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Heizungsanlage mit Wärmepumpe
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage für Bauwerke,
mit einer Wärmepumpe für Wasser oder Luft und einem durch einen Motor (Elektromotor)
angetriebenen Kompressor zur Erwärmung des umlaufenden Heizmediums (insbesondere
Wasser).
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Bei herkömmlichen Heizungsanlagen bleibt die Abwärme der Kompressoren
von Wärmepumpen sowie der Kompressorenantriebe, insbesondere eines Elektromotors
nach dem Kurzschlußläuferprinzip, ungenutzt. Es wird lediglich für eine ausreichende
Kühlung der vorgenannten Aggregate gesorgt. Die Abwärme wird überwiegend durch Luftumwälzung
ungenutzt ins Freie abgeführt. Zur Luftumwälzung bzw. Kühlung der Aggregate dienen
vor allem Luftgebläse, die an Bereichen der höchsten Wärmeabgabe installiert sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizungsanlage
mit
Wärmepumpe und Kompressor dahlngehend weiterzuentwickeln, daß eine bessere Energieausbeute
bei der Wärmegewinnung erzielt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Heizungsanlage
dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor und/oder der Motor für den Antrieb desselben
einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühler aufweist, dessen durch Kühlung aufgenommene
Wärme dem Heizmedium der Heizungsanlage, insbesondere dem Wasser zuführbar ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Kompressor
von einem Elektromotor, insbesondere einem Kurzschlußläufermotor, angetrieben. Zur
Kühlung desselben ist dieser mit einem Kühler versehen, durch den ein Kühlmedium,
z.B. Wasser, strömt. Die durch dieses Kühlmedium aufgenommene Wärme wird in geeigneter
Weise dem Heizmedium zugeführt.
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Dabei kann alternativ unmittelbar eine Vorerwärmung des Heizmediums
erfolgen, und zwar beispielsweise des in der Rücklaufleitung von den HeizungEn zurückkommenden
Wassers. Alternativ kann eine Temperaturerhöhung des Rücklaufmediums (Wasser) eines
Erdkollektors erfolgen, der an die Wärmepumpe angeschlossen ist. Die Erwärmung dieses
Rücklaufmediums wird zweckmäßigerweise vor dem Eintritt in einen Verdampfer bewirkt,
indem ein Wärmeaustauschmedium (z.B. Wasser) entsprechend erwärmt wird. Dieses Wärmeaustauschmedium
wird sodann in üblicher Weise durch den Kompressor auf erhöhte Temperatur gebracht,
bevor in einem den Kompressor nachgeschalteten Kondensator der Wärmeaustausch mit
dem die Heizungsanlage durchströmenden Heizmedium stattfindet.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden demgemäß die Verlustwärmen
der
Wärmepumpenaggregate ausgenutzt. Versuche haben gezeigt, daß die Leistungszahl durch
die erfindungsgemäße Lösung erheblich gesteigert werden kann. Die Leistungszahl
ist das Verhältnis der von der Wärmepumpe abgegebenen Energie zu der zugeführten
Energie.
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Das erfindungsgemäße System ist aber auch schlechthin für die Ausnutzung
der Abwärme von Kompressoren und Antriebsmotoren, insbesondere Elektromotoren, anwendbar.
In Fertlgungsbetrieben etc. bleibt die Abwärme von Antriebsaggregaten, Kompressoren
oder dergleichen in der Regelung ungenutzt. Sie wird ohne Rückgewinnung durch Luftumwälzung
ins Freie abgeführt.
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Der dem Kompressor bzw. dem Motor zugeordnete Kühler besteht erfindungsgemäß
aus einem doppelwandigen Gehäuse, wobei die Gehäusewände im Abstand voneinander
angeordnet sind, so daß zwischen diesen ein vom Kühlmedium durchströmter Zwischenraum
gebildet ist.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades steht die innenliegende Gehäusewand
nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung in unmittelbarem Kontakt mit der die
Wärme abgebenden Oberfläche des Kompressors oder des Motors. Dadurch wird auch ein
Warmluftstau zwischen Kompressor oder Motor und Gehäuse (Kühler) vermieden. Bei
Einsatz eines Kurzschlußläufermotors ist die innenliegende Gehäusewand in unmittelbarem
Kontakt mit der-Oberfläche einer Statorwicklung dieses Typs eines Elektromotors.
Dadurch wird ein optimaler Wärmeübergang zwischen der aufgeheizten Statorwicklung
und dem Kühlmedium bewirkt.
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Der Kühler kann erfindungsgemäß auch in einem Nebenkreis der Heizungsanlage
(Sekundärkreis) angeordnet sein, derart, daß
er parallel zum Kondensator
liegt, der zum Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeaustauschermedium und dem Heizmedium
dient. Diese Anordnung ist besonders bei großen Mengen an Heizmedium (Wasser) vorteilhaft.
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Die besondere Ausgestaltung des Motors mit einem umgebenden, als Kühler
ausgebildeten Gehäuse liefert einen beachtlichen Beitrag zur Geräuschdämpfung. Es
entfällt ferner das Geräusch eines Luftgebläses.
