DE3014546A1

DE3014546A1 - Vorichtung zur nutzung von umgebungsenergie

Info

Publication number: DE3014546A1
Application number: DE19803014546
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. 3000 Hannover Busch; Klaus 3165 Hänigsen Mannaerts; Gerd 3204 Nordstemmen Moser
Original assignee: Kabel und Metallwerke Gutehoffnungshuette Ag 3000 Hannover; KM Kabelmetal AG
Current assignee: Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshuette Ag 450
Priority date: 1980-04-16
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1981-10-22
Also published as: DE3014546C2

Description

Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergie zu Heizzwecken mittels einer Wärmepumpenanlage, bei welcher in einem der Atmosphäre ausgesetzten Wärmetauscher das Arbeitsmedium durch die Umgebungsenergie erwärmt und ggf. verdampft wird und die dabei aufgenommene Energie durch den Wärmepumpenprozeß ausgenutzt wird.
Durch die zunehmende Verknappung und Verteuerung von Primärenergie wie Erdöl, Erdgas usw. gewinnt die Ausnutzung von Niedertemperaturwärme der Abwärme aus der Umgebungsluft und der Globalstrahlung zunehmend an Bedeutung.
Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, das Dach des zu beheizenden Gebäudes als Wärmetauscher auszubilden, beispielsweise in Form von Kupferblechen, in denen Rohrkanäle integriert sind, die von einem Arbeitsmittel durchströmt sind. Da das Arbeitsmittel,im Normalfall ist dies eine Sole, eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur hat, kann es zu einer Schwitzwasserbildung kommen, welche eine aufwendige Unterkonstruktion für das Dach notwendig nacht. Derartige Anlagen,die mit einer Wärm pumpe arbeiten, möglichen die Beheizung des Gebündes bei Außentemperaturen bis zu -2°C. Bei niedrigeren Temperaturen sollte mit einem Zwischenspeicher oder aber bivalent, d.h. mit einer Zusatzheizung gearbeitet werden. Dennoch sind derartige Heizungsanlagen geeignet, den Verbrauch von Primärenergie gegenüber herkömmlichen Öl- oder Gasheizungs anlagen um bis zu 70 % zu senken.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beheizung von Gebäuden anzugeben, die wesentlich wirtschaftlicher herstellbar ist und die ohne größeren wirtschaftlichen und technischen Aufwand auch eine Direktverdampfung des Kältemittels der Wärmepumpenanlage ermöglicht. Darüber hinaus soll die Anlage dem unterschiedlichen Wärmebedarf verschieden großer Gebäude leicht anpaßbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher aus mindestens zwei im wesentlichen horizontal angeordneten Platten aus Metallblechen besteht, in dem mehrere in Längsrichtung der Platten verlaufende Kanäle zur Führung des Arbeitsmediums integriert sind, daß die Platten in Querrichtung der Kanäle gewölbt oder dachartig und/oder geneigt zur Horizontalen ausgebildet sind und der Abstand zweier benachbarter Platten an jeder Stelle nahezu gleich ist und mindestens 100 mm beträgt. Neben den sich aus der Aufgabenstellung direkt ergebenden Vorteilen zeigt die Vorrichtung gemäß der Lehre der Erfindung noch den Vorteil, daß die Luft zwischen zwei Platten bei jeder Windrichtung umgewälzt wird. Die Wölbung und/oder Neigung der Platten bewirkt, daß die abgekühlte Luft leichter nach unten abströmen kann. Darüber hinaus hat die Wölbung oder die dachartige Ausbildung der Platten noch den Vorteil, daß durch die Wölbung oder die dachartige Ausbildung eine Längen- änderung der Platten in dieser Richtung kompensiert werden kann. Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Platten in Querrichtung der Kanäle gewölbt und in Längsrichtung der Kanäle zur Horizontalen geneigt angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, daß ein Schneebelag von der obersten Platte sowie bei ti@@en Außentemperaturen und Hoher Luftfeuchtigkeit an den übrigen Platten entstehende Reif- bzw.
Eisschichten leicht abrutschen können.
Der Neigungswinkel sollte 5 bis 25° betragen, wogegen der Krümmungsradius der Wölbung zwischen 0,5 und 5 m beträgt.
