DE2736732C3

DE2736732C3 - Heizvorrichtung mit einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE2736732C3
Application number: DE2736732A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 6483 Bad Soden Goebel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1981-07-16
Also published as: FR2400674A1; DE2736732A1; FR2400674B3; DE2736732B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung mit einer Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des

Patentanspruches 1.

Es ist bereits eine Heizvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art bekannt. Der Boiler ist hier ein Brauchwasserbereiter mit einem Wärmetauscher, der an den Wasserumlauf einer Heizungsanlage angeschlossen ist, die thermische Regler, eine Umwälzpumpe und eine Zusatzheizung aufweist Die bekannte Heizvorrichtung ist ausschließlich nur zur Wä. meversorgung der Heizanlage und des Brauchwasserbereiters ausgebildet (DE-OS 25 07 211). ι ο

Es ist auch eine Heizvorrichtung bekannt, bei der ein Verdampfer einer Wärmepumpe anstelle von Wasser niederer Temperatur mit der Umgebungsluft im Wärmetausch steht Der Kondensator gibt auch hier die mit der Wärmepumpe gewonnene Wärme an einen flüssigen Wärmeträger ab. Der flüssige Wärmeträger ist teilweise einer Heizungsanlage und teilweise einem Warmwasserspeicher und/oder einem Brauchwasserbereiter zuführbar. Auch diese bekannte Heizvorrichtung enthält neben Umwälzpumpen eine Zusatzheizung und thermische Regler und ist nur zur Wärmeversorgung der Heizungsanlage und des Brauchwassei bereitere ausgebildet (DE-OS 23 55 167).

Aufgabe der Erfindung ist es, die Heizvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung so auszubilden, daß sie auf besonders einfache Weise thermisch und hydraulisch, unter Erzielung eines hohen Nutzungsgrades, regelbar ist

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebene Ausbildung gelöst

Zweckmäßige Aus- und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Patentansprüchen 1 bis 17 angegeben.

Die Ausbildung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß in beiden Sekundärkreisen keine Pumpe benötigt wird und für die thermische Regelung schon ein einziger Zirkulationsthermostat ausreicht Ferner ist von Vorteil, daß der Behälter und das Gefäß leicht montierbar und demontierbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, -to daß der Behälter und das Gefäß weitere Wärmespender, wie beispielsweise den Primärkreis einer zusätzlichen Wärmepumpe, an Solarkoüektoren angeschlossene Wärmetauscher o. dgl, aufnehmen können. Von Vorteil ist auch, daß über den Speicherkessel Abwasserwärme zurückgewonnen werden kann, nicht benötigte Wärme an einen Erdspeicher abgebbar und aus diesem wieder herausholbar ist und daß ferner mit dem Inhalt des Speicherkessels im Sommer Räume kühlbar sind. Schließlich erlaubt die erfindungsgemäß ausgebildete Heizvorrichtung durch Anordnung von Wärmetauschern im boiler sowohl die Abgabe von Wärme an mindestens eine Heizungsanlage als auch die Aufnahme von Wärme aus einer zusätzlichen Wärmequelle, z. B. einer Gastherme.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im Schema dargestellt

In der Darstellung ist mit 1 ein geschlossener Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe bezeichnet Der Kältemittelkreislauf wird nachfolgend Primärkreis ω I genannt.

Im Primärkreis 1 sind in üblicher Weise enthalten: Ein Verdichter 2, dessen Überhitzungswärme genutzt wird, eine Drossel 3. ein Verdampfer 4 und ein Kondensator 5.

Der Verdampfe;¹ 4 «teht mit einer Flüssigkeit niederer M Temperatur, im vorliegenden Beispiel Wasser, im Wärmetausch, während d/r Kondensator 5 die mit der Wärmepumpe aus der Flüssigkeit niederer Temperatur gewonnene Wärme an einen flüssigen Wärmeträger, vorzugswe'se Wasser, abgibt, der einem Boiler 6 zuführbar ist

Der Kondensator 5 ist in einem Gefäß 7 angeordnet, daß über eine Vorlaufleitung 8 und eine Rücklaufleitung

