DE2557895A1

DE2557895A1 - Vorrichtung zum beheizen von gebaeuden mittels einer waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE2557895A1
Application number: DE19752557895
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Bogdanski; Klaus Dipl Ing Schimmelpfennig
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1977-06-30

Description

i. a b e 1 - "und Metalllserke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

l-l440 19.12.75

Vorrichtung zum Beheizen von Gebäuden mittels einer Wärmepum-

penanlage

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beheizen von Gebäuden mittels einer Wärmepumpenanlage, in der ein Wärmeträger innerhalb eines in sich geschlossenen Kreislaufs kondensiert und verdampft wird und beim Verdampfen über Wärmekollektoren Energie aufnimmt und diese Energie beim Kondensieren über ein Wärmeverteilungssystem abgibt.

Bei der Beheizung von Gebäuden wird Wärmeenergie von Wärmekollektoren (ülheizkessel, Gasthermen, elektrische Durchlauferhitzer, Sonnenkollektroen, Verdampfer) aufgenommen und über ein Verteilungssystem den Wärmeemittern (Radiatoren, Konvektoren, Kondensatoren, strahlungsaustauschende Flächen, wie beheizte Böden, Decken und Wände) zugeführt, die zur Raumbeheizung dienen.

Ein bedeutender volks- und energiewirtschaftlicher Nachteil in der bisherigen Heiztechnik besteht darin, daß wertvolle Primärenergie zur Erzeugung einegfoeit über der gewünschten Raumtemperatur liegenden Temperaturniveaus zu Heizzwecken eingesetzt und Energie ohne Gewinnung von mechanischer Arbeit verbraucht wird.

Aus diesem Grunde gewinnt die Ausnutzung von Ab- und Niedertemperaturwärme sowie der Sonnenenergie und geothermischen Energie zunehmend an Bedeutung. Zur Aufnahme dieser Energie werden Wärmekollektoren eingesetzt.

Während beim Wärmeentzug aus dem Erdreich (Grundwasser, Erdboden) die technischen Probleme des Wärmekollektors weitge-

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hend gelöst sind, sind die im Wärmekontakt zur Luft- und Sonnenstrahlung liegenden Wärmekollektoren noch verbesserungsbedürftig.

Bei den Luft-Wasser-bzw. Luft- Luft-Wärmepumpenanlagen stellt die Vereisung der luftbeheizten Kollektroen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt eine Grenze der wirtschaftlichen Anwendbarkeit dar. Ferner sind Ventilatoren zur Umwälzung der Luft notwendig, diezusätzlich Energie benötigen und eine Geräuschbelästigung darstellen. Außerdem sind bei diesen Kollektoren die Temperaturverluste wegen einer hohen spezifischen Flächenbelastung sehr groß. Ein weiterer Nachteil ist die erhöhte Verschmutzungsgefahr, die einen zusätzlichen Schmutzfiltereinbau notwendig macht. Weitere Nachteile sind die Gefahr des thermischen Kurzschlusses und daß die Globalstrahlung nicht ausgenutzt werden kann. Im Falle der Luft-Luft und Luft-Wasser-Wärmepumpenanlagen ist keine Speicherfähigkeit möglich.

Die zur Zeit auf dem Markt erhältlichen Sonnenkollektoren zur dirh£ten Nutzung von Sonnenenergie sind teuer und daher unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt die Aufgebe zugrunde, eine Vorrichtung zum Beheizen von Gebäuden mittels einer Wärmepumpenanlage anzugeben, deren Funktionsweise weder durch Vereisung noch Verschmutzung beeinträchtigt wi rd, die keine Lärmbelästigung hervorruft und die es ermöglicht, die Globalstrahlung optimal auszunutzen. Weiterhin sollen die bekannten Wärmekollektoren dahingehend verbessert werden, daß sie wärmespeicherfähig sind und damit temperaturausgleichend wirken.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Wärmekollektoren durch eine Vielzahl von nahezu parallel und in unmittelbarer Nähe zum Dach verlaufende Rohre gebildet sind und die Rohre in wärmeleitenden Kontakt zu einem Wärmespeichermedium liegen. Durch

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Temperatur ab seiikuTvg des ¥ärmeträs%rs \mter die peratur oder durch. Verdampfen des Wärmeträgers nehmen die Rohre Wärmeenergie aus dem Wärmespeichermedium auf und führen sie über einen Wärmepumpenkreislauf dem Wärmeverteilungssystem zu.

