DE2705869C2

DE2705869C2 - Wärmepumpenheizungssystem

Info

Publication number: DE2705869C2
Application number: DE2705869A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Rummel
Original assignee: Motorheizung 3000 Hannover GmbH
Current assignee: Motorheizung 3000 Hannover GmbH
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1979-05-03
Also published as: DE2705869B1; DE2705869A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpenheizungssystem mit einem im Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf liegenden Kompressor, welcher mittels eines Verbrennungsmotors antreibbar ist

Es ist bereits ein solches Wärmepumpenheizungssystem bekannt, welches gegenüber den allgemein bekannten Wärmepumpenheizungssystemen den wesentlichen Vorteil hat, daß sich, bezogen auf die Primärenergie, ein sehr guter Energienutzungsgrad erzielen läßt, da die Umsetzung von der Primärenergie in die mechanische Energie zum Antrieb des Kompressors des Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislaufes 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 Heizungssystem ausnützen und beispielsweise über einen Wärmetauscher in das Heizungssystem einführen. Auf diese Weise wird ein sehr großes Verhältnis zwischen der durch das Heizungssystem bereitgestellten Wärmeenergie zu der für die Kompression des Arbeitsmittels notwendigen Primärenergie, also eine hohe Leistungsziffer, erzielt.

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.

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 Maße Verunreinigungsstoffe enthalten.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Wärmepumpenheizungssystem der eingangs kurz umrissenen Art so auszugestalten, daß auch zu Schwachheizzeiten eine vergleichsweise hohe Leistungsziffer aufrechterhalten werden kann, wobei die Betriebssicherheit der Anlage und ihre Umweltfreundlichkeit erhalten bleiben sollen.

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 Kupplungsvorrichtung in Verbindung steht, welche den weiteren Antriebsmotor mit dem Kompressor in einem auf den Kompressor bezogenen, niedrigeren Drehzahlbert Ich kuppelt, in welchem der Kompressor von dem Verbrennungsmotor entkuppelt ist

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

Man erkennt, daß bei der hier vorgeschlagenen Ausbildung des Wärmepumpenheizungssystems die beiden Antriebsmotoren jeweils im Bereich ihres höchsten Wirkungsgrades betrieben werden können, wobei der Verbrennungsmotor außerdem durch die Vermeidung von Teillast-Betriebszuständen eine erhöhte Lebensdauer erhält und die Umweltverschmutzung durch die Abgase des Verbrennungsmotors vermindert wird.

Wesentlich ist für die Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage fernerhin eine weitgehend selbsttätige Umschaltung des Kompressorantriebes 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.

Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird.

Nachfolgend werden einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 eine schematische Abbildung eines Wärmepumpenheizungssystems, teilweise in schaubildlicher und teilweise in symbolischer Darstellungsweise,

Fig. 2 eine schematische Abbildung eines gegenüber F i g. 1 abgewandelten Wärmepumpenheizungssystems und

Fig.3 eine vereinfachte Stirnansicht eines Teiles eines Wärmepumpenheizungssystems in wiederum anderer Ausbildung.

Das in F i g. 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.

Der Kompressor 2 wird durch einen Verbrennungsmotor 7 angetrieben, welcher die Gestalt eines Dieselmotors, eines Stirlingmotors oder eines Gasmotors haben kann. Gemäß einer in den Zeichnungen nicht gezeigten Ausführungsform des Heizungssystems kann dem Nutzkreislauf 6 oder einem zusätzlichen, zu Heizzwecken dienenden Kreislauf des Systems die Abwärme des Verbrennungsmotors 7 und eine aus den

Abgasen des Verbrennungsmotors gewinnbare Restwärme zugeführt werden. Es versteht sich, daß die hier vorgeschlagenen Gedanken auch auf Wärmepumpenheizungssysteme solcher Art anwendbar sind.

Zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und dem Kompressor 2 ist eine Kupplungsvorrichtung 8 angeordnet, mittels welcher die Triebverbindung zwischen dsm 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

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. Hierzu ist die Steuer- und Regeleinheit 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

Die Regel- und Steuereinheit 11 ist mit geeigneten Temperaturfühlern verbunden und betätigt den Verbrennungsmotor 7 nach einer EIN-MUS-Charakteristik je nach dem Wärmebedarf des Heizungssystems. Solange die Dauer der Einschaltphasen im Verhältnis zur Dauer der Ausschaltphasen 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.

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.

Sinkt nun die Dauer der Einschaltphase des Verbrennungsmotors 7 aufgrund eines geringer werdenden Wärmebedarfes des Heizungssystems weiter ab, so daß schließlich der Verbrennungsmotor nur mehr verspätet seine Betriebstemperatur erreicht und mit verschlechtertem Wirkungsgrad zu arbeiten beginnt, so spricht ein in der Steuer- und Regeleinheit U 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 14 abgegeben werden. Durch geeignete, in F i g. 1 bei 18 angedeutete Untersetzungsmittel 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 Kompressors durch den Elektromotor 10 nicht mitläuft.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann jedoch, wie in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, die Kupplungsvorrichtung 8 über eine Steuerleitung 19 ähnlich der Kupplungsvorrichtung 9 mit der Steuer- und Regeleinheit Ii verbunden sein. In diesem Falle befinden sich in der Einheit 11 geeignete Verriegelungsschaltkreise, welche bewirken, daß entweder die Kupplungsvorrichtung 8 oder die Kupplungsvorrichtung 9 erregt ist und die jeweils zugeordnete Triebverbindung aufrecht erhält, je nachdem, ob der Wärmebedarf des Heizungssystems den Betrieb des Verbrennungsmotors 7 oder den Betrieb des Elektromotors iO bei Berücksichtigung der oben beschriebenen Gesichtspunkte erfordert.

Während anhand des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 die Anwendung der hier vorgeschlagenen Maßnahmen auf ein Wärmepumpenheizungssystem mit einer EI N-/AUS-Regelung des Verbrennungsmotors erläutert wurde, bietet sich das drehzahlabhängige Ansprechen der Kupplungsvorrichtungen bevorzugtermaßen bei einer Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors entsprechend dem Wärmebedarf des Heizungssystems an. Eine entsprechende Ausführungsform ist in F i g. 2 gezeigt Zu F i g. 1 analoge Anlageteile tragen jeweils gleiche Bezugszahlen.

Aus Fig.2 ist entnehmbar, daß die Steuer- und Regeleinheit 11 die Drehzahl des Verbrennungsmotors 7 über die Steuerleitung 14 entsprechend dem Wärmebedarf des Heizungssystems regelt. Sinkt die Drehzahl unter einen vorbestimmten Wert ab, so bewirkt die Einheit 11 über die Steuerleilung 14 eine Ausschaltung des Verbrennungsmotors 7 und über die Steuerlcitung 17 eine Einschaltung des Elektromotors 10. Gleichzeitig wird die Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und dem Kompressor 2 durch die Kupplungsvorrichtung 8 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 herbeigeführt wird, wie in F i g. 2 angedeutet ist Auch kann die Kupplungsvorrichtung 8 eine Fliehkraftkupplung sein, welche so justiert ist, daß die Triebverbindung zwischen Verbrennungsmotor 7 und Kompressor 2 beim Unterschreiten der genannten Mindestdrehzahl unterbrochen wird.

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 Mindestdrehzahlwertes unterbrochen und unterhalb dieses Drahzahlwertes hergestellt wird.

Es sei hier bemerkt,daß in den anhand der Fig. ί und 2 erläuterten Wärmepumpenheizungssystemen denjenigen Ausführungsformen der Vorzug zu geben ist, bei welchen der weiteren Kupplungsvorrichtung 9 zu deren Einschaltung ein Stellsignal von der Steuer- und Regeleinheit 11 zugeführt wird, da es in diesem Falle möglich ist, dieses Stellsignal mit dem Einschaltsignal für den Elektromotor 10 so zu verknüpfen, daß die Trieb verbindung 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 8 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.