9 mit dem Boiler 6 verbundenen und unterhalb des Verdichters 2 angeordnet ist

Die Vorlaufleitung 8 ist im dargestellten Beispiel aus etwa V₅ der Höhe des Gefäßes 7 zu etwa V₃ der Höhe des Boilers 6 geführt Sie muß sich auf jeden Fall zwischen der oberen Hälfte des Gefäßes 7 und der oberen Hälfte des Boilers 6 erstrecken. Neben einem Absperrventil Sa ist an der Vorlaufleitung 8 noch ein Zirkulationsthermostat Sb vorgesehen, der in einer das Absperrventil 8a überbrückenden Leitung angeordnet ist

Die Rücklauflcitung 9 liegt im dargestellten Beispiel zwischen etwa Ve der Höhe des Boilers 6 und Ά der Höhe des Gefäßes 7. Sie muß auf jeden Fall zwischen der unteren Hälfte des Boilers 6 und .hr unteren Hälfte des Gefäßes 7 verlaufen.

Der Boiler 6 liegt, wie dargestellt auf gleicher Höhe mit dem Gefäß 7. Er kann auch höher, darf aber keinesfalls niedriger liegen als das Gefäß 7.

Das G?fäß 7, der Boiler 6, die Vorlaufleitung 8 und die Rücklaufleitung 9 bilden einen ersten Sekundärkreis, in dem der flüssige Wärmeträger pumpenlos, alleine durch Schwerkraft zirkuliert

Der Verdampfer 4 der Wärmepumpe ist in einem über dem Gefäß 7 und noch über dem Verdichter 2 angeordneten Behälter 10 angeordnet

Der Behälter 10 bildet zusammen mit einem höchstens in gleicher Höhe befindlichen Speicherkessel 11 für die Flüssigkeit niederer Temperatur, einer Vorströmleitung 12 und einer Rückströmleitung 13 einen zweiten Sekundärkreis. Die Leitungen 12, 13 haben vorzugsweise einen großen Strömungsquerschnitt, um den Strömungswiderstand niedrig zu halten.

Auch der zweite Sekundärkreis ist für eine Schwerkraftzirkulation seines Inhaltes ausgebildet

Dsr Speicherkessel 11 kann niedriger liegen als der Behälter 10, darf aber keinesfalls höher liegen als dieser.

Die Vorströmleitung 12 erstreckt sich vom unteren Bereich des Behälters 10 zum unteren Bereich des Speicherkessels 11.

Die Rückströmleitung 13 ist von der oberen Hälfte des Speicherkessels 11 zur oberen Hälfte des Behälters

10 geführt. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich die Rückströmleitung 13 aus etwa V₃ der Höhe des Speicherkessels 11 zu etwa ⁴A der Höhe des Behälters 10.

Zusätzlich zum zweiten Sekundärkreis ist eine mit einem Regelventil versehene Nebenströmleitung 14 vorgesehen, die sich zwischen dem oberen Teil des Speicherkessels 11 und dem oberen Teil des Behälters

10 erstreckt. Die Nebenströmleitung 14 führt dem oberen Bereich des Behälters 10 aus dem Speicherkessel

11 Flüssigkeit zu. die infolge der thermischen Schichtung im SpeicherUessel wärmer ist als die über die Leitung 13 zugeführten Flüssigkeit Hierdurch ergib· sich im Verdampfer 4 eine leichte Überhitzung.

Zusätzlich zum ersten Sekundärkreis erstreckt sich zwischen dem unteren Bereich des Boilers 6 und dem unteren Bereich des Gefäßes 7 eine Nebenschlußleitung 15.

Zwischen dem oberen Bereich des Gefäßes 7 und dem oberen Bereich des Boilers 6 ist eine weitere Nebenschlußleitung 16 vorgesehen, in der ein Zirkula-

tionsthermostat 17 angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann die Überhitzungswärme des Verdichters ausgenutzt werden, zur höheren Temperierung des dem oberen Bereich des Boilers 6 zuführbaren Tcilstromes des flüssigen Wärmeträgers.

Die Strömungsrichtung des Wassers niederer Temperatur und des flüssigen Wärmeträgers in den einzelnen Leitungen ist in der Zeichnung durch Pfeil angegeben.

Für einen optimalen Wärmeübergang durchströmt der flüssige Wärmeträger des ersten Sekundärkreises das Gefäß 7 im Gegenstrom zum Primärkreis 1 aufwärts.

Das Wasser des zweiten Sekundärkreises durchströmt dagegen zur Wärmeabgabe im Gegenstrom zu dem den Verdampfer 4 durchströmenden Kältemittel den Behälter 10 abwärts.

