DE3007256A1

DE3007256A1 - Zentralheizungs- und/oder warmwassererzeugungsanlage

Info

Publication number: DE3007256A1
Application number: DE19803007256
Authority: DE
Inventors: Rene Dosmond
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1980-09-11
Also published as: FR2451005B1; DE3007256C2; FR2451005A1; US4287723A

Description

PATENTANWÄLTE RUFF und BEIER STUTTGART

D ip I.-C h e m. Dr. Ruff Dipl.-Ing. J. B e i e r

Neckarstraße 50 D-7OOO Stuttgart 1 Tel.: C071O 22 7051* Telex O7-23412 erub d

22.Februar 1980 Sf/bt

A 18 399/4

Anmelder: Rene DOSMOND

La Poussiniere, Hameau de la Jonchere Chemin des Vignes - 92500 Rueil-Malmaison - Frankreich

Zentralheizungs- und/oder Warmwassererzeugungsanlage

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Zentralheizung und/oder Warmwasserzeugung mit mindestens einer klassischen Wärmequelle nach Art eines Heizkessels mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff sowie mindestens einer thermodynamischen Wärmequelle mit einer Wärmepumpe, insbesondere mit einem mit Kompression arbeitenden thermischen Kreis, die von einem geschlossenen Kreislauf gebildet wird, in dem ein Kältemittel-Fluid zirkuliert und der hintereinander in an sich bekannter Art einen Verdampfer, einen Kompressor, einen die eigentliche thermodynamische Wärmequelle bildenden Kondensator sowie ein Entspannungsorgan für das kondensierte Kältemittel-Fluid enthält, wobei mindestens ein Kreislauf für die Zirkulation des Wärmeträger-Fluids für die Zentralheizung und die sanitäre und/oder industrielle Warmwassererzeugung vorgesehen und derart ausgebildet ist, daß er den Sitz des Wärmeaustausches mit den genannten Wärmequellen bildet.

Selbstverständlich kann eine derartige Anlage einen oder

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mehrere Heizkessel und einen oder mehrere thermische Kreise enthalten, je nach der ins Auge gefaßten Anwendung. Diese Anlagen können zur Heizung von Wohnräumen, für den industriellen, gewerblichen oder landwirtschaftlichen Bereich vorgesehen sein, während des ganzen oder eines Teiles des Jahres, und das erzeugte Warmwasser kann ebenfalls für die verschiedensten Benutzungsarten vorgesehen sein, beispielsweise für die Benutzung im sanitären oder industriellen Bereich.

Was das Wärmeträger-Fluid der Zentralheizung anlangt, so versteht es sich von selbst, daß es sich um jedes geeignete Fluid handeln kann, beispielsweise um Wasser oderum Luft.

Anlagen der eingangs genannten Art,nämlich Anlagen, die Wärmequellen unterschiedlicher Arten verwenden, sind bereits bekannt. Sie verwenden einerseits klassische Wärmequellen, etwa Heizkessel, die einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff verbrauchen, andererseits Wärmequellen thermodynamischer Art mit Wärmepumpen, wobei die Wärme in irgendeiner kalten Quelle entnommen wird, beispielsweise in der Außenluft oder einem Fluß. Diese Anlagen wurden insbesondere in den letzten Jahren entwickelt, seitdem man versucht, Einsparungen an Brennstoff zu realisieren.

Es ist jedoch festzustellen, daß die bekannten Anlagen noch nicht geeignet sind, den bestmöglichen Energiewirkungsgrad zu erhalten. Insbesondere nutzen die klassischen Heizkessel von Zentralheizungen die Energie des Brennstoffes nicht optimal aus. Sie verwenden nur den unteren Heizwert des Brennstoffes, anstelle den oberen Heizwert zu verwenden. Insbesondere verwenden die klassischen Heizkessel, ob sie nun allein oder in Kombination mit anderen infrage kommenden Wärmequellen verwendet werden, nicht die latente Wärme der Verdampfung des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wassers, denn der Dampf wird zum großen Teil zusammen mit den Abgasen in die Atmosphäre entlassen. Sie verwenden daher nur die Eigenwärme der Verbrennungs-

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gase, und diese noch unvollkommen. Denn die Verbrennungsgase werden in den Kamin bei einer noch relativ hohen Temperatur ausgestoßen, was bedeutet, daß Kalorien verloren ι gehen. Schließlich gibt es im allgemeinen noch eine Luftzufuhr zu den Brennern, die gegenüber dem Bedarf für eine stöchiometrische Verbrennung zu hoch ist.

All dies bewirkt, daß nur 80 bis 85% des oberen Heizwertes des Brenngases bei derartigen Anlagen ausgenutzt werden.

Es ist ebenfalls zu beachten, daß die Temperatur des Wärme- ^; träger-Fluides bei klassischen Heizkesseln oft viel höher ist, als es für die Zentralheizung nötig ist, aufgrund der zur Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser not- ^; wendigerweise erhöhten Temperatur. Dies macht die relativ schwache Ausnutzung des Heizkessels während der Zeiten eingeschränkter Heizung noch fühlbarer.

Wenn man darüber hinaus nicht nur den bzw. die Heizkessel und ihren Nutzungsgrad betrachtet, sondern bei den infrage kommenden Anlagen auch ihre Assoziierung mit den anderen : Wärmequellen vom Wärmepumpentyp, stellt man ganz allgemein '·■ ein schlechtes Zusammenwirken dieser beiden Arten von Wärme- ' quellen fest, da sie getrennt entworfen und auf eine Art zusammengeschaltet sind, die aus dem Gesichtswinkel des energetischen Nutzungsgrades und ihrer gegenseitigen Ergänzung weit davon entfernt ist, ideal zu sein, mindestens während eines beachtlichen Teiles des Jahres, insbesondere in der kalten Jahreszeit.

