DE3014546C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergie zu Heizzwecken mittels einer Wärmepumpenanlage, bei welcher in einem der Atmosphäre ausgesetzten Wärmetauscher ein Wärmeträger durch die Umgebungs­ energie erwärmt wird und die dabei aufgenommene Energie durch den Wärme­ pumpenprozeß ausgenutzt wird.

Eine derartige Vorrichtung mit einem als Rohrgitter ausgebildeten Wärmetauscher ist grundsätzlich aus der DE-OS 27 43 023 bekannt.

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 Be­ deutung.

Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden (vergleiche z. B. DE-OS 27 28 398 und DE-OS 29 45 052), auf dem Dach des zu beheizenden Gebäudes Wärmetauscher anzuordnen, wobei diese beispielsweise als ebene Platten­ elemente oder als Rohre ausgeführt sein können, die von dem Wärmeträger durchströmt sind. Weiterhin sind Wärmetauscherelemente bekannt, die mit der Dachkonstruktion eines Gebäudes integriert sind. Diese bekannten Wärme­ tauscher werden von der windbewegten Luft zwar angeströmt nicht aber um­ strömt, so daß der Wirkungsgrad relativ gering ist. Da der Wärmeträger üb­ licherweise eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur aufweist, kann es hierbei ferner zu einer Schwitzwasserbildung kommen, welche eine auf­ wendige Unterkonstruktion für das Dach notwendig macht.

Derartige Anlagen, die mit einer Wärmepumpe arbeiten, ermöglichen die Be­ heizung des Gebäudes bei Außentemperaturen von bis zu -2°C. Bei niedrige­ ren Temperaturen sollte mit einem Zwischenspeicher oder aber bivalent, d. h. mit einer Zusatzheizung, gearbeitet werden. Dennoch sind derartige Heizungs­ anlagen geeignet, den Verbrauch von Primärenergie gegenüber herkömmlichen Öl- oder Gasheizungsanlagen um bis zu 70% zu senken.

Der vorliegendenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beheizung von Gebäuden anzugeben, die wesentlich wirtschaftlicher her­ stellbar ist und die ohne größeren wirtschaftlichen und technischen Aufwand auch einen größeren Temperaturbereich ohne schädliche Folgen zuläßt. 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 horizon­ tal angeordneten Platten aus Metallblech besteht, in dem mehrere in Längs­ richtung der Platten verlaufende Kanäle zur Führung des Wärmeträgers inte­ griert sind, daß die Platten in Querrichtung der Kanäle gewölbt oder dach­ artig 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 Wöl­ bung oder die dachartige Ausbildung eine Längenänderung der Platten in dieser Richtung kompensiert werden kann. Eine besonders günstige Ausfüh­ rungsform der Erfindung besteht darin, daß die Platten in Querrichtung der Kanäle gewölbt und in Längsrichtung der Kanäle zur Horizontalen ge­ neigt angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, daß ein Schneebelag von der obersten Platte sowie bei tiefen Außen­ temperaturen 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 erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers sind die übereinandergelegenen Kanäle zweier Metall­ platten durch Rohrstücke verbunden und durchströmt der Wärmeträger die über­ einandergelegenen Kanäle der Metallplatten nacheinander. Die Länge und die Anzahl der Platten sind dabei so ausgelegt, daß bei der niedrigsten Arbeitstem­ peratur von etwa -2 °C der Strömungsweg des Wärmeträgers gerade ausreicht, um diesen 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 Wärme­ träger einsetzbar. Insbesondere für den Fall, daß der Wärmeträger das Kälte­ mittel der Wärmepumpenanlage ist, wird dieser über einen Verteiler in die Kanäle der obersten Metallplatte eingespeist und aus der untersten Metall­ platte herausgeleitet und über einen Sammler dem Kompressor zugeführt. Durch das Einleiten des Wärmeträgers in die obersten Metallplatten 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 Strahlungseinfall bzw. bei einer er­ höhten Temperatur der obersten Platte sollte von unten eingespeist werden, um die Energieaufnahme zu optimieren. Sowohl zwischen dem Verteiler und den Enden der Kanäle der obersten Metallplatte als auch zwischen den Enden der Kanäle der untersten Metallplatte und dem Sammler sind Rohre gleicher Länge vorgesehen. Bei dieser einfachsten Ausführung ist gewährleistet, daß die Strömungsgeschwindigkeit in jedem der parallel zueinander verlaufenden Ka­ näle gleich groß ist. Die Metallplatten sind durch vertikal angeordnete Stre­ ben, die durch Bohrungen in der Nähe der parallel zu den Kanälen verlaufen­ den Längsseiten hindurchgeführt sind, gehaltert und durch über die Streben geschobene Distanzhülsen zueinander in Abstand gehalten. Dabei sind zumin­ dest einige der Streben in Langlöchern angeordnet, so daß Längenänderungen der Metallplatten ohne weiteres möglich sind. Da die Platten zweckmäßiger­ weise aus Kupferblech wegen des hohen Wärmeleitvermögens hergestellt sind, ist unterhalb des Wärmetauschers eine dichte, vorzugsweise aus Kupferblech bestehende Wanne 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 be­ heizenden Gebäudes, zum Beispiel im Garten oder im Hof aufgestellt werden. Der Installateur braucht nur den Wärmetauscher an die Wärmepumpenanlage an­ zuschließen und im Falle einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe den elek­ trischen Anschluß herzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dar­ gestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Auf in einem nicht näher bezeichneten Gerüst befestigten vertikal ange­ ordneten Streben 1 sind mehrere Platten 2 aus Metallblech gehaltert. Diese Platten 2 bestehen aus relativ dünnwandigem Kupferblech von beispiels­ weise 0,5 bis 1 mm, in welches Kanäle 3 nahtlos integriert sind. Die Platten 2, im Ausführungsbeispiel sind dies neun (2 a bis 2 i), sind über­ einander in einem Abstand von ca. 150 mm angeordnet. Für die Abstands­ halterung sorgen über die Streben 1 geschobene Distanzhülsen 4. Die Platten 2 sind gewölbt und in Längsrichtung der Kanäle 3 geneigt ausge­ führt. Unterhalb der Platten 2 a bis 2 i ist eine Wanne 5 aus Kupferblech vorgesehen, in welcher ggf. herabtropfendes Kondenswasser gesammelt wird, um das Eindringen von Kupferionen in das Erdreich zu verhindern.

