DE3024162A1 - Verfahren zum betrieb einer mit einer verbrennungskraftmaschine verbundenen waermepumpenanlage - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer mit einer verbrennungskraftmaschine verbundenen waermepumpenanlage

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Horst Dr.-Ing. Dr. 6000 Frankfurt Nagel
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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt/M., 20. Juni 1980 Aktiengesellschaft Schr/HGa Reuterweg 14
6000 Frankfurt/M.
Prov. Nr. 8581 LC
Verfahren zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine verbundenen Wärmepumpenanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine verbundenen Wärmepumpenanlage, wobei in einem Wärmeaustauscher Umweltwärme in einen Wärmeträgerkreislauf übertragen wird, dem Wärmeträgerkreislauf in einem Verdampfer Wärme entzogen und auf einen Kältemittelkreislauf übertragen wird, von dem Kältemittel in einem Kondensator Wärme auf einen Heizmittelkreislauf übertragen wird, das Kältemittel in einem mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenem Verdichter komprimiert und wieder in den Verdampfer geleitet wird, Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in einem Wärmeaustauscher auf den Heizmittelkreislauf übertragen wird und die Vorlauftemperatur des Heizmittelkreislaufes zu den Verbraucherstellen geregelt wird.
Es ist bekannt, zur Gebäudebeheizung Wärmepumpen einzusetzen, die Umweltwärme, welche sich auf einem niedrigen Temperaturniveau befindet, unter Aufwendung mechanischer Arbeit auf eine höhere Temperatur bringen und damit zur Beheizung von Gebäuden und anderen Einrichtungen nutzbar
. ' _ , machen.
Als Arbeitsmedien für den Kältemittelkreislauf des üb— liehen Wärmepumpenkreislaufs verwendet man heute
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vorzugsweise fluorierte Kohlenwasserstoffe, die günstige Temperatur-Dampfdruck-Verhältnisse ergeben. Als Quellen der Umweltwärme können das Erdreich, das Grundwasser, ein Flußlauf, die Luft oder die Sonnenstrahlung verwendet werden. Für Heizleistungen bis ca. 200 000 kcal/h (= 233 kW) verwendet man nach dem heutigen Stand der Technik vorzugsweise den Elektromotor zum Antrieb des Kaltemittelverdichters, weil sich dabei die niedrigsten Investitionskosten ergeben. Es ist weiterhin aus zahlreichen Veröffentlichungen und bereits ausgeführten großen Heizzentralen bekannt, daß sich gegenüber dem Wärmepumpensystem mit Elektromotor als Antrieb der Primärenergiebedarf abermals beträchtlich senken läßt, wenn man den Kältemittelkompressor durch eine Verbrennungskraftmaschine antreiben läßt. Diese kann ein Otto- oder Dieselmotor nach dem Zwei- oder Viertaktprinzip sein und mit Benzin, Dieselöl, Gasöl, Petroleum oder Ferngas betrieben werden. Die dabei anfallende Maschinenabwärme aus dem Kühlwasser, Schmieröl und Abgas kann dann über Wärmeaustauscher nützbar gemacht werden.
