DE2634192A1

DE2634192A1 - Einrichtung zum heizen von gebaeuden

Info

Publication number: DE2634192A1
Application number: DE19762634192
Authority: DE
Inventors: Hector Berlioz; Maurice Dumont
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-08-05
Filing date: 1976-07-29
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2320501A1; FR2320501B1; NL7608611A; US4073434A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. ^ickkann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys.-Dr. K. Fincke SPMY Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

■ 8 MÜNCHEN 86, DEN

or O I-J Π.Ο POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

COMMISSARIAT AL¹ENERGIE ATOMIQUE 29, rue de la Federation, 75752 Paris/Frankreich

Einrichtung zum Heizen von Gebäuden

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Heizen von Gebäuden.

Es sind Einrichtungen zum Heizen bekannt, in denen Dampf mit atmosphärischem Druck verwendet wird. Diese Einrichtungen haben einige Nachteile, insbesondere benötigen sie Leitungen mit beträchtlichen Durchmessern an den zu heizenden Stellen; weiterhin haben sie im Gebrauch keine ausreichende Anpassungsfähigkeit bzw. Flexibilität, die es ermöglichen würde, daß jeder Benutzer die Stärke der Heizung unabhängig von den benachbarten Benutzern nach seinem Belieben einstellen kann. Mit der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen, mit der diese Nachteile überwunden werden, und die insbesondere einfach herstellbar ist sowie viele Möglichkeiten der Regulierung bietet«

Im einzelnen wird mit der Erfindung eine Einrichtung zum Heizen von Gebäuden zur Verfügung gestellt ₉ die sich auszeichnet durchs

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wenigstens einen vertikalen Wärmekanal, der von einem aufsteigenden Dampf und einem absteigenden bzw. -fließenden Kondensat durchströmt ist;

Heizeinheiten, die in jedem zu heizenden. Raum vorgesehen sind und von denen jede einen Kondensator aufweist, der mit dem einen der Wärmekanäle stromaufwärts bzw. "hochdruckseitig" über eine Rohrabzweigung verbunden ist, die dazu dient, Dampf abzuzapfen, und der stromabwärts bzw. "niederdruckseitig" über eine Rückführleitung für das Kondensat mit dem Wärmekanal verbunden ist;

eine Flüssigkeits-Dampf-Trenneinrichtung am unteren Ende bzw. an der Basis des Wärmekanals, die das Kondensat sammelt und auf die ein Verdampfer folgt, der den mittigen Teil des Wärmekanals mit Dampf versorgt, wobei der Verdampfer thermisch von einer äußeren Wärmequelle versorgt wird; und

wenigstens eine Überhitzungseinheit für den Dampf des Wärmekanals, beispielsweise von der Bauart einer Wärmepumpe, wobei die Überhitzungseinheit mit einer Vorrichtung verbunden ist, die es ermöglicht, sie zeitweise oder dauernd in den Kreis zu schalten.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine einzige Überhitzungseinheit für die gesamte Einrichtung auf.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wenigstens eine der Heizeinheiten, die in dem zu heizenden Raum vorgesehen ist, mit einer Überhitzungseinheit verbunden bzw. versehen, die ihr angemessen ist.

Die Rückführleitung für das Kondensat kann nach bzw. hinter dem Kondensator mit einem Entwässerungsventil versehen sein.

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Selbstverständlich liegt jede Kombination der beiden speziellen Ausführungsformen innerhalb der Erfindung, und zwar insbesondere die Ausführungsform, bei der eine Überhit zungs einheit verwendet wird, die am unteren Ende bzw. an der Basis des Wärmekanals vorgesehen ist, sowie einzelne Überhitzungseinheiten, die mit vorbestimmten Heizeinheiten verbunden sind bzw. solchen vorbestimmten Heizeinheiten zugeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in der eine einzige Überhitzungseinheit für die gesamte Anlage benutzt wird;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei dem die Überhitzungseinheit mit Heizeinheiten in den Räumen, die selbst geheizt werden sollen, verbunden ist;

Fig. 3 eine Anlage, die mehrere, parallel vorgesehene Wärmekanäle aufweist;

Fig. k eine Ausführungsform einer Überhitzungseinrichtung; und

Fig. 5 eine Abwandlung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der mehrere Wärmekanäle an ihrem unteren Ende bzw. ihrer Basis über eine einzige.Kondensatsammeleinrichtung vereinigt sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist einen Wärmekanal 2 auf, sowie Heizeinheiten, die in dem Raum 4 vorgesehen sind und von denen jede einen Kondensator 6 umfaßt, der über eine Abzweigungsleitung 8 und über eine Kondensatrückführleitung 10, die mit einem Entwässerungsventil 12 versehen ist, mit dem Wärmekanal 2 verbunden ist. An dem un-

