DE2634233C3

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2525th

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Heizwärme durch Wärmetransport von umgebenden Wärmequellen wie Luft, Erdreich usw. mit einer Temperatur bis nahe 0⁰C herunter in einem Heizkreislauf höherer Temperatur nach dem Wärmepumpenprinzip, indem bei Erzeugung von Eis, Wärme einem mit dem umgebenden Wärmequellen in Wärmeaustausch stehenden Wasser-Eis-Gemisch entzogen wird.The invention relates to a method for obtaining thermal heat through heat transport from surrounding heat sources such as air, soil, etc. with a temperature down to almost 0 ⁰ C in a heating circuit of higher temperature according to the heat pump principle by producing ice, heat with the surrounding heat sources in a heat exchange standing water-ice mixture is withdrawn.

Zur Gewinnung von Heizwärme aus umgebenden Wärmequellen steht ein als »Wärmepumpe« bekannter Kreisprozeß zur Verfügung. Hiernach wird ein Kältemittel, das durch Drosselung auf eine niedrige Temperatur gebracht worden in, 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.A known as a "heat pump" is used to obtain thermal heat from surrounding heat sources Cycle available. According to this, a refrigerant, which by throttling to a low temperature has been brought in, brought into heat exchange with the surrounding heat source. The heated refrigerant is heated to a higher temperature level by compression, whereupon it is converted into a heat exchanger gives off heat to a heating circuit.

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.At surrounding heat sources, which are basically available for the generation of thermal heat are primarily air and soil, water and also direct sunlight.

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 y-, 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 Wärme- t>o Übertragungsflächen als Eis niederschlägt, das den Wärmefluß weiter behindert.Air and soil are extremely problematic as heat sources for generating heating energy. Both are poor conductors of heat, so that extensive heat transfer surfaces are required to achieve a sufficiently high heat flux. In addition, a sufficient temperature gradient of the y, heat source, be added that from the air or from the soil to the refrigerant must, which means that the refrigerant in the evaporator must reach freezing temperatures. The result is that the moisture in the air or in the ground is deposited on the heat transfer surfaces as ice, which further impedes the flow of heat.

Wasser ist bisher in der Praxis am häufigsten verwendet worden. Benutzt werden können Grundwasservorkommen, nahegelegene Flüsse oder Seen. Ausrei- hi chend ergiebige Grundwasservorkommen oder Flüsse und Seen werden aber nur in Ausnahmefällen zur Verfügung stehen.Water has hitherto been the most widely used in practice. Groundwater resources can be used, nearby rivers or lakes. Sufficiently abundant groundwater resources or rivers and lakes will only be available in exceptional cases.

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.The solar radiation is especially in winter in the main heating season because of the low position of the sun and frequent cloud cover so low that they are only used to cover a basic need for heating can be.

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 2 37 313 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 order to reduce the required amount of water when using water as a heat source so that z. B. whose reference from the public water supply is possible, according to a proposal of the CH-PS 2 31 449 additionally made the solidification heat of the water usable for heating purposes by the related water is cooled to freezing point and frozen. This is on the evaporator of the Ice that is attached to the "heat pump" is periodically changed by changing the shape of the parts of the evaporator affected by ice blasted off or according to a proposal of CH-PS 2 37 313 by taking place from the inside The adhesive layer melted away. The ice that has been blown off or detached should then be placed in a Drains or washed away into an existing body of water. Because of the big ice attack, of about 3 tons per day for a medium-sized family house, and the associated technical and ecological problems, the way ice is released into the sewage system or watercourse is not viable.

In der zuerst genannten CH-PS 2 31 449 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 Wärmeanlall voll, um das Eis gefroren zu halten. Je tiefer die Außentemperaturen fallen, um so weniger braucht die Kälteanlage zu arbeiten, bei Außentemperaturen unter 0⁰C kann sie sogar stillgesetzt werden. Gerade dann, wenn Heizwärme am dringendsten benötigt werden würde, fällt also die Kälteanlage zur Heizwärmegewinnung aus.The first-mentioned CH-PS 2 31 449 also mentions the use of a cooling system for an artificial ice rink for heating purposes. The refrigeration system has to dissipate the amount of heat flowing into the artificial ice rink from the surrounding air, which can be fed into a heating circuit. Apart from the fact that the heat gain is only small in relation to the size of the refrigeration system due to the poor and not at all desirable heat flow from the surrounding air via the ice into the refrigerant, the heat is also generated in an amount that is opposite to the respective requirement. When the outside temperature is high, the refrigeration system works fully with the appropriate heating system to keep the ice frozen. The lower the outside temperatures fall, the less the refrigeration system needs to work; at outside temperatures below 0 ⁰ C it can even be shut down. Especially when heating is needed most urgently, the refrigeration system for generating heating fails.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anzuge ben, wie überall verfügbare, umgebende Wärmequellen mit einer Temperatur bis nahe 0⁰C herunter zur wirtschaftlichen (jewinnung von Heizwärme herangezogen werden können.The invention is based on the object of indicating how everywhere available, surrounding heat sources with a temperature down to close to 0 ⁰ C can be used for economical (each heating).

