DE1085637B

DE1085637B - Anlage zur Beheizung eines Gebaeudes

Info

Publication number: DE1085637B
Application number: DEC5916A
Authority: DE
Inventors: Martin William Richard Capps; Nina Constance Capps; Arthur William Francis Capps
Original assignee: ARTHUR WILLIAM FRANCIS CAPPS; MARTIN WILLIAM RICHARD CAPPS; NINA CONSTANCE CAPPS
Current assignee: ARTHUR WILLIAM FRANCIS CAPPS; MARTIN WILLIAM RICHARD CAPPS; NINA CONSTANCE CAPPS
Priority date: 1951-06-04
Filing date: 1952-05-30
Publication date: 1960-07-21
Also published as: GB705691A; US2860493A; NL89878C; FR1058062A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Beheizung, bei der die Wärme mittels einer Wärmepumpenanlage geliefert wird. Diese Anlage enthalt einen Verdichter, einen Wärmeaustauscher zur Aufnahme von Wärme aus der Atmosphäre, der als Verdampfer wirkt und so eingerichtet ist, daß er die aufgenommene Wärme dem Arbeitsmittel vor dessen Verdichtung zuführt; schließlich enthält die Anlage auch einen Wärmeaustauscher, der die Wärmeverbraucher speist und an die Auslaßseite des Verdichters angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Anlage in der Weise zu verbessern, daß sie im Sommer aus der Atmosphäre und im Winter aus dem Erdboden Wärme aufzunehmen in der Lage ist, wobei die Temperatur des Erdbodens dadurch höher als normal ist, daß in ihm ein Wärmespeicher untergebracht wird, in dem während des Sommers, wenn er als Kondensator für das Arbeitsmittel dient, Wärme gespeichert wird.

Die Erfindung betrifft demnach eine Anlage zur Beheizung eines Gebäudes, die aus einem Wärme aus der Umgebung aufnehmenden Wärmeaustauscher, einem Wärme an den als Wärmespeicher verwendeten Erdboden übertragenden Wärmeaustauscher und einer Wärmepumpe besteht, die die Wärme auf das für die Wärmeverbraucher notwendige Temperaturniveau hebt. Dabei besteht die Erfindung darin, daß die Wärmepumpe der Umgebung die jeweils verfügbare Wärme entzieht, auf das für die Wärmeverbraucher erforderliche Temperaturniveau hebt und die jeweils überschüssige Wärmemenge dem im Erdboden unter dem Gebäude angeordneten Wärmespeicher und dem ihn umgebenden Erdreich zuführt, wobei die Wärmespeicheranlage so groß bemessen ist, daß sie den Jahresbedarf an Speicherwärme aufzunehmen vermag, und wobei am Umfang des Speicherbereichs des Erdreiches Wärmeaustauscher vorgesehen sind, durch die die aus dem Speicherbereich abströmende Wärme der Wärmepumpe zugeführt werden kann, wofür ein Ventil in der Zuleitung dieser. Wärmeaustauscher vorgesehen ist, das zum wahlweisen Anschluß dieser Wärmeaustauscher an die Wärmepumpe an Stelle des Wärme aus der Umgebung aufnehmenden Wärmeaustauschers dient.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels und aus den Unteransprüchen hervor.

Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, daß eine Beheizungsanlage mit einer Wärmepumpe und einem Wärmespeicher bekanntgeworden ist, aber hierbei wird lediglich eine Erhöhung der Anlage zur Beheizung eines Gebäudes

Anmelder:

Martin William Richard Capps,

Nina Constance Capps
und Arthur William Francis Capps,
ίο Wingfield Cottage, Edgcumbe, Crowthorne, Berkshire (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 4. Juni und 5. Juli 1951

Martin William Richard Capps, Nina Constance Capps

und Arthur William Francis Capps,
Wingfield Cottage, Edgcumbe, Crowthorne, Berkshire

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

Temperatur durch ein zweistufiges Hochpumpen der Wärme erzielt.

In der Zeichnung ist eine typische, für Haushaltzwecke geeignete Einrichtung nach der Erfindung als Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt schematisch und im Schnitt ein Gebäude und veranschaulicht die einzelnen Bestandteile sowie die Rohrleitungen der Wärmepumpe in schematischer Darstellung;

Fig. 2 bis 7 zeigen bauliche Einzelheiten der Einrichtung zum Teil in größerem Maßstab;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Gebäude und veranschaulicht die einzelnen Teile der Einrichtung, die teils in dem Gebäude, teils in dem darunter befindlichen Erdboden untergebracht sind;
Fig. 3 zeigt im Schnitt und in Seitenansicht das obere Ende eines eine Windmühle tragenden Mastes, der einen Verdunster aufweist;

Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3; Fig. 5 zeigt im Mittellängsschnitt den Verdichter; Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 5; Fig. 7 zeigt im Mittellängsschnitt eine Pumpe, mit deren Hilfe das Kondensat sowie Luft aus dem System abgezogen werden können; in

Fig. 8 ist ein Wärmediagramm dargestellt.

