DE10306874A1 - Idealwärme - Wärmetausch Wärmepumpen (WP) und Kältemaschinen (KM) - Google Patents

Abstract

Idealwärme-Wärmetausch Wärmepumpe/Kältemaschine mit zusätzlichem Ideal-Wärmetauscher zur Steigerung der idealen Leistungszahl des Carnot-Prozesses durch Absenkung dT, der im Verdichter durch äußere Arbeit erzeugten dp/dT-Anhebung; DOLLAR A mit Gleitvorlauftemperatur-Regelung Wärmepumpe an Heizkreis für kontinuierlichen Dauerbetrieb und verringerte Umlaufverluste im Heizstrang; DOLLAR A in Kraft-Wärmekopplung mit Brennstoffzelle o. ä. unter Nutzung der Abwärme eingekoppelt in den Gleitvorlauftemperatur-Prozeß; DOLLAR A geregelt durch Gleitvorlauftemperatur-Regelelement im Heizstrang in Nachbildung der Wärmeverluste des ungünstigsten beheizten Raumes; DOLLAR A als Kältemaschine in Kopplung mit Brennstoffzelle unter Nutzung der Abwärme zur Anhebung der Verflüssiger-Temperatur; DOLLAR A Temperatur -gescannte- Erdsonde mit Ermittlung von Wärmegewinn-/Wärmeverluststrecken und Dämmung der Verluststrecken für kürzere Erdsonden-Bohrlänge; DOLLAR A fächerförmig von einem Zentralpunkt gebohrt; DOLLAR A Eisbasprengender Luftabsorber zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Luft auch unterhalb des Gefrierpunktes.

Description

• Wärme- und Kältepumpen arbeiten nach dem thermodynamischen Prinzip des Carnot-Kreisprozesses, theoretisch erarbeitet im Jahre 1824 vom Franzosen Nicolas Leonard Sadi Carnot.
• Die theoretisch idealen Leistungszahlen von Wärmepumpe (WP) und Kältemaschine (KM) liegen umso höher, je geringer die Temperaturdifferenz dT zwischen der Ansaugseite des Verdichters und der Abgabeseite des Verdichters ist, d.h. umso geringere äußere Arbeit zur Druck-/Temperaturerhöhung im Verdichter geleistet werden muß.
• Dieser Tatbestand führte dazu, daß die Wärmepumpe (WP) nur in Niedertemperatur-Heizkreislaufsystemen sich bisher wirtschaftlich durchsetzen konnte, in üblichen Bestands-Heizkreislaufsystemen mit 60°C-Heizkreislauftempertur der C.O.P von ca. 3.5 ein wirtschaftliches Vorteilsdenken nicht begründen konnte.
• Hohe Aufwendungen für Systeme zur Erdwärmegewinnung, z.B. aufwendige Erdsonden-Bohrungen und die im Stand der Technik unzureichende Leistungsfähigkeit von Luftabsorbern, welche unterhalb der Gefrierpunkt-Temperatur vereisen, wie auch die Tatsache, das fossil erzeugter Strom nur mit ca. 30% Wirkungsgrad des Primärenergie-Einsatzes von Kraftwerk zur Wärmepumpe übertragen wird, verhinderten im Stand der Technik die Nutzung des überzeugenden Konzeptes der Wärmepumpe in 60°C-Heizsystemen.
• Bekannt ist desweiteren, das Klimaanlagen-Kältemaschinen, Kühlschrank-Gefriereinrichtungen-Kältemaschinen einen hohen elektrischen Antriebs-Leistungsbedarf haben.
• Ziel der erfinderischen Gedanken war, Wärmepumpen (WP) und Kältemaschinen (RM) mit deutlich höheren idealen Leistungszahlen als im Stand der Technik üblich zu entwickeln, welche als Wärmepumpe (WP) auch wirtschaftlich in 60°C-Heizkreislaufsystemen einsetzbar sind und als Kältemaschine (KM) deutlich weniger Antriebsenergie verbrauchen.