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.According to the invention, this object is achieved in that the ice produced on the evaporator is circulated of the water-ice mixture brought into intensive heat exchange with the surrounding heat sources is going to melt the ice back.

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 O⁰C₁ häufig beachtlich darüber liegt.Surrounding heat sources, which are available essentially everywhere, are z. B. the surrounding air, soil, rainwater, snowmelt water. Domestic sewage. The starting point is the fact that even in our latitudes in winter the ambient temperature, with the exception of a few periods of frost, is usually above O ⁰ C _1, often considerably higher.

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-The method according to the invention is used to generate heat from surrounding heat sources ■ a water-ice mixture that separates the surrounding heat sources and the refrigerant circuit of the »Heat pump« is switched on. This water-ice

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 Wäcme 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.Mixture forms only an intermediate medium, which on the one hand with the refrigerant of the heat pump in Heat exchange occurs in order to extract heat from the water with ice formation into the refrigerant, and on the other hand is brought into intensive heat exchange with the surrounding heat sources in order to supply heat and melt back ice that has formed. The water of the The water-ice mixture represents a heat store or buffer, so that in contrast to the Cooling system at an artificial ice rink, heating can be obtained as required. This Due to its low temperature, namely 0 ° C, heat storage or buffer does not suffer any energy losses by heat radiation, conduction or convection, when embedded in "warm" ground, the on the contrary, result in an energy gain.

Zum Zurückschmelzen des beim erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Eises stehen fast immer eine oder mehrere der genannten umgebenden Wärmequellen zur Verfugung, da erfahrungsgemäß in unseren Breitengraden längere Frostpenoden 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 m^J 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.One or more of the above-mentioned surrounding heat sources are almost always available for melting back the ice produced in the process according to the invention, since experience has shown that longer frosts with minus temperatures day and night are extremely rare in our latitudes. Stricter frost periods can be bridged that a heat storage in the form of a larger water tank of z. B. 20 m ^J content is provided. Ice is then produced in storage during the frost period, which ice is then later melted back with the help of the above-mentioned surrounding heat sources when the frost period subsides. If the frost period lasts longer, the relatively cheap wake can be used to melt the ice back. Since the use of night power will be limited to rare exceptional situations, the temporary costs for night power can be accepted.

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 0°C 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.In addition to its function as a heat store or buffer, the interposed water-ice mixture fulfills another essential function. While there is an immediate heat exchange from the surrounding air with the refrigerant of the heat pump, the evaporator immediately icing up and thus almost complete Failure of the heat flow from the air into the refrigerant is to be expected in the case of the present Process the surrounding air with the water-ice mixture at a temperature of 0 ° C in Brought heat exchange so that the humidity will not precipitate as ice. Ice becomes against it generated on the evaporator surfaces immersed in water, where it is beneficial by the washing around it and water heated by the surrounding heat sources can be melted back.

Energetische Berechnungen zeigen, daß mit den vorhandenen Wärmequellen der Umgebung, wie Luft und Erdreich, Regenwasser, Schneeschmelzwasser und Hausabwässer im allgemeinen die beim erfindungsgemaßen 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, t>o ein Teil dieser Feuchtigkeit ^.fiüciisiert, 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 w, 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 30⁰C haben, müssen wegen ihres Schmutzgehaltes über einen Wärmetauscher mit dem Wasser-Eis-Gemisch in Berührung gebracht werden.Energetic calculations show that with the available heat sources in the surroundings, such as air and soil, rainwater, snowmelt water and domestic waste water, the amount of ice that occurs daily in the process according to the invention can generally be melted back. It must be taken into account that especially in winter the air humidity is generally very high, so that when the air exchanges heat with the water-ice mixture, a part of this humidity fiüciisiert, so that the released condensation heat can be used. A sufficient heat exchange between the surrounding air and ensure water-ice mixture, the air can w by means of a suitable-sized blower are passed through the mixture, or it may reverse the mixture or better the water alone in a closed circuit through a heat exchanger where it is brought into intensive heat exchange with the surrounding air. Geothermal energy can be used by embedding the tank for the water-ice mixture in the ground. Rainwater and snowmelt water can be introduced directly into the water-ice mixture, with an overflow for ice water z. B. to be provided in the municipal sewage network. House wastewater, which has an average temperature of about 30 ^° C., has to be brought into contact with the water-ice mixture via a heat exchanger because of its dirt content.

