DE10306148B3

DE10306148B3 - Wärmetauscher-Vorrichtung für den Kältekreislauf einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE10306148B3
Application number: DE2003106148
Authority: DE
Inventors: Robert Staiger
Original assignee: Individual
Current assignee: STAIGER, ROBERT, 88400 BIBERACH, DE
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2023-02-15

Abstract

Bei einer kälteseitigen Wärmetauscher-Vorrichtung einer Wärmepumpe mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem zur Aufnahme der Wärme, die einen ersten Flüssigkeits-Kreislauf von einer ersten Umweltwärmequelle aufgenommen hat, sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem aufgenommenen Wärme, wird ein regelbarer Betrieb der Wärmepumpe mit Hinblick auf eine Maximierung ihrer Effektivität dadurch erreicht, dass zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf mindestens ein weiterer Flüssigkeits-Kreislauf an das pumpenseitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem angeschlossen ist, wobei der weitere Flüssigkeits-Kreislauf die von einer weiteren Umweltwärmequelle produzierte Wärme aufnimmt, die eine von der ersten Umweltwärmequelle unabhängige Temperatur aufweist, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem konstant gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine kälteseitige Wärmetauscher-Vorrichtung einer Wärmepumpe mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem zur Aufnahme der Wärme, die ein ersten Flüssigkeits-Kreislauf von einer ersten Umweltwärmequelle aufgenommen hat, sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem aufgenommenen Wärme.
Wärmetauscher-Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden im Stand der Technik verwendet, um herkömmliche Wärmepumpen zu betreiben. Die bekannten Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass ein regelbarer Betrieb einer Wärmepumpe mit Hinblick auf eine Maximierung der Effektivität nicht ermöglicht ist.

Aus DE 38 13 669 A1 ist eine Wärmepumpen-Vorrichtung bekannt, bei der eine Verteileranordnung vorgesehen ist, mittels derer das Wärmetransportfluid zur Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umwelt wahlweise von einem Absorber oder einem Erdspeicher de Wärmepumpe zuführbar ist, wobei die Verteileranordnung erfindungswesentlich so ausgebildet ist, dass das Wärmetransportfluid des Absorbers wahlweise auch dem Erdspeicher zuführbar ist, zur Abgabe von Wärmeenergie in das ihn umgebende Erdreich, um die Wirtschaftlichkeit dieser bekannten Wärme

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmetauscher-Vorrichtung für eine Wärmepumpe zu schaffen, mittels derer ein regelbarer Betrieb der Wärmepumpe mit Hinblick auf eine Maximierung ihrer Effektivität ermöglicht ist.

Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf mindestens ein weiterer Flüssigkeits-Kreislauf, an das pumpenseitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem angeschlossen ist, wobei der weitere Flüssigkeits-Kreislauf die von einer weiteren Umweltwärmequelle produzierte Wärme aufnimmt, die eine von der ersten Umweltwärmequelle unabhängige Temperatur aufweist, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem annähernd konstant gehalten ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination, dass zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf mindestens ein weiterer Flüssigkeits-Kreislauf, an das pumpenseitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem angeschlossen ist, wobei der weitere Flüssigkeits-Kreislauf die von einer weiteren Umweltwärmequelle produzierte Wärme aufnimmt, die eine von der ersten Umweltwärmequelle unabhängige Temperatur aufweist, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem annähernd konstant gehalten ist, erreicht, dass eine Vorrichtung geschaffen ist, bei der aufgrund der Steuerbarkeit der Fließgeschwindigkeit und damit des Wärmetransportes von Flüssigkeiten, die unterschiedlichen, voneinander unabhängigen Flüssigkeits-Kreisläufen mit in der Regel unterschiedlichen Temperaturen der betreffenden Flüssigkeiten angehören, eine Temperatur am Wärmetauscher bzw. in den Flüssigkeits-Zirkulationssystemen des Wärmetauschers erreichbar oder zumindest annäherbar ist, bei der der Wärmetauscher eine maximale Effektivität zeitigt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem auf einen Soll-Wert eingestellt ist, bei dem die Flüssigkeit des pumpenzeitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem eine maximale Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dadurch wird die Effektivität des Wärmetauschers optimiert. Bei dem im Stand der Technik häufig verwendeten Kältemittel R 407 bemisst sich diese Temperatur auf 12° C.
Der erste Flüssigkeits-Kreislauf nimmt vorzugsweise Wärme aus dem Erdreich als primäre Umweltwärmequelle auf. Der mindestens eine weitere Flüssigkeits-Kreislauf nimmt vorzugsweise Wärme aus einem Sonnenkollektor, einer Biogas-Einrichtung oder einem Abwassersystem als weiterer Umweltwärmequelle auf, wobei vorzugsweise insgesamt zwei weitere Flüssigkeits-Kreisläufe vorgesehen sind.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen über Pumpen gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf eine einzelne Pumpe zugeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen über Ventile gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf ein einzelnes Ventil zugeordnet ist.
Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass sie mit einem Temperatursensor versehen ist, wobei zusätzlich jedem Flüssigkeits-Kreislauf ein gesonderter weiterer Temperatursensor zugeordnet ist und jeder Temperatursensor über eine Signalverbindung mit der Regeleinrichtung verbunden ist und entsprechende Temperatur-Signale an die Regeleinrichtung liefert. Die Regeleinrichtung enthält dabei vorzugsweise einen Mikroprozessor, der von einem in einem elektronischen Speicher gespeicherten Programm gesteuert ist, wobei das Programm ausgelegt ist um die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen über die Pumpen so zu steuern, dass diejenige Flüssigkeit, deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem den geringsten Betrag aufweist, die höchste Fließgeschwindigkeit aufweist und diejenige Flüssigkeit, deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem den größten Betrag aufweist, die niedrigste Fließgeschwindigkeit aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit in dem ersten sowie dem mindestens einem weiteren Flüssigkeits-Kreislauf aus Wasser besteht, in dem das Salz Natriumpropinat (Salz der Propinsäure) gelöst ist. Dieses Salz hat gegenüber den gängigen Frostschutzmitteln wie beispielsweise Glykol die Wirkung einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit bzw. eines besseren Wärmetransportes aus der Flüssigkeit eines Flüssigkeits-Kreislaufes in einen Wärmetauscher. In der Salzlösung sind vorzugsweise auf 100 1 Wasser 25 kg Natriumpropinat gelöst.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer Salzlösung auch Natriumpropinat als Frostschutzmittel.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigen:
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht von schräg oben;
2 die in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsansicht.
Die in den 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße kälteseitige Wärmetauscher-Vorrichtung 100 enthält eine Wärmepumpe mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 120, 130, 140 zur Aufnahme der Wärme, die ein ersten Flüssigkeits-Kreislauf 120 von einer ersten Umweltwärmequelle 121 aufgenommen hat, sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem 150 zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 120, 130, 140 aufgenommenen Wärme, wobei erfindungswesentlich zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf 120 zwei weitere Flüssigkeits-Kreisläufe 130, 140 an das pumpenseitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem 150 angeschlossen sind, wobei die beiden weiteren Flüssigkeits-Kreisläufe 130, 140 die jeweils von weiteren Umweltwärmequellen produzierte Wärme aufnehmen, die eine von der ersten Umweltwärmequelle unabhängige Temperatur aufweisen, wobei eine Regeleinrichtung 200 vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe 120, 130, 140 so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 120, 130, 140 annähernd konstant gehalten ist.
Die Regeleinrichtung 200 regelt die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe 120, 130, 140 derart, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 120, 130, 140 auf einen Soll-Wert eingestellt ist, bei dem die Flüssigkeit 151 des pumpenzeitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem 150 eine maximale Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dadurch wird die Effektivität des Wärmetauschers optimiert.
Der erste Flüssigkeits-Kreislauf 120 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 nimmt Wärme aus dem Erdreich 121 als primäre Umweltwärmequelle auf. Die erste 130 der beiden weiteren Flüssigkeits-Kreislauf 130, 140 nimmt Wärme aus einem Sonnenkollektor 131 als weiterer Umweltwärmequelle auf, wohingegen die zweite 140 der beiden weiteren Flüssigkeits-Kreislauf 130, 140 Wärme aus einer Biogas-Einrichtung 141 als Umweltwärmequelle aufnimmt.
Die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten ist in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen 120, 130, 140 über Pumpen 122, 132, 142 gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf 120,130,140 eine einzelne Pumpe 122, 132, 142 zugeordnet ist. Des weiteren enthält die erfindungsgemäße Wärmetauscher-Vorrichtung 100 einen Temperatursensor 114 wobei zusätzlich jedem Flüssigkeits-Kreislauf 120, 130, 140 ein gesonderter weiterer Temperatursensor 123, 133, 143 zugeordnet ist und wobei jeder Temperatursensor 114, 123, 133, 143 über eine Signalverbindung 115, 124, 134, 144 mit der Regeleinrichtung 200 verbunden ist und entsprechende Temperatur-Signale an die Regeleinrichtung 200 liefert.
Die Regeleinrichtung 200 enthält einen nicht dargestellten Mikroprozessor, der von einem in einem elektronischen Speicher gespeicherten Programm gesteuert ist, wobei das Programm ausgelegt ist um die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen 120, 130, 140 über die Pumpen 122, 132, 142 so zu steuern, dass diejenige Flüssigkeit, deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 120, 130, 140 den geringsten Betrag aufweist, die höchste Fließgeschwindigkeit aufweist und diejenige Flüssigkeit, deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 120, 130, 140 den größten Betrag aufweist, die niedrigste Fließgeschwindigkeit aufweist.
Die Flüssigkeit 160 in dem ersten 120 sowie den beiden weiteren Flüssigkeits-Kreisläufen 130, 140 besteht aus Wasser, in dem das Salz Natriumpropinat (Salz der Propinsäure) gelöst ist. In der Salzlösung sind auf 100 l Wasser 25 kg Natriumpropinat gelöst.
Das oben erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich dem Zweck eines besseren Verständnisses der durch die Ansprüche definierten erfindungsgemäßen Lehre, die als solche durch das Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt ist.

