsform werden die drei Wärmetauscher in Reihe verbunden, wobei das kalte Wasser nach und nach auf immer höhere Temperaturen erwärmt wird. Wenn das kalte Wasser am ersten Wärmetauscher, der mit der heißen Kammer der Stirlingwärmepumpe verbunden ist, mit einer Temperatur von 60ºC ankommt und den Wärmetauscher der Abgase mit einer Temperatur von 80ºC verlässt, kann eine COP von 1,38 erhalten werden. Das System, bei dem kaltes Wasser am ersten Wärmetauscher mit einer Temperatur von 10ºC ankommt und den Wärmetauscher der Abgase mit einer Temperatur von 60ºC verlässt, weist eine COP von 1,72 auf. In diesem letztgenannten Fall sind die Abgase in nur geringerem Maße kondensiert. Da die Temperaturanhebung der Stirlingwärmepumpe verhältnismäßig klein ist, ist jedoch der Gesamtwirkungsgrad erhöht.
• Da die COP-Werte der Stirlingwärmepumpe weniger empfindlich für Wärmebedingungen der äußeren Wärmequelle sind als elektrische Wärmepumpen, gibt eine Integration des Stirlingmotors und der Stirlingwärmepumpe die Möglichkeit, die Gesamtsystem-COP zu maximieren. Dies wird erreicht, indem man die Integration der Stirling-getriebenen Wärmepumpe mit den Wärmetauschern abstimmt, um optimale System-COPs zu ergeben, die viel größer sind, als das, was mit elektrischen Wärmepumpen erzielt wird.
• Die Warmwasserabgabe vom Wärmetauscher der Abgase kann direkt mit einem separaten Zentralheizungssystem und einer Leitungswarmwasserversorgung gekoppelt sein, wobei der Stirlingmotor und die Stirlingwärmepumpe auf eine intermittierende Weise arbeiten. Es ist auch möglich, dass die Warmwasserabgabe mit einem Speichertank verbunden ist, der sowohl einem Zentralheizungssystem als auch einer Leitungswasserversorgung Warmwasser zuführt, wobei der Stirlingmotor und die Stirlingwärmepumpe kontinuierlich betrieben werden. Die Betriebsbedingungen werden durch eine einfache Zusammenschaltung der verschiedenen Wärmetauscher und Unterbringung eines Wärmespeichers leicht optimiert. Man findet, dass bereits eine kleine Speicherung (100 Liter Wasser) einen signifikanten Einfluss auf die Spitzenbelastungsfunktion und verknüpfte Gesamtsystem-COP aufweist.
• Eine andere Ausführungsform einer Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem umfasst: eine Reihenschaltung von zwei Wärmetauschern, die einen ersten Kaltwassereinlass stromaufwärts vom Wärmetauscher der zweiten heißen Kammer und einen ersten Warmwasserauslass stromabwärts vom Wärmetauscher der ersten kalten Kammer aufweist, und umfassend einen zweiten Kaltwassereinlass und einen zweiten Kaltwasserauslass, die mit dem Wärmetauscher der Abgase verbunden sind. In dieser Konfiguration stellt die separate Kaltwasserversorgung zum Wärmetauscher der Abgase sicher, dass ein größeres Maß an Kondensation der Abgase erzielt werden kann, um einen höheren COP-Wert zu erhalten.
• Eine andere Ausführungsform einer Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem drei Kaltwassereinlässe und drei Warmwasserauslässe umfasst, die jeweils mit einem entsprechenden Wärmetauscher verbunden sind, die in einer gegenseitigen parallelen Konfiguration angeordnet sind. Dieses System weist einen Vorteil auf, dass es eine hohe Flexibilität aufweist, da Warmwasser mit drei unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt werden kann, z. B. für Fußbodenheizung, Leitungswarmwasser und ein Hochtemperatur-Zentralheizungssystem sowie Anwendungen, die keine Haushaltsanwendungen sind.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Abgase über den Wärmetauscher der Abgase zum Wärmetauscher der zweiten kalten Kammer geleitet. Indem man die zweite kalte Kammer direkt heizt oder indem man Wärme zum externen Strom zuführt, der der zweiten kalten Kammer Wärme zuführt, muss durch die Stirlingwärmepumpe weniger Wärme aus der Umgebung entzogen werden. Dadurch kann der Wärmetauscher mit der Umgebung beträchtlich an Größe verringert werden, so dass hierdurch eine große Kostenreduktion erhalten werden kann. Da ein größerer Teil einer Wärmeerzeugung auf die Verbrennung von Gas zurückzuführen ist, ist der externe Wärmetauscher der Stirlingwärmepumpe beträchtlich kleiner als der Wärmetauscher, der für eine elektrische Wärmepumpe erforderlich ist.
• In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Brenner einen Bereich einer im Wesentlichen konstanten Wärmeübertragung zur ersten heißen Kammer. Der Strahlungsgasbrenner wird auf eine solche Weise gewählt, dass er der Funktion einer Wärmeabgabe an das Stirlingwärmepumpensystem sowie einer Spitzenbelastungswärmezufuhr dient.