Was die Wärmepumpen angeht, so weiß man, durch Theorie und Praxis, daß ihr globaler energetischer Nutzungsgrad abnimmt, wenn der Temperaturunterschied zwischen der kalten Quelle und der warmen Quelle sich erhöht, d.h. insbesondere, wenn die Temperatur der kalten Quelle sich verringert, was im Prinzip im Winter der Fall ist, genauem gesagt dann, wenn

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der Kalorienbedarf für die Heizung von Räumen am höchsten ist. übrigens muß man für die Erzeugung von sanitärem Warmwasser am Kondensator der betreffenden Wärmepumpe eine Temperatur von 60 bis 65° erhalten, unter der Voraussetzung, daß die Kalorien für die Erzeugung dieses warmen Wassers direkt dem Kondensator und nicht dem Heizkessel entnommen werden, was für niedrige Temperaturen des Verdampfers nur die Erzielung eines mäßigen Wirkungsgrades für die Wärmepumpe zuläßt. Die ideale Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator liegt nämlich bei etwa 40 bis etwa 45°C. Wenn man als kalte Quelle atmosphärische Luft verwendet, macht die Verminderung der Enthalpie dieser Luft im Winter diese Verringerung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe besonders deutlich.

Ein zusätzliches wichtiges Problem stellt sich übrigens häufig im Winter ein, wenn man Wärmepumpen mit Kompressionszyklus verwendet:

Das ist das Problem der Vereisung des Verdampfers, bzw. der Verdampfer, dessen Enteisung die Inbetriebsetzung einer zugehörigen Wärmequelle erfordern kann, manchmal einer elektrischen Heizeinrichtung, und die, welche Lösung auch immer man wählt, dazu beiträgt, weiter den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu verringern, da ein Teil der Wärme des Kondensators zum Enteisen entnommen wird.

Schließlich ist zu bemerken, daß man, was die Leistung der Kompressoren angeht, relativ beschränkt ist, da die Intensität des beim Starten der Kompressoren verbrauchten elektrischen Stromes einen relativ hohen Wert annimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ganz allgemein die bei den Anlagen der eingangs genannten Art auftretenden Nachteile zu vermeiden. Die Aufgabe ist insbesondere, den Heizwert des Brennstoffes besser als vorher zu verwenden,

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die Verdampfungswärme des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes auszunutzen, die Abgase in die Atmosphäre nut möglichst niedriger Temperatur zu entlassen, wenig oberhalb von 0⁰C, und schließlich die Enthalpie der Verbrennungsgase möglichst gut zu nutzen, d.h. die Eigenwärme und die latente Wärme. Es ist gleichzeitig Aufgabe der Erfindung, Anlagen der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß die Wärmepumpe bzw. die Wärmepumpen in Bedingungen arbeiten, die es ihnen ermöglichen, einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen, sowie auf jeden Fall in den bestmöglichen Arbeitsbedingungen, sei es für kalte oder warme Jahreszeiten, für die Zentralheizung oder nur für die Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser, unter möglichst guter Ausnutzung der kostenlosen Enthalpie der kalten Quelle, nämlich in erster Linie der atmosphärischen Luft.

Alle diese Ziele werden bei einer Anlage der eingangs genannten Art erreicht, bei der erfindungsgemäß der bzw. die Verdampfer der Wärmepumpe bzw. der Wärmepumpen in einer Abführleitung für die Verbrennungsgase des Heizkessels angeordnet sind, und die in Verbindung mit dieser Leitung mindestens einen Einlaß für Außenluft aufweist, der mit einer Einrichtung zur Regelung der Durchflußmenge versehen ist, stromaufwärts des bzw. der Verdampfer.

Aufgrund dieser Anordnung und Ausbildung gelangen die Verbrennungsgase des Heizkessels über den bzw. die Verdampfer der Wärmepumpe bzw. der Wärmepumpen und kühlen sich dabei ab, wobei sie den Verdampfern Wärme abgeben, und zwar unter Kondensation des Wasserdampfes, den sie enthalten. Es wird daher die gesamte Wärme der Abgase vor ihrem Entweichen mit niedriger Temperatur in die Atmosphäre möglichst gut verwendet. Daher werden die üblichen Wärmeverluste in beachtlichem Ausmaß verringert und der obere Heizwert des Brennstoffes möglichst gut verwendet.

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Obrigens wird die Enthalpie der Außenluft unter wesentlich besseren Bedingungen als vorher verwendet, ebenso wie bei den Abgasen, indem ihre Eigenwärme und die latente Wärme des Wasserdampfes, den sie enthält, zur Erwärmung des bzw. der Verdampfer und zur Erzeugung der Verdampfung des Kältemittel-Fluides verwendet wird. Denn es ist aufgrund der oben genannten erfindungsgemäßen Anordnung möglich, wenigstens einige der Wärmepumpen mit einer höheren Verdampfertemperatur als bei den bekannten Anlagen zu betreiben, aufgrund der Tatsache, daß die frische, von außen kommende Luft sich mit den wärmeren Abgasen vermischt, bevor sie an den bzw. die Verdampfer gelangt. Darüber hinaus ist es leicht, die Vereisung der Verdampfer zu vermeiden, eine Gefahr, die besonders im Winter auftritt, da genau in dieser Jahreszeit der bzw. die Heizkessel in Betrieb sind. Es muß daher keine zusätzliche Energie aufgebracht werden, um die Enteisung durchzuführen. Die genannten Einrichtungen zur Regelung der Durchflußmenge erlauben es, nach Wunsch den Anteil des direkt von dem Heizkessel kommenden thermischen Flusses und des Flusses von thermodynamischem Ursprung zu regeln, d.h. die Menge der von der Außenluft stammenden Wärme, und zwar als Funktion gewisser äußerer Bedingungen, beispielsweise klimatischer oder Benutzungsbedingungen (mehr oder weniger starker Bedarf an sanitärem oder industriellem Warmwasser in Relation zu dem Wärmebedarf der Zentralheizung usw.).

