DE2654791A1

DE2654791A1 - Verfahren zur verbesserung der energieausnutzung beim betrieb von waermepumpen zum heizen von fluessigen und/oder gasfoermigen medien, insbesondere beim erwaermen des beckenwassers von frei- und hallenbaedern

Info

Publication number: DE2654791A1
Application number: DE19762654791
Authority: DE
Inventors: Claus Boettcher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1976-12-03
Publication date: 1978-06-08

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD A/iEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler -j- 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln

5 Köln ι 2.I2.I976 Sch/Sd

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

Claus Böttcher, Schwalbenweg 27, '5021 Königsdorf

Verfahren zur Verbesserung der Energieausnutzung beim Betrieb von Wärmepumpen zum Heizen von flüssigen und/ oder gasförmigen Medien, insbesondere beim Erwärmen des Beckenwassers von Frei- und Hallenbädern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Energieausnutzung beim Betrieb von Wärmepumpen zum Heizen von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere beim Erwärmen des Beckenwassers von Frei- und Hallenbädern, unter Verwendung von Außen- oder Fortluft mit niedriger Enthalpie als Wärmequelle.

Es ist bekannt, daß der Betrieb von Wärmepumpen zur sparsamen und wirtschaftlichen Energieausnutzung beiträgt, vorwiegend als Teil der lufttechnischen Gebäudeausrüstung. Der Betrieb setzt die Verfügbarkeit einer Wärmequelle voraus, deren Temperatur bestimmte Grenzwerte nicht unterschreitet. Die unbeschränkt vorhandene Außenluft ist insofern kein

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idealer Wärmespender, als ihre Temperatur größeren zeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Abgesehen davon, daß dadurch die Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpeneinsatzes sehr beeinträchtigt wird, muß der Betrieb zeitweilig sogar eingestellt werden bzw. es kann die Wärmepumpe ohne Anheizen mittels zusätzlicher Energiequellen nicht angelassen werden.

Um die kritischen Betriebszustände ganz oder zeitweilig zu überbrücken, können Wärmespeicher verwendet werden. Diese bekannte Einrichtung ist zwar an die unterschiedlichen Betriebszustände anpassungsfähig, erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand, einen großen Platzbedarf und hohe Investitionen.

Ein wirtschaftlicher Betrieb von Frei- und Hallenbädern ist in den hiesigen Breitengraden nur zu erreichen, wenn das Beckenwasser künstlich erwärmt wird. Vor allem bei Freibädern ist anzustreben, die Badesaison verlängern zu können, möglichst von April ab bis in den Oktober, wobei bei verhältnismäßig niedriger Außenlufttemperatur eine Temperatur des Beckenwassers von"mindestens 24°C bestehen sollte.

Wärmepumpen können in vielen Fällen die billigste Wärme liefern. Wenn für den Betrieb der Wärmepumpe die Außenluft als Wärmequelle herangezogen werden muß, sind große und teure Verdampfer erforderlich. Bei Außenluftenthalpien unter etwa 5,5 kcal/kg müssen zusätzliche Einrichtungen installiert und auch Minderleistungen der Anlage hingenommen werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb von Wärmepumpen vorübergehend mit geringem Aufwand auch dann sicherzustellen, wenn die Wärmequelle an sich dazu nicht ausreicht. Außerdem sollen die Investitions- und/oder Betriebskosten der Wärmepumpenanlage weitestgehend niedrig gehalten werden. Beim Betrieb von Wärmepumpen zum Heizen von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere beim Erwärmen des Beckenwassers von Frei- oder Hallenbädern, unter Verwendung von Außen- oder Fortluft mit niedriger Enthalpie als Wärmequelle, wobei ein von einem Motor angetriebener Kälteverdichter, ein Verflüssiger der Wärmepumpe für die Aufheizung des zu erwärmenden Mediums und ein Luftkühler als Verdampfer der Wärmepumpe mit Ventilator vorgesehen sind, zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß eine Teilmenge des erwärmten Mediums, z.B. die Ablaufwassermenge des Beckenwassers, zum Befeuchten der vom Verdampferventilator angesaugten Luft verwendet wird.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Funktion der Wärmepumpe ohne zusätzliche Fremdenergie auch bei Außenlufttemperaturen, die an sich für einen Vollastbetrieb der Anlage nicht mehr ausreichen würden, sichergestellt wird. Dies führt ferner dazu, daß die Anlagekosten ohne Einschränkung der Betriebsbedingungen verringert werden. Bei dem Betrieb von Frei- und Hallenbädern ist es Vorschrift, daß eine bestimmte Menge des Beckenwassers abfließen soll. Diese ist durch eine neu zuzuführende Wassermenge zu ergänzen. Vorteilhaft wird deshalb die Ablaufwassermenge des Beckenwassers zum Befeuchten der vom Verdampferventilator angesaugten Luft verwendet. Da die Temperatur der Ablaufwassermenge während der zu überbrückenden Jahreszeit über der Außenluftfeuchtkugeltemperatur liegt, ist sie geeignet,

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die Enthalpie der vom Verdampferventilator angesaugten Luft zu erhöhen.

