CH627538A5

CH627538A5 - Heating installation with a heat pump

Info

Publication number: CH627538A5
Application number: CH1006378A
Authority: CH
Inventors: Alexander Dr Stuecheli
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-09-27
Filing date: 1978-09-27
Publication date: 1982-01-15

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

PATENTANSPRÜCHE
1. Heizanlage mit einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zur Verdichtung eines Arbeitsmittels bestimmte Teile (34, 54) der Wärmepumpe (18) zwecks Kühlung von einem Mittel (58) umgeben sind, in welchem im Betriebstemperaturbereich der genannten Teile (34, 54) eine Phasenumwandlung stattfindet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (58) bei der Phasenumwandlung als Gefrier/ Schmelz-Gemisch (58a, 58b) vorliegt.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (58) eine elektrisch isolierende Substanz vorgesehen ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (58) ein Paraffingemisch mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 50 und 90"C vorgesehen ist.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (34, 54) in einem das Mittel (58) aufnehmenden Behälter (56) angeordnet sind.

6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf(80, 82, 84) zur Kühlung des Mittels (58) vorgesehen ist.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (18) einen Kondensatorteil (16) aufweist, in welchem zu erwärmendes Wasser als Kühlmittel im Kühl kreislauf (80,82,84) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Heizanlage mit einer Wärmepumpe.

Heizanlagen mit Wärmepumpen werden in immer grösserem Umfang für Heizzwecke eingesetzt, da nicht nur die dadurch erzielte Energieeinsparung, sondern auch der Umweltschutz ins Gewicht fällt. Insbesondere bei Anlagen zur Raumheizung und Brauchwasseraufbereitung dient die Wärmepumpe zur Brauchwasseraufbereitung in der heizungsfreien Jahreszeit, ausserdem zur Heizung in den Übergangszeiten sowie als Basisheizung eines Kombinationskessels während der übrigen Jahreszeiten. Nach dem bisherigen Stand der Technik werden diese Aufgaben der Wärmepumpe z.B. dadurch gelöst, indem die Wärmepumpe zur direkten Erwärmung des Brauchwarmwasserspeichers geschaltet ist, wobei das sekundärseitig aus der Wärmepumpe austretende Wasser üblicherweise durch eine im Brauchwarmwasserspeicher angeordnete Rohrschlange geführt ist.

Hier und im folgenden wird die Verdampferseite der Wärmepumpe als primärseitig, die Kondensatorseite als sekundärseitig bezeichnet. Die Wärmepumpe kann auch sekundärseitig an einen separaten Warmwasserspeicher angeschlossen sein, welcher seinerseits zur Erwärmung des Brauchwarmwasserspeichers geschaltet ist und mit dem Heizungsteil der Anlage in Verbindung steht. Das in einem abgeschlossenen Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel der Wärmepumpe wird dabei zwischen der Primär- und der Sekundärseite verdichtet, wobei zur Verdichtung des Arbeitsmittels z.B. ein von einem Elektromotor angetriebener Kompressor zur Anwendung gelangen kann.

Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass der Betrieb solcher zur Verdichtung des Arbeitsmittels bestimmter Teile mit verschiedenen Schwierigkeiten und Nachteilen verbunden ist. Erstens erzeugen Motor und Kompressor häufig störenden Lärm, der z.B. beim Betrieb in einer Heizanlage eines Einfamilienhauses durchaus ins Gewicht fallen kann.

Weiter entstehen Probleme bezüglich der Kühlung von Kompressor und Elektromotor. Der Kompressor liesse sich zwar z.B. mit Wasser kühlen. Eine Wasserkühlung des Elektromotors ist aus bekannten Gründen problematisch und mit verhältnismässig grossem Aufwand verbunden, da insbesondere die elektrische Isolierung in diesem Falle schwierig ist. Da die übliche Luftkühlung nur einen verhältnismässig niedrigen Wirkungsgrad aufweist, hat dies zur Folge, dass der Motor nur mit relativ langen Ausschaltintervallen betrieben werden kann, da die zulässige maximale Betriebstemperatur verhältnismässig schnell erreicht wird, wonach die Sicherungsautomatik ein Ausschalten des Motors bewirkt, damit sich dieser wieder abkühlen kann.

