Wärmepumpenanlage zur gleichzeitigen Erzeugung von speicherfähiger
Nutzwärme und -kälte, mit Luft als Arbeitsmittel Es ist bekannt, in einer Wärmepumpenschaltung
Kälte oder Wärme oder Kälte und Wärme zugleich mit Hilfe eines elektromotorischen
Antriebs zu erzeugen. Als Arbeitsmittel des in F i g. 1 dargestellten Kreislaufs
dient meist ein kondensierender Stoff, so daß Umlaufmenge und Heizflächenaufwand
klein gehalten werden können. Das Arbeitsmittel wird gasförmig in der Maschine a
komprimiert, es gibt Wärme in b (Kondensator) nach außen ab, wird verflüssigt,
im Rekuperator c abgekühlt, im Drosselorgan d entspannt und durch Wärmeaufnahme
von außen in e (Verdampfer) wieder verdampft. In einem Kompressorkühlschrank kann
in dieser Schaltung z. B. Nutzkälte bei im Mittel - 10' C erzeugt und Verlustwärme
mit im Mittel +40' C an die Umg ebung abgegeben werden.Heat pump system for the simultaneous generation of storable useful heat and cold, with air as the working medium. It is known to generate cold or heat or cold and heat at the same time with the help of an electric motor drive in a heat pump circuit. As work equipment of the in F i g. 1 is mostly a condensing substance, so that the amount of circulation and heating surface expenditure can be kept small. The working medium is compressed in gaseous form in machine a, it releases heat to the outside in b (condenser), is liquefied, cooled in recuperator c, expanded in throttle element d and evaporated again through heat absorption from outside in e (evaporator). In a compressor refrigerator z. B. Useful cold is generated at an average of -10 ° C and heat loss is released to the environment with an average of +40 ° C.
.Bei Klimaanlagen werden die Temperaturgrenzen noch enger gewählt,
um eine hohe Leistungsziffer und niedrigen Stromverbrauch zu erzielen. Um bei Heiz-
und Kühlbetrieb die gleichen Wärmetauscher für den Wärmetransport mit der Innen-
bzw. Außenluft verwenden zu können, ist es üblich, die Arbeitsmittelwege umschaltbar
auszuführen. In F i g. 11
sind die Schalter g und h so gestellt, daß
die Raumluft an den Wärinetauscherflächen e bei z. B. 5' C
gekühlt und die
Verlustwärme in b bei 25' C nach außen abgegeben wird (Sommerbetrieb).
Im gleichen Apparat kann in der Schaltung F i g. III in dem jetzt mit e bezeichneten
Wärmetauscher, der mit b der Schaltung II identisch ist, Wärme bei z. B.
5' C von außen aufgenommen und mit 251 C nach innen abgegeben werden
(Winterbetrieb).In the case of air conditioning systems, the temperature limits are selected even closer in order to achieve a high coefficient of performance and low power consumption. In order to be able to use the same heat exchangers for the heat transport with the indoor and outdoor air in heating and cooling operation, it is common to design the working medium paths so that they can be switched. In Fig. 11 , the switches g and h are set so that the room air at the heat exchanger surfaces e at z. B. 5 'C cooled and the heat loss in b at 25' C is released to the outside (summer operation). In the same apparatus in the circuit F i g. III in the heat exchanger now designated e, which is identical to b of circuit II, heat at z. B. 5 'C taken from the outside and released at 251 C inside (winter operation).
Anlagen dieser Art sind für den jeweiligen Verwendungszweck weitgehend
perfektioniert entwickelt worden. Will man jedoch die Verluste im Betrieb noch weiter
herabsetzen und Wärme und Kälte gleichzeitig erzeugen, so daß nur noch die Differenz
der Wärme und Kälteleistung von außen zugeführt werden muß, dann ist es erforderlich,
das Temperaturniveau der Wärmeabgabe so weit zu erhöhen, daß zumindest eine wirtschaftliche
Heißwassererzeugung möglich wird.Systems of this type are largely for the respective purpose
has been developed to perfection. However, if you want to keep the losses in operation even further
reduce and produce heat and cold at the same time, so that only the difference is left
the heat and cooling capacity must be supplied from outside, then it is necessary
to increase the temperature level of the heat release so far that at least an economical
Hot water generation becomes possible.
