DE2708029A1 - Waermepumpenheizungssystem - Google Patents

Description

• Wärmepumpenheizungssystem
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpenheizungssystem mit einem Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf, in welchem ein mittels eines Verbrennungsmotors antreibbarer Kompressor, ein aus der Umgebungsluft Wärme aufnehmender Verdampfer und ein die Nutzwärme abgebender Wärmetauscher angeordnet sind.
• An anderer Stelle ist ein solches Wärmepumpenheizungssystem vorgeschlagen worden, 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 Wärmepumpenheizungsystems 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 lleizungssystem 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.
• Bei niedriger Temperatur der Umgebungsluft sinkt die Temperatur des Verdampfers, etwa beim getrieb des Wärmepumpenheizungssystems im Winter, so stark ab, dnß es zu einer Vereisung des Verd.mpfers bzw. seiner Wärmetauscherlamellen kommt, wodurch der Luftdurchsatz stark vermindert wird und die Whrmetausc1'erwirkung verlorengeht. Aus diesem Grunde ist es bei bekannten Anlagen notwendig, bereits bei Temperaturen der Umgebungsluft um 50 C in regelmiißigen Abständen den Verdampfer abzutauen.
• Diese Vorgänge verschlechtern die Leistungsziffer des Wärmepumpenheizungssystems, machen eine komplizierte Steuerung der betreffenden Anlage erforderlich un<l verteuern den Betrieb.
• Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Wärmepumpenheizungssystem der eingangs kurz beschriebenen Art so auszugestalten, daß Betriebsstörungen dadurch Vereisungen am Verdampfer vermi eflell werden, wobei eine Erhöhung der Anlagekosten weitgehend vermi eden und eine noch bessere Ausnützung der Primärenergie erzielt werden sollen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem den Verdampfer enthaltenden Luftkanal Luftfördermittel zur Erzeugung einer Zwangskonvektion am Verdampfer, ferner eine voii der Abgaswärme und/oder der Abwärme des Kühlwassersystems des Verbrennungsmotors gespeiste, in Luftströmungsrichtung vor dem Verdampfer befindliche Wärmezuführungseinrichtung und eine wiederllm vor dieser gelegene Drosselvorrichtung vorgesehen sind, welche abhängig on den Ausgangssignalen eines auf eine Verdampfervereisung ansprechenden Fühlers im Sinne einer zeitweisen, kurzzeitigen Drosselung der Luftzufuhr im Sinne einer Verminderung des Luftdurchsatzes und damit einer Erhöhung der Erwärmung durch die Wärme uführungseinrichtung steuerbar ist.
• ie hier vorgeschlagene Ausbildung des Wärmepumpenheizungssystems gestattet einen im wesentlichen kontinuierlichen Betrieb auch während der Phasen der Enteisung des Verdampfers, wobei sich weitere Möglichkeiten zur Ausnützung der Abwärme und der Abgasrest-Wärme des Verbrennungsmotors bieten, welche zu einer zusätzlichen erhöhung der Leistungsziffer führen.
• Im übrigen sind zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. Es zeigen: Figur 1 eine schematische, teilweise in Blocksymbolen wiedergegebene Ansicht eines Wärmepumpenheizungssystems, bei welchem die den Verdampfer bestreichende Umgebungsluft mit den Abgnsen des Verbrennungsmotors gemischt wird, Figur 2 eine gegenüber Figur 1 abgewandelte Ausfiilirungsform eines Wärmepumpen-Heizungssystems, bei welchem die Abgase des Verbrennungsmotors von dem den Verdampfer beaufschlagenden Luftstrom im wesentlichen getrennt gehalten werden, Figur 3 eine schematische Abbildung eines Wärmepumpeniieizungssystems, bei welchem ein Abzweig des Kühlwasserkreislaufs des Verbrennungsmotors die Wärmezuführungseinrichtung zum Enteisen des Verdampfers bildet, Figur 4 eine ähnliche Abbildung wie die Fignren 1 bis 3, bei welcher jedoch die Frischluft fiir den Verbrennungsmotor hinter dem Verdampfer entnommen wird und Figuren die im Luftkanal enthaltenen Teile eines Wnr-5a und mepumpenheizungsystems gemäß wiederum anderen 5b Ausführungsformen mit statischen Luftfördermitteln.