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Versuche haben gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Lösung eine
Wärmerückgewinnung erzielbar ist, die etwa 20 % der Heizwärme entspricht.
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Ausführungsbeispiele der Heizungsanlage sowie eines im Sinne der Erfindung
ausgebildeten Elektromotors werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Heizungsanlage zur Nutzung der Abwärme eines in einem Wärmetauscherkreislauf
angeordneten Kompressors einer Wärmepumpe, Fig. 2: ein gegenüber Fig. 1 modifiziertes
Ausführungsbeispiel der Heizungsanlage in entsprechender schematischer Darstellung,
P-ig. 3: ein Ausführungsbeispiel einer Heizungsanlage mit einem im Rücklauf eines
Erdkollektors angeordneten Kühlers für einen Kompressor bzw.
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einen Motor zum Antrieb desselben, in schematischer Darstellung,
Fig.
4; ein weiteres, abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Heizungsanlage mit Anordnung
des Kühlers für den Kompressor bzw. Motor in einem Nebenkreis, Fig. 5: einen Elektromotor
(Kurzschlußläufermotor) mit einem Kühler als Ausführungsbeispiel für die Wärmegewinnung
im Sinne der Erfindung.
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Die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Helzungsanlagen sind
mit einem monovalenten Wärmepumpensystem ausgerüstet, welches im vorliegenden Fall
Wasser als Primärmedium liefert, z.B. durch Entnahme aus dem Grundwasser. Das Primärmedium
wird durch einen Erdkollektor 10 (Primärkreis) durch eine Pumpe ii einem Verdampfer
12 zugeführt. Die Pumpe 11 ist in einer Vorlaufleitung 13 des Erdkollektors 10 angeordnet.
Das hier geförderte Primärmedium hat eine Temperatur von beispielsweise + 5 0C.
Nach Verlassen des Verdampfers 12 in einer Rücklaufleitung 14 kann die Temperatur
des Primärmediums beispielsweise - 10 C betragen.
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An den Erdkollektor 10 schließt über den Verdampfer 12 in Wärmetauscherkreis
15 an. Dessen Vorlaufleitung 16 fördert ein Wärmetauschermedium mit einer Temperatur
von beispielsweise 40 C einem zum Wärmetauscherkreis gehörenden Kornpressor 17 zu.
In diesem wird das Wärmetauschermedium (Wasser) auf erhöhte Temperatur von beispielsweise
530 C gebracht.
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Das aus dem Kompressor 17 austretende Wasser gelangt in einen Kondensator
18. An diesen schließt ein Heizkreis 19 (Sckundärkreis) an mit einer zu einer Heizung
20 führenden Vorlaufleitung 21 und einer Rücklaufleitung 22. Das in dem Heizkreis
19 umlaufende Heizmedium (Wasser) wird im Kondensator 18 aufgeheizt, beispielsweise
auf eine Temperatur von 520 C. Der Umlauf des Hei-zmediums wird hier durch eine
Umwdlzpumpe
23 unterstützt.
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Uas in der Rücklaufleitung 22 des Heizkreises 19 zurückkehrende Heizmedium
hat eine verminderte Temperatur von beispielsweise 430 C. Das Heizmedium tritt hier
jedoch mit einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 460 C wieder in den Kondensator
18 ein. Eine vom Kondensator 18 abführende Rücklaufleitung 24 des Wärmetauscherkreises
15 fördert das Wärmetauschermedium bei erheblich reduzierter Temperatur, z.B. bei
Oo C, zum Verdampfer 12 zurück. Vor dem Eintritt in diesen wird das Wärmetauschermedium
nochmals abgekühlt, und zwar durch Expansionsventil 25, auf eine Temperatur von
beispielsweise - 50 C als Eintrittstemperatur des Wärmetauschermediums für den Verdampfer
12.
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Zusitzliche Wärme wird im vorliegenden Fall durch einen Kühler 26
gewonnen, der dem Kompressor 17 bzw. einem Motor zum Antrieb desselben zugeordnet
ist. Die von dem Kompressor 17 bzw. dem Motor (Fig. 5) erzeugte Abwärme wird der
Heizungsanlage zugeführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Kühler 26 in dem
Heizkreis 19 eingebaut. Die Rücklaufleitung 22 tritt über einen Eintrittsstutzen
27 in den Kühler ein und über einen gegenüber liegenden Austrittsstutzen 28 aus
diesem heraus.
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Das Heizmedium (Wasser) wird in dem Kühler 26 durch die Abwärme aufgeheizt,
z.B. von 430 C auf 460 C. Mit dieser erhöhten Temperatur tritt demnach das rücklaufende
Heizmedium in den Kondensator 18 zur Aufheizung auf die gewünschte Heiztemperatur
ein. Der Energieaufwand zur Erzielung dieser Heiztemperatur ist dadurch geringer.