• Hierzu wurden alle Einflußfaktoren der Energiegewinnung im Verdampfer, der Druck-/Temperaturanhebung im Verdichter, sowie der Bereitstellung äußerer Antriebsenergie und der Energieabgabe im Verflüssiger des Wärmepumpen/ Kältemaschinen-Kreisprozesses untersucht.
• Im Stand der Technik im 60°C-Heizkreislauf wird bei Heizvorlauf 60°C der Wärmestrom raumseitig über Thermostat geregelte Heizkörper auf bis zu 45°C im Rücklauf abgekühlt. Im Wärmepumpekreislauf werden diese ca. 45°C über das Expansionsventil auf ca. 2°C durch Druckabsenkung abgekühlt und in den Verdampfer (z.B. Erdsonde) eingespeist zur Aufnahme äußerer Energie aus Erdwärme oder Luft o.ä.. Nach Aufnahme äußerer Energie werden im Wärmepumpekreislauf ca. 7°C zum Verdichter transportiert, im Verdichter wird der Vorlauf aus Verdampfer T_zu durch Einsatz äußerer Antriebsenergie in Temperatur- und Druckniveau angehoben auf T_ab = 60°C im 60°C Heizkreislauf. Die Temperaturanhebung im Stand der Technik dT von 7°C auf 60°C beträgt 53°C, die ideale Leistungszahl im Carnot- Prozeß ist ca. 4.8 und im Stand der Technik werden unter Berücksichtigung von Prozeßverlusten C.O.P 3.0–4.0 erreicht.
• Die nachfolgend beschriebenen Idealwärme – Wärmetausch Wärmepumpen (WP) und Kältemaschinen tauschen nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik über Wärmetauscher vor dem Expansionsventil z.B. 45°C Wärmepumpenkreislauf gegen 7°C Wärmepumpenkreislauf nach Bodenwärmetauscher in der Weise, das nun der Wärmekreislauf ( Angabe ideal ohne Verluste ) mit ca. 7°C in das Expansionsventil eintritt und der Wärmekreislauf vor Eintritt in den Verdichter nach Wärmetausch gegen Heizrücklauf ca. 40°C (Angabe mit Verlusten) beträgt. Durch Einsatz äußerer Antriebsenergie wird nun das Temperatur- und Druckniveau angehoben auf T_ab = 60°C im 60°C-Heizkreislauf.
• Die Temperaturanhebung betrug im Stand der Technik 53°C, die Temperaturanhebung in der Idealwärme – Wärmetausch Wärmepumpe (WP) beträgt nur ca. 20°C , die ideale Leistungszahl (im Stand der Technik ca. 4.8) steigt im Carnot-Prozeß des idealen Gases auf ca. 20.0 an, d.h um den Faktor 4, was unter Berücksichtigung von Prozeß-Verlusten reale C.O.P von 12.0–16.0 erwarten läßt. Unter pessimistischen Annahmen geänderter Zustandsänderungen im Arbeitsgas von Wärmepumpe und Kältemaschine wird eine Mindesteinsparung beim Einsatz äußerer Energie von 50% erwartet zum Stand der Technik, d.h. mindestens die Verdoppelung des Wirkungsgrades.
• Während in 60°C-Heiztemperatur-Umlaufsystemen die Wärmeregulierung raumseitig über die Raumheizkörper und Thermostatventile erfolgt, wird der Wärmemengenstrom der Heizung über die Schaltzyklen/Brennerlaufzeiten geregelt. Geringer Wärmebedarf bedeutet viele Schalt- und Aussetz-Zeiten, ein Betriebsmodus, welcher für die Lebensdauer der Wärmepumpe schädlich ist.
