DE10233230A1

DE10233230A1 - 1. Leistungsgesteigerte Wärmepumpe 2. Gekoppelte Wärmepumpe-Expansionsmaschine 3. Vollmodulierte Wärmepumpe 4. Kombination 2.+3. / s. Tag-Nacht-Speicherung

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Publication number: DE10233230A1
Application number: DE10233230A
Authority: DE
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Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Anordnung zur Leistungssteigerung von Wärmepumpen-/Kühlanlagen-Verdichtern DOLLAR A Im Stand der Technik wird der Verdichter zum Verdampfer über ein Expansionsventil druck- und temperaturentspannt. DOLLAR A Über eine Expansionsmaschine, z. B. -turbine, in direkter mechanischer oder hydraulischer Koppelung mit dem Verdichterantrieb oder über indirekte Koppelung Expansionsturbine-Generator - Stromerzeugung - Antrieb E-Motor-Verdichter wird das vorhandene Druck-/Temperatur-Niveau zur Leistungserbringung genutzt. DOLLAR A Die Anordnung ermöglicht eine deutliche Wirkungsgradverbesserung von Wärmepumpenanlagen. DOLLAR A Anordnung einer gekoppelten Wärmepumpe-Expansionsmaschine mit Generator zur Erzeugung von Heizwärme, Brauchwasserwärme und Strom DOLLAR A Im Stand der Technik nutzen Wärmepumpen nur einen Teil des Carnotschen Kreisprozesses, die Anhebung niedriger Temperatur-Niveaus auf höhere Temperatur-Niveaus durch Verdichtung eines Arbeitsmediums. DOLLAR A Über Expansionsmaschine-Generator wird ein weiterer Teil des Carnotschen Kreisprozesses genutzt, die Entspannung des Verdichter-Kreislaufes zum Verdampfer-Kreislauf von hoher Temperatur/Druck zu niedriger Temperatur/Druck. DOLLAR A Die Anordnung erlaubt die Erzeugung von Strom zusätzlich zur Wärmeabgabe der Wärmepumpe. DOLLAR A Vollmodulierbare Wärmepumpe DOLLAR A Zur Nutzung unterschiedlicher Quellentemperaturen, der Erzeugung von modulierbaren Nutzer-Gleitvorlauftemperaturen und der Regulierung der Wärmestrommenge wird eine über druckmodulierende Ventile am ...

Description

Am Anfang des 21. Jahrhundertes steht die Welt vor dem Klimawandel, verursacht durch den Menschen, insbesondere durch die Verbrennung fossiler Energieträger.
Ein großer Teil der Emissionen erfolgt durch die Haustechnik bei der Erzeugung von Wärme für Heizung/Brauchwasser, ein großer Teil der Emissionen erfolgt durch die Erzeugung von Strom.
Die allgemeine Forderung zur Nutzung erneuerbarer Energien der Umweltwärme, Solarenergie, sowie der Energie-Effizienz, führten schon heute zu der Erkenntnis, das die Wärmepumpe, welche Umweltwärme oder Bodenwärme nutzt, eine geeignete Wärmequelle zur Lösung der Zukunftprobleme ist.
Während in der direkten Verbrennung von Primärenergieträgern, wie Öl, Gas etc. mit der Brennwert-Technik Wirkungsgrade von 105%–110% Stand der Technik im Jahr 2002 sind, erreichen Wärmepumpen mit Tiefbrunnen als Quelle schon heute C.O.P bei 35°C von 8.0 , was 800 entspricht. Dabei steht die Wärmepumpe erst am Anfang Ihrer Entwicklung.
Beschreibt die ENEV 2002 als Zuschlagfaktoren für Holzheizungen mit nachhaltiger Holz-Kreislaufnutzung den Faktor 0.7 , wird der für die Wärmepumpe erforderliche Strom mit dem Zuschlagfaktor 3.0 belegt, d.h. erst ab einem C.O.P von 4.3 ( 3.0 : 4.3 = 0.7 ) ist eine Wärmepumpe so umweltfreundlich, wie eine Holzheizung.
