DE10339066B4

DE10339066B4 - Wärmepumpen-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10339066B4
Application number: DE2003139066
Authority: DE
Inventors: Robert Staiger
Original assignee: Individual
Current assignee: STAIGER, ROBERT, 88400 BIBERACH, DE
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: DE10339066A1

Abstract

Wärmepumpen-Vorrichtung (100) mit einem elektrisch betriebenen Verdichter (300) sowie einer Wärmetauschereinrichtung mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) zur Aufnahme der Wärme eines von mindestens einer ersten Wärmequelle (121) gespeisten ersten Flüssigkeits-Kreislaufs (120) sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) aufgenommenen Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf (120) einen weiteren Flüssigkeits-Kreislauf (130) enthält, dem die von einer Brennstoffzelle (131) produzierte Wärme zugeführt ist, wobei der Verdichter (300) mindestens teilweise von in der Brennstoffzelle produzierter Elektrizität getrieben ist, wobei eine Regeleinrichtung (200) vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufe (120, 130) so regelt, dass die Gesamttemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) konstant gehalten ist.

Description

Die Erfindung eine Wärmepumpen-Vorrichtung mit einem elektrisch betriebenen Verdichter sowie einer Wärmetauschereinrichtung mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem zur Aufnahme der Wärme eines von mindestens einer ersten Wärmequelle gespeisten ersten Flüssigkeits-Kreislaufs sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem aufgenommenen Wärme.
Wärmepumpen-Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden im Stand der Technik verwendet, um in großer Menge vorhandene, allerdings für eine Nutzung durch den Menschen zu niedrig bemessene Umweltwärme in der Weise zu nutzen, dass die Temperatur von Umweltwärme aufnehmenden Gasen durch deren Komprimierung so weit erhöht wird, dass die so gewonnene Wärme durch den Menschen nutzbar ist. Die bekannten Wärmepumpen-Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass ihr Betrieb und ihre Effektivität insbesondere im Hinblick auf eine Nutzung nachhaltig betreibbarer Wärmequellen und Mittel noch nicht optimiert ist.

Aus DE 199 25 443 A1 ist eine autarke Heizklimaanlage mit einer als Strom- und Wärmequelle wirkenden Brennstoffzelle bekannt, wobei ein der Brennstoffzelle zugeordneter Kühlmittelkreis zum Zweck einer Steigerung der Effektivität der Brennstoffzelle zumindest einen Nutzwärmetauscher beaufschlagt.

Aus DE 101 52 233 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit und einem der Brennstoffzelleneinheit zugeordneten ersten Kühlkreislauf bekannt, wobei eine Kühlung des Brennstoffzellensystems auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen dadurch ermöglicht ist, dass im Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinheit eine Wärmepumpe mit ihrer Primärseite zum Kühlen des Kühlkreislaufs angeordnet ist, und mit ihrer Sekundärseite über einen weiteren Kühlkreislauf mit einer Kühlkomponente und/oder einer Temperierkomponente verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpen-Vorrichtung zu schaffen, deren Betrieb und Effektivität durch Einsatz nachhaltiger Mittel verbessert ist.

Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf einen weiteren Flüssigkeits-Kreislauf enthält, dem die von einer Brennstoffzelle produzierte Wärme zugeführt ist, wobei der Verdichter mindestens teilweise von in der Brennstoffzelle produzierter Elektrizität getrieben ist, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufe so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem konstant gehalten ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Merkmalskombination, dass das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf einen weiteren Flüssigkeits-Kreislauf enthält, dem die von einer Brennstoffzelle produzierte Wärme zugeführt ist, wobei der Verdichter mindestens teilweise von in der Brennstoffzelle produzierter Elektrizität getrieben ist, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufe so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem konstant gehalten ist, erreicht, dass eine Vorrichtung geschaffen ist, bei der zum einen die bei dem Betrieb einer Brennstoffzelle produzierte Wärme in einer Weise nutzbar ist, als sie in das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem einbringbar ist, und bei der zum anderen die für einen Komprimierungsvorgang der Gase notwendige Energie mindestens teilweise als von der Brennstoffzelle gelieferte elektrische Energie verwendbar ist. Die Kombination von Wärmepumpe mit Brennstoffzelle bringt dabei eine Verbesserung der Effektivität der Wärmepumpe mit nachhaltigen Mitteln.