• Zur Erzielung geringer Schaltzyklen und hoher Dauerbetriebsleistung wird die Regelung im Heizkreis auf Gleitvorlauftemperatur umgestellt. Ist ein 60°C-Heizkreislauf bemessen auf –20°C Aussentemperatur/+21°C Innentemperatur reichen z.B. 45°C-Heizvorlauftemperatur bei –2°C Aussentemperatur/+21°C Innentemperatur aus. Mit dieser Regelung wird Überheizung von Räumen verhindert, werden Umlauf- und Bereitstellungsverluste der Heizsysteme im Stand der Technik minimiert. Die Wärmepumpe arbeitet ständig im schonenden Dauerbetrieb und variiert die Vorlauftemperatur zwischen 20°C und 60°C nach Erfordernis des zu liefernden Wärmemengenstromes.
• In Regionen mit Versorgung aus fossil erzeugtem Strom, welcher einen ca. 3-fachen Primärenergieeinsatz verursacht, bietet sich die Kraft-Wärme-Kopplung Wärmepumpe an.
• Ob Brennstoffzelle, oder Kleinkraftwerk, die Abwärme wird in den Wärmepumpenkreislauf eingekoppelt.
• Als Zukunftslösung bietet sich hierbei die Brennstoffzelle an, welche Strom für den Antrieb des Verdichters liefert und die Abwärme, so größer 60°C direkt hinter dem Verdichter in den Wärmepumpenkreislauf einspeist.
• Eine weitere Optimierung für wechselwarme Breiten liegt in gekoppelter Nutzung von Erdwärme und Luftwärme, d.h. z.B. Erdsonde und Luftabsorber, welche in zentralen Wärmebehälter mit Vorrang einspeisen Luft unter 7°C = Einspeisung Erdwärme Luft über 7°C = Einspeisung Luftwärme. Bei dieser Lösung variiert die Vorlauftemperatur vor Eintritt in den Verdichter stark von ca. 7°C–60°C. Es bedarf nun geeigneter Regelelemente, welche sowohl variierende Vorlauftemperatur, als auch Betriebs-Gleitvorlauftemperatur, wie auch Bereitstellung WW über den Wärmepumpenkreislauf regeln können.
• Hierfür wird die vollmodulierte Wärmepumpe eingesetzt, welche über Drehzahländerung bei Kolben-, Turbo- und Scroll-Verdichtern das Druck- und Temperaturniveau verändern kann, technisch z.B. darstellbar über Gleichstrom-Antriebsmotor mit Spannungs-/Drehzahlregelung.
• Einzige Messgröße ist die erforderliche Temperatur – im Heizkreislauf oder zur Warmwasserversorgung.
• Liegt die Temperatur zu hoch, wird die Drehzahl (Druck-/ Temperatur) gesenkt, ist die Temperatur zu niedrig, wird die Drehzahl (Druck-/Temperatur) erhöht.
• Die notwendige Vorlauftemperatur bei der Heizung wird anhand des am schlechtesten mit Heizwärme versorgten Raumes ermittelt: Raumwärmeverluste bei Aussentemperatur/Innentemperatur 21°C zzgl. 2°C Nachheiz-Lüftungsverluste = 23°C Diese Regelungstemperatur im Bezugsraum gilt es wie vor stets zu erreichen, Nachtabsenkung möglich.
• Weil bei Messung im Bezugsraum Störparameter durch in dividuelle Nutzung möglich sind, wird der Bezugsraum durch ein Bezugsgrößen Regelelement ersetzt, welches einem definierten Wärmeübergang vom Heizkreislauf an die Messkammer einen in Messgrößen variablen Wärmespaltübergang an Aussentemperatur gegenüberstellt, welcher der Abbildung der Verhältnisse des am schlechtesten mit Heizwärme versorgten Raumes entspricht. Die Temperatur der Messkammer ist Regelungsparameter für die Drehzahl/ Druck/Temperatur im Verdichter.
