DE102016117545A1

DE102016117545A1 - Wärmespeicherheizungsanlage und Verfahren dazu

Info

Publication number: DE102016117545A1
Application number: DE102016117545.5A
Authority: DE
Inventors: Carl Heinrich Schmitt; Dr. Sonnekalb Michael
Original assignee: K O N V E K T A und Co KG Spezialwerk fur Fahrzeugkuehlung U GmbH; K O N V E K T A und Co Spezialwerk fur Fahrzeugkuehlung und Klimatisierung GmbH KG
Current assignee: Konvekta AG
Priority date: 2016-09-17
Filing date: 2016-09-17
Publication date: 2018-03-22
Also published as: WO2018050139A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage (1) für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug mit wenigstens einem Wärmespeicher (9) und wenigstens einer Heizeinrichtung (3) mit wenigstens einem Wärmetauscher (5), wobei die wenigstens eine Heizeinrichtung (3) zumindest an den wenigstens einen Wärmespeicher (9) thermisch gekoppelt ist und wobei das Wärmemedium des wenigstens einen Wärmespeichers (9) Wasser als wenigstens überwiegenden Bestandteil umfasst und die Heizungsanlage (1) wenigstens eine elektrisch betreibbare Heizung, um Wärme dem Wärmemedium in zumindest einem (9) des wenigstens einen Wärmespeichers (9) zuzuführen, umfasst. Damit kann auf einfache und kostengünstige Weise ohne viel zusätzliches Gewicht Wärme gespeichert und zum Heizen eines solchen Fahrzeugs verwendet werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Wärmespeicherung und das Heizen mit einer derartigen Heizungsanlage (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug mit wenigstens einem Wärmespeicher und wenigstens einer Heizeinrichtung mit wenigstens einem Wärmetauscher, wobei die wenigstens eine Heizeinrichtung zumindest an den wenigstens einen Wärmespeicher thermisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für die Wärmespeicherung und Heizung mit einer derartigen Heizungsanlage. Ein elektrisch antreibbares Fahrzeug verfügt über zumindest einen elektrisch betreibbaren Antrieb. Ein teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug, wie insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug (HEV = Hybride Electric Vehicle oder PHEV = Plug-in Hybride Electric Vehicle), verfügt als Antriebsart nicht nur über einen elektrisch betreibbaren Antrieb.
Die wenigstens eine Heizeinrichtung der Heizungsanlage ist mit ihrem wenigstens einen Wärmetauscher insbesondere zum Heizen des Innenraums, wie beispielsweise des Fahrgastraums, eines zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vorgesehen. Ein solches Fahrzeug ist zum Beispiel ein Hybrid-Fahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug. Vor allem bei reinen Elektrofahrzeugen verbraucht bei Kälte die Heizungsanlage viel Energie aus dem elektrisch aufladbaren Energiespeicher, was auf Kosten der Reichweite für den Elektrobetrieb des Fahrzeugs geht. Ein Wärmespeicher der Heizungsanlage entlastet durch die in ihm speicherbare Wärme den Energiespeicher.
Bekannt sind Heizungsanlagen für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug mit wenigstens einem Wärmespeicher. So ist in DE 10 2009 022 300 A1 ein derartiges Fahrzeug mit einer Heizungsanlage zur Heizung des Fahrgastinnenraums mit an die Heizeinrichtung thermisch gekoppelten Wärmespeicher insbesondere Latentwärmespeicher offenbart, wobei der Wärmespeicher Verlustwärme von zumindest einer Komponente des Fahrzeugs über einen Kühlkreislauf übertragen speichert und nach einer Ausführungsform auch noch eine aus dem Energieversorgungsnetz speisbare Zusatzheizung, mit deren Betrieb die in den Wärmespeicher einzutragende Energie erhöhbar ist, umfasst. Auch in DE 10 2009 034 223 A1 wird unter anderem eine Heizungsanlage für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit insbesondere über eine externe Energiezufuhr aufladbaren Latentwärmespeicher offenbart. Als Wärmemedium eines üblichen Latentwärmespeichers werden Phasen-Wechsel-Materialien wie Paraffin oder Wachs mit Schmelztemperaturen um 60 bis 80 Grad Celsius verwendet, die zwar eine thermische Speicherkapazität von etwa 67 Wattstunden pro Kilogramm erreichen können, aber dennoch mit ungefähr 10 bis 20 Euro pro Kilogramm relativ teuer sind. Die thermische Speicherkapazität lässt sich dabei durch einfache Mittel nur wenig erhöhen.
Der Erfindung liegt daher die erste Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Heizungsanlage für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug mit wenigstens einem Wärmespeicher und wenigstens einer Heizeinrichtung mit wenigstens einem Wärmetauscher bereitzustellen.
Entsprechende zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Aufgaben sind zweitens ein Wärmespeicher für eine derartige Heizungsanlage, drittens eine Heizeinrichtung für eine derartige Heizungsanlage, viertens eine Wärmepumpe für eine derartige Heizungsanlage, fünftens ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit einer derartigen Heizungsanlage und sechstens ein Verfahren für die Wärmespeicherung und das Heizen mit einer derartigen Heizungsanlage bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erste Aufgabe wird durch eine Heizungsanlage gemäß den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass die Heizungsanlage für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug mit wenigstens einem Wärmespeicher und wenigstens einer Heizeinrichtung mit wenigstens einem Wärmetauscher, wobei die wenigstens eine Heizeinrichtung zumindest an den wenigstens einen Wärmespeicher thermisch gekoppelt ist, wenigstens eine elektrisch betreibbare Heizung, um dem Wärmemedium in zumindest einem des wenigstens einen Wärmespeichers Wärme zuzuführen, umfasst und das Wärmemedium des wenigstens einen Wärmespeichers Wasser als wenigstens überwiegenden Bestandteil umfasst, wird die erste Aufgabe gelöst. Dabei bedeutet Wasser als wenigstens überwiegender Bestandteil des Wärmemediums, dass der Masseanteil von Wasser beim Wärmemedium über 50 Prozent beträgt. So sind beispielweise neben Wasser auch entsprechende Mischungen von Wasser und Glykol oder wässrige Salzlösungen als Wärmemedium denkbar. Die thermische Kopplung der Heizeinrichtung an den wenigstens einen Wärmespeicher braucht nicht direkt durch zum Beispiel Austausch von Wärmemedium zu erfolgen, sondern darunter ist auch eine indirekte thermische Kopplung über einen zwischengeschalteten Kreislauf, wie beispielsweise einen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe, zu verstehen. Neben der elektrisch beheizbaren Heizung sind zusätzlich noch andere Wärmequellen zur Zuführung von Wärme zum Wärmemedium möglich wie insbesondere Abwärme von anderen Komponenten des Fahrzeugs wie beispielsweise dem Antriebsmotor.