Der Nachteil des Wärmepumpenantriebs mit einer Verbrennungskraftmaschine liegt in deren geringer Regelbarkeit von etwa 100 bis 70 %. Da durch Jahreszeiten, Tageszeiten und Wetterbedingungen verursacht, der Wärmebedarf eines Gebäudes jedoch in weit größeren Bereichen, praktisch von 100 bis 0 % schwanken kann, ergibt sich die Schwierigkeit, das Wärmeangebot des Wärmepumpenaggregats und den Wärmebedarf des Gebäudes einander an- zupassen. Dies kann dadurch geschehen, daß man die erforderliche höchste Heizleistung auf mehrere Maschinengruppen aufteilt, die je nach dem Wärmebedarf nach-• einander ein- und ausgeschaltet werden, wenn der Regelbereich eines Aggregats ausgeschöpft ist. Dies hat je- doch den Nachteil hoher Investitionskosten und einer großen und komplizierten Heizzentrale. Man wird sie
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daher vorteilhaft nur bei großen Gebäudekomplexen mit großem Gesamt-Wärmebedarf vorsehen können. Ein weiterer Nachteil des Verbrennungsmotors ist, daß häufiges Anlassen und Abschalten den Treibstoffverbrauch und Verschleiß erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wärmepumpenanlage mit Verbrennungsmotor die geschilderten Nachteile zu vermeiden und den Betrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine für schwankenden Wärmebedarf - insbesondere für kleinere Heizungssysteme - kostengünstig zu gestalten.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in einem als Färmespeicher ausgebildeten Wärmeaustauscher aufgefangen wird, bei geringem Wärmebedarf der Verbraucherstellen der Wärmespeicher aufgeheizt und keine oder nur eine geringere Wärmemenge aus dem Wärmespeicher in den Heizmittelkreislauf abgegeben wird, nach Aufheizung des WärmeSpeichers auf eine vorgegebene Temperatur die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet und die Vorlauftemperatur des Heizmittelkreislaufes durch geregelte Abgabe von Wärmemengen aus dem Wärmespeicher eingestellt wird, und nach Abkühlung des Wärmespeichers auf eine vorgegebene Temperatur die Verbrennungskraftmaschine wieder eingeschaltet wird.
Die Größe des FärmeSpeichers wird auf die Motorleistung und den Wärmebedarf der Verbraucherstellen abgestimmt, so daß der Verbrennungsmotor möglichst wenige Male pro 24 Stunden abgestellt und wieder angelassen werden muß. Bei zweckmäßiger Abstimmung kann der Motor gleichbleibend im günstigsten Drehzahlbereich laufen und muß nur zwei- bis dreimal in 24 Stunden abgestellt und wieder angelassen werden. Unter dem Ausdruck "geringem Wärmebedarf" ist ein Wärmebedarf zu verstehen, der unter
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der Wärmemenge liegt, die von der Wärmepumpenanlage unter Ausnutzung der Abwärme des Motors erzeugt wird. Die Abwärme des Motors fällt im Abgas, Schmieröl und Kühlwasser an. Zweckmäßigerweise werden die Wärmeaustauschelemente in dieser Reihenfolge von oben nach unten . im Wärmespeicher angeordnet. Bei der Abgabe von geringen Wärmemengen aus dem Wärmespeicher an den Heizmittelkreislauf kann der Wärmespeicher weiter aufgeheizt werden. Es können jedoch auch solche Wärmemengen abge- · geben werden, daß der Wärmespeicher entladen wird. Dadurch kann für eine bestimmte Zeit ein Mehrbedarf an Wärme gedeckt werden, ohne daß eine Zusatzheizung erforderlich ist.
Eine Ausgestaltung besteht darin, daß bei größerem Wärmebedarf der Verbraucherstellen der Wärmespeicher als Durchlauferhitzer für Heizmittel des Heizmittelkreislaufes betrieben wird. Unter dem Ausdruck "größerem Wärmebedarf" ist der Wärmebedarf zu verstehen, der von der Wärmepumpenanlage unter Ausnutzung der Abwärme des Motors erzeugt werden kann. Der Wärmespeicher kann auf diese Weise als normaler Wärmeaustauscher benutzt werden. Wenn-die maximal erzeugbare Wärmemenge nicht mehr ausreicht, wird eine Zusatzheizung in den Heizmittelkreislauf geschaltet.
Eine Ausgestaltung besteht darin, daß als Speichermedium Rücklaufwasser des Heizmittelkreislaufes verwendet wird. Dadurch lassen sich die Investitionskosten niedrig halten.
Die Erfindung wird an Hand eines Beispiels für die Beheizung eines Gebäudes- unter Verwendung eines Energiedaches als Umweltwärme-Quelle näher erläutert.
