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Heizeinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Ver-
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fahrens nach Patent .. .. ... (Aktz.: P 27 28 722.5-13) Die Erfindung
betrifft eine Heizeinrichtung mit einer an einen Heizungskreislauf angeschlossenen
Heizfeuerung, insbesondere einer öl- oder Gasheizung, sowie mit einer im wesentlichen
aus einem Verdampfer, einem Verdichter (Kompressor), einem Verflüssiger (Kondensator)
und einem Expansionsteil bestehenden, mittels eines Kältemittels einen Sekundärkreis
bildenden Wärmepumpe, deren Verdampfer
von den Abgasen der Heizfeuerung
zu beaufschlagen ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Patent ..
.. ... (Aktz.: P 27 28 722.5-13).
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Wie in Patent .. .. ... (Aktz.: P 27 28 722.5-13) ausgeführt ist,
gehen bei mit öl oder Gas befeuerten, herkömmlichen Heizanlagen für Wohnhäuser in
der Heizperiode bis zu 20 % der eingesetzten Energie über die Abgase in die Umgebungsluft
verloren, wobei der Wirkungsgrad in den Ubergangsperioden zwischen der Heizperiode
und der sommerlichen Nicht-Heizperiode, also im Frühjahr und im Herbst, bei nicht
voll ausgefahrener Heizung noch schlechter ist.
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Dem Hauptpatent .. .. ... (Aktz.: P 27 28 722.5-13) liegt daher die
Aufgabe zugrunde, die aufgewandte Energie besser zu nutzen, bzw. die mit den Abgasen
entstehenden Wärmeverluste durch Wärmerückgewinnung zu verringern, und die Heizperiode
für die Heizfeuerung zu verkürzen, wobei hierfür erfindungsgemäß vorgesehen ist,
daß die Wärme der Abgase der Heizfeuerung aus dem Abzug der Heizfeuerung durch den
Verdampfer einer Wärmepumpe zurückgewonnen wird, und daß die Wärme über den Kondensator
der Wärmepumpe in den Heizungskreislauf abgegeben wird.
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Vorrichtungsmäßig schlägt das Hauptpatent zur Durchführung des vorgenannten
Verfahrens vor, daß im Abzug der Heizfeuerung zwei Abzweigungen vorgesehen sind,
die über den Verdampfer der Wärmepumpe miteinander verbunden sind, und daß der Kondensator
der Wärmepumpe im Heizungskreislauf der Raumheizung liegt.
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Dabei kann mithin die konventionelle Heizfeuerung in konventioneller
Weise betrieben werden, wenn nämlich die im Abzug angeordneten bzw. von diesem abzweigenden
beiden Abzweigungen geschlossen sind, oder es kann der Abgasstrom durch eine im
Abzug vorhandene,
einstellbare Drosselklappe teilweise oder vollständig
durch die eine Abzweigung zu dem Verdampfer der Wärmepumpe und von diesem über die
zweite Abzweigung - ggf. unter Beihilfe eines Gebläses - geleitet werden, um das
Kältemittel des Sekundärkreises im Verdampfer mittels der Abgaswärme zu erwärmen,
bevor die Abgase in die Atmosphäre geleitet werden.
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Schließlich kann in den Übergangsperioden die Heizfeuerung völlig
stillgelegt und mittels eines Kurzschlußrohres aus dem Heizungskreislauf völlig
herausgeschaltet werden, wobei dann die Wärmepumpe in den Ubergangsperioden in üblicher
Weise allein arbeitet, in dem nunmehr Luft aus der Umgebung angesaugt wird, welche
das Kältemittel im Verdampfer erwärmt, und nach seiner Wärmeabgabe wieder in die
Umgebung geleitet wird Wie bereits aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht,
kann nach dem dem Hauptpatent zugrundeliegenden Verfahren die Wärmepumpe in bekannter
Weise - nämlich in den übergangsperioden - völlig unabhängig von der für die normale
Heizperiode zusätzlich vorhandenen Heizfeuerung betrieben werden, wobei die Wärmepumpe
in der normalen Heizperiode durch Beaufschlagung ihres Verdampfers mit den Abgasen
der Heizfeuerung und entsprechende Wärmerückgewinnung den Wirkungsgrad der Heizfeueruny
verbessern.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit einer solchen Ausgestaltung der
zur Durchführung des genannten Verfahrens vorgesehenen Heizeinrichtung aus unterschiedlichen
Gründen noch keine optimalen Verhältnisse geschaffen worden sind.