Der Wärmeträger wird den Kanälen 3 der Platten 2 a, 2 b und 2 c von der Vor­ laufleitung 7 über einen Verteiler 8 und Zuführungsleitungen 9 zugeführt und wird über nicht sichtbare Rohrbögen 6 den Platten 2 d, 2 e und 2 f und von dort über gleich geartete Rohrbögen 6 den Platten 2 g, 2 h und 2 i zuge­ leitet und gelangt von dort über Zuführungsleitungen 10 in einen Sammler 11 und von dort in die nicht dargestellte Rücklaufleitung der Wärmepumpen­ anlage. Die Länge der Zuführungsleitungen 9 und 10 sowie der Rohrbögen 6 soll so abgestimmt sein, daß der Strömungsverlust des Wärmeträgers auf seinem Weg durch die Zuführungsleitungen 9, die Kanäle 3 der Platten 2 a bis 2 c, die Rohrbögen 6, die Kanäle 3 der Platten 2 d bis 2 f, die Rohr­ bögen 6, die Kanäle 3 der Platten 2 g bis 2 i und die Zuleitungen 10 gleich ist, um eine gleichmäßige Durchströmung der Kanäle 3 sicherzustellen. Die Einspeisung des Wärmeträgers in die oberen Platten 2 a bis 2 c hat sich für den Betrieb mit Kältemittel 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 Bereichs oder in unmittelbarer Nähe des Wärmetauschers angeordnet, so daß der Installa­ teur lediglich den Wärmetauscher an die Wärmepumpe und ggf. den elek­ trischen Anschluß für die Wärmepumpenanlage herzustellen hat.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Nutzung von Umgebungsenergie zu Heizzwecken mittels einer Wärmepumpenanlage, bei welcher in einem der Atmosphäre ausgesetzten Wärme­ tauscher ein Wärmeträger durch die Umgebungsenergie erwärmt 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 Längsrichtung der Platten (2) verlaufende Ka­ näle (3) zur Führung des Wärmeträgers integriert sind, daß die Platten (2) in Querrichtung der Kanäle (3) gewölbt oder dachartig und/oder ge­ neigt zur Horizontalen ausgebildet sind und der Abstand zweier benach­ barter 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 Längsrich­ tung der Kanäle (3) zur Horizontalen geneigt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel zwischen 5 und 25° beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Wölbung zwischen 0,5 und 5 m beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zwischen den Kanälen (3) liegenden Be­ reiche der Platten (2) mit einer Profilierung versehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die übereinandergelegenen Kanäle (3) zweier Metallplatten (2) durch Rohrstücke (6) verbunden sind und der Wärme­ träger die übereinandergelegenen Kanäle (3) der Metallplatten (2) nach­ einander durchströmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger das Kältemittel der Wärmepumpenanlage ist und über einen Verteiler (8) in die Kanäle (3) der obersten Metallplatte (2) einge­ speist 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 ge­ kennzeichnet, daß die Platten (2) durch vertikal angeordnete Streben (1) die durch Bohrungen in der Nähe der parallel zu den Kanälen verlaufenden Längsseiten hindurchgeführt sind, gehaltert sind und durch über die Streben (1) geschobene Distanzhülsen (4) zueinander in Abstand gehalten sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Streben (1) in Langlöchern angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unterhalb des Wärmetauschers eine dichte Wanne (5), vorzugsweise aus Kupferblech,angeordnet ist.