Aufgrund der mittels der Regeleinrichtung bewirkten 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, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Temperatur am Wärmetauscher bzw. in den Flüssigkeits-Zirkulationssystemen des Wärmetauschers erreichbar oder zumindest annäherbar, bei der der Wärmetauscher eine maximale Effektivität zeitigt.

Die im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpen-Vorrichtung verwendete Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle ausgelegt, wobei diese vorzugsweise für einen Betreib mit Wasserstoffelektrolyse und für einen Temperaturbereich von 0,5° C bis 50° C ausgelegt ist. Des weiteren ist die Membrane der Brennstoffzelle vorzugsweise als Membran einer PEMFC (Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle) ausgelegt. Alternativ kann die Membrane der Brennstoffzelle auch gemäß einer AFC (alkalische Brennstoffzelle) oder einer PAFC (Phosphorsäure Brennstoffzelle) ausgelegt sein.

Es versteht sich, dass die von der Brennstoffzelle produzierte Wärme in aller Regel eine von der ersten Wärmequelle unabhängige Temperatur aufweist.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf Wärme aus dem Erdreich als primärer Wärmequelle aufnimmt. Alternativ kann jedoch vorgesehen sein, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf Wärme aus einem Sonnenkollektor als primäre Wärmequelle aufnimmt oder Wärme aus einer Biogas-Einrichtung als primäre Wärmequelle aufnimmt oder auch Wärme aus einem Abwassersystem als primäre Wärmequelle aufnimmt. Eine Kombination dieser Wärmequellen kann dabei besonders vorteilhaft sein.

Insbesondere ist dabei 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.

Die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen wird vorzugsweise über Pumpen gesteuert, 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 wird, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf ein einzelnes Ventil zugeordnet ist.

Gemäß einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Vorrichtung ist vorgesehen, dass diese 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.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, die in der Figur der Zeichnung dargestellt ist. Darin zeigt:
1 Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsansicht.
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Wärmepumpen-Vorrichtung 100 enthält einen elektrisch betriebenen Verdichter 300 sowie eine Wärmetauschereinrichtung mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem zur Aufnahme der Wärme eines von mindestens einer ersten Wärmequelle 121 gespeisten ersten Flüssigkeits-Kreislaufs sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem aufgenommenen Wärme, wobei erfindungswesentlich das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem 150 zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf 120 einen weiteren Flüssigkeits-Kreislauf 130 enthält, dem die von einer Brennstoffzelle 131 produzierte Wärme zugeführt ist, und wobei der Verdichter 300 mindestens teilweise von in der Brennstoffzelle 131 produzierter Elektrizität getrieben ist.
Die Brennstoffzelle 131 der dargestellten erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Vorrichtung 100 ist als Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle für einen Betrieb mit Wasserstoffelektrolyse und für einen Temperaturbereich von 0,5° C bis 50° C ausgelegt ist. die Membrane der Brennstoffzelle ist als Membran gemäß einer PEMFC (Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle) ausgelegt.
Der erste Flüssigkeits-Kreislauf 120 der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Vorrichtung 100 nimmt Wärme aus dem Erdreich als primäre Wärmequelle 121 auf.
Die dargestellte erfindungsgemäße Wärmetauscher-Vorrichtung 100 enthält eine Regeleinrichtung 200, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe 120, 130 so regelt, dass die Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 150 konstant auf einen Soll-Wert eingestellt ist, bei dem die Flüssigkeit des pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystems eine maximale Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen ist dabei über Pumpen 122, 132 gesteuert, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf 120, 130 eine einzelne Pumpe zugeordnet ist.
Die dargestellte Wärmetauscher-Vorrichtung 100 enthält einen Temperatursensor 114, wobei zusätzlich jedem Flüssigkeits-Kreislauf 120, 130 ein gesonderter weiterer Temperatursensor 123, 133 zugeordnet ist und jeder Temperatursensor 114, 123, 133 über eine Signalverbindung 115, 124 134 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 160 in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen 120, 130 über die Pumpen 122, 132 so zu steuern, dass diejenige Flüssigkeit 160, deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur bzw. die Mischtemperatur am peripheren 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 peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem 150 den kleinsten Betrag aufweist, die niedrigste Fließgeschwindigkeit aufweist.
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

