DE2626468A1

DE2626468A1 - Verfahren zur raumbeheizung und/ oder warmwasserbereitung und heizungsanlage zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2626468A1
Application number: DE19762626468
Authority: DE
Inventors: Hans Johann Georg Anger
Original assignee: HAF KLAUS
Current assignee: HAF KLAUS
Priority date: 1976-06-12
Filing date: 1976-06-12
Publication date: 1977-12-22
Also published as: DE2626468B2; DE2626468C3

Description

H. J. G. Anger — 3 - \ Pat 310

Klaus Haf

Verfahren zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung und Heizungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung, bei welchem warme Zuluft einem, in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittel zugeführt, das Kältemittel hierbei verdampft und dann unter Erzeugung eines hohen Temperaturgradienten mittels elektrischer Fremdenergie verdichtet und dann unter Wärmeab—= gäbe an einen Nutzungsheizungskreislauf verflüssigt, ausgedehnt und zum Ausgangspunkt des Kreislaufes zurückgeführt wird und eine Heizungsanlage zur Durchführung des Verfahrens zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung unter Verwendung einer Wärmepumpe als Kältemittelkreislauf·.

Es ist ein derartiges Verfahren zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung sowie eine Heizungsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, bei welchem als Ausgangswärmeque.lle :_■-.-■ Außenlufii verwendet wird, wobei bei der Heizungsanlage siur Durchführung des Verfahrens eine Wärmepumpe als Kältemittelkreislauf verwendet wird.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Anlage zur Durchführung desselben weist jedoch den Nachteil auf, daß in unseren europäischen Breitegraden die Temperatur der Außenluft im Winter und oft auch im Herbst und Frühjahr in einer sich oft über Wochen erstreckenden Zeitperiode zu niedrig liegt, um eine

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derartige Wärmeausnutzung bei einem sich dann ergebenden äußerst ungünstigen Leistungsfaktor noch sinnvoll erscheinen zu lassen.

Im folgenden wird das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip der ansich bekannten Wärmepumpen kurz dargestellt.

Eine Wärmepumpe kann als Klimatisierungs-System bezeichnet werden, das so angeordnet und regelbar ist, daß es sowohl Wärme aus einem zu klimatisierenden Raum heraus- als auch hineintransportieren kann.

Im Gegensatz zu einem normalen Klimagerät, welches die Aufgabe hat unerwünschte Wärme aus Innenräumen nach draußen zu befördern, wird bei der Wärmepumpe der Kältemittelkreislauf umgekehrt, so daß bei Bedarf Wärme von Außerhaus in den zu klimatisierenden Raum transportiert werden kann. Die Umkehrung des Kältemittelkreislaufes erfolgt über ein Ventilsystem.

Wärmepumpen können nach dem Prinzip Luft-an-Luft betätigt werden. Hierbei wird während des Heizkreislaufes Wärme aus der Außenluft entnommen und diese Wärme der Raumluft übertragen. Es kann auch ein Prinzip von Luft-an-Wasser für die Wärmepumpe verwendet werden.

Bei diesem System wird Wärme aus der Außenluft entnommen und in einen bestehenden oder zu installierenden Pumpenwarmwasser-Heizkreislauf eingespeist.

Ein Klimagerät erzeugt nicht Wärme, sondern transportiert Wärme.

Bei Wärmepumpen wird elektrischer Fremdenergie zum Betrieb derselben verwendet.

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Die Wärmepumpe transportiert Wärme von niedrigem auf hohes Niveau.

Wärme der Außenluft eignet sich für den Einsatz der Wärmepumpe. Für den "Transport" der Wärme ist elektrische Fremdenergie erforderlich, die ebenfalls teilweise in Wärme umgewandelt wird und für die Heizung zur Verfügung steht.