Die zwischen den Kanälen liegenden Bereiche des Metallbleches sollten mit einer Profilierung versehen sein, um deren Oberfläche zu vergrößern und damit den Wärmetauscher noch kompakter zu gestalten. Nach einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind die übereinandergelegenen Kanäle zweier Metallplatten durch Rohrstücke verbunden und durchströmt das Arbeitsmittel die übereinandergelegenen Kanäle der Metallplatten nacheinander. Die Länge und die Anzahl der Platten sind dabei so ausgelegt, daß bei der niedrigsten Arbeitstemperatur von ca. -2°C der Strömungsweg des Arbeitsmittels gerade ausreicht, um dieses genügend zu erwärmen. Während bei einer dachseitigen Anordnung des Wärmetauschers Kältemittel nicht erlaubt sind und mit Sole gearbeitet werden muß, ist der Wärmetauscher gemäß der Lehre der Erfindung für beide Arbeitsmittel einsetzbar. Insbesondere für den Fall, daß das Arbeitsmittel das Kältemittel der Wärmepumpenanlage ist, wird dieses über einen Verteiler in die Kanäle der obersten Metallplatte eingespeist und aus der untersten Metallplatte herausgeleitet und über einen Sammler dem Kompressor zugeführt. Durch das Einleiten des Arbeitsmittels in die obersten Platten wird eine zu große Überhitzung des Kältemittels vermieden. Soll der Wärmetauscher mit Sole betrieben werden,so ist es zweckmäßig, den Strömungsverlauf der Sole umschaltbar zu gestalten. Bei erhöhtem Strahlungs einfall bzw. bei einer erhöhlten Temperatur der obersten Platte sollte die Einspeisung von unten geschehen, um die Energieaufnahme zu optimieren. Sowohl zwischen dem Verteiler und dcc Enden der Kanäle der obersten Metallplatte als ,auch zwischen den Enden der Kanäle der untersten Mctallplatte und dem Sammler sind Rohre gleicher Länge vorge sehen. Dies ist die einfachste Ausführung, um zu gewährleisten, die Strömungsgeschwindigkeit in jedem der parallel zueinander verlaufenden Kanäle gleich groß zu machen. Die Platten sind durch vertikal angeordnete Streben, die durch Bohrungen in der Nähe der parallel zu den Kanälen verlaufenden Längskanten hindurchgeführt sind, gehaltert und durch über die Streben geschobene Distanzhülsen zueinander in Abstand gehalten. Dabei sind zumindest einige der Streben in Langlöchern angeordnet, so daß Längenänderungen der Platten ohne weiteres möglich sind. Da die Platten zweckmäßigerweise aus Kupferblech wegen des hohen Wärmeleitvermögens hergestellt sind, ist unterhalb des Wärmetauschers eine dichte Wanne, ' vorzugsweise aus Kupferblech angeordnet, die das anfallende Kondenswasser, welches Kupferionen enthalten kann, auffängt. Der Wärmetauscher und die übrigen Teile der Wärmepumpe können an einem geeigneten Ort außerhalb des zu beheizenden Gebäudes, zum Beispiel im Garten oder im Hof aufgestellt werden. Der Installateur braucht nur den Wärmetauscher an die Wärmepumpenanlage anzuschließen und im Falle einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe den elektrischen Anschluß herzustellen.
Die Erfindung ist anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Auf in einem nicht näher bezeichneten Gerüst befestigten vertikal angeordneten Streben 1 sind mehrere Platten 2 aus Metallblech gehaltert. Diese Platten 2 bestehen aus relativ dünnwandigem Kupferblech von beispielsweise 0,5 bis 1 mm, sind in welches Kanäle 3 nahtlos integriert. Die Platten 2, im Ausführungsbeispiel sind dies neun (2a bis 2i), sind übereinander in einem Abstand von ca. 150 mm angeordnet. Für die Abstandshalterung sorgen über die Streben 1 geschobene Distanzhülsen 4. Die Platten 2 sind gewölbt und in Längsrichtung der Kanäle 3 geneigt ausgeführt. Unterhalb der Platten 2a bis 2i ist eine Wanne 5 aus Kupferblech vorge-@he@ , in welcher ggf. herabtropfendes Kondensatorwasser gesammelt wird, um das Eindringen von Kupferionen in das Erdreich zu verhindern.
Das Arbeitsmittel wird den Kanälen 2 der Platten 2a, 2b und 2c von der Vorlaufleitung 7 über einen Verteiler 8 und Zuführungsleitungen 9 zugeführt und wird über nicht sichtbare Rohrbögen 6 den Platten 2d, 2e und 2f und von dort über gleich geartete Rohrbögen 6 den Platten 2g, 2h und 2i zugeleitet und gelangt von dort über Zuführungsleitungen 10 in einen Sammler 11 und von dort in die Rücklaufleitung 12 der Wärmepumpenanlage. Die Länge der Zuführungsleitungen 9 und 10 sowie der Rohrbögen 6 soll so abgestimmt sein, daß der Strömungsverlust des Arbeitsmittels auf seinem Weg durch die Zuführungsleitungen 9, die Kanäle 3 der Platten 2a bis 2c, die Rohrbögen 6, die Kanäle 3 der Platten 2d bis 2f, die Rohrbögen 6, die Kanäle 3 der Platten 2g bis 2i und die Zuleitungen 10 gleich ist, um eine gleichmäßige Durchströmung der Kanäle 3 sicherzustellen. Die Einspeisung des Arbeitsmittels in die oberen Platten 2a bis 2c hat sich für den Betrieb mit Kältemittels als vorteilhaft erwiesen, da somit nahezu sichergestellt ist, daß das Kältemittel nicht zu stark überhitzt wird. Für Solebetrieb hat sich insbesondere bei erhöhtem Strahlungseinfall bzw. erhöhter Temperatur der obersten Platte eine Einspeisung von unten als vorteilhafter erwiesen. Die übrigen Teile der Wärmepumpenanlage sind entweder innerhalb des durch die Streben 1 abgedeckten Bereiches oder in unmittelbarer Nähe des Wärmetauschers angeordnet, so daß der Installateur lediglich den Wärmetauscher an die Wärmepumpe und ggf. den elektrischen Anschluß für die Wärmepumpenanlage herzustellen hat.

