DE2748415C2

DE2748415C2 - Heizverfahren und bimodales Heizsystem zum Heizen von Gebäuden

Info

Publication number: DE2748415C2
Application number: DE2748415A
Authority: DE
Inventors: Auke Ole Tjomme de Leek Vries
Original assignee: NEDERLANDSE GASUNIE GRONINGEN NL NV
Current assignee: NEDERLANDSE GASUNIE GRONINGEN NL NV
Priority date: 1977-10-28
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1986-10-09
Also published as: JPS54109237A; JPS6222054B2; IT7851692A0; DE2748415A1; US4394959A; IT1106068B; EP0001858A1; EP0001858B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen von Gebäuden unter Verwendung zumindest einer Absorptionswärmepumpe, mit der Wärme aus der Umgebung aufnehmbar ist, bei welchem Verfahren beim Übersteigen eines bestimmten Übergangswertes durch die Umgebungstemperatur in einem ersten Wirkungsmodus ein Betriebsmedium bei niedrigem Druck kontinuierlich in einem Verdampfer verdampft und der Umgebung Wärme entzieht, das verdampfte Betriebsmedium durch eine in einem Absorptionsgefäß befindliche Absorptionsflüssigkeit absorbiert, von diesem Absorptionsgefäß aus kontinuierlich Absorptionsflüssigkeit mit in ihr absorbiertem Betriebsmedium durch eine Pumpe in ein Siedegcfäß gepumpt unu darin crhüzt wird, wuduicli Betriebsmedium aus der Absorptionsflüssigkeit herausgetrieben wird, das ausgetriebene Betriebsmedium bei höherem Druck unter Abgabe von Wärme durch das kondensierende Betriebsmedium in einem Kondensator kondensiert, welche Wärme direkt oder über einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abgetreten wird, das kondensierte Betriebsmedium über ein Dros-

selventil wieder dem Verdampfer zugeführt wird und die an Betriebsmedium arme Absorptionsflüssigkeit über ein weiteres Drosselventil wieder dem Absorptionsgefäß zufließt, und bei welchem Verfahren beim Unterschreiten des gewählten Obergangswertes durch die Umgebungstemperatur in einem zweiten Wirkungsmodus das im Kondensator kondensierte flüssige Betriebsmedium wenigstens teilweise unter Umgehung des Verdampfers an einen Punkt des Kreislaufs stromab des Verdämmere gefördert wird.

Die hier mit »Umgebung« bezeichnete kalte Wärmequelle kann die Außenluft sein, aber auch z. B. ein offenes Gewässer, Grundwasser, der Boden, Industriewasser usw. Auf Wärmepumpen beruhende Heizverfahren bieten gute Aussichten für eine Ersparnis an Primärenergie, besonders bei der Raumheizung.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der US-PS 22/2 871.

Bei dem bekannten Verfahren wird im zweiten Wirkungsmodus ein Teil des im Kondensator kondensierten flüssigen Betriebsmediums, mit Umgehung des Verdampfers, dem Absorptionsgefäß zugeführt, um eine genügende zirkulierende Menge Betriebsmedium zu erhalten. Die Umwälzung der Absorptionsflüssigkeit muß dabei aufrechterhalten werden. Wenn nahezu die ganze zirkulierende Menge an Betriebsmedium den Verdampfer umgeht, kann von Wärmepumpenwirkung kaum noch die Rede sein und bedeutet die Umwälzung der Absorptionsflüssigkeit eine fast nutzlose und unwirtschaftliche Belastung des Systems.

Aus der US-PS 36 05 873 ist ein Verfahren zum Heizen und Kühlen von Gebäuden bekannt, wobei zum Heizen aber keine Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird.

Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit eines derartigen Heizverfahrens.

Erfindungsgemäß wird diese Verbesserung dadurch erreicht, daß im zweiten Wirkungsmodus die Absorptionsflüssigkeit gespeichert wird, die Verbindungen zwischen Kondensator und Verdampfer, Absorptionsgefäß und Pumpe sowie Siedegefäß und Absorptionsgefäß gesperrt werden, der Ablauf des Kondensators an die Pumpe angeschlossen und kondensiertes Betriebsmedium zum Siedegefäß gepumpt wird, welches Betriebsmedium anschließend in einem Kreislaufsystem im Siedegefäß verdampft und im Kondensator kondensiert, wobei Wärme vom erhitzten Siedegefäß zum Kondensator transportiert wird.