Q09 567/20

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die Wärmepumpeneinrichtung aus einem in der Atmosphäre arbeitenden Verdunster 10, einem Verdichter 11, einem bei hoher Temperatur arbeitenden Wärmespeicher 12, einem Zwischenwärmespeicher 13 und einem bei niedriger Temperatur arbeitenden Wärmespeicher, der aus einem großen Behälter 14 gebildet wird.

Dieser Behälter ist im Erdboden 15 unterhalb des Gebäudes 16 eingegraben und enthält eine bestimmte Menge Wasser 17. Eine Pumpe 18 im oberen Teil des Behälter 14 dient dazu, überschüssiges Wasser und mitgeführte Luft aus dem Behälter abzuziehen und Luft und Wasser über eine Leitung 19 abzuführen; außerdem dient die Pumpe dazu, einen bestimmten Unterdruck im Behälter 14 aufrechtzuerhalten. Poröse Rohre 20, die an ihren Enden verschlossen sind, liegen in dem Erdboden rings um den Behälter 14 herum.

Die Saugseite des Kompressors 11 ist mit dem Verdunster 10 verbunden; in Fig. 1 ist diese Verbindung als ein Rohr 23 veranschaulicht (vgl. jedoch die Fig. 2 und 5 und die dazugehörige Beschreibung). Die Saugseite des Kompressors ist mittels eines Rohres 24, in dem ein Absperrhahn 22 liegt, mit einer Ringleitung 21 verbunden, an die Rohre 21a angeschlossen sind. Diese Rohre liegen in der Achse der porösen Rohre 21 unter Belassung eines ringförmigen Spaltes. Dort, wo die Rohre 21 α in die Röhren 20 eingeführt sind, ist eine Abdichtung vorgesehen, wogegen die unteren Enden der Rohre 21a offen sind. Eine an die Auslaßseite des Verdichters angeschlossene Rohrleitung 25 nimmt den vom Verdichter kommenden Dampf auf; die Leitung führt über die Wärmespeicher 12 und 13, mit denen sie in Wärmeaustauschbeziehung steht, über ein Druckregel- bzw. Drosselventil 26 in den Behälter 14. Ein Rohr 27, das das untere Ende des Verdunsters 10 mit dem unteren Teil des Behälters 14 verbindet, führt nichtverdunstetes Wasser ab, das sich am Boden des Verdunsters ansammelt, und führt dieses in den Behälter 14. Infolge der Druckdifferenz zwischen den Dampfräumen oberhalb des Wassers im Behälter 14 und dem Innern des Verdunsters 10 steigt das Wasser in dem Rohr 27; daher muß der Verdunster hoch genug über dem Behälter angeordnet sein, damit die Wassersäule den Verdunster nicht erreichen kann. Wenn dieser notwendige Höhenunterschied nicht eingehalten werden kann, so muß eine Saugpumpe vorgesehen werden, um das nicht verdunstete Wasser aus dem Verdunster abzuziehen; das Rohr 27 kann dann fortfaJ-len. Die Einrichtung weist ferner einen offenen Speisewasserbehälter 28 auf, von dem aus der Verdunster 10 gespeist wird, und zwar mit Hilfe nachstehend noch zu beschreibender Mittel. Der Behälter 28 wird über eine Rohrleitung 29 aus einem Brunnen 30 gespeist; um das Wasser aus diesem Brunnen in den Behälter zu fördern, ist bei der dargestellten Einrichtung ein Injektor üblicher Form vorgesehen, der durch das Rohr 19 mit Hilfe der Pumpe 18 mit Wasser gespeist wird, die mit Luft vermischt ist, welche Unteratmosphärendruck hat.

Der Verdichter 11, der in Fig. 1 nicht an der richtigen Stelle veranschaulicht ist, um diese Abbildung deutlicher zu machen, ist mittels einer Windmühle 32 antreibbar. Die Antriebsverbindung zwischen der Windmühle und dem Verdichter ist in den Fig. 2 und 5 veranschaulicht und wird weiter unten beschrieben. Der Verdunster 10 besteht aus einem rohrförmigen Mast, der die Windmühle trägt und selbst drehbar oben auf dem Gebäude 16 angeordnet ist, so daß sich die Windmühle selbsttätig nach dem Winde einstellen kann, wie weiter unten noch beschrieben wird. Der Mast besteht aus einem eisernen Rohr, das an beiden Enden verschlossen ist und die Verdampferkammer bildet. Diese Kammer steht über die Leitung 23 mit der Saugseite des Kompressors in Verbindung. Außerdem enthält der Mast ein äußeres Rohr 34; zwischen ihm und dem inneren Rohr l>efindet sich ein Ringraum, durch den Luft zirkuliert, wie dies durch die Pfeile 35, 35 a, 35 & angedeutet ist. Diese Luft wird durch eine dem Wind zugewandte Öffnung am oberen Mastende zugeführt und am unteren Ende des Mastes wieder abgeleitet (vgl. auch Fig. 2 und 3). Nachstehend noch zu beschreibende Einrichtungen sind vorgesehen, um die Luft, die durch Verdunstung des Wassers im Rohr 33 gekühlt ist, entweder außerhalb des Gebäudes (Pfeil 35 a) entweichen zu lassen oder sie in das Gebäude einzuführen (Pfeil 35 b), um bei heißem Wetter die Räume zu kühlen. Ein Rohr 36, das einen Absperrhahn oder ein den Durchfluß regelndes Ventil 37 enthält und am unteren Ende offen ist, ragt nach unten in den Wasserbehälter 28 und nach oben in das Rohr 33 hinein, und zwar bis nahezu an das obere Ende dieses Rohres, wo es in eine Sprühdüse od. dgl. mündet. Wasser wird durch den atmosphärischen Druck nach oben durch dieses Rohr gepreßt, und zwar infolge des im Rohr 33 durch die Saugwirkung des Verdichters aufrechterhaltenen Unterdruckes. Wasser, das aus dem Rohr 36 in das obere Ende des Rohres 33 gesprüht wird, rieselt an den Rohrwandungen nach unten und wird infolge des nied=^ rigen im Rohr herrschenden Druckes verdampft. Die Verdampfungswärme wird der zwischen dem Rohr 33 und dem Rohr 34 zirkulierenden Luft entnommen. Das Rohr 33 kann innen mit einem wasserabsorbierenden Material ausgekleidet sein, um das Wasser zurückzuhalten und die Verdunstung zu unterstützen. Die Wärmeübertragung von der Luft auf das Rohr 33 wird dadurch unterstützt, daß dieses Rohr mit Rippen od. dgl. 57 versehen ist, die auch dazu dienen können, die Luft dazu zu zwingen, beim Durchgang durch den Ringraum zwischen den Rohren eine gewundene Bahn zu durchströmen.