• Der Brenner umfasst vorzugsweise einen Strahlungsbrenner, wie z. B. einen Keramikbrenner, der von ECO Ceramics erhältlich ist, oder einen Metallfaserbrenner. Brenner von z. B. dem keramischen Strahlungstyp übertragen einen großen Teil ihrer Wärme durch Strahlung von der leuchtenden Brenneroberfläche. Die Strahlungswärmeübertragung weist ein Maximum bei einer spezifischen Leistung von etwa 300-400 kW/m² auf. Für Leistungsabgaben über diesem Wert nimmt der Strahlungsbeitrag zur Wärmeübertragung ab und der konvektive Teil ist erhöht. In diesem Übergangsbereich zwischen Strahlungswärmeübertragung und Konventionswärmeübertragung wird die Wärmeübertragungscharakteristik durch die richtige Steuerung der Menge an Überschussluft im Brenner flach gemacht. Indem man einen Brenner mit einer konstanten Leistungsabgabe zur ersten heißen Kammer des Stirlingmotors verwendet, kann der Brenner wirkungsvoll als Zusatzheizvorrichtung betrieben werden, während der Stirlingmotor mit einer konstanten Leistung betrieben wird. Wenn eine Spitzenbelastung erforderlich ist, wird die Leistungszufuhr des Brenners erhöht, und die Temperatur der Abgase erhöht sich als Folge. Über den Wärmetauscher der Abgase kann die Wärme zur Warmwasserversorgung übertragen werden, während die Kombination aus Stirlingmotor und Stirlingwärmepumpe, die z. B. ein Zentralheizungssystem treiben, bei einer konstanten Leistungsabgabe gehalten werden kann.
• Die Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung kann wärmeleitende Verbindungseinrichtungen zum Verbinden der zweiten heißen Kammer und der zweiten kalten Kammer umfassen, um die Wärmepumpenfunktion für Co[Kraft- und Heiz]-Erzeugungszwecke auszuschalten. Das System kann bei Unterbringung eines elektrischen Generators als Micro-Co-Erzeugungseinheit arbeiten. Dies wird ohne hohe Kosten erreicht, während die Wärmepumpenfunktion durch Kurzschließen der Wärmezufuhr und -abgabe der Stirlingwärmepumpe ausgeschaltet wird. Auf dieselbe Weise kann das System als elektrisch getriebene Wärmepumpe arbeiten, während man dem Motor unterschiedliche Aufgaben geben kann, wie z. B. Kühlen.
• Ausführungsformen der Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung werden in Einzelheit mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 stellt schematisch eine erste Ausführungsform einer Heizungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
• Fig. 2 stellt schematisch die Wärmezufuhr und -abgabe einer kombinierten Stirlingmotor-Stirlingwärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung und den entsprechenden COP-Wert dar,
• die Fig. 3 und 4 stellen Ausführungsformen einer Heizungsanlage dar, die drei Wärmetauscher in einer Reihenschaltung umfasst,
• Fig. 5 stellt eine Konfiguration einer Heizungsanlage mit zwei Wärmetauschern in Reihenschaltung parallel zu einem dritten Wärmetauscher dar,
• Fig. 6 stellt eine Ausführungsform dar, bei der drei Wärmetauscher parallel verwendet werden,
• Fig. 7 stellt eine Querschnittsansicht eines integralen Stirlingmotors und Stirlingwärmepumpe zur Verwendung in der Anlage dar, gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 8 zeigt eine grafische Darstellung des Nettowirkungsgrads des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion der Temperatur der kalten Kammer und der heißen Kammer der Stirlingwärmepumpe, und die Fig. 9 und 10 zeigen grafische Darstellungen der durch einen Keramikbrenner zum Stirlingmotor übertragenen Wärme gegen die Brennerwärmezufuhr.
• Fig. 1 stellt eine Heizungsanlage 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Heizungsanlage 1 umfasst ein Stirlingmotorbauteil 2 mit einer damit integralen Stirlingwärmepumpe 3. Wärme wird dem Stirlingmotorbauteil 2 über einen Brenner 4 zugeführt. Der Brenner 4 kann einen Erdgasbrenner mit einem Gaseinlass 5 umfassen. Die durch das Stirlingmotorbauteil 2 freigesetzte Wärme wird über einen Wärmetauscher 25, 25' einem Warmwassersystem 41 zugeführt, wie z. B. einer Zentralheizungsanlage oder einem Warmwassersystem für Leitungswasser. Ein verhältnismäßig kaltes Fluid wird entlang der kalten Kammer 21 der Stirlingwärmepumpe 3 von einer kalten Umgebung 6 über einen Wärmetauscher 27, 27' geleitet. An der heißen Kammer 20 der Stirlingwärmepumpe 3 wird über einen Wärmetauscher 26, 26' Wärme zum Warmwassersystem 41 übertragen. Die Abgase vom Brenner 4 werden wie schematisch mit 32 angegeben, zu einem Wärmetauscher 9 des Warmwassersystems 41 transportiert. Nachdem man das Wasser im Wärmetauscher 9 sich hat erwärmen lassen, können die abgekühlten Abgase entlang einem Kanal 33 zum Wärmetauscher 27 oder 27' der kalten Kammer 21 der Stirlingwärmepumpe 3 weitergeleitet werden.