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Die Verbrennungskraftmaschine 1 treibt den Verdichter an. Das Kältemittel im Kältemittelkreislauf 3 strömt durch den Kondensator 4, Verdampfer 5 wieder in den Verdichter 2. Der Wärmetauscher 6 für die Umweltwärme besteht aus einer Energiefassade. Die dort vom Wärme-. trägerkreislauf 7 aufgenommene Umweltwärme wird im Verdampfer 5 auf das Kältemittel übertragen. Im Kondensator 4 wird aus dem Kältemittel Wärme auf das Wasser im Heizmittelkreislauf 8a, 8b, 8c, Sd übertragen^ das aus der Rücklaufleitung 8c durch 8d fließt. Die Abwärme des Motors 1 wird über Leitung 9 in den Wärmespeicher geleitet. Zur Vereinfachung ist die Abwärme gesammelt dargestellt und der Rücklauf von Öl und Kühlwasser in den Motor 1 nur angedeutet. Über Leitung 8e fließt aus
-15 der Rücklaufleitung 8c Wasser in den Wärmespeicher 10. Die Verbraucherstellen sind mit 11 bezeichnet. Mit Position 12 ist ein Heizlastverteiler und mit 13 eine Zusatzheizung bezeichnet. Mit dem Buchstaben T sind Temperaturfühler, mit V Ventile und mit M Verstell-
20 motore für die Ventile bezeichnet.
Folgende Werte wurden zugrunde gelegt:
Wärmebedarf des Gebäudes:
Antrieb der Wärmepumpe:
Kältemittelverdichter:
Kältemittel:
Wärmespeicher:
Absorberfläche der Energiefassade :
normal 135 000 kcal/h maximal 225 000 kcal/h 6 ZyI.-Otto-Gasmotor 38 kW, 1800 U/min Schraubenbauart, über Getriebe und lösbare Kupplung vom Gasmotor angetrieben
R 12
10 m3, 85/45 0C Ladezeit 9,6 Stunden
1800m2.
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1. Bei kühler werdendem Wetter wird bei einer nach Temperatur und Zeit entsprechend langen Unterschreitung der Lufttemperatur T^ und verlangten Innentemperatur T2 über den Heizlastverteilungsregler12 die Wärmepumpenanlage angelassen. Der Wasserumlauf der Zentralheizung geht dabei folgenden Weg:
Ventil V 1 - Leitung 8a, 8b,- 8c, 8d. Beim Betrieb mit R 12 lassen sich Vorlauf/Rücklauftemperaturen von 60/45 0C einhalten, was bei einer zeitgemäßen Wärmedämmung des Gebäudes (Doppelfenster usw.) für 60 bis 75 % der Heiztage eine ausreichende Wärmezufuhr sicherstellt. Während dieser Betriebsphase ist das Ventil V 2 geschlossen, so daß die Motorabwärme den Wärmespeicher 10 auf ca. 85 0C auflädt.
Dies ist bei den angegebenen Baugrößen nach 9,6 Stunden geschehen, worauf über die Schaltautomatik des Heizlastverteilers 12 der Motor 1 stillgesetzt wird. Dafür wird jetzt der Wärmebedarf des Gebäudes aus dem Wärmespeicher 10 gedeckt. Hierzu wird über die Fernsteuerung das Ventil V 1 völlig geschlossen und das Dreiwegeventil V 2 in einer Misch-Einstellung teilweise geöffnet. Die Vorlaufleitung 8a, 8b zum Gebäude wird nun mit einem Gemisch aus 44,4 % Rücklaufwasser aus Leitung 8c von 40 0C und 55»5 % Speicherwasser aus dem Wärmespeicher 10 von 85 C beschickt und hat dabei unverändert 60 0C, bis nach ca. 1,5 Stunden der Wärmespeicher 10 durch nachgeführtes Rücklaufwasser abgekühlt worden ist. Über die Regelautomatik wird nun Ventil V 1 wieder geöffnet und das Dreiwege-Mischventil V 2 wieder geschlossen, der Gasmotor 1 wird wieder angelassen und der Kältemittelkreislauf 5. übernimmt wieder in Verbindung mit der Energiefassade 6 die Wärmeversorgung des Gebäudes. Da der Wärmespeicher 10 nun aus dem allgemeinen"Wasserkreislauf wieder herausgenommen ist, kann er sich durch die Motorabwärme wieder von ca. 40 auf 85 0C aufladen,
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bis er nach Erreichung von 85 0C die Wärmeversorgung des Gebäudes allein eine Zeit lang übernehmen kann.
