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Wärmepumpenheizungssystem.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpenheizungssystem mit einem
im Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf liegenden Kompressor, welcher mittels eines
Verbrennungsmotors antreibbar ist.
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Stelle An anderer ist ein solches Wärmepumpenheizungssystem vorgeschlagen
worden, welches gegenüber den allgemein bekannten WärmejFumpenheizungssystemen den
wesentlichen Vorteil hat, daß sich, 1bezogen auf die Primärenergie ein sehr guter
Energienutzungsgrad erzielen läßt, da die Umsetzung von der Primärenergie in die
mechanische Energie zum Antrieb des Kompressors des Wärmeipumpen-ArbeitsmitteIkreislaufes
unmittelbar am Aufstellungsort des betreffenden Wärmepumpenheizungssystems erfolgt
und da ferner eine zwischengeschaltete Umformung in andere Energiearten, beispielsweise
in elektrische Energie, entfällt. Insbesondere aber läßt sich die vom Verbrennungsmotor
erzeugte Abwärme ebenfalls in dem iieizungssystem ausnützen und beispielsweise über
einen Wärmetauscher in das Heizungystem einführen. Auf diese Weise wird ein sehr
großes Verhältnis zwischen der durch das Heizungsystem bereitgestellten Wärmeenergie
zu der für die
Kompression des Arbeitsmittels notwendigen Primärenergie,
QaYFo eine hohe Leistungsziffer, erzielt.
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Diese hohe Leistungsziffer sinkt jedoch in Zeiten eines geringen Wärmebedarfes,
also zu den Schwachheizzeiten, beträchtlich ab, da zu diesen Zeiten der zum Antrieb
des Kompressors verwendete Verbrennungsmotor nur unter Teillast arbeitet und unter
diesen Betriebsbedingungen einen schlechten Wirkungsgrad besitzt.
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Wird außerdem die Heizleistung durch Veränderung der Drehzahl des
Antriebsmotors für den Kompressor geregelt, so ergibt sich bei Verwendung eines
Verbrennungsmotors zum Antrieb des Kompressors die Schwierigkeit, daß im niedrigen
Drehzahlbereich der Betrieb instabil werden kann und die Abgase in zunehmendem Elaß
e Verunreinigungsstoffe enthalten.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Warmepumpenheizungssystem
der eingangs kurz umrissenen Art so auszugestalten, daß auch zu SchwachheiZ-zeiten
eine vergleichsweise hohe Leistungaziffer aufrecht erhalten werden kann, wobei die
Betriebssicherheit der Anlage und ihre Umweltfreundlichkeit erhöht und eine verlängerte
Lebensdauer des Verbrennungsmotors zum Antrieb des Kompresaors erreicht werden sollen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Triebverbindung
zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kompressor eine Kupplungsvorrichtung angeordnet
ist, welche nur oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Verbrennungsmotors diesen
mit dem Kompressor kuppelt und daß ein weiterer Antriebsmotor mit gegenüber derjenigen
des Verbrennungsmotors bedeutend geringerer Leistung mit dem Kompressor über eine
weitere Kupplung vorrichtung in Verbindung steht, welche den weiteren Antriebsmotor
mit dem Kompressor in einem auf den Kompressor bezogenen, niedrigeren Drehzahlbereich
kuppelt, in welches der Kompressor von dem Verbrennungsaotor entkuppelt ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem weiteren Antriebsmotor um einen
Elektromotor, welcher nur etwa ein Drittel oder noch einen geringeren Bruchteil
der Leistung des Verbrennungsmotors aufweist.
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Man erkennt, daß bei der hier vorgeschlagenen Ausbildung des Wärmepumpenheizungssystems
die beiden Antriebsmotoren jeweils im Bereich ihres höchsten Wirkungsgrades betrieben
werden konnen, wobei der Verbrennungsmotor außerdem durch die Vermeidung von Teillast-Betriebszuständen
eine erhöhte Lebensdauer erhält und die Umweltverschmutzung durch die Abgase des
Verbrennungsmotors vermindert wird.
