DE10116573A1

DE10116573A1 - Heizungseinrichtung zum Erwärmen von Heiz- und/oder Brauchwasser

Info

Publication number: DE10116573A1
Application number: DE10116573A
Authority: DE
Inventors: Franz Malz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Heizungseinrichtung zum Erwärmen von Heiz- und/oder Brauchwasser, mit einer Wärmepumpe (2) mit zugeordnetem Wärmetauscher (4) zum Zirkulieren eines Kühlmediums und einem die Wärmepumpe (2) antreibenden Verbrennungsmotor (3), dem ein mit Verbrennungsabgas beaufschlagbarer Abgaswärmetauscher (5) zugeordnet ist, wobei das zu erwärmende Wasser zur Wärmeaufnahme der Wärmepumpe (2), dem Abgaswärmetauscher (5) und dem Verbrennungsmotor (3), wo es gleichzeitig als Kühlwasser dient, zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungseinrichtung zum Erwärmen von Heiz- und/oder Brauchwasser.
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.
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.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Alternative zu den bekannten Heizeinrichtungen anzugeben, die hinsichtlich des Brennmittelverbrauchs verbessert ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

1. Heizungseinrichtung zum Erwärmen von Heiz- und/oder Brauchwasser, mit einer Wärmepumpe (2) mit zugeordnetem Wärmetauscher (4) zum Zirkulieren eines Kühlmediums und einem die Wärmepumpe (2) antreibenden Verbrennungsmotor (3), dem ein mit Verbrennungsabgas beaufschlagbarer Abgaswärmetauscher (5) zugeordnet ist, wobei das zu erwärmende Wasser zur Wärmeaufnahme der Wärmepumpe (2), dem Abgaswärmetauscher (5) und dem Verbrennungsmotor (3), wo es gleichzeitig als Kühlwasser dient, zugeführt wird.

2. Heizungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Flußrichtung des Wassers die Wärmepumpe (2) dem Abgaswärmetauscher (5) und dieser wiederum dem Verbrennungsmotor (3) vorgeschaltet ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein bezogen auf die Abgasströmungsrichtung dem ersten Abgaswärmetauscher (5) nachgeschalteter zweiter Abgaswärmetauscher (6) vorgesehen ist, dem das Kühlmedium zugeführt wird.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgaswärmetauscher (6) der Wärmepumpe (2) bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmediums vorgeschaltet ist.

5. Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein die Wassertemperatur des erwärmten und/oder des zu erwärmenden Wassers erfassendes Thermostat (11) vorgesehen ist, wobei der Betrieb des Verbrennungsmotors (3) in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses regelbar ist.

6. Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Wärmepumpe (2) zugeordnete Wärmetauscher (4) ein Erdwärmetauscher oder ein Luftwärmetauscher ist.

7. Heizeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium eine Kühlsole ist.

8. 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 beaufschlagten 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.