Wärmepumpen-Vorrichtung (100) mit einem elektrisch betriebenen Verdichter (300) sowie einer Wärmetauschereinrichtung mit einem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) zur Aufnahme der Wärme eines von mindestens einer ersten Wärmequelle (121) gespeisten ersten Flüssigkeits-Kreislaufs (120) sowie einem pumpenseitigen Flüssigkeits-Zirkulationssystem zum Abtransport der von dem peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) aufgenommenen Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) zusätzlich zu dem ersten Flüssigkeits-Kreislauf (120) einen weiteren Flüssigkeits-Kreislauf (130) enthält, dem die von einer Brennstoffzelle (131) produzierte Wärme zugeführt ist, wobei der Verdichter (300) mindestens teilweise von in der Brennstoffzelle produzierter Elektrizität getrieben ist, wobei eine Regeleinrichtung (200) vorgesehen ist, die die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufe (120, 130) so regelt, dass die Gesamttemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) konstant gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet„ dass die Brennstoffzelle (131) als Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet„ dass die Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle für einen Betrieb mit Wasserstoffelektrolyse ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrig-Temperatur-Brennstoffzelle für einen Temperaturbereich von 0,5° C bis 50° C ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane der Brennstoffzelle (131) gemäß einer Polymerelektrolytmembran ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane der Brennstoffzelle (131) gemäß einer alkalischen Brennstoffzelle ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane der Brennstoffzelle (131) gemäß einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Brennstoffzelle (131) produzierte Wärme eine von der ersten Wärmequelle (121) unabhängige Temperatur aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf (120) mindestens teilweise Wärme aus dem Erdreich als primäre Wärmequelle (121) aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf (120) mindestens teilweise Wärme aus einem Sonnenkollektor als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf (120) mindestens teilweise Wärme aus einer Biogas-Einrichtung als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flüssigkeits-Kreislauf (120) mindestens teilweise Wärme aus einem Abwassersystem als primäre Wärmequelle aufnimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (200) die Fließgeschwindigkeit der einzelnen Kreisläufe (120, 130) so regelt, dass die Gesamttemperatur am peripheren 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 Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten (160) in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen (120, 130) über Pumpen (122, 132) gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf (120, 130) eine einzelne Pumpe (122, 132) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten (160) in den einzelnen Flüssigkeits-Kreisläufen (120, 130) über Ventile gesteuert ist, wobei jedem Flüssigkeits-Kreislauf ein einzelnes Ventil zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das periphere Flüssigkeits-Zirkulationssystem einen Temperatursensor (114) enthält, wobei zusätzlich jedem Flüssigkeits-Kreislauf (120, 130) ein gesonderter weiterer Temperatursensor (123, 133) zugeordnet ist und jeder Temperatursensor (114, 123, 133) über eine Signalverbindung (115, 124, 134) mit der Regeleinrichtung (200) verbunden ist und entsprechende Temperatur-Signale an die Regeleinrichtung (200) liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 16, 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) über die Pumpen (122, 132) so zu steuern, dass diejenige Flüssigkeit (160), deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) den geringsten Betrag aufweist, die höchste Fließgeschwindigkeit aufweist und diejenige Flüssigkeit (160), deren Temperaturunterschied zum Soll-Wert der Gesamttemperatur am peripheren Flüssigkeits-Zirkulationssystem (150) den größten Betrag aufweist, die niedrigste Fließgeschwindigkeit aufweist.