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teren Ende des Wärmekanals 2 ist eine Flüssigkeits-Dampf-Trenneinrichtung 14 vorgesehen, auf die ein Verdampfer 16 folgt, der von jeder bekannten Art sein kann, insbesondere von der Art, bei der die Flüssigkeit von oben nach unten fließt bzw. aus einem obenseitigen Flüssigkeitsraum in einen Dampferzeugungsraum herabfällt. Die Einrichtung zur thermischen Versorgung des Verdampfers 16 ist symbolisch durch eine Heizeinrichtung 26 dargestellt. Eine Überhitzungseinheit für den Dampf des Wärmekanals, z.B. von der Art einer Wärmepumpe, die ein Druckreduzierventil bzw. einen Flüssigkeitsdruckregler 18 und einen Kompressor 20 aufweist und die mit einer Vorrichtung verbunden ist, die es ermöglicht, daß die Überhitzungseinrichtung in den Kreislauf geschaltet wird, wobei diese Vorrichtung schematisch in Fig. 1 durch Ventile 22 und 24 angedeutet ist, ist ebenfalls in Fig. 1 dargestellt.

Die Betriebsweise einer solchen Anlage ist wie folgt: Der Wärmekanal wird von einem aufsteigenden Dampf durchströmt, vorzugsweise von einem Fluorchlorkohlenwasserstoff, und von einem Kondensat, das längs der Wände nach abwärts läuft; zum Verbessern der Trennung zwischen dem nach abwärts laufenden Kondensat und dem nach aufwärts strömenden Dampf kann ein Gitter 34 vorgesehen sein. Wenn die Ventile bzw. Schieber 22 und 24 geöffnet sind, dann wird das Kondensat im Verdampfer 16 verdampft, der mittels der Trenneinrichtung 14 versorgt wird. Der von dem Verdampfer 16 abgegebene Dampf wird in die Achse bzw. Mitte des Wärmekanals an dessen unterem Teil eingeleitet. Auf jedem Stockwerk wird mittels der Abzweigleitungen 8 ein Teil dieses Dampfes entnommen, und dieser Dampf durchströmt die Kondensatoren 6; das Kondensat wird über das Entwässerungs- bzw. Flüssigkeitsabführungsventil 12 und die Rückleitung 10 zum Wärmekanal zurückgeführt.

Die für die Verdampfung erforderliche Energie kann auf jede bekannte Weise geliefert werden: Zum Beispiel durch

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ein wärmeabführendes Strömungsmittel, wie etwa eine Flüssigkeit, eines städtischen Wärmeverteilungsnetzes mittels eines Wärmespeicherbehälters, durch Wärmeabgabe von nuklearen Zentralen bzw. Kernkraftwerken oder von Fabrike.n, durch eine geothermische Quelle oder durch phreatisches oder Grundwasser.

Wenn der Benutzer einen Zuwachs an Wärme wünscht oder wenn das Niveau der am Verdampfer abgegebenen Wärme sehr niedrig ist (das kann der Fall sein, wenn man z.B. phreatisches oder Grundwasser benutzt, oder am Ende der kalten Jahreszeit, wenn die Wärmespeicherung ungenügend wird), dann ist es möglich, das thermische Niveau mittels einer Uberhitzungseinheit anzuheben, die z.B. von den Vorrichtungen 18 und 20 gebildet wird. Diese Vorrichtungen werden durch Schließen der Ventile 22 und 24 in den Kreislauf eingeschaltet, und sie bilden zusammen mit den bereits beschriebenen Vorrichtungen eine Wärmepumpe.

Im einzelnen durchfließt das Strömungsmittel dann, wenn die Ventile 22 und 24 geschlossen sind (was dem in Fig. 1 veranschaulichten Fall entspricht), aufeinanderfolgend das Druckreduzierventil bzw. den Strömungsmitteldruckregler 18, den Verdampfer 16, den Kompressor 20 und den Kondensator 6, welche einen Kreislauf bilden, wie er im Prinzip als Wärmepumpe bekannt ist.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Vorrichtung 16 gleichzeitig als Verdampfer für den Wärmeschacht und als Verdampfer für die Wärmepumpe dient; dasselbe gilt für den Kondensator 6.

Beispielsweise kann eine solche Anlage mit einer Energiespeicherung bei einer Temperatur von etwa 50⁰C arbeiten; am Ausgang des Verdampfers kann die Temperatur des Dampfes etwa 45⁰C sein. Die Ventile 22 und 24 sind im Normal-

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betrieb geöffnet, und zwar ohne Verbrauch zusätzlicher elektrischer Energie, und man kann auch in der Zwischensaison oder eventuell im Winter während der Tageszeit, wenn es das Wetter erlaubt, auf diese Weise heizen. Sobald .aber die Temperatur des Raums unter einen gewissen Schwellenwert absinkt, wird der Kompressor 20 eingeschaltet, und die Ventile 22 und 24 werden geschlossen. Die Temperatur des Dampfes kann auf etwa 75°C erhöht werden, was einem Wirkungsgrad der Wärmepumpe von etwa 7 entspricht.