Die erfindungsgemäße Heizungsanlage ist vor allem aufgrund des kostengünstigen Wärmemediums von Vorteil. Einem solchen Wärmemedium lässt sich problemlos mit einer elektrisch betreibbaren Heizung Wärme zuführen. Ferner ist die thermische Speicherkapazität des Wärmemediums bei Erwärmung von 50 auf 100 Grad Celsius Betriebstemperatur mit zumindest ungefähr 58 Wattstunden pro Kilogramm bei zum Beispiel Wasser ausreichend hoch, wobei diese mit einfachen Mitteln wie beispielsweise höherem Druck deutlich erhöhbar ist. Außerdem ist das Wärmemedium einfach zu handhaben und nicht gesundheitsschädlich.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Wärmemedium des wenigstens einen Wärmespeichers Wasser. Wasser ist als Wärmemedium einfach zu handhaben, besonders kostengünstig, nicht gesundheitsschädlich und verfügt dennoch im Vergleich zu Mischungen wie zum Beispiels einer wässrigen Salzlösung oder einem Wasser-Glykol-Gemisch über eine höhere spezifische thermische Speicherkapazität. Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von 4,2 kJ/kgK und einen Normalsiedepunkt von 100 Grad Celsius.
Vorzugsweise ist zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers für mit Überdruck beaufschlagtes Wärmemediums ausgebildet. Durch die Druckerhöhung des Wärmemediums insbesondere aufgrund der wegen der Erhöhung des Siedepunktes höheren möglichen Betreibstemperaturen lässt sich eine deutlich höhere thermische Speicherkapazität des überwiegend aus Wasser bestehenden Wärmemediums, wie vor allem bei reinem Wasser, erreichen. Das Wasser kann durch die Erwärmung auf höhere Temperaturen mehr Wärme aufnehmen, wobei sogar die spezifische Wärmekapazität von Wasser hin zu höheren Temperaturen leicht ansteigt. So beträgt sie bei 170 Grad Celsius 4,4 kJ/kgK. Ab 100 Grad Celsius verdampft etwas Wasser und bei gegebenen Volumen und ausreichender Druckfestigkeit des Wärmespeichers steigt der Druck im Wärmespeicher an. Mit dem Druck steigt wiederum die Siedetemperatur am. Bei einem Überdruck von 3 bar beträgt die Siedetemperatur etwa 144 Grad Celsius, bei 7 bar Überdruck bereits 170 Grad Celsius. Dadurch lässt sich mehr Wärme pro Kilogramm Wasser speichern, was zu geringerem Gewicht des gefüllten Wärmespeichers beziehungsweise zu mehr im Wärmespeicher speicherbarer Energie führt. Besonders vorteilhaft ist ein Wärmespeicher, der für mit einem Überdruck im Bereich von 3 bis 7 bar beaufschlagtes Wärmemedium ausgebildet ist. In diesem Druckbereich lässt sich die thermische Speicherkapazität von Wasser besonders effektiv erhöhen. So ist in diesem Druckbereich bei genügend hohem Überdruck allein deswegen ungefähr eine Verdopplung der thermischen Speicherkapazität des Wassers möglich. Insbesondere bei einem Wärmespeicher, bei dem das überwiegend aus Wasser bestehende Wärmemedium mit einem Überdruck im Bereich von 4,5 bis 5,5 bar beaufschlagbar ist, lässt sich eine derartige Heizungsanlage mit relativ geringer Menge an Wärmemedium effektiv betreiben, ohne dass der Wärmespeicher besonders druckfest für Überdrücke von mehr als 5,5 bar ausgelegt sein muss.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die wenigstens eine elektrisch betreibbare Heizung zum Zuführen von Wärme in das Wärmemedium in zumindest einem des wenigstens einen Wärmespeichers über einen anschließbaren Stromanschluss extern mit Strom versorgbar. Somit braucht nicht vom fahrzeuginternen Energiespeicher diese Heizung elektrisch betrieben zu werden, sondern der Wärmespeicher kann über eine anschließbare externe Stromversorgung mittels der elektrisch betreibbaren Heizung mit Wärme aufgeladen werden. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Heizungsanlage derart ausgebildet, dass die externe Stromversorgung für die wenigstens eine Heizung zum Zuführen von Wärme in das Wärmemedium in zumindest einem des wenigstens einen Wärmespeichers über eine Schnellladestation durchführbar ist. Damit kann besonders schnell beispielsweise parallel zur Aufladung der Batterie für den Antrieb des Fahrzeugs der Wärmespeicher mit Wärme aufgeladen werden. Dadurch ist vorteilhaft die Zeitspanne für das externe Aufladen des wenigstens einen Wärmespeichers im Vergleich zur späteren Heizdauer im vorgesehenen Fahrzeug erheblich kürzer. So kann parallel zur Zeitspanne für die Schnellladung der Batterie für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs in ungefähr der gleichen Zeitspanne auch der wenigstens eine Wärmespeichers mit ausreichend Wärme zum Heizen des Fahrzeugs aufgeladen werden.
Die Nennheizleistung für ein Fahrzeug berechnet sich beispielhaft wie folgt:
Es wird eine CO₂-Konzentration im Innenraum von nicht mehr als 1500 ppm angestrebt. Dazu ist eine Frischluftmenge von 15 m³/h je Person erforderlich. Bei einem Temperaturunterschied von 20 K zwischen der Innenraumluft und der Umgebungsluft würden dabei 15m³/h / 3600s/h·1,2kg/m³·1000J/kgK·20K = 100W
Wärme dem Fahrzeug je Person entzogen. Dies entspricht aber auch ungefähr der Wärmeabgabe der sitzenden Person. Zur Aufrechterhaltung eines Temperaturunterschieds von 20 K, also z.B. innen +20°C und außen 0°C, muss daher die Wärmetransmission durch die Fahrzeugwand ausgeglichen werden. Bei einem 12m langen Bus beträgt die Oberfläche etwa 150 m2 und die Isolierung etwa 3,4 W/m2K Damit ergibt sich eine Wärmetransmission von ungefähr 10000 W. Diese ist die Nennheizleistung für dieses Fahrzeug.