• Die Idealwärme-Wärmetausch Wärmepumpe mit Gleitvorlauf temperaturregelung mit max. zul. Raumtemperatur 23°C ist in 60°C-Heizvorlauftemperatur-Systemen problemlos einsetzbar, wie auch in Niedertemperatur-Systemen. Wärmequellen jeder Art können zusätzlich genutzt werden (Brennstoffzellenabwärme, Solarwärme, sonst. Abwärme, Heizungswärme, Abwasserwärme etc.)
• Die niedrige Druckanhebung/Temperaturanhebung im Verdichter begünstigt die Verwendung des umweltfreundlichen Kältemittels CO².
• Es wird erwartet, das Brennstoffzellen-Idealwärme-Wärmetausch Wärmepumpen mit Gleitvorlauftemperatur 21°C/23°C im Vergleich zu Brennwert-Heizungen Wirkungsgrad 120%/ 60°C Vorlauftemperatur mindestens 759 Primärenergie-Einsparung/CO²-Emissions-Einsparung bringen.
• Desweiteren sind noch optimierte, preiswerter zu erstellende Erdsonden und auch unterhalb des Gefrierpunktes nutzbare Luftwärmeabsorber beschrieben.
• Der Patentanspruch zu 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  in den Wärmekreislauf von Wärmepumpen/Kältemaschinen, welche nach dem Carnot-Rreisprozeß arbeiten,
  ein zusätzlicher Idealwärme-Wärmetauschprozeß eingebaut wird in der Weise, das vor dem Expansionsventil die Rücklaufwärme des Verflüssigers getauscht wird gegen die vor Eintritt in den Verdichter im Verdampfer zulaufende Wärme. Dieses bedeutet: (Beispiele)
  60°C Heizkreislauf/45°C Heizrücklauf/7°C Boden
  Stand der Technik: 45°C Rücklauf an Expansionsventil/
  2°C nach Expansionsventil
  Bodenwärmeaufnahme 7°C nach Verdampfer
  Verdichteranhebung 60°C nach Verdichter ges: +53°C
  Idealwärme-Wärmetausch: 45°C Rücklauf gegen Boden getauscht
  7°C an Expansionsventil
  2°C nach Expansionsventil
  Bodenwärmeaufnahme 7°C nach Verdampfer getauscht
  Rücklauftauscher 45°C vor Eintritt Verdichter
  Verdichteranhebung 60°C nach Verdichter ges.: +15°C
  –18°C Kühlkälte/Verdichteranhebung auf +30°C
  Stand der Technik: 25°C vor Expansionsventil
  –25°C nach Expansionsventil
  Rühlkälteaufnahme –18°C nach Verdampfer
  Verdichteranhebung 30°C nach Verdichter ges.: +48°C
  Verflüssigerwärmeabgabe 25°C nach Verflüssiger
  Idealwärme-Wärmetausch: 25°C vor Expansionsventil gegen Zulauf Verdichter getauscht
  –18°C vor Expansionsventil
  –25°C nach Expansionsventil
  Kühlkälteaufnahme –18°C nach Verdampfer
  Rücklauftauscher +25°C vor Eintritt Verdichter
  Verdichteranhebung +30°C nach Verdichter ges.: +5°C
  Verflüssigerwärmeabgabe 25°C nach Verflüssiger
  (alle Angaben nur beispielhaft ohne Verlustberücksichtigung zur Verdeutlichung)
• In beiden Beispielen wurde die ideale Leistungszahl des Carnot-Prozesses deutlich gesteigert.
• Der Zusatz-Patentanspruch 1.1 ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  zur Erzielung eines kontinuierlichen Dauerbetriebes ohne häufige Schaltwechsel zur Verlängerung der Lebensdauer unter weiterer Steigerung der Leistungszahl die Wärmepumpe mit Gleitvorlauftemperatur-Regelung betrieben wird.