Für ein KW aufgewendeter elektrischer Fremdenergie erhält man mittels Wärmepumpen etwa 3-4 KW Wärme-Energie.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch die Leistungsziffer ε beschrieben. Dies ist das Verhältnis von erhaltener zu aufgewendeter Energie. Die Leistungsziffer ist bei Verwendung von Wärmepumpen sehr stark von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungsverlauf abhängig. Je größer diese Differenz ist, desto mehr Energie ist aufzuwenden um die Wärme zu transportieren, das heißt, desto schlechter ist der Wirkungsgrad.

Die Kompensationstemperatur t, liegt etwa bei 2 Grad Celsius über der Heizungs-Vorlauftemperatur. Die Verdampfungstemperatur t ist abhängig von der zur Verfügung stehenden Wärmequelle. Bei der Projektierung von Wärmeanlagen ist stets darauf zu achten, daß diese beiden Temperaturen möglichst nahe beieinander liegen. Um die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anordnung nicht in Frage zu stellen.

Grundsätzlich ist die von der Wärmepumpe zu überbrückende Temperaturdifferenz, d. h. die Temperatur der Wärmequelle zu der Temperatur des Heizmediums ausschlaggebend auf den Wirkungsgrad.

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Soll eina: Außenluft mit Wintertemperaturen von -10°C und darun ter mittels einer Wärmepumpe Wärme entzogen werden, so ist der erzielbare Wirkungsgrad nicht mehr wirtschaftlich.

Eine Wirtschaftlichkeit kann höchstens noch bei unter 0⁰C liegenden Temperaturen von -2°C bis minimal -5°C erreicht werden.

Noch günstige Voraussetzungen für die Verwendung von Wärmepumpen ergeben sich, sofern die Temperatur der Wärmequelle in Grenzen von +5 C bis -5°C liegt.

Da jedoch solche Voraussetzungen bei Verwendung von Außenluft als Wärmequelle bei in der Bundesrepublik herrschenden klimatischen. Bedingungen nicht über den Verlauf des ganzen Jahres vorliegen und über einen längeren Zeitraum Außentemperaturen von unter -5°C vorherrschen, bei denen die Verwendung von Wärmepumpen nicht mehr wirtschaftlich ist ist auch die Verwendung von Außenluft als Wärmequelle unwirtschaftlich, da hierbei in den angegebenen Zeiträumen, in welchen die Temperatur der Außenluft ι
gungen ergibt.

der Außenluft unter -5°C liegt, unwirtschaftliche Heizbedin-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine derartige Wärmequelle für die Raumbeheizung und/oder Warmwasserbeheizung zu verwenden, welche das ganze Jahr über bei annähernd gleichen Temperaturbedingungen auf wirtschaftliche Weise zur Verfügung steht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung als Ausgangswärmequelle die Zuluft von im Erdreich liegenden Kanäl-en verwendet wird.

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Vorteilhafterweise ist die Heizungsanlage zur Durchführung des Verfahrens zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung so gestaltet, daß als Ausgangswärmequelle die der Wärmepumpe zuzuführende Zuluft von im Erdreich gelagerten Kanälen verwendet wird.

Es ist zweckmäßig, wenn als Ausgangswärmequelle die Zuluft von bestehenden Abwasserkanälen verwendet wird.

Es ist zweckdienlich, wenn als Wärmequelle die Zuluft von bestehenden Abluftkanälen verwendet wird.

Es ist vorteilhaft, wenn als Wärmequelle die Zuluft von bestehenden Heizkanälen verwendet wird.

Es ist zweckdienlich, wenn als Ausgangswärmequelle die Zuluft bestehender Kabelkanäle verwendet wird.

Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil, daß das ganze Jahr hindurch eine Wärmequelle mit einer minimalen über dem Gefrierpunkt liegenden annähernd konstanten Temperatur im Bereich von etwa +5⁰C bis +10⁰C zur Verfügung steht, wodurch das erforderliche Verhältnis der Verdampfertemperatur zur Kompensationstemperatur erzielbar ist, welches insbesondere bei der Verwendung von Fußbodenraumheizungen keine zu hohen Werte erreicht, so daß bei der Verwendung von Wärmepumpen das ganze Jahr hindurch ein günstiger Wirkungsgrad derselben erzielbar ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 die Wärmepumpe in schematischer Darstellung im Querschnitt,

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Fig. 2 eine schematische Darstellung der mit der Wärmepumpe einhergehenden Wärmeübertragungsvorgänge;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Heizungsanlage für Raumheizung und/oder Warmwasserbereitung unter Verwendung von Wärmequellen in Form von in Kanälen enthaltener warmer Zuluft.