Die Betriebsbedingungen für die Wärmepumpe werden um so mehr verbessert, je höher die Temperatur der festgelegten Ablaufwassermenge ist. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es deshalb vorteilhaft, die Teilmenge nicht aus dem Schwallwasserbecken, sondern aus der Warmwasservorlaufleitung zu entnehmen. Dies gilt vornehmlich für Wärmepumpen mit Antrieb durch Elektromotor.

Wenn zum Antrieb des Kälteverdichters Verbrennungsmotore verwendet werden, bietet sich die Möglichkeit, einen Teilstrom des Beckenwassers über den Motorkühlkreis noch höher zu erwärmen. Wenn zum Energiesparen ein Abhitzewärmeaustauscher zum Rückgewinnen der Abgaswärme vorgesehen wird, kann der Ablaufwasserstrom mittels eines zusätzlichen Wärmetauschers und entsprechender Regeleinrichtungen auf Temperaturen von 4o°C und mehr erwärmt werden. Dadurch wird bei niedriger Außenluftenthalpie die Enthalpie der in den Verdampfer eintretenden Luft wesentlich angehoben.

Eine optimale Energieausnutzung und Verbesserung der Betriebsbedingungen ist erreichbar, wenn zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Maßnahmen die Abgase des Verbrennungsmotors oder eines anderen Verbrennungsprozesses von sauberem Gas in den angesaugten Luftstrom vor dem Verdämpfer eingeleitet werden.

In den genannten Fällen wird die Enthalpie der in den Verdampfer eintretenden Luft mehr oder weniger erhöht, so daß vergleichsweise gegenüber dem Entzug der Wärme aus der

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reinen Außenluft entweder bei gleicher Verdampfungstemperatur der erforderliche Luftvolumenstrom und die Verdampferfläche verringert werden oder der Vollastbetrieb der Wärmepumpe bei gleicher Verdampfungstemperatur und gleichem Luftvolumenstrom bis zu einer niedrigeren Außenluftenthalpie möglich ist, oder bei höherer Verdampfungstemperatur die Leistungszahl der Wärmepumpe verbessert wird.

Um während der Betriebszeiten mit ausreichend hoher Außenluftenthalpie die Energiesparmaßnahmen zu optimieren, empfiehlt sich der Einsatz eines Gegenstromwärmeaustauschers für die Aufwärmung des Ergänzungswassers durch das _; warme Ablaufwasser. Diese an sich bekannte Maßnahme bringt jedoch bei niedriger Außenluftenthalpie nicht die gleichen Vorteile wie die Verfahrensweise gemäß der Erfindung, da die Exergie des ablaufenden Wassers gemäß der Erfindung in größerem Umfange genutzt werden kann. Besonders bei Verwendung von Gasmotoren zum Antrieb der Kälteverdichter können wesentliche Einsparungen an Investitions- und Betriebskosten sowie an Bauvolumen für Verdampfer, Ventilatoren und Schalldämpfer neben dem Gewinn an Punktionssicherheit bei niedrigen Außenluftenthalpien erzielt werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen des Betriebes von Wärmepumpen in Verbindung mit Frei- und/oder Hallenbädern mit erwärmtem Beckenwasser erläutert.

Fig. 1 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Wärmepumpenbetrieb zum Erwärmen des Beckenwassers eines Frei- oder Hallenbades ι im Schema. !

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Pig. 6 veranschaulicht im i-x -Diagramm für feuchte Luft den prinzipiellen Verlauf der Luftzustände mit und ohne Befeuchtung der in den Verdampfer eintretenden Luft.

Die Anlage eines Frei- oder Hallenbades mit künstlich erwärmtem Beckenwasser mittels eines Wärmepumpenbetriebes weist im allgemeinen die Einrichtungen 1 bis 8 auf. Hierbei sind mit 1 das Schwimmbecken, 2 das Schwallwasserbecken, J) eine Beckenwasser pumpe, 4 ein Filter, 5 ein Verflüssiger der Wärmepumpe, 6 ein Kälteverdichter, 7 ein Luftkühler als Verdampfer der Wärmepumpe und mit 8 ein Ventilator bezeichnet.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 wird das Schwallwasser während der Betriebszeiten mit hoher Enthalpie der in den Verdampfer eintretenden Luft mittels einer Pumpe 9 zu einem Wärmeaustauscher 10 geführt, durch den das Ergänzungswasser 14 durch das Ablaufwasser erwärmt wird. Das Ablaufwasser wird über das Ventil 11 abgelassen. Bei der Anordnung der Fig. 1 wird während der Betriebszeit mit niedriger Enthalpie der in den Verdampfer eintretenden Luft das Ablaufwasser über das Ventil 12 zur Wasserversprüheinrichtung IJ) vor dem Verdampfer 7 der Wärmepumpe geführt. Dadurch wird die Enthalpie der vom Verdampferventilator angesaugten Luft erhöht. Der Kälteverdichter wird mittels des Elektromotors I5 angetrieben.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird auf die Verwendung des Schwallwassers zur Nutzung der Wärme verzichtet. Vielmehr wird eine Teilmenge von dem in dem Verflüssiger der Wärmepumpe erwärmten und über die Leitung 18 dem Wasserbecken 1 wieder zuzuführenden Wasserstrom über die Leitung