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Zum einen ist zunächst einmal festzustellen, daß der Beginn oder das
Ende der Heizperiode und damit das Ende oder der Beginn einer übergangsperiode von
dem jeweiligen Benatzer mehr
oder weniger willkürlich gewählt wird
bzw. durch entsprechende Steuerung von der Außentemperatur her erfolgt, wie dieses
bei bivalenten Wärmepumpen üblich ist.
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Im erstgenannten Fall kann es aber durchaus so sein, daß in einer
übergangsperiode noch Außentemperaturen herrschen, die einen weiteren Betrieb bzw.
nach der Heizperiode bereits die Betriebsaufnahme einer Beheizung mittels der Wärmepumpe
gestatten würden.
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Im letztgenannten Fall, nämlich bei automatischer Umschaltung vom
Wärmepumpenbetrieb auf Heizfeuerungsbetrieb muß bei bekannten Anlagen der Heizkessel
zwangsläufig auf den kältesten zu erwartenden Zustand ausgelegt werden und demgemäß
entsprechend groß sein.
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Es kommt hinzu, daß bei Durchführung des dem Hauptpatent zugrundeliegenden
Verfahrens bei einer derartigen Heizeinrichtung nicht sichergestellt ist, daß das
Kältemittel im Verdampfer nicht zu viel Wärme aufnimmt, wenn die Heizfeuerung in
Betrieb gesetzt ist und die Abgase der Heizfeuerung im Verdampfer der Wärmepumpen
Wärme an das Kältemittel des Sekundärkreislaufes abgeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Heizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent .. .. ... (Aktz.:
P 27 28 722.5-13) zu schaffen, mittels welcher unter jeweiliger Anpassung an die
vorhandenen Umweltbedingungen, d.h. also insbesondere an die Außentemperatur, eine
optimale Arbeitsweise zu schaffen ist, in dem die Wärmepumpe stets dann allein arbeitet,
wenn die Außentemperatur dieses gestattet, und bei entsprechend niedriger Außentemperatur
die Heizfeuerung zugeschaltet wird, wobei dann die Wärmepumpe zur Rückgewinnung
der Abgaswärme in Betrieb bleiben und sogleich sichergestellt werden soll, daß die
Abgase der Heizfeuerung
nicht zu viel Wärme an den Verdampfer abgeben,
und zwar schon deswegen nicht, um diesen stets in vereistem Zustand zu halten und
demgemäß für hervorragende Anti-Korrosionsbedingungen zu sorgen. Gleichzeitig soll
hierdurch eine entsprechende Kapazitätsverminderung des Heizkessels der Heizfeuerung
ermöglicht werden.
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Als Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Heizfeuerung von dem Zustand, d.h. also dem Druck oder der Temperatur, des Kältemittels
im Verdampfer, also auf dessen sogenannter Kälteseite, derart gesteuert ist, daß
die Heizfeuerung dann und nur dann in Betrieb gesetzt wird, wenn der Druck oder
die Temperatur des Kältemittels im Verdampfer einen vorgegebenen (unteren) Grenzwert
unterschreitet, so daß die Heizfeuerung (wieder) außer Betrieb gesetzt wird, wenn
der Druck oder die Temperatur des Kältemittels im Verdampfer einen vorgegebenen
(oberen) Grenzwert überschreitet.
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Bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist mithin die Wärmepumpe
gegenüber der Heizfeuerung vorrangig gesteuert, d.h. die Wärmepumpe ist stets in
Betrieb, wobei bei Umgebungstemperaturen, wie sie insbesondere in den Ubergangsperioden
oder gar in der Sommerperiode vorliegen, das Kältemittel im Verdampfer mit Umgebungsluft
beaufschlagt wird, die über den Einlaßstutzen des Verdampfers in diesen eintritt
und zwecks Erwärmung des Kältemittels an den das Kältemittel führenden Rohrschlangen
des Verdampfers vorbeistreicht, um diesen sodann wieder zu verlassen und in die
Atmosphäre zurückgeleitet zu werden, wobei die Luftströmung durch ein entsprechendes
Gebläse erzeugt wird.