Der bei hoher Temperatur arbeitende Wärmespeicher 12 wird aus einem verschlossenen Behälter 38 gebildet, der ein geschmolzenes Salzbad, z. B. eine Mischung aus NaNO₃ und KNO₃, enthält. Der Behälter ist mit einer Vakuumhülle 39 umgeben, die einen Aluminiumbelag zur Vermeidung der Wärmeabstrahlung enthält, was in der Zeichnung nicht mit veranschaulicht ist.

Eine in der Rohrleitung 25 vorgesehene Tauchspule 25 a steht in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Salzbad.

Der Zwischen-Wärmespeicher 13 wird aus einem Heißwasserbehälter 40 gebildet, der in Wärmeausaustauschbeziehung zu einer äußeren Rohrschlange 25 & der Leitung 25 steht. Die Rohrschlange 25 & ist um den Behälter 40 herumgewickelt. Der Behälter 40 wird von dem Speisewasserbehälter 28 aus durch eine Leitung 41 gespeist; warmes Wasser kann dem Behälter 40 für die verschiedensten Zwecke, wie z. B. für Bäder, Spülwannen u. dgl., mit Hilfe einer Leitung 43 entnommen werden.

Abweichend hiervon kann der Behälter 40 auch gewünschtenfalls unter Druck gesetzt werden, wenn Wärme über 100° C benötigt wird, z. B. beim Kochen od. dgl. unter Druck.

Radiatoren 43 zur Raumbeheizung werden mit Dampf unter niedrigem Druck durch Leitungen 44

gespeist, und zwar aus dem Dampf raum des Behälters 14, wobei Regelventile 45 vorgesehen sind.

Unterhalb des Flurbodens des Gebäudes befindet sich eine dicke Schicht 46 aus wärmeisolierendem Baustoff, die trocken gehalten wird, da sie auf einem Betonboden 27 liegt.

An Stelle eines Salzbades kann der unter hoher Temperatur arbeitende Wärmespeicher auch aus einer Wassermenge gebildet sein, die sich mit Dampf bei einem Druck im Gleichgewicht befindet, der größer ist als der Atmosphärendruck; oder es kann ein mit Ziegeltrümmern gefüllter Raum zur Anwendung kommen, der im Zuge der Rohrleitung 25 liegt und dessen Einlaß mit dem Auslaß des Verdichters verbunden ist, während sein Auslaß mit der Fortsetzung des Rohres 25 verbunden ist, die die Heizschlange 25 b des Zwischen-Wärmespeichers enthält. Wärme kann der Ziegelkammer durch feste Wärmeleiter entzogen werden, beispielsweise durch Metallstangen, deren eines Ende sich in der Kammer befindet, während das andere mit einer bei hoher Temperatur arbeitenden Wärme benötigenden Einrichtung, z. B. einem Ofen, verbunden ist.

Die Anlage weist ferner eine Niederdruck-Dampfturbine 48 auf, die, wie in der Zeichnung dargestellt, einen elektrischen Generator 49 antreibt. Die Turbine wird mit Dampf von der Auslaßseite des Verdichters 11 durch eine Leitung 50 gespeist, die von der Rohrleitung 25 abzweigt und ein Absperr- bzw. Regelventil 51 aufweist. Der Auslaß der Turbine erfolgt über die Rohrleitung 52 in das Rohr 24, das mit der Saugseite des Verdichters 11 verbunden ist. Die dargestellte Anlage besitzt auch eine Kühlvorrichtung, bestehend aus einer Kühlkammer 53, die durch Wärmeaustausch mit einem Behälter 54 gekühlt wird; dieser Behälter enthält Sole oder einen ähnlichen Stoff mit niedrigem Gefrierpunkt; der Dampf raum des Behälters ist mittels einer Rohrleitung 55 und über einen Absperrhahn 56 mit einer Leitung 24 zu verbinden, die an die Saugseite des Kompressors angeschlossen ist.