Die Teile einer Wärmepumpe 1 sind in Fig 1 dargestelllt.

Die wichtigsten Teile der Wärmepumpe sind ein Verdampfer 2, ein Kompressor 3, ein Kondensator 4 und ein Drosselorgan 5.

Im Verdampfer 2 nimmt das Kältemittel bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aus der Wärmequelle herangeführte Wärme auf, wobei das Kältemittel verdampft. Dieser Dampf wird in einem Verdichter 3 verdichtet, wobei sich seine Temperatur sehr stark erhöht. Dieses Heißgas gibt seine Wärmeenergie im Kondensator 4 an den in Form von Heizungswasser verwendeten Wärmeträger ab und wird flüssig. Im^- Drosselorgan 5 entspannt sich das Kältemittel und gelangt dann wieder in den Verdampfer 2, wo der Kreislauf von neuem beginnt.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die mit der Wärmepumpe verbundene Übertragungsvorgänge, wobei erfindungsgemäß als Ausgangswärmequelle die Zuluft 6 von. als Wärmequelle dienenden im Erdreich liegenden bestehenden Kanälen verwendet wird, wobei diese Zuluft mittels elektrischer Zwangskonvektion dem Verdampfer 2 zugeleitet wird, in welchem durch die Wärme, die die Wärmequelle im Wärmeaustauscher abgibt, das Kältemittel bei ca. + 2°C verdampft.

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Der Kältemitteldampf von ca + 2 C kann gemäß einem Ausführungsbeispiel etwa I0.000 kcal/h aufnehmen und gelangt zum elektrischen Verdichter 3, in welchem das Kältemittel auf beispielsweise 14,5 atu verdichtet wird, wodurch der Kältemitteldampf auf ca. 40-6O⁰C erhitzt wird und beispielsweise noch weitere 5.000 kcal/h aufnehmen kann (Verdichterleistung).

Der verdichtete Kältemitteldampf von beispielsweise etwa 40-60 C gelangt dann in einen als Wärmeaustauscher gestalteten Kondensator 4, in welchem das Kältemittel die beispielsweise transportierten 15.000 kcal/h bei unverändert hohem Druck abgibt und flüssig wird.

Das verflüssigte Kältemittel gelangt dann in das Drosselorgan 5 (bzw. Expansionsventil), dehnt sich dort aus und nimmt einen niederen Druck gemäß dem Ausführungsbeispiel von etwa 2,3 atu bei einer Temperatur von + 2°C an, worauf sich das Arbeitsspiel wiederholt.

Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe wird durch die Leistungsziffer ε dargestellt, wobei ε das Verhältnis der erhaltenen zur aufgewendeten Energie ist. Die Leistungsziffer ist bei Verwendung von Wärmepumpen von der Temperaturdifferenz^zwischen der Wärmequelle und dem Heizungsverlauf abhängig, so daß bei einer größeren Differenz dieser Temperaturen jeweils mehr Energie aufzuwenden ist, um die Wärme zu transportieren.

Diese Temperaturdifferenz muß somit so klein wie möglich gehalten werden, um eine große Leistungsziffer zu erhalten.

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Wird als Wärmequelle die Abluft von im Erdreich liegenden bestehenden Kanälen verwendet, so ergibt sich der Vorteil, daß die Temperatur dieser von der Wärmequelle herangeführten Abluft das ganze Jahr hindurch etwa gleichmäßig hoch ist und beispielsweise 5°C bis 10°C betragen kann.