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Reicht die von der Umgebungsluft an das Kältemittel im Verdampfer
abgegebene Wärme nicht mehr aus, so daß der Zustand des
Kältemittels
- also dessen Druck oder Temperatur - einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet,
so meldet ein entsprechendes Druckmeßgerät bzw. ein entsprechender Temperaturfühler
den entsprechenden Zustand einer Steuerung, welche den einen und/oder anderen Wert
stets mit einem eingestellten Sollwert vergleicht, wobei die Steuerung dann veranlaßt,
daß die Heizfeuerung, also beispielsweise der Brenner einer beheizung, zugeschaltet
wird.
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Dabei treten sodann Abgase aus dem Abgasstutzen der Heizfeuerung aus
und vermischen sich mit einströmender Umgebungsluft, da die Verbindungsleitung zwischen
dem Abgasstutzen und dem Einlaßstutzen des Verdampfers vorzugsweise mit Luft-Eintrittsöffnungen
versehen ist, durch welche Umgebungsluft ständig in die Verbindungsleitung zwischen
Heizfeuerung und Verdampfer eintreten kann.
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überschreitet sodann die Temperatur oder/und der Druck des Kältemittels
im Verdampfer einen im Steuergerät einstellbaren (oberen) Grenzwert, so veranlaßt
die Steuerung nach entsprechendem Sollwertvergleich, daß die Heizfeuerung wieder
abgeschaltet wird, und daß demgemäß der Wärmepumpenbetrieb allein fortgeführt wird
etc.
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Konstruktiv ist bevorzugt vorgesehen, daß der dem Abgasstutzen der
Heizfeuerung zugekehrte freie Endabschnitt der Verbindungsleitung den Abgasstutzen
übergreift und mit Abstand zu dem in die Heizfeuerung mündenden Ende des Abgasstutzens
endigt, wobei der übergreifende Abschnitt der Verbindungsleitung zur Bildung einer
Mischkammer mit radialem Abstand zum übergriffenen Abschnitt des Abgasstutzens angeordnet
sein kann und beispielsweise einen Durchmesser von 200 mm aufweist, während der
Abgasstutzen lediglich einen Durchmesser von etwa 130 mm besitzt.
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Zur Bildung einer kompakten Einheit kann der Verdampfer bevorzugt
auf einem mit Abstand zum Boden angeordneten Oberrahmen angeordnet sein, der mittels
Stützen an einem Grundrahmen gehalten ist, aber ggf. auch unmittelbar auf dem Boden
abgestützt sein kann, wobei die Heizfeuerung, der Kondensator und der Verdichter
unterhalb des Oberrahmens angeordnet und vorzugsweise auf dem Grundrahmen befestigt
sein können, so daß sich auf diese Weise eine sehr kompakte Baueinheit ergibt.
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Unter dem Verdampfer ist eine Tropfschale angeordnet, die bei der
vorgenannten Ausgestaltung auf dem Oberrahmen gehalten sein kann, und das Schwitzwasser
auffängt, wobei das Schwitzwasserproblem z.B. durch einen Mangantopf etc. zwischenzeitlich
technisch gelöst ist, so daß es dort nicht zu beachtlichen Korrosionen kommt.
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Der Auslaßstutzen des Verdampfers kann das bereits erwähnte Sauggebläse
enthalten, mit dem Luft durch den Verdampfer zu saugen ist, und kann beispielsweise
als verhältnismäßig kurzer Auslaßstutzen durch eine Wand geführt sein und dort enden,
da bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung aufgrund des Verfahrens gemäß dem Hauptpatent
.. .. ... (Aktz.: P 27 28 722.5-13) das in die freie Atmosphäre gelangende Luft-/Abgasgemisch
so sehr gereinigt wird, daß das nach außen gelangende Abgas-/Luftgemisch unter Einhaltung
der einschlägigen Vorschriften ohne weiteres ohne Schornstein nach außen geleitet
werden kann, wie dieses in der Patentanmeldung P 27 41 319.0-13 beschrieben ist.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter
Bezugnahme
auf eine Zeichnung weiter erläutert.
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Die Zeichnung zeigt eine der besseren Übersicht halber schematisierte
Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 30 mit einer an einen Heizungskreislauf
2 angeschlossenen Heizfeuerung 1, bei der es sich um eine öl- oder eine Gasheizung
handeln kann.