Bei einem kleinerem Fahrzeug (PKW) mit nur 26,5 m2 Oberfläche und bedingt durch die größeren Fenster einer etwas schlechteren Isolation von 4 W/m2K ist die Nennheizleistung etwa 2100 W.
Von Vorteil ist eine erfindungsgemäße Heizungsanlage, bei der ihre thermische Ladekapazität größer gleich der Nennheizleistung eines für die Heizungsanlage vorgesehenen Fahrzeugs für einen Zeitraum von einer halben Stunde, bevorzugt einer Stunde bis maximal zwei Stunden ist. Damit ist für den täglichen Betrieb eines solchen Fahrzeugs zur effektiven Entlastung der Batterie für den Fahrzeugantrieb ausreichend thermische Ladekapazität zum Heizen vorhanden, ohne dass mit dem zumindest einen Wärmespeicher zu viel Masse mitgeführt werden muss.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die thermische Kopplung von zumindest einem des wenigstens einen Wärmespeichers und der wenigstens einen Heizeinrichtung direkt über Austausch von Wärmemedium eingerichtet. Somit dient das Wärmemedium direkt über den Wärmetauscher der Heizeinrichtung dem Heizen des Innenraums des Fahrzeugs. Dieses spart Energie, Material sowie Kosten und ist eine einfache Lösung für die Übertragung der Wärme aus dem Wärmespeicher. Beispielsweise kann in der Heizungsanlage mittels einer regelbaren Pumpe der Austausch des Wärmemediums zwischen Wärmespeicher und Heizeinrichtung erfolgen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung speichert zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers sensible Wärme und ist mit einer Temperatur für das Wärmemedium innerhalb eines Temperaturbereichs von über 50 Grad Celsius bis zumindest 144 Grad Celsius, bevorzugt bis 170 Grad Celsius, betreibbar. Durch diese höhen Betriebstemperaturen ist die thermische Speicherkapazität deutlich erhöht. So kann bis 144 Grad Celsius Wasser im flüssigen Zustand bei einem Überdruck von mindestens 3 bar noch als Wärmemedium verwendet werden. Für flüssiges Wasser ist bei bis 155 Grad Celsius ein Überdruck von 4,5 bar notwendig und bei bis 162 Grad Celsius ist ein Überdruck von 5,5 bar für flüssiges Wasser erforderlich. Bei 170 Grad Celsius ist für noch flüssiges Wasser als Wärmemedium ein Überdruck von sogar 7 bar notwendig, was jedoch eine hohe thermische Speicherkapazität von über 116 Wattstunden pro Kilogramm für eine Erwärmung von 50 Grad Celsius auf 170 Grad Celsius bei trotzdem noch geringen Kosten im Vergleich zu beispielsweise einem Paraffinwärmespeicher oder einer Lithium-Ionen-Batterie ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Heizungsanlage zusätzlich mindestens eine zumindest einen Verdichter sowie zumindest ein Entspannungsorgan umfassende Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe an die wenigstens eine Heizeinrichtung und/oder zumindest einen des wenigstens einen Wärmespeichers thermisch gekoppelt ist. Mit einer derartigen Wärmepumpe lässt sich die Heizleistung der Heizungsanlage effektiv erhöhen. Mit einer Wärmepumpe kann ein Vielfaches der für die Wärmepumpe eingesetzten elektrischen Leistung der Wärmequelle, wie dem Wärmespeicher oder der Umgebung, entzogen werden und auf ein höheres Temperaturniveau für die Heizeinrichtung gehoben werden. Mit Hilfe einer Wärmepumpe ist eine sehr hohe thermische Speicherkapazität von 320 Wattstunden pro Kilogramm Wärmemedium möglich. So erreicht man mit wenig zusätzlicher Masse und relativ geringem Energieaufwand eine große Heizdauer für den Fahrzeuginnenraum. Ferner sind die Kosten im Vergleich zu einer Heizung allein über eine entsprechend vergrößerte Lithium-Ionen-Batterie deutlich geringer.
Verzugsweise ist zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers auch als kälteseitiger Wärmetauscher der wenigstens einen Wärmepumpe ausgebildet und an diese thermisch gekoppelt. So kann dem Wärmemedium im Wärmespeicher auf einfache Weise besonders effektiv bis hin zu sonst nicht erreichbar tiefen Temperaturen viel Wärme für das Heizen des Fahrzeuginnenraums entzogen werden, was somit die thermische Speicherkapazität erhöht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die wenigstens eine Wärmepumpe der Heizungsanlage wärmeseitig mittels eines Wärmetauschers, wie insbesondere eines Warmwasserwärmetauschers, an die wenigstens eine Heizeinrichtung der Heizungsanlage über Austausch von Wärmemedium vom Wärmetauscher zum Wärmetauscher der Heizeinrichtung thermisch gekoppelt. Damit ist die Wärmeübertragung von der Wärmepumpe an die Heizeinrichtung für das Heizen des Fahrzeuginnenraums besonders effektiv. Die Effektivität lässt sich durch einen Wärmetauscher, der auch ein Wärmespeicher des wenigstens einen Wärmespeichers ist, und wobei er für mit Überdruck beaufschlagtes Wärmemedium ausgebildet ist, weiter steigern.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizungsanlage ist zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers geeignet, sensible und latente Wärme des Wärmemediums zu speichern, wie insbesondere als Eisspeicher, und ist derart ausgebildet, dass er mit einer Temperatur für das Wärmemedium innerhalbe eines Temperaturbereichs von –5 Grad Celsius bis 50 Grad Celsius betreibbar ist. Damit ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der Wärmetauscher nicht auch für tiefere und/oder höhere Temperaturen betreibbar sein kann.
Es kann somit auch latente Wärme im Wärmemedium wie insbesondere beim Phasenübergang von Eis zu Wasser gespeichert werden, was die thermische Speicherkapazität deutlich erhöht und damit die Masse von Wärmemedium bei gleicher Heizdauer für den Fahrzeuginnenraum wesentlich verringert. Insbesondere durch Einsatz einer eingebauten Wärmepumpe lässt sich in der Heizungsanlage mit einem Eisspeicher als an die Kälteseite der Wärmepumpe thermisch gekoppelten Wärmespeicher arbeiten. Die extern mit Strom versorgbare elektrische Heizung taut beim Ladevorgang das durch die Wärmepumpe gefrorene Eis im Wärmespeicher dann wieder zu flüssigem Wasser als Wärmemedium auf, wobei latente Wärme vom Wärmemedium neben der sensiblen Wärme durch Erhitzung des Wärmemediums aufgenommen wird. Ein Eisspeicher benötigt vorteilhaft aufgrund seiner geringen Betriebstemperaturen falls überhaupt nur eine geringe Wärmeisolation.
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im Wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge festgelegt kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind. So ist beispielsweise eine Kombination der Merkmale der Unteransprüche 13 und 16 mit denen des Unteranspruchs 15, also von einem kälteseitigen Eisspeichers als ersten elektrisch beheizbaren Wärmespeicher der Heizungsanlage und von über die Wärmepumpe als Warmwasserwärmetauscher thermisch gekoppelten zusätzlich als Druckwasserspeicher ausgebildeten zweiten Wärmespeicher der Heizungsanlage, von Vorteil.
Die zweite Aufgabe wird durch einen Wärmespeicher gemäß den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Die dritte Aufgabe wird durch eine Heizeinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
Die vierte Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe gemäß den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.
Die fünfte Aufgabe wird durch ein Hybrid-Fahrzeug oder Elektrofahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst.
Die sechste Aufgabe wird durch ein Verfahren für die Wärmespeicherung und das Heizen mit einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage gemäß den Angaben in Anspruch 21 gelöst.
Bezüglich Vorteile sowie vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen hinsichtlich der Lösungen der zweiten bis sechsten Aufgabe wird entsprechend auf die obigen Ausführungen zur Lösung der ersten Aufgabe und zu den Unteransprüchen bezüglich der erfindungsgemäßen Heizungsanlage verwiesen. Insbesondere sind die Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Beaufschlagung des im Wärmespeicher befindlichen erfindungsgemäßen Wärmemediums mit Überdruck, wie vor allem durch dessen Erhitzen über 100 Grad Celsius, von Vorteil. Eine weitere besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die Schritte erstens des Speicherns von durch die jeweilige elektrische Heizung erzeugter Wärme des Wärmemediums sowohl in dem als zur Wärmepumpe wärmeseitigen Wärmetauscher ausgebildeten mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher als auch im als zur Wärmepumpe kälteseitigen Wärmetauscher ausgebildeten als Eisspeicher betreibbaren Wärmespeicher, zweitens des Abgebens von im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher gespeicherten Wärme des Wärmemediums an die Heizeinrichtung zum Heizen, drittens nach Absinken der Temperatur des Wärmemediums im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher auf einen vorgegebenen Wert den des Pumpens mittels der Wärmepumpe der im als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeicher gespeicherten Wärme des Wärmemediums zum Wärmemedium im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher, und viertens des Abgebens der zum Wärmemedium des mit Überdruck beaufschalgbaren Wärmespeichers gepumpten Wärme an die Heizeinrichtung zum Heizen. Der vorletzte und letzte Verfahrensschritt können auch parallel erfolgen, also dass beim Pumpen von Wärme vom Wärmemedium des als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeichers zum Wärmemedium im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher gleichzeitig die zu diesem Wärmespeicher gepumpte Wärme weiter an die Heizeinrichtung zum Heizen der Luft für den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben wird. Ein derartiges Verfahren setzt zwei Wärmespeicher besonders effektiv mittels einer Wärmepumpe ein. Es wird eine hohe thermische Speicherkapazität erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen
1 in schematischer Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage,
2 in schematischer Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage mit Wärmepumpe, und
3 in schematischer Blockdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage mit Wärmepumpe, und
4 in Flussdiagrammdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Alle Zeichnungen sind schematisch zu verstehen. Auf maßstabsgetreue Abbildungen wurde zum Zwecke erhöhter Klarheit der Darstellung verzichtet.
In 1 ist in schematischer Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 gezeigt. Die Heizungsanlage 1 ist zum Heizen eines Innenraums wie insbesondere des Fahrgastraums eines reinen Elektrofahrzeugs oder eines Hybrid-Fahrzeugs geeignet. Die Luft für den Fahrzeuginnenraum wird durch eine Heizeinrichtung 3 mit einem Wärmetauscher 5 geheizt. Der Wärmetauscher 5 ist ein dafür üblicher Wärmetauscher, bei dem von einem ihn durchströmenden Wärmemedium wie beispielsweise Wasser oder wässrige Salzlösung Wärme an die zu erwärmende Luft für einen Fahrzeuginnenraum wie insbesondere einen Fahrgastraum abgegeben wird. Das Wärmemedium enthält als überwiegenden Bestandteil Wasser. Es strömt in der Heizungsanlage 1 in einem Kreislauf vom Wärmespeicher 9 durch eine Rohrleitung 11 zum Wärmetauscher 5 der Heizeinrichtung 3 und zurück. Dabei wird je nach Heizbedarf das Wärmemedium von einer dafür üblichen regelbaren elektrischen Pumpe 7 der Heizeinrichtung 3 gepumpt. Dem Wärmemedium im Wärmespeicher 9 ist durch eine elektrisch betreibbare Heizung 13 Wärme zuführbar. Diese elektrisch betreibbare Heizung 13 ist mit ihren Stromanschlussverbindungen 15 mit einer Anschlussbuchse des Fahrzeugs verbunden. An diese Anschlussbuchse, wie beispielsweise eine übliche Schnelladebuchse, ist eine externe Stromversorgung anschließbar, wie insbesondere eine Schnellladestation mit zum Beispiel einer Stromspannungsversorgung von 600 Volt. So kann während des Aufladens der Batterie für den Antrieb des Elektrofahrzeugs gleichzeitig an einer Schnellladestation die elektrisch betreibbare Heizung 13 für die Zuführung von Wärme an das Wärmemedium im Wärmespeicher 9 mit Strom versorgt werden. Die mögliche Ladeleistung zum Aufladen des einen Wärmespeichers 9 ist in diesem Fall jedoch ohne darauf beschränkt zu sein 10-fach größer als die Nennheizleistung des für die Heizungsanlage vorgesehenen Fahrzeugs. Ein Elektrobus benötigt im Winter für eine Stunde Beheizung des Fahrgastraums ungefähr 10 Kilowatt. Somit hat der Wärmespeicher 9, wenn er beispielsweise für einen solchen Elektrobus für eine solche Heizdauer ausgelegt ist, einen Speicherinhalt von 10 Kilowattstunden. Die thermische Ladekapazität des Wärmespeichers 9 ist somit gleich der Wärme bei einer Nennheizleistung für einen Zeitraum von einer Stunde des für die Heizungsanlage 1 vorgesehenen Fahrzeugs. Eine Schnellladung von 100 Kilowatt ist dafür in der Zeit der Schnellladung der Batterie für den Elektroantrieb des Fahrzeugs ohne weiteres möglich. Je nach Fahrzeuggröße und benötigter Heizleistung sowie vorgesehener Heizdauer sind auch entsprechende andere Größen des Wärmespeichers 9 und dessen Speicherinhalts denkbar, wie beispielsweise für eine Nennheizleistung des Fahrzeugs für einen Zeitraum von zwei Stunden. Ist der Wärmespeicher 9 als einfacher Wasserspeicher ohne Druckbeaufschlagung des Wärmemediums ausgelegt, so wird er in einem Wassertemperaturbereich zwischen 50 und 100 Grad Celsius, also mit flüssigem Wasser als Wärmemedium, betrieben. Die thermische Speicherkapazität des Wassers für die zu speichernde sensible Wärme beträgt dann bei einer Erwärmung von 50 Grad Celsius auf 100 Grad Celsius 58 Wattstunden pro Kilogramm, was für 10 Kilowattstunden eine Masse von ungefähr 175 Kilogramm an Wärmemedium ergibt. Sofern die in 1 dargestellte Heizungsanlage 1 auch für einen Überdruck des Wärmemediums ausgelegt ist, ist die jeweilige Obergrenze der Temperatur für den Betrieb je nach Größe des Überdrucks der jeweilige druckspezifische Siedepunkt des Wärmemediums, so dass es noch im flüssigen Zustand betrieben werden kann. Die Art und Stärke des Materials der Heizungsanlage 1 und insbesondere des Wärmespeichers 9 muss dabei für den jeweiligen Überdruck ausgelegt sein, wie zum Beispiel ausreichend druckbeständiger Stahl. Soweit Wasser das Wärmemedium ist, beträgt der Siedepunkt bei 3 bar Überdruck 144 Grad Celsius und die thermische Speicherkapazität erhöht sich bei einer Erwärmung von 50 Grad Celsius auf den Siedepunkt auf 112 Wattstunden pro Kilogramm, was für 10 Kilowattstunden eine Masse von ungefähr 89 Kilogramm an Wärmemedium ergibt. Bei einem Überdruck von 5 bar beträgt der Siedepunkt 159 Grad Celsius und die thermische Speicherkapazität erhöht sich bei einer Erwärmung von 50 Grad Celsius auf den Siedepunkt sogar auf 132 Wattstunden pro Kilogramm, was bei 10 Kilowattstunden Speicherkapazität eine Masse von etwa 76 Kilogramm für das Wasser im in diesem Fall als Druckwasserspeicher ausgelegten Wärmespeicher 9 ergibt. Bei einem Überdruck von 7 bar liegt der Siedepunkt von Wasser bei 170 Grad Celsius. Das Wasser hat bei einem solchen Überdruck als Wärmemedium eine thermische Speicherkapazität bei einer Erwärmung von 50 Grad Celsius auf den Siedepunkt von rund 147 Wattstunden pro Kilogramm, so dass bei 10 Kilowattstunden Speicherkapazität nur ungefähr 68 Kilogramm Wasser als Wärmemedium benötigt werden. Der Überdruck des Wassers im Heizkreislauf entsteht durch den Dampfdruck von geringen Mengen sich bildenden Dampfs bei Erhöhung der Temperatur des Wärmemediums über 100 Grad Celsius. Die Regulierung des Drucks erfolgt über die höhe der Temperatur. Denkbar ist auch eine Steuerung über ein Druckventil. Der Kostenaufwand für einen für ausreichend Überdruck ausgelegten Druckwasserspeicher ist nur geringfügig höher als der für einen drucklosen Wasserspeicher. Ein Personenkraftwagen hat eine Nennheizleistung für eine Temperaturdifferenz von 20 Grad Celsius, bei einer Oberfläche von 26,48 m2 und bei einem k-Wert von 4 W/m2K von ungefähr 2,1 Kilowatt, so dass die Masse von benötigtem Wasser als Wärmemedium dementsprechend ungefähr ein Fünftel von der für einen Elektrobus ist. Die folgende Tabelle zeigt für verschiedene Überdrücke „P“ von Wasser als Wärmemedium die Siedetemperaturen „T“, die spezifische Wärmekapazität „c“ bei Siedetemperatur, die sensible thermische Speicherkapazität „U“ bei Temperaturänderung von 50 Grad Celsius bis Siedetemperatur, die benötigte Masse „M“ Speichermedium für 1 Stunde Nennheizleistung eines Elektrobusses „EB“ und eines Personenkraftwagens „PKW“:
Es ist auch ein Ausführungsbeispiel der Heizungsanlage 1 denkbar, bei dem die Batterie für den Antrieb des Elektrofahrzeugs die elektrische betriebene Heizung 13 zur Zuführung von Wärme in das als Wärmemedium eingesetzte Wasser zumindest mit mit Strom versorgt. Ferner sind Ausführungen vorstellbar, bei denen das als Wärmemedium verwendete Wasser im Wärmespeicher 9 auch mit von Abwärme produzierenden fahrzeuginternen Komponenten, wie dem Antriebsmotor, über einen Kühlmittelkreislauf mit Wärme versorgt wird.
In 2 ist in schematischer Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 mit Wärmepumpe 17 für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug gezeigt. Die Wärmepumpe 17 ist zwischen den als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeicher 9 und der Heizeinrichtung 3 jeweils thermisch gekoppelt eingebunden. Das Wärmemedium des als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeichers 9 ist Wasser. Diesem wird bei Bedarf durch die elektrische betreibbare Heizung 13 Wärme zugeführt. Gleiches gilt für den als Wärmetauscher ausgebildeten Wärmespeicher 23. Beispielsweise erfolgt dafür die Stromversorgung von einer an einer Anschlussbuchse am zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeug angeschlossenen externen Schnellladestation über Stromanschlussverbindungen 15 zu den Heizungen 13. Die Ladestromspannung der Schnelladestation beträgt ohne darauf beschränkt zu sein in diesem Fall 600 Volt. Die mögliche Ladeleistung zum Aufladen der Wärmespeicher 9, 23 ist 10-fach größer als die Nennheizleistung eines für die Heizungsanlage 1 vorgesehenen Fahrzeugs, wie zum Beispiel eines Elektrobusses. Es sind auch Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 mit möglichen niedrigeren oder noch höheren Ladeleistungen denkbar. Beim thermischen Aufladen des Wärmespeichers 9 wird das zu Eis gefrorene Wärmemedium in ihm aufgetaut und bis zu 50 Grad Celsius aufgewärmt. Somit wird sowohl latente als auch sensible Wärme des Wärmemediums im Wärmespeicher 9 gespeichert. Der als Eisspeicher ausgebildete Wärmespeicher 9 ist in diesem Fall ohne darauf beschränkt zu sein innerhalb eines Temperaturbereichs von –7 Grad Celsius bis 50 Grad Celsius betreibbar. Der Wärmespeicher 9 ist thermisch mit dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 17 gekoppelt. Der Wärmespeicher 9 ist dabei als an die Kälteseite der Wärmepumpe 17 angeschlossener Wärmetauscher ausgebildet. So wird bei Betrieb der Wärmepumpe 17 dem nach dem thermischen Aufladen flüssigem Wasser von bis zu 50 Grad Celsius im Wärmespeicher 9 Wärme entzogen, indem das heruntergekühlte Kältemittel im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 17 direkt im Wärmespeicher 9 dem Wärmemedium Wasser die Wärme entzieht und weiter zum elektrisch betriebenen Verdichter 19 der Wärmepumpe 17 in der Kältemittelführung 21 transportiert. Das im Verdichter 19 komprimierte und damit weiter erwärmte Kältemittel strömt in der Kältemittelführung des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe 17 zum als Warmwasserwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher bzw. Wärmespeicher 23 und gibt dort Wärme an das in einem weiteren Kreislauf zirkulierende Wärmemedium Wasser ab. Dabei ist in diesem Fall der Wärmetauscher 23 auch als elektrisch heizbarer Wärmespeicher nämlich in diesem Fall als ein Druckwasserspeicher ausgebildet. So kann dort sensible Wärme im Wärmemedium Wasser gespeichert werden und von dort je nach Heizbedarf für den Fahrzeuginnenraum das erwärmte Wasser durch die Rohrleitung 11 von der Pumpe 7 zum Wärmetauscher 5 der Heizeinrichtung 3 gelangen. Im Wärmetauscher 5 wird aus dem Wasser Wärme an die zu erwärmende Luft für beispielsweise den Fahrgastraum des Fahrzeugs abgegeben. Darauf fließt das abgekühlte Wärmemedium Wasser durch die Rohrleitung 11 zurück zum als Warmwasserwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher bzw. Wärmespeicher 23. Das dort an das Wärmemedium Wasser Wärme abgebende Kältemittel der Wärmepumpe 17 strömt weiter durch die Kältemittelführung 21 zum als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 25. Dort expandiert das Kältemittel und kühlt sich dabei ab. Es strömt weiter zum als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeicher 9, wo es dem dortigen Wärmemedium Wasser Wärme entzieht. Dieses geht so weit, dass die Temperatur des Wassers den Gefrierpunkt erreicht und ausfriert. Beim Ausfrieren wird auch die im Wasser gespeicherte latente Wärme an das Kältemittel im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 17 abgegeben. Die Wärmepumpe 17 pumpt erst Wärme vom als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeicher 9 zum als Druckwasserspeicher ausgebildeten Wärmetauscher bzw. Wärmespeicher 23, wenn dessen Wärmemedium die über dessen elektrische Heizung 13 zugeführte Wärme zum Heizen an die Heizeinrichtung 3 abgegeben hat, also dessen Betriebstemperatur von maximal 170 Grad Celsius auf 50 Grad Celsius herabgesunken ist. Nutzt man Wassertemperaturen zwischen 50 und 150 Grad direkt im als Warmwasserwärmetauscher und Druckwasserspeicher ausgebildeten Wärmetauscher bzw. Wärmespeicher 23 durch Austausch von Wärmemedium in der Heizeinrichtung 3 und Temperaturen von 50 bis –5 Grad Celsius indirekt im als Eisspeiche ausgebildeten Wärmespeicher 9 über die Wärmepumpe 17, benötigt man im Minimum nur circa 31 Kilogramm Wasser für die Speicherung von 10 Kilowattstunden Wärme, was einer thermischen Speicherkapazität von ungefähr 320 Kilogramm pro Wattstunde entspricht. Bei realistischer Betrachtung für das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Heizungsanlage 1 mit Wärmepumpe 17 beträgt die eingesetzte Masse etwas mehr nämlich in etwa 40 Kilogramm für die Speicherung von 10 Kilowattstunden. Damit ist die thermische Ladekapazität gleich der Wärme bei einer Nennheizleistung eines für die Heizungsanlage 1 vorgesehenen Fahrzeugs für einen Zeitraum von einer Stunde. Bei größerer Menge von Wärmemedium in den entsprechend größeren Wärmespeichern 9, 23 der Heizungsanlage 1 wäre die speicherbare Wärme entsprechend größer.
In 3 ist in schematischer Blockdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage 1 mit Wärmepumpe 17 für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug gezeigt. Der Wärmespeicher 9 ist ein Druckwasserspeicher, bei dem das Wärmemedium Wasser mit einem Überdruck von mindestens 7 bar beaufschlagbar ist. Es sind auch Ausgestaltungen des Wärmespeichers 9 mit weniger oder mehr mindestens möglichem Überdruck denkbar. Die elektrisch betreibbare Heizung 13 zum Übertragen von Wärme auf das Wärmemedium Wasser im als Eisspeicher und Druckwasserspeicher ausgebildeten Wärmespeicher 9 ist an eine externe Schnellladestation mit einer Ladestromspannung von beispielsweise 600 V über die Stromverbindungen 15 anschließbar. Das für die Heizungsanlage 1 vorgesehene Fahrzeug verfügt dafür über eine entsprechende Anschlussbuchse. Der Wärmespeicher 9 ist mit Rohrleitung 11 mit einer Pumpe 7 zum Pumpen des Wärmemediums Wasser verbunden, die regelbar je nach Heizbedarf das Wärmemedium Wasser zur Heizeinrichtung 3 mit dem Wärmetauscher 5 zum Erwärmen der zu behandelnden Luft für den Innenraum des Fahrzeugs pumpt. Von der Heizeinrichtung 3 fließt das Wärmemedium Wasser zurück zum Wärmespeicher 9. Insoweit besteht eine direkte thermische Kopplung von Wärmetauscher 9 mit der Heizeinrichtung 3 durch den Austausch von Wärmemedium Wasser. In der Rohrleitung 11 zwischen Wärmespeicher 9 und Wärmetauscher 5 der Heizeinrichtung 3 ist für das Wärmemedium Wasser in dessen Fließrichtung nach der Pumpe 7 ein als Warmwasserwärmetauscher ausgebildeter Wärmetauscher 27 eingefügt. Der Wärmetauscher 27 ist in dieser Ausführungsvariante nicht auch als Wärmespeicher ausgebildet. Der Wärmetauscher 27 ist wärmeseitig an den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 17 angeschlossen, so dass bei Betrieb der Wärmepumpe 17 dort Wärme aus dem Kältemittel auf das Wärmemedium Wasser für die Heizeinrichtung 3 übertragen wird. Im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 17 dem Wärmetauscher 27 vorgelagert ist ein regelbarer elektrisch betreibbarer Verdichter 19, der das Kältemittel verdichtet und dabei erhitzt. Ist das Kältemittel beispielsweise gasförmiges CO₂, so arbeitet der Wärmetauscher 27 als Gaskühler des Kältemittels. Im Kältemittelkreislauf dem Wärmetauscher 27 nachgeschaltet ist ein als ein Entspannungsventil ausgebildetes Entspannungsorgan 25, das das Kältemittel wieder entspannt und dabei abkühlt. Kälteseitig ist im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 17 nach dem Expansionsorgan 25 der auch als ein Kaltwasserwärmetauscher ausgebildete Wärmespeicher 9 eingefügt, der Wärme aus dem vom Wärmetauscher 5 der Heizeinrichtung 3 zum Wärmespeicher 9 gelangenden Wärmemedium entzieht, bis es schließlich zu Eis wird. Mit dem Einsatz der regelbaren Wärmepumpe 17 wird die Heizleistung der Heizungsanlage 1 nach Bedarf erhöht oder verringert. Die Wärmepumpe 17 nimmt ihren Betrieb erst auf, wenn das Wärmemedium im Wärmespeicher 9 von maximal 170 Grad Celsius durch Abgabe von Wärme an die Heizeinrichtung 3 auf 50 Grad Celsius abgesunken ist. Denkbar ist auch ein andere geeignete Temperatur, wie beispielsweise 40 Grad Celsius, ab der die Wärmepumpe 17 einsetzt.
In 4 ist in Darstellungsform eines Flussdiagramms ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im ersten Verfahrensschritt 100 wird die durch die elektrischen Heizungen in den in diesem Fall zwei Wärmespeichern dem jeweiligen Wärmemedium in den beiden Wärmespeichern zugeführte Wärme gespeichert. Die beiden elektrischen Heizungen der beiden Wärmespeicher sind dabei an das Stromnetz einer externen Schnellladestation angeschlossen. Die Spannung beträgt dabei beispielsweise 600 Volt. Der eine Wärmespeicher ist als Eisspeicher ausgebildet und zur Wärmepumpe der erfindungsgemäßen Heizungsanlage als Wärmetauscher kälteseitig angeschlossen. Die dortige elektrische Heizung taut beim Schnellladen das im Wärmespeicher zu Eis gefrorene Wärmemedium erst einmal auf und erwärmt es dann bis maximal 50 Grad Celsius. Somit wird dort sowohl latente als auch sensible Wärme dem Wärmemedium zugeführt. Der andere Wärmespeicher ist als Druckwasserspeicher ausgebildet und dabei als Wärmetauscher wärmeseitig zur Wärmepumpe angeschlossen. Ferner ist dieser mit Überdruck beaufschlagbare Wärmespeicher über eine Rohrverbindung mit dem Wärmetauscher der Heizungseinrichtung verbunden, durch die das Wärmemedium fließen kann. In diesem mit Überdruck beaufschalagbaren Wärmespeicher wird das dortigen flüssige Wärmemedium auf maximal 170 Grad Celsius also bei flüssigem Wasser einem Überdruck von bis 7 bar mit der dortigen elektrischen Heizung beim Schnellladen aufgeheizt und so Wärme dem dortigen Wärmemedium zugeführt.
Das in den beiden Wärmespeichern verwendete Wärmemedium ist in diesem Fall reines Wasser. Beispielsweise kann für das Verfahren die in 2 gezeigte Heizungsanlage verwendet werden.
Im zweiten Verfahrensschritt 110, nachdem der Schnelladevorgang abgeschlossen ist, wird je nach Heizbedarf für den Innenraum des zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugs die im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher gespeicherte Wärme des dortigen Wärmemediums an die Heizeinrichtung zum Heizen abgegeben. Dabei fließt mithilfe einer Pumpe das aus Wasser bestehende Wärmemedium vom mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher zum Wärmetauscher der Heizeinrichtung. In diesem Wärmetauscher wird Wärme aus dem Wärmemedium an die zu heizende Luft für den Innenraum des Fahrzeugs, wie insbesondere den Fahrgastraum, abgegeben. Das so abgekühlte Wärmemedium strömt zurück zum mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher. Sobald die Temperatur des Wärmemediums in diesem Wärmespeicher durch diesen aufgrund des Heizens erfolgenden Wärmeverlust auf die vorgegeben Temperatur von 50 Grad Celsius abgesunken ist, pumpt im nächsten Verfahrensschritt 120 die Wärmepumpe die im Wärmemedium des als Eisspeicher ausgebildeten zweiten Wärmespeichers gespeicherte Wärme zum Wärmemedium des mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeichers. Also geht die Wärmepumpe erst dann in Betrieb. Im letzten Verfahrensschritt 130 wird die so zum Wärmemedium des mit Überdruck beaufschlagtbaren Wärmespeichers gepumpte Wärme weiter wie zum zweiten Verfahrensschritt 110 beschrieben zur Heizeinrichtung zum Heizen der Luft für den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben. Wenn das Wärmemedium Wasser im zweiten als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeicher zu Eis gefroren ist und möglicherweise noch weiter bis ca. –5 Grad Celsius abgekühlt ist, schaltet sich die Wärmepumpe ab. Die vorgegebene Temperatur des Wärmemediums im mit Überdruck beaufschlagtbaren Wärmespeicher, bei der die Wärmepumpe anspringt, ist nicht auf 50 Grad Celsius festgelegt, sondern es kann auch eine andere Temperatur von beispielsweise 60 Grad Celsius vorgegeben werden. Der vorletzte Verfahrensschritt 120 und der letzte Verfahrensschritt 130 können auch parallel erfolgen, also dass beim Pumpen von Wärme vom Wärmemedium des als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeichers zum Wärmemedium im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher gleichzeitig die zu diesem Wärmespeicher gepumpte Wärme weiter an die Heizeinrichtung zum Heizen der Luft für den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben wird.
Nachdem die durch die Schnellladung in den beiden Wärmespeichern gespeicherte Wärme durch Heizen des Innenraums des Fahrzeugs verbraucht ist, beginnt das Verfahren nach Wunsch und Anfahren einer Schnellladestation von Neuem, also mit Anschließen an das Stromnetz einer externen Schnelladestation zumindest mit zum Speichern von Wärme für die erfindungsgemäße Heizungsanlage.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009022300 A1 [0003]
DE 102009034223 A1 [0003]

Claims

Heizungsanlage (1) für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeug mit wenigstens einem Wärmespeicher (9, 23) und wenigstens einer Heizeinrichtung (3) mit wenigstens einem Wärmetauscher (5), wobei die wenigstens eine Heizeinrichtung (3) zumindest an den wenigstens einen Wärmespeicher (9, 23) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Wärmemedium des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) Wasser als wenigstens überwiegenden Bestandteil umfasst, und – die Heizungsanlage (1) wenigstens eine elektrisch betreibbare Heizung (13), um Wärme dem Wärmemedium in zumindest einem des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) zuzuführen, umfasst.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmemedium des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) Wasser ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) für mit Überdruck beaufschlagtes Wärmemedium ausgebildet ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) für mit einem Überdruck im Bereich von 3 bis 7 bar beaufschlagtes Wärmemedium ausgebildet ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) für mit einem Überdruck im Bereich von 4,5 bis 5,5 bar beaufschlagtes Wärmemedium ausgebildet ist.
Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrisch betreibbare Heizung (13) zum Zuführen von Wärme in das Wärmemedium im zumindest einen des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) über einen anschließbaren Stromanschluss extern mit Strom versorgbar ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass die externe Stromversorgung für die wenigstens eine Heizung (13) zum Zuführen von Wärme in das Wärmemedium im zumindest einen des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) über eine Schnellladestation durchführbar ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass die mögliche Ladeleistung zum Aufladen des zumindest einen des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) mehr als 2-fach, bevorzugt 10-fach größer als die Nennheizleistung eines für die Heizungsanlage (1) vorgesehenen Fahrzeugs ist.
Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass ihre thermische Ladekapazität größer gleich der Wärme bei einer Nennheizleistung eines für die Heizungsanlage (1) vorgesehenen Fahrzeugs für einen Zeitraum von einer halben Stunde, bevorzugt einer Stunde bis maximal zwei Stunden ist.
Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung von zumindest einem des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) und der wenigstens einen Heizeinrichtung (3) direkt über Austausch von Wärmemedium eingerichtet ist.
Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) sensible Wärme speichert und mit einer Temperatur für das Wärmemedium innerhalbe eines Temperaturbereichs von über 50 Grad Celsius bis zumindest 144 Grad Celsius, bevorzugt bis 170 Grad Celsius, betreibbar ist.
Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mindestens eine zumindest einen Verdichter (19) sowie zumindest ein Entspannungsorgan (25) umfassende Wärmepumpe (17) umfasst, wobei die Wärmepumpe (17) an die wenigstens eine Heizeinrichtung (3) und/oder zumindest einen des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) thermisch gekoppelt ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) auch als kälteseitiger Wärmetauscher der wenigstens einen Wärmepumpe (17) ausgebildet ist und an diese thermisch gekoppelt ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wärmepumpe (17) wärmeseitig mittels eines Wärmetauschers (23, 27), wie insbesondere eines Warmwasserwärmetauschers, an die wenigstens eine Heizeinrichtung (3) über Austausch von Wärmemedium vom Wärmetauscher (23, 27) zum Wärmetauscher (5) der Heizeinrichtung (3) thermisch gekoppelt ist.
Heizungsanlage (1) nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der an den Wärmetauscher (5) der Heizeinrichtung (3) thermisch gekoppelte Wärmetauscher (23, 27) ein Wärmespeicher des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) ist und er für mit Überdruck beaufschlagtes Wärmemedium ausgebildet ist.
Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer des wenigstens einen Wärmespeichers (9, 23) geeignet ist, sensible und latente Wärme des Wärmemediums zu speichern, wie insbesondere als Eisspeicher, und derart ausgebildet ist, dass er (9) mit einer Temperatur für das Wärmemedium innerhalbe eines Temperaturbereichs von –5 Grad Celsius bis 50 Grad Celsius betreibbar ist.
Wärmespeicher (9, 23) zum thermischen Koppeln an eine Heizeinrichtung (3) in einer Heizungsanlage (1) nach eine der Ansprüche 1 bis 16.
Heizeinrichtung (3) thermisch koppelbar an wenigstens einen Wärmespeicher (9, 23) in einer Heizungsanlage (1) nach eine der Ansprüche 1 bis 16.
Wärmepumpe (17) zum thermischen Koppeln an wenigstens einen Wärmespeicher (9, 23) nach Anspruch 17 und/oder eine Heizeinrichtung (3) nach Anspruch 18 für eine Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16.
Hybrid-Fahrzeug oder Elektrofahrzeug, wie insbesondere ein Elektrobus, mit einer Heizungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren für die Wärmespeicherung und das Heizen mit einer Heizungsanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis
Verfahren nach Anspruch 21 gekennzeichnet durch die Schritte, a) des Speicherns (100) von durch die jeweilige elektrische Heizung (13) erzeugter Wärme des Wärmemediums sowohl in dem als zur Wärmepumpe (17) wärmeseitigen Wärmetauscher ausgebildeten mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher (23) als auch im als zur Wärmepumpe (17) kälteseitigen Wärmetauscher ausgebildeten als Eisspeicher betreibbaren Wärmespeicher (9), b) des Abgebens (110) von im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher (23) gespeicherten Wärme des Wärmemediums an die Heizeinrichtung (3) zum Heizen, c) nach Absinken der Temperatur des Wärmemediums im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher (23) auf einen vorgegebenen Wert des Pumpens (120) mittels der Wärmepumpe (17) der im als Eisspeicher ausgebildeten Wärmespeicher (9) gespeicherten Wärme des Wärmemediums zum Wärmemedium im mit Überdruck beaufschlagbaren Wärmespeicher (23), und danach oder parallel d) des Abgebens (130) der zum Wärmemedium des mit Überdruck beaufschalgbaren Wärmespeichers (23) gepumpten Wärme an die Heizeinrichtung (3) zum Heizen.