DE2634233B1 - Verfahren zur gewinnung von heizwaerme nach dem waermepumpenprinzip - Google Patents

Description

• Umgebende Wärmequellen, die im wesentlichen überall zur Verfügung stehen, sind z. B. die umgebende Luft, Erdreich, Regenwasser, Schneeschmelzwasser, Hausabwässer. Ausgangspunkt ist dabei die Tatsache, daß auch in unseren Breitengraden im Winter die Umgebungstemperatur bis auf wenige Frostperioden meist über O" C, häufig beachtlich darüber liegt Zur Heizwärmegewinnung aus umgebenden Wärmequellen bedient sich das erfindungsgemäße Verfahren eines Wasser-Eis-Gemisches, das zwischen die umgebenden Wärmequellen und den Kältemittelkreislauf der »Wärmepumpe« eingeschaltet wird. Dieses Wasser-Eis-
• Gemisch bildet lediglich ein Zwischenmedium, das einerseits mit dem Kältemittel der Wärmepumpe in Wärmeaustausch tritt, um dem Wasser unter Eisbildung Wärme in das Kältemittel zu entziehen, und andererseits mit den umgebenden Wärmequellen in intensiven Wärmeaustausch gebracht wird, um Wärme zuzuführen und gebildetes Eis zurückzuschmelzen. Das Wasser des Wasser-Eis-Gemisches stellt einen Wärmespeicher oder -puffer dar, so daß im Gegensatz zu der Kälteanlage bei einer Kunsteisbahn Heizwärme nach dem jeweiligen Bedarf gewonnen werden kann. Dieser Wärmespeicher bzw. -puffer erleidet wegen seiner niedrigen Temperatur, nämlich 0°C, keinerlei Energieverluste durch Wärmeabstrahlung, Leitung oder Konvektion, bei Einbettung in »warmem« Erdreich wird sich ganz im Gegenteil ein Energiegewinn ergeben.
• Zum Zurückschmelzen des beim erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Eises stehen fast immer eine oder mehrere der genannten umgebenden Wärmequellen zur Verfügung, da erfahrungsgemäß in unseren Breitengraden längere Frostperioden mit Minustemperaturen Tag und Nacht äußerst selten sind. Strengere Frostperioden können dadurch überbrückt werden, daß ein Wärmespeicher in Form eines größeren Wassertanks von z. B.
• 20 m3 Inhalt vorgesehen wird. Es wird dann während der Frostperiode Eis auf Lager produziert, welches Eis dann später bei Abklingen der Frostperiode mit Hilfe der genannten umgebenden Wärmequellen zurückgeschmolzen wird. Dauert die Frostperiode länger, so kann der relativ billige Nachstrom zum Zurückschmelzen des Eises eingesetzt werden. Da der Einsatz von Nachtstrom auf seltene Ausnahmesituationen beschränkt sein wird, können die vorübergehend für den Nachtstrom aufzubringenden Kosten in Kauf genommen werden.
• Neben seiner Funktion als Wärmespeicher bzw.
• -puffer erfüllt das zwischengeschaltete Wasser-Eis-Gemisch eine weitere wesentliche Funktion. Während bei unmittelbarem Wärmeaustausch der umgebenden Luft mit dem Kältemittel der Wärmepumpe eine alsbaldige Vereisung des Verdampfers und damit ein fast völliges Erliegen des Wärmeflusses von der Luft in das Kältemittel zu erwarten ist, wird bei dem vorliegenden Verfahren die umgebende Luft mit dem eine Temperatur von OOC aufweisenden Wasser-Eis-Gemisch in Wärmeaustausch gebracht, so daß sich die Luftfeuchtigkeit nicht als Eis niederschlagen wird. Eis wird dagegen an den in Wasser eingetauchten Verdampferflächen erzeugt, wo es günstig durch das es umspülende und durch die umgebenden Wärmequellen erwärmte Wasser zurückgeschmolzen werden kann.