• In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das Warmwassersystem 41 einen Kaltwassereinlass 42 und drei Wärmetauscher 9, 25', 26', die in Reihe verbunden sind. Das kalte Wasser wird über eine Pumpe 40 vom Einlass 42 durch die Wärmetauscher 26', 25' und 9 transportiert, so dass sich seine Temperatur nach und nach erhöht, z. B. von 10ºC am Einlass 42 auf 60ºC am Auslass 43.
• Das Stirlingmotorbauteil 2, wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst einen Kolben 10, der in der dargestellten Ausführungsform Teil eines Wechselstromgenerators 11 bildet. Über den Wechselstromgenerator kann elektrische Leistung Haushaltsgeräten oder einem Stromnetz 8 zugeführt werden. Elektrische Energie kann auch von einem Stromnetz 8 zum Wechselstromgenerator 11 zugeführt werden, um den Kolben 10 zu treiben und um auf diese Weise die Stirlingwärmepumpe 3 zu betreiben, wenn das Stirlingmotorbauteil 2 selbst nicht getrieben wird.
• Das Stirlingmotorbauteil 2 umfasst eine erste heiße Kammer 12 und eine erste kalte Kammer 13. Ein Verdränger 14 ist innerhalb eines Druckbehälters 16 untergebracht, so dass er über ein Federelement 15 frei oszillieren kann. Die erste kalte Kammer 13 befindet sich in Fluidverbindung mit einer Arbeitskammer 17, in der der Kolben 10 aufgehängt ist, so dass er hin- und herbewegbar ist. Der Kolben 10 ist mittels Federelementen 18, 19 mit dem Druckbehälter 16 verbunden. Die Arbeitskammer 17 steht in Fluidverbindung mit einer zweiten heißen Kammer 20 und einer zweiten kalten Kammer 21 der Stirlingwärmepumpe 3. Mit Hilfe eines zweiten Verdrängers 23, der mit einem Federelement 15' verbunden ist, kann das Arbeitsgas im Druckbehälter 16 zwischen der zweiten heißen Kammer 20 und der zweiten kalten Kammer 21 hin- und herbewegt werden.
• Der Kolben 10 wird durch Expansion und Kompression des Arbeitsgases und der freien Oszillation des Verdrängers 14, der das Arbeitsgas zwischen der kalten Kammer 13 und der heißen Kammer 12 bewegt, in Oszillation gebracht. Der Verdränger 14 und der Kolben 10 sind mittels des Arbeitsgases mit einer Phasendifferenz gekoppelt, so dass ein Stirlingzyklus vervollständigt wird.
• Der Kolben 10 bildet auch einen Teil der Stirlingwärmepumpe 3, die auch innerhalb des Druckbehälters 16 untergebracht ist. Die Stirlingwärmepumpe 3 ist im Wesentlichen von derselben Konstruktion wie das Stirlingmotorbauteil 2. Obwohl dies schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, muss die Stirlingwärmepumpe 3 jedoch nicht identisch mit dem Stirlingmotorbauteil 2 sein.
• Wärmetauscher 24, 25, 26 und 27 sind am Niveau von jeder heißen und kalten Kammer 12, 13, 20, 21 auf dem äußeren Umfang des Druckbehälters 16 montiert. Der erste Wärmetauscher 24 ist mit dem Brenner 4 über den Wärmeleitungsweg 31 verbunden, der nur schematisch angezeigt ist. Über den Wärmetauscher 24 wird das Arbeitsgas der ersten heißen Kammer 12 auf eine Temperatur von etwa 400ºC-800ºC gebracht. In der ersten kalten Kammer 13 befindet sich das Arbeitsgas innerhalb des Druckbehälters 16 auf einer Temperatur von etwa 90ºC. Über die Wärmetauscher 25, 25' wird diese Wärme zum Warmwassersystem 41 übertragen. Das Warmwassersystem 41 kann einen geschlossenen Kreislauf umfassen, der die Umwälzpumpe 40 und eine Anzahl von Strahlungs- oder Konvektorelementen enthält. Ein Wärmepuffer kann in Form eines isolierten Speicherreservoirs auch inkorporiert sein. Das Warmwassersystem 41 kann auch eine Leitungswasserversorgung bilden oder kann eine Kombination von solch einer Leitungswasserversorgung umfassen, integriert mit dem Heizungssystem für die zu erwärmende Fläche.
• Ein verhältnismäßig kaltes Fluid von einer kalten Umgebung 6 wird über den Wärmetauscher 27, der schematisch dargestellt ist, der zweiten kalten Kammer 21 der Stirlingwärmepumpe 3 zugeführt. Die äußere Wärmequelle kann z. B. ein Flüssigkeitsreservoir 37 sein, das z. B. ein Graben, ein See, ein Fluss oder dergleichen sein kann. Das Wasser von der äußeren Wärmequelle wird über eine Pumpe 38 über den Wärmetauscher 27' umgewälzt, um die zweite kalte Kammer 21 zu erwärmen. Das Wasser befindet sich auf einer Temperatur von zwischen -20ºC und 20ºC, vorzugsweise so hoch wie möglich. Statt Wasser oder einer anderen Flüssigkeit ist es auch möglich, verhältnismäßig kalte Umgebungsluft entlang dem Wärmetauscher 27 zu leiten.
• Die Leistung der Stirlingmotor-Stirlingwärmepumpe 2, 3 kann etwa 1 kW betragen. Die Leistung des Brenners 4 beträgt etwa 8 kW. Das im Druckbehälter 16 verwendete Arbeitsgas ist z. B. Helium unter einem Druck von 50 Bar.