Mit Verdichtern herkömmlicher Bauart ist also nur eine relativ kurze Betriebsdauer pro Zeitabschnitt möglich, was sich auf die Belastbarkeit der Wärmepumpenanlage nachteilig auswirkt.

Das Problem der Kühlung gestaltet sich noch schwieriger, wenn man gleichzeitig auch eine akustische Isolierung von Kompressor und Motor anstrebt. Verwendet man Schallisolationen, wie sie z.B. in der Bautechnik üblich sind, wobei der ganze Verdichter von einem isolierenden Gehäuse mit Schaumstoff- oder Glasfaserfüllung umgeben ist, besteht das Risiko eines Wärmestaus, da die genannten akustischen Isolationsmaterialien auch eine hohe thermische Isolierwirkung aufweisen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anlage der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, dass nicht nur störender Lärm des Verdichters eliminiert wird, sondern dass gleichzeitig auch eine dem Betriebstemperaturbereich des Arbeitsmittels optimal angepasste Kühlung des Verdichters und des Motors erreicht wird, ohne dass aufwendige Massnahmen wegen Kurzschlussgefahr der elektrischen Teile erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführte Massnahme gelöst.

Die Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2 gestattet eine Nutzung der Phasenumwandlungswärme bzw.

der sogenannten latenten Schmelzwärme des Mittels für die Kühlung. Beim Schmelzvorgang kann das Mittel grosse Wärmemengen absorbieren, wobei die Schmelztemperatur so lange konstant bleibt, bis die gesamte feste Substanz geschmolzen ist. Die somit erreichte Wärmeaufnahmekapazität kann diejenigen des gleichen Volumens Wasser um ein Mehrfaches im in Frage kommenden Temperaturbereich übertreffen.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 erlaubt auf einfache Art eine Kühlung auch der elektrischen Teile, wie z.B.

des elektrischen Antriebes des Verdichters.

Die Ausführungsform nach Anspruch 4 gestattet eine gute akustische Isolation bzw. Schalldämpfung, wobei gleichzeitig die Kühlwirkung optimal dem Betriebstemperaturbereich des Arbeitsmittels angepasst ist.

Die Ausführungsform nach Anspruch 5 erlaubt auf einfache Weise den Betrieb des Verdichters bei gleichzeitiger Kühlung und Schalldämpfung, wobei die entsprechenden Teile der Wartung leicht zugänglich sind, indem z.B. das geschmolzene Mittel durch eine Bodenöffnung aus dem Behälter ausgelassen wird oder indem die Teile z.B. relativ zum Behälter höhenverstellbar angeordnet sind.

Der Kühlkreislauf nach Anspruch 6 kann eine zusätzliche Kühlung gestatten, falls unter gewissen Betriebsbedingungen die Wärmeaufnahmekapazität des Mittels nicht ausreichen sollte. Der Vorteil der elektrischen und akustischen Isolation bleibt bestehen, auch wenn Wasser im Kühlkreislauf verwendet wird.

Die Ausführungsform nach Anspruch 7 ergibt den Vorteil, dass im Kreislauf der Anlage bereits vorhandenes Wasser als
Kühlmittel genutzt werden kann.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Anlage.

Eine in der Leitung 10 angeordnete Zirkulationspumpe 12 fördert das sekundärseitig zu erwärmende Wasser über ein Sperrventil 14 in den Kondensator 16 (Sekundärseite) der Wärmepumpe 18. Dieser ist über die Leitung 20 sowie ein Rückschlagventil 22 z.B. mit dem Boiler oder einer Heizungsvorlaufleitung verbunden. Von der das Arbeitsmedium der Wärmepumpe führenden Rohrschlange 24 des Kondensators 16 führt eine Leitung 26 über ein Drosselventil 28 zu einem Verdampfer 30 (Primärseite). Von diesem führt eine Leitung 32 über einen Verdichter 34 zurück zum Kondensator 16, wobei das Arbeitsmedium gemäss den Pfeilen 36, 38, 40,42, 44 in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

