DE19839647C1 - Heat pump or cooling system with direct wind power drive for heating and cooling without external power is of compact construction and saves compressor drive energy - Google Patents

Heat pump or cooling system with direct wind power drive for heating and cooling without external power is of compact construction and saves compressor drive energy

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Abstract

The system has a rotor (5) that drives a compressor (3) connected via a coolant circuit directly to an evaporator (1), an expansion valve and a condenser (2). The compact system is mounted on a rotary plate (8). In heating mode the evaporator acts as the wind vane and in cooling mode the condenser acts as the wind vane.

Description

Die Erfindung betrifft eine windgetriebene Wärmepumpenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a wind-driven heat pump system according to the preamble of claim 1.

Für den Antrieb von Kompressionskälteanlagen oder Wärmepumpen­ anlagen wird zur Verdichtung von Kältemittel Kompressionsener­ gie benötigt, welche in den meisten Fällen aus Elektroenergie gewonnen wird. Bei der Stromerzeugung im heutigen Energiesta­ dium wird jedoch (ohne Wärmekraftkopplung) von 100% Primär­ energieeinsatz max. 30% Elektroenergie gewonnen. 70% des Energieeinsatzes werden jedoch ohne einen ökonomischen Nutzen an die Umwelt über Flüsse abgegeben.For driving compression refrigeration systems or heat pumps systems is used to compress refrigerant compressors gie needed, which in most cases from electrical energy is won. When generating electricity in today's energy state However, dium becomes 100% primary (without thermal power coupling) energy input max. 30% electrical energy gained. 70% of However, energy use will have no economic benefit released to the environment via rivers.

Ganz im Gegensatz dazu steht die windangetriebene Wärmepumpen­ anlage, die keine Energiereserven verbraucht und 70% Verdamp­ fungswärme aus der Umwelt wieder zurückgewinnt.The wind-powered heat pumps are in complete contrast system that does not consume any energy reserves and 70% vaporization heat recovered from the environment.

Eine solche Anlage ist aus der US 4,304,103 bekannt. Sie weist ein Windrad auf, das über eine Welle direkt den Kompressor einer Wärmepumpe antreibt. Das Windrad und der Kompressor sind auf einer Platte drehbar angeordnet, wobei die Ausrichtung der Anlage in Windrichtung von einer Windfahne übernommen wird. Such a system is known from US 4,304,103. She points a wind turbine on top of a shaft that directly drives the compressor drives a heat pump. The wind turbine and the compressor are rotatably arranged on a plate, the orientation of the System in the wind direction is taken over by a wind vane.  

Aus der DE 31 03 366 A1 ist eine Wärmepumpe bekannt, deren Kompressor durch eine von Flusswasser getriebene Turbine ange­ trieben wird. Dabei wird das Flusswasser durch eine Leitung geführt, in der die Turbine starr angeordnet ist. In Strö­ mungsrichtung hinter der Turbine sind der Verdampfer oder der Kondensator angeordnet. Diese sind jedoch nicht mechanisch mit der Turbine verbunden und können diese nicht in ihrer Position verstellen.From DE 31 03 366 A1 a heat pump is known, the Compressor driven by a turbine driven by river water is driven. The river water flows through a pipe out, in which the turbine is rigidly arranged. In Strö Direction behind the turbine are the evaporator or the Capacitor arranged. However, these are not mechanical with connected to the turbine and cannot position it adjust.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine windgetriebene Wärmepumpe zu schaffen, die kompakt im Aufbau ist.The invention has for its object a wind-driven To create a heat pump that is compact in construction.

Die Aufgabe wird mit einer Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is done with a heat pump system with the features of claim 1 solved.

Wie in der Einleitung schon erwähnt, benötigt ein Kompres­ sionskältekreislauf zur Verdichtung des Kältemittels (für Heizung und Kühlung) mechanische Energie, die in den meisten Fällen aus Strom gewonnen wird.As mentioned in the introduction, a compress is needed sions refrigeration cycle to compress the refrigerant (for Heating and cooling) mechanical energy used in most Cases is obtained from electricity.

Die Aufgabe, die Antriebsenergie des Kompressors einzusparen, wird bei der Erfindung durch Windenergie erfüllt.The task of saving the drive energy of the compressor is fulfilled in the invention by wind energy.