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 Wärniefluß 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 2 31449 und 2 37 313 zur Verfügung stehen.That generated in the method according to the invention and on the heat transfer surfaces to the refrigerant Depressed ice is constantly melted back by the water flowing around it. So at low Outside temperatures and high heating requirements due to the build-up of an ice layer around the heat transfer surfaces If the heat flow is not impaired too much at the evaporator, it will be depressed Ice is advantageously discharged continuously or periodically, for which z. B. mechanical or thermal stripping processes according to CH-PS 2 31449 and 2 37 313 for To be available.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufs und der Umwälzung des Wasser-Eis-Gemisches zeigt.The method according to the invention is explained in more detail, for example, with reference to the drawing, which shows a shows a schematic representation of the refrigerant circuit and the circulation of the water-ice mixture.

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 3O⁰C 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.An evaporator pot 1 of a refrigerant circuit 2 is arranged on the bottom of a tank 3 which is initially only filled with water. The refrigerant cooled in the evaporator pot 1 by the evaporation process to a temperature of about -10 ° to 3O ⁰ C is heated by absorbing heat from the water of the tank 3, after which the heated refrigerant is compressed by means of a one-stage or two-stage compressor 4 to a temperature above the a heating circuit 5 is brought. In a heat exchanger 6, the heated and compressed refrigerant gives off heat to the heating circuit 5, whereby it condenses. The condensed refrigerant is evaporated back into the evaporator pot 1 after passing through a throttle 7.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Wasser des Tanks 3 in das Kältemittel schließen an die Wand des Verdampfertopfs 1 Rippen 9 an.To improve the heat transfer from the water of the tank 3 in the refrigerant close to the wall of the evaporator pot 1 ribs 9.

Das Wasser wird durch die Wärmeabgabe an das Kältemittel im Verdampfertopf 1 bis auf Vereisungslemperatur 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.As a result of the heat given off to the refrigerant in the evaporator pot 1, the water is heated to icing temperature cooled, and it is reflected as ice on the ribs 9 of the evaporator pot. This ice cream will continuously or periodically released, whereby it due to its buoyancy to the water surface 14 in tank 3 rises. The ice drifting on the water surface 14 is mechanical slide in a thawing or melting chamber 15 transferred. This melting room is from surrounded by a double wall 16 through which a heat exchange medium, such as air or domestic waste water, is passed through to melt the ice back.

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.The melt water collects at the bottom of the melting chamber 15 in a pump sump 17 in which a (not shown) submersible pump is arranged. To protect the submersible pump from the ice, the The pump sump is spanned by a grate 18.

Die Tauchpumpe pumpt das Schmelzwasser in einen Nachfüllspeicher 119, von dem das Wasser in einen niveaugeregelten Wasservorratstank 20 gelangt. Der Wasservorratstank 20 steht seinerseits mit dem Tank 3The submersible pump pumps the melt water into a refill storage 119, from which the water flows into a level-regulated water storage tank 20 arrives. The water storage tank 20 is in turn connected to the 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.in connection, so that in each case the amount of water discharged from the tank 3 by the ice is replaced. The The water level in the water storage tank 20 is expediently so high that the surface water in the icing tank 3 with the ice floating in it passes into the melting chamber 15 due to the water pressure.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for the production of thermal heat by heat transport from surrounding heat- s swell like air, soil etc. with a temperature of almost 0 ° C down into one Hci / kreishuif higher Temjicr.iiur after the W; .r mepumping principle, in that when ice is generated, heat is mixed with the surrounding heat sources water-ice mixture standing in heat exchange is withdrawn, characterized in that that the ice generated on the evaporator by circulating the water-ice mixture in intensive Heat exchange with the surrounding heat sources is brought about to melt the ice back.

2. The method according to claim 1, characterized by a water tank as a heat store in which the ice produced melted back through heat exchange with the surrounding heat sources will.