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Wesentlich ist für die Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage
fernerhin eine weitgehend selbsttätige Umschaltung des Kompressorantriebs von dem
Verbrennungsmotor auf den weiteren Antriebsmotor und umgekehrt, wobei durch geeignete
Steuerung oder Einstellung der zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kompressor
vorgesehenen Kupplungsvorrichtung und ggf. auch der weiteren Kupplungsvorrichtung
erreicht werden kann, daß der Verbrennungsmotor stets im Leerlauf gestartet wird.
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Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Yereinfachung und Verkürzung
der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die
anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 eine schematische Abbildung
eines Wärmepumpenheizungsaystems, teilweise in schaubildlicher und teilweise in
symbolischer Darstelz lungswei s e, Fig. 2 eine schematische Abbildung eines gegenüber
Figur 1 abgewandelten Warmepumpenheizungs-
System und Fig. 3 eine
vereinfachte Stirnansicht eines Teiles eines Wärmepumpenheizungssystem in wiederum
anderer Ausbildung.
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Das in Figur 1 gezeigte System enthält einen Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf
1, welches an einen Kompressor 2 angeschlossen ist. Das Arbeitsmittel nimmt nach
Entspannung in einem Ventil 3 aus der Umgebung über einen Verdampfer 4 Wärme auf,
wird dann von dem Kompressor 2 komprimiert und gibt danach über einen Wärmetauscher
5 zu Heizzwecken verwendbare Wärmeenergie entsprechend der über den Verdampfer 4
aufgenommenen und der durch Kompression durch den Kompressor 2 eingeführten Wärmeenergie
an einen Nutzkreislauf 6 ab. Die bisher beschriebenen Anlageteile entsprechen einem
Wärmepumpenheizungssystem üblicher Bauart.
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Der Kompressor 2 wird durch einen Verbrennungsmotor 7 angetrieben,
welcher die Gestalt eines Dieselmotors, eines Stirlingmotors oder eines Gasmotors
haben kann. GemäA einer in den Zeichnungen nicht gezeigten, an anderer Stelle vorgeschlagenen
Ausfiihrungsform des lleizungasystems kann dem Nutzkreislauf 6 oder einem zusätzlichen,
zu Xleizzwecken dienenden Kreislauf des Systems die Abwarqle des Verbrennungsmotors
7 und eine aus den Abgasen des Verbrennungsmotors gewinnbare Restwärme zugeführt
werden.
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Es versteht sich, daß die hier vorgeschlagenen Gedanken auch auf Wärmepumpenheizungssysteme
solcher Art anwendbar sind.
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Zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und dem Kompressor 2 ist eine Kupplungsvorrichtung
8 angeordnet, mittels welcher die Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor
7 und dem Kompressor 2 unterbrochen oder wiederhergestellt werden kann. Ferner ist
eine weitere Kupplungsvorrichtung 9 im Zuge einer Triebverbindung zwischen dem Kompressor
2 und einem kleinen Elektromotor 10 vorgesehen, dessen Leistung etwa nur 30,' der
Leistung des Verbrennungsmotors 7 beträgt.
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Eine Steuer- und Regeleinheit 11 dient zur Steuerung bzw. Regelung
des
Verbrennungsmotors 7, des Elektromotors 10 und der weiteren Kupplungsvorrichtung
9 durch geeignete mechanische und/ oder elektrische Stellsignale. Ilierzu ist die
Steuer- und Hegeleinheit 11 über eine Steuerleitung 12 mit dem Anlasser 13 des Verbrennungsmotors
7 und über eine Steuerleitung 14 mit dem Kraftstoffzufuhr-Regelmechanismus 15 des
Verbrennungsmotors 7 verbunden. Weiter führt eine Steuerleitung 16 von der Regel-und
Steuereinheit 11 zu der weiteren Kupplungsvorrichtung 9 und schließlich sind Steuerleitungen
17 von der Einheit 11 zu dem Elektromotor 10 geführt.
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Die Regel- und Steuereinheit 11 ist mit geeigneten Temperaturfühlern
verbunden und betätigt den Verbrennungsmotor 7 nach einer EIN-/AUS-Charakteristik
je nach dem Wärmebedarf des lleizungssystems. Solange die Dauer der Einschaltphasen
im Verhaltnis zur Dauer der Auaschaltphavetl einen bestimmten Wert nicht unterschreitet,
bleiben die Steuerleitungen 16 und 17 unerregt, so daß der Elektromotor 10 ausgeschaltet
und die Triebverbindung zwischen dem Kompressor 2 und dem Elektromotor 10 unterbrochen
bleibt, da die Kupplungsvorrichtung 9 kein Einschaltsignal über die Steuerleitung
16 erhält.