Der Behälter 10 weist einen lösbar mit ihm verbundenen Boden 20 auf. der vom Primärkreis 1 durchgriffen ist. Das Gefäß 7 besitzt einen lösbar mit ihm verbundenen Deckel 21 der ebenfalls vom Primärkreis 1 durchgriffen ist. In nicht dargestellter Weise können der Boden 20 und der Deckel 21 zum Tragen des Primärkreises 1 ausgebildet sein und zusammen mit diesem dem Verdichter 2 und der Drossel 3 eine bauliche Einheit bilden. Dies hat den Vorteil, daß das Gefäß 7 und der Behälter 10 ohne Beeinträchtigung des Primärkreises 1 in die Betriebslage bringbar und aus dieser entfernbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können der Behälter 10 und das Gefäß 7 in nicht dargestellter Weise von einem weiteren Kältemittelkreislauf durchzogen sein, der von einem weiteren Verdichter. Solarkollektoren o. dgl. beaufschlagt ist.

An den oberen Bereich und den unteren Bereich des Speicherkessels 11 sind Leitungen 22 bzw. 23 zu einem nicht dargestellten, sich unterhalb des Speicherkessels 11 in die Tiefe eines ebenfalls nicht dargestellten Abwasser-Auffangbeckens erstreckenden ersten Wärmetauscher angeschlossen. Durch diese Anordnung kann die Abwasserwärme nutzbar gemacht werden.

Der Speicherkessel 11 weist außerdem in seinem unteren Drittel zur Abgabe seines Wärmeinhaltes an

einen mim um gestellten lius^ciuiici utiu £ui rvut-n.5C- winnung der in der Erde gespeicherten Wärme Anschlüsse 24, 25 für nicht dargestellte Erdspeicher-Rohrschlangen auf.

Ferner weist der Speicherkessel weitere Anschlüsse 26, 27 für Leitungen zu einer im Sommer zur Kühlung von Räumen ausgebildeten, nicht dargestellten Kühleinrichtung auf. Die Anschlüsse 26, 27 liegen etwa auf gleicher Höhe wie die Anschlüsse 24,25.

Der im ersten Sekundärkreis umströmende flüssige Wärmeträger ist über einen im Abwasser-Auffangbekken hochgelegenen zweiten Wärmetauscher zusätzlich erwärmbar. Zur Verbindung mit dem nicht dargestellten zweiten Wärmetauscher ist an die Rücklaufleitung 9 ein Leitungsstrang 28 und an die NebenschiuBleitung 15 ein Leitungsstrang 29 anschließbar.

Dem Boiler 6 ist aus einer nicht dargestellten zusätzlichen Wärmequelle Wärme zuführbar. Er enthält hierzu ein Wärmetauschelement 30, das über Leitungen 31, 32 an die zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise eine Gastherme, anschließbar ist.

Der obere Bereich des Boilers 6 ist bei 33 an den Vorlauf einer Brauchwasseranlage (nicht dargestellt) anschließbar.

In üblicher Weise besitzt der Boiler 6 unten einen Zuleitungsanschluß 34.

Ferner enthält der Boiler 6 ein Wärmetauschaggregat 35, über welches sein Wärmeinhalt über eine Leitung 36 einer Heizungsanlage (nicht dargestellt) zuführbar ist, von der eine Rückflußleitung 37 zum Wärmetauschag-■;, gregat zurückführt. Anstelle des Wärmetauschaggregates 35 und des Wärmetauschelementes 30 können auch Direktanschlüsse für die Heizungsanlage und die zusätzliche Wärmequelle am Boiler 6 vorgesehen sein.

Wirkungsweise

Dem im Speicherkessel 11 befindlichen Wasser niederer Temperatur wird über die Leitung 22 Wärme aus einem Abwasser-Auffangbecken und/oder über den Anschluß 24 Wärme aus einem Erdspeicher zugeführt.

; i Die so gewonnene Wärme wird der Flüssigkeit niederer Temperatur im Behälter 10 durch den Verdampfer 4 entzogen. Die Flüssigkeit wird hierdurch schwerer, so daß sie, der Schwerkraft folgend, über die Vorströmleitung 12 dem unteren Bereich des Speicher kesseis 11 zufließt und die dort befindliche Flüssigkeits menge hochdrückt, welche dann über die Rückströmleitung 13 in den Behälter fließt, worauf sich der Vorgang wiederholt.