• Fig. 2 stellt die Energiebilanz der Kombination Stirlingmotor-Stirlingwärmepumpe dar, gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 2 sind dieselben Bezugszeichen für dieselben Bauteile, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendet worden. Die Energiewerte der Wärmeströme sind zwischen eckigen Klammern angegeben worden. Die dem Brenner 4 zugeführte Eingangsenergie ist auf 100 gesetzt. Aus Berechnungen ist es ersichtlich geworden, dass etwa ein Drittel der Wärme durch die Umgebung über den Wärmetauscher 27 (52/(100 + 52)) zugeführt wird. Die gesamte Wärmeabgabe beläuft sich auf 138 (21 + 38 + 79). Deshalb beträgt die COP (Leistungsziffer) 1,38. In dieser Berechnung ist vorausgesetzt, dass die Abgase des Brenners 4 über das Abgas 32 dem Warmwassersystem 41 bei einer Temperatur von 700ºC zugeführt werden. Die Wärme in den Abgasen kann nicht vollständig verwendet werden, weil keine Kondensation eintritt, da sich die Temperatur des ankommenden Wassers im Wärmetauscher 9 über dem Taupunkt des Abgases befindet.
• Am Wärmetauscher 25 des Stirlingmotors 2 belaufen sich die Temperaturen auf etwa 80ºC. Der Wärmetauscher 26 der Stirlingwärmepumpe 3 weist eine ähnliche oder niedrigere Temperatur auf als der Wärmetauscher 25.
• Fig. 1 und Fig. 3 bis Fig. 6 stellen Beispiele von möglichen Integrationsschemata der Stirling-getriebenen Wärmepumpe und Wärmetauscher für eine Wärmeabgabe zur und von der Umgebung dar.
• Fig. 3 stellt eine Konfiguration dar, bei der das Warmwassersystem 41 drei Wärmetauscher 9, 25', 26' umfasst, die in Reihe verbunden sind. Warmwasser wird dem ersten Wärmetauscher 26' über eine Pumpe 40 zugeführt und verlässt den Wärmetauscher 9 über einen Warmwasserauslass 43. Der Wärmetauscher 9 ist mit den Abgasen des Brenners 4 wärmegekoppelt. Der Wärmetauscher 25' ist mit der ersten kalten Kammer 13 des Stirlingmotorteils verbunden. Der Wärmetauscher 26' ist mit der zweiten heißen Kammer 20 des Stirlingwärmepumpenteils verbunden. Das Warmwasser kann über ein Ventil 49 und einen ersten Abzweigungskanal 47 einem Zentralheizungssystem 44 zugeführt werden. Über einen zweiten Abzweigungskanal 48 kann das Warmwasser einer Leitungswarmwasserversorgung 45 zugeführt werden, die einen Speichertank umfassen kann. Wenn Wasser aus der Warmwasserversorgung 45 entnommen wird, wird die Versorgung 45 über einen Kanal 46 wieder mit kaltem Wasser aufgefüllt. In dieser Ausführungsform arbeiten der Stirlingmotor und die Stirlingwärmepumpe intermittierend. Vorzugsweise wird der Brenner 4 in dieser Ausführungsform als Brenner mit einer flachen Wärmeübertragungscharakteristik zur ersten heißen Kammer 12 des Stirlingmotors ausgeführt, wie im Folgenden erläutert wird. Ein solcher Brenner ist besonders geeignet, um als Zusatzheizvorrichtung zu arbeiten, während er einen konstanten Betrieb der Kombination Stirlingmotor-Stirlingwärmepumpe aufrechterhält. Wegen der höheren Verwendung des Brenners 4 als Zusatzheizvorrichtung zur Warmwassererzeugung ist der Gesamt-COP-Wert dieses Systems etwas kleiner als der des Systems, das in Bezug zu Fig. 4 erörtert wird. Eine Verwendung eines Speichersystems für Warmwasser, das sowohl mit dem Zentralheizungssystem als auch der Warmwasserversorgung verbunden ist, ist in Bezug zur COP vorteilhaft, wobei eine optimale Menge eines Warmwasserspeichers zwischen 500 und 1000 Litern liegt, aber kleinere Volumina weisen auch einen großen Einfluss auf die COP des Systems auf. Das System kann weiter für einen kombinierten Betrieb mit einem Wärmesolarkollektor optimiert sein.
• In einer alternativen Ausführungsform, wie in Fig. 4 dargestellt, ist der Warmwasserauslass 43 mit einem Speichertank 50 verbunden. Eine Zentralheizungsvorrichtung 51 und eine Warmwasserversorgung 52 sind beide mit dem Speichertank 50 verbunden. Bei Entnahme von Wasser aus dem Tank 50 durch die Warmwasserversorgung 52 wird über einen Kaltwasserversorgungskanal 46 kaltes Wasser in das System eingeleitet.
• Das System entsprechend den Fig. 3 und 4 ist von einer verhältnismäßig einfachen Konstruktion, da das kühle Wasser durch alle Wärmetauscher in Reihe hindurchtritt, wobei das Wasser in Stufen erwärmt wird. Die Abgase verlassen das System auf einer Temperatur von etwa 65ºC, was oberhalb des Taupunkts ist, zur Umgebungsluft. Dies stellt einen Verlustfaktor dar.