Die bei der Anlage verwendete Außenluft besteht, sobald der Heizkessel in Betrieb ist, im wesentlichen au? zwei Anteilen. Der erste Teil gelangt durch den Heizkessel und wird als stöchiometrische Luft und selbst im Übermaß gegenüber den stöchiometrischen Bedingungen verwendet, was eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes gewährleistet und unter Auflösung der Abgase die Verschmutzung der Abführleitung vermeidet. Der zweite Teil durchquert nicht den Heizkessel, sondern gelangt stromabwärts von dem klassischen Teil des Heizkessels in eine Art Umleitung direkt in die Abführleitung

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zur Erzeugung von Kalorien durch den bzw. die thermodynamischen Kreisläufe. Diese zweite Luftmenge ist im allgemeinen wesentlich größer, beispielsweise 20 bis 50 mal größer, als die Menge der zur stöchiometrischen Verbrennung des Brennstoffs notwendigen Luft, dies insbesondere dann, wenn die Jahreszeit oder die klimatischen Bedingungen die Enthalpie der Außenluft erhöhen und diese Energiequelle interessanter machen.

Sobald diese Bedingungen besonders günstig sind, kann der Heizkessel abgeschaltet werden, und dieser zweite Anteil an Luft, dessen Durchflußmenge ggf. erhöht wird, kann die einzige Wärmequelle zur Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser und ggf.sogar zur Heizung von Räumen bilden.

Durch den im vorgehenden verwendeten Ausdruck "Außenluft" soll nicht nur atmospärische Luft bezeichnet werden, sondern ganz allgemein Luft, die außerhalb der Anlage vorhanden ist, d.h. außerhalb des Heizkesselteils und des thermodynamischen Teils davon. Insbesondere ist es nicht ausgeschlossen, daß ein Teil dieser Luft, im Prinzip ein ziemlich geringer Anteil davon, verbrauchte und feuchte, in den geheizten Räumen durch eine geregelte mechanische Ventilation entnommene Luft ist. Daher kann die aufgrund der menschlichen oder tierischen Atmung erzeugte Wärme des Dampfes ebenfalls für die Wärmepumpe bzw. Wärmepumpen der Anlage ausgenutzt werden.

Bei jeder gewählten Ausführungsform kann man immer, aufgrund einer erfindungsgemäßen Anlage, unter allen Umständen, allen Jahreszeiten und selbst in jedem Augenblick des Tages einen energetischen Wirkungsgrad erreichen, und zwar unter den besten Funktionsbedingungen, der deutlich höher ist als bei den bekannten Anlagen.

Es kann im allgemeinen sehr vorteilhaft sein, obwohl dies

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nicht eine notwendige Eigenschaft der Erfindung darstellt, vorzusehen, daß die Abführleitung mehrere unabhängige Verdampfer enthält, die in Austrittsrichtung der Gase (Luft, Wasserdampf und ggf. Verbrennungsgase) gesehen abnehmenden Temperaturen unterworfen sind, wobei jeder Verdampfer einem Kondensator in einem thermischen Kreis mit einer Kompressions-Wärmepumpe zugeordnet ist, so daß die Temperaturdifferenz zwischen jedem Verdampfer und dem ihm zugeordneten Kondensator relativ niedrig ist, etwa in der Größenordnung von 40 bis 45° C.

Aufgrund dieser Anordnung kann man in großem Maßstab die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator jeder Wärmepumpe verringern und dadurch beachtlich den thermodynamischen Wirkungsgrad jeder von ihnen erhöhen, mit abnehmenden Temperaturen, sowohl für die Verdampfer als auch für die Kondensatoren ,in der Richtung des Austretens der Gase und der Luft in der Abführleitung.

Diese zusätzliche Anordnung nach der Erfindung erfordert offensichtlich eine zusätzliche Investition in Material gegenüber einer Anlage, die nur eine Wärmepumpe enthält, bei gleichem Heizwert thermodynamischen Ursprungs, aber die beachtliche Erhöhung des Wirkungsgrades jeder Wärmepumpe (man kann damit rechnen, eine Wirkungsgraderhöhung um 50 bis 100% zu erhalten),bildet den vorteilhaften Gegenwert. Darüber hinaus können die Kompressoren um den gleichen Betrag weniger leistungsfähig, flexibler im Gebrauch und wirtschaftlicher zu unterhalten sein, als leistungsfähigere Kompressoren, die übrigens weniger gängig sind.