• Energetische Berechnungen zeigen, daß mit den vorhandenen Wärmequellen der Umgebung, wie Luft und Erdreich, Regenwasser, Schneeschmelzwasser und Hausabwässer im allgemeinen die beim erfindungsgemäßen Verfahren täglich anfallende Eismenge zurückgeschmolzen werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, daß gerade im Winter die Luftfeuchtigkeit im allgemeinen sehr hoch liegt, so daß, wenn die Luft mit dem Wasser-Eis-Gemisch in Wärmeaustausch kommt, ein Teil dieser Feuchtigkeit kondensiert, so daß sich zusätzlich die freiwerdende Kondensationswärme nutzen läßt Um einen ausreichenden Wärmeaustausch zwischen der umgebenden Luft und dem Wasser-Eis-Gemisch sicherzustellen, kann die Luft mittels eines geeignet dimensionierten Gebläses durch das Gemisch geleitet werden, oder es kann umgekehrt das Gemisch oder besser das Wasser allein in geschlossenem Kreislauf durch einen Wärmetauscher geführt werden, wo es in intensiven Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft gebracht wird. Erdwärme läßt sich nutzen, indem der Tank für das Wasser-Eis-Gemisch in das Erdreich eingebettet wird. Regenwasser und Schneeschmelzwasser können direkt in das Wasser-Eis-Gemisch eingeleitet werden, wobei dann ein Überlauf für Eiswasser z. B. in das gemeindliche Kanalisationsnetz vorzusehen ist. Hausabwässer, die eine Durchschnittstemperatur von etwa 30"C haben, müssen wegen ihres Schmutzgehaltes über einen Wärmetauscher mit dem Wasser-Eis-Gemisch in Berührung gebracht werden.
• Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte und an den Wärmeübertragungsflächen zum Kältemittel niedergeschlagene Eis wird durch das es umspülende Wasser ständig zurückgeschmolzen. Damit bei niedrigen Außentemperaturen und hohem Heizwärmebedarf durch Anwachsen eines Eispanzers um die Wärmeübertragungsflächen am Verdampfer der Wärmefluß nicht zu sehr beeinträchtigt wird, wird das niedergeschlagene Eis vorteilhaft kontinuierlich oder periodisch abgeführt, wofür z. B. mechanische oder thermische Ablöseverfahren nach den CH-PS 231 449 und 237 313 zur Verfügung stehen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs und der Umwälzung des Wasser-Eis-Gemisches zeigt Ein Verdampfertopf 1 eines Kältemittelkreislaufs 2 ist am Boden eines zunächst nur mit Wasser gefüllten Tanks 3 angeordnet. Das im Verdampfertopf 1 durch den Verdampfungsvorgang auf eine Temperatur von etwa -10" bis 30"C abgekühlte Kältemittel erwärmt sich durch Wärmeaufnahme aus dem Wasser des Tanks 3, wonach das erwärmte Kältemittel durch Verdichten mittels eines einstufigen oder zweistufen Kompressors 4 auf eine Temperatur oberhalb der eines Heizkreislaufs 5 gebracht wird. In einem Wärmetauscher 6 gibt das erhitzte und verdichtete Kältemittel Wärme an den Heizkreislauf 5 ab, wobei es kondensiert Das kondensierte Kältemittel wird nach Durchgang durch eine Drossel 7 wieder in den Verdampfertopf 1 verdampft Zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Wasser des Tanks 3 in das Kältemittel schließen an die Wand des Verdampfertopfs 1 Rippen 9 an.
