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Die
Erfindung betrifft eine Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung
für eine
Luftwärmepumpenheizung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben
einer Luftwärmepumpenheizung
mit einer Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Es
ist allgemein bekannt, dass Wärmepumpen
als Wärmepumpenheizungen
verwendet werden, um Heizwasser auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
Den Energiebedarf, den eine Wärmepumpe
hierzu benötigt,
deckt diese etwa zu einem Drittel aus dem Strom, den sie aus dem
Stromnetz bezieht und den Rest, also ihren größten Anteil, aus der in der
Natur vorkommenden kostenlosen Wärme. Dies
hat nicht nur den Vorteil, dass die Betriebskosten relativ niedrig
gehalten werden können,
der Betrieb einer Wärmepumpenheizung
ist zudem auch besonders umweltschonend.
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Bekannte
Bauformen der Wärmepumpe,
bei denen ein Arbeitsmedium in einem Kreislauf geführt wird,
sind die Kompressions-Wärmepumpe
und die Absorptions-Wärmepumpe.
Bei der Kompressions-Wärmepumpe
zirkuliert ein Kältemittel
in einem Kreislauf, das angetrieben durch einen Kompressor bzw.
Verdichter, abwechselnd die Aggregatzustände flüssig und gasförmig annimmt.
Absorptionswärmepumpen
haben anstelle eines mechanischen einen thermischen Verdichter und
nutzen den physikalischen Effekt der Reaktionswärme bei Mischung zweier Flüssigkeiten
bzw. Gase. Die Absorptions-Wärmepumpen
verfügen über einen
Lösungsmittelkreis
und einen Kältemittelkreis,
wobei das Lösungsmittel
im Kältemittel
wiederholt gelöst
bzw. ausgetrieben wird.
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Von
entscheidender Bedeutung für
eine Wärmepumpe
ist die Wahl der Wärmequelle,
da die Energieausbeute umso besser ist, je weniger sich die Temperaturen
im Verdampfer und Kondensator unterscheiden, da dann weniger Energie
zugeführt
werden muss. Eine Wärmepumpe
arbeitet daher im Sommer effektiver als im Winter. Die Leistungszahl ε einer Wärmepumpe,
die zu Heizzwecken eingesetzt wird, gibt die abgegebene Heizleistung
im Vergleich zur aufgewendeten elektrischen Antriebsleistung für z. B.
einen Kompressor an. Eine Leistungszahl ε von vier bedeutet somit, dass
das vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare
Wärmeleistung
umgewandelt wird.
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Als
Energiequellen stehen zur Zeit für
Wärmepumpenheizungen
Grundwasser, Erdreich oder Außenluft
zur Verfügung.
Die Energiequellen Grundwasser und Erdreich müssen zur Verlegung von Erdsonden,
Erdkollektoren etc. kostenaufwendig erschlossen werden, können jedoch
aufgrund der relativ konstanten Temperaturen im Erdreich in einiger Meter
Tiefe bzw. im Grundwasser zufriedenstellende Leistungszahlen von über vier
(Erdreich) bzw. sogar von über
fünf (Grundwasser)
erreichen. Demgegenüber
ist eine Luftwärmepumpenheizung
mit Außenluft
als Wärmequelle
wesentlich kostengünstiger,
da hier keine kostenaufwendigen Erschließungs- und Bauarbeiten erforderlich
sind. Die Außenluft
als Wärmequelle
weist jedoch in deutschen Breitengraden sowie in Breitengraden mit
vergleichbaren klimatischen Bedingungen den Nachteil auf, dass die
Temperatur der Außenluft
sowohl im Tagesverlauf als auch im Jahresverlauf sehr großen Schwankungen unterworfen
ist, so dass die Leistungszahl einer derartigen Luftwärmepumpenheizung
gegenüber
den Grundwasser wärmepumpen
und den Erdreichwärmepumpen
eine wesentlich geringere Leistungszahl von circa 2,5 aufweist.
Aufgrund dieser großen
Temperaturschwankungen im Tages- und Jahresverlauf bei Luftwärmepumpenheizungen
werden diese regelmäßig mit
einer Zusatzheizung, z. B. einem elektrischen Heizschwert, kombiniert,
um beim Auftreten von sehr kalten Perioden eine ausreichende Heizversorgung
sicherzustellen. Dieser zusätzliche Stromeinsatz
reduziert nochmals die Leistungszahl einer Luftwärmepumpe.