Die fragliche Anordnung, die darin besteht, mehrere bei unterschiedlichen, abgestuften Temperaturen arbeitende Wärmepumpen in Gang zu setzen, besitzt darüber hinaus und insbesondere den sehr großen Vorteil, daß sie es zuläßt, in beachtlichem Maße die Flexibilität des Arbeitens des thermodyna-

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mischen Teils der Anlage zu erhöhen, indem sie es zuläßt, die Bestimmung und die Aufteilung der verschiedenen in Gang gesetzten Flüsse von Fluiden zu verfeinern:

In der Abführleitung als Funktion der Temperatur und der relativen Strommengender Verbrennungsgase des Heizkessels und der Außenluft über den Kreis der Verdampfer;und auf gleicher Höhe mit den Kondensatoren, nämlich dem Wärmeaustausch mit dem, was weiter oben "die Zirkulationskreise des Wärmeträgerfluides und zur Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser" genannt wurde.

Zur Vervollständigung der oben definierten Anordnung,deren wesentliche Vorteile gerade aufgezählt wurden, kann eine erfindungsgemäße Anlage vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet sein, daß der elektrische Stromversorgungskreis für die Kompressoren mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die derart ausgebildet ist, daß sie es verhindert, daß zwei oder mehr Kompressoren gleichzeitig die beim Starten auftretende Intensitätsspitze absorbieren.

Es kann sich um eine geeignete Anordnung handeln, insbesondere um eine elektronische. Diese zusätzliche Anordnung erlaubt es, einen hohen Stromverbrauch zu vermeiden, was die elektrischen Versorgungs- und Schutzeinrichtungen der Kompressoren weniger lästig und weniger kostspielig macht, ebenso wie in gewissen Fällen die Versorgung mit elektrischer Energie.

Was.den Bau einer erfindungsgemäßen Anlage anlangt, so ist es vorteilhaft vorzusehen, daß die Abführleitung für Verbrennungsgase des Heizkessels, in der die Verdampfer der Wärmepumpe angeordnet sind, axial gegenüber dem Körper des Heizkessels versetzt ist und sich nach unten in einen unteren Teil der Leitung verlängert, der seitlich gegenüber dem Körper des Heizkessels angeordnet ist, mit oder ohne Zwischenraum zwischen diesen beiden, wobei der untere seitliche Teil der

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Abführleitung den Einlaß bzw. die Einlasse für Außenluft aufweist, ebenso wie die Regelungseinrichtungen für den Durchsatz, die Filter, Ventilatoren mit veränderbarer Geschwindigkeit o.dgl., eine Auslaßleitung für Kondensat oder für zur Reinigung der Verdampfer verwendete Produkte, ggf. ein Mannloch und andere Organe oder Elemente, die zur Unterhaltung oder zur Besichtigung der Leitung nötig sind.

Man sieht, daß eine erfindungsgemäße Anlage zwei funktionell unterschiedliche Teile aufweist: Den klassischen Heizkessel-Teil, mit seinem Heizkörper, und den thermodynamischen Teil mit seiner Abführleitung, der den bzw. die Verdampfer der Wärmepumpe bzw. der Wärmepumpen enthält, ebenso die Lufteinlässe, die Ventilatoren und das Zubehör. Diese Ausführungsform hat den Vorteil der Einfachheit und macht die Entfernung der Kondensate und der ggf. zur Reinigung der Verdampfer verwendeten Produkte sehr einfach, da diese Flüssigkeiten in den unteren seitlichen Teil der Abführleitung hinablaufen, mit Abstand von dem Heizkörper.

Diese Anordnung erlaubt es insbesondere, eine sehr große Menge von Außenluft direkt an die Verdampfer der Abführleitung gelangen zu lassen, ohne daß diese Menge den Heizkessel durchqueren muß, indem man sie die Ableitung benutzen läßt, die der untere Teil der Abführleitung bildet, was es vermeidet, den volumetrischen Wirkungsgrad des Heizkörpers zu beeinträchtigen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann bei der Anlage die Abführleitung wenigstens eine, sich über einen wesentlichen Teil des Querschnitts erstreckende Hindernisbarriere o.dgl. enthalten, die etwa in Höhe der Verbindung der Ableitung mit dem Ausgang der Verbrennungsgase aus dem Heizkessel angeordnet ist. Dadurch wird die Vermischung zwischen den Verbrennungsgasen des Heizkessels (selbstverständlich

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nur dann, wenn dieser in Betrieb ist) und der unten in die Abführleitung eingeführten Außenluft homogenisiert, und zwar bevor dieser Gasstrom den ersten Verdampfer erreicht.

In einer bevorzugten aber nicht zwingenden Ausführungsform, bei der die Abführleitung mehrere (wenigstens zwei) Verdampfer aufweist, kann die Anlage erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet sein, daß die Abführleitung wenigstens eine Umwegleitung mit regelbarem Durchsatz aufweist, die es ermöglicht, den bzw. die Einlasse für Außenluft direkt mit dem zwei aufeinander folgende Verdampfer trennenden Raum in Verbindung zu setzen.

Die Regelungseinrichtung für den Durchsatz in der Umwegleitung kann ein einfacher Schieber sein. Diese erfindungsgemäße Anordnung gibt noch eine weitere Möglichkeit der Regulierung, insbesondere erlaubt sie es, die Funktionstemperatur eines Verdampfers gegenüber dem oder denjenigen zu erhöhen, die stromab angeordnet sind, indem der Durchsatz der Umwegleitung erhöht wird, oder umgekehrt.