• Das Wärmepumpenheizungssystem nach Figur 1 enthalt einen Kompressor 1, welcher in einem Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf 2 liegt.
• Das Arbeitsmittel des Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislaufes 2 wird in einem Entspannungsventil 3 entspannt und gelangt zu einem Verdampfer 4, welcher in einem Luftkanal 5 angeordnet ist, durch welchen ein Luftstrom geführt wird, der durch Zwangskonvektio Wärme an den Verdampfer 4 abgibt. Das Arbeitsmittel wird sodann nach Durchströmen des Verdampfers 4 von dem Kompressor 1 komprimiert und einem die Nutzwarme abgebenden Wärmetauscher 6 zugefördert.
• Der Anjrieb des Kompressors 1 erfolgt mittels eines Verbreinungsmotors 7, welcher ein Dieselmotor, ein Gasmotor, ein Benzinmotor | oder dergleichen sein kann. Der Verbrennungsmotor 7 saugt Frischluft über einen Frischluftkanal 8 an und gibt über einen Abgaskanal 9 seine Abgase wieder ab.
• Der Luftkanal 5 weist eingangsseitige und ausgangsseitige Schalldhmpfereinheiten 10 bzw. 11 auf, welche in Figur 1 nur schematisch angegeben sind.
• Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen die bisher beschriebenen Anlageteile im wesentlichen gemeinssm sind und in den Zeichnungen auch mit gleicen Bezugszahlen bezeichnet wurden.
• Bei der Ausführungsform nach Figur 1 nimmt der Verdampfer 4 nicht nur Wärme aus dem den Luftkanal 5 durchziehenden Frischluftstrom sondern auch aus den Abgasen des Verbrennungsmotors 7 auf, weiche über den Abgaskanal 9 in den Luftkanal 5 eingeleitet werden.
• Aus Figur 1 ist zu ersehen, daß sich vor der Mündung 12 des Abgaskanals 9 innerhalb des Luftkanals 5 eine kleine Abgasturbine 13 befindet, welche von einem Lüfterschaufelkranz 14 umgeben ist.
• Gemäß einer abgewandelten, in Figur 1 nicht gezeigten Ausführungs# form kann aucli ein einheitliches Lüfterrad vorgesehen sein, daß in einem Sektorbereich von dem Abgasstrom beaufschlagt wird und in diesem Sektorbereicii als Turbine arbeitete während der übrige Umfangsbereich als Gebläse wirksam ist.
• Der Frischluftkanal 8 zweigt von dem Luftkanal 5 bei 15 unmittel-1bar hinter der Schalldämpfereinheit 10 ab.
• IWeiter befindet sicli in dem Luftkanal 5 eine Drosselklappe 16, die über ein Betätigungsgestänge 17 und einen Stelltrieb 18 so verschwenkt werden kann, daß die den Verdampfer erreichende Frischluftmenge reguliert werden kann.
• Unmittelbar vor dem Verdampfer 4 befindet sich in dem Luftkaiial 5 ein auf eine Vereisung des Verdampfers 4 ansprechendes Fühlerorgan 19, weiches gemaß einer bevorzugten Ausführungsform vo11 einem Druckfühler gebildet ist, der eine durch eine Vereisung des Verdampfers 4 verursachte Druckerhöhung in dem Raum zwischen dem Verdampfer 4 und dem Lüfterrad meldet. Ein entsprechendes Signal gelangt über die Leitung 20 zu dem Stelltrieb 18 und bewirkt im Halle der Vereisung des Verdampfers 4 eine Verschwenkung der Drosselkiappe 16 derart, daß eine geringere Frischluftmenge sicin in dem Raum zwischen dem Lüfterrad und dem Verdampfer mit einer etwa stets gleichbleibenden Menge heißer Abgase mischt, so daß das Gemisch insgesamt eine Temperaturerhöhung erfährt, welche zu eitiem Abtauen des Verdampfers führt.