• Tabelle 1 stellt die Leistungsfähigkeit des Systems der Fig. 3 und 4 auf Grundlage von Wärmebilanzberechnungen dar, wobei der Brennerenergieeingang auf 100 gesetzt worden ist. Das Warmwassersystem in Tabelle 1 entspricht jedem von dem Zentralheizungssystem 44 und der Warmwasserversorgung 45 in Fig. 3 oder dem Speichertank 50 in Fig. 4. Die erste Zeile stellt die Temperaturen am Warmwasserauslass 43 bzw. dem Kaltwassereinlass 42 dar. Es ist aus Tabelle 1 ersichtlich, dass der größte COP-Wert von 1,91 erhalten wird, wenn sich die Kaltwassereinlasstemperatur auf 30ºC beläuft und die Warmwasserauslasstemperatur 40ºC beträgt. Für ein Hochtemperatursystem, in dem die Kaltwassereinlasstemperatur 60ºC beträgt und die Warmwasserauslasstemperatur 80ºC beträgt, beläuft sich die Gesamt-COP auf 1,38. Für eine Leitungswassererwärmung, bei der sich die Kaltwassereinlasstemperatur auf 10ºC beläuft und sich die Warmwasserauslasstemperatur auf 60ºC beläuft, beträgt die COP 1,72. In den letzten 2 Zeilen von Tabelle 1 ist ein Vergleich mit einem herkömmlichen Hochleistungssystem, wie im Stand der Technik bekannt, unter denselben Bedingungen vorgenommen worden, so dass auch eine begrenzte oder fehlende Kondensation berücksichtigt wird. Es ist ersichtlich, dass die COP-Werte des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen 60% und 107% höher sind als COP-Werte, die mit den Systemen nach dem Stand der Technik erhalten werden können. Tabelle 1
• Fig. 5 stellt eine Ausführungsform dar, bei der zwei Wärmetauscher 25', 26' in Reihe verbunden sind und einen Kaltwassereinlass 53 und einen Warmwasserauslass 54 aufweisen. Der Wärmetauscher 9 für die Abgase umfasst einen separaten Kaltwassereinlass 55 und Warmwasserauslass 56. Das Warmwassersystem 41, das diese Konfiguration von Wärmetauschern umfasst, weist eine Leistungsfähigkeit wie in Tabelle 2 dargestellt auf. Man würde erwarten, dass das verhältnismäßig kalte Wasser im Wärmetauscher 9 eine bessere Kondensation von den Abgasen hervorrufen würde und folglich einen verbesserten Wärmeaustausch von diesen Gasen. Wie durch die Berechnungen von Tabelle 2 dargestellt, ist es jedoch ersichtlich, dass die Leistungsfähigkeit des Systems von Fig. 5 vergleichbar mit denjenigen der Fig. 3 und 4 ist. Dies kann durch eine höhere Temperaturdifferenz zwischen der heißen Kammer 20 und der kalten Kammer 21 der Stirlingwärmepumpe verursacht sein, was den Wirkungsgrad dieses Bauteils verringert. In Tabelle 2 sind die Temperaturen an den Kaltwassereinlässen 53, 55 und den Warmwasserauslässen 54, 56 dieselben. Tabelle 2
• In der Ausführungsform von Fig. 6 sind die Wärmetauscher 9, 25', 26' des Warmwassersystems 41 jeweils parallel verbunden. Durch dieses System kann Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen durch jeden Wärmetauscher zugeführt werden. Der Wärmetauscher 26' kann z. B. mit einer Flächenheizvorrichtung verbunden sein, die auf einer Temperatur von etwa 50ºC arbeitet, wie z. B. ein Zentralheizungssystem oder ein Luftkonvektionsheizungssystem. Der Wärmetauscher 25' kann zur Leitungswassererwärmung bei einer Temperatur von etwa 60ºC verwendet werden. Das Warmwasser vom Wärmetauscher 9 kann selektiv entweder dem System des Wärmetauschers 25' oder dem System des Wärmetauschers 26' zugeführt werden, abhängig vom Warmwasserbedarf.
• Tabelle 3 stellt schließlich die Leistungsfähigkeit einer Ausführungsform eines Warmwassersystems dar, wie in Fig. 1 dargestellt, bei dem die Abgase nach Hindurchtreten entlang dem Wärmetauscher 9 über einen Kanal 33 durch den Wärmetauscher 27 oder 27' der kalten Kammer 21 der Stirlingwärmepumpe 3 geleitet werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, führt die begrenzte Kondensation der Abgase dazu, dass 14% des Wärmegehalts der Abgase nicht verwendet werden. In der Ausführungsform von Fig. 1 ist es die Idee gewesen, die Restwärme der Abgase für eine Erhöhung der Temperatur des ankommenden Wärmestroms zur Stirlingwärmepumpe 3 zu verwenden. Hierdurch wird die Temperaturdifferenz über die Stirlingwärmepumpe verringert, und der Wirkungsgrad wird erhöht. Bei der Berechnung der Größen, die in der Tabelle 3 gegeben sind, wurde jedoch gefunden, dass dieser Gewinn im Wirkungsgrad verhältnismäßig klein ist, da der ankommende Wärmestrom an der Wärmepumpe von 10ºC auf 12ºC erhöht ist. Nur für den 60/10-Fall ist dieser etwas höher. Selbst wenn die Wirkung auf die COP gering ist, weist die Verwendung der Wärme von den Abgasen am Wärmetauscher 27 eine große Wirkung auf die Kosten auf, da der Wärmetauscher 27 weitgehend an Größe reduziert werden kann. Wenn die Wassertemperatur am Wärmetauscher 27 mit 2ºC erhöht werden kann, ist es für die Berechnungen in Tabelle 3 nur notwendig, 8ºC von der Umgebung zu entziehen, statt 10º. Die Gewinn im Wirkungsgrad wird gegen eine wesentliche Reduktion an Größe des externen Wärmetauschers eingetauscht. Tabelle 3