Schließlich kann man in der Abführleitung oberhalb des bzw. der Verdampfer eine oder mehrere Beregelungsschienen anordnen. Man kann dadurch mit Leichtigkeit die Verdampfer und die Hindernisbarrieren reinigen. Das Reinigungswasser wird auf dem Boden der Leitung zusammen mit dem Kondensat wieder gesammelt. Man kann daher einen wichtigen Teil der Anlage reinigen, ohne deren Funktion zu unterbrechen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.

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Hierbei zeigen:

Fig. Γ schematisch eine erfindungsgemäße Anlage, deren an den Heizkessel anstoßende Abführleitung einen einzigen Verdampfer einer Wärmepumpe enthält und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Erfindung, deren Abführleitung zwei Verdampfer enthält, die jeder Teil einer unterschiedlichen Wärmepumpe sind.

Die in Fig.1 dargestellte Anlage enthält einen Heizkessel 1 mit einem Heizkörper, der dem Heizkörper eines klassischen Heizkessels entspricht. Er besitzt eine Zuleitung 2 für Fluidicßrennstoff und eine Zuleitung 3 für Verbrennungsluft. Die Zuleitungen 2 und 3 sind regelbar, und wie oben angezeigt, wird die Luftzuleitung 3 auf einen Durchsatz eingestellt, der wesentlich höher ist als für eine stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs nötig wäre. In Form einer Schlange4 ist die Leitung zur Erzeugung von warmem Wasser in dem Heizkessel dargestellt, wobei dieses Wasser durch den Ausgang 5 austritt und abgekühlt nach seiner Verwendung in die Leitung durch den Eingang 6 zurückkehrt.

Der Ausgang 7 für die Verbrennungsgase des Heizkessels 1 steht mit einer Abführleitung 8 in Verbindung, die ihrerseits in ihrem oberen Abschnitt mit einem Gasauslaßkanal 9 in Verbindung steht. Von dem Ausgang 7 an verlängert sich die Leitung 8 nach unten in einen unteren Abschnitt 10, der mit einem abfallenden Abflußboden 11 und einem Auslaß für Flüssigkeit 12 versehen ist. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Lochstein für den Wasserablauf oder irgendeine Ablaßrinne. Wie in der Figur zu sehen ist, ist die Leitung8 gegenüber dem Körper des Heizkessels 1 derart versetzt, daß der untere Abschnitt 10 sich neben dem Heizkessel seitlich befindet und daß die gesamte Leitung 8 von dem Kanal 9

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bis zum Boden 11 die Form einer geraden und senkrechten Säule aufweisen kann.

Diese Säule oder Leitung enthält in ihrem oberen Abschnitt einen Verdampfer 14, der zusammen mit einem Kompressor 15, einem Kondensator 16 und einem Entspanner 17 einen Kompressionskreislauf einer Wärmepumpe bildet, der von einem Kältemittel-Fluid, z.B. Freon, durchströmt wird und nach einem bekannten Kreisprozeß derart arbeitet, daß er die Wärme dem Verdampfer 14 entnimmt und sie an dem Kondensator 16 wieder freigibt. Der untere seitliche Abschnitt 10 der Abführleitung 8 ist darüber hinaus mit einem Einlaß 18 für feuchte Außenluft versehen, die bei 19 gefiltert und in die Leitung mit Hilfe eines Ventilators 20 eingesaugt wird. Die Einrichtungen zur Regelungen der Durchstrommenge an Luft sind nicht dargestellt, es kann zu diesem Zweck ein Ventilator mit mehreren Drehgeschwindigkeiten verwendet werden.

In der Höhe, in der der Auslaß 7 der Verbrennungsgase des Heizkessels 1 in die Leitung 8 mündet, enthält diese eine Hindernisschranke 21, die dazu dient, die Mischung dieser Gase und der bei 18 eingeführten Luft zu homogenisieren. Schließlich enthält die Leitung 8 oberhalb des Verdampfers eine Berieselungsschiene 22, die intermittierend zur Reinigung des Verdampfers und der Hindernisse betätigbar ist. Das Wasser und die anderen Reinigungsprodukte können ebenso wie die bei der Kondensation des in den Verbrennungsgasen und der bei 18 in die Leitung 8 eingeführten feuchten Außenluft enthaltenen Wasserdampfes an dem Verdampfer 14 entstehenden Kondensate nach ihrem Abfließen auf dem geneigten Boden 11 die Leitung durch den Auslaß 12 verlassen.

Was nun die äußeren Leitungen anlangt, so können sie eine Zentralheizungsleitung mit nicht dargestellten Warmwasserradiatoren enthalten, die am Ausgang 5 der Heizleitung 4

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des Heizkessels 1 über eine Pumpe 23 und eine Leitung 24 mit einem Schieber 25 angeschlossen sind. Die Rückkehrleitung der Radiatoren enthält eine Leitung 26 mit einem Schieber 27, die mit dem Rückkehreingang 6 des Heizkessels 1 über das Tauschvolumen 28 des Kondensators 16, eine Leitung 29 mit einem Schieber 30 sowie einen Verteiler 31 in Verbindung steht, der ebenfalls über eine Leitung 32 mit dem Ausgang 5 verbunden ist. Die Leitung 26 ist zusätzlich mit der Leitung stromab des Schiebers 30 durch eine Leitung 33 mit einem Schieber 34 verbunden. Weiterhin verbindet eine Leitung 35 mit einem Schieber 36 die Leitung 24 stromauf des Schiebers mit der Leitung 26 stromab des Schiebers 27, in der durch die Pfeile dargestellten Zirkulationsrichtung des Wassers betrachtet.