Die im Verdampfer 4 gewonnene Wärme wird mit

_'s der Leistungswärme des Verdichters zugleich über den Primärkreis 1 dem Kondensator 5 zugeführt und im Gefäß 7 an den flüssigen Wärmeträger abgegeben.

Dem flüssigen Wärmeträger wird im Boiler Wärme für eine Heizungsanlage und/oder einen Brauchwasser bereiter entzogen. In gleicher Weise wie im zweiten Sekundärkreis stellt sich dadurch auch im ersten Sekundärkreis eine Schwerkraftzirkulation ein. Der flüssige Wärmeträger sinkt infolge des durch den Wärmeentzug schwerer gewordenen Gewichtes ab und

π strömt durch die Rücklaufleitung 9 dem Gefäß 7 zu. Dessen erwärmter Inhalt ist leichter als der Zustrom und wird daher hochgedrückt und über die Vorlaufleitung dem Boiler 6 zugeführt, worauf sich auch hier der Vorgang wiederholt. Die Steuerung der Schwerkraftzir kulation erfolgt im ersten Sekundärkreis bei geschlosse nem Ventil Sa durch den Thermostaten 8fr, der beispielsweise einen Leitungsdurchfluß nur oberhalb

LUIOUt IiIIU UUI t-ll UCII £.11 AUiaitVIl

der den durch die Überhitzungswärme des Verdichters 2 aufgeheizten flüssigen Wärmeträger beispielsweise erst oberhalb 65° C durchläßt.

Bei zu großer Erwärmung im Gefäß 7, beispielsweise über 60° C, kann der Zirkulationsthermostat 17 die weitere Nebenschlußleitung 16 freigeben. Die über

ίο diese Leitung 16 dem Boiler 6 zugeführte Wärme kann, ohne das Wärmetauschelement 30 und das Wärmetauschaggregat 35 zu beaufschlagen, vom Ausflub der Nebenschlußleitung 16 in den nahe gelegenen Abfluß 33 zur Brauchwasseranlage abgeführt werden. Die sich dabei einstellenden Mengenabgaben sind durch Zufluß über Zuleitungsanschluß 34 und die Nebenschlußleitung 15 wieder leicht wettzumachen.

Im Winter wird durch das öffnen des Ventils ta eine erhöhte Zirkulation freigegeben. Hierdurch kann die

«> Temperatur des flüssigen Wärmeträgers für die Verwendung in einer Fußbodenheizung auf unter 30⁰C abgesenkt werden. Durch die Absenkung ergibt sich eine Verbesserung des Gütegrades, gerade in der kältesten Jahreszeit

Die Überhitzungswärme des Verdichters 2 reicht bei der im Winter üblichen hohen Einschaltdauer für die Brauchwasserbereitung aus. Durch große Querschnitte der Leitungen 12, 13

ergeben sich große DurchfluUmengen und damit kleine Temperaturdifferenzen. Bei jedem Wiedereinschalten des Verdichters 2 tritt dadurch im Verdampfer 4 zunächst eine höherer wirksame Temperatur auf, die den Gütegrad der Wärmepumpe verbessert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Heizvorrichtung mit einer Wärmepumpe, bei welcher der Kältemittelkreislauf (Primärkreis) der Wärmepumpe geschlossen ist und einen Verdichter, eine Drossel, einen Kondensator sowie einen Verdampfer enthält; bei welcher ferner der Kondensator sich in einem Gefäß befindet, von dem aus sich eine Vor- und eine Rücklaufleitung zu einem Boiler erstreckt, der im Wege eines einen flüssigen Wärmeträger führenden ersten Sekundärkreises liegt, welcher das Gefäß, die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung enthält, während den Verdampfer ein Behälter umgibt, der gemeinschaftlich mit einer Vorströmleitung und einer Rückströmleitung Teil eines zweiten Sekundärkreises für eine zum Wärmeentzug verfügbare Flüssigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhalt des Boilers (6) in den ersten Sekundärkreis einbezogen ist und der Boiler mindestens auf gleicher Höhe mit dem Gefäß (7) liegt; daß der Behälter (10) über die Vorströmleitung (12) und die Rückströmleitung (13) mit einem Speicherkessel (11) für die zum Wärmeentzug verfügbare Flüssigkeit in Verbindung steht; daß der Speicherkessel (11) höchstens auf gleicher Höhe mit dem Behälter (10) liegt; daß beide Sekundärkreise für eine Schwerkraftzirkulation ihres Inhaltes ausgebildet sind; daß sich die Vorlaufleitung (8) des ersten Sekundärkreises zwischen der oberen Hälfte des Gefäßes (7) und der oberen Hälfte des Boilers (6) erstreckt, wirrend* die Rücklaufleitung (9) des ersten Sekundärkreises von der unleren Hälfte des Boilers

