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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.
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PATENT CLAIMS
1. Heating system with a heat pump, characterized in that, at least for the compression of a working medium, certain parts (34, 54) of the heat pump (18) are surrounded by a means (58) for cooling, in which, in the operating temperature range of the parts (34, 54 ) a phase change takes place.
2. Plant according to claim 1, characterized in that the means (58) is present during the phase change as a freeze / melt mixture (58a, 58b).
3. Plant according to claim 2, characterized in that an electrically insulating substance is provided as means (58).
4. Plant according to claim 3, characterized in that a paraffin mixture with a melting point in the range between 50 and 90 "C is provided as means (58).
5. Plant according to claim 1, characterized in that the parts (34, 54) are arranged in a container (56) receiving the means (58).
6. Plant according to claim 1, characterized in that a cooling circuit (80, 82, 84) for cooling the agent (58) is provided.
7. Plant according to claim 6, characterized in that the heat pump (18) has a condenser part (16) in which water to be heated is provided as a coolant in the cooling circuit (80,82,84).
The invention relates to a heating system with a heat pump.
Heating systems with heat pumps are being used for heating purposes to an ever increasing extent, since not only the energy savings achieved thereby, but also environmental protection are important. Especially in systems for space heating and process water treatment, the heat pump is used for process water treatment in the heating-free season, also for heating in the transitional periods and as basic heating for a combination boiler during the other seasons. According to the current state of technology, these tasks of the heat pump are e.g. solved in that the heat pump is switched to directly heat the domestic hot water tank, the water emerging from the heat pump on the secondary side usually being led through a pipe coil arranged in the domestic hot water tank.
Here and in the following, the evaporator side of the heat pump is referred to as the primary side and the condenser side as the secondary side. The heat pump can also be connected on the secondary side to a separate hot water tank, which in turn is connected to heat the domestic hot water tank and is connected to the heating part of the system. The working fluid circulating in a closed circuit of the heat pump is compressed between the primary and the secondary side, with e.g. a compressor driven by an electric motor can be used.
However, it has been shown in practice that the operation of such parts for the compression of the working medium is associated with various difficulties and disadvantages. Firstly, the motor and compressor often generate annoying noise, e.g. when operating in a heating system in a single-family house can be significant.
Problems also arise with regard to the cooling of the compressor and electric motor. The compressor could be e.g. cool with water. For known reasons, water cooling of the electric motor is problematic and involves a relatively large outlay, since in this case in particular the electrical insulation is difficult. Since the usual air cooling has only a relatively low efficiency, this means that the motor can only be operated with relatively long switch-off intervals, since the permissible maximum operating temperature is reached relatively quickly, after which the automatic circuit breaker causes the motor to be switched off so that it can cool down again.
With compressors of conventional design, only a relatively short operating time per time period is possible, which has an adverse effect on the load capacity of the heat pump system.
The problem of cooling is even more difficult if you also aim to acoustically isolate the compressor and motor. If sound insulation is used, e.g. are common in construction engineering, the entire compressor being surrounded by an insulating housing with foam or glass fiber filling, there is a risk of heat build-up, since the acoustic insulation materials mentioned also have a high thermal insulation effect.
It is an object of the invention to design a system of the type mentioned at the outset in such a way that not only is annoying noise from the compressor eliminated, but that at the same time cooling of the compressor and motor which is optimally adapted to the operating temperature range of the working medium is achieved without complex measures due to the risk of short-circuiting the electrical parts.
This object is achieved by the measure listed in the characterizing part of claim 1.
The embodiment of the invention according to claim 2 allows the use of the phase change heat or
the so-called latent heat of fusion of the cooling agent. During the melting process, the agent can absorb large amounts of heat, the melting temperature remaining constant until all of the solid substance has melted. The heat absorption capacity thus achieved can exceed that of the same volume of water by a multiple in the temperature range in question.
The embodiment according to claim 3 allows cooling of the electrical parts, such as e.g.
the electrical drive of the compressor.
The embodiment according to claim 4 allows good acoustic insulation or sound absorption, while the cooling effect is optimally adapted to the operating temperature range of the working medium.
The embodiment according to claim 5 allows the compressor to be operated in a simple manner with simultaneous cooling and soundproofing, the corresponding parts of the maintenance being easily accessible, for example by the molten agent is discharged from the container through a bottom opening or by e.g. are arranged adjustable in height relative to the container.
