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Raumheizsystem mit Langzeitspeicherung der Wärme in Temperaturstufen.
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Raumheizsystem mit Speicherung
der Wärme in mehreren Temperaturstufen zur Anwendung für Gebäude aller Größen insbesondere
Hochhäusern mit hohem Wärmebedarf und geringer verfügbarer Grundfläche zur Unterbringung
von-Speichern hoher Wärmekapazität.
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Bei derartigen Raumheizsystemen tritt ein hoher Wärmebedarf zu einer
Zeit ein, als die Außentemperaturen niedrig sind und aus der Außenluftund Oberflächengewässer
nur wenig Wärme bei niedrigen Temperaturen entnommen werden kann. Zweck der Erfindung
ist, bei ganzjähriger qualitativ hochwertiger und bequemer Wärmeversorgung den Verbrauch
an Primärenergie zu vermindern.
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Bekannt sind Gas- und Ölzentralheizungen mit direkter Befeuerung.
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Bekannt sind Fernheizsysteme mit Gas, Cl, Kohle, Müll und anderen
Brennstoffen betrieben. Bekannt sind Fernheizsysteme, die die Abwärme von Kraftwerken
nutzen und dabei auf wesentliche Teile der für Stromerzeugung nutzbare Energie zu
Gunsten der Fernwärme verzichten. Bekannt sind Wärmepumpen-Systeme, die aus der
Außenluft oder aus Oberflächengewässer" Wärme entnehmen und diese nach Erhöhung
der Temperatur für Raumheizung nutzbar machen. Bekannt sind Wärmepumpen-Systeme
mit Latentspeicher an ihrer-Kaltseite, die Nasser oder chemische Stoffe als Speichermedium
verwenden.
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Bekannt sind Wärmepumpen-Systeme, die das Erdreich als Wärmequelle
nutzen.und daraus mittels Rohrschlangen wenige Meter unter der Erdoberfläche verlegt
oder mittels Grundwasser die Wärme entnehmen. Mehrere solche Systeme sind im Band
1 und 2 des Fachbuches "Wärmepumpen" Verlag C.F.Müller, Karlsruhe beschrieben. Weitere
sind beim Deutschen Patentamt unter internationaler Klassifikation F 24D, F 24J
sowie Speicher unter F 28D angemeldet z.B: DE-AS 26 08 873, DE-OS 25 40 143 u.a.
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Bekannt sind weiterhin Wärmepumpen als Komponente zu Raumheizsystemen,
die die Abwärme des antrei.benden Gas- oder Dieselmotors zusätzlich zu der aus der
Umwelt nutzen. Die Abwärme des Antriebsmotors nützen auch Aggregate mit Gas- und
Dieselmotoren zur Erzeugung von elektrischer Energie, die allgemein unter Blockheizkraftwerken
angeboten werden0
Gas- und Ölzentralheizungen erreichen durchschnittliche
Energienutzungsgrade um 65%, wobei während ihrer geringen Auslastung im Sommer und
während der Ubergangszeit mit niedrigeren gerechnet werden muß.
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Fernheizwerke erreichen eine bessere Verbrennung der Brennstoffe,
da sie die Wärme in der Regel über lange Rohrleitungen bei Temperaturen zwischen
70 - 95iC zum Verbraucher schicken, dabei entsprechende Verluste erleiden. So verbleiben
beim Verbraucher 60 - 70%..
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Fernheizsysteme mit Abwärme von Dampfkraftwerken nach dem Gegendruck-Verfahren
erreichen im Kraftwerk mit Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie Nutzungsgrade
um 85%. Auch hier geht ein Teil der Wärme verloren. Je nach Entfernung verbleiben
am Ende 60 - 75%. Dabei ist der Anteil der elektrischen Energie hochwertig.
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Wärmepumpen-Systeme, die die Außenluft als Wärmequelle nutzen, erreichen
bei Vorlauftemperaturen von= = 45°C und Außentemperaturen über 0°C, durchschnittliche
Jahresarbeitszahlen von 2 2 # 3. Bei Außentemperaturen zwischen 0 und 15> als
der Wärmebedarf des Gebäudes am höchsten ist, muß auf Zusatzheizung umgeschaltet
werden.