• Das Wasser wird durch die Wärmeabgabe an das Kältemittel im Verdampfertopf 1 bis auf Vereisungstemperatur abgekühlt, und es schlägt sich als Eis an den Rippen 9 des Verdampfertopf nieder. Dieses Eis wird kontinuierlich oder periodisch abgelöst, wodurch es aufgrund seines Auftriebs an die Wasseroberfläche 14 im Tank 3 steigt. Das an der Wasseroberfläche 14 treibende Eis wird etwa mittels eines (nicht dargestellten) mechanischen Schiebers in einen Tau- oder Schmelzraum 15 überführt Dieser Schmelzraum ist von einer Doppelwandung 16 umgeben, durch die ein Wärmeaustauschmedium, wie Luft oder Hausabwässer, zum Zurückschmelzen des Eises hindurchgeleitet wird.
• Das Schmelzwasser sammelt sich am Boden des Schmelzraums 15 in einem Pumpensumpf 17, in dem eine (nicht dargestellte) Tauchpumpe angeordnet ist.
• Zum Schutz der Tauchpumpe vor dem Eis ist der Pumpensumpf von einem Rost 18 überspannt.
• Die Tauchpumpe pumpt das Schmelzwasser in einen Nachfüllspeicher 19, von dem das Wasser in einen niveaugeregelten Wasservorratstank 20 gelangt Der Wasservorratstank 20 steht seinerseits mit dem Tank 3 in Verbindung, so daß jeweils die durch das Eis aus dem Tank 3 abgeführte Wassermenge ersetzt wird. Das Wasserniveau im Wasservorratstank 20 liegt zweckmäßig so hoch, daß das Oberflächenwasser im Vereisungstank 3 mit dem darin schwimmenden Eis aufgrund des Wasserdrucks in den Schmelzraum 15 übertritt.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung von Heizwärme durch Wärmetransport.von umgebenden Wärmequellen mit einer Temperatur oberhalb 0°C in einen Heizkreislauf höherer Temperatur nach dem Wärmepumpenprinzip, indem bei Erzeugung von Eis Wärme einem mit den umgebenden Wärmequellen in Wärmeaustausch stehenden Wasser-Eis-Gemisch entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das am Verdampfer erzeugte Eis durch Umwälzen des Wasser-Eis-Gemisches in intensiven Wärmeaustausch mit den umgebenden Wärmequellen gebracht wird, um das Eis zurückzuschmelzen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wassertank als Wärmespeicher, in dem das erzeugte Eis durch Wärmeaustausch mit den umgebenden Wärmequellen zurückgeschmolzen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Eis bei Bedarf unter Zuhilfenahme künstlicher Wärmequellen, wie elektrischer Nachtstromheizung, geschmolzen wird.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Heizwärme durch Wärmetransport von umgebenden Wärmequellen mit einer Temperatur oberhalb 0°C in einem Heizkreislauf höherer Temperatur nach dem Wärmepumpenprinzip, indem bei Erzeugung von Eis, Wärme, einem niit dem umgebenden Wärmequellen in Wärmeaustausch stehenden Wasser-Eis-Gemisch entzogen wird.