Diese äußeren Leitungskreise können zusätzlich eine Leitung zur Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser enthalten. Die Anlage enthält daher einen Apparat zur Erzeugung von Warmwasser, in dessen Tauschvolumen 37 das kalte Wasser bei 38 eingeführt und das warme Wasser bei 39 entnommen wird. Dieser Apparat enthält einen ersten Tauscher 40, der mit dem Tauschvolumen 28 des Kondensators 16 über eine Leitung 41 verbunden ist, in der das Wasser in Richtung der Pfeile zirkuliert, ggf. mit Hilfe einer Pumpe 42, sowie einen zweiten Tauscher 43, der eine Umleitung der Rückkehrleitung 26 der Zentralheizung bildet.

Die eben beschriebene Anlage arbeitet folgendermaßen. Sobald die Heizung von Räumen durch die Zentralheizung erforderlich ist, und angenommen, daß die Schieber 34 und 36 geschlossen und die Schieber 25,27 und 30 geöffnet sind, werden die Pumpen 23 und 42 in Betrieb gesetzt und die Stellung des Verteilers 31 wird automatisch gesteuert, beispielsweise als Funktion der Temperatur in den zu heizenden Räumen. Das lauwarme Rückkehrwasser der Zentralheizung in

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der Leitung 26 besitzt die Temperatur t,. Es wird in dem Tauschvolumen 28 des Kondensators 16 wieder erwärmt und verläßt dieses durch die Leitung 29 mit der Temperatur t₂. Wenn diese Temperatur t₂ zur Zentralheizung nicht ausreicht, leitet der Verteiler 31 die ganze Wassermenge der Leitung 29 oder einen Teil von ihr in den Wärmetauscher 4 des Heizkessels 1. Das Wasser verläßt den Heizkessel bei 5 mit der Temperatur t₃ und vermischt sich mit dem ggf. durch die Leitung 32 gelangenden Wasser. Das derart mit gewünschter Temperatur t, erhaltene Wasser (wobei t» im Prinzip zwischen den Temperaturen t₂ und t₃ liegt) wird in die Zuführleitung24 der Zentralheizung geschickt, wobei die Zirkulation durch die Pumpe 23 gewährleistet wird.

Das sanitäre oder industrielle Warmwasser wird bei 39 mit der Temperatur t_g erhalten.

Die Wärmemenge wird dem Tauschvolumen 37 des Heizapparates mit hoher Temperatur von dem Tauscher 40 und mit niedrigerer Temperatur durch die Umleitung 43 zugeführt. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, wird die den Tauscher 40 versorgende Wärme vollständig dem Tauschvolumen 28 des Kondensators 16 über die Leitung 41 und die Pumpe 42 entnommen.Während dieser Benutzungsperiode der Anlage wird der Brennstoff für den Heizkessel nur in dem Maße verwendet, indem die Enthalpie der bei 18 zugeführten Luft nicht ausreicht, um die notwendige Wärmeenergie über Wärmepumpe dem Kondensator 16 zuzuführen. Jedenfalls erlaubt es die Erfindung, wie weiter oben gezeigt wurde, den oberen Heizwert des Brennstoffes zu verwenden, denn man kann an dem Verdampfer 14 die Verdampfungswärme des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes wiedergewinnen, wodurch sich diese Wärme der Eigenwärme und der gesamten Wärme der entnommenen Außenluft hinzufügt.

Wenn die Temperatur t,- des am Ausgang 39 entnommenen Wassers nicht ausreicht, läßt es das Schließen des Schiebers 30

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und die öffnung des Schiebers 34 zu, das Rückkehrwasser aus der Zentralheizung direkt in den Heizkessel 1 gelangen zu lassen, ohne Vorheizung durch den Kondensator 16, was es erlaubt, die Temperatur tg ansteigen zu lassen, da in diesem Falle alle von dem Kondensator erzeugten Kalorien in dem Tauschkreis 40 ausgenutzt werden.

Während der Perioden, in denen die Zentralheizung nicht nötig ist, kann der Leitungskreis der Radiatoren durch Schließen der Schieber 25 und 27 und öffnen des Schiebers 36 isoliert werden, und der Heizkessel 1 kann außer Betrieb genommen werden. Da die Enthalpie der Außenluft in diesen Zeiten besonders hoch ist, reicht sie ggf. mit einer erhöhten Durchflußmenge zur Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser aus, wobei nur die Wärmepumpe in Betrieb genommen wird.

In der bis hier beschriebenen Anlage, die nur einen einzigen Verdampfer 14 verwendet, kann man insbesondere im Winter einen zu großen Temperaturunterschied zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator feststellen, was einen weniger guten Wirkungsgrad der Wärmepumpe bedeutet. Man kann weiterhin feststellen, daß die durch den Auslaßkanal 9 entweichenden Abgase und Luft noch etwas Wasserdampf enthalten und noch nicht auf eine genügend tiefe Temperatur abgekühlt sind.

Daher kann die Anlage noch nach dem Schema der Figur 2 verbessert werden, indem zwei oder mehr Verdampfer in Betrieb genommen werden.

In der Fig.2 sind manche Organe, Leitungen oder Anlagenteile identisch oder analog, auf die gleiche Art angeordnet oder spielen die gleiche Rolle wie entsprechende Organe, Leitungen oder Anlagenteile in Fig.1. Sie sind jeweils mit Hilfe der gleichen Bezugszeichen bezeichnet, so daß ihre Anordnung, Ausbildung oder Wirkungsweise nicht von Neuem beschrieben werden muß.