Während bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 und 2 die Wellen der Antriebsmaschinen und des Kompressors sowie der Kupplungsvorrichtungen in Axialrichtung fluchten, können diese gemäß F i g. 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 Zahnriementriebe verbunden sind. Die Kupplungsvorrichtungen befinden sich in diesem Falle jeweils zwischen den Riemenscheiben bzw. Kettenrädern bzw. Zahnrädern einerseits und den zugehörigen Wellen andererseits. Die zwischen dem Verbrennungsmotor 7 und dem Kompressor vorgesehene Kupplungsvorrichtung entsprechend der Kupplungsvorrichtung 8 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann sich dabei entweder auf der Welle 22 des

to 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 Kupplungsvorrichtung 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 Kupplungsvorrichtungen können auch von Freilaufkupplungen gebildet sein, welche jeweils dann eingreifen, wenn die betreffende Antriebsmaschine 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmepumpenheizungssystem mit einem im Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf liegenden Kompressor, welcher mittels eines Verbrennungsmotors antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Triebverbindung zwischen dem Verbrennungsmotor (7) und dem Kompressor (2) eine Kupplungsvorrichtung (8) angeordnet ist, weiche nur oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Verbrennungsmotors diesen mit dem Kompressor kuppelt und daß ein weiterer Antriebsmotor (10) mit gegenüber derjenigen des Verbrennungsmotors bedeutend geringerer Leistung mit dem Kompressor über eine weitere Kupplungsvorrichtung (9) in Verbindung steht, welche den weiteren Antriebsmotor mit dem Kompressor in einem auf den Kompressor bezogenen, niedrigeren Drehzahlbereich kuppelt, in welchem der Kompressor von dem Verbrennungsmotor entkuppelt ist

2. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Regeleinheit (11) zur EIN-/AUS-Regelung oder zur kontinuierlichen Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors (7) entsprechend dem Wärmebedarf vorgesehen ist, welche Steuerkreise (12, S3, 14, 15, 17) zur Inbetriebnahme entweder des Verbrennungsmotors oder des weiteren Antriebsmotors (10) enthält.

3. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Antriebsmotor (10) ein Elektromotor ist und daß die Triebverbindung zwischen dem Elektromotor und dem Kompressor (2) ein Untersetzungsgetriebe (18 bzw. Fig. 3) enthält. J5

4. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kupplungsvorrichtung (9) mittels eines von der Steuer- und Regeleinheit (11) abgeleiteten Stellsignals ein- und ausschaltbar ist.

5. Wärmepumpen heizungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kupplungsvorrichtung (9) eine von dem Ausgangssignal eines dem Kompressor (2) zugeordneten Drehzahlfühlers erregbare selbsttätige Kupplung ist und daß zwischen den Drehzahlfühler und die Kupplung ein Zeitverzögerungsorgan geschaltet ist, derart, daß die weitere Kupplungsvorrichtung (9) im Sinne einer Kupplung nicht betätigt wird, wenn der Kompressor (2) eine bestimmte Mindestdreh- to zahl vor Ablauf der Verzögerungszeit überschreitet.

6. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte Kupplungsvorrichtung (8) mittels eines von der Steuer- und Regeleinheit (11) abgeleiteten γ, Stellsignals ein- und ausschaltbar ist.

7. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte Kupplungsvorrichtung (8) eine selbsttätige Kupplung, insbesondere eine Fliehkraftkupp- t>o lung oder eine vom Ausgangssignal eines dem Verbrennungsmotor (7) zugeordneten Drehzahlmelders (20) erregbare Kupplung, beispielsweise Elektromagnetkupplung, ist.

8. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der h^r> Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebverbindungen zwischen dem Verbrennungsmotor (7), dem Kompressor (2) und dem weiteren Antriebsmotor (10) von Kettentrieben oder Riementrieben, insbesondere Zahnriementrieben oder von Zahnradgetrieben gebildet sind.

9. Wärmepumpenheizungssystem nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsvorrichtungen zwischen den Kettenrädern bzw. Riemenscheiben bzw. Zahnrädern und den jeweils zugehörigen Wellen vorgesehen sind.

10. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsvorrichtung von Freilaufkupplungen gebildet sind.