• Der Stelltrieb 18 kann so ausgebildet sein, daß er durch ein eine' Druckerhöhung im Raum vor dem Verdampfer meldendes Signal im Sin-| ne einer Verschwenkung der Drosselklappe 16 erregt wird, wonach die Verschwenkung der Drosselklappe 16 durch einen iii dem Stelle trieb 1ö vorgesehenen ilaltekreis für eine vorbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten bleibt, welche fiir das Abtauen der Verdampfers ausreicht. Jedenfalls ist der Stelltrieb 18 zweckmäßig so ausgestaltet, daß er mit Bezug auf das eine Druckerhöhung in dem Raum vor dem Verdampfer meldende Signal bzw. auf das eine Vereisung des Verdampfers meldende Signal ein iiysterisverhalten aufweist, um ein vollständiges Abtauen des Verdampfers zu erreichen.
• Die Ausführungsform nach Figur 2 enthält ein hier insgesamt mit 14 bezeichnetes Lüfterrad, das von einer kleinen, außerhalb <les Luftkanals 5 befindlichen Abgasturbine 21 nngetriebeii wird, welche an den Abgaskanal 9 des Verbrennungsmotors 7 angeschlossen ist. Die Abgasturbine 21 kann jedoch auch innerhalb des Luftkanals 5 angeordnet sein, so daß die Kraftübertragungsmittel zwischen der Abgasturbine und dem Lüfterrad nicht über eine l)urcllführung der Wand des Luftkanals geleitet werden müssell. Während bei der Ausführungsform nach Figur 1 die Abgasrestwärme dem den Verdampfer 4 umspülenden Luftstrom unmittelbar durch Beimischung des Abgases zugeführt wurde, erfolgt diese Wärmezuführung bei der Ausführungsform nach Figur 2 über einen Abgaswärmetauscher 22, welcher sich in dem Raum des Luftkanals 5 vor dem Verdampfer 4 befindet und ebenso wie der Verdampfer 4 ständig von den durch das Lüfterrad 14 geförderten Luftstrom umspült ist. Wir<1 voll dem Stelltrieb 18 die Drosselklappe 16 aufgrund eines vereisungsbedingten Druckanstieges im Raum vor dem Verdampfer 4 in eine Uro.R-selstellung bewegt, so kann der Abgaswärmetauscher 22 die nunmehr geringere, zum Verdampfer 4 hin geförderte Luftmenge stärker erwarmen, so daß der Verdampfer 4 abtaut. Im übrigeii entspricht die Wirkungsweise der zuvor beschriebenen Ausfiihrungsform.
• Aufgrund der Verwendung der Abgasturbine 21 und des Abgas-Wärmetauschers 22 kann der Abgasstrom getrennt von dem Luftkanal 5 geführt werden, wie in Figur 2 durch strichpunktierte Linien bei 23 angedeutet ist. Gemäß einer abgewandelten, in Figur 2 durch ausgezogene Linien wiedergegebenen Variaiite wird der im Abgas-Wärmetauscher 22 weiter abgekühlte Abgasstrom hinter dem Verdampfer 4 kn den Luftkanal 5 eingeleitet, wie bei 24 gezeigt ist. Diese Aus' bildung kann zweckmäßig sein, wenn der Verdampfer 4 vor der Wirkung der Abgase oder einem Rußansatz geschützt werden soll.
• Die Ausführungsform nach Figur 3 entspricht weitgehend derjenigen nach Figur 2, doch wird hier zur zusätzlichen Erwärmung des den Luftkanal 5 durchfließenden Luftstromes nicht ein Abgas-Wärmetauscher, sondern ein Kühlwasser-Wärmetauscher 25 verwendet, der, wie schematisch in Figur 3 angedeutet, an das Kiihlwassersystem des Verbrennungsmotors 7 angeschlossen ist. Die Abgase des Verbrennungsmotors 7 bzw. der kleinen Abgasturbine 21 werden unabhängig vom Luftkanal 5 bei 23 unmittelbar ins Freie geleitet.
• Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform eines Wärmepumpenheizungssystems stimmt mit derjenigen nach Figur 2 weitgehend überein, doch wird hier dem Frischluftkanal 8 des Verbrennungsmotors 7 die Frischluft iiber-einen Zweig 26 zugeleitet, welcher hinter dem Verdampfer 4 aus dem Luftkanal 5 ausmündet. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 7 erhöht werden, da zwar der auf den Verdampfer 4 hin strömende Frischluftstrom durch den Abgas wärmetauscher 22 erwärmt wird, der den Verdampfer 4 verlassende Wärmestrom jedoch insgesamt eine niedrigere Temperatur besitzt als die in den Luftkanal 5 einströmende Frischluft, derart, daß der Zweig 26 aus dem Kanal 5 praktisch gekiihlte Luft aufnimmt, was.