Der Verdichter weist Ventile 46,48 und einen Kolben 50 auf, welcher über eine Kolbenstange 52 mit einem schematisch dargestellten Antrieb 54 verbunden ist, wobei z.B. ein Elektromotor zur Verwendung gelangen kann. Als Arbeitsmedium der Wärmepumpe kommt eines der üblichen Kältemittel in Frage. Der Verdichter mit seinem Antrieb ist in einem geschlossenen Behälter 56 angeordnet und vom Mittel 58 umgeben, in welchem im Betriebstemperaturbereich der zur Verdichtung des Arbeitsmittels bestimmten Teile der Wärmepumpe eine Phasenumwandlung stattfindet, wobei die flüssige Phase mit 58a und die feste Phase mit 58b bezeichnet ist.

Als Mittel 58 hat sich ein im wesentlichen wachsartiges Paraffingemisch mit einem Schmelzpunkt zwischen ca. 50 und 90"C als besonders zweckmässig erwiesen. Der Verdampfer 30 ist in einem Luftschacht 60 angeordnet, welcher mit einem Sonnenkollektor 62 verbunden ist, der gemäss den Pfeilen 64 mit Sonnenlicht bestrahlt wird. Ein Gebläse 66 dient zur Förderung der Luft durch den Sonnenkollektor und über den Verdampfer gemäss den Pfeilen 68, 70.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Vom Kondensator 16 zirkuliert das Arbeitsmedium der Wärmepumpe zum Verdampfer 30. Dieser wird erwärmt durch einen warmen Luftstrom vom Sonnenkollektor 62. Das im Verdampfer erwärmte und verdampfte Arbeitsmedium strömt danach über die Leitung 32 zum Verdichter 34 und nach entsprechender Verdichtung wieder zum Kondensator 16. In der Rohrschlange 24 kondensiert das Arbeitsmedium unter entsprechender Wärmeabgabe an das über die Leitung 10 eintretende und über die Leitung 20 austretende Wasser.

Der Verdampfer 30 der Wärmepumpe könnte selbstverständlich auch nur mit Umgebungsluft ohne Sonnenkollektor bzw. mit Grundwasser etc. betrieben werden. Der Betrieb mit dem beschriebenen Sonnenkollektor ermöglicht jedoch auf einfache Art und Weise eine Nutzung der Sonnenenergie.

Durch die beim Betrieb des Verdichters 34 sowie seines Antriebes 54 entstehende Wärme schmilzt das Mittel 58 unter Bildung einer flüssigen Phase 58a neben der festen Phase 58b.

Solange noch eine feste Phase 58a vorhanden ist, bleibt die Temperatur der flüssigen Phase 58a konstant, so dass eine optimale Kühlung der genannten Teile gewährleistet ist.

Gleichzeitig werden die Teile akustisch und elektrisch isoliert. Der Schmelzpunkt der Wachs- bzw. Paraffinmischung lässt sich ohne weiteres den normalen Betriebstemperaturen der üblichen Arbeitsmedien bzw. Kältemittel anpassen. Wird z.B. als Kältemittel Freon mit einer maximalen Betriebstemperatur von ca. 57"C verwendet, kann durch entsprechende Einstellung der Schmelztemperatur des Paraffingemisches die Kühlwirkung so eingestellt werden, dass einerseits die mechanischen und elektrischen Teile des Verdichters optimal gekühlt werden, anderseits jedoch nicht übermässig Wärmeenergie dem Kreislauf des Arbeitsmediums entzogen wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 noch im Mittel 58 angeordnete Temperaturfühler 72 auf, welche über Signalleitungen 74, ein Steuergerät 76 und eine Signalleitung 78 mit dem Sperrventil 79 verbunden sind. Von diesem führt eine Leitung 80 zu einem am Behälter 56 angeordneten Doppelmantel 82, welcher über eine Leitung 84 mit dem Kondensator 16 verbunden ist.