Die Kompressoranlage der Kälte- bzw. Wärmepumpenanlage wird mit vom Wind angetriebenem Rotor direkt oder über ein Getriebe für Drehzahlregelung angetrieben. Bei der beschriebenen Anlage befindet sich der Verdampfer (1), Kondensator (2) direkt am Kompressor (3), der wiederum direkt mit dem Getriebe (4) vom Windrad (5) angetrieben wird, wobei die oben beschriebenen Bauteile eine Einheit in Form einer Kompaktanlage darstellen.The compressor system of the refrigeration or heat pump system is driven directly by the wind-driven rotor or via a gearbox for speed control. In the system described, the evaporator ( 1 ), condenser ( 2 ) is located directly on the compressor ( 3 ), which in turn is driven directly by the wind turbine ( 5 ) with the transmission ( 4 ), the components described above being a unit in the form of a Represent compact system.

Der Verdampfer (1) wird für Wärmepumpenanlagen zur besseren Wärmeaufnahme mit schwarzem sonnenabsorbierendem Lack gestri­ chen und wird als Windfahne aus einem gut Wärme leitendem Material (Cu, Alu, Stahl, Zinn) als Wärmetauscherregister in die Anlage angebracht.The evaporator ( 1 ) is coated with black sun-absorbing lacquer for heat pump systems for better heat absorption and is attached as a wind vane made of a good heat-conducting material (Cu, aluminum, steel, tin) as a heat exchanger register in the system.

Bei Nutzung der Anlage zu Kälte- bzw. Kühlzwecken wird die Windfahne als Kondensator aus gut Wärme leitendem Material (Cu, Alu, Stahl) ausgeführt.When using the system for cooling or cooling purposes, the Wind vane as a condenser made of heat-conducting material (Cu, Alu, Steel).

Die Abführung der gewonnenen Energie wird bei der Wärmepumpen­ anlage über den Vorlauf (6) und Rücklauf (7) vom Kondensator mittels einem Wasserkreislauf und Umwälzpumpe abgeführt, eben­ so bei Kälteanlagen über den Verdampfer mittels eines Wasser­ kreislaufs mit Frostschutzmittel und Pumpe. The dissipation of the energy obtained is discharged from the condenser in the heat pump system via the flow ( 6 ) and return ( 7 ) by means of a water circuit and circulation pump, just as with refrigeration systems via the evaporator by means of a water circuit with antifreeze and pump.

EnergienutzungEnergy use

In Küstenregionen sowie Bergregionen herrscht ein ständiges Windangebot.There is a constant supply of wind in coastal and mountain regions.

Bei einer Windgeschwindigkeit von ca. 10 m/s leistet ein Rotor mit 4 m Durchmesser ca. 2 Kilowatt Antriebsenergie bei einer Verdampfungstemperatur von +5°C wird über den Verdampfer aus der Umwelt ca. 8 Kilowatt Energie entzogen was einer Heizleistung von ca. 10 Kilowatt entspricht. Kostenlose Wärme mit Wärmepumpen in kalten Regionen und kostenlose Kühlung ohne Antriebsenergie in warmen Regionen.At a wind speed of approx. 10 m / s, a rotor with a diameter of 4 m performs approx. 2 kilowatts of drive energy at an evaporation temperature of + 5 ° C about 8 kilowatts of energy is extracted from the environment via the evaporator, which one Corresponds to a heating output of approx. 10 kilowatts. Free heat with heat pumps in cold regions and free cooling without drive energy in warm regions.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung der Erfindungsgegenstand näher erläutert.In the following, the subject matter of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawing explained.

Im einzelnen zeigt:In detail shows:

Fig. I: Windenergie für Wärmepumpenanlagen als Heizung Fig. I: Wind energy for heat pump systems as heating

Fig. II: Wärmepumpenkreislauf mit Kältemittel Fig. II: Heat pump cycle with refrigerant

Fig. III: Windenergieanlage für Kühlung Fig. III: Wind turbine for cooling

Fig. IV: Kühlkreislauf für Kühlung Fig. IV: Cooling circuit for cooling

Fig. V: Großwindanlage für Heizung und Kühlung Fig. V: Large wind turbine for heating and cooling

Windrad und Kompressor wird verbunden mit Getriebewelle sonst wie Fig. I, II, III, IVWind turbine and compressor is connected to the gear shaft otherwise as Fig. I, II, III, IV

Die in Fig. I dargestellte Windenergieanlage für Wärmepunpenbetrieb ist in Fig. II schematisch dargestellt.The wind power plant for heat pump operation shown in FIG. I is shown schematically in FIG. II.