Claims

Kälteseitige Wärmetauscher-Vorrichtung einer Wärmepumpe mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem zur Aufnahme der Wärme, die ein erster Flüssigkeits-Kreislauf von einer ersten Umweltwärmequelle aufgenommen hat, sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem aufgenommenen Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf (120) mindestens ein weiterer Flüssigkeits-Kreislauf (130, 140) an das pumpenseitige Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) angeschlossen ist, wobei der weitere Flüssigkeits-Kreislauf (130,140) die von einer weiteren Umweltwärmequelle produzierte Wärme aufnimmt, die eine von der ersten Umweltwärmequelle (121) unabhängige Temperatur aufweist, wobei eine Regeleinrichtung (200) vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufe (120, 130, 140) so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) annähernd konstant gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (200) die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufe (120, 130, 140) so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) auf einen Soll-Wert eingestellt ist, bei dem die Flüssigkeit des pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystems eine maximale Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf (120) Wärme aus dem Erdreich als erste Umweltwärmequelle (121) aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Flüssigkeits-Kreislauf (130, 140) Wärme aus einem Sonnenkollektor (131) als weiterer Umweltwärmequelle aufnimmt .
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Flüssigkeits-Kreisläufe (130, 140) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite weitere Flüssigkeits-Kreislauf (140) Wärme aus einer Biogas-Einrichtung als Umweltwärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite weitere Flüssigkeits-Kreislauf (140) Wärme aus einem Abwassersystem als Umweltwärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen über Pumpen (122, 132, 142) gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf (120, 130, 140) eine einzelne Pumpe zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen (120, 130, 140) über Ventile gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf ein einzelnes Ventil zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Temperatursensor (114) im pumpenseitigen Flüssigkeitszirkulationssystem (150) enthält, wobei zusätzlich jedem Flüssigkeits-Kreislauf (120, 130, 140) ein gesonderter weiterer, Temperatursensor (123, 133, 143) zugeordnet ist und jeder Temperatursensor (114, 123, 133, 143) über eine Signalverbindung (115, 124, 134, 144) mit der Regeleinrichtung (200) verbunden ist und entsprechende Temperatur-Signale an die Regeleinrichtung (200) liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (200) einen Mikroprozessor enthält, der von einem in einem elektronischen Speicher gespeicherten Programm gesteuert ist, wobei das Programm ausgelegt ist um die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeiten (160) in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen (120, 130, 140) über die Pumpen (122, 132, 142) so zu steuern, dass diejenige Flüssigkeit (160), deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) den geringsten Betrag aufweist, die höchste Fließgeschwindigkeit aufweist und diejenige Flüssigkeit (160), deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) den größten Betrag aufweist, die niedrigste Fließgeschwindigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (160) in dem ersten sowie dem mindestens einem weiteren Flüssigkeits-Kreislauf (120, 130, 140) aus Wasser besteht, in dem das Salz Natriumpropinat gelöst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Salzlösung auf 100 l Wasser 25 kg Natriumpropinat gelöst sind.
Verwendung der Salzlösung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 als Frostschutzmittel.