Die Wirkungsweise der zuletzt beschriebenen Anlage entspricht der anhand Fig. 1 bereits beschriebenen, mit dem Unterschied, dass durch die Temperaturfühler 72 bei Überschreiten einer vorbestimmten maximalen Temperatur und/ oder einer bestimmten Phasenverteilung über das Steuergerät 78 eine entsprechende Verstellung des Sperrventils 79 bewirkt wird, wodurch eine teilweise Umleitung von Wasser durch die Leitung 80 über den Doppelmantel 82 bewirkt wird.

Dadurch wird eine entsprechende Kühlung des Behälters 56 sowie des Mittels 58 bewirkt. Die durch den Kühlvorgang abgeführte Energie kommt dem Gesamtprozess zugute.

Es versteht sich, dass man als Mittel 58 auch andere Substanzen verwenden kann, in welchen im Betriebstemperaturbereich der genannten Teile eine Phasenumwandlung stattfindet, z.B. ein Salz-/Wassergemisch oder ein Lösungsmittelgemisch mit einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase.

Es können auch chemische Paraffinderivate, wie z.B. Chlorparaffine sowie Naturwachse etc. zur Anwendung gelangen.

Statt eines Doppelmantels 82 kann auch eine durch das Mittel 58 geführte Rohrschlange zur Kühlung verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Heizanlage mit einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zur Verdichtung eines Arbeitsmittels bestimmte Teile (34, 54) der Wärmepumpe (18) zwecks Kühlung von einem Mittel (58) umgeben sind, in welchem im Betriebstemperaturbereich der genannten Teile (34, 54) eine Phasenumwandlung stattfindet.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (58) bei der Phasenumwandlung als Gefrier/ Schmelz-Gemisch (58a, 58b) vorliegt.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (58) eine elektrisch isolierende Substanz vorgesehen ist.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (58) ein Paraffingemisch mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 50 und 90"C vorgesehen ist.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (34, 54) in einem das Mittel (58) aufnehmenden Behälter (56) angeordnet sind.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf(80, 82, 84) zur Kühlung des Mittels (58) vorgesehen ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (18) einen Kondensatorteil (16) aufweist, in welchem zu erwärmendes Wasser als Kühlmittel im Kühl kreislauf (80,82,84) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Heizanlage mit einer Wärmepumpe.

Heizanlagen mit Wärmepumpen werden in immer grösserem Umfang für Heizzwecke eingesetzt, da nicht nur die dadurch erzielte Energieeinsparung, sondern auch der Umweltschutz ins Gewicht fällt. Insbesondere bei Anlagen zur Raumheizung und Brauchwasseraufbereitung dient die Wärmepumpe zur Brauchwasseraufbereitung in der heizungsfreien Jahreszeit, ausserdem zur Heizung in den Übergangszeiten sowie als Basisheizung eines Kombinationskessels während der übrigen Jahreszeiten. Nach dem bisherigen Stand der Technik werden diese Aufgaben der Wärmepumpe z.B. dadurch gelöst, indem die Wärmepumpe zur direkten Erwärmung des Brauchwarmwasserspeichers geschaltet ist, wobei das sekundärseitig aus der Wärmepumpe austretende Wasser üblicherweise durch eine im Brauchwarmwasserspeicher angeordnete Rohrschlange geführt ist.

Hier und im folgenden wird die Verdampferseite der Wärmepumpe als primärseitig, die Kondensatorseite als sekundärseitig bezeichnet. Die Wärmepumpe kann auch sekundärseitig an einen separaten Warmwasserspeicher angeschlossen sein, welcher seinerseits zur Erwärmung des Brauchwarmwasserspeichers geschaltet ist und mit dem Heizungsteil der Anlage in Verbindung steht. Das in einem abgeschlossenen Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittel der Wärmepumpe wird dabei zwischen der Primär- und der Sekundärseite verdichtet, wobei zur Verdichtung des Arbeitsmittels z.B. ein von einem Elektromotor angetriebener Kompressor zur Anwendung gelangen kann.

Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass der Betrieb solcher zur Verdichtung des Arbeitsmittels bestimmter Teile mit verschiedenen Schwierigkeiten und Nachteilen verbunden ist. Erstens erzeugen Motor und Kompressor häufig störenden Lärm, der z.B. beim Betrieb in einer Heizanlage eines Einfamilienhauses durchaus ins Gewicht fallen kann.

