DE102012017342A1 - Einzelraumheizung - Google Patents
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Abstract
Für eine Einzelraumheizung wird ein Wärmepumpenkreislauf – bestehend aus Verdampfer (1), Verdichter (2), Kondensator (3) und Expansionsorgan (4) – und Außenluft als Wärmequelle vorgeschlagen, bei dem Verdampfer und Kondensator unterhalb des Fensters (8) außerhalb bzw. innerhalb der Außenwand (7) des zu beheizenden Raumes in einem Wasserspeicher (5 bzw. 6) angeordnet sind. Es findet also eine Direktverdampfung und eine Direktkondensation statt. Die Wärmeaufnahme des äußeren Wasserspeichers und die Wärmeabgabe des inneren Wasserspeichers erfolgt unabhängig von der Laufzeit des Verdichters. Damit verringert sich die Temperaturspanne zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und die Arbeitszahl für die gesamte Heizperiode kann deutlich erhöht werden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Einzelraumheizung mit einer Wärmepumpe und Außenluft als Wärmequelle.
- Wärmepumpen mit Außenluft als Wärmequelle werden als so genannte Luft-Wasser-Wärmepumpen insbesondere für die Beheizung von Wohnhäusern von zahlreichen Herstellern angeboten. Dem Vorteil der leichten Verfügbarkeit von Außenluft steht der Nachteil niedrigerer Jahresarbeitszahlen im Vergleich zu Wärmepumpen mit Wasser oder Erdreich als Wärmequelle gegenüber. Vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) werden seit Beginn dieses Jahres in Bestandsgebäuden effiziente Wärmepumpen gefördert, wenn sie je nach Bauart mindestens folgende Jahresarbeitszahlen erreichen:
- – 3,8 bei Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen in Wohngebäuden
- – 4,0 bei Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen in Nichtwohngebäuden
- – 3,5 bei Luft/Wasser-Wärmepumpen
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einzelraumheizung mit Luft als Wärmequelle zu schaffen, die in Wohn- und Nichtwohngebäuden eingesetzt werden kann und die sich sowohl durch einen einfachen Aufbau und damit niedrige Investitionskosten als auch durch hohe Jahresarbeitszahlen und damit niedrige laufende Kosten auszeichnet.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß Bild 1 sind der Verdampfer
1 außen und der Verdichter2 , der Kondensator3 und das Expansionsorgan4 unmittelbar innen vor der Außenwand7 des zu beheizenden Raumes angeordnet. Sowohl der Verdampfer als auch der Kondensator sind in einem quaderförmigen Wasserbehälter5 bzw.6 mit einer großen Wärmeübertragungsfläche zur Außenluft bzw. Innenluft und einer verhältnismäßig geringen Tiefe (ca. 10 bis 25 cm) angeordnet, wobei dem außen angeordneten Wasserbehälter5 ein Frostschutzmittel zugesetzt ist, so dass das Wasser auch bei tiefen Außentemperaturen stets flüssig bleibt. Es handelt sich bei der vorgeschlagenen Wärmepumpe also um eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe mit Direktverdampfung und Direktkondensation. - Diese Lösung hat folgende Vorteile
- – Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch des Wärmepumpen-Kreislaufes erfolgen in unmittelbarer Nachbarschaft. Außer der Antriebsenergie des Verdichters wird keine weitere Energie benötigt.
- – Wärmeaufnahme des Verdampfers und Wärmeabgabe des Kondensators erfolgen vollkommen unabhängig von der Laufzeit des Verdichters. Dadurch ergibt sich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik eine deutlich kleinere Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur tV und der Kondensationstemperatur tK.