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Die Kupplungsvorrichtung 8, welche beispielsweise die Gestalt einer
Fliegkraftkupplung haben kann, hält die Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor
7 und dem Kompressor 2 für den Betrieb im Bereich der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors
aufrecht. Für tiefer liegende Drehzahlen trennt die Kupplungsvorrichtung 8 den Kompressor
2 von dem Verbrennungsmotor 7, so daß letzterer stets freilaufend gestartet werden
kann.
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Sinkt nun die Dauer der Einschaltphase des Verbrennungsmotors 7 aufgrund
eines geringer werdenden Wärmebedarfes des Ileizungssystems weiter ab, so daß schließlich
der Verbrennungsmotor nur mehr verspätet seine Betriebs temperatur erreicht und
mit verschlechtertem Wirkungsgrad zu arbeiten beginnt, so spricht ein in der Steuer-
und Regeleinheit 11 enthaltenes Zeitmeßorgan an und bewirkt die Einschaltung des
Elektromotors 10 und der weiteren
Kupplungsvorrichtung 9, während
keine das Starten des Verbrennungsmotors 7 bewirkenden Steuersignale mehr über die
Steuerleitungen 12 und 11i abgegeben werden. Durch geeignete, in Figur 1 bei 18
angedeutete Überaetzungsmittel ist dafür Sorge getragen, daß die Ausgangswelle des
Elektromotors 10 an den Drehmomentbedarf des Kompressors 2 angepaßt ist. Der Elektromotor
10 bewirkt also einen Antrieb des Kompressors 2 mit stark erniedrigter Drehzahl
und niedrigerer Leistung, wobei die Drehzahl so niedrig liegt, daß die selbsttätige
Kupplungsvorrichtung 8 nicht mehr anspricht und der Verbrennungsmotor 7 beim Antrieb
des Kompressor durch den Elektromotor 10 nicht mitläuft.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann jedoch, wie in Figur
1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, die Kupplungsvorrichtung 8 über
eine Steuerleitung 19 ähnlich der Kupplungsvorrichtung 9 mit der Steuer- und Regeleinheit
11 verbunden sein. In diesem Falle befinden sich in der Einheit 11 geeignete Verriegelungsschaltkreise,
welche bewirken, daß entweder die Kupplungsvorrichtung 8 oder die Kupplm'gavorrichtung
9 erregt ist und die Jeweils zugeordnete Triebverbindung aufrecht erhält, je nach
dem, ob der Wärmebedarf des Heizungssystems den Betrieb des Verbrennungsmotors 7
oder den Betrieb des Elektromotors 10 bei Berücksichtigung der oben beschriebenen
Gesichtspunkte erfordert.
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Wnhrend anhand des Ausführungsbeispiels nach Figurfdie Anwendung der
hier vorgeschlagenen Maßnahmen auf ein Wärmepumpenheizungssystem mit einer EiN-/AUS-Regelung
des Verbrennungsmotors erläutert wurde, bietet sich das drehzahlabhängige Ansprechen
der Kupplungsvorrichtungen bevorzugtermaßen bei einer Drehsalregelung des Verbrennungsmotors
entsprechend dem Wärmebedarf des ileizungesysteme an. Eine entsprechende Ausftihrungsform
ist in Figur 2 gezeigt. Zu Figur 1 analoge Anlageteile tragen jeweils gleiche Bezugszahlen.
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Aus Figur 2 ist entnehmbar, daß dio Steuer- und Regeleinheit 11 die
Drehzahl des Verbrennungsmotors 7 über die Steuerleitung 4
entsprechend
dem Wärmebedarf des lleizungssystema regelt. Sinkt die Drehzahl unter einen vorbestimmten
Wert ab, so bewirkt die Einheit 11 über die Steuerleitung llt eine Ausschaltung
des Verbrennungsmotors 7 und über die Steuerleitung 17 eine Einschaltung des Eleketromotors
10. Gleichzeitig wird die Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und dem
Kompressor 2 durch die Kupplungsvorrichtung ö unterbrochen, welche durch ein Stellsignal
schaltbar ist, das entweder über eine Steuerleitung 19 von der Steuer- und Regeleinheit
11 abgeleitet wird oder welches unmittelbar von einem Drehzahlmelder 20 herbei führt
wird, wie in Figur 2 abgedeutet ist. Aucl3kdie Kupplung vorrichtung 8 eine Fliehkraftkupplung
sein, welche so justiert ist, daß die Triebverbindung zwischen Verbrennungsmotor
7 und Kompressor 2 beim Unterschreiten der genannten Mindestdrehzahl unterbrochen
wird.