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Im Heizungskreislauf 2 ist lediglich ein Heizkörper 3 schematisch
dargestellt. Tatsächlich enthält ein solcher Heizungskreislauf 2 selbstverständlich
in aller Regel eine Vielzahl von Heizkörpern 3. Da die Heizkörper 3 aber nicht zur
eigentlichen Heizeinrichtung 30 gehören, die in der Zeichnung zwecks etwaiger Abgrenzung
mit einer gepunkteten Linie umgeben ist, dürfte diese schematische Darstellung für
das Verständnis ausreichen.
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Mit 5' ist in der Zeichnung der Heizungsvorlauf bezeichnet, während
der Heizungsrücklauf des Primärkreises 2 mit 5'' bezeichnet ist.
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Die Heizfeuerung 1 besitzt einen verhältnismäßig kurzen Abgasstutzen
6', der bei dem Ausführungsbeispiel einen Nenndurchmesser von 130 mm aufweist. Der
Abgasstutzen 6' ist an seinem oberen Endabschnitt von einem topfförmig erweiterten
Abschnitt 11' einer Verbindungsleitung 11 konzentrisch umgeben, die zum Einlaß eines
Verdampfers 12 führt, der Bestandteil einer Wärmepumpe ist, welche darüber hinaus
noch in einem ein Kältemittel enthaltenden Sekundärkreis ein Expansionsorgan 14,
einen Kondensator 15 und einen Verdichter 16 für das Kältemittel enthält.
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Aufgrund der Ausgestaltung des Abgasstutzens 6' und des erweiterten
Abschnittes 11' der Verbindungsleitung 11 kann mithin Luft gemäß
den
Pfeilen 18 in die Verbindungsleitung 11 eintreten und - ggf. nach Vermischung mit
den aus der Heizfeuerung 1 austretenden Abgasen - in den Verdampfer 12 der Wärmepumpe
gelangen.
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Am Auslaßabschnitt des Verdampfers 12 ist ein Sauggebläse 22' angeordnet,
so daß die gemäß den Pfeilen 18 in die Verbindungsleitung 11 eintretende Luft und
ggf. die gemäß dem Pfeil 18' aus der Heizfeuerung 1 austretenden Abgase nach Beaufschlagung
der Rohrleitung 17 des Verdampfers 12 und Abgabe ihrer Wärme durch einen Auslaßstutzen
24 in Richtung des Pfeiles 24' durch eine Mauer 25 nach außen geleitet werden können.
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Unterhalb des Verdampfers 12 befindet sich eine Tropfschale 23, welche
das Schwitzwasser des Verdampfers 12 auffängt und in geeigneter Weise ableitet.
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Der Verdampfer 12 ist auf einem oberen Rahmen 31 angeordnet, der mittels
Stützen 32 an einem Grundrahmen 33 abgestützt ist, welcher seinerseits auf dem Boden
34 aufliegt und unter entsprechender Schwingungsdämpfung befestigt ist.
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Es ist erkennbar, daß die Heizfeuerung 1 und mit Ausnahme des Verdampfers
12 sämtliche Teile der Wärmepumpe unterhalb des Oberrahmens 31 auf dem Grundrahmen
33 angeordnet sind, so daß die gesamte Heizeinrichtung 30 eine sehr kompakte, geschlossene
Baueinheit bildet, die bei Aufstellung in einfachster Weise an einen Auslaßstutzen
24 sowie die Rohre des Heizungskreislaufes 2 angeschlossen werden kann.
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An die das Kältemittel führende Rohrleitung 17 des Verdampfers 12
ist eine Meßleitung 36 angeschlossen, mittels welcher auf der Kälteseite der Wärmepumpe
der Druck des Kältemittels gemessen
werden kann. Der gemessene
Wert wird sodann an ein Steuergerät 37 weitergegeben, wo er mit einem Sollwert verglichen
wird.
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Solange der gemessene Druck oberhalb eines vorgegebenen und ggf. einstellbaren
unteren Grenzwertes liegt, bleibt die Heizfeuerung 1 außer Betrieb, d.h. also ausgeschaltet.
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Erst wenn der gemessene Druck - statt dessen könnte auch die entsprechende
Temperatur gemessen werden - den vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet,
gibt die Steuerung 37 über eine Signalleitung 36' ein Einschaltsignal an den Brenner
38 der Heizfeuerung 1, woraufhin dieser eingeschaltet wird.
