DE2837248A1 - Heizungsanlage mit waermepumpe und zusatzheizung - Google Patents

Heizungsanlage mit waermepumpe und zusatzheizung

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DE2837248A1 DE19782837248 DE2837248A DE2837248A1 DE 2837248 A1 DE2837248 A1 DE 2837248A1 DE 19782837248 DE19782837248 DE 19782837248 DE 2837248 A DE2837248 A DE 2837248A DE 2837248 A1 DE2837248 A1 DE 2837248A1
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Ernst Dipl Ing Hatz
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Description

Heizungsanlage mit
Wärmepumpe und Zusatzheizung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Kompressor für das Kältemittel in ihrem Kreislauf, welches die Wärme aus einem Umgeb^ungs-Medium aufnimmt und einer Heizungsanlage, beispielsweise einer Hausbeheizung zuführt .
Als sogenannte Wärmepumpe versteht man ein Aggregat für einen Wärmekreislaufprozess der Art, daß in einem Verdampfer ein flüssiges Kältemittel mit +20C zum Verdampfen gebracht wird und dabei aus einem den Verdampfer umgebenden Medium, z.B. Wasser oder Luft mit Temperatur +100C die Wärme aufnimmt. Der Kältemitteldampf von +20C nimmt hier etwa 1OkW Wärmeleistung auf und wird dann von einem Kompressor aufgesaugt. In diesem Kompressor wird der Kältemitteldampf auf 15»5 bar verdichtet, auf +6O0C erhitzt und unter Aufnahme von weiteren 5 kW (Kompressorleistung) einem Kondensator zugeführt. Hier gibt der Kältemitteldampf bei unverändert hohem Druck die aufgenommenen 15 kW wieder ab und wird flüssig. Das Heizwasser für beispielsweise eine Hausbeheizung bekannter Art wird durch den Kondensator geleitet und nimmt die vom Kältemitteldampf abgegebene Wärme auf, die nun im Heizwasser dem eigentlichen Heizungszweck zugeführt wird.
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Das flüssige Kältemittel mit +600G geht aus dem Kondensator weiter zu einem Expansionsventil, dehnt sich hier aus und nimmt niederen Druck von 3,5bar bei Temperatur von +20C an. Dieses Kältemittel wird zum Verdampfer zurückgeführt und ein neuer Kreislauf dieses Mittels in der Wärmepumpe beginnt wieder. (Die vorstehend genannten Werte sind nur beispielhafte Angaben, die helfen sollen, den Kreislauf der Wärmepumpe leicht verständlich zu machen. Die physikalischen Grundlagen einer Wärmepumpe sind z.B. im "VDI-Statusbericht Wärmepumpe" VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1976, mit Einzelheiten erläutert.)
Die Heizleistung derartiger Anlagen hängt weitgehend ab von der jahresmäßig bedingten Temperatur des Umgebungs-Medium, dem die Wärme zu Heizzwecken entnommen wird. Man berechnet deshalb den gewünsch ten Leistungsgrad einer Anlage aufgrund der im Jahresschnitt am häufigsten vorkommenden Umgebungstemperatur (0 bis + 150G). In kalten Jahreszeiten' stellen sich jedoch in der Umgebung vielfach darunter liegende Temperaturwerte ein (-15° his O0O), sodaß hierbei der berechnete Leistungsgrad nicht erreichbar ist. Die Ursache liegt darin, daß das Kältemittel bei tiefen Temperaturen einen niedrigen Dampfdruck und dadurch ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist. (Man brauchte zum Ausgleich ein höheres Volumen, d.h. Volumenvariation im Kompressor, was jedoch wirtschaftlich nicht vertretbar ist.) Bekannte Wärmepumpen besitzen nämlich nur konstantes Kompressor-Volumen, sodaß bei tiefen Außentemperaturen der Kompressor die zur Verfügung stehende volle Leistung der ihn antreibenden Brennkraftmaschine nicht abnimmt. Infolgedessen läuft die Maschine meist im Teillastbereich und gibt nur geringe Wärmemengen in ihr Kühlwasser, Schmieröl und Auspuffgas ab. Auf diese Weise werden größere Wärmemengen nicht genutzt, welche die Brennkraftmaschine bei höherer Belastung zu liefern imstande wäre-