• Hierzu ist erforderlich, je nach Typ des Verdichters Maßnahmen zu ergreifen, welche Druck-/Temperaturänderungen im Betrieb des Verdichters zulassen. Für Kolbenverdichter, Turboverdichter u.ä. kann der Volumendurchsatz mit nachfolgender Druck-/Temperaturänderung im Verflüssiger bei gleichem Auslaßquerschnitt im Expansionsventil durch Drehzahländerung des Antriebes herbeigeführt werden, z.B. mit regelbaren Gleichstrom-E-Motoren oder anderen regelbaren externen Antriebsquellen.
• Der Zusatz-Patentanspruch 1.2 ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  in Regionen mit Stromversorgung aus fossilen Kraftwerken, deren Primärenergieeinsatz deutlich über dem am Verbraucher Wärmepumpe abrufbarem Leistungseinsatz liegt, der erforderliche Wärmepumpenstrom über Stromerzeugungsanlagen, wie Brennstoffzellen, Klein-Blockkraftwerke o.ä. erzeugt werden kann, deren Abwärme dem Wärmepumpenkreislauf vor und/oder nach dem Verdichter als Zusatzwärmeenergie zugeführt werden kann.
• Die Kraft-Wärmekopplung-Wärmepumpe erhöht die Leistungszahl und senkt den Primärenergieverbrauch.
• Der Zusatz-Patentanspruch 1.3 ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  Gleitvorlauftemperatur-Regelungselemente in den Wärmepumpen/Kältemaschinen Kreislauf integriert werden, welche am Verflüssiger ( Kältemaschine )/im Heizkreislauf nach Austritt Verflüssiger vor Eintritt in Heizkörper erforderliche Vorlauftemperatur der Wärmepumpe/Kältemaschine und zusätzlicher Wärmequellen regeln.
• Während bei der Kältemaschine handelsübliche Sensoren die Temperatur des wärmeaufnehmenden Mediums Luft/Boden o.ä. messen und die Mindesttemperatur-Differenz zur Ableitung der erforderlichen Wärmemenge aufgeschlagen wird, als Bezugs-Leistungstemperatur Kältemaschine (Stand der Technik/ kein Patentanspruch), ist für die Wärmepumpe mit Gleit vorlauftemperatur ein Regelungselement erforderlich, welches die Verhältnisse von Transmissionsverlusten Hüllflächen zu Wärmeabgabe Heizflächen im ungünstigsten Raum des Heizkreislaufes nachbildet.
• Das Regelungselement besteht aus dem Heizstrangrohr – gedämmt – mit definiertem Wärmeübergang auf Länge des Regelungselementes. Um das Heizrohr angeordnet ist die Messkammer, z.B, als Doppelrohr – gedämmt – ausgebildet, oder als anderer Hüllkörper – gedämmt –, dessen Hüllfläche gegen Aussentemperatur gerichtet ist.
• Die Dämmung des äusseren Hüllkörpers kann z.B. über Verschiebung mit Spaltbildung , oder Anpassung des Dämmwertes variiert werden.
• Kalibriert wird das Gleitvorlauftemperatur-Regelungselement, indem wie vorher beschrieben, der ungünstigste Raum des Heizkreises bestimmt wird durch Ermittlung des Quotienten Transmissionswärmeverluste Hüllflächen/Wärmeabgabe Heizfläche bei voller Ventilöffnung = max. Wärmeabgabe. Dieser Quotient wird auf das Regelungselement übertragen zu Transmissionswärmeverluste Aussenhülle – veränderbar –/ zu Wärmeübergang Heizstrangrohr – gedämmt – an Messraum = konstante Größe. Die Anpassung erfolgt über Veränderung des Dämmwertes Aussenhülle, z.B. über definierte Spaltbildung mit bekanntem Wärmeübergang/Flächeneinheit.
• Die Temperatur der Messkammer wird gemessen und ist festgelegt als Raum-Soll-Heiztemperatur (z.B. 21°C) zzgl. Lüftungswärmeausgleich (z.B. +2°C).
• Patentanspruch zu 2. ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  Erdsonden gebohrt werden unter Aufnahme des Erdwärme-Temperatur-Profiles der Schichtung/Grundwasserleiter am Bohrort.