• zu einem Aufladungseffekt in dem Verbrennungsmotor 7 führt.
• Durch strichpunktierte Linien ist bei 29 in Figur 4 eine Einzelheit schematisch angedeutet, welche auch bei den Ausführungsformen nach den Figuren 2 und 3 vorgesehen sein kann. Demgemäß können die Wnrmetauscher 4 und 22 bzw. 4 und 25 zu einem Verbundwärmetauscher vereinigt sein, dessen äußeres Wärmetauschermittel die den Luftkanal durchströmende Lift, deren eines, inneres Wärmetauschmittel das Abgas oder das Iieiße Kühlwasser und dereii zweites, internes Wärmetauschmittel das Arbeitsmittel des Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislaufes ist. Die Kopplung der internen Wärmetauschmittel kann durch Wärmeleitung innerhalb eines gemeinsamen Rippenkörpers erfolgen.
• Es sei bemerkt, daß in den Zeichnungen Einrichtungen zur At>fiiliung des Schmelzwassers vom Verdampfer zur Vereinfachung der Dnrstellung weggelassen sind. In praktischen Ausführungsformen 5 ind entsprechende Abführungskanäle und Behälter vorgesehen. Das Schmelzwasser kann hinter dem Verdampfer und ggf. hinter der Schalldämtfereinheit 11 wieder in die Abluft eingespriiht werden.
• Die Figuren 5a und 5b zeigen die Möglichkeit auf, mittels eiiier nach dem Injektorprinzip arbeitenden Konstruktion eine Zwangskonvektion an dem Verdampfer 4 des Wärmepumpen-Arbeitsn1ittelkreislaufes 2 herbeizuführen. Zu diesem Zwecke wird der Abgaskanal 9 des Verbrennungsmotors in den Luftkanal 5 eingeführt und mündet im Bereich einer Einschiirung 30 dieses Luftkanales aus, so daß ein in Richtung der Luftströmung verlaufender Absciiiiitt des Abgaskanales 9 und der Einschnürungsbereich 30 des Luftkanales 5 als Dampfstrahlpumpe zusammenwirken mid eine beträchtliche Frischluftmenge an dem Verdampfer vorbeifördern. Bei der Ausfii11-rungsform nach Figur 5a liegen die Luftkanaleinschnürung 30 und der damit zusammenwirkende Teil Abgaskanals 9 mit Bezug auf die Luftströmungsrichtung vor dem Verdampfer 4. Im übrigen stimmt der Aufbau dieses Systems mit demjenigen nach Figur 1 überein.
• Bei der Ausfiihrungsforin nach Figur 5b liegeii die Luftkanaleinschnürung 30 und der damit zusammenwirkende Teil des Abgaskanals-9 mit Bezug auf die Luftströmungsrichtung hinter dem Verdampfer 4, während vor dem Verdanipfer ein Abgaswiirmetauscllcr 22 oder ein an das Kühlwassersystem des Verbrennungsmotors augeschlossener Wärmetauscher 25 angeordnet ist oder beide Arten von Wärmetauscher vorhanden sind.
• Sollte bei den beschriebenen Ausführungsformen eines Wärmepumpenheizungssystems in bestimmten Fällen die Erwärmung des den Verdampfer 4 umspülenden Luftstromes durch die Wärmezuführungseinrichtungen nicht zu einer Enteisung oder einer vollstäiidigeii Enteisung ausreichen, 80 kann als zusätzliche Maßnahme die Leistung des Wärmepumpenkreislaufes gedrosselt werden, während sich die Drosselklappe 16 in Drosselstellung befindet, was in Figur 1 durch eine als strichpunktierte Linie eingezeichnete Wirkverbindung 31 deutlich gemacht wird, die voii dem Stelltrieb 18 ausgeht und auf den Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf 2 einwirkt, etwa durch Ventilverstellung, Einschalten von Nebenschlüssen oder dergl.
• Abschließend sei auf den besonderen Vorteil der hier beschriei>enen Ausführungsformen eines Wärmenpumpenheizungssysteme hingewiesein, welcher darin besteht, daß gleichzeitig mit einer störungsfreien Verdampferenteisung eine Zwangskonvektion an dem Verdampfer vorgesehen werden kann, deren Antriebsenergie dem Abgas des Verbrennungsmotors entnommen wird, so daß der Verdampfer bedeuteiid kleiner ausgelegt werden kann, als bei Wärmepumpenanlagen, welche auf eine natürliche Konvektion am Verdampfer angewieseii sind.