Die Windmühle 32 ist, wie die Fig. 2, 3 und 4 erkennen lassen, auf einer Achse 28 gelagert, die in einem Gehäuse 59 drehbar ist und ein Stirnrad 46 trägt, das mit einem Ritzel 61 kämmt. Dieses Ritzel sitzt auf einer Kurbelwelle 63, die in einem am Gehäuse 59 sitzenden Träger 62 gelagert ist. Die Kurbelwelle 63 ist mit einer Stange 64 gelenkig verbunden, die ihrerseits an einer senkrechten Stange 65 gelenkig angreift; diese Stange 65 liegt in der Achse des Rohres 33 und ragt in dieses Rohr durch eine Dichtung 66 hindurch.

Das Gehäuse 59 ist an den oberen Enden der Mastrohre 33,34 befestigt. Die unteren Enden dieser Rohre ruhen drehbar auf Lagern 67, 69 (Fig. 5). Das Lager 67 des äußeren Rohres 34 ist im Dache des Gebäudes angeordnet. Das Lager 69 des inneren Rohres 33 ruht auf einem aus einer dicken Betonplatte 68 (Fig. 5) bestehenden Bauteil. Das untere Ende des Rohres 33 ist offen und gegen Leckverluste durch das Lager 36 durch eine Ringdichtung 70 (Fig. 5) gesichert.

Der ganze Mast, bestehend aus dem inneren und dem äußeren Rohr 33 bzw. 34 und dem Gehäuse 59, kann sich frei um seine Achse drehen. Die Windmühle ist gegenüber der Achse des Mastes versetzt, die auf der dem Winde zugewandten Seite der Windmühle liegt, wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist, in der die Pfeile die Windrichtung andeuten. Die Windmühle selbst wirkt also als Wetterfahne und richtet den Mast so aus, daß die Windmühle dem Winde ausgesetzt ist.

Der Speisewasserbehälter 28 (Fig. 2) ist als ringförmiger Trog ausgebildet, der das untere Ende des Rohres 33 umgibt und einen Deckel mit einer mittleren öffnung hat, in die das untere Ende des Rohres mit gutem Spiel hineinreicht. Der Luftraum oberhalb des Wassers im Behälter 28 saugt die Luft auf, die durch den Spalt zwischen den Rohren 33 und 34 von der Windfangöffnung 102 am oberen Ende des Rohres 34 (Fig. 3) aus hindurchtritt. Luft, die in den Luftraum des Behälters 28 eintritt, wird entweder durch ein Rohr 41 nach außen geführt oder in die Wohnräume des Gebäudes, und zwar durch ein System von Leitungen 72. Die Luftströmung wird hierbei durch Klappenventile 73,74 geregelt. Eine Schirmplatte 75 schützt den Inhalt des Speisewasserbehälters 28 gegen Verschmutzung durch von der Luft mitgeführte Fremdstoffe.

Das untere Ende des Rohres 36, das innerhalb des Rohres 33 liegt, ist durch die Wand dieses Rohres 33, in dem es abdichtend geführt ist, herausgeleitet und, wie die Fig. 2 und 5 zeigen, so abgebogen, daß es in den ringförmigen trogartigen Behälter 28 eintaucht. Das untere, in das Wasser dieses Behälters 28 eintauchende Ende des Rohres 36 ist offen. Da die Einstellung des Mastes sich nach derjenigen der Windmühle richtet, läuft auch das äußere, abgebogene Ende des Rohres 36 zusammen mit dem Mast um, ohne dabei auf irgendeinen Widerstand zu stoßen, da der Behälter 28 ringförmig ausgebildet ist.

Wie aus den Fig. 5 und 6 zu erkennen ist, besteht der Verdichter 11 aus einem senkrechten Zylinder 76, der durch Zugstangen 77 mit der Unterseite der Betonplatte 68 verbunden ist und gleichachsig zum Rohr 33 bzw. zur Stange 65 liegt; das untere Ende dieser Stange weist einen Kolben 78 auf, der in dem Zylinder 76 bewegbar ist. Eine gleichachsig zur Stange 65 angeordnete Hülse 79 begrenzt einen die Stange 65 umgebenden Ringspalt und ragt vom Innern des Rohres 33 aus durch eine öffnung in der Platte 68 und eine Dichtung 80 am Kopf des Zylinders 76 hindurch bis in das Innere dieses Zylinders. Am oberen Ende der Hülse 79 vorgesehene öffnungen 81 stellen eine Verbindung zwischen dem Innern des Rohres 33 und dem Ringspalt innerhalb der Hülse 79 her; das untere Ende dieses Ringspaltes ist offen und kann sich auf den Kolben 78 absetzen. Der Kolben 78 weist innerhalb des Durchmessers des Sitzes der Hülse 79 öffnungen 103 auf, durch die Stangen 82 hindurchragen, welche an der Hülse 79 befestigt sind und eine Ventilplatte 63 tragen. Diese Ventilplatte kann sich gegen die untere Seite des Kolbens 78 legen. Auch die öffnungen 103 liegen innerhalb des Durchmessers der Sitzfläche der Scheibe 83. Die Scheibe 83 liegt in einem Abstand von dem unteren Ende der Hülse 79, der größer ist als die Dicke des Kolbens 78.