Eine für Gebäude mit Flachdächern besonders vorteilhaft geeignete Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Vielzahl von nahezu horizontal verlaufenden endseitig miteinander verbundenen Rohren aus einem gut wärmeleitenden Material., vorzugsweise aus Kupfer, in einem auf dem Dach angeordneten mit dem Wärmespeichermedium gefüllten Behältnis angeordnet sind. Ein derartiger Wärmekollektor könnte beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man die einzelnen Rohrlängen parallel zueinander verlegt und endseitig über auf dem Markt erhältliche Rohrkrümmer verbindet. Ais besonders vorteilhaft hat; es sich aber erwiesen, eine Rohrlänge zu verwenden, die auf der Baustelle mäanderförmig gebogen wird. Hierzu eignen sich besonders weichgeglühte Kupferrohre. Die Kupferrohre sollten an ihrer Oberfläche geschwärzt sein. Dadurch wird die Wärmeaufnahme bei direkter Sonnenbestrahlung wesentlich erhöht. Das Wärmespeichermedium besteht zweckmäßigerweise aus Wasser und/oder Kies, wobei sich eine Kombination aus Wasser und Kies als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Dabei sollte aber darauf geachtet werden, daß der Füllstand der Kiesschicht höher liegt als der Wasserspiegel. Entzieht nun der Wärmeträger zum Beispiel beim Verdampfen dem WMrmespeichermedium Wärme, so können bei Außentemperaturen «m den Gefrierpunkt die Kieselstein an der Rohroberfläche anfrieren und dadurch den Wärmeübergang verbessern, so daß hier die Vereisung im Gegensatz zu Lamellenluftverdampfern mit Ventilator erwünscht ist. Dadurch wird die wärmeübertragende Oberfläche wesentlich erhöht. Befindet sich Wasser auf dem Dach so ist die Entspeicherung aufgrund der spezifischen Wärme dee Wassers gegeben. Friert dtie Wasser aufgrund des Wärmeentzugs, so wird zusätzlich die Schmelzwärme des Eise« (80 kcal/kg) gewonnen, ohne daß die

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Rohrtemperatur wesentlich absinkt. (Haltepunkt) Bei Einstrahlung von Sonnenenergie wird die Kiesschicht intensiv aufgeheizt, wodurch eine Steigerung des Wirkungsgrades erzielt wird. Dieser Effekt wird noch vergrößert, wenn man schwarzen Kies verwendet.

Bei Gebäuden mit gercLgtem Dach hat es sich aus optischen. Gründen als besonders zweckmäßig erwiesen, das Speichermediutn enthaltende Behälter unterhalb der Dachabdeckung anzuordnen. Dabei verwendet man vorteilhafterweise in Richtung der Dachneigtmg langgestreckt verlaufende Behälter und befestigt diese an den Dachsparren. Innerhalb dieser Behälter befinden sich dann die Rohre mit dem Wärmeträger. Da das Wärmespeichermedium normalerweise während des Betriebes der Wärmepumpenanlage eine geringere Temperatur als die Umgebungsluft aufweist, ist es zweckmäßig, unterhalb der Behälter Schwitzwasserrinnen vorzugsehen., die verhindern, daß das Schwitzwasser auf den Boden des Dachbodens fällt. Eine besonders wirksame und preisgünstige Gestaltung der Behälter ergibt sich dann, wenn man diese aus endseitig verschlossenen Kunststoffrohren herstellt. Derartige Kunststoffrohre sind auf dem Markt erhältlich und brauchen lediglich mit einem Boden versehen zu werden. Nach dem Einsetzen des Bodens werden die Behälter mit einem Wärmespeichermedium, vorzugsweise mit Sole, gefüllt. Der wesentliche Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, daß auch hier, wie bereits oben erwähnt, die Schmelzwärme des Eises gewonnen wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß die Wärmeleitfähigkeit von Eis wesentlich höher ist als die von Wasser.

Die Erfindung ist anhand der in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeiqpiele näher erläutert.

Es zeigen Figur 1 einen Wärmekollektor für ein Flachdach

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Figur 2 einen Schnitt durch einen Wärmekollektor für Gebäude mit geniegtetn Dach