• Im Gegensatz zur Faustformel-Bohrung im Stand der Technik wird die genauere Erwdwärmesituation über die Bohrtiefe mit der Erstbohrung gescannt, womit Näherungsparameter für Temperatur und Wärmequellenfluss vorliegen.
• Über die Parameter/Wärmeübergang an Transportflüssigkeit im Erdsondenrohr und maximal möglichen Wärmetransport bei gewähltem Pumpendurchsatz für Betrieb wird individuell für die Bohrung festgelegt:
  ... optimale Bohrtiefe
  ... erforderliche Bohrlochzahl bei optimaler Bohrtiefe
  ... Wärmeflußdiagramm des Transportflüssigkeits-Kreislaufes mit Wärmegewinnen und Wärmeverlusten als Abgabe aufgenommener Wärme an Boden
  ... Dämmung der Verluststrecken im Transportkreislauf zur Verlustweg-Reduzierung
  Ergebnis sind kürzere, wirtschaftlicher zu erstellende Bohrlochsonden.
• Patentanspruch zu 2.1 ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  Anstelle, wie im Stand der Technik, Einzelbohrungen mit Umsetzen des Bohrgerätes und Verbindung der Bohrlochköpfe, das Bohrgerät mit verschwenkbarem Bohrkopf/Bohrgestänge, fächerförmige Bohrungen vom Zentral-Erschließungspunkt in Raumstruktur oder Ebenenstruktur ausführt.
• Zulauf-/Ablaufstrecken der Erdsonden im Wärmegewinn-Überschneidungsbereich im oberen Teil der Sonden nahe Erschließungspunkt werden wärmegedämmt, um Bodenvereisung durch zu hohe Wärmeaufnahme zu verhindern.
• Der zentrale Sammelpunkt kann als gedämmter Wärmetauscher ausgeführt werden, welcher gleichzeitig bei vorhandener Luftabsorber-/Kollektoranlage, als Mischkammer dient, wobei bevorzugt immer der angeschlossene Wärmegewinnkreislauf mit dem höchsten Temperaturangebot den Wärmetauscher anspeist.
• Der zentrale Sammelpunkt und/oder Wärmetauscher kann als Fundament für die Wärmepumpe und/oder Brennstoffzelle bei Aussenaufstellung dienen.
• Der Patentanspruch zu 3. ist dadurch gekennzeichnet, dass:
  Ein Luftabsorber mit flexibler Tauschfläche, welche über Innendruck- oder mechanische Veränderung des Oberflächen-Krümmungsradius sich bildende starre Eisablagerungen absprengen kann, da diese in Haftung nicht mehr dem sich verändernden Krümmungsradius folgen kann und durch Gravitation/Eigengewicht sich ablöst. Wird zum Beispiel ein aus flexiblen Platten mit geschlossenem Innenraum, welche z.B. durch CO²-Gas aufgeblasen wird, ein im Krümmungsradius veränderbarer – eisabsprengender Wärmetauscher – gebaut, kann dieser bis zur Siedetemperatur (CO²/–56°C ) des Arbeitsgases betrieben werden.

Claims (3)

1. Idealwärme-Wärmetausch Wärmepumpen (WP) und Kältemaschinen (KM) mit gesteigerten Leistungszahlen 1.1 mit Gleitvorlauftemperatur-Regelung Wärmepumpe (WP) 1.2 in Kraft-Wärmekopplung Wärmepumpe (WP) 1.3 mit Gleitvorlauftemperatur-Regelungselementen 1.4 in Kraft-Wärmekopplung Kältepumpe (KM)
2. Temperatur-gescannte Erdwärmesonden mit Verlustweg-Reduzierung 2.1 in fächerförmiger Mehrsonden-Bohrung als Raumstruktur von zentralem Erschließungspunkt erstellt.
3. Eisabsprengende Luftabsorber zur Umweltwärmegewinnung aus Luft auch unterhalb des Gefrierpunktes