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Der Brenner 38 bleibt so lange in Betrieb, solange der gemessene Druck
nicht einen vorgegebenen oberen Grenzwert überschreitet.
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Dieses wird ebenfalls in dem Steuergerät 37 durch entsprechenden Sollwertvergleich
festgestellt, wobei ggf. für die Signalleitung 36 ein entsprechendes Signal an den
Brenner 38 gegeben und dieser außer Betrieb gesetzt wird.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist wie folgt:
Wenn die Heizanlage überhaupt in Betrieb ist, befindet sich die Wärmepumpe 12 bis
17 stets in Betrieb, da sie gegenüber der Heizfeuerung vorrangig gesteuert ist.
Es wird demgemäß mittels des Gebläses 22' in Richtung der Pfeile 18 Luft in die
Verbindungsleitung 11 gesaugt, welche sodann in den Verdampf er 12 eintritt, die
Rohre 17 im Verdampfer beaufschlagt, dort ihre Wärme abgibt, und sodann den Verdampfer
12 bzw.
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die gesamte Heizeinrichtung 30 letztlich über den Auslaßstutzen 24
in Richtung des Pfeiles 24' wieder verläßt und in die Atmosphäre strömt.
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Die im Verdampfer aufgenommene Wärmemenge gelangt sodann mit dem Kältemittel
des Primärkreises über den Kompressor 16 in den Kondensator und gibt dort ihre Wärme
an das Heizmittel des Heizungskreislaufes 2 ab, wobei das erwärmte Wasser sodann
über den Vorlauf 5' zu den Heizkörpern 3 und von dort über den Rücklauf 5'' zum
Kondensator 15 zurückgelangt usw.
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Stellt die Steuerung 37 fest, daß der Druck des Kältemittels des Primärkreislaufes
den vorgegebenen Sollwert unterschreitet, so wird die Heizfeuerung zugeschaltet,
d.h. also ihr Brenner 38 in Betrieb gesetzt.
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Die dabei entstehenden Abgase gelangen gemäß dem Pfeil 18' durch den
Abgasstutzen 6' aus der Heizfeuerung heraus, vermischen sich am Ausgang des Abgasstutzens
6' mit der gemäß den Pfeilen 18 einströmenden Luft und gelangen sodann als Abgas-Luft-Gemisch
in den Verdampfer 12, um dort ihre Wärme an das Kältemittel abzugeben.
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Dabei gelangen die im Abgas enthaltenden Schadstoffe in die Tropfschale
23, aus welcher sie über eine Leitung abgeleitet werden. Die Ausscheidung der Schadstoffe
beruht darauf, daß der Taupunkt - nach bereits erfolgter Vorkühlung durch die zugemischte
Luft - unterschritten wird, so daß die schädlichen Schadstoffe bei Unterschreiten
ihres Taupunktes kondensieren und aus den Abgasen wunschgemäß herausfallen, wobei
nicht nur eine Kondensation von Schwefelgasen, sondern vor allem auch eine Kondensation
von Kohlenstoffgasen, insbesondere von Kohlendioxid in Form von Kohlensäure sowie
deren Lösung im Kondenzwasser stattfindet.
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Demgemäß kann auch bei Betrieb der Heizfeuerung ohne weiteres eine
Ableitung der Gase in die unmittelbare Umgebung erfolgen,
ohne
daß es eines Schornsteines bedarf.
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Stellt die Steuerung 37 fest, daß der Kältemitteldruck -und damit
auch die Kältemitteltemperatur - den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so wird
die Heizfeuerung 1 selbsttätig wieder abgeschaltet und der weitere Betrieb erfolgt
lediglich mit der Wärmepumpe.
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Auf diese Weise ist nicht nur eine optimale Ausnutzung der Wärmepumpe
bei minimalen Betriebszeiten der Heizfeuerung sichergestellt, sondern darüber hinaus
werden auch noch weitere Vorteile erzielt. Es wird nämlich u.a. erreicht, daß das
Kältemittel im Verdampfer 12 durch die Abgase der Heizfeuerung 1 nicht in unerwünschter
Weise überhitzt werden kann, wodurch zugleich sichergestellt wird, daß im Verdampfer
stets der gewünschte vereiste Zustand verbleibt, so daß sich hierdurch zugleich
eine hervorragende Antikorrosionswirkung ergibt.