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Es ist deshalb bekannt, zusätzlich zu der eigentlichen Wärmequelle (z.B. Umgebungsluft) der Wärmepumpe noch eine weitere Wärmequelle als Zusatzheizung in Form einer herkömmlichen Heizung (z.B.ölheizung ) zuzuführen. Derartige Heizungsanlagen (bivalente Heizungen) sind jedoch wirtschaftlich nicht vertretbar„
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil bivalenter Heizungen zu beseitigen, die Leistungsreserven der Brennkraftmaschine zu jeder Jahreszeit sinnvoll auszunutzen und der Heizungsanlage zuzuführen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennkraftmaschine ein besonderes energieumformendes Aggregat (z.B. Reibungsbremse bzw. hydraulische Bremse) antreibt, welches die ihm während des Betriebes zugeführte mechanische Antriebsleistung in Wärmeleistung umformt, die als zusätzliche Wärme auf den Wärmerträger im Heizungsnetz übertragen wird.
Eine einfache Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die hydraulische Bremse in einem von der Brennkraftmaschine getrennten, in sich geschlossenen und einen Wärmetauscher einschließenden hydraulischen Umlaufsystem angeordnet ist.
Als hydraulisches Mittel kann wahlweise verwendet werden entweder Wasser oder Hydrauliköl. Die hydraulische Bremse ist dann ö© nach Art des verwendeten Mittels beispielsweise als Wasserwirbelbremse bzw. Hydraulikpump· auszuführen.
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Es i©t b©i äsö·®^ eL©r erwähnt©n Ausführunggf©rra©n zweck mäßig, zwischen der hydraulischen Br©ms© und d®a zugeordneten Wärm©tauscher ein R©g©lT©ntil einzuschalten,, welches den Hydraulik-Umlauf in Abhängigkeit vqxl d©r Drehzahl der Brennkraftmaschin© oder iron ©inem anderen Parametsr (zeB. Umgebungstemperatur) @t©u@rto
In der nach8t©h®nden Beschreibung ist ain Ausführuags-= beispiel dar Erfindung anhand ©iner Zeichnung näher erläutert.
Di© in der Z©ietoung nmr sehematiseh dargestellt© Wärmepumpe umfaßt ©ia© ^as®©sg©Mfe,lt© iiaachin© bekaaat©r Art, di© aus Antsiob dient, d.ho d®g ¥®rdi©ht©ri für
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gestellt und b©s©arieb©n9 s@düB si© Mqe1 sieht näher er=» läutert werden soil© Auf ®in©2> Grundplatte 10 ®ind mittels einiger Zwiaeh@n©loiaonto 12 ü&m Kurb®lg©aäüaaa 14, di© Zylinder 16 und di© Zylinderkopf® 18 der Masehine befestigte Bi© Kusbel^ell© 20 d©r Brennkraftmaschin®
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treibt den Kompressor 22 an, der ebenfallsauf der Platte 12 befestigt ist. Die Saugleitung des Kompressors ist mit 32 und seine Druckleitung mit 34- bezeichnet. Der einleitend erwähnte Verdampfer 100 nimmt die Wärme aus den ihn umgebenden Medium, z.B. Luft auf, wie mit Pfeil I angedeutet ist. Während seiner Kompressionsphase wird der Kältemitteldampf verdichtet und dann durch die Leitung 34- einem als Wärmetauscher fungierenden Kondensator 102 zugeführt, durch den das Heizwasser in einer getrennten Leitung 104· fließt. Im Wärmetauscher 102 wird das Heizwasser in der Leitung 104- erwärmt.