Zu diesem Zweck muß das kondensierende Arbeitsmittel durch ein gasförmiges
z. B. Luft - und das Drosselorgan d durch eine Entspannungsmaschine
ersetzt werden, die zweckmäßig mit dem Verdichter a und dem Motor f, der den Zusatzenergiebedarf
liefert, mechanisch gekoppelt wird (vgl. F i g. IV).For this purpose, the condensing working fluid must be replaced by a gaseous z. B. air - and the throttle element d are replaced by an expansion machine, which is expediently mechanically coupled to the compressor a and the motor f, which supplies the additional energy requirement (see FIG. F i g. IV).
Die Erfindung geht nun von der Tatsache aus, daß zur Zeit in einem
vollelektrifizierten Haushalt eine Vielzahl von Geräten Verwendung findet, die in
ihrer Summe relativ hohe Anschaffungskosten und einen hohen Platzbedarf und Stromverbrauch
erfordern, da der Wirkungs- und der Ausnutzungsgrad der einzelnen Geräte meist recht
niedrig sind. Diese vielen Geräte bauen sich jedoch aus fast gleichartigen Elementen
- Motoren, Ventilatoren, Wärmetauscherflächen, Heizdrähten usw.
- auf. Man kann daher erfindungsgemäß die Anschaffung vieler dieser Einzelgeräte
vermeiden und den monatlichen Strombedarf des gesamten Haushalts erheblich senken,
wenn man als Energieumformerzelle des Haushalts eine Wärmepumpenanlage mit Luft
als Arbeitsmittel wählt und den Kreislauf nur zeitweise geschlossen zur gleichzeitigen
Wärme- und Kältererzeugung betreibt, während man ihm zu anderen Zeiten Luft verschiedener
Druck- und Temperaturstufen zuführt oder entnimmt.The invention is based on the fact that a large number of devices are currently used in a fully electrified household, which in their sum require relatively high acquisition costs and a high space requirement and power consumption, since the efficiency and degree of utilization of the individual devices are usually right are low. However, these many devices build almost similar elements - motors, fans, heat exchanger surfaces, heating wires, etc. - on. You can therefore avoid the purchase of many of these individual devices according to the invention and significantly reduce the monthly electricity requirement of the entire household if you choose a heat pump system with air as the working medium as the energy converter cell of the household and operate the circuit only temporarily closed for simultaneous heat and cold generation while it is operated at other times supplies or withdraws air of different pressure and temperature levels.
Zu diesem Zweck werden. an mindestens einer Stelle Umschalter
eingebaut, die aber nicht - wie in F i g. II/III - zum Umschalten
der Wege, sondern zur Herstellung von Verbindungen mit der Umgebung dienen. Als
Beispiele sind in F i g. V die Schalter g, h und i eingezeichnet.
Die Anlage arbeitet, z. B. nachts, mit geschlossenem Kreislauf und erzeugt gleichzeitig
nutzbare Wärme und Kälte, die in b und e für den Tagesbedarf gespeichert
werden. Der Druckpegel kann durch eine Verbindung mit der Außenluft, z. B. bei h
auf 1 ata gehalten werden. Bei Tag kann z. B. bei g vorübergehend
heiße Druckluft zu Heiz- oder Trockenzwecken (Waschmaschinen, Geschirrtrockner)
oder zum Antrieb ortsbeweglicher Kleinstturbinen entnommen werden. In diesem Fall
wird die Wärme- und Kälteerzeugung vorübergehend unterbrochen. Man kann sie aber
auch - wenigstens teilweise - aufrechterhalten, wenn die Abgabe und
Zufuhr an der gleichen Stelle des Kreislaufs erfolgen. Mit Hilfe des Schalters h
kann z. B.