Wird als Raumbeheizung eine Heizungsart gewählt, die eine geringe Vorlauftemperatur benötigt, wie das beispielsweise bei Fußbodenheizungen von Räumen der Fall ist, so reicht eine Vorlauf stemper atur des Wärmeträgers von ca. 40-5O⁰C aus.

Bei einer derartigen Wahl der Wärmequelle und der Heizungsart ergibt sich die erforderliche minimale Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und den Heizungsvorlauf, um eine günstige Leistungsziffer ε zu erzielen.

Die Kondensationstemperatur t, liegt etwa 2 über der Heizungsvorlauftemperatur. Die Verdampfungstemperatur t ist abhängig von der zur Verfügung stehenden Wärmequelle, wobei bei Verwendung von Zuluft aus bestehenden im Erdreich liegenden Kanälen von (
beträgt.

len von etwa 5-10°C die Verdampfungstemperatur t gleich + 2°C

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird als Wärmequelle die Zuluft eines im Erdreich 10 liegenden bestehenden Kanales 11 verwendet, wobei diese Zuluft 6 mittels einer elektrischen Zwangskonvektionseinrichtung 12, die im Form eines Ventilator oder Exhaustors gestaltet sein kann, aus dem Kanal 11 in den Verdampfer 2 der Wärmepumpe 1 eingespeist wird, in welchem die etwa + 5°C bis + 10 C betragende Zuluft dieses Kanales ihre Wärme auf das etwa

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+ 2°C aufweisende Kältemittel des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe abgibt. Die dem Kondensator 4 vom Kältemittel des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe zugeführte Wärme von beispielsweise 15.000 kcal/h wird mittels eines Wärmeaustauschers auf dem Wärmeträger des Heißwasservorlaufes übertragen, welcher auf etwa 40 bis 55 C erwärmt wird, wobei diese Wärme sowohl eine Raumbeheizungseinrichtung 13 zugeführt wird, welche zweckmäßigerweise, um die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Heizungsvorlauf nicht so groß zu halten und um dadurch eine in günstigen Grenzen liegende Leiffcungsziffer zu erzielen als Fußbodenheizung 8 gestaltet ist. Gleichzeitig kann der Heizwasservorlauf einer Einrichtung 13 zur Warmwasserbereitung zugeleitet werden.

Die Wärmepumpe 1 zugeführte Zuluft 6 des Kanales 11 wird nach entsprechender Abgabe ihrer Wärme in der Wärmepumpe 1 durch einen Abluftstutzen 14 in die Atmosphäre abgelassen, wobei die aus dem Kanal 11 abgesaugte Zuluft 6 im Kanal durch das gesamte verzweigte Kanalsystem laufend aufgefüllt wird, wobei der Bedarf von Zuluft durch die in verschiedenen bestimmten Abstände angeordneten Kontrollschächte 15 wieder aufgefüllt wirdβ ^Da das gesamte Kanalsystem üblicherweise weit verzweigt ist, stehen große Mengen an Zuluft mit einer normalerweise recht konstanten Temperatur von ca. 5 - 1O°C zur Verfügung, um die Wärmepumpe dauernd mit der erforderlichen warmen Zuluft versorgen zu können.·

An warmen Tagen ist es möglich, die Zuluftleitungen 16 mittels

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eines Schiebers zu schließen und dafür einen Außenluftansaugstutzen 17 mittels eines Schiebers zu öffnen, so daß als Zuluft Außenluft der Wärmepumpe 1 zugeführt wird.

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Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil, daß bei Verwendung von Zuluft aus im Erdreich liegenden bestehenden Kanälen, die Abwasserkanäle, Abluftkanäle, Heizkanäle, oder Kabelkanäle sein können, für den erforderlichen Betrieb der Wärmepumpe warme Zuluft mit einer annähernd gleichbleibenden Temperatur von + 5°C bis + 1O°C zu erhalten, wodurch die Möglichkeit erzielt wird, mittels einer Wärmepumpe eine Raumbeheizung in Form von Fußbodenheizung oder eine Warmwasserbereitungseinrichtung das ganze Jahr hindurch mit einer günstigen Leistungsziffer ε zu betreiben.