Die Leitung 104- geht anschließend noch durch weitere Wärmetauscher 106,108,110 hindurch, bevor sie einer Hausbeheizungsanlage 112 zugeführt wird, wo ihr Wasser die angesammelte Wärme zu Heizzwecken wieder abgibt, wie mit Pfeil A angedeutet ist.
Durch den zusätzlichen Wärmetauscher 106 hindurch wird das während des Betriebes stark erwärmte Kühlwasser der Brennkraftmaschine mittels Leitungen 106i und 106a geleitet.
Auch die Abgase der Brennkraftmaschine werden in der Auspuffleitung 108i zum zugeordneten Wärmetauscher 108 geleitet. Hier geben sie ihre Wärme ab und werden dann in einer Leitung 108a zu einem Auspuff-Schalldämpfer und schließlich ins Freie geleitet.
Die mit Hilfe der zusätzlichen Wärmetauscher 106 und
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erfolgte Überleitung der Wärme aus dem Kühlwasser und den Auspuffgasen in die Heizungsanlage ist an sich bekannt. Eine derartige Heizung reicht jedoch aus nachstehend näher erläuterten Gründen nicht aus, um auch bei tiefen Außentemperaturen, z.B. unter 0 , eine ausreichende Erwärmung des Heizwassers sicherzustellen.
Es ist bekannt, daß der Wärmebedarf eines Hauses bei tiefen Umgebungstemperaturen steigt. Der Wärmetransport des Wärmepumpen-Kältemittels steigt jedoch trotz Erhöhung der Drehzahl der den Kompressor antreibenden Maschine nicht in dem für tiefe Temperaturen notwendigen Maße an. Wie bereits einleitend erwähnt, ist die Ursache darin zu suchen, daß das Kältemittel bei tiefen Temperaturen einen niedrigen Dampfdruck und dadurch ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist. (Man brauchte zum Ausgleich ein höheres Volumen, d.h. Volumenvariation im Kompressor, was jedoch wirtschaftlich nicht vertretbar ist.) Bekannte Wärmepumpen besitzen nämlich nur konstantes Kompressor-Volumen, sodaß während der tieferen Jahrestemperaturen der Kompressor die zur Verfügung stehende volle Leistung der ihn antreibenden Brennkraftmaschine nicht abnimmt. Infolgedessen läuft die Maschine meist im Teillastbereich und gibt nur geringe Wärmemengen in ihr Kühlwasser, Schmieröl und Auspuffgas ab. Auf diese Weise werden größere Wärmemengen nicht genutzt, welche die Brennkraftmaschine bei höherer Belastung zu liefern imstande wäre.
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Dieser grundsätzliche Nachteil bekannter Wärmepumpen-Heizungen bekannter Art wird nun erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß die ilrennkraftinaschine neben den üblichen Einrichtungen auch noch eine hydraulische Bremse antreibt, wobei die Wärme des ilydraulikmitteis nach Durchlauf durch die Bremse der Heizung zugeführt wird. Die Antriebsmaschine wird auf diese V/eise voll ausgelastet und liefert somit maximale i/c:rmemeugen in ihr Kühlwasser, Auspuffgas und Motoröl.
B^ei dem Ausführungsbeispiel ist zu diesem
Zweck noch ein weiterer Wärmetauscher 110 in der Leitung 104 vorgesehen, durch den ein hydraulisches Mittel, z.B. Wasser oder Hydrauliköl geführt wird. Die Förderung dieses Mittels besorgt eine als Bremse dienende Hydraulikpumpe 114, die über ein Getriebe 114a und eine Kupplung 114b von der Kurbelwelle 20 der Brennkraftmaschine angetrieben wird, das Hydraulikmittel aus einem größeren Behälter 120 ansaugt und es über ein Regelglied 116 in die Zulaufleitung 11Oi des Wärmetauschers 110 fördert. Die Rücklaufleitung ist mit 110a bezeichnet. Die Hydraulikpumpe 114 kann als eine Zahnradpumpe ausgeführt sein und das Regelglied 116 steuert im dargestellten Falle den Druck des Hydraulik-Mittels in Abhängigkeit von der Aussentemperatur. Das Regelglied 116 ist als Ventil ausgebildet, das selbst von einem in der Heizleitung 104 liegenden Thermostaten bekannter Art beeinflußt wird.