Luft über die Filter eines Staubsaugers angesaugt und
die aus e austretende überschußluft nach außen ausgestoßen werden. Es ist aber auch
möglich, an der gleichen Stelle Kaltluft zur Klimatisierung von Räumen oder von
Behältern auszustoßen und Ersatzluft von außen anzusaugen. Mit Hilfe des Schalters
i kann Warmluft mit geringem überdruck - z. B. zum Geschirr-, Haar- oder
Wäschetrocknen oder zum Klimatisieren von Räumen oder Behältern - abgegeben
und Ersatzluft von außen angesaugt werden. In diesem Fall verschiebt sich allerdings
der Druckpegel, d. h., die Entspannung erfolgt auf Vakuum und die Verdichtung
anschließend auf den Außendruck, und die Wärmeerzeugung wird vermindert. Wärme-
und Kälteerzeugung werden aber grundsätzlich während dieser Nebenfunktion aufrechterhalten.
Man kann außerdem die Lieferung von Luft bzw. von potentieller und Strömungsenergie
mit der zeitgleichen Lieferung von kalorischer Energie dadurch verbinden, daß man
die abgegebene bzw. angesaugte Luftmenge zusätzlich durch den* Wärme- oder den Kältespeicher
leitet. Im Normalbetrieb wird die Anlage so betrieben, daß die benötigte Kälteleistung
mit Sicherheit erzeugt wird. Wärmebedarfspitzen können bei Tag zusätzlich durch
Widerstandsheizung gedeckt werden. Damit die Förderhöhe des Kompressors in offener
Schaltung zum Ansaugen und Ausstoßen der Zusatzluft ausreicht, werden in den geschlossenen
Kreislauf zweckmäßig Strömungswiderstände eingebaut, die beim öffnen der Schalter
ausgeschaltet werden, sofern man es nicht vorzieht, die Drehzahl der Maschinen zu
erhöhen.Be for this purpose . Changeover switch installed at at least one point, but not - as in FIG. II / III - used to switch paths, but to establish connections with the environment. Examples are shown in FIG. V the switches g, h and i are shown. The system works, e.g. B. at night, with a closed circuit and at the same time generates usable heat and cold, which are stored in b and e for the daily requirement. The pressure level can be determined by a connection with the outside air, e.g. B. be kept at 1 ata at h. During the day z. B. at g temporarily hot compressed air for heating or drying purposes (washing machines, dish dryers) or to drive small portable turbines. In this case, the generation of heating and cooling is temporarily interrupted. But they can also - at least partially - be maintained if the delivery and supply take place at the same point in the circuit. Using the switch h can, for. B. sucked air through the filter of a vacuum cleaner and ejected the excess air exiting from e to the outside. But it is also possible to expel cold air for air conditioning of rooms or containers and to suck in replacement air from the outside at the same point. With the help of the switch i can warm air with a slight overpressure - z. B. for drying dishes, hair or laundry or for air conditioning rooms or containers - released and replacement air sucked in from the outside. In this case, however, the pressure level shifts, i. That is, the relaxation takes place in a vacuum and the compression then in the external pressure, and the generation of heat is reduced. However, heating and cooling are generally maintained during this secondary function. You can also combine the supply of air or of potential and flow energy with the simultaneous supply of caloric energy by additionally passing the released or sucked in air through the heat or cold storage. In normal operation, the system is operated in such a way that the required cooling capacity is generated with certainty. During the day, heat demand peaks can also be covered by resistance heating. So that the head of the compressor in an open circuit is sufficient to suck in and expel the additional air, flow resistances are expediently built into the closed circuit, which are switched off when the switch is opened, unless you prefer to increase the speed of the machines.