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In Figur 2 sind mit 14 a und 14 b die zwei in der Abführleitung 8 angeordneten Verdampfer bezeichnet. Natürlich arbeitet der untere Verdampfer 14a bei höherer Temperatur als der obere Verdampfer 14 b. Diese Verdampfer bilden jeweils einen Teil der beiden unterschiedlichen Wärmepumpenkreise, die dem einzigen Wärmepumpenkreis der Figur 1 entsprechen, und deren Einzelteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, denen der Buchstabe a für die untere Wärmepumpe und der Buchstabe b für die obere Wärmepumpe hinzugefügt wurden. Ebenso wurde mit 21a eine Hindernisschranke bezeichnet, die an der gleichen Stelle wie die Schranke 21 nach Fig.1 angeordnet ist, während mit 21 b eine zwischen den beiden Verdampfern angeordnete Hindernisbarriere bezeichnet wurde.

Diese zweite Barriere liegt in der Höhe des Ausgangs einer seitlichen Umwegleitung 44, die an ihrem Eingang mit einer Durchflußregelungsklappe 45 versehen ist, die es wie schon angezeigt erlaubt,die Anteile von Außenluft zwischen den beiden Verdampfern zu regulieren, um ihre Betriebstemperatur einzustellen. Um andererseits anzuzeigen, daß die Anlage eine größere Leistungsfähigkeit als die vorhergehende besitzt, und daß sie möglicherweise eine größere Menge an Außenluft benötigt, sind in Fig.2 zwei Lufteinlässe 18, zwei Filter und zwei Ventilatoren, beispielsweise in gleicher Weise mit veränderbarer Geschwindigkeit, eingezeichnet.

Was die äußeren Leitungskreise für die Zentralheizung und die Erzeugung von warmem Wasser angeht, so besteht eine vollständige Analogie mit den entsprechenden Kreisen der Fig.1. Jedoch ist eine Teilung der Funktionen zwischen den Tauschvolumen 28 a und 28 b der Kondensatoren 16 a und 16 b der beiden Wärmepumpen festzustellen. Das erste Volumen 28a dient im Prinzip nur als Wärmequelle für den Tauscher 40 des Apparates zur Erzeugung von Warmwasser, denn es liefert ein Wasser mit höherer Temperatur, während das zweite Volumen28b,

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das nur eine niedrigere Temperatur erzeugt, nur zur Vorheizung des Rückkehrwassers aus der Zentralheizung dient, bevor dieses in den Heizkessel eintritt. Man kann indessen eine Verbindung durch eine Leitung 26 mit den Schiebern 47 und zwischen dem Tauschvolumen 28 a und der Leitung 24 - 29 herstellen.

Es ist als besondere Eigenschaft dieser Ausführungsform festzustellen, daß die beiden Kompressoren 15 a und 15 b einer elektronischen Steuerschaltung 49 zugeordnet sind, die derart ausgebildet ist, daß sie das gleichzeitige Starten verhindert, um Stromverbrauchsspitzen zu begrenzen.

Mit diesen Anordnungen kann man, mit ungefähren Werten, bei dem Verdampfer 14a eine Temperatur von 20⁰C, bei dem Kondensator 16a eine Temperatur von 65°C, bei dem Verdampfer 14b eine Temperatur von 0 bis 5°C und bei dem Kondensator 16b eine Temperatur von 40 bis 45°C vorsehen, was es ermöglicht, für jede der beiden Wärmepumpen einen ausgezeichneten Wirkungsgrad zu erhalten, indem der Temperaturunterschied zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator bei jeder Wärmepumpe begrenzt wird.

Weiterhin ist es möglich, daß die durch eine der Einlässe18 eintretende Luft von einer unterschiedlichen Quelle als die durch den anderen Einlaß eintretende Luft stammen kann. Bei dem einen Einlaß kann es sich beispielsweise um Außenluft und bei dem anderen um aus geheizten Räumen stammende Luft handeln, oder auch um Luft, die aus landwirtschaftlich oder industriell genutzten Räumen stammt, in denen große Mengen an Dampf erzeugt werden. Die Durchsätze dieser beiden Einlasse 18 können übrigens unabhängig voneinander regelbar sein.

Im wesentlichen arbeitet die Anlage nach Fig.2 in jeder Hinsicht nach den gleichen Prinzipien wie die nach Fig.1.

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Es versteht sich von selbst, daß sich die Erfindung nicht auf die im einzelnen dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sie umfaßt im Gegenteil alle Varianten. Insbesondere kann man für die äußeren Kreisläufe der Zentralheizung und der Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser ebenso andere Schemata vorsehen, als sie in Fig.1 und 2 dargestellt sind. So kann man im Fall der Fig.2, wo zwei Wärmepumpen verwendet werden, vorsehen, daß die beiden Tauschvolumen 28 a und 28b der Kondensatoren in Reihe zwischen den Leitungen 24 und 29 geschaltet werden, anstatt an getrennte Leitungen angeschlossen zu sein.

Was die Abführleitung 8 angeht, so könnte man sie auch horizontal und nicht vertikal anordnen, insbesondere dann, wenn man wie bei der Heizung von Gebäuden durch die Höhe der Räume begrenzt ist und trotzdem eine relativ große Heizleistung braucht.

Selbstverständlich kann man auch in verschiedene Art die Inbetriebnahme mehrerer Heizkessel mit der Inbetriebnahme mehrerer mit Verdampfern ausgestatteter Abführleitungen kombinieren und jedes Mal nach Belieben die Anteile der verschiedenen von den Heizkesseln und der Außenluft stammenden Wärmemengen regeln.