2. Sinkt die Außentemperatur des Gebäudes weiter, so muß bei Aufrechterhaltung der Innentemperatur T^ die Vorlauf temp er atur T-, erhöht werden. Dieses kann in einfachster Weise dadurch geschehen, daß bei geöffnetem Ventil V 1 und laufendem Motor 1 noch zusätzlich Heißwasser aus dem Wärmespeicher 10 über Ventil V 2 dem Gebäudevorlauf 8a, 8b zugesetzt wird. Dabei kann über 4 Stunden lang die Vorlauftemperatur von 60 auf 70 0C angehoben werden. Nimmt man über Nacht eine allgemeine Absenkung der Gebäudetemperatur von 20 auf 16 0C vor und geht nur für die Dauer der Arbeitszeit auf 20 0C, so kann durch diese Maßnahme die Wärmepumpe entlastet und so viel Wärme über Nacht aufgespeichert werden, daß tagsüber 9 Stunden lang T^ = 70 0C Vorlauftemperatur gehalten werden können. Damit ist bei mitteleuropäischen Klimabedingungen ein monovalenter Wärmepumpenbetrieb möglich.
3. Ist bei besonders niedrigen Wintertemperaturen oder schlechter Wärmedämmung des Gebäudes eine höhere Vorlauftemperatur als 70 °Ouber längere Zeiträume bereitzustellen, so muß teilweise oder ganz die Gebäudebeheizung von einer konventionellen Heizkesselanlage 13, die Vorlauftemperaturen bis 90 0C liefern kann, übernommen werden (sogen, bivalenter Betrieb). Dieses Wasser wird über Ventil V 3 in die Leitung 8b eingespeist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß auch bei einem geringeren Wärmebedarf der Verbrennungsmotor im günstigen Drehmomentbereich betrieben werden kann, die überschüssige Wärme in einfacher Weise gespeichert und abgegeben werden kann und der Verbrennungsmotor nur
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wenige Male aus- und eingeschaltet werden muß. Dadurch wird eine beträchtliche Einsparung von Primärenergie erzielt und der Motor geschont.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    (1./Verfahren zum Betrieb einer mit einer Verbrennungskraftmaschine verbundenen Wärmepumpenanlage, wobei in einem Wärmeaustauscher Umweltwärme in einen Wärmeträgerkreislauf übertragen wird, dem Wärmeträgerkreislauf in einem Verdampfer Wärme entzogen und auf einen Kältemittelkreislauf übertragen wird, von dem Kältemittel in einem Kondensator Wärme auf einen Heizmittelkreislauf übertragen wird, das Kältemittel in einem mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenem Verdichter komprimiert und wieder in den Verdampfer geleitet wird, Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in einem Wärmeaustauscher auf den Heizmittelkreislauf übertragen wird und die Vorlauftemperatur des Heizmittelkreislaufes zu den Verbraucherstellen geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine in einem als Wärmespeicher ausgebildeten Wärmeaustauscher aufgefangen wird, bei geringem Wärmebedarf der Verbraucherstellen der Wärmespeicher aufgeheizt und keine oder nur eine geringere Wärmemenge aus dem Wärmespeicher in den Heizmittelkreislauf abgegeben wird, nach Aufheizung des WärmeSpeichers auf eine vorgegebene Temperatur die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet und die Vorlauftemperatur des Heizmittelkreislaufes durch geregelte Abgabe von Wärmemengen aus dem Wärmespeicher eingestellt wird, und nach Abkühlung des Wärmespeichers auf eine vorgegebene Temperatur die Verbrennungskraftmaschine wieder eingeschaltet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei größerem Wärmebedarf der Verbraucherstellen der Wärmespeicher als Durchlauferhitzer für Heizmittel des Heizmittelkreislaufes betrieben wird.
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    ORIGrINAt INSPECTED
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Speichermedium Rücklaufwasser des Heizmittelkreislaufes verwendet wird.
    1-30 06:4/OQ A 8
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