(6) zur unteren Hälfte des Geräßes (7) verläuft; daß eine Nebenschlußleitung (<-3) den unteren Bereich des Boilers (6) mit dem unteren uereich des Gefäßes

(7) verbindet; und daß zwischen dem oberen Bereich des Gefäßes (7) sowie dem oberen Bereich des Boilers (6) eine weitere Nebenschlußleitung (16) mit einem Zirkulationsthermostaten (17) vorgesehen ist.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Wärmeträger des ersten Sekundärkreises zur Wärmeaufnahme im Gegenstrom zum Primärkreis (1) das Gefäß (7) aufwärts durchströmt.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Wärmeentzug verfügbare Flüssigkeit im zweiten Sekundärkreis zur Wärmeabgabe im Gegenstrom zu dem den Verdampfer (4) durchströmenden Kältemittel den Behälter (10) abwärts durchströmt.

4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) mit dem Verdampfer (4) oberhalb und das Gefäß (7) mit dem Kondensator (5) unterhalb des Verdichters (2) angeordnet ist.

5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorströmleitung (12) des zweiten Sekundärkreises vom unteren Bereich des Behälters (10) zum unteren Bereich des Speicherkessels (II) erstreckt, daß die Rückströmleitung (13) von der oberen Hälfte des Speicherkessels (II) zur oberen Hälfte des Behälters (10) geführt ist und daß eine Nebenströmleitung (14) den oberen Bereich des Behälters (10) mit dem oberen Bereich des Speicherkessels (11) verbindet.

6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) einen lösbar mit ihm verbundenen, vom Primärkreis durchgriffenen Boden (20) und das Gefäß (7) einen lösbar mit ihm verbundenen, vom Primärkreis durchgriffenen Deckel (21) aufweisen.

7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmleitung (13) aus etwa ²/s der Höhe des Speicherkessels (11) zu etwa V₅ der Höhe des Behälters (10) geführt ist.

8. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 ίο bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung (8) aus etwa V₅ der Höhe des Gefäßes (7) zu etwa V₃ der Höhe des Boilers (6) geführt ist

9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklauflei tung (9) zwischen etwa V₈ der Höhe des Boilers (6) und etwa V₅ der Höhe des Gefäßes (7) liegt

10. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß der Behälter (10) und das Gefäß (7) von einem weiteren Kältemittel kreislauf durchzogen sind, der wahlweise von einem weiteren Verdichter oder Solarkollektoren beaufschlagt ist

11. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den oberen und den unteren Bereich des Speicherkessels (11) Leitungen (22, 23) zu einem sich unterhalb des Speicherkessels <11) in die Tiefe eines Abwasser-Auffangbeckens erstreckenden ersten Wärmetauschers angeschlossen sind.

12. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der im ersten Sekundärkreis umströmende flüssige Wärmeträger über einen im Abwasser-Auffangbecken hochgelegenen zweiten Wärmetauscher zusätzlich erwärm- bar ist

13. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß der Speicherkessel (11) etwa in seinem unteren Drittel zur Abgabe seines Wärmeinhaltes ac. einen Erdspeicher

und zur Rückgewinnung der in der Erde gespeicherten Wärme Anschlüsse (24, 2S) für Erdspeicher-Rohrschlangen aufweist

14. Heizvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkessel (11) weitere Anschlüsse (26, 27) für Leitungen zu einer im Sommer zur Kühlung von Räumen ausgebildeten Kühleinrichtung aufweist und diese Anschlüsse (26, 27) etwa auf gleicher Höhe liegen wie die Anschlüsse (24,25) für die Erdspeicher-Rohrschlangen.

15. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß dem Boiler (6) aus einer zusätzlichen Wärmequelle Wärme zuführbar ist.

16. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich des Boilers (6) an den Vorlauf einer Brauchwasseranlage angeschlossen ist

17. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Boiler (6) ein Wärmetauschaggregat (3S) enthält, über welches sein Wärmeinhalt an eine Heizungsanlage abführbar ist.