Die Wärmepumpe ergibt selbst dann noch günstige Ergebnisse, falls die Temperatur der Zuluft bis zu minimal -5°C absinkt, bzw. sich in den Grenzen von -5°C bis + 5°C hält, was im im Erdreich verlegten bestehenden Kanälen ungünstigstenfalles bei selten auftretenden Außentemperaturen von bis zu -30°C der Fall sein kann, bei welchem eine direkte Einspeisung von Außenluft schon bei weitem zu nicht mehr auswertenden Verhältnissen zum Betrieb der Wärmepumpe führen würde.

Da jedoch die durchschnittliche Temperatur der von Kanälen zu entnehmenden Zuluft üblicherweise höher sein wird, als der Bereich von -5°C bis +5⁰C, ist die Verwendung von derartiger aus Kanälen stammender Zuluft für den Betrieb der Wärmepumpe das ganze Jahr hindurch unter günstigen Bedingungen gewährleistet, insbesondere da derartige im Erdreich verlegte Kanäle meistenteils ein zusammenhängendes langes Kanalsystem bilden, so daß auch bei laufender ständiger Entnahme von Zuluft die vorhandene warme Zuluftmenge nicht leicht ausgeschöpft werden kann, insbesondere da die aus dem in gewissen Zwischenräumen angeordneten

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Kontrolluftschächten zuströmende Außenluft sich mit der in den Kanälen enthaltenen Luft vermischt und dort auf die durchschnittliche, im Kanal herrschende Temperatur angehoben wird. Es ist auch vorteilhaft, wenn Zuluft aus bestehenden Abwasserkanälen verwendet wird, da hierbei wünschenswerterweise ein übermäßig hoher Anstieg der im Kanal herrschenden 'Jfempc»- tur. beschränkt wird, wodurch seinerseits wiederum die Entstehung von Fäulnisgasen aus den Abwässern eingedämmt wird, welche sich bei niederen Temperaturen in nicht so großem Maß entwickeln können. Eine derartige Eindämmung der Entstehung von Fäulnisgasen in Abwasserkanälen ist jedoch von kanalbautechnischen Gesichtspunkten erwünscht.

Es ergibt sich somit die günstige Nebenwirkung, daß die Kanäle, aus denen auf derartige Weise Zuluft für Heizzwecke entnommen wird, auf wünschenswerte Weise belüftet werden, wobei für Heizzwecke das ganze Jahr hindurch ausreichende Mengen an im Kanal enthaltener Warmluft zur Verfügung steht.

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Claims

H. J. G. Anger Pat 310

Klaus Haf

Patentansprüche

Verfahren zur Raumbeheizung und Warmwasserbereitung, bei welchem warme Zuluft einem, in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittel zugeführt, das Kältemittel hierbei verdampft und dann unter Erfüllung eines hohen Temperaturgradienten mittels elektrischer Fremdenergie verdichtet und dann unter Wärmeabgabe an einen Nutzungsheizungskreislauf verflüssigt, ausgedehnt und zum Ausgangspunkt des Kreislaufes zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswärmequelle die Zuluft von im Erdreich liegenden bestehenden Kanälen verwendet wird.
2. Heizungsanlage zur Durchführung des Vefahrens zur Raumbeheizung und/oder Warmwasserbereitung unter Verwendung einer Wärmepumpe als Kältemittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswärmequelle die der Wärmepumpe zuzuführende Zuluft von im Erdreich verlegten bestehenden Kanälen verwendet wird.
3. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswärmequelle die Zuluft bestehender Abwasserkanäle verwendet wird.
4. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle die Zuluft von bestehenden Abluftkanälen verwendet wird.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle die Zuluft bestehender Heizungskanäle verwendet wird.
6. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch^gekennzeichnet, daß als Wärmequelle die Zuluft bestehender Kabelkanäle verwendet wird.

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