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Ferner
ist es in der Gebäudetechnik
allgemein bekannt, Solaranlagen zur Warmwasserbereitung bzw. zur
Heizungsunterstützung
zu verwenden. Dazu werden beispielsweise auf einem Hausdach sogenannte
Sonnenkollektoren angeordnet, durch die in Rohrleitungen geführtes Wasser
zirkuliert, das von der von den Sonnenkollektoren aufgenommenen Sonnenenergie
erhitzt wird. Das so erwärmte
Wasser wird dann beispielsweise in als Schichtspeichern ausgebildeten
Wärmespeichern
zwischengespeichert, von dem dann Warmwasser abgezogen werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Luftwärmepumpenheizung
zur Verfügung
zu stellen, mit der auf einfache und kostengünstige sowie umweltfreundliche Art
und Weise ein Luftwärmepumpenheizbetrieb
mit hohen Leistungszahlen durchgeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
der Vorrichtung gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Gemäß Anspruch
1 ist eine Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung
für eine
Luftwärmepumpenheizung
vorgesehen, bei der eine Luft-Wärmetauscheranordnung
als Mehrfach- (im Sinne von wenigstens Dreifach-) Wärmetauscheranordnung ausgebildet
ist, die zusätzlich
von wenigstens einem weiteren wärmeabgebenden
Medium einer weiteren Wärmequelle
durchströmbar
ist, wobei dieses wenigstens weitere wärmeabgebende Medium der Luft und/oder
dem Arbeitsmedium, das vorzugsweise ein Kältemittel ist, Wärme zuführt. Diese
Zuführung
von Wärme
kann in Abhängigkeit
von einer mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer
Luftwärmepumpenheizung
vorgegebenen Betriebsweise erfolgen.
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Mit
einer derartigen erfindungsgemäßen Erweiterung
einer Zweifach-Wärmetauscheranordnung zu
einer wenigstens Dreifach-Wärmetauscheranordnung
(Vierfach-, Fünffach-
etc. Wärmetauscheranordnung)
können
deutlich höhere
Leistungszahlen einer Luftwärmepumpenheizung
erzielt werden, da hierdurch ein Verdampfer zur Verfügung gestellt
wird, bei dem in Abhängigkeit
von vorgegebenen Betriebszuständen
die Luft und/oder das Arbeitsmedium zusätzlich erwärmt werden können, wodurch
sich die Verdampfungstemperatur insgesamt erhöht, was sich wiederum auf die
Stromaufnahme der Wärmepumpe
insgesamt positiv auswirken kann, d. h., dass weniger Stromaufnahme
erforderlich ist. So kann beispielsweise gemäß einer ersten Betriebsweise
eine angesaugte Außenluft
durch das zusätzliche
weitere wärmeabgebende
Medium vorgewärmt
werden, bevor die angesaugte Außenluft
auf das Arbeitsmedium „trifft", wie dies bereits
zuvor geschildert worden ist. Alternativ dazu kann z. B. in Abhängigkeit
von bestimmten vorgegebenen Betriebsparametern einer Luftwärmepumpenheizung
aber auch vorgesehen sein, dass die z. B. angesaugte Außenluft
einzig und allein durch das weitere wärmeabgebende Medium verdampft
wird, wodurch sogar zusätzlich
die Antriebsenergie eines Ventilators bzw. Lüfters eingespart werden kann.
Selbstverständlich
ist auch in Abhängigkeit
von dem jeweils konkret herrschenden Betriebsbedingungen eine Kombination
dergestalt möglich,
dass von dem zusätzlichen
wärmeabgebenden
Medium sowohl die Luft als auch das Arbeitsmedium erwärmt wird,
was sich ebenfalls positiv auf den Verdampfungsvorgang und damit
die aufzuwendende Energie im Wärmepumpenbetrieb
auswirkt.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt darin, dass hierdurch auch eine hervorragende Enteisung der Verdampfungsvorrichtung,
z. B. in Verbindung mit einer Solaranlage als das weitere wärmeabgebende
Medium zur Verfügung
stellende weitere Wärmequelle,
bewirkt werden kann. So kann sich z. B. bei Verdampfertemperaturen
um 0°C Eis
bilden. Dieses Eis wird bei herkömmlichen
Zweifach-Luft-Wärmetauscheranordnungen
durch eine kurzzeitige Umkehr des Kältekreislaufes beseitigt, was
den Einsatz von elektrischer Energie erfordert und damit sehr kostenaufwendig
ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann dagegen dieser Abtauvorgang durch die Solaranlage selbst bzw.
die Solarkollektoren ausgeführt
werden, und zwar bereits bei Kollektortemperaturen, die wenig über 0°C liegen.