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19 und das Ventil 12a der Wasserversprüheinrichtung 13 vor dem Verdampfer 7 der Wärmepumpe zugeleitet. Auch hierbei erfolgt der Antrieb des Kälteverdichters durch einen Elektromotor 15.

Die Ausführungsform der Pig. 3 veranschaulicht einen Wärmepumpenbetrieb bei Verwendung einer Brennkraftmaschine, z.B. eines Gasmotors 20, zum Antrieb des Kälteverdichters 6. Für den Motor ist eine Kühlung 21 mit Motorkühlwasserpumpe 22 und Regelventil 23 vorgesehen. Weiterhin kann ein Abgas -Wärmeaust aus eher 30 angeordnet sein, der von der Abgasleitung 37 mittels der Abgasklappen 31 und 32 gespeist wird. Mit 33 ist ein Abgasaustritt bezeichnet. Ein Teil des von dem Verflüssiger 5 der Wärmepumpe erwärmten Wassers wird über einen Wärmeaustauscher I7 geführt und zusätzlich erwärmt. Der Wärmeaustauscher 17 wird auf der anderen Seite von dem im Motor erwärmten Kühlwasser, das noch durch den Abgas-Wärmeaustauscher 30 zusätzlich erwärmt werden kann, gespeist. Von dem Warmwasservorlauf 18 zum Wasserbecken 1 wird eine Teilmenge des im Wärmeaustauscher 17 erwärmten V/assers über die Leitung 19a und das Ventil 12a der Wasserversprüheinrichtung I3 zugeführt, wodurch die Enthalpie der vom Verdampferventilator 7* 8 angesaugten Luft erhöht wird. Es ist zweckmäßig, in der Leitung von dem Abgas-Wärmeaustauscher 30 zu dem Wärmeaustauscher I7 eine Wärmerückgewinnungspumpe 24 mit einem Ausdehnungsgefäß 25 sowie einen Warmwasserbereiter 26 bzw. einen Ersatzwiderstand 28 mit Regelventilen 27 einzuschalten, um den höher temperierten Wärmestrom für eine Brauchwassererwärmung zu nutzen.

Bei der Wärmepumpenanlage der Fig. 4 ist gegenüber derje-

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nigen der Fig. 3 zusätzlich ein Wärmeaustauscher 4o mit dem Regelventil 41 hinzugetreten. Das von der Leitung 18 abgezweigte erwärmte Wasser gelangt hierbei mittels der Leitung 19a über den Wärmeaustauscher 40 in die Leitung 19b zu der Wasserversprüheinrichtung 13. Hierbei ist es möglich, die Erwärmung des der Wasserversprüheinrichtung 13 zuzuführenden Wassers auf die Temperatur von mindestens 4O° C oder darüber bringen zu können, wodurch bei niedriger Außenluftenthalpie die Enthalpie der in den Verdampfer eintretenden Luft erheblich angehoben wird. Mit 42 ist ein Drosselventil bezeichnet, das in Verbindung mit Ventil 41 angesteuert wird.

Pig. 5 zeigt eine Wärmepumpenanlage, bei der über die in Fig. 4 hinaus vorgesehenen und beschriebenen Maßnahmen noch die Abgase des Brennkraftmotors 20 zur Erhöhung der Enthalpie der vom Verdampferventilator angesaugten Luft verwendet werden. Mit 35 ist ein zweiter Abgasaustritt bezeichnet, zu dem die Leitung 38 führt, die von der Abgasleitung 37 abgezweigt ist. Zusätzlich kann auch ein Gasbrenner 36 eingeschaltet werden. Hierbei gelangen die Abgase des Verbrennungsmotors 20 und des zusätzlichen Gasbrenners 36 in den angesaugten Luftstrom vor dem Verdampfer 7 der Wärmepumpe, wodurch die Energieausnutzung wesentlich unterstützt wird. Ist die Möglichkeit gegeben, die Ergänzungswassermenge und damit die Ablaufwassermenge über das vorgeschriebene Mindestmaß zu erhöhen, so kann der Betrieb der Wärmepumpe auch bei noch niedrigeren Außenluftenthalpien sichergestellt werden.