Weiter entstehen Probleme bezüglich der Kühlung von Kompressor und Elektromotor. Der Kompressor liesse sich zwar z.B. mit Wasser kühlen. Eine Wasserkühlung des Elektromotors ist aus bekannten Gründen problematisch und mit verhältnismässig grossem Aufwand verbunden, da insbesondere die elektrische Isolierung in diesem Falle schwierig ist. Da die übliche Luftkühlung nur einen verhältnismässig niedrigen Wirkungsgrad aufweist, hat dies zur Folge, dass der Motor nur mit relativ langen Ausschaltintervallen betrieben werden kann, da die zulässige maximale Betriebstemperatur verhältnismässig schnell erreicht wird, wonach die Sicherungsautomatik ein Ausschalten des Motors bewirkt, damit sich dieser wieder abkühlen kann.

Mit Verdichtern herkömmlicher Bauart ist also nur eine relativ kurze Betriebsdauer pro Zeitabschnitt möglich, was sich auf die Belastbarkeit der Wärmepumpenanlage nachteilig auswirkt.

Das Problem der Kühlung gestaltet sich noch schwieriger, wenn man gleichzeitig auch eine akustische Isolierung von Kompressor und Motor anstrebt. Verwendet man Schallisolationen, wie sie z.B. in der Bautechnik üblich sind, wobei der ganze Verdichter von einem isolierenden Gehäuse mit Schaumstoff- oder Glasfaserfüllung umgeben ist, besteht das Risiko eines Wärmestaus, da die genannten akustischen Isolationsmaterialien auch eine hohe thermische Isolierwirkung aufweisen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anlage der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, dass nicht nur störender Lärm des Verdichters eliminiert wird, sondern dass gleichzeitig auch eine dem Betriebstemperaturbereich des Arbeitsmittels optimal angepasste Kühlung des Verdichters und des Motors erreicht wird, ohne dass aufwendige Massnahmen wegen Kurzschlussgefahr der elektrischen Teile erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführte Massnahme gelöst.

Die Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2 gestattet eine Nutzung der Phasenumwandlungswärme bzw.

der sogenannten latenten Schmelzwärme des Mittels für die Kühlung. Beim Schmelzvorgang kann das Mittel grosse Wärmemengen absorbieren, wobei die Schmelztemperatur so lange konstant bleibt, bis die gesamte feste Substanz geschmolzen ist. Die somit erreichte Wärmeaufnahmekapazität kann diejenigen des gleichen Volumens Wasser um ein Mehrfaches im in Frage kommenden Temperaturbereich übertreffen.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 erlaubt auf einfache Art eine Kühlung auch der elektrischen Teile, wie z.B.

des elektrischen Antriebes des Verdichters.

Die Ausführungsform nach Anspruch 4 gestattet eine gute akustische Isolation bzw. Schalldämpfung, wobei gleichzeitig die Kühlwirkung optimal dem Betriebstemperaturbereich des Arbeitsmittels angepasst ist.

Die Ausführungsform nach Anspruch 5 erlaubt auf einfache Weise den Betrieb des Verdichters bei gleichzeitiger Kühlung und Schalldämpfung, wobei die entsprechenden Teile der Wartung leicht zugänglich sind, indem z.B. das geschmolzene Mittel durch eine Bodenöffnung aus dem Behälter ausgelassen wird oder indem die Teile z.B. relativ zum Behälter höhenverstellbar angeordnet sind.

Der Kühlkreislauf nach Anspruch 6 kann eine zusätzliche Kühlung gestatten, falls unter gewissen Betriebsbedingungen die Wärmeaufnahmekapazität des Mittels nicht ausreichen sollte. Der Vorteil der elektrischen und akustischen Isolation bleibt bestehen, auch wenn Wasser im Kühlkreislauf verwendet wird.

Die Ausführungsform nach Anspruch 7 ergibt den Vorteil, dass im Kreislauf der Anlage bereits vorhandenes Wasser als Kühlmittel genutzt werden kann.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung.

Es zeigen: **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.