   Zur Gewinnung von Heizwärme aus umgebenden Wärmequellen steht ein als »Wärmepumpe« bekannter Kreisprozeß zur Verfügung. Hiernach wird ein Kältemittel, das durch adiabatische Verdampfung auf eine niedrige Temperatur gebracht worden ist mit der umgebenden Wärmequelle in Wärmetausch gebracht Das erwärmte Kältemittel wird durch Verdichten auf ein höheres Temperaturniveau erhitzt, worauf es in einem Wärmetauscher Wärme an einen Heizkreislauf abgibt.

   An umgebenden Wärmequellen, die für eine Gewinnung von Heizwärme grundsätzlich zur Verfügung stünden, sind in erster Linie Luft und Erdreich, Wasser und auch die direkte Sonneneinstrahlung zu nennen.

   Luft und Erdreich sind als Wärmequellen zur Gewinnung von Heizwärme äußerst problematisch.

   Beide sind schlechte Wärmeleiter, so daß zur Erzielung eines ausreichend hohen Wärmeflusses ausgedehnte Wärmeübertragungsflächen erforderlich sind. Außerdem muß ein genügender Temperaturgradient von der Wärmequelle, d. h. von der Luft bzw. vom Erdreich, zum Kältemittel gegeben sein, was bedeutet, daß das Kältemittel im Verdampfer Minustemperaturen erreichen muß. Die Folge ist, daß die in der Luft bzw. im Erdreich befindliche Feuchtigkeit sich an den Wärmeübertragungsflächen als Eis niederschlägt, das dçn Wärmefluß weiter behindert Wasser ist bisher in der Praxis am häufigsten verwendet worden. Benutzt werden können Grundwasservorkommen, nahegelegene Flüsse oder Seen. Ausreichend ergiebige Grundwasservorkommen oder Flüsse und Seen werden aber nur in Ausnahmefällen zur Verfügung stehen.

   Die Sonneneinstrahlung ist gerade im Winter in der Hauptheizzeit wegen des niedrigen Sonnenstandes und häufiger Bewölkung so gering, daß sie allenfalls zur Deckung eines Grundbedarfs an Heizwärme herangezogen werden kann.

   Um bei Verwendung von Wasser als Wärmequelle die erforderliche Wassermenge derart herabzusetzen, daß z. B. deren Bezug aus der öffentlichen Wasserversorgung möglich ist, wird gemäß einem Vorschlag der CH-PS 2 31 449 zusätzlich die Erstarrungswärme des Wassers für Heizzwecke nutzbar gemacht, indem das bezogene Wasser auf den Gefrierpunkt abgekühlt und gefroren wird. Das sich dabei an dem Verdampfer der »Wärmepumpe« ansetzende Eis wird periodisch durch Formänderung der von Eis befallenenen Verdampferteile abgesprengt oder nach einem Vorschlag der CH-PS 237 313 durch von innen her erfolgendes Abschmelzen der Haftschicht losgelöst Das abgesprengte bzw. losgelöste Eis soll dann in eine Kanalisation oder in ein vorhandenes Gewässer abgeschwemmt werden. Wegen des großen Eisanfalls, von etwa 3 Tonnen pro Tag für ein mittleres Einfamilienhaus, und der damit verbundenen technischen und ökologischen Probleme ist der Weg der Eisabgabe in die Kanalisation oder in Gewässer nicht gangbar.

   In der zuerst genannten CH-PS 231 449 ist auch die Ausnutzung einer Kälteanlage für eine Kunsteisbahn zu Heizzwecken genannt. Die Kälteanlage hat jeweils die aus der umgebenden Luft in die Kunsteisbahn einfließende Wärmemenge abzuführen, die in einen Heizkreislauf eingespeist werden kann. Abgesehen davon, daß im Verhältnis zur Größe der Kälteanlage wegen des schlechten und auch gar nicht besser erwünschten Wärmeflusses von der umgebenden Luft über das Eis in das Kältemittel der Wärmegewinn nur gering ist, fällt auch die Wärme in einer zum jeweiligen Bedarf umgekehrten Menge an. Bei hoher Außentemperatur arbeitet die Kälteanlage mit entsprechendem Wärmeanfall voll, um das Eis gefroren zu halten. Je tiefer die Außentemperaturen fallen, um so weniger braucht die Kälteanlage zu arbeiten, bei Außentemperaturen unter 0°C kann sie sogar stillgesetzt werden.

   Gerade dann, wenn Heizwärme am dringendsten benötigt werden würde, fällt also die Kälteanlage zur Heizwärmegewinnung aus.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wie überall verfügbare, umgebende Wärmequellen zur wirtschaftlichen Gewinnung von Heizwärme herangezogen und vor allem auch Frostperioden überbrückt werden können.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das am Verdampfer erzeugte Eis durch Umwälzen des Wasser-Eis-Gemisches in intensiven Wärmeaustausch mit den umgebenden Wärmequellen gebracht wird, um das Eis zurückzuschmelzen.