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Die Erfindung betrifft eine Heizungseinrichtung zum Erwärmen von Heiz- und/oder
Brauchwasser.
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Solche Heizeinrichtungen kommen in annähernd jedem Gebäude zum Einsatz.
Sie dienen dazu, entweder Heizwasser, das in einem geschlossenen
Heizrohrleitungssystem zirkuliert zu erwärmen. Alternativ oder zusätzlich kann mit ihnen auch
Brauchwasser erwärmt werden, was an entsprechenden Zapfstellen aus einem
Brauchwasserspeicher, dem das von der Heizungseinrichtung erwärmte
Brauchwasser zugeführt wird, entnommen werden kann.
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Bekannte Heizeinrichtungen besitzen in der Regel entsprechend den räumlichen
und örtlichen Gegebenheiten dimensionierte Öl- oder Gasbrenner, in denen Öl
oder Gas als fossile Brennstoffe verbrannt werden. Die bei der Verbrennung
entstehende Wärme wird zum Aufheizen des Wassers verwendet. Nachteilig dabei
ist, dass trotz aller Verbesserungen an den Öl- oder Gasbrennern der Verbrauch
an fossilem Brennstoff nach wie vor relativ hoch ist, so dass beachtliche Kosten
seitens der Verbraucher auflaufen. Diese Situation hat sich durch die gestiegenen
Öl- und Gaspreise weiter verschärft.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Alternative zu den
bekannten Heizeinrichtungen anzugeben, die hinsichtlich des Brennmittelverbrauchs
verbessert ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist eine Heizeinrichtung zum Erwärmen von Heiz-
und/oder Brauchwasser vorgesehen, mit einer Wärmepumpe mit zugeordnetem
Wärmetauscher zum Zirkulieren eines Kühlmediums und einem die Wärmepumpe
antreibenden Verbrennungsmotor, dem ein mit Verbrennungsabgas
beaufschlagbarer Abgaswärmetauscher zugeordnet ist, wobei das zu wärmende Wasser zur
Wärmeaufnahme der Wärmepumpe, dem Abgaswärmetauscher und dem
Verbrennungsmotor, wo es gleichzeitig als Kühlwasser dient, zugeführt wird.
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Beim erfindungsgemäßen System erfolgt die Erwärmung des Wassers vorteilhaft
an mehreren Stellen. Die Heizeinrichtung weist zum einen eine Wärmepumpe mit
einem zugeordneten Wärmetauscher auf. In der Wärmepumpe bzw. dem
Wärmetauscher zirkuliert ein Kühlmedium, vorzugsweise eine Kühlsole. Dieses
Kühlmedium erwärmt sich auf seinem Zirkulationsweg, wobei zum Betrieb der
Wärmepumpe und damit zum Zirkulieren des Kühlmediums ein kleindimensionierter
Verbrennungsmotor vorgesehen ist, der gerade so dimensioniert ist, dass er die
zum Betrieb der Wärmepumpe erforderliche mechanische Leistung abgeben kann.
Das sich während des Zirkulierens erwärmende Kühlmedium wird der
Wärmepumpe zugeführt, wo der Wärmeentzug stattfindet und die entzogene Wärme oder
thermische Energie dem der Wärmepumpe ebenfalls zugeführten Wasser
übertragen wird. Die Erwärmung des Wassers in der Wärmepumpe ist die erste
Erwärmungsstufe der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
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In der zweiten Erwärmungsstufe erfolgt eine Wärmeübertragung in einem
Abgaswärmetauscher, der dem Verbrennungsmotor nachgeschalten ist. Das aus der
Verbrennung eines Brennstoffs resultierende Abgas wird diesem
Abgaswärmetauscher zugeführt. In diesem Wärmetauscher wird dem Abgas die Wärme entzogen
und dem Wasser zugeführt.
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Ein dritter Erwärmungsschritt erfolgt am Verbrennungsmotor direkt. Das bereits in
der Wärmepumpe und dem Abgaswärmetauscher erwärmte Wasser wird dem
Verbrennungsmotor als Kühlwasser zugeführt. Der Verbrennungsmotor wird
während des Betriebs beachtlich heiß. Die entstehende Wärme wird zu einem
beachtlichen Teil vom als Kühlwasser dienenden Wasser aufgenommen. Es erwärmt
sich, gleichzeitig wird der Verbrennungsmotor gekühlt. Das bei dieser
Ausführungsform dreistufig erwärmte Wasser wird anschließend in den Heizkreislauf
eingespeist, oder aber einem Speicherkessel zugeführt, aus dem es als
Brauchwasser entnommen werden kann.