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Wenn Außenluft/ Wasser- Wärmepumpen mit elektrischer Energie angetrieben
werden, muß man berücksichtigen, daß bei der Erzeugung dieser Energie 38% der eingesetzten
Menge genutzt werden kann. Da die als Wärmequelle dienende Außenluft beim größten
Wärmebedarf die niedrigste Temperatur hat,sind diesem System dadurch Grenzen gesetzt,
daß bei niedrigen Entnahmetemperaturen ein entsprechend hoher Verbrauch an hochwertiger
Antriebsenergie notwendig ist, um den Bedarf decken zu können.
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Wärmepumpen-Systeme mit Latentspeicher zur Deckung des Spitzenbedarfs
erreichen Jahresarbeitszahlen ß@ = 2,3 # 3. Die Grenzen dieses Systems werden dadurch
gesetzt, daß der Anteil der Latentwärme bei 0°C relativ groß ist Sei Speichertemperatur
84 = 20*C ist die je kg Wasser gespeicherte Wärme bis zur vollen Vereisung kJ KJ
kJ Qsp = 20K 4,18 + 336,6 = 417 kg K kg kg Der Anteil der bei 0°C gespelcherten
Wärme 333.6 = 0,8 also 80% 417,2
Bei Speichertemperatur#sp - 50°C
ergeben sich 61%. Es ist gut Latentwärme bei 0°C zu haben um damit Kältewellen zu
bewältigen, aber der größere Teil der gespeicherten Wärme sollte so weit wie möglich
über 0°C gespeichert sein. Damit sind höhere Leistungszahlen möglich.
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Wärmepumpen-Systeme mit Latentspeicher, die als Speichermedium chemische
Stoffe benützen, können durch die höhere Schmelztemperatur (#s = 10 ; 30°C) zur
Verbesserung der Jahesarbeitszahl beitragen. Sie sind teuer und brauchen große Speichermassen,
die bei Hochhäusern mit geringer Grundfläche nur in begrenzten Mengen untergebracht
werden können.
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52.irmepumpen-Systeme mit Rohrschlangen als Erdreich-Wärmekollektoren
erreichen Jahresarbeitszahlen vonßj = 2,8 bis 3,5 Grundwasser-Wärmepumpen erreichen
Jahresarbeitszahlen von = = 3;4 X Die beiden letzteren Wärmepumpen-Systeme brauchen
große Grundflächen zur Entnahme der Wärme. Dadurch sind ihrer Anwendung Grenzen
gesetzt, die im unteren Größenbereich der Mehrfamilienhäuser liegen.
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Wärmepumpen mit Verbrennungsmotoren als Antriebsaggregat verbessern
den Nutzungsgrad der Energie durch die Zugabe ihrer Motorabwärme. Die instalierte
Leistung wird für den hohen Wärmebedarf einer Zeit niedriger Außentemperatur berechnet.
Diese hohe Leistung verursacht entsprechend hohe Investitionen, die nur wenige Wochen
im Jahr ausgenutzt wird. Der Leistungsbedarf während des überwiegenden Teils des
Jahres ist erheblich geringer.
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Bei nur geringer Auslastung geht der Wirkungsgrad des Antriebsmotors
zurück.
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Bei Blockhheizkraftwerken ist die Auslastung durch den unterschiedlichen
Strombedarf innerhalb eines Tages großen Schwankungen unterworfen. Nachts sind sie
nur schwach ausgelastet. Ihre Abwärme fällt bei der Erzeugung elektrischer Energie
auch im Sommer an,.wenn dafür nur ein geringer Bedarf entsteht. Diese Wärme mit
Temperaturen zwischen 50 - - 750C bleibt über weite Teile des Jahres nur geringfügig
genutzt.