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^ je einen Schnitt durch einen Wärmekollektor

und Figur 4 -uv _o
^ö nach Fxgur 2

In der Figur 1 ist ein Flachdach dargestellt, auf dem ein Kollektor gemäß der Lehre der Erfindung angeordnet ist. Dazu ist auf dem Dach eine wannenförmige Vertiefung 1 vorgesehen, deren Boden mit eixier wasserdichten Auskleidung, beispielsweise Dachpappe oder einer Kupferfolie 2 versehen ist. In dieser Wanne 1 sind Kupferrohre 3 verlegt, die endseitig miteinander über an sich bekannte Rohrkrümmer verbunden sind. Es ist aber auch möglich, lediglich eine Rohrlänge zu verwenden, beispielsweise aus weichgeglühtem Kupferrohr, und diese Rolirläiige mäanderförniig zu biegen. Die Enden der Rohrlänge sind in nicht dargestellter Weise mit dem Kreislauf einer Wärmepunip enanl age verbunden. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen Rohren 3 ist mit Kies 4 ausgefüllt. Bei Betrieb der Wärmepumpenanlage nimmt der in den Kupferrohren 3 fließende Wärmeträger zum Beispiel durch Verdampfen Energie auf und entzieht dabei dem auf einem höheren Temper^urniveau liegenden Wärmespeichermedium 4 Wärme, wobei sich das Wärmespeichermedium 4 abkühlt. Bei einer Abkühlung der Rohre 3 unter 0 C frieren einzelne Kiesel an der Oberfläche der Kupferrohre 3 an und erhöhen auf diese Weise deren Oberfläche und damit den Wärmeübergang von der Umgebung zum Wärmeträger.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmekollektors gestattet es, daß an Tagen intensiver Sonnenbestrahlung das Speichermedium 4 und damit auch der in den Rohren 1 fließende Wärmeträger verstärkt Energie aufnimmt, was durch eine Schwarzfärbung der Oberfläche der Kupferrohre 3 sowie die Verwendung schwarzen Kieses noch intensiviert wird. Aber auch bei bedecktem Hiitamel wird dem Kies 4 durch Globalstrahlung Energie zugeführt. Dabei wird noch die Umwandlungsenergie der Luft-

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feuchtigkeit ausgenutzt. Zunächst kondensiert der Wasserdampf an der Oberfläche der Rohre 3 bzw. der Kiesel 4 und gibt dabei Kondensationswärme ab. Nehmen die Rohre 3 eine Temperatur an, die wesentlich unter 0°C liegt, so gefriert das Wasser zumindest in unmittelbarer Nähe der Rohr 3· Währenddie Vereisung bei Lamellenluftverdampfer mit Ventilatoren unerwünscht ist, zieht die Vereisung bei dem Wärmekollektor gemäß der Lehre der Erfindung den Vorteil nach sich, daß durch das Anfrieren einzelner Kiesel 4 an der Oberfläche des Rohres 3 die wärmetauschende Fläche des Kollektors wesentlich erhöht wird, da durch das Eis gut wärmeleitende Brücken gebildet werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß beim Erstarren des Wassers die Schmelzwärme des Eises (80 kcal/kg) gewonnen wird. Dieser Prozeß wirkt sich günstig auf die Leistungszahl der Wärmepumpenanlagen aus. Die Leistungszahl einer Wärmepumpenanlage ist umso höher je geringer die Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite der Wärmepumpenanlage ist. Durch den Gefrierprozeß wird zunächst eine Temperaturabsenkung der kalten Seite verhindert. Nach vollständiger Erstarrung liegt durch das Anfrieren der Kiesel ein großflächiger Wärmekollektor mit gutem Wärmeübergang vor, der das an sich üblich starke Abfallen der Leistungszahl mindert,

In der Figur 2 ist ein Schnitt durch ein Schrägdach mit Dachsparren 5, Dachlatten 6 und Dachziegeln 7 dargestellt. An den Dachsparren 5 sind hier endseitig verschlossene Kunststoff rohre 8 befestigt, die mit Sole gefüllt sind, was eine Steuerbarkeit der Gefrierpunkterniedrigung gestattet. Je nach Klimazone wird man den Gefrierpunkt durch unterschiedliche Konzentration der Sole einstellen. Dabei ist es zweckmäßig, den Gefrierpunkt ca. 5K unterhalb der mittleren Minimaltemperatur dieser Zone legen. Bei höheren Außentemperaturen, wie sie in der Übergangszeit, die dan zeitlich 'größten Teil der Heizperiode ausmacht vorliegen, steigt die Leistungsaufnahme der Wärmekollektoren erheblich an. Dadurch würde normalerweise ds· Tem-

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peratur der Rohre stark absinken und die Leistungszahl verschlechtern. Durch die die Rohre umgebende Sole wird diese Temperainfcrabsenkung vermieden, da die Wärmepumpenanlagen in der Übergangszeit nur in Intervallen läuft. Es entsteht also eine sehr vorteilhafte Vergleichmäßigung der Temperatur an der kalten Seite. Im Innern der Kunst stoff-rohre 8 befindeil sich die Kupferrohre 9 die, wie insbesondere die Figuren 3 und k zeigen, an den Kühlmittelkreislauf der Wärmepumpenanlage angeschlossen sind. Unterhalb der Kunststoffrohre 8 sind Schwitzwasserrinnen 10 angeordnet, die das an der Oberfläche der Kunststoffrohre 8 kondensierende bzw. abtauende Schwitzwasser ableiten sollen.