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Das erfindungsgemäße System nutzt also andere Energiequellen und stützt sich
nicht wie bekannte Öl- oder Gasbrenner ausschließlich auf die durch das
Verbrennen eines fossilen Brennstoffs erhältliche Energie. Vielmehr wird zum
einen die durch alternierendes Erwärmen und Abkühlen einer Kühlsole erhaltbare
Energie genutzt, zum anderen nutzt man die aus dem Betrieb des
Verbrennungsmotors freiwerdende Energie. Der Verbrennungsmotor selbst kann mit Gas,
Benzin oder Öl betrieben werden. Aus ökologischen Gesichtspunkten ist es
zweckmäßig, wenn der Verbrennungsmotor mit Pflanzenöl, z. B. Rapsöl oder dergleichen
betrieben wird. Der Motor selbst kann relativ klein dimensioniert werden, da er wie
ausgeführt primär die Antriebsleistung für die Wärmepumpe zur Verfügung stellen
muss. Bekannte derartige Verbrennungsmotoren kommen mit sehr wenig
Brennstoff aus, das heißt, der Brennstoffverbrauch ist relativ gering.
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Auf der anderen Seite bietet die Nutzung der am Verbrennungsmotor frei
werdenden thermischen Energie ferner den Vorteil, dass der der Wärmepumpe
zugeordnete Wärmetauscher, über den sich die Kühlsole wieder erwärmt, etwas kleiner
dimensioniert werden kann, da ein beachtlicher Teil der thermischen Energie oder
Wärme, die zum Aufheizen des Wassers benötigt wird, eben dem
Verbrennungsmotor bzw. dem Abgas entnommen werden kann.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass bezogen
auf die Flussrichtung des Wassers die Wärmepumpe dem Abgaswärmetauscher
und dieser wiederum dem Verbrennungsmotor vorgeschaltet ist. Das Wasser
zirkuliert also zunächst zur Wärmepumpe, anschließend dem Abgaswärmetauscher
und schließlich zum Verbrennungsmotor.
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Zweckmäßig ist es ferner, wenn ein bezogen auf die Abgasströmungsrichtung
dem ersten Abgaswärmetauscher nachgeschalteter zweiter Abgaswärmetauscher
vorgesehen ist, dem das Kühlmedium zugeführt wird. Nach dieser
Erfindungsausgestaltung wird das Kühlmedium in dem zweiten Abgaswärmetauscher nochmals
zusätzlich zu der in der Wärmepumpe zugeordneten Wärmetauscher erfolgten
Erwärmung erwärmt, d. h., es kann in der Wärmepumpe der Sole eine größere
Wärmemenge entzogen werden. Darüber hinaus wird die im Abgas befindliche
Restwärme nochmals zu einem beachtlichen Teil genutzt. Dabei ist der zweite
Abgaswärmetauscher der Wärmepumpe bezogen auf die Strömungsrichtung des
Kühlmediums zweckmäßigerweise vorgeschaltet.
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Weiterhin kann wenigstens ein die Wassertemperatur des erwärmten Wassers
erfassendes Thermostat vorgesehen sein, wobei der Betrieb des
Verbrennungsmotors und damit der Betrieb der Wärmepumpe bzw. der gesamten
Heizeinrichtung in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses regelbar ist. Das Thermostat
erfasst je nach Ausgestaltung des gesamten Heizsystems die Temperatur des vom
Verbrennungsmotor abgeführten Ausgangswassers, das dann dem Heizkreislauf
zugeführt wird, wenn die Heizeinrichtung zum Erwärmen vom Heizwasser dient.
Wird alternativ oder zusätzlich auch Brauchwasser erwärmt, so kann das oder ein
Thermostat die Temperatur des im Speicher befindlichen Wassers erfassen.
Unabhängig davon, welche Temperatur das Thermostat oder die Thermostate nun
konkret erfassen, wird der Betrieb der Heizeinrichtung entsprechend gesteuert.
Sind z. B. die Temperatur des Wassers im Speicher unter einen voreingestellten
Sollwert, so schaltet sich die Heizeinrichtung automatisch ein etc.
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Der der Wärmepumpe zugeordnete Wärmetauscher kann ein Erdwärmetauscher
sein, der hinreichend tief im Erdreich eingegraben ist, so dass er kaum
Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Alternativ dazu kann auch ein
Luftwärmetauscher verwendet werden.
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Neben der Heizeinrichtung betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum
Erwärmen von Heiz- und/oder Brauchwasser mittels einer Heizeinrichtung umfassend
eine Wärmepumpe mit zugeordnetem Wärmetauscher zum Zirkulieren eines
Kühlmediums, einen Verbrennungsmotor zum Antreiben der Wärmepumpe und
einen mit Verbrennungsabgas beaufschlagbaren Abgaswärmetauscher, wobei das
zu erwärmende Wasser zunächst der Wärmepumpe, anschließend dem
Abgaswärmetauscher und schließlich dem Verbrennungsmotor, an dem es gleichzeitig
als Kühlwasser dient, zugeführt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem
im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
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In dieser ist eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 1 gezeigt umfassend eine
Wärmepumpe 2, die von einem Verbrennungsmotor 3 angetrieben wird. Der
Wärmepumpe 2 ist ein Außenwärmetauscher 4 zugeordnet, bei dem es sich
zweckmäßigerweise um einen Erdwärmetauscher bzw. Erdkollektor handelt. Der
Wärmetauscher 4 ist Teil eines Rohrleitungssystems, in dem eine Kühlsole
zirkuliert, die durch die Wärmepumpe 2 gepumpt wird.