Claims

Pa~tenta n sp r ü c h e ¼). Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergie zu Heizzwecken mittels einer Wärmepumpenanlage, bei welcher in einem der Atmosphäre ausgesetzten Wärmetauscher das Arbeitsmedium durch die Umgebungsenergie erwärmt und ggf. verdampft wird und die dabei aufgenommene Energie durch den Wärmepumpenprozeß ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus mindestens zwei im wesentlichen horizontal angeordneten Platten (2) aus Metallblech besteht, in dem mehrere in Längsrich tung der Platten (2) verlaufende Kanäle (3) zur Führung des Arbeitsmediums integriert sind, daß die Platten (2) in Querrichtung der Kanäle (3) gewölbt oder dachartig und/oder geneigt zur Horizontalen ausgebildet sind und der Abstand zweier benachbarter Platten (2) an jeder Stelle nahezu gleich ist und mindestens 100 mm beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2) in Querrichtung der Kanäle (3) gewölbt und in Iängsrichtung der Kanäle (3) zur Horizontalen geneigt angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeigengewinkel zwischen 5 und 25° beträgt
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Wölbung zwischen 0,5 und 5 m beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem dcr folgenden, dadurch gekennzeichnet daß die zwischen den Kanälen (3) liegenden Bereiche der Platten (2) mit einer Profilierung versehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinandergelegenen Kanäle (3) zweier Metallplatten (2) durch-Rohrstücke (6) verbunden sind und das Arbeitsmittel die übereinandergelegenen Kanäle (3) der Metallplatten (2) nacheinander durchströmt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel das Kältemittel der Wärmepumpenanlage ist und über einen Verteiler (8) in die Kanäle (3) der obersten Metallplatte (2) eingespeist und aus der untersten Metallplatte (2) herausgeleitet und über einen Sammler (11) dem Kompressor zugeführt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwischen dem Verteiler (8) und den Enden der Kanäle (3) der obersten Metallplatte (2) als auch zwischen den Enden der Kanäle (3) der untersten Metallplatte (2) und dem Sammler (11) Rohre (9,10) gleicher Länge vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2) durch vertikal angeordnete Streben (1) die Durchbohrungen in der Nähe der parallel zu den Kanten verlaufenden Längskanten @ @@@chgefä@@@t @rig@ @ @@ @t @ sind und durch über die Streben (1) g @@@ @ @@ @@@@zh@@ n (4) zu legender in @@ @ @ gehalten sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumind @t einige der Streben (1) in Langlöchern angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärmetauschers eine dichte Wanne (5), vorzugsweise aus Kupferblech angeordnet ist.