Beschreibt die ENEV 2002 als Zuschlagfaktoren für Gasheizung mit Solarkollektor-Unterstützung einen Faktor 1.2, ist erst ab einem C.O.P von 2.5 ( 3.0 : 2.5 = 1.2 ) eine Wärmepumpe so umweltfreundlich, wie eine Gasheizung mit solarer Unterstützung.
Dabei sind C.O.P von größer 10, d.h. dem 10-fach besseren Wert als bei direkter Verbrennung von fossilen Primärenergieträgern, durchaus möglich, denn die Wärmepumpe in der Form – Stand der Technik 2002 – ist noch deutlich verbesserbar, besitzt noch große Entwicklungspotentiale, welche mit diesen Patentansprüchen gehoben werden sollen.
Die Wärmepumpe arbeitet, wie auch die Verbrennungsmotoren oder der Stirlingmotor nach dem Carnot'schen Kreisprozess.
Während hierbei für die Verdichtung-Druck-Temperaturerhöhung externe Arbeit (Wärmepumpe/Stirlingmotor) oder innere Verbrennungsarbeit (Verbrennungsmotor) erforderlich ist, welche bei Verbrennungsmotor/Stirling-Motor zur Energieerzeugung und Arbeitsabgabe führt, wird in der Wärmepumpe das Energie-Niveau Druck/Temperatur des Verflüssigerkreises im Expansionsventil sinnlos vernichtet.
Maschinen, welche aus Druck/Temperatur-Unterschieden, wie diese im Verflüssiger-Verdampfer-Kreislauf von Wärmepumpen und Verdichteranlagen vorliegen, Energie gewinnen, sind im -Stand der Technik- lange bekannt, z.B. Turbinenanlagen oder der Stirlingmotor und andere.
Rotationsmaschinen sind im Wirkungsgrad kinematisch in Kettenreaktionen wirkenden Maschinen, wie z.b. Kolbenmaschinen überlegen.
Aus diesem Grunde wurde für den Patentanspruch zu 1.
eine Expansionsturbine gewählt, welche den Druck-/Temperatur-Unterschied des Verflüssiger- zum Verdampferkreislauf in Rotationsenergie umsetzt.
Diese Turbine kann mechanisch direkt gekoppelt, oder aber über Hydraulik-Kreislauf oder aber über den Umwandlungskreislauf Generator-Stromerzeugung/Stromversorgung Elektromotor die erzeugte Energie z.B. an den Antriebsmotor der Wärmepumpe abgeben. Alle Formen der Kraftübertragung sind theoretisch möglich.
Im Patentanspruch zu 2.
wurde die den Druck-/Temperatur-Unterschied nutzende Wärmepumpe , hier heben von niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken durch externe Arbeit und Verdichtung auf höhere Drücke und höhere Temperaturen, wobei i.d.R. Verdichter mit gekoppelten E-Motoren ausgeführt werden, ergänzt um den Patentanspruch zu 2., eine das Druck-/Temperaturgefälle von hohen Drücken/hohen Temperaturen im Verflüssiger-Kreislauf zu niedrigen Drücken/niedrigen Temperaturen nutzende Gefälle und in Rotationsenergie umsetzende Expansionsmaschine, welche in mechanischer oder hydraulischer Kopplung, oder aber über Speisung des Antriebs-E-Motors der Wärmepumpe über Generator, welcher an Expansionsmaschine gekoppelt ist, einen Teil der aufgewendeten externen Arbeit zur Verdichtung zurückgewinnt und somit den C.O.P der Wärmepumpe deutlich anhebt.