- Für die Auslegung des Wärmepumpen-Kreislaufes gelten folgende Berechnungsgleichungen
QH = qH,-10·AWF·(tR – ta)/(tR + 10) Qi = QH = ki·Ai·(tspK – tR) Qa = QH·(1 – 1/LZW) = ka·Aa·(ta – tspV) QV = f(tK, tV) N = f(tK, tV) QK = QV + N LZK = QV/N LZW = QW/N = LZK + 1 AWPmax = N·τHP AWP = QH/QK·AWPmax = QH/LZW·τHP a = AWP/AWPmax EH = QH·τHP - Dabei bedeuten (siehe auch Bild 2)
- AWP
- Wärmepumpenarbeit
- a
- Ausnutzung der Wärmepumpe
- Aa
- Oberfläche Außenspeicher
- Ai
- Oberfläche Innenspeicher
- AWF
- Wohnfläche
- EH
- Heizenergie in der Heizperiode
- ka
- Wärmedurchgangszahl Außenspeicher
- ki
- Wärmedurchgangszahl Innenspeicher
- LZK
- Kälte-Leistungszahl
- LZW
- Wärme-Leistungszahl
- N
- Verdichterleistung
- QH
- Heizleistung
- Qa
- Wärmeaufnahme Verdampfer-Wasserspeicher
- Qi
- Wärmeabgabe Kondensator-Wasserspeicher
- QK
- Kondensationswärme
- QV
- Verdampfungswärme
- qH,-10
- Spez. Heizleistung bei ta = –10°C und bezogen auf die Wohnfläche (Sie liegt je nach der wärmetechnischen Güte der Außenwand zwischen 20 und 40 W/m2 Wohnfläche)
- ta
- Außenlufttemperatur
- tR
- Raumtemperatur
- tK
- Kondensationstemperatur
- tV
- Verdampfungstemperatur
- tspK
- Wassertemperatur Kondensator-Speicher
- tspV
- Wassertemperatur Verdampfer-Speicher (Die Wärmedurchgangszahl zwischen Wasser und dem verdampfenden bzw. kondensierenden Kältemittel liegt im Bereich von 1000 W/(m2·grd). Damit ist die Temperaturdifferenz zwischen tspK und tK einerseits sowie zwischen tspV und tV anderseits vernachlässigbar im Vergleich zur Temperaturdifferenz zwischen tspK und tR sowie tspV und ta.)
- τHP
- Dauer der jeweiligen Außentemperaturstufe in der Heizperiode (Zugrunde gelegt wird eine Heizperiode von Oktober bis April und eine Heizgrenztemperatur von 12°C)
- Eingesetzt werden können vollhermetische Hubkolbenverdichter, die von wenigen Herstellern in sehr großen Stückzahlen produziert werden und die vollkommen wartungsfrei sind und über 10 und mehr Jahre störungsfrei arbeiten.
- Für ein Berechnungsbeispiel wird der Verdichter SC 12 G des Danfoss-Konzerns gewählt, der folgende Kennwerte hat
Verdampfungstemperatur tV = –35 bis 15°C Kondensationstemperatur tK = 30 bis 60°C Kältemittel R 134a Hubvolumen VHub = 12,87 cm3 Motorleistung N = 315 W - Von Danfoss wird auf seiner Internetseite www.danfoss.com das Berechnungsprogramm „RS + 3” bereitgestellt, mit dem die Abhängigkeit der Kälteleistung QK und der Leistungsaufnahme N in Abhängigkeit von tV und tK für die von Danfoss angebotenen vollhermetischen Hubkolbenverdichter berechnet werden kann.
- Für den ausgewählten Verdichter SC 12 G können diese Werte in Form folgender Potenzreihen wiedergegeben werden
N = 244 + 0,55·tV + 3,9·tK – 0,0075·tV 2 + 0,155·tV·tK in W QK = 1522 + 52,95·tV – 14,3·tK + 0,5375·tV 2-0,295·tV·tK in W - Beispielsweise ergibt sich für tV = 0°C und tK = 30°C
N = 361 W und QK = 1093 W. - Als weitere Werte für das Berechnungsbeispiel werden gewählt
AWF = 20 m2
tR = 20°C
qH = 25 W/m2
Aa = Ai = 4 m2
ka = ki = 10 W/(m2·grd) - Tabelle 1 zeigt die Ergebniswerte in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur. Bei einer Außenlufttemperatur ta von +12°C beträgt die Ausnutzung der Wärmepumpe nur 6,6%, bei einer Außenlufttemperatur von –12°C steigt die Ausnutzung auf 81.8%. Im gesamten Temperaturbereich kann die Raumheizung allein von der Wärmepumpe abgedeckt werden. Die Dauer der Heizperiode beträgt insgesamt 4773 Stunden. Der Heizenergieverbrauch beträgt 1296,1 kWh/HP oder bezogen auf die Wohnfläche 64,8 kWh/HP und die von der Wärmepumpe zu leistende Arbeit beträgt 332,6 kWh/HP. Damit ergibt sich eine Jahresarbeitszahl von 3,90.