Der Rotor (5) treibt direkt oder über ein Getriebe (4) zur Änderung der Drehzahl den offenen Kompressor (3) an.The rotor ( 5 ) drives the open compressor ( 3 ) directly or via a gear ( 4 ) to change the speed.

Der Kompressor (3) ist im Kältekreislauf eingebunden. Der Kompressor (3) verdichtet das Kältemittel wobei die Temperatur des gasförmigen Kältemittels ansteigt. Am Kondensator (2) wird mittels eines Heizkreislaufes die Verdampfungswärme über Warmwasser und Pumpe an die vorhandene Heizung über einen Pufferspeicher an die Heizung abgegeben.The compressor ( 3 ) is integrated in the refrigeration cycle. The compressor ( 3 ) compresses the refrigerant, the temperature of the gaseous refrigerant rising. At the condenser ( 2 ), the heat of evaporation is given off via hot water and a pump to the existing heating system via a buffer storage unit by means of a heating circuit.

Das verflüssigte Kältemittel wird über ein Expansionsventil wieder entspannt, wobei die Temperatur abfällt. Am Verdampfer (1) der zugleich als Windfahne aus Kupfer, Alu oder sonstigen wärmeleitenden Materialien besteht, wird das Kältemittel wieder über die Außen­ temperatur verdampft und über den Kompressor angesaugt.The liquefied refrigerant is expanded again via an expansion valve, whereby the temperature drops. At the evaporator ( 1 ), which also consists of copper, aluminum or other heat-conducting materials as a wind vane, the refrigerant is evaporated again via the outside temperature and sucked in via the compressor.

Der Verdampfer wird zur besseren Wärmeaufnahme mit schwarzem Solarlack gestrichen. In Fig. III und Fig. IV ist das gesamte System vertauscht, wobei die Windfahne als Kondensator (2) dient und somit die Anlage zur Erzeugung von Kühlwasser dient. Sonst wie vor beschrieben. The evaporator is painted with black solar paint for better heat absorption. In Fig. III and Fig. IV, the entire system is interchanged, the wind vane serving as a condenser ( 2 ) and thus the system is used to generate cooling water. Otherwise as described above.

Die in Fig. I-IV aufgeführte Anlage wird als Kompaktanlage auf einer drehbaren Scheibe aufgestellt womit sich das Windrad über die Windfahne immer gegen den Wind ausrichten kann. Die drehbare Scheibe wird auf einem Mastrohr befestigt.The system shown in Fig. I-IV is set up as a compact system on a rotatable disc with which the wind turbine can always align against the wind via the wind vane. The rotating disc is attached to a mast tube.

Die Anschlüsse für Vor- und Rücklauf am Kondensator (bei Heizung) und am Verdampfer (bei Kühlung) erfolgen über flexible Rohranschlüsse.The connections for flow and return on the condenser (for heating) and on the evaporator (with cooling) take place via flexible pipe connections.

Die Rohrführung erfolgt im Mastrohr.The pipes are routed in the mast pipe.

Bei Sturm ab Windstärke 20 wird die Anlage nach oben über Gelenk (9) aus dem Wind gestellt. Die Rückführung erfolgt über das Gegengewicht (10).In the event of a storm with a wind force of 20 or more, the system is put out of the wind by means of a joint ( 9 ). The return takes place via the counterweight ( 10 ).

Die in Fig. V dargestellte Ausführung für große Windanlagen für Heizung und Kühlung wird die Kompressoranlage (3) mit Verdampfer, Kondensator und Expansionsventil am Boden angebracht.The embodiment shown in Fig. V for large wind turbines for heating and cooling, the compressor system ( 3 ) with evaporator, condenser and expansion valve is attached to the floor.

Die Anordnung für Kühlung und Heizung erfolgt wie bei Kompaktanlage.The arrangement for cooling and heating is the same as for a compact system.