Die Kupplung 114b könnte beispielsweise von Hand lösbar sein, um den Hydraulik-Umlauf nur im Bedarfsfalle ein-
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- ίο -
schalten zu können,
Eo ist einleuchtend, daß das die zusätzliche Wärme für den Wärmeträger im Heizungsnetz 104- liefernde energieumformende Aggregat 114- samt Regelglied 116 auch in solche Anlagen einfügbar ist, die keine Übertragung der Verlustwärme der Brennkraftmaschine auf den Wärmeträger im Heizungsnetz aufweisen, also keine Wärmetauscher 106 und 108 besitzen.
Abschließend sei noch erwähnt, daß je nach Bedarf die Hydraulik-Bremse auch kurzgeschlossen werden kann. Darüberhinaus könnte - im Gegensatz zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Anordnung der Hydraulik-Bremse 114- und ihres Umlaufsystems außerhalb der Brennkraftmaschine - die Bremse 114-mit dem zugeordneten Strang der Leitung 104- auch in der Maschine integriert sein. Schließlich könnte in Jedem der erläuterten Anwendungsfälle die Hydraulik-Bremse anstelle in Abhängigkeit von der Außentemperatur auch von einem anderen Parameter (z.B. von der Drehzahl der Brennkraftmaschine) geregelt sein.
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Claims (11)

  1. Motorenfabrik Hatζ 23.08.1978
    GmbH & Go. KG. H-62 Ernst-Hatz-Str.16
    8399 Ruhstorf
    Patentansprüche ;
    / 1f' Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe, deren Verdichter von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei vorteilhaft die Verlustwärme der Brennkraftmaschine auf den Wärmeträger im Heizungsnetz übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (14-18) ein besonderes Aggregat (114) antreibt, welches die ihm zugeführte mechanische Antriebsleistung In Wärmeleistung umformt, die als zusätzliche Wärme auf den Wärmeträger im Heizungsnetz (104) der Anlage (112) übertragen wird.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das besondere energieumformende Aggregat eine Reibungsbremse (114) ist.
  3. 3« Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das besondere energieumformende Aggregat eine hydraulische Bremse (114) ist.
  4. 4. Anlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Bremse (114) in einem von der Brennkraftmaschine (14-18) getrennten, in sich geschlossenen und einen Wärmetauscher (110) einschließenden hydraulischen Umlaufsystem (11Oi,11Oa,120) angeordnet ist.
  5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als hydraulisches Mittel Wasser oder HydraulikÖl verwendet ist und die Bremse (114) dementsprechend als eine Wasserwirbelbremse bzw. Hydraulikpumpe ausgeführt ist.
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  6. 6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (114) synchron mit der Brennkraftmaschine
    (14-18) gekuppelt ist.
  7. 7. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5} dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulischen Bremse (114) ein Regelglied (116)
    zugeordnet ist.
  8. 8. Anlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied als Ventil (116) gestaltet ist, das von einem drehzahlungebundenen Parameter, beispielsweise Umgebungstemperatur abhängig ist,
  9. 9. Anlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied als von der Drehzahl der Brennkraftmaschin« abhängiges Ventil gestaltet ist.
  10. 10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das energieumformende Aggregat (114) so ausgelegt ist,
    daß seine Wärmeleistung bei sinkenden Außentemperaturen den dann eintretenden Leistungsabfall der Wärmepumpe mindestens kompensiert, vorzugsweise überkompensiert.
  11. 11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das energieumformende Aggregat (114) so ausgelegt ist,
    daß es den Leistungsabfall der Wärmepumpe derart überkompensiert, daß eine Zusatzheizung entfällt bzw. zumindest leistungsschwächer als in Anlagen ohne derartiges Aggregat ausgeführt sein kann.
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