Die Platte 68 dichtet die untere Laufbahn des Lagers 69 und den Kopf des Zylinders 76 gut ab; die Öffnung in der Platte, durch die die Hülse 79 hindurchragt, steht nur mit dem Innern des Rohres 33 in Verbindung. Dieses Verbindungsstück besitzt im Innern der Platte eine Erweiterung, an die sich ein Kanal 24<z in der Platte anschließt; dieser Kanal bildet das Ende der Rohrleitung 24 (Fig. 2).

Am oberen und am unteren Ende des Zylinders 76 sind Auslaßventile vorgesehen, die als einfache Schieberventile 84 bzw. 85 ausgebildet sind. An diese Ventile schließt sich ein Sammelrohr 86 an, mit dem die Rohrleitung 25 in Verbindung steht.

Die Anordnung von Hülse 79 und Scheibe 83 bildet ein doppeltwirkendes Einlaßventil, durch das Dampf

aus dem Rohr 33 in den Zylinder eingeführt werden kann, und zwar über die Hülse 79; je nachdem, ob der Kolben 78 steigt oder fällt, erfolgt die Zufuhr abwechselnd oberhalb oder unterhalb des Kolbens 78, wie dies durch die Pfeile 104, 105 veranschaulicht ist; dies hängt teilweise von der Leitung der Hülse 79 in der Dichtung 80 ab, die bewirkt, daß die Hülse sowohl bei der Aufwärts- als auch bei der Abwärtsbewegung hinter dem Kolben herläuft.

Unterhalb der Scheibe 83 ist gleichachsig mit der Stange 65 eine Stange 87 befestigt, die durch eine Dichtung 88 in der Bodenwandung des Zylinders 76 hindurchragt und zum Betrieb der Pumpe 18 (Fig. 2) dient. Wie Fig. 7 zeigt, besteht die Pumpe aus einem senkrechten Zylinder 89., der im Deckel 14 a des Behälters 14 befestigt ist und einen Kolben 90 aufweist. In dem Kolben sind Öffnungen 91 vorgesehen, die von unten her mittels einer Ventilplatte 92 verschließbar sind. Die Ventilplatte 92 ist am Ende der Stange 87 befestigt, die gleitend durch den Kolben 90 hindurchgeführt ist. Ein Schulteransatz 93 der Stange 87 begrenzt die Axialbewegung des Kolbens 90 auf der Stange 87 in der von der Scheibe 92 wegführenden Richtung. Im Kopf des Zylinders 89 ist ein Auslaßventil vorgesehen, das hier als einfaches Plattenventil 94 ausgebildet ist und in einer Auslaßkammer 95 liegt. Diese Kammer besitzt eine auf der Zeichnung nicht veranschaulichte Öffnung, an die das Rohr 19 angeschlossen ist, das in eine Kappe 96 mündet. Diese Kappe sitzt flüssigkeitsdicht auf dem Deckel 14 a des Behälters und weist eine Dichtung 97 auf, durch die die Stange 87 hindurchgeführt ist. Der Raum 95 ist gegenüber dem Innern des Behälters 14 in geeigneter Weise abgedichtet. Die Pumpe 18 arbeitet in der üblichen Weise wie eine gewöhnliche Hebepumpe mit einem Rückschlagventil auf der Förderseite.

Die Vakuumhülle des bei hoher Temperatur arbeitenden Wärmespeichers 12 ist gemäß Fig. 2 unterhalb der Bodenplatte des Behälters 38 fortgesetzt, so daß ein Hohlraum entsteht. In diesem Hohlraum kann ein von einem Stempel 99 getragener Ofen 98 durch Anheben eingeführt werden, so daß er in Berührung mit dem Boden des Behälters 98 tritt. Diese Hubbewegung wird mittels eines aus Ritzel und Zahnstange bestehenden, in einem Gehäuse 100 eingeschlossenen Getriebes bewirkt, das mittels einer Handkurbel 101 bedient werden kann. Der Ofen ist in der angehobenen Stellung mit voll ausgezogenen Linien und in seiner unteren Endlage, in der er gefüllt oder entleert werden kann, mit gestrichelten Linien veranschaulicht.

Die normale Arbeitsweise der Anlage ist folgende: Solange die Windmühle 32 arbeitet, übt der Verdichter 11 eine Saugwirkung auf den Verdunster 10 aus und verringert dadurch den in ihm herrschenden Druck. Aus dem Rohr 36 in das Verdunsterrohr 33 gesprühtes Wasser wird bei diesem verringerten Druck verdunstet. Die latente Verdunstungswärme wird hauptsächlich der Luft entzogen, die außen über das Rohr 33 durch das äußere Rohr 34 hindurchströmt und aus der Atmosphäre stammt. Diese Luftströmung wird durch den Wind aufrechterhalten. Wärme wird auch dem Wasser selbst entzogen, jedoch durch Leitung wieder ersetzt, und zwar durch Leitung durch die Wandung des Rohres 13, sobald die Wassertemperatur innerhalb des Rohres unter die Temperatur der außerhalb befindlichen Luft sinkt. Scheint die Sonne hell, so wird die auf das Rohr 34 einfallende Sonnenstrahlung absorbiert und von der Innenwandung des Rohres weitergeleitet. Ein Teil der Wärmeenergie wird in das Innere des Rohres 33 übertragen, und zwar zusammen mit der Wärme, die der Atmosphäre entnommen wurde.