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Der Primärkreis braucht nicht notwendigerweise ein Erdkollektor 10
zu sein. Jeder andere Mediumkreislauf ist in diesem Zusammenhang möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 besteht gegenüber dem vorstehend
beschriebenen eine Abwandlung in bezug auf die Anordnung des Kühlers 26. Dieser
ist hier dem Kondensator 18 nachgeschaltet, also unmittelbar in die Vorlaufleitung
21 des Heizkreises 19 eingebaut. Dadurch ist es möglich, im Bereich des Austritts
der Vorlaufleitung 21 aus dem Kondensator 18 mit einer verminderten Temperatur 0
des Heizmediums von beispielsweise 50 C zu fahren. Im Kühler 26 erfolgt dann eine
(weitere) Erwärmung des Heizmediums auf die im vorliegenden Fall angestrebte Temperatur
von 520 C.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist der Kühler 26 im Vorlaufbereich,
nämlich in der Vorlaufleitung 13 des Erdkollektors 10 angeordnet. Dadurch wird das
beispielsweise aus dem Erdreich bei einer Temperatur von 00 C ge wonnene Wasser
(Primärheizmedium) vor dem Eintritt in den Verdampfer 12 auf eine Temperatur von
beispielsweise 40 C aufgeheizt. Der weitere Aufbau und Funktionsablauf der Anlage
entspricht hier den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel, nämlich ein Teil der Heizungsanlage,
gezeigt, das besonders für die Bewältigung großer Wassermengen (Heizmedium) geeignet
ist. Der Kühler 26 findet hier Aufnahme in einem Nebenkreis 29. Dessen vom Kühler
26 kommende Vorlaufleitung tritt in die Vorlaufleitung 21 des Heizkreises 19 ein.
Aus der Rücklaufleitung 22 wird eine Rücklaufleitung 31 des Nebenkreises 29 abgezweigt,
durch die (abgekühltes) Heizmedium dem Kühler 26 wieder zugeführt wird. In dieser
Rücklaufleitung 31 des Nebenkreises 29 ist in der Nähe der Abzweigung von der Rücklaufleitung
22 ein Bypass-Ventil 32 angeordnet. Durch dieses kann die dem Kühler 26 zugeführte
Menge des Heizmediums bestimmt werden.
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Es läuft demnach nicht die gesamte Menge desselben durch den Kühler
26.
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Der Kühler 26 ist vorzugsweise dem Motor 33 für den Antrieb des Kompressors
17 zugeordnet, wird demnach durch die Abwarme dieses Motors 33 aufgeheizt. Bei dem
in Fig. 5 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel dient ein Kurzschlußliufermotor
dem Antrieb des Kompressors. Dieser besteht im prinzipiellen Aufbau aus einem Stator
34 mit Statorwicklung 35. Innerhalb desselben ist ein Freiraum für eine Trennhaube
36 des einzusetzenden Kompressors bzw. des Rotors desselben gebildet.
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Der Motor 33 findet Aufnahme in einem Gehäuse 37, welches hier zugleich
die Funktion des Kühlers 26 übernimmt. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 37 doppelwandig
ausgebildet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Bereich eines vorzugsweise
zylindrischen Mantels des Gehäuses 37 eine innere Gehäusewandung 38 konzentrisch
in einer äußeren Gehäusewandung 39 angeordnet. Die Abmessungen sind derart, daß
zwischen den Gehäusewandungen 38 und 39 ein ringsherumlaufender Hohlraum 40 gebildet
ist. In diesem findet das Kühlmedium Aufnahme zur Aufheizung desselben und zur Wärmeableitung.
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Das genannte Kühlmedium wird über den Eintrittsstutzen 27 im unteren
Bereich des Gehäuses 37 in den Hohlraum 40 eingeführt und diametral gegenüberliegend,
also in einem oberen Bereich durch den Austrittsstutzen 28 abgeführt. Die jeweiligen
Leitungen werden an den Eintritts- bzw. Austrittsstutzen 27, 28 angeschlossen.
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Das Gehäuse 37 ist unten auf einer ringförmigen Montageplatte 41 lösbar
z.B. durch Schrauben 44 befestigt. Das Gehäuse 37 kann wie eine Haube vom Motor
abgenommen werden. Oben ist das Gehause 37 durch eine Deckelplatte 42 abgeschlossen.
Der Motor 33 ist innerhalb des Gehäuses durch obere und untere Distanzhülsen 43
gehalten und abgestützt.
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Wie aus ig. 5 ersichtlich, erhält der Stator 34 unmittelbar
Anlage
an der Innenseite der inneren Gehäusewandung 3. D-durch wird die Wärme des Stators
34 unmittelbar auf diese Gehäusewandung 38 und von dieser auf das durch den Hohlraum
40 hindurchströmende Medium übertragen.
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Es kann zweckmäßig sein, in der zum Kühler 26 führenden LeL-tung,
also dem Kühler 26 vorgeordnet, einen Filter einzubauen, der für den Kühler 26 schädliche
Bestandteile des Kühlmediums ausfiltert. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, wenn demnach Wasser aus dem Erdreich als
Kühlmedium Verwendung findet.
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Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei sogenannten Trennhauben-Kälte-Kompressoren
verwendet werden.