Während schon heute die besten Wärmepumpen (vgl. Testergebnisse Wärmepumpen-Testzentrum Winterthur-Töss) im Brunnen-Betrieb Quelle 15°C/Nutzer 35°C C.O.P von 8.0 erreichen, werden nun Werte besser als C.O.P 10.0 möglich, d.h. fast 10-fach bessere Wirkungsgrade als Brennwert-Technologie -Stand der Technik 2002 – in direkter Verbrennung fossiler Energieträger erreicht.
Koppelt man die Wärmepumpe mit C.O.P 10.0 an das Stromnetz, welches gem. ENEV 2002 mit dem Primärenergiefaktor 3.0 gekennzeichnet ist, erreichen die Systeme 3.0:10.0 = 0.3 deutlich bessere Werte, als z.B. Holzheizungen 0.7 oder Gasheizungen mit Solaranteil 1.2. Die CO²-Emissionen im Vergleich zu eingeführten Gasheizungen betragen also nur noch 25%.
Noch bessere Werte sind möglich, wenn man die Wärmepumpe mit einer Brennstoffzelle als Stromquelle koppelt, in dieser Kombination sinken die CO²-Emissionen im Vergleich zum Stand der Technik/Brennwert-Heizung auf unter 20%, nutzt man die Abwärme der Brennstoffzelle, in direkter Kopplung zur Unterstützung im Verdichter-Kreislauf, oder aber in indirekter Kopplung im Verdampfer-Kreislauf zur Quellentemperatur-Anhebung, sinken die CO²-Emissionen noch deutlich.
Im Patentanspruch zu 3.
wird eine vollmodulierbare Wärmepumpe beschrieben, welche sich sowohl an der Quellenseite, als auch an der Nutzerseite variabel an die Bedingungen anpassen kann und deren Wärmemengenfluss modulierbar ist.
Erst mit dieser Anordnung ist die Einspeisung vielfältigster Wärmelieferanten unterschiedlichster Temperaturen möglich, wie auch die Regelbarkeit von Vorlauftemperatur als Gleittemperatur und die transportierbare Wärmemenge in Abhängigkeit von Vorlauftemperatur und Volumenfluss.
Mit geeigneter Steuerung, welche auf die Einzelsysteme abzustimmen sind, der Möglichkeit, z.B. solare Gewinne als Hochtemperaturgewinne sofort in den Nutzerkreis oder als Niedertemperatur zur Quellentemperatur-Anhebung einzusetzen, wie der Möglichkeit, immer den niedrigst möglichen Vorlauf im Heizkreis anzuwählen, der die Nutzerabnahme am wirtschaftlichsten befriedigt, wird der durchschnittliche Wirkungsgrad der Wärmepumpe/des gesamten Heizsystemes deutlich angehoben.
Am Verdichterausgang der Wärmepumpe ist ein modulierbares Ventil geschaltet, welches über Modulation des Ausgangsdruckes die Ausgangstemperatur variabel regulieren kann, wobei nach dem Ventil die Temperatur ständig gemessen und an die Steuereinheit gemeldet wird. Zur Erhaltung des erforderlichen Wärmestromes, gleich Volumenflusses, wird der Verdichter-Antriebsmotor drehzahlgeregelt, z.B. über Gleichstrom-Motor, wobei die Volumen-/Drehzahlvorgabe aus dem Programm der Steuerung anhand der programmierten Einflussdaten ermittelt wird.
Um die geeignete Eintritts-Temperatur des Arbeitsmittels in den Verdampfer ständig den variabel geführten Vorlauftemperaturen im Verdichterkreis anzupassen, ist ebenso ein modulierbares Expansionsventil notwendig, welches nach Programm-Steuerungsvorgabe die Eintritts-Temperatur, welche nach dem Expansionsventil ständig gemessen wird, reguliert.
Der Wärmestrom- oder Volumenfluss wird im Verdampfer , d.h. im Niedrigdruck/Niedrigtemperatur-Bereich, vor Eintritt in den Verdichter über Volumenfluss-Sensor erfasst und an die Steuereinheit gemeldet.