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Insgesamt
kann mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Luftwärmepumpenheizung
mit ausreichend hohen Leistungszahlen zur Verfügung gestellt werden, wobei
zudem die Anlagekosten trotz des Vorsehens einer weiteren Wärmequelle
zur Bereitstellung eines weiteren wärmeabgebenden Mediums, z. B.
in Form einer Solaranlage, deutlich niedriger sind als bei vergleichbare
Leistungszahlen aufweisenden Erdreich- oder Grundwasserwärmepumpen.
Zudem wird das Problem der Verdampfervereisung wesentlich besser
gelöst.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung ist die Mehrfach-Wärmetauscheranordnung
als Dreifach-Wärmetauscheranordnung
ausgebildet, die von der Luft als erster Wärmequelle, dem Arbeitsmedium
und einem einzigen weiteren wärmeabgebenden
Medium der zweiten Wärmequelle
durchströmt
ist. Dadurch wird insgesamt ein kompakter und für die gewünscht hohen Leistungszahlen
auch konstruktiv einfacher Aufbau zur Verfügung gestellt.
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Konkret
kann das Arbeitsmedium hier in einem rohrbündelartigen ersten Rohrregister
und das weitere wärmeabgebende
Medium in einem zweiten, rohrbündelartigen
Rohrregister geführt
sein, wobei dieses erste und/oder zweite Rohrregister je nach konkretem
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dann auch mehr oder weniger von der angesaugten Luft umströmt werden
können.
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Um
eine gute und effektive Vorerwärmung
eines angesaugten Luftstroms zu erzielen, ist gemäß einer
besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung vorgesehen, dass das
das weitere wärmeabgebende
Medium führende
zweite Rohrregister strömungstechnisch
gesehen vor dem das Arbeitsmedium führenden ersten Rohrregister
angeordnet ist. Diese beiden Rohrregister können zudem für eine sehr
gute Wärmeübertragung
zwischen den einzelnen Medien in ein Lamellenpaket aus einer Vielzahl von
einzelnen und voneinander beabstandeten Lamellen integriert sein.
Das Lamellenpaket selbst kann z. B. aus einem Kupfermaterial oder
aber auch aus einem Aluminiummaterial hergestellt sein. Das Arbeitsmedium
und das zusätzliche
wärmeabgebende
Medium, z. B. eine von einer Solaranlage vorgewärmte Flüssigkeit, können dabei im Gleichstrom oder
aber auch im Gegenstrom geführt
sein. Insgesamt wird dadurch eine kompakte, in eine einzige Baueinheit
integrierte Verdampfungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. In diese Baueinheit
kann zudem auch eine Lüfter-
bzw. Ventilatoreinrichtung integriert sein, mittels der ein gerichteter
Luftstrom durch die Mehrfach-Wärmetauscheranordnung
erzeugt werden kann. Diese Ventilatoreinrichtung ist bevorzugt so
bezüglich
der beiden Rohrregister angeordnet, dass die von der Ventilatoreinrichtung
angesaugte Luft in einer vorgegebenen Luftstromrichtung die Rohrregister
umströmt.
Um bestimmte in Abhängigkeit
von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Luftwärmepumpenheizung
vorgebbare Betriebszustände
realisieren zu können,
ist diese Ventilatoreinrichtung auch abschaltbar ausgebildet, so
dass, wie dies bereits zuvor erörtert
worden ist, ggf. auch eine Verdampfung des Arbeitsmediums alleine
durch das zusätzliche
wärmeabgebende
Medium erfolgen kann.
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Grundsätzlich kann
die Lüfter-
bzw. Ventilatoreinrichtung auch als separates Bauteil zusätzlich zu
den in eine Baueinheit integrierten Rohrregistern vor gesehen sein.