Claims (14)

Patentansprüche.

1. Wärmepumpenheizungssystem mit einem Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislauf, in welchem ein mittels eines Verbrennungsmotors antreibbarer Kompressor, ein aus der Umgebungsluft Wärme auftlehmender Verdampfer und ein die Nutzwärme abgebender Wärmetauscller angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem deii Verdampfer (4) enthaltenden Luftkanal (5) Luftfördermittel (13, 14 bzw. 26) zur Erzeugung einer Zwangskonvektion am Verdampfer, ferner eine von der Abgaswärme und/oder der Abwärme des Kühlwassersystems des Verbrennungsmotors (7) gespeiste, in Luftströmungsrichtung vor dem Verdampfer befindliche Wärmezuführungseinrichtung (12 bzw. 22 bzw. 25) und eine wiederum vor dieser gelegene Drosselvorrichtung (16, 17, X vorgesehen sind, welche abhängig von dem Ausgangssignal eines auf eine Verdampfervereisung ansprechenden Fühlers (19) im Sinne einer teilweise kurzzeitigen Drosselung der Luftzufuhr im Sinne einer Verminderung des Luftdurchsatzes und damit einer Erhöhung der Erw<irmung durch die Wärmezuführungseinrichtung steuerbar ist.

2. Wärmepumpenheizungssystem nacll Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfördermittel ein Lüfterrad (14) enthalten.

3. Wärmepumpenheizungssystems nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lüfterrad (14) von den Abgasep des Verbrennungsmotors (7) unmittelbar oder über eine Abgasturbine (13 bzw.

21) antreibbar ist.

4. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine Teil des Lüfterrades bildet (Figur 1).

5. Wnrmepunhpenheizungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daii die Abgasturbine (21) mit Bezug auf das Lüfterrad eine gesonderte, innerhalb oder außerhalb des Luftkanals (5) gelegene Baueinheit bildet.

6. Wärmepu-penheizungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Abgasturbine in den Luftkanal (5) eingeleitet werden (24).

7. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Abgasturbine (21) auf einem von dem Luftkanal (5) getrennten Weg (23) abgeführt werden.

8. Wärmepumpenheizunggsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenllzeichnet, daß die Verbrennungsmotorfrischluft hinter dem Verdampfer (4) aus dem Luftkanal (5) entnommen wird ( Fig. 4).

9. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der Ansprücile 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezuführungseinrichtungen einen Abgaskanal (9, 12) zum Einleiten der Abgase des Verbrennumgsmotora (7) in den Luftkanal (5) im ltaum vor dem Verdampfer (4) enthalten.

10. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der Anrpriiche 1 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezuführungseinrichtungen einen von dem Abgas des Verbrennungsmotors (7) durchströmten, vor dem Verdampfer (4) in dem Luftkanal (5) gelegenen Abgas-Wnrmetauscher (22) enthalten.

11. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der Anspriiche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezuführungseinrichtungen einen an das Kühlwassersystem des Verbrennungsmotors (7) angeschlossenen, im Luftkanal (5) vor dem Verdampfer (4) gelegenen Wärmetauscher (25) enthalteii.

12. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) und der davor gelegene Wärmetauscher (22 bzw. 25) durch eine wärmeleitende Kopplung (29) miteinander verbunden sind.

13. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Luftfördermittel von einer Einschnürung (3()) des Luftkanals (5) und einem Düsenabschnitt eines Abgaskanais (9) des Verbrennungsmotors (7) gebildet werden, welche als Dampfstrahlpumpe zusammenwirken.

14. Wnrmepumpenheizungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dan die Leistung des Wärmepumpen-Arbeitsmittelkreislaufes (2) herabsetzbar (31) ist, während sich die Drosselvorrichtung (16, 17, 18) in Drosselstellung befindet.