Im Patentanspruch zu 4.
wird die Wärmepumpe mit gekoppelter Turbine/Generator, beschrieben im Patentanspruch zu 2. und der Patentanspruch zu 3. Vollmudulierbare Wärmepumpe kombiniert zu der Einheit Voll modulierbare Wärmepumpe – gekoppelt mit von Expansionsmaschine angetriebenem Generator, wobei Expansionsmaschine-Generator im Verdichterkreis vor dem modulierbaren Expansionsventil eingesetzt werden.
Desweiteren werden die Quellenströme auf Verdampfer so in der Flußsteuerung gestaltet, das über separaten Wärmetauscher Niedrig-Temperaturen aus z.B. Abwasserwärme/Niedrigtemperatur-Absorberwärme und/oder Niedrigtemperatur-Solarkollektor-Wärme und sonstige geeignete Wärmequellen zur Anhebung der Quellentemperatur Boden (Erdkollektor oder Erdsonde oder Erdbrunnen) genutzt werden.
Die vollmodulierbare Wärmepumpe regelt über modulierbares Ventil am Verdichterausgang und Drehzahlregelung des Antriebsmotors hierbei Gleitvorlauftemperatur nach Erfordernis und Wärmemengenstrom nach Anforderung. Die maximale Verdichter-Eingangstemperatur wird begrenzt.
Wird der Modus- Heizkreisanspeisung und zeitgleiche Pufferspeicherladung, z.B. für die Betriebsweise Tages- auf Nachtspeicherung von Umweltwärme gewählt, müssen Heizkreis- und Pufferspeicherkreis über ein variabel regelbares Stromverteilungs-Mischer-Ventil gekoppelt werden.
Desweiteren werden die Nutzerströme auf Verdichter so in der Flußsteuerung gestaltet, das über separaten Wärmetauscher Mittel-Temperaturen aus Solar-Kollektor oder/und Brennstoffzellenabwärme oder/und Sonstige direkt in den Verdichter-Kreislauf der Nutzerseite eingespeist werden, wobei am Ausgang des Wärmetauschers die erforderliche Gleitvorlauftemperatur gemessen wird und die Wärmepumpe Eintrittstemperatur ind den Wärmetauscher und Volumenfluss ständig über Steuerung den erforderlichen Bedingungen anpasst.
Mit dieser Konfiguration ist auch die Einspeisung von Niedrig-Temperatur- in den Heizkreis möglich, welche der Kühlung von Räumen über die nomalen Konvektoren dienen kann.
Im Sommer kann aus Überschussmengen Strom erzeugt werden, indem der Hochtemperatur-Gegendruck-Wärmetauscher über Drei-Wege-Ventil angefahren wird, der die Expansionsmaschine direkt anfährt und mit hohem Druck/hoher Temperatur auch möglich bei geeignet hoher Abwärme Brennstoffzelle, günstige Voraussetzungen für hohe Leistungsausbeute von Expansionsmaschine/Generator-Stromerzeugung bietet.
Das Expansions-Modulationsventil regelt die Rückkühltemperatur vor Eintritt in den Bodenwärmetauscher.
Diese Anordnung, der vollmodulierbaren Wärmepumpe, mit Niedertemperatur-Quellenanhebung und Mitteltemperatur-Heizkreis-Unterstützung gewährleistet eine optimale Ansteuerung der Heizkreise und optimale Ausnutzung der verschiedenen Wärmeangebote.
Die installierte Solar-Kollektor/Heat-Pipe/Absorber-Umweltwärmegewinn-Kombination wird auf ca. 90% solare Deckung des Brauchwasserkreises ausgelegt, hierbei treten im Sommer erhebliche Überschußmengen nicht nutzbarer solarer Wärmeangebote auf, welche über Expansionsmaschine Generator in nutzbare Strommengen umgewandelt werden.