Bei einer solchen Anlage haben, wenn die Überhitzungseinheit im Betrieb ist, alle Benutzer einen Vorteil, die um die gleiche Säule des Wärmeschachts gruppiert sind. Diese Anordnung ist vorteilhaft für einen guten Wirkungsgrad bzw. eine gute Leistungsfähigkeit und zur Erzielung von niedrigen Kosten im Hinblick auf die wesentliche Abmessung der Elemente. Sie ermöglicht es jedoch nicht, daß jeder Benutzer frei entscheiden kann, ob er das In-Betrieb-Setzen der Überhitzung für zweckmäßig hält. Wenn man diese Möglichkeit jedem Benutzer eröffnen will, dann ist es erforderlich, Überhitzungseinheiten direkt in den zu heizenden Räumen vorzusehen, damit sie unabhängig voneinander gesteuert bzw. ein- bzw. abgeschaltet werden können. Eine entsprechende Anlage ist in Fig. 2 dargestellt.

In dieser Figur weist die Anlage einen Wärmeschacht 40, eine Flüssigkeits-Dampf-Trenneinrichtung 42, einen Verdampfer 44 und Überhitzungseinheiten, die in den zu heizenden Räumen vorgesehen sind, auf. Es ist nur eine einzige dieser Einheiten in dem Raum 48 dargestellt, und diese ist mit 46 bezeichnet. Diese Einheit umfaßt einen Kompressor 50, einen Kondensator 52 und ein Druckreduzierventil bzw. einen Strömungsmitteldruckregler 54; die Verbindung zwischen dem Wärmeschacht 40 erfolgt stromaufwärts über die Abzweigleitung 56 und stromabwärts über die Kondensatrückleitung 58.

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Ein motorgetriebener Ventilator 60, der auf den Kondensator 52 einwirkt, vervollständigt die Überhitzungs- bzw. Zusatzheizeinheit.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird jeder Benutzer mit einer Zulieferung von Wärme auf einem Minimalniveau versorgt; aber er kann dieses Niveau anheben, indem er die Überhitzungseinriohtung 46 in Betrieb setzt, wo sie einzeln vorgesehen ist, wobei der Kostenaufwand für die zum Betrieb dieser Vorrichtung erforderliche elektrische Energie natürlich zu seinen Lasten geht.

Es versteht sich von selbst, daß die beiden Varianten gemäß den Fig. 1 und 2 kombiniert werden können und daß es möglich ist, gleichzeitig einen Kompressor an der Basis bzw. am unteren Ende des Wärmeschachts sowie Überhitzungs- bzw. Zusatzheizeinheiten in gewissen Räumen zu benutzen.

Einer der Vorteile der Verwendung eines Kompressors an dem unteren Ende des WärmeSchachtes besteht darin, daß der Druckunterschied, der von dem Kompressor erzeugt wird, genügt, die horizontalen Druckverluste in der Flüssigkeitsphase nach dem Druckreduzierventil bzw. dem Strömungsmitteldruckregler auszugleichen. Es ist auch möglich, eine Anlage vorzusehen, die mehrere vertikale Wärinekanäle aufweist, welche an ihrem unteren Ende bzw. an ihrer Basis mittels eines Kondensatsammlers vereinigt sind, und zwar von einer gewissen Länge, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

In dieser Figur besitzen die Wärmekanäle 60 und 62 Flüssigkeits-Gas-Trenneinrichtungen 64 und 66, die mittels Leitungen 65 und 67 mit Druckreduzierventilen bzw. Strömungsmitteldruckreglern 68 und 70 verbunden sind. Eine Sammelleitung 72 sammelt das Kondensat, nachdem es entspannt ist, und speist einen einzigen Verdampfer 74, während ein Kom-

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pressor 76 die Wärmekanäle 60 und 72 über die Sammelleitung 78 mit Dampf speist. Die Verwendung des Kompressors 76 ermöglicht es, die horizontalen Druckverluste in der Flüssigkeitsphase nach den Druckreduzierventilen bzw. jStrömungsmitteldruckreglern 68 und 70 auszugleichen.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, kann gemäß einer näheren, als Wärmepumpe bekannten Ausbildung ein Rekuperatorbzw. Wärmespeicher-Überhitzer 80 vorgesehen sein, und zwar einerseits am Ausgang des Verdampfers 74 zum Zwecke des Überhitzens des Dampfes vor dessen Eintritt in den Kompressor 76, sowie andererseits im Kreislauf des Kondensats vor den Druckreduzierventilen bzw. Strömungsmitteldruckreglern 68 und Die Leitungen 65 und 67, von denen jede Rippen bzw. Bleche 82 aufweist, begünstigen den Wärmeaustausch.