Die Erfindung schlägt eine Anlage zur Zentralheizung und/ oder zur Produktion von Warmwasser vor, die mindestens eine klassische Wärmequelle nach Art eines Heizkessels mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff sowie mindestens eine thermodynamische Wärmequelle mit einer Wärmepumpe enthält, insbesondere der Art eines thermischen Kompressionskreislaufes.

Eine derartige Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Verdampfer der mindestens einen Wärmepumpe in eine Abführleitung für die Verbrennungsgase des Heizkessels an-

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geordnet ist bzw. sind, und da3 sie einen oder mehrere in Verbindung mit dieser Leitung stehende Einlasse für Außenluft enthält, die mit Einrichtungen zur Regulierung des Durchsatzes versehen sind, wobei der Einlaß stromauf des bzw. der Verdampfer angeordnet ist. Eine derartige Anlage kann zum Heizen von industriell, landwirtschaftlich oder zu Wohnzwecken genutzten Räumen, zur Erzeugung von sanitärem oder industriellem Warmwasser und dergleichen verwendet werden.

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Claims

Ansprüche

M.JAniage zur Zentralheizung und/oder Warmwassererzeugung mit mindestens einer klassischen Wärmequelle z.B. einem Heizkessel mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff, sowie mindestens einer eine Wärmepumpe aufweisenden thermodynamischen Wärmequelle, insbesondere mit einem mit Kompression arbeitenden thermischen Kreis, die von einem geschlossenen Kreislauf gebildet wird, in dem ein Kältemittel-Fluid zirkuliert und der hintereinander in an sich bekannter Art einen Verdampfer, einen Kompressor, einen die eigentliche thermodynamische Wärmequelle bildenden Kondensator und ein Entspannungsorgan für das kondensierte Kältemittel-Fluid enthält, wobei mindestens ein Kreislauf für die Zirkulation des Wärmeträger-Fluids für die Zentralheizung und die sanitäre und/oder industrielle Warmwassererzeugung

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vorgesehen und derart ausgebildet ist, daß er den Sitz des Wärmeaustausches mit den Wärmequellen bildet, und wobei ein Wärmepumpenverdampfer in einer Abführleitung für die Verbrennungsgase des Heizkessels angeordnet ist, in Verbindung mit der stromauf des Verdampfers mindestens ein Einlaß für Außenluft mit regelbarem Durchsatz angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung(8) mehrere unabhängige Verdampfer (14,14a,14b) enthält, die in Austrittsrichtung der Gase (Luft, Wasserdampf und ggf. Verbrennungsgas) gesehen abnehmenden Temperaturen unterworfen sind, und daß jeder Verdampfer (14,14a,14b) einem Kondensator (16,16a,16b) in einem thermischen Kreis mit einer Kompressionswärmepumpe zugeordnet ist, derart, daß der Temperaturunterschied zwischen jedem Verdampfer (14, 14a,14b) und dem zugeordneten Kondensator (16,16a,16b) relativ gering, in der Größenordnung von etwa 40 bis 45°C, ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromversorgungsschaltung für die Kompressoren (15,15a,15b) einer Steuereinrichtung zugeordnet ist, die derart ausgebildet ist, daß sie verhindert, daß zwei oder mehr Kompressoren gleichzeitig die Intensitätsspitze beim Start absorbieren.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführleitung (8) der Verbrennungsgase des Heizkessels (1), in der die Verdampfer (14,14a,14b) der Wärmepumpen angeordnet sind, axial gegenüber dem Körper des Heizkessels (1) versetzt ist und sich nach unten in einen unteren Abschnitt (10) der Leitung (8) verlängert, der seitlich gegenüber dem Körper des Heizkessels (1) mit oder ohne Zwischenraum zu diesem zu liegen kommt, wobei dieser untere, seitliche Teil der Abführleitung (8) den bzw. die Einlasse (18) für Außenluft mit ihren Einrichtungen zur Regelung der Durchflußmenge, Filtern (19),

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Ventilatoren (20) rait regelbarer Geschwindigkeit o.dgl., Ableitungen für Kondensat oder zur Reinigung der Verdampfer verwendeter Erzeugnisse, ggf. ein Mannloch oder andere Organe oder Elemente aufweist, die zur Wartung und Besichtigung der Leitung (8) notwendig sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführleitung (8) wenigstens eine sich über einen wesentlichen Teil ihres Querschnitts erstreckende Hindernisbarriere (21) o.dgl. aufweist, die etwa in der Höhe der Verbindung der Leitung (8) mit dem Ausgang der Verbrennungsgase aus dem Heizkessel (1) angeordnet ist.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführleitung (8) wenigstens eine Umwegleitung (44) mit regelbarem Durchsatz aufweist, die es ermöglicht, den Einlaß (18) bzw. die Einlasse für Außenluft direkt mit dem zwei aufeinander folgende Verdampfer trennenden Raum zu verbinden.
6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der höchsten Temperatur arbeitende Wärmequelle mit einem Wärmetauscher (40) zur Erzeugung von sanitärem und/oder industriellem Warmwasser über Leitungskreise für Wärmeträger-Fluide verbunden ist, die eine Einrichtung zum Aufteilen der Durchflüsse aufweisen, die es ermöglicht, ggf. den Oberschuß an für die sanitäre und/oder industrielle Warmwassererzeugung nicht verbrauchter Wärme für die Zentralheizung zu verwenden.

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