- In Tabelle 2 sind die Ergebnisse einiger durchgerechneter Auslegungs-Varianten zusammengestellt. Einen wesentlichen Einfluss hat die Heizleistung qH. Desto schlechter der Wärmeschutz des zu beheizenden Raumes ist, desto kleiner ist die Jahresarbeitszahl. Bei qH = 30 W/m2 und AV = AK = 4 m2 ist die Wärmepumpe in der Temperaturstufe ta = –12°C nicht mehr in der Lage, den Wärmebedarf vollständig zu decken. Es ist dann entsprechend Anspruch 2 sinnvoll, den Verdichter ganz abzuschalten, da während der Stillstandzeit die Verdampfertemperatur wieder ansteigt. Der Wärmebedarf von 12,80 kWh in dieser Temperaturstufe wird komplett von der EDH abgedeckt. Vermeiden kann man dies, indem man eine größere Wärmeübertragungsfläche beim Verdampfer und Kondensator wählt. Voruntersuchungen haben dabei ergeben, dass die besten Ergebnisse erreicht werden, wenn für den Verdampfer und den Kondensator gleich große Flächen gewählt werden.
- Gemäß Anspruch 3 wird die EDH vollkommen unabhängig von dem Wärmepumpen-Kreislauf betrieben. Es können sowohl komfortable – und damit teure – Lösungen, wie Flächenheizungen als Deckenstrahlungs-Fußboden- oder Tapetenheizung, gewählt werden, oder einfache Lösungen von konventionellen Heizlüftern oder Konvektoren bis zu PCT-Heizlüftern oder Wärmewellenstrahlern, um stets die vom Nutzer gewünschte Raumtemperatur zu realisieren.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/waermepumpe [0002]
Claims (3)
- Einzelraumheizung mit einer Wärmepumpe – bestehend aus Verdampfer (
1 ), Verdichter (2 ), Kondensator (3 ) und Expansionsorgan (4 ) – und Außenluft als Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, dass – Verdampfer und Kondensator jeweils in einem quaderförmigen Wasserbehälter (5 bzw.6 ) mit einer im Verhältnis zu Breite und Höhe geringen Tiefe angeordnet sind, wobei dem Wasser in dem den Verdampfer umhüllenden Behälter ein Frostschutzmittel zugesetzt ist, so dass das Wasser auch bei extrem tiefen Außenlufttemperaturen flüssig bleibt – der Kondensator im Brüstungsbereich innen vor der Außenwand (7 ) des zu beheizenden Raumes unterhalb des Fensters (8 ) – anstelle des dort sonst üblichen Plattenheizkörpers – und der Verdampfer außen vor der Außenwand) im Normalfall im Brüstungsbereich unterhalb des Fensters angeordnet ist. - Einzelraumheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe bis zum Bivalenzpunkt allein die Beheizung des Raumes übernimmt und bei Außenlufttemperaturen unterhalb des Bivalenzpunktes die Beheizung des Raumes allein durch eine elektrische Direktheizung (EDH) erfolgt.
- Einzelraumheizung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Direktheizung in der Lage ist, den gesamten Wärmebedarf des Raumes zu decken und vollkommen unabhängig von der Wärmepumpenheizung allein vom Nutzer entsprechend seinen individuellen Wünschen gesteuert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201210017342 DE102012017342A1 (de) | 2012-08-29 | 2012-08-29 | Einzelraumheizung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE201210017342 DE102012017342A1 (de) | 2012-08-29 | 2012-08-29 | Einzelraumheizung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102012017342A1 true DE102012017342A1 (de) | 2014-05-15 |
Family
ID=50555391
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201210017342 Ceased DE102012017342A1 (de) | 2012-08-29 | 2012-08-29 | Einzelraumheizung |
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Country | Link |
---|---|
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10148585A1 (de) * | 2001-10-01 | 2003-04-10 | Inst Luft Kaeltetech Gem Gmbh | Einzelraum-Heizsystem |
DE10257235A1 (de) * | 2001-07-04 | 2004-06-24 | Mehlig, Johannes Georg, Dr.-Ing. | Zweischaliges Fassadenelement zur dezentralen Beheizung und Belüftung von Einzelräumen |
-
2012
- 2012-08-29 DE DE201210017342 patent/DE102012017342A1/de not_active Ceased
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10257235A1 (de) * | 2001-07-04 | 2004-06-24 | Mehlig, Johannes Georg, Dr.-Ing. | Zweischaliges Fassadenelement zur dezentralen Beheizung und Belüftung von Einzelräumen |
DE10148585A1 (de) * | 2001-10-01 | 2003-04-10 | Inst Luft Kaeltetech Gem Gmbh | Einzelraum-Heizsystem |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/waermepumpe |
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