Auch bei Nichtvorhandensein eines Kompressors am unteren Ende der Heizsäulen ermöglicht es die Wirkung des Wärmekanals, einen Verdampfer, der horizontal in einem gewissen Abstand vom unteren Ende der Säule vorgesehen ist, mit Flüssigkeit wieder zu versorgen, und zwar gemäß einer Anordnung, wie sie in Fig. 5 veranschaulicht ist. In dieser Figur sind die Wärmekanäle 90, 92 und 94 an den Trenneinrichtungen 96 bzw. 98 bzw. 100 vereinigt und mit einem Verdampfer 102 verbunden, in welchem der Flüssigkeitskreislauf von oben nach unten geht und der die Wärmekanäle in ihrem mittigen Teil wieder speist. Gitter 90^f bzw. 92· bzw. 94', die in den Wärmekanälen 90, 92 und 94 vorgesehen sind, leiten die Flüssigkeit durch Kapillarität zu den Trennvorrichtungen 96, 98 und 100.

Die Art des Aufbaus gemäß den Fig. 3 und 5 ist besonders gut für städtische Heizung geeignet, da hierfür nur ein einziger Austauscher erforderlich ist, wodurch die Anlagenkosten gegenüber solchen Anlagen herabgesetzt werden, die Austauschereinrichtungen aufweisen, die so eingeteilt sind, daß jeweils eine pro Heizsäule vorgesehen ist.

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Claims

263A192

- 9 Patentansprüche

Einrichtung zum Heizen von Gebäuden, gekennzeichnet durch wenigstens einen vertikalen Wärmekanal (Z;40;60,62;90, 92,94), der von einem aufsteigenden Dampf und einem absteigenden Kondensat durchströmt wird; Heizeinheiten, die in dem zu heizenden Raum (4;48) vorgesehen sind und von denen jede einen Kondensator (6;52) aufweist, der mit einem der Wärmekanäle stromaufwärts mittels einer Abzweigleitung (8;56), die zum Abzapfen von Dampf dient, und stromabwärts mit einer Kondensatrückleitung (10;58) verbunden ist; wobei an der Basis bzw. am unteren Ende des Wärmekanals eine Flüssigkeits-Dampf -Trenneinrichtung (14;64,66;96,98,1OO) vorgesehen ist, die das Kondensat sammelt und auf die ein Verdampfer (16;44; 74;102) folgt, der den mittigen Teil des Wärmekanals mit Dampf versorgt und selbst thermisch von einer äußeren Wärmequelle (26) versorgt wird; wenigstens eine Überhitzungs- bzw. Zusatzheizeinheit (20;46) für die Überhitzung des Dampfes des Wärmekanals, die eine Wärmepumpe bildet und mit Vorrichtungen(22,24) versehen ist, welche es ermöglichen, sie in den Kreislauf einzuschalten, so daß sie zeitweise oder dauernd wirksam sein kann.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einzige Überhitzungs- bzw. Zusatzheizeinheit (18,20,22,24) für die gesamte Einrichtung aufweist.
3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine in den zu heizenden Räumen (48) vorgesehene Heizeinheit mit einer ihr angemessenen Überhitzungs- bzw. Zusatzheizeinheit (46) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von vertikalen Wärmekanälen (60,62;90,92,94) aufweist, die an ihrer Basis bzw. an ihrem

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unteren Ende mit einer Kondensatsammelvorrichtung bzw. -leitung (78;96,98,100) vereinigt sind, welche einen einzigen Verdampfer (74;102) speist, der den Dampf an die verschiedenen Wärmekanäle abgibt.
5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzungs- bzw. Zusatzheizeinheit einen Kompressor (20;50), einen Kondensator (6;62), ein Druckreduzierventil bzw. einen Strömungsmitteldruckregler (18;54) und einen Verdampfer (16;44) aufweist, wobei letzterer mit dem an der Basis bzw. am unteren Ende des Wärmekanals (2;40) vorgesehenen Verdampfer vereinigt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzungseinheit bzw. die Zusatzheizeinheit außerdem einen Wärmeaustauscher aufweist, der geeignet ist, den Dampf zu überhitzen, welcher den Verdampfer (16;44) verläßt, und der im Kondensatkreislauf vor dem Druckreduzierventil bzw. dem Strömungsmitteldruckregler (12;54) angeordnet ist.

7· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Strömungsmittel ein Fluorchlorkohlenwasserstoff ist.

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