Ebenso ist selbstverständlich
auch eine Wärmetauscheranordnung
möglich,
bei der sämtliche
Medien, d. h. Luft, Arbeitsmedium und zusätzliches wärmeabgebendes Medium, in separaten Baueinheiten
geführt
sind, solange nur eine effiziente Wärmeübertragung zwischen den Baueinheiten
sichergestellt ist.
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Wie
bereits zuvor erörtert,
ist das weitere bzw. zusätzliche
wärmeabgebende
Medium bevorzugt eine von einer Solaranlage als weiterer Wärmequelle
kommende, vorzugsweise auf eine bestimmte vorgebbare Temperatur
erwärmte
Flüssigkeit.
Grundsätzlich
kann das weitere wärmeabgebende
Medium aber auch eine von einem Erdwärmekollektor oder einer Erdwärmesonde
oder einer Grundwassersonde kommende Flüssigkeit sein. Es versteht
sich von selbst, dass das zusätzliche
wärmeabgebende
Medium stets eine solche Temperatur aufzuweisen hat, das je nach
der jeweiligen Betriebsart der Luftwärmepumpenheizung ein Wärmeübergang
von diesem zusätzlichen
wärmeabgebenden
Medium auf die angesaugte Luft und/oder das Arbeitsmedium möglich ist.
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Besonders
kostengünstig
und einfach ist eine derartige Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung in eine Kompressions-Luftwärmepumpenheizung
zu integrieren, die wenigstens einen Kompressor und wenigstens ein
Expansionsorgan aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird bezüglich
des Verfahrens gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Die
Vorteile die sich durch eine derartige erfindungsgemäße Verfahrensführung ergeben,
wurden zuvor bereits ausführlich
in Verbindung mit der Vorrichtung erläutert, so dass an dieser Stelle
hierauf zur Vermeidung unnötiger
Wiederholungen nicht mehr näher
eingegangen wird. Weitere vorteilhafte Verfahrensführungen
sind Bestandteil der Unteransprüche.
Gemäß einer
dort beanspruchten, besonders bevorzugten Verfahrensführung wird
von einer Solaranlage als weiterer Wärmequelle ein das weitere bzw.
zusätzliche
wärmeabgebende
Medium ausbildender Flüssigkeitsstrom
zur Dreifach-Wärmetauscheranordnung
geleitet, der vorzugsweise von einem zu einem Puffer- oder Schichtspeicher
geführten,
erwärmten
Flüssigkeitsstrom
abgezweigt wird. Die hohen Temperaturen der Solaranlage können aber
auch über
ein Umschaltventil im Solarkreis direkt an den Puffer- oder Warmwasserspeicher
abgegeben werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sowie mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung lassen
sich sowohl Kompressionswärmepumpen
als auch Absorptionswärmepumpen
mit Luft als Wärmequelle
in effektiver Weise funktionssicher betreiben, insbesondere in Verbindung
mit einer Gebäudeheizung
oder einer Warmwasserbereitung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein Verfahrensfließbild einer
Luftwärmepumpenheizung
mit einer erfindungsgemäßen Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung,
und
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2 schematisch
ein Querschnitt entlang der Linie A-A der 1 durch
die erfindungsgemäße Luftwärmepumpen-Verdampfungsvorrichtung.
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Wie
dies der 1 zu entnehmen ist, ist bei einer
Luftwärmepumpenheizung 1 ein
Kältemittel
als Arbeitsmedium in einem Kältemitte-Kreislauf 2 geführt. In
diesen hier lediglich schematisch und beispielhaft gezeigten Kältemittelkreislauf,
ist ein beispielsweise mittels einem Elektromotor, der hier nicht gezeigt
ist, angetriebener Verdichter 3 angeordnet, dem stromab
ein Kondensator 4 nachgeschaltet ist.
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Stromab
des Kondensators 4 ist im Kältemittel-Kreislauf 2 ein
Expansionsventil 5 angeordnet, dem stromabwärts wiederum
ein Dreifach-Wärmetauscher 6 als
Luftwärmepumpen-Verdampfer
nachgeschaltet ist.
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Dem
Dreifach-Wärmetauscher 6 ist
ein Lüfter 7 zugeordnet,
mittels dem Außenluft
durch den Dreifach-Wärmetauscher 6 hindurch
angesaugt werden kann, wie dies in der 1 lediglich
schematisch durch die beiden Luftpfeile 8 eingezeichnet
ist.