Als Absorptionsflüssigkeit wird Wasser und als Betriebsmedium Ammoniak bevorzugt. Vorzugsweise wird die Absorptionsflüssigkeit beim zweiten Wirkungsmodus im Absorptionsgefäß gespeichert.

Als Wärmequelle zur Beschaffung der Antriebskraft kann eine mit fossilem, vorzugsweise mit gasförmigem Brennstoff betriebene Heizanlage benutzt werden, beispielsweise aber auch eine Dampfspirale. Eine mit Gas betriebene Heizanlage hat für dieses Anwendungsgebiet den Vorteil einer energetisch und wirtschaftlich optimalen Energieverteilung.

Bei nicht zu niedriger Umgebungstemperatur wird das Heizsystem im genannten ersten Wirkungsmodus betrieben und bei niedrigerer Umgebungstemperatur im zweiten Wirkungsmodus.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zirkuliert im zweiten Wirkungsmodus also nur das Betriebsmedium und ist die unwirtschaftliche Umwälzung der Absorptionsflüssigkeit beseitigt.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im ersten Wirkungsmodus kann es zur Ablagerung von Eis auf dem Verdampfer kommen, wobei der Druck im Verdampfer zurückgeht Das erfindungsgemäße Verfahren wird dann vorzugsweise so durchgeführt, daß das Verfahren bei einer über dem gewählten Obergangswert liegenden Umgebungstemperatur im Falle einer Druckverringerung im Verdampfer infolge Eisablagerung auf dem Verdampfer vorübergehend im zweiten Wirkungsmodus durchgeführt wird, wobei ferner die im Absorptionsgefäß gespeicherte Absorptionsflüssigkeit verdampft und im Verdampfer unter Wärmeabgabe kondensiert, wodurch das auf dem Verdampfer abgelagerte Eis schmilzt, und daß im Falle eines Druckanstiegs im Verdampfer durch das Verschwinden der Eisablagerung wieder das Verfahren des ersten Wirkungsmodus ausgeführt wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Heizsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Kreislaufsystem, in dem der Reihe nach ein Verdämpfer, ein Absorptionsgefäß, eine Flüssigkeitspumpe, ein zu erhitzendes Siedegefäß, ein Kondensator und ein erstes Drosselventil angeordnet sind, und mit einer Rückleitung mit einem zweiten Drosselventil zwischen dem Siedegefäß und dem Absorptionsgefäß, welche Teile zusammen eine Absorptionswärmepumpe bilden, mit der in einem ersten Wirkungsmodus des Systems Wärme aus der Umgebung aufnehmbar und direkt oder über einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abtretbar ist, und mit einer mit einem Absperrventil versehenen Kurzschlußleitung, mit der in einem zweiten Wirkungsmodus des Systems im Kondensator kondensiertes flüssiges Betriebsmedium wenigstens teilweise unter Umgehung des Verdampfers an einen Punkt des Kreislaufs stromab des Verdampfers gefördert werden kann. Das erfindungsgemäße Heizsystem ist dadurch gekennzeichnet, daß über die Kurzschlußleitung ein Ablaß des Kondensators mit der Saugseite der Flüssigkeitspumpe verbindbar ist, wobei das Absorptionsgefäß so groß ist, daß darin im zweiten Wirkungsmodus der gesamte Vorrat an Absorptionsflüssigkeit speicherbar ist, und Absperrventile vorgesehen sind, um den von dem Verdampfer und dem Absorptionsgefäß gebildeten Teil des Systems von dem Rest des Systems absperren zu können.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und eines Beispiels erläutert.

Die Zeichnung stellt schematisch als nicht einschränkendes Beispiel ein erfindungsgemäßes Heizsystem dar.

Die Wirkungsweise des dargestellten Heizsystems ist folgende: Bei nicht zu niedriger Umgebungstemperatur befindet sich das System im ersten Wirkungsmodus, und es funktioniert als Wärmepumpe. Auf Befenl des Steuergeräts 33 werden die Absperrventile 4, 7, 17 und 20 geöffnet; das Absperrventil 23 ist geschlossen. Der Brenner 10 wird vom Gasabsperrventil 12 so gesteuert, daß die vom Temperatursensor 35 gemessene Temperatur dem gewünschten eingestellten Wert entspricht. Im Verdampfer 1 wird Betriebsmedium verdampft, wobei der Umgebung Wärme entzogen wird. Dieses Betriebsmedium wird im Absorptionsgefäß 2 von der Absorptionsflüssigkeit absorbiert. Im Siedegefäß 8 wird das Betriebsmedium durch Erhitzung aus der Absorptionsflüssigkeit herausgetrieben. Die mitverdampfte Absorptionsflüssigkeit wird in der Säule 13 abgetrennt. Das Betriebsmedium kondensiert im Kondensator 14, gibt dabei an den Wärmeaustauscher 24 Wärme ab und kehrt über das Drosselventil 18 wieder in den Verdamp-