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Kraftwerke mit Kondensations-Dampfturbinen geben über das ganze Jahr.
bis zu 52% der aufgewendeten Wärme ungenutzt an die Umgebung ab. Dabei entsteht
die widersprüchliche Lage, daß im Winter, wenn die Kraftwerke ihre Abwärme mit 10
. 20iC an die Umgebung abgeben unweit davon Wärmepumpen aus der Außenluft mit 0
. 5'C oder aus dem Erdreich mit 5 , 10°C Wärme entnehmen.
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Da die Leistungszahl einer Kompressions-Wärmepumpe
Funktion des zu überwindenden Temperaturunterschieds ist, müssen Wärmepumpen bei
niedrigen Entnahmetemperaturen mit entsprechend niedrigen Leistungszahlen arbeiten.
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Im Sommer sind die Abgabetemperaturen der Kraftwerke mit Kondensationsturbinen
bei 30 3 35in. Zu dieser Zeit wird aber weniger Wärme gebraucht und die Kraftwerke
müssen die Abwärme über Kühltürme ungenutzt an die Umgebungsluft oder an Gewässer
abgeben.. Angesichts der großen verfügbaren Menge sind Uberlegungen zu ihrer Speicherung
angebracht.
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Die bisher bekannten Techniken mit Wärmepumpen-Systemen haben Raumheizanlagen
ermöglicht, die im Bereich der Einfamilienhäuser brauchbare Lösungen bieten. Ihre
Anwendung in diesem Bereich wird dadurch begünstigt, daß die geringeren Wärmemengen
aus der Außenluft,aus dem Grundwasser oder Erdreich bei relativ großen Grundflächen
gewonnen werden können. Auch Latentspeicher können im relativ großen Keller des
Einfamilienhauses untergebracht werden. In Mehrfamilienhäusern wird ihre Unter bringung
zunehmend schwieriger.
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Bis zu einem gewissen Verhältnis zwischen zu beheizendem Raum und
verfügbarer Grundfläche sind die bisher bekannten Techniken brauchbar. Sie erreichen
die Grenzen ihrer technischen Möglichkeiten dort, wo für größere Gebäude ein entsprechend
großer Speicher auf geringer verfügbarer Grundfläche untergebracht werden soll.
Sie erreichen weiterhin die Grenzen des technisch möglichen Nutzungsgrades der eingesetzten
Primärenergie dadurch, daß sie im Winter über 60% des Wärmebedarfes liefern müssen,
zu einer Zeit, in der je nach Art Entnahmetemperaturen zwischen 0 4 100c möglich
sind. Durch solche niedrige Entnahmetempera-t.
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turen sind nur entsprechend niedrige Leistungszahlen möglich.
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Bei Entnahme der Energie aus der Umwelt wie z. 3. Außenluft oder Sonne
sind tagsüber höhere Entnahmetemperaturen möglich zu. einer Zeit, als für die elektrische
Energie der Normaltarif gültig ist. Mit Schwachlasttarif nachts ist man gezwungen
bei ungünstigen Temperaturen zu arbeiten. Eine gewisse Erleichterung bringen Absorber-Kollektoren
und Absorber-Fassaden,-die sowohl tagsüber als auch nachts arbeiten können0
Aus
diesen Erkenntnissen ergibt sich, daß den bisher bekannten Raumheizsystemen - einschließlich
denen mit Wärmepumpen - die Grenzen insbesondere durch folgende Umstände aufgezwungen
sind: 1. Niedrige Entnahmetemperätur oft gleichzeitig mit dem größten Bedarf.
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2. Begrenzter Raum zur Unterbringung der Langzeitspeicher mit hoher
Kapazität.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Raumheizsystem zu entwickeln, daß in
der Lage ist, Gebäude jeder Größe insbesondere Hoclhhäuser ganzjährig zu behelzen
mit Wärme, die zum großen Teil in der warmen Jahreszeit anfällt. Daraus ergibt sich
die Aufgabe, ein Speichersystem zu entwickeln, daß in der Lage ist, unter den Bedingungen
dichtbesiedelter Stadtteile mit großen Gebäuden und für Speicherzwecke kleinen verfügbaren
Grundflächen, die jeweils notwendige Wärmemenge zu speichern.
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Wenn