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Die weitere Kupplungsvorrichtung 9 wird durch ein von der Einheit
11 über die Steuerleitung 16 zugeführtes Signal oder ein von dem an den Kompressor
2 angeschlossenen Drehzahlmelder 21 abgeleitetes Signal so gesteuert, daß die Triebverbindung
zwischen Kompressor und Ausgangswelle des Elektromotors 10 oberhalb des genannten
Mindestdrehzajilwertes unterbrochen und unterhalb dieses Drehzahlwertes hergestellt
wird.
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Es sei hier bemerkt, daß in den anhand der Figuren 1 und 2 erläut
erzen Wärmepumpenheizuiigssystemen denjenigen Ausführuiigsformen der Vorzug zu geben
ist, bei welchen der weiteren Kupplungsvorrichtung 9 zu deren Einschaltung ein Stellsignal
von der Steuer- und Regeleinheit 11 zugefiihrt wird, da es in diesem Falle möglich
ist, dieses Stellsignal mit dem Einschaltsignal für den Elektromotor 10 so zu verknüpfen,
daß die Triebverbindung zwischen dem Kompressor 2 und dem Elektromotor 10 nur dann
hergestellt wird, wenn der Elektromotor 10 eingeschaltet wird oder eingeschaltet
ist. Auf diese Weise wird vermieden, daß bei Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors
7 nach dem Erreichen der Nenndrehzahl und dem Einschalten der Kupplungsvorrichtung
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über diese auch die Schwungmassen aufgrund des Elektromotors
10 auf eine Drehzahl beschleunigt werden müssen, bei welcher Schließlich die weitere
Kupplungsvorrichtung 9 die zugehörige Triebverbindung unterbricht. Vielmehr bleibt
in diesem Falle der Elektromotor 10 von vornherein von dem übrigen Maschinensatz
abgetrennt.
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Während bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 die Wellen
der Antriebsmaschinen und des Kompressors sowie der Kupplungsvorrichtungen in Axialrichtung
fluchten, können diese gemäß Figur 3 auch parallel zueinander angeordnet sein, so
daß der Verbrennungsmotor 7 mit dem Kompressor 2 und dieser mit dem Elektromotor
10 über Keilriementriebe, Kettentriebe oder Zal>nriementriebe verbunden sind.
Die Kupplungsvorrichtungen befinden sich in diesem Falle jeweils zwischen den Riemenscheiben
bzw. Kettenrädern bzw. Zahnrädern einerseits und den zugeliörigen Wellen andererseits.
Die zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und dem Kompressor vorgesehene Kupplungsvorrichtung
entsprechend der Kupplungsvorrichtung U der zuvor beschriebenen Ausfülrrungsformen
kann dabei entweder auf der Welle 22 des Verbrennungsmotors 7 oder auf der Welle
23 des Kompressors 2 befinden. In entsprechender Weise kann sich die zwischen dem
Kompressor 2 und dem Elektromotor 10 vorgesehene, der Kupplungsvorricituig 9 der
zuvor beschriebenen Ausführungsformen entsprechende Kupplungsvorrichtung entweder
auf der Welle 23 des Kompressors 2 oder auf der Welle 24 des Elektromotors 10 befinden.
Die Erfindung umfaßt auch eine Ausführungsform, bei welcher die Kupplung vorrichtungen
von Freilaufkupplungen gebildet sind, welche jeweils dann eingreifen, wenn die betreffende
Antriebsmasclline die Drehzahl des Kompressors 2 erreicht und zu übersteigen beginnt,
wobei der Wechsel von dem Betrieb des Verbrennungsmotors 7 zu dem Betrieb des Elektromotors
10 und umgekehrt wieder durch eine Steuer- und Regeleinheit herbeigeführt wird.
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L e e r s e i t e