Im Patentanspruch zu 5.
wird die Tatsache ausgenutzt, das aufgrund solarer Einstrahlung die Tagestemperaturen immer um ca. 5°C über den Nachttemperaturen liegen.
Eine Vorlaufanhebung um 5°C hebt den C.O.P der Wärmepumpe deutlich an, sodaß an Tagen, wo die Tagestemperatur über dem Temperaturangebot des Bodens liegt,es wirtschaftlich ist, diese vorteilhafte Situation durch Tages- auf Nachtspeicherung von Umweltwärme, welche über Wärmepumpe – Solar-Kollektor/Absorber aus Sonne/Aussenluft gewonnen wird, auf Pufferspeicher zur Nachtnutzung geladen wird.
Es wird erwartet, das mit diesem System die CO²-Emissionen/Primärenergie-Verbräuche im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen der Brennwert-Technik um über 80% gesenkt werden, was z.B. in Deutschland/Gesamtenergie-Heizverbrauch ca. 40% des Gesamtenergie-Verbrauches den Gesamt-CO²-Ausstoß der Volkswirtschaft um ca. 30% senkt.

Claims

Expansionsturbine – leistungsgeregelter Generator Expansionseinheit zur Integration in Wärmepumpen-/Verdichter-Kreisläufe zur Steigerung des Wirkungsgrades in elektrischer oder hydraulischer oder mechanischer Kopplung, bzw. als Kopplungs-System, der Wärmepumpe, bzw. des Kühlmittel-Verdichters, in Nutzung des Druck-/Temperaturgefälles von Verflüssiger zu Verdampfer zur Erzeugung von Energie durch Einschaltung einer Turbine vor dem Expansionsventil, welche Rotationsenergie erzeugt, welche einen Generator zur Stromerzeugung antreibt und/oder auch den Motor des Verdichters in elektrischer, hydraulischer oder mechanischer Verbindung unterstützen kann.
Gekoppelte Wärmepumpen – Expansionsmaschinen (z.B. Turbine/Stirlingmotor etc.) -Systeme in elektrischer, hydraulischer oder mechanischer Kopplung, bzw. in Kopplungs-Systemen, mit gekoppeltem Generator zur Erzeugung von Wärmeenergie für z.B. Heizung, Brauchwasser etc. und Strom, bestehend aus: Wärmepumpenverdichter mit Antrieb und Expansionsmaschine (z.B. Turbine) mit Abtrieb für Generator und/oder andere Geräte, wobei der Verdichter aus Quelle (z.B. Erdwärme-Brunnen/Sonde/Erdkollektor und/oder Umweltwärme Luft-Absorber/Abwärme etc. und/oder Solar-Kollektoren) Wärmeangebote niedriger Temperatur nach dem thermodynamischen Prinzip des Carnot'schen Kreisprozesses unter Aufwendung von externer Arbeit verdichtet und auf ein höheres Niveau anhebt (z.B. als technische Wärme für Heizung/Brauchwasser etc.) und wobei die Expansionsmaschine aus dem Temperatur-/Druckunterschied von hoher Temperatur-Verflüssiger-Kreislauf (z.B. weiter steigerbar über Abwärme Brennstoffzelle und/oder Spitzenleistung Solar-Kollektoren als Sommer-Überschußleistung oder anderer Wärmequellen) zu niedriger Temperatur – Verdampfer-Kreislauf (z.B. Erdwärme Brunnen/Erdkollektor/Erdsonde oder ähnlich) nach dem thermodynamischen Prinzip des Carnot'schen Kreisprozesses unter Nutzung einner Expansionsmaschine (z.B. Turbine, Stirling-Motor), welche aus dem zur Verfügung stehenden Temperatur-/Druckunterschied nutzbare Energie erzeugt, Energie zum Antrieb externer Geräte, z.B. Generator etc. bereitstellt.