In den Verdichter 11 eingesaugter Wasserdampf wird hier verdichtet und dabei erhitzt.

Dieser überhitzte Dampf gelangt durch die untergetauchte Rohrschlange 25 α des unter hoher Temperatur arbeitenden Wärmespeichers 12; auf ihn wird ein Teil der Überhitzung übertragen; anschließend gelangt der Dampf zu der Heizschlange 25 & des Zwischen-Wärmespeichers 13, an den der größere Teil der übriggebliebenen Wärmemenge abgegeben wird. Der Dampf tritt dann in den Behälter 14., wo er kondensiert wird. Die latente Kondensationswärme wird von dem Wasser in diesem Behälter aufgenommen; überschüssiges Kondensat wird in den Speisebehälter durch die Pumpe 18, die Leitung 19, den Injektor 31 und die Leiung29 geführt. Durch Verdunstung entstehende Verluste im Speisebehälter werden mittels des Injektors 31 aus dem Brunnen 30 ersetzt.

Wird die Anlage aus dem Ruhezustand in Betrieb gesetzt, so wird sie mit Luft bei Atmosphärendruck gefüllt sein; zu Anfang wird der Verdichter lediglich Luft aus dem Verdunster aufnehmen; wird der Druck in dem Verdunster jedoch auf einen so niedrigen Wert reduziert, daß die Wassersäule, welche von dem Atmosphärendruck, der auf dem Wasser im Speisebehälter 28 ruht, gehalten wird, das obere Ende des Rohres 36 erreicht, so wird Wasser in das Verdunsterrohr 33 vom oberen Ende des Rohres 36 aus gesprüht. Das Wasser wird dann im Innern des Rohres nach unten rieseln und verdunsten.

Damit das Arbeitsspiel sich bei gutem volumetrischem Wirkungsgrad abspielt, muß die Luft im wesentlichen aus der Anlage entfernt sein, wenngleich das Vorhandensein einer gewissen Luftmenge nicht schädlich und sogar nützlich ist, wenn die Verdunstung theoretisch sehr niedrig liegt. Hat die Anlage einen stabilen Zustand erreicht, so wird der Saugdruck etwa dem Dampfdruck der Arbeitsflüssigkeit (Wasser) bei der Verdunstungstemperatur entsprechen und nicht unter diesen Druck fallen, vorausgesetzt jedoch, daß Luftundichtigkeiten im wesentlichen vermieden sind. Ähnlich kann der Lieferdruck sein unter den über der Flüssigkeit im Behälter 14 herrschenden Dampfdruckstellen, wobei der Behälter in Abhängigkeit von der Temperatur des Behälterinhaltes das Kondensat aufnimmt. Im allgemeinen muß der Druck etwas höher sein wegen des Gefälleverlustes längs der Rohrleitung 25; dies hängt im wesentlichen von der Wärmeaustauscheigenschaft der Wärmespeicher 12 und 13 ab. Der Druck kann gegebenenfalls künstlich über den Druck im Behälter 14 erhöht werden, und zwar mit Hilfe des Ventils bzw. der Drossel 26, die so beschaffen sein kann, daß sie auf den Verdichter einen geringen Rückdruck ausübt; dieser Rückdruck ist so gewählt, daß bei höchster in Betracht kommender Verdunstungstemperatur die Temperatur des vom Verdichter gelieferten Dampfes hoch genug ist, um unter Berücksichtigung des Temperaturgefälles beim Wärmeaustausch den bei hoher Temperatur arbeitenden Wärmespeicher 12 auf eine Temperatur zu erhöhen, die derjenigen entspricht, die gewünscht wird.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Wärme zum Kochen dem Wärmespeicher 12 entnommen, der daher eine Temperatur von wenigstens 225° C und nach Möglichkeit von etwa 250° C haben muß.

Das volumetrische Druckverhältnis des Verdichters muß ausreichen, damit der Verdichter gegen den höchsten Rückdruck arbeiten kann, der entsteht, wenn er

Claims

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mit der niedrigsten in Betracht kommenden Verdun- schraffierten Bereiche unterhalb der Abszissenachse stungstemperatur arbeitet. a-x veranschaulichen die Wärmeeinheiten, die auf das