Claims (16)

1. Heizungsanlage (1) zur Flächenheizung, umfassend einen Brenner (4) und einen mit dem Brenner (4) wärmegekoppelten Stirlingmotor (2), wobei der Stirlingmotor (2) einen ein Arbeitsgas enthaltenden geschlossenen Druckbehälter (16) umfasst, wobei der Druckbehälter (16) umfasst: eine erste heiße Kammer (12) und eine erste kalte Kammer (13) und angrenzend an die letztgenannte eine ein Kolbenelement (10) enthaltende Arbeitskammer (17), sowie eine Stirlingwärmepumpe (3), die eine zweite heiße Kammer (20) und eine zweite kalte Kammer (21) umfasst, wobei die heißen Kammern (12, 20), die Arbeitskammer (17) und die kalten Kammern (13, 21) miteinander in Fluidverbindung stehen, wobei der Druckbehälter (16) am Niveau der heißen Kammern (12, 20) und der kalten Kammern (13, 21) mit in jedem Fall einem externen Wärmetauscher (24, 25, 26, 27) versehen ist, wobei die erste kalte Kammer (13) und die zweite heiße Kammer (20) über ihre jeweiligen Wärmetauscher (25, 26) mit einem Warmwassersystem (41) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem (41) zwei Wärmetauscher (25, 25', 26, 26'), die mit der ersten kalten Kammer (13) bzw. der zweiten heißen Kammer (20) gekoppelt sind, und einen dritten Wärmetauscher (9), der mit den Abgasen des Brenners (4) wärmegekoppelt ist, umfasst.

2. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem (41) eine Reihenschaltung der zwei Wärmetauscher (25, 25', 26, 26') umfasst, die einen Kaltwassereinlaß (42) stromaufwärts von einem von den Wärmetauschern (25', 26') und einen Warmwasserauslaß (43) stromabwärts vom Wärmetauscher (9) der Abgase aufweist.

3. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem (41) eine Zentralheizungsvorrichtung (44) und eine Warmwasserversorgung (45), die jeweils mit einem entsprechenden Einlass zum Warmwasserauslass (43) über einen Abzweiganschluss (47, 48) und ein Ventil (49) verbunden sind und die mit ihren Auslässen mit dem Kaltwassereinlaß (42) verbunden sind, umfasst.

4. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem (41) einen zwischen dem Warmwasserauslass (43) und dem Kaltwassereinlass (42) verbundenen Speichertank (50), der mit einer Warmwasserversorgung (52) und mit einer Zentralheizungsvorrichtung (51) verbunden ist, umfasst.

5. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem (41) umfasst: eine Reihenschaltung der Wärmetauscher (25, 25', 26, 26') der ersten kalten Kammer (13) und der zweiten heißen Kammer (20), die einen ersten Kaltwassereinlaß (53) stromaufwärts vom Wärmetauscher (26') mit der zweiten heißen Kammer (20) und einen ersten Warmwasserauslass (54) stromabwärts vom Wärmetauscher (25') mit der ersten kalten Kammer (13) aufweist, und umfassend einen zweiten Kaltwassereinlaß (55) und einen zweiten Warmwasserauslass (56), die mit dem Wärmetauscher (9) der Abgase verbunden sind, oder umfassend eine Reihenschaltung von einem von den Wärmetauschern (25, 25'; 26, 26') und dem Wärmetauscher (9) der Abgase, die einen ersten Kaltwassereinlass stromaufwärts von einem von den Wärmetauschern (25, 25', 26, 26') und einen ersten Warmwasserauslaß stromabwärts vom Wärmetauscher (9) der Abgase aufweist, und einen zweiten Kaltwassereinlass und Warmwasserauslass, die sich stromaufwärts bzw. stromabwärts von dem anderen der Wärmetauscher (25, 25'; 26, 26') befinden.

6. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwassersystem (41) drei Kaltwassereinlässe (57, 59, 61) und drei Warmwasserauslässe (58, 60, 62), die jeweils mit einem entsprechenden Wärmetauscher (9, 25', 26') verbunden sind, die in einer gegenseitigen parallelen Konfiguration angeordnet sind, umfasst.

7. Heizungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Abgase über den Wärmetauscher (9) der Abgase zum Wärmetauscher (27, 27') der zweiten kalten Kammer (21) strömen lässt.

8. Heizungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (4) einen Bereich von im Wesentlichen konstanter Wärmeübertragung zur ersten heißen Kammer (12) umfasst.

9. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 8, bei der während einer Spitzenbelastung die Energiezufuhr zum Brenner (4) erhöht werden kann, während eine konstante Wärmeabgabe zur ersten heißen Kammer (12) aufrechterhalten wird.

10. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (4) einen Strahlungsgasbrenner umfasst.

11. Heizungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (10) mit einem innerhalb des Druckbehälters (16) angeordneten Generator (11) verbunden ist, mit außerhalb des Druckbehälters angeordneten Anschlussklemmen zur Verbindung mit einem Stromnetz zur Stromerzeugung und Zufuhr zum Netz und zur Zufuhr vom Netz zum Generator.

12. Heizungsanlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage wärmeleitende Verbindungseinrichtungen zum Verbinden der zweiten heißen Kammer (20) und der zweiten kalten Kammer (21) umfasst, um die Wärmepumpenfunktion für Co-Erzeugungszwecke auszuschalten.

13. Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (16) vollständig geschlossen ist und keine Komponenten aufweist, die sich durch seine Wand erstrecken.

14. Heizungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Temperatur der ersten heißen Kammer (12) zwischen 300ºC und 800ºC befindet, dass sich die Temperatur der ersten kalten Kammer (13) zwischen 50ºC und 150ºC befindet, dass sich die Temperatur der zweiten heißen Kammer (20) zwischen 20ºC und 90ºC befindet und dass sich die Temperatur der zweiten kalten Kammer (21) zwischen -30ºC und 30ºC befindet.

15. Heizungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (10) mittels eines Federelements (18, 19) mit dem Druckbehälter (16) verbunden ist.

16. Heizungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeweils der ersten heißen und kalten Kammer sowie der zweiten heißen und kalten Kammer ein Verdränger (14, 23) untergebracht ist, welche Verdränger jeweils durch ein Federelement (15, 15') mit dem Druckbehälter (16) verbunden sind, welche Verdränger (14, 23) mit dem Kolbenelement (10) nicht starr gekoppelt sind.