The cooling circuit according to claim 6 can allow additional cooling if the heat absorption capacity of the agent should not be sufficient under certain operating conditions. The advantage of electrical and acoustic insulation remains, even if water is used in the cooling circuit.
The embodiment according to claim 7 gives the advantage that water already present in the circuit of the system
Coolant can be used.
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawing below.
Show it:
Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the invention and
Fig. 2 shows a second embodiment of a system according to the invention.
A circulation pump 12 arranged in line 10 conveys the water to be heated on the secondary side via a shut-off valve 14 into the condenser 16 (secondary side) of the heat pump 18. This is via line 20 and a check valve 22 e.g. connected to the boiler or a heating flow line. A line 26 leads from the coil 24 of the condenser 16 carrying the working medium of the heat pump via a throttle valve 28 to an evaporator 30 (primary side). From this, a line 32 leads back to the condenser 16 via a compressor 34, the working medium being conducted in a closed circuit according to the arrows 36, 38, 40, 42, 44.
The compressor has valves 46, 48 and a piston 50, which is connected via a piston rod 52 to a schematically illustrated drive 54, e.g. an electric motor can be used. One of the usual refrigerants can be used as the working medium for the heat pump. The compressor with its drive is arranged in a closed container 56 and surrounded by means 58, in which a phase change takes place in the operating temperature range of the parts of the heat pump intended for the compression of the working medium, the liquid phase being designated 58a and the solid phase being 58b.
An essentially waxy paraffin mixture with a melting point of between approximately 50 and 90 ° C. has proven to be particularly useful as the means 58. The evaporator 30 is arranged in an air shaft 60 which is connected to a solar collector 62 which, according to the arrows 64, also A fan 66 is used to convey the air through the solar collector and over the evaporator according to arrows 68, 70.
The operation of the device described is as follows:
The working medium of the heat pump circulates from the condenser 16 to the evaporator 30. The latter is heated by a warm air flow from the solar collector 62. The working medium heated and evaporated in the evaporator then flows via the line 32 to the compressor 34 and, after appropriate compression, back to the condenser 16. In the Pipe coil 24 condenses the working medium with appropriate heat emission to the water entering via line 10 and exiting via line 20.
The evaporator 30 of the heat pump could of course also be operated only with ambient air without a solar collector or with groundwater etc. However, the operation with the described solar collector enables the solar energy to be used in a simple manner.
Due to the heat generated during operation of the compressor 34 and its drive 54, the agent 58 melts to form a liquid phase 58a in addition to the solid phase 58b.
As long as a solid phase 58a is still present, the temperature of the liquid phase 58a remains constant, so that optimal cooling of the parts mentioned is ensured.
At the same time, the parts are acoustically and electrically isolated. The melting point of the wax or paraffin mixture can be easily adapted to the normal operating temperatures of the usual working media or refrigerants. E.g. used as the refrigerant Freon with a maximum operating temperature of approx. 57 "C, the cooling effect can be adjusted by adjusting the melting temperature of the paraffin mixture in such a way that the mechanical and electrical parts of the compressor are optimally cooled on the one hand, but not excessive heat energy on the other hand Working medium is withdrawn.
The embodiment according to FIG. 2 has, compared to the arrangement according to FIG. 1, temperature sensors 72 which are arranged in the middle 58 and which are connected to the shut-off valve 79 via signal lines 74, a control unit 76 and a signal line 78. From this, a line 80 leads to a double jacket 82 arranged on the container 56, which is connected to the capacitor 16 via a line 84.
The mode of operation of the last-described system corresponds to that already described with reference to FIG. 1, with the difference that the temperature sensors 72, when a predetermined maximum temperature and / or a certain phase distribution is exceeded via the control unit 78, effect a corresponding adjustment of the check valve 79, as a result of which partial redirection of water through line 80 via double jacket 82 is effected.
A corresponding cooling of the container 56 and of the means 58 is thereby effected. The energy dissipated by the cooling process benefits the overall process.
It is understood that other substances can also be used as means 58 in which a phase change takes place in the operating temperature range of the parts mentioned, e.g. a salt / water mixture or a solvent mixture with a liquid and a vapor phase.
Chemical paraffin derivatives such as e.g. Chlorinated paraffins and natural waxes etc. are used.
Instead of a double jacket 82, a pipe coil guided through the means 58 can also be used for cooling.