fer 1 zurück. Die Absorptionsflüssigkeit fließt aus dem Absorptionsgefäß 2 durch die Leitung 6, die Pumpe 5, die Leitung 9, das Siedegefäß 8, die Leitung 19 und das Drosselventil 21 in das Absorptionsgefäß 2 zurück.

Gemäß dem vorliegenden Beispiel strömt durch den Wärmeaustauscher 24 Wasser, das in diesem Austauscher erhitzt wird. Das heiße Wasser wird über den Rauchgaswärmeaustauscher 39, der noch Wärme aus den Verbrennungsgasen aufnimmt, und die Leitung 25 in die Heizungsradiatoren 26 geführt; das abgekühlte Wasser fließt durch die Rückleitung 27 zur Pumpe 32 zurück und wird anschließend wieder in den Wärmeaustauschern 28,29 und 24 erhitzt. Die dem Gasbrenner 10 zugehende Gasmenge wird vom Steuergerät 33 derart eingestellt, daß die vom Sensor 35 gemessene Temperatur einen im voraus eingestellten Sollwert beibehält. Eventuell wird noch ein Wärmeaustauscher hinzugeschaltet, damit die Flüssigkeit in der Leitung 19 einen Teil ihrer Wärme an die Flüssigkeit in der Leitung 9 abtritt, so daß letztere einigermaßen erhitzt wird.

Im zweiten Wirkungsmodus, dem Verdampfungs-Kondensations-System, wird das System in zwei Fällen betrieben, und zwar:

1. Intermittierend für kurze Zeit mit dazwischenliegenden längeren Perioden, in denen der Wärmepumpe-Modus angewandt wird. Dieser Fall stellt sich ein bei etwas niedriger Umgebungstemperatur. Dabei wird sich nämlich oftmals an der Außenseite des Verdampfers 1 Eis ablagern, was den Wärmeübergang beeinträchtigt. Dabei fallen Temperatur und Druck im Verdampfer 1 ab, was vom Drucksensor 38 angezeigt wird. Der Verdampfer 1 muß daher in regelmäßigen Zeitabständen abgetaut werden. Dabei darf die Heizung des Gebäudes selbstverständlich nicht unterbrochen werden. Das System wird dann vorübergehend gemäß dem zweiten Wirkungsmodus betrieben.

2. Kontinuierlich, wenn die Umgebungstemperatur unter einen bestimmten, im voraus eingestellten Wert absinkt, wobei das Wärmepumpen-System der Umgebung keine genügende Wärmemenge mehr zu entziehen vermag und weiter das häufige Auftauen des Verdampfers einen solchen Energieaufwand erfordern würde, daß der Wirkungsgrad des auf Wärmepumpen beruhenden Systems sich gegenüber dem des Verdampfungs-Kondensations-Systems verschlechtern würde.

Die Umschaltung vom ersten auf den zweiten Wirkungsmodus hat folgenden Verlauf:

a) Das Absperrventil 17 wird geschlossen. Noch im Verdampfer 1 befindliches Betriebsmedium fließt durch die Leitung 3 in das Absorptionsgefäß 2 und wird dort in der Absorptionsflüssigkeit absorbiert.

b) Aus der zwischen dem Absorptionsgefäß 2 und dem Siedegefäß 8 umlaufenden Absorptionsflüssigkeit wird das Betriebsmedium durch Sieden entfernt, kondensiert im Kondensator 14 und wird vorübergehend darin gespeichert

c) Nachdem das Betriebsmedium im wesentlichen entfernt ist, verdampft die Absorptionsflüssigkeit, wodurch der vom Drucksensor 37 gemessene Druck ansteigt Das Absperrventil 7 wird dann geschlossen, so daß die Flüssigkeitszufuhr zum Siedegefäß 8 unterbrochen wird und sich dieses Gefäß in das Absorptionsgefäß 2 entleert

d) Wenn der Niveausensor 36 anzeigt, daß das Siedegefäß 8 so gut wie leer ist, wird das Absperrventil 12 geschlossen, so daß der Brenner 10 abgeschaltet ist. Bei leerem Siedegefäß 8 wird das Absperrventil 20 geschlossen.