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Dem Verbrennungsmotor 3 ist ein erster Abgaswärmetauscher 5 und diesem
wiederum ein zweiter Abgaswärmetauscher 6 nachgeschaltet. Der zweite
Abgaswärmetauscher 6 ist mit dem Rohrleitungssystem, in dem die Kühlsole zirkuliert,
verbunden. Der erste Abgaswärmetauscher 5 seinerseits ist mit einem zweiten
Rohrleitungssystem verbunden, in dem das zu erwärmende Heiz- oder
Brauchwasser geführt wird. Über eine Zu- oder Rücklaufleitung 7 wird zu erwärmendes
Wasser an die Wärmepumpe 2 geführt, aus der es über die Leitung 8 austritt und
zum ersten Wärmetauscher 5 geführt wird. Von diesem strömt das zu erwärmende
Wasser zum Verbrennungsmotor 3, wo es durch mehrere Kühlschlangen 9 läuft
und zur Kühlung des Verbrennungsmotors 3 dient. Über den Ablauf oder Vorlauf
10 wird das erwärmte Wasser wieder dem Heizkreislauf oder dem
Brauchwassersystem zugeführt.
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung arbeitet nun wie folgt:
Soll Wasser erwärmt werden, was über ein Thermostat 11, das die
Wassertemperatur des vom Verbrennungsmotor abgeführten Auslasswassers misst, gesteuert
wird, so wird der Verbrennungsmotor eingeschalten. Der Verbrennungsmotor
arbeitet z. B. mit Gas oder Öl oder Benzin als Brennstoff. Er ist relativ klein
dimensioniert, da die mechanische Antriebsleistung, die er liefern soll, gerade so groß
sein soll, dass die Wärmepumpe 2 betrieben werden kann. Folglich ist der
Brennstoffverbrauch des Verbrennungsmotors relativ gering.
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Durch den Betrieb des Verbrennungsmotors 9 wird über den Antrieb 12 die
Wärmepumpe 2 betrieben, was dazu führt, dass die Kühlsole im Rohrleistungssystem
zirkuliert. Die Kühlsole strömt in Richtung der eingezeichneten Pfeile von der
Wärmepumpe 2 zunächst zu dem Außenwärmetauscher 4. Dort erwärmt sich die
Sole um mehrere °C. Anschließend strömt die erwärmte Sole zum zweiten
Abgaswärmetauscher 6. Dort wird dem Abgas, das dem zweiten
Abgaswärmetauscher 6 von dem Verbrennungsmotor 3 über den ersten Abgaswärmetauscher 5
zugeführt wird, Restwärme entzogen, die an die Kühlsole abgegeben wird,
wodurch sich diese noch weiter erwärmt. Dies ist durch die gestrichelten Ströme im
zweiten Abgaswärmetauscher 6 dargestellt. Anschließend wird die Kühlsole
wieder der Wärmepumpe 2 zugeführt. In dieser befindet sich bekanntermaßen ein
weiterer Wärmetauscher, wo der erwärmten Kühlsole Wärme bzw. thermische
Energie entzogen wird. Diese wird an das über die Leitung 7 zugeführte zu
erwärmende Wasser übertragen. Auch dies ist durch die gestrichelten Ströme in der
Wärmepumpe 2 dargestellt. Nach dem Wärmeentzug strömt die abgekühlte
Kühlsole wieder zum Wärmetauscher 4, wo sie sich erneut erwärmt etc.
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Das in der Wärmepumpe 2 in einer ersten Erwärmungsstufe erwärmte Wasser
strömt anschließend über die Leitung 8 zum ersten Abgaswärmetauscher. Diesem
wird das aus der Verbrennung des den Verbrennungsmotor 9 antreibenden
Brennstoffs erzeugte heiße Abgas zugeführt. Dem heißen Abgas wird ein Teil
seiner Wärme im Abgaswärmetauscher 5 entzogen und dem Wasser zugeführt, auch
dies ist durch die gestrichelten Ströme wiederum dargestellt. Hier befindet sich die
zweite Erwärmungsstufe der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
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Das auf diese Weise zum zweiten Mal um eine bestimmte Temperaturstufe
erwärmte Wasser strömt anschließend zum Verbrennungsmotor 3, wo es durch
entsprechende Kühlleitungen 9 zirkuliert. Das zu erwärmende Wasser fungiert hier
als Kühlwasser für den Verbrennungsmotor, da dieser aufgrund des
Verbrennungsbetriebs beachtlich heiß wird und zu kühlen ist. Hierbei nimmt das
Kühlwasser in einer dritten Stufe Wärme auf. Über die Auslassleitung 10 wird das nun
erwärmte Wasser abgeführt. Am Kühlwasseraustritt vom Verbrennungsmotor liegt
die volle thermische Leistung des Systems an. Die Ausgangstemperatur wird wie
ausgeführt durch das Thermostat 11 eingestellt. Übliche
Ausgangswassertemperaturen liegen zwischen 50°C-65°C.