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Wie
dies insbesondere auch der 2, die einen
Schnitt entlang der Linie A-A der 1 zeigt, entnommen
werden kann, weist der Dreifach-Wärmetauscher 6 lüfterseitig
ein Kältemittel-Rohrregister 9 auf,
das in Luftstromrichtung gesehen hinter einem Solarflüssigkeits-Rohrregister 10 angeordnet
ist, wobei die beiden Rohrregister 9, 10 in einem
aus einem Kupfermaterial oder einem Aluminiummaterial aufgebauten
Lamellenpaket 11 in an sich bekannter Weise zu einer Baueinheit
zusammengefasst sind. Zur leichteren Unterscheidung der beiden Rohrregister 9, 10 ist
in der 2 eine strichlierte „Trennlinie" eingezeichnet.
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Die
beiden Rohrregister 9, 10 werden im Gleichstrom
durchströmt,
wie dies der 1 entnommen werden kann und
gleichzeitig von der Außenluft, dargestellt
durch die Luftpfeile 8, umströmt.
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Das
Solarflüssigkeits-Rohrregister 10 wird von
einer Solarflüssigkeit
durchströmt,
die als Teilstrom 12 von einem von einer z. B. auf dem
Dach eines hier nicht dargestellten Gebäudes angeordneten Solaranlage 13 erwärmten Wasserstrom 14 abgezogen
wird. Das mittels der Solaranlage 13 erwärmte Wasser
wird in einen Schichtspeicher 15 eingespeichert, von dem
ein Rücklauf 16 wiederum
zur Solaranlage 13 geführt
ist. In diesen Rücklauf 16 wird
auch wieder der den Dreifach-Wärmetauscher 6 durchströmende Teilstrom 12 eingespeist.
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Weiter
ist, wie dies der 1 entnommen werden kann, vom
Schichtspeicher 15 ausgehend ein Wasser-Rücklauf 17 zum
Kondensator 4 geführt, wo
das abgekühlte
Wasser wieder erwärmt
und als Vorlauf 18 zum Schichtspeicher zurückgeführt und dort
eingespeichert wird. Ein Teilstrom dieses Vorlaufs 18 kann
auch direkt in eine Gebäudeheizung,
z. B. eine Fußbodenheizung 19 geleitet
werden.
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Ein
Rücklauf 20 von
dieser Fußbodenheizung
kann, wie dies hier lediglich beispielhaft dargestellt ist, in den
Rücklauf 17 vom
Schichtspeicher 15 zum Kondensator 4 eingespeist
werden.
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Wie
der 1 weiter entnommen werden kann, können vom
Schichtspeicher 15 ausgehend auch Warmwasser bzw. Kaltwasser
zu einer Mischarmatur einer z. B. Dusche 21 geführt werden,
worauf aber hier nicht mehr im Detail näher eingegangen wird.
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Durch
den von der Solaranlage 13 erwärmten und in Richtung zum Dreifach-Wärmetauscher 6 hin
abgezweigten Teilstrom 12, der das Solarflüssigkeits-Rohrregister 10 durchströmt, wird
sowohl der von dem Lüfter 7 angesaugte
Luftstrom 8 an Außenluft
vorerwärmt
bzw. findet auch ein Wärmeeintrag über das
Lamellenpaket in das Kältemittel-Rohrregister 9 statt,
so dass durch den vorerwärmten
Außenluft-Luftstrom
und den Wärmeeintrag
in das Kältemittel-Rohrregister 9 eine
effektive Verdampfung des Kältemittels
in diesem Dreifach-Wärmetauscher 6 erfolgt,
das anschließend
im Verdichter 3 mit relativ wenig Stromaufnahme auf einen
hohen Druck verdichtet werden kann. Das nach dem Verdichter eine
hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisende Kältemittel 2 wird
dann anschließend
im Kondensator 4 unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt sowie
anschließend
im Expansionsventil 5 entspannt, so dass das Kältemittel 2 wieder
im flüssigen
Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur zum Verdampfer
bzw. Dreifach-Wärmetauscher 6 geführt wird.
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Mit
einer derartigen Verfahrensführung
in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Dreifach-Wärmetauscher 6 lässt sich
somit eine „Solarwärmepumpenheizung" mit hohen Leistungszahlen im
Bereich von größer 3,5
betreiben.