e) Das Absperrventil 23 wird geöffnet. Im Kondensator 14 kondensiertes Betriebsmedium wird von der Pumpe 5 ins Siedegefäß gepumpt.

f) Durch öffnen des Absperrventils 12 wird der Brenner 10 wieder zugeschaltet. Betriebsmedium verdampft im Siedegefäß 8 und kondensiert im Kondensator 14, wobei an das durch den Wärmeaustauscher 24 fließende Wasser Wärme abgegeben wird. Das System befindet sich jetzt im zweiten Wirkungsmodus und funktioniert als Verdampfungs-Kondensations-System.

Ob in diesem zweiten Modus das Absperrventil 4 offen oder geschlossen ist, hängt von der Umgebungstemperatur ab. Liegt die Umgebungstemperatur über dem Erstarrungspunkt der Absorptionsflüssigkeit, nicht unter 0⁰C oder sicherheitshalber über 1—2° C, so ist das Absperrventil 4 geöffnet; Absorptionsflüssigkeit verdampft im Absorptionsgefäß 2, kondensiert im Verdämpfer 1 unter Abgabe von Wärme, so daß auf dem Verdampfer 1 abgelagertes Eis schmilzt, und fließt als Flüssigkeit in das Gefäß 2 zurück. Bei Umgebungstemperaturen unter 0° C ist das Absperrventil 4 geschlossen. Die Umschaltung vom zweiten auf den ersten Wir-

kungsmodus erfolgt ganz einfach durch öffnen der Ventile 4, 7,17 und 20 und Schließen des Absperrventils 23 in der Kurzschlußleitung 22.

Beispiel

Bei Anwendung eines Heizsystems gemäß dem vorliegenden Schema wird als Betriebsmedium Ammoniak und als Absorptionsflüssigkeit Wasser benutzt. Bei Umgebungstemperaturen, die nicht unter 1—2°C liegen, wird das System im ersten Wirkungsmodus als Wärmepumpe betrieben, und zwar unter folgenden Bedingungen:

Temperatur im Kondensator
Temperatur im Verdampfer
je Joule aus der Umgebung
aufgenommene nutzbare
Heizenergie

Heizwirkungsgrad der Anlage
Gesamtwärmeffekt =
(0,49 χ 0,85)+0,85 =

ca. 50° C ca. 3° C

0,49 Joule
0,85

1,26

Minderverbrauch gegenüber einer konventionellen Zentralheizungsanlage mit einem Heizeffekt von 0,75:

1,26-0,75
1,26

χ 100% = ca. 40%

Bei Umgebungstemperaturen unter 1—2°C wird das System im zweiten Wirkungsmodus als Verdampfungs-Kondensations-System betrieben.

Geht man davon aus, daß zur Heizung einer mittelgroßen gut isolierten Wohnung bei einer Außenlufttemperatur von —10° C ca. 11 kW benötigt werden, so errechnet sich bei einem Wärmetransport von 1050 kj je kg im Kondensator kondensierendes Ammoniak ein maximaler Ammoniakumlauf von

™·⁰·⁰¹

Bei einem Heizcffckt von 0.85 beträgt die zu installierende Brennerkapazitüt somit

τ!4έ- = 13 kW.

In diesem Beispiel eines erfindung.sgemäßen Hci/.sy- io stems wird eine Hcißwasser-Zeiuralhci/.ung beschrieben. Das Heizsystem gemäß der Erfindung kann selbstverständlich auch auf andere Weise, z. B. als Heißluft-Heizungsanlage, ausgeführt sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Pateniansprüche:

1. Verfahren zum Heizen von Gebäuden unter Verwendung zumindest einer Absorptionswärmepumpe, mit der Wärme aus der Umgebung aufnehmbar ist bei welchem Verfahren beim Übersteigen eines bestimmten Übergangswertes durch die Umgebungstemperatur in einem ersten Wirkungsmodus ein Betriebsmedium bei niedrigem Druck kontinuierlich in einem Verdampfer verdampft und der Umgebung Wärme entzieht, das verdampfte Betriebsmedium durch eine in einem Absorptionsgefäß befindliche Absorptionsflüssigkeit absorbiert, von diesem Absorptionsgefäß aus kontinuierlich Absorptionsflüssigkeit mit in ihr absorbiertem Betriebsmedium durch eine Pumpe in ein Sisdegefäß gepumpt und darin erhitzt wird, wodurch Betriebsmedium aus der Absorptionsflüssigkeit herausgetrieben wird, das ausgetriebene Betriebsmedium bei höherem Druck unter Abgabe von Wärme durch das kondensierende Betriebsmedium in einem Kondensator kondensiert, welche Wärme direkt oder über einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abgetreten wird, das kondensierte Betriebsmedium über ein Drosselventil wieder dem Verdampfer zugeführt wird und die an Betriebsmedium arme Absorptionsflüssigkeit über ein weiteres Drosselventil wieder dem Absorptionsgefäß zufließt, und bei welchem Verfahren beim Unterschreiten des gewählten Übergangswertes durch die Umgebungstemperatur in einem zweiten Wirkungsmodus das im Kondensator kondensierte flüssige Betriebsmedium wenigstens teilweise unter Umgehung des Verdampfers an einen Punkt des Kreislaufs stromab des Verdampfers gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Wirkungsmodus die Absorptionsflüssigkeit gespeichert wird, die Verbindungen zwischen Kondensator und Verdampfer, Absorptionsgefäß und Pumpe sowie Siedegefäß und Absorptionsgefäß gesperrt werden, der Ablauf des Kondensators an die Pumpe angeschlossen und kondensiertes Betriebsmedium zum Siedegefäß gepumpt wird, welches Betriebsmedium anschließend in einem Kreislaufsystem im Siedegefäß verdampft und im Kondensator kondensiert, wobei Wärme vom erhitzten Siedegefäß zum Kondensator transportiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsflüssigkeit im zweiten Wirkungsmodus im Absorptionsgefäß gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einer über dem gewählten Übergangswert liegenden Umgebungstemperatur im Falle einer Druckverringerung im Verdampfer infolge Eisablagerung auf demselben vorübergehend im zweiten Wirkungsmodus durchgeführt wird wobei ferner die im Absoroticnsccfaß gespeicherte Absorptionsflüssigkeit verdampft und im Verdampfer unter. Wärmeabgabe kondensiert, wodurch das auf dem Verdampfer abgelagerte Eis schmilzt, und daß im Falle eines Druckanstiegs im Verdampfer durch das Verschwinden der Eisablagerung wieder das Verfahren des ersten Wirkungsmodus ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Übergang vom ersten zum zweiten Modus und umgekehrt durch einen im Verdampfer befindlichen Drucksensor und Schaltmittel erfolgt, welche Schaltmittel ein Signa! vom Drucksensor erhalten und die erforderlichen Verbindungen öffnen oder schließen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Umgebungstemperatur von weniger als CC, bei der das Verfahren im zweiten Wirkungsmodus ausgeführt wird, die Verbindung zwischen dem Verdampfer und dem Absorptionsgefäß geschlossen wird.

6. Heizsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—5 mit einem Kreislaufsystem, in dem der Reihe nach ein Verdampfer (1), ein Absorptionsgefäß (2), eine Flüssigkeitspumpe (5), ein zu erhitzendes Siedegefäß (8), ein Kondensator (14) und ein erstes Drosselventil (18) angeordnet sind, und mit einer Rückleitung (19) mit einem zweiten Drosselventil (21) zwischen dem Siedegefäß (8) und dem Absorptionsgefäß (2), welche Teile zusammen eine Absorptionswärmepumpe bilden, mit der in einem ersten Wirkungsmodus des Systems Wärme ads der Umgebung aufnehmbar und direkt oder über einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abtretbar ist, und mit einer mit einem Absperrventil (23) versehenen Kurzschlußleitung (22), mit der in einem zweiten Wirkungsmodus des Systems im Kondensator (14) kondensiertes flüssiges Betriebsmedium wenigstens teilweise unter Umgehung des Verdampfers (1) an einen Punkt des Kreislaufes stromab des Verdampfers (1) gefördert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß über die Kurzschlußleitung (22) ein Ablaß des Kondensators (14) mit der Saugseite der Flüssigkeitspumpe (5) verbindbar ist, wobei das Absorptionsgefäß (2) so groß ist, daß darin im zweiten Wirkungsmodus der gesamte Vorrat an Absorptionsflüssigkeit speicherbar ist, und Absperrventile (7, 17) vorgesehen sind, um den von dem Verdampfer (1) und dem Absorptionsgefäß (2) gebildeten Teil des Systems von dem Rest des Systems absperren zu können.