Um sicherzustellen, daß keine Luft in den Dampf- den Behälter 14 (Fig. 1) umgebende Erdreich übertraraum oberhalb des Wasserspiegels im Behälter 14 ein- gen und anschließend teilweise wiedergewonnen werdringt, muß die Pumpe 18 in der Lage sein, eine 5 den. Die durch den atmosphärischen Verdunster vom Saugwirkung auf diese Räume auszuüben, und zwar April bis Oktober einschließlich aufgenommene bis zu einem Wert des Dampfdruckes herunter, der Wärme wird dargestellt durch den schraffierten Beüber dem Wasser im Behäler liegt und der für ge * reich zwischen den Linien a-d und a-c; die durch wohnlich in dem Behälter herrschenden Mindest- diese Linien begrenzten Abschnitte der Ordinaten temperatur entspricht, die etwa auf 45° C geschäzt io stellen die Gesamt-Wärmemenge dar, die an einem bewird, stimmten Datum aufgenommen wird. Eine etwa Es ist beabsichtigt, den atmosphärischen Verdun- gleich große Wärmemenge wird durch latente Kondenster während der wärmeren Monate des Jahres zu sationswärme dem Wasser 17 im Behälter 14 zugeverwenden; in dieser Zeit wird Wärme in dem Behäl- führt. Die gesamten Wärmeeinheiten, die auf diese ter 14 und in dem umgebenden Erdreich 15 gespei- ¹S Weise Ende Oktober übertragen sind, werden durch chert. In den kühleren Monaten werden Wärmever- die Klammer I veranschaulicht. Ein Teil dieser Wärme luste aus dem Behälter 14 in das umgebende Erdreich ist in dem Behälter 14 gespeichert, und ein anderer, ausgenutzt, um die Verdunstung mittels der Erdröh- durch die Klammer II bezeichneter Teil ist in den ren 20 zu bewerkstelligen. Unter den durchschnitt- umgebenden Erdboden 15 (Fig. 1) entwichen. Die lieh in Groß-Britannien herrschenden Bedingungen 20 Wärme, die der vom Verdichter erzeugten mechanikann davon ausgegangen werden, daß eine mittlere sehen Arbeit entspricht, wird durch den schraffierten Verdunstungstemperatur von ungefähr 15° C in dem Bereich zwischen den Linien a-c-e und a-d-f veranatmosphärischen Verdunster 10 herrscht. Die Tempe- schaulicht. Die durch diese Linien begrenzten Ordiratur des die Röhren 20 umgebenden Erdreiches wird natenabschnitte veranschaulichen die Gesamt-Wärmeschätzungsweise etwa den gleichen oder einen etwas 25 einheiten, die an einem beliebigen Tage erzeugt sind, höheren Wert gegen Ende Oktober erreicht haben, der Diese Wärme erscheint als Überhitzung und wird dann allmählich auf etwa 10° C oder weniger am Ende durch den bei hoher Temperatur arbeitenden Wärmedes Monats März absinkt. Werden also die im Erd- speicher und durch den Zwischen-Wärmespeicher 12, reich untergebrachten Röhren als Verdunster verwen- 13 aufgenommen. Die gesamte Wärmeaufnahme diedet, so ist das Arbeitsspiel ungefähr das gleiche wie 3° ser Speicher ist durch die Klammer III bezeichnet; bei Verwendung des atmosphärischen Verdunsters. sie wird im wesentlichen aufgewogen durch den lau-Die höchste in dem Behälter 14 zu erwartende Tem- fenden Verbrauch von Wärme hoher und mittlerer peratur wird auf etwa 95° C geschätzt. Bei dieser Temperatur, deren Gesamtwert durch die Pfeilspitze g Temperatur liegt der Dampfdruck gerade unterhalb angedeutet ist. Von dem gesamten Wärmeverlust an des Atmosphärendruckes. Der Verdichter muß in der 35 das Erdreich (Klammer III) geht ein Teil, der durch Lage sein, unter einem solchen Druck zu arbeiten, die Pfeilspitze h bezeichnet ist* ständig verloren; der wenn die Verdunstung bei der niedrigsten für ge- Rest, der durch die Klammer IV bezeichnet ist, wird wohnlich in Betracht kommenden Temperatur, z. B. während der Monate November bis März einschließ-10° C, stattfindet. lieh zurückgewonnen; während dieser Periode sind die Wenn der Solebehälter 54 als Verdunster in den 4° im Erdboden versenkten Rohre 20 (Fig. 1) mit der Arbeitskreis eingeschaltet ist, beträgt die Verdun- Saugseite des Kompressors verbunden und dienen als stungstemperatur 0° C oder weniger. In diesem Falle Verdunster der Anlage, welche die durch die Klamist die Anwesenheit von etwas Luft in der Anlage mer IV bezeichnete Wärmemenge aus dem Erdboden wahrscheinlich von Nutzen, so daß der Saugdruck aufnehmen. Die Verdunstungswärme wird dem Arnicht so niedrig zu sein braucht wie der Dampfdruck 45 beitszyklus durch die Anlage wieder zugeführt und in von Wasser bei einer solchen niedrigen Temperatur. das Wasser 17 des Behälters 14 (Fig. 1) eingeleitet. Auf jeden Fall braucht der Solebehälter in den Kreis- Die summierten Wärmeeinheiten, die so wiederlauf nur zeitweise für kurze Perioden eingeschaltet gewonnen und am Ende eines jeden Monats in den zu werden. Arbeitszyklus zurückgeleitet werden, sind durch die Da die latente Wärme des Dampfes zwischen der 5° zwischen den Linien b-i und b-j liegenden Ordinaten-Verdunstungstemperatur (0 bis 15° C) und der Kon- abschnitte dargestellt. Die Gesamtmenge nutzbarer densationstemperatur (kleiner als 100° C) um weniger und dem Behälter 14 zugeführter Wärme wird durch als 10 %> schwankt, ist die überhitzung des Dampfes, den Abschnitt e-k dargestellt. Über die Gesamtperiode der hauptsächlich aus dem bei hoher Temperatur ar- vom April bis März einschließlich (d. h. von a-k gebeitenden Wärmespeicher und den Zwischen-Wärme- 55 rechnet) wird die nutzbare Wärmemenge im wesentspeichern 12, 13 abgezogen wird, etwa der mechani- liehen dem laufenden Verbrauch zur Raumerhitzung sehen Energie gleichwertig, die vom Verdichter auf entsprechen, der auf die Wintermonate November bis den Dampf übertragen wird. Schätzungsweise ist der März beschränkt und durch die Pfeilspitze i ange-Bedarf an Wärme hoher Temperatur in der darge- deutet ist.
stellten Anlage etwa gleich groß wie die erzeugte 60
überhitzte Gesamtmenge. Patentansprüche:

Das Wärmeflußdiagramm nach Fig. 8 veranschaulicht die Arbeitsweise der Anlage über ein ganzes 1. Anlage zur Beheizung eines Gebäudes, beJahr. Die Ordinaten stellen Wärmeeinheiten in belie- stehend aus einem Wärme aus der Umgebung aufbigem Maßstab dar, und auf den Abszissen ist die 65 nehmenden Wärmeaustauscher, einem Wärme an Zeit eingetragen; der gesamte Zeitbereich ist in zwölf den als Wärmespeicher verwendeten Erdboden Abschnitte von je einem Kalendermonat eingeteilt, be- übertragenden Wärmeaustauscher und einer ginnend mit April und endend mit März. Die einzel- Wärmepumpe, die die Wärme auf das für die nen Monatsabschnitte sind bezeichnet mit Ap., Mz., /., Wärmeverbraucher notwendige Temperaturniveau Jy₁ A₁ S₁ O, N₁ D₁ Ja₁ F. und M. Die Abschnitte der 70 hebt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme-

pumpe (11) der Umgebung die jeweils verfügbare Wärmemenge entzieht, auf das für die Wärmeverbraucher (12, 13) erforderliche Temperaturniveau hebt und die jeweils überschüssige Wärmemenge dem im Erdboden unter dem Gebäude (16) angeordneten Wärmespeicher (14, 17) und dem ihn umgebenden Erdreich (15) zuführt, wobei die Wärmespeicheranlage (14, 15, 17) so groß bemessen ist, daß sie den Jahresbedarf an Speicherwärme aufzunehmen vermag, und wobei am Umfang des Speicherbereiches des Erdreiches Wärmeaustauscher (2O_-, 21 a) vorgesehen sind, durch die die aus dem Speicherbereich abströmende Wärme der Wärmepumpe zugeführt werden kann, wofür ein Ventil (22) in der Zuleitung dieser Wärmeaustauscher vorgesehen ist, das zum wahlweisen Anschluß dieser Wärmeaustauscher an die Wärmepumpe an Stelle des Wärme aus der Umgebung aufnehmenden Wärmeaustauschers (10) dient.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittel Wasser dient, das bei Unterdruck entweder im atmosphärischen Wärmeaustauscher (10), in den es über eine den Druck verringernde Vorrichtung, z. B. eine Sprüheinrichtung (36), gelangt, oder wahlweise in den im Erdreich vergrabenen Wärmeaustauschern (20, 21a) verdampf wird, in die es aus dem umgebenden Erdreich durch poröse Röhren (20) eindringt, die die Außenwände der Wärmeaustauscher bilden und als den Druck verringernde Mittel wirken, und gekennzeichnet dadurch, daß der vom Verdichter (11) abgegebene heiße Wasserdampf, nachdem er seinen Wärmeüberschuß an die Nutzwärmespeicher (12, 13) abgegeben hat, zuletzt in der Wasserfüllung (17) des vergrabenen Wärmeaustauschers (14) bei einem Unterdruck kondensiert wird, der jedoch höher liegt als der im atmosphärischen Wärmeaustauscher (10) herrschende Druck.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfraum in dem vergrabenen Wärmeaustauscher (14) über mit Ventilen (45) versehene Leitungen (44) mit Radiatoren (43) oder anderen Wärmeverbrauchern verbunden ist.
4. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Rückführeinrichtung (19, 30, 31, 29), mit deren Hilfe das im vergrabenen Wärmeaustauscher (14) kondensierte Wasser einem offenen Behälter (28) zugeleitet wird, von dem aus der atmosphärische Wärmeaustauscher (10) über ein Steigrohr (36) gespeist wird.
5. Anlage nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme aus der Umgebung aufnehmende, unter Unterdruck stehende und durch die atmosphärische Luft beheizte Wärmeaustauscher (10) aus einem geschlossenen senkrechten Rohr (33) innerhalb eines getrennten konzentrischen Rohres (34) besteht, wobei Luft durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen beiden Rohren nach unten geleitet und hier durch Prallbleche (57) gezwungen wird, eine gewundene Bahn zu durchströmen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 887 394; .
USA.-Patentschrift Nr. 2529154;
schweizerische Patentschrift Nr. 243 807.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

,©, 009 567/20 7.60