Diese Ausgestaltung der Wärmekollektoren ist in besonders wirtschaftlicher Weise herstellbar und verwendet preisgünstig auf de» Markt erhältliche Materialien.

Die Arbeitsweise ist wie folgt?

Der in den Kunststoffrohren 8 befindlichen Sole wird bei Betrieb der Wärmepumpenanlage kontinuierlich Wärme entzogen, wobei sich die Sole abkühlt. Dadurch entzieht die Sole der Umgebungeluft Wärme, die durch die Wandung des Kunststoffrohre» 8 durch die Sole und die Wandung des Kupferrohres 9 in den Wärmeträger gelangt. Bei starkem Wärmeentzug zum Beispiel bei Kälteeinbruch gefriert die Sole in den Kunststoffrohr en 8, wobei bei konstanter Temperatur die Schmelzwärme der Sole gewonnen wird. Bei geringerem Wärmeentzug zum Beispiel am Tage höherer Außentemperatur kann die erstarrte Sole durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung wieder auftauen.

Xn den Figuren 3 und 4 ist die Ausgestaltung des den Wärmeträger führenden Kupferrohree 9 in awei Ausführungebeispielen dargestellt. Ib. der Figur 3 ist du« Kupferrohr 9 U-förmig gebogen, dessen frei» Schenkel an die Hin-basw. Rückleitung de« Wärmeträgerkreislauf· in an sich bekannter Weise angeschlossen sind. Der Wärmeträger liegt in der Hinleitung (kleiner Querschnitt) al« Flüssigkeit vor und wird innerhalb de» Kunst-

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stoffrohres 8 durch die Sole so weit erwärmt, daß er verdampft. Der Dampf wird dann über die Rückleitung (größerer Querschnitt) dem Verdichter der Wärmepumpenanlage zugeführt. Hinter dem Verdichter kondensiert der Dampf und gibt dabei seine Kondensationswärme ab.

In der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem Hin- und Rücklaufstrang des Wärmeträgerkreislaufs durch zwei ineinander angeordnete Rohre ausgebildet ist. Von den Hauptsträngen ragen Abzweige in die Kunststoffrohre 8 ein, wobei das äußere der Rohre endseitig geschlossen ist. Durch das Innere der Rohre strömt der flüssige Wärmeträger in den Ringraum zwischen den beiden Rohre, wobei er sich erwärmt und verdampft und im dampfförmigen Zustand dem Verdichter zugeführt wird.

Um ein Verdunsten der Sole aus den Kunst stoff rohr en 8 zu verhindern, sind diese an ihren oberen Öffnungen mit einem Deckel 11 verschlossen.

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Claims

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft 1- l44O 19.12.75 Pat entansprtiche

1. {Vorrichtung zum Beheizen von Gebäuden mittels einer Wärme^s~"'^ pumpenanlage, in der ein Wärmeträger innerhalb eines in sich geschlossenen Kreislaufs kondensiert und verdampft wird und beim Verdampfen über Wärmekollektoren Energie aufnimmt und diese Energie beim Kondensieren über ein Wärmeverteilungssystem abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekollektoren durch eine Vielzahl von nahezu parallel und in unmittelbarer Nähe zum Dach verlaufende Rohre (3i9) gebildet sind und die Hohre (3»9) im wärmeleitenden Kontakt zu einem Wärmespeichermedium (4) liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Anwendung bei Gebäuden mit Flachdächern, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von nahezu horizontale« verlaufenden endseitig miteinander verbundenen Rohren (3) aus einem gut wärmeleitenden Material vorzugsweise aus Kupfer, die in einem auf dem Dach angeordneten mit dem Wänaeapeichermedium (4) gefüllten Behältnis (l) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mäanderförmig gebogene Rohrlänge (3) verwendet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) an seiner Oberfläche geschwärzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem dsr folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß da· Wärme ep eich erme dium (4) aus Wasser und/oder Kies besteht.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß schwarzer Kies verwendet ist.

7- Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Anwendung in Gebäuden mit geneigtem Dach, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermedium enthaltende Behälter (8) unterhalb der Üachabdeckung (7) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Dachneigung verlaufende langgestreckte Behälter (8) an den Dachsparren (5) befestigt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Behälter (8) Schwitzwasserrinnen (10) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (8) aus endseitig verschlossenen Kunststoffrohren bestehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (8) mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise Sole, gefüllt sind.

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