Die beschriebenen Vorteile können auch für Hallenbäder und für Anlagen der Gebäudeklimatisierung mit Wärmepumpenhei-

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zung, z.B. für das Becken, die Raumluft und den Fußboden, bei Ausnutzung der Fortluftwärme erzielt werden, wenn die durch die Wärmepumpe oder anderweitig herbeigeführte Erwärmimg des ablaufenden Beckenwasseranteils oder eines anderen Wasserstromes genügend hoch ist, d.h. wenn eine ausreichende Temperaturdifferenz zur Fortlufttemperatur besteht, so daß die Enthalpie der Fortluft angehoben werden kann. Dies könnte auch durch das Einblasen von Dampf in den angesaugten Luftstrom erreicht werden. In Fig. 6 ist diese Möglichkeit in einem Enthalpie-Diagramm verdeutlicht. Hierbei bedeuten die Zeichen folgendes:

t - Temperatur

i - Enthalpie

χ - Wasserdampfgehalt

t_T - Lufteintrittstemperatur in Luftkühler ohne ^e Befeuchtung

La - Luftaustrittstemperatur aus Luftkühler

Le' - Lufteintrittstemperatur in Luftkühler nach Befeuchtung

' La¹ - Luftaustrittstemperatur aus Luftkühler t - Temperatur des Befeuchtungswassers t - Oberflächentemperatur des Luftkühlers

Besonders wirtschaftlich in bezug auf die Investitionskosten ist die Kombination einer Wärmepumpe mit Gasmotorantrieb und mit einem Abgas-Wärmeaustauscher mit Gasbrenner., der somit die Funktion eines Gasheizkessels übernimmt, was in Fig. 5 dargestellt ist. Eine solche Gesamtanlage kann einen Ganzjahres-Heizbetrieb zu wirtschaftlichen Bedingungen gewährleisten. Bei gleichzeitiger Nutzung der Kältelei- , stung zur Klimatisierung bleibt die Wirtschaftlichkeit der j

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Anlage gewahrt, sofern die zu erzeugende Jahreskälteleistung bestimmte, von der Relation zwischen Strom- und Gaspreis und der Gesamtwirkungsgrade zwischen Elektro- und Gasmotorantrieb abhängige Grenzwerte nicht überschreitet.

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• Al·- Leerseite

Claims

Patentans prüche

1. Verfahren zur Verbesserung der Energieausnutzung beim Betrieb von Wärmepumpen zum Heizen von flüssigen und/ oder gasförmigen Medien, insbesondere beim Erwärmen des Beckenwassers von Frei- und/oder Hallenbädern, unter Verwendung von Außen- oder Portluft mit niedriger Enthalpie als Wärmequelle, wobei ein von einem Motor angetriebener Kälteverdichter, ein Verflüssiger der Wärmepumpe für die Aufheizung des zu erwärmenden Mediums und ein Luftkühler als Verdampfer der Wärmepumpe mit Ventilator vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des erwärmten Mediums, z.B. das vorgeschriebene Ablaufwasser des Beckenwassers, zum Befeuchten der vom Verdampferventilator angesaugten Luft verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablaufwassermenge die Schwallwassermenge des Wasserbeckens zu Befeuchtungszwecken für den Verdampferventilator dient (Fig. 1, 2).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufwasserme'nge aus dem Warmwasservorlauf zum Becken entnommen und über eine Wasserverteileinrichtung in den Luftstrom vor dem Verdampfer eingebracht wird (Fig. 2 bis 5).

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufwassermenge aus dem Beckenwasserteilstrom entnommen wird, der im Wärmeaustauscher des Kühlwasserkreislaufes einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Gasmotors, zusätzlich erwärmt wird (Fig. 3 bis 5).

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufwassermenge zusätzlich und vorrangig durch einen weiteren nachgeschalteten Wärmeaustauscher erwärmt wird, der bei Bedarf vorrangig durch den nachtemperierten Abwärmestrom aus dem Kühlwasser und der Abgase einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Gasmotors, gespeist wird (Fig. 4).

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase eine's Verbrennungsprozesses, z.B. der den Kälteverdichter antreibenden Brennkraftmaschine, vor der Wasserverteileinrichtung in den von dem Verdampferventilator angesaugten Luftstrom eingeführt werden (Fig. 5).

7. Verfahren nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Abgase eines Gasbrenners verwendet werden (Fig. 5).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei raumlufttechnischen Anlagen, z.B. bei Hallenbädern, mit Wärmepumpenheizung die Fortluft vor dem Eintritt in den Luftkühler mittels hocherwärmten V/assers oder mittels Dampf befeuchtet wird.

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