Claims (10)

1. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage, wobei ein Rotor (5) einen Kompressor (3) antreibt, der über einen Kältekreislauf direkt mit einem Verdampfer (1), einem Expansionsventil und einem Kondensator (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kompaktanlage auf einer Drehplatte (8) montiert ist und bei Heizbetrieb der Verdampfer (1) und bei Kühlbetrieb der Kondensator (2) als Windfahne dient.1. Wind-driven heat pump system or cooling system, wherein a rotor ( 5 ) drives a compressor ( 3 ), which is connected via a refrigeration circuit directly to an evaporator ( 1 ), an expansion valve and a condenser ( 2 ), characterized in that it is a compact system is mounted on a rotating plate ( 8 ) and serves as a wind vane when the evaporator ( 1 ) is in heating mode and the condenser ( 2 ) is in cooling mode. 2. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Heizwasseranschlüs­ se (6, 7) bei Heizbetrieb flexibel am Kondensator (2) und bei Kühlbetrieb am Verdampfer (1) anschließbar sind.2. Wind-driven heat pump system or cooling system according to claim 1, characterized in that Heizwasseranschlüs se ( 6 , 7 ) can be connected flexibly to the condenser ( 2 ) during heating operation and to the evaporator ( 1 ) during cooling operation. 3. Windgetriebene Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) aus gut Wärme leitendem Material, zum Beispiel aus Cu, Alu, Zink besteht oder stahlverzinkt ist und mit einem schwarzen, absorbierenden Lack beschichtet ist.3. Wind-driven heat pump system according to claim 1 or 2, characterized in that the evaporator ( 1 ) consists of a good heat-conducting material, for example of Cu, aluminum, zinc or is galvanized steel and is coated with a black, absorbent paint. 4. Windgetriebene Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (2) aus gut leitendem Material wie Cu, Zinn, Alu besteht oder stahlverzinkt ist und keinen Anstrich aufweist.4. Wind-driven heat pump system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the condenser ( 2 ) consists of a highly conductive material such as Cu, tin, aluminum or is galvanized steel and has no paint. 5. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) direkt ohne Getriebe den Kompressor (3) antreibt.5. Wind-driven heat pump system or cooling system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rotor ( 5 ) drives the compressor ( 3 ) directly without a gear. 6. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Drehzahländerungen vom Rotor (5) zum Kompressor (3) ein Getriebe zur Drehzahländerung dazwischengeschaltet ist.6. Wind-driven heat pump system or cooling system according to one of claims 1 to 4, characterized in that for speed changes from the rotor ( 5 ) to the compressor ( 3 ), a transmission for speed change is interposed. 7. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkühler, das heißt der Kondensator (2) bei Wärme­ pumpenbetrieb und der Verdampfer (1) bei Kühlbetrieb mit flexiblen Rohranschlüssen angeschlossen wird.7. Wind-driven heat pump system or cooling system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the water cooler, that is, the condenser ( 2 ) in heat pump operation and the evaporator ( 1 ) in cooling operation with flexible pipe connections is connected. 8. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage auf der Drehplatte (8) statisch so ausgebogen ist, dass die Anlage bei Sturm über ein Gelenk (9) aus dem Wind nach oben schwenkt und bei normalen Wind­ verhältnissen über ein Gegengewicht (10) wieder in die normale Lage zurückgeführt wird.8. Wind-driven heat pump system or cooling system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the entire system on the rotary plate ( 8 ) is statically bent out so that the system pivots upwards from the wind in the event of a storm via a joint ( 9 ) in normal wind conditions via a counterweight ( 10 ) is returned to the normal position. 9. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Gelenkstück (9) der Vorlauf und Rücklauf (6, 7) flexibel ausgeführt sind.9. Wind-driven heat pump system or cooling system according to claim 8, characterized in that the flow and return ( 6 , 7 ) are flexible on the hinge piece ( 9 ). 10. Windgetriebene Wärmepumpenanlage oder Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Rotorleistung größer als 10 kW, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) über ein Umlenkgetriebe (12) und über eine Getriebestange (11) den Kompressor (3) direkt antreibt.10. Wind-driven heat pump system or cooling system according to one of claims 1 to 9 with a rotor power greater than 10 kW, characterized in that the rotor ( 5 ) via a deflection gear ( 12 ) and a gear rod ( 11 ) drives the compressor ( 3 ) directly .
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