Vollmodulierbare Wärmepumpe mit Druckmodulations-Ventil variabler Ansteuerung mit Temperaturmessung/-steuerung am Verdichterausgang zur Gleittemperatur-Steuerung im Verflüssiger-Kreislauf Druckmodulations-Ventil variabler Ansteuerung mit Temperaturmessung/-steuerung an Expansionsventil-Ausgang zur Vorlauf-Eingangstemperatur-Steuerung im Verdampfer-Kreislauf Drehzahl – regelbaren Motoren als Verdichterantrieb mit Durchflussmengensteuerung zur variablen Steuerung des Wärmemengenflusses in Abhängigkeit von der Wärmebedarfs-Abforderung Steuerung nach Temperatur-Drucklinien-Verflüssigerprogramm nach Aussentemperatur-Gleitvorlauftemperatur und Wärmeabnehmerprogramm mit Volumen-Wärmemengenfluss-Anpassungssteuerung als Wärmepumpe, welche die Durchflussmenge variabel liefert, die Vorlauftemperatur-Verflüssiger-Heizkreis variabel liefert und die Vorlauftemperatur im Verdampferkreis variabel liefern kann, zum optimalen Wärmeübergang im angewählten Wärmelieferanten-Wärmetauscher (Boden oder Aussenluft oder Sonstige) Diese Wärmepumpe kann sich an die ständig variierenden Bedingungen der optimalen Betriebssteuerung aus Quellentemperaturangebot, Nutzertemperaturabforderung variabel anpassen und immer im bestmöglich erreichbaren C.O.P-Modus fahren.
Vollmodulierbare Wärmepumpe – gekoppelt mit von Expansionsmaschine angetriebenem Generator mit FluBsteuerung der Quellen (Solar-Kollektor/Absorber/Bodenwärmetauscher/Sonde/Brunnen/Erdkollektor und Abwärmetauscher oder Sonstige, je nach Einzelfall-Angebot) auf Verdampfer- oder aber Verflüssiger-Wärmetauscher und den Funktionen – Wärmeabgabe voll variabel – Kühlflußabgabe variabel – Stromerzeugung bestehend aus beschriebenen Maschinen des Patentanspruches zu 2. und des Patentanspruches zu 3., welche im Modus Wärmeabgabe notwendige Gleitvorlauftemperatur und Wärmemengenfluss über Programm bestimmt und dann zur Verfügung stehende Wärmeangebote des Augenblickes bewertet und nach der Wirtschaftlichkeit des bestmöglichen Wirkungsgrades auswertet, wobei erneuerbare, kostenlose Energieanteile der Solar-Kollektor/Absorberanlage bevorzugt werden. welche im Modus Kühlflussabgabe, die aus dem Bodenwärmetauscher gelieferte Quellentemperatur soweit anhebt, z.B. durch durchflussgeregelten Wärmetausch aus Kollektor/Absorber oder Mischung des Rücklaufes, das die Auskondensation von Feuchtigkeit an den Konvektoren beherrschbar ist. welche im Modus Stromerzeugung im Verflüssigerkreis über Wärmetauscher Solar-Kollektor-Hochtemperatur einspeist und über Spezial-Erhitzer im Gegendruck-Verfahren Druck-/Temperatur an Expansionsmaschine abgibt, welche hieraus Energie zum Antrieb des Generators erzeugt, und über Bodenwärmetauscher rückkühlt, über Verdichter verflüssigt.
Tages- auf Nachtspeicherung von Umweltwärme, welche über Wärmepumpe – Solar-Kollektor/Absorber aus Sonne/Aussenluft gewonnen wird. Die Tagestemperaturen liegen i.d.R, um 5°C höher als die Nachttemperaturen, sodaß immer dann, wenn die Tagestemperaturen über Quellentemperatur Boden liegen, eine Speicherung der Tageswärme für die Nachtversorgung wirtschaftlich erscheinen läßt, da der C.O.P der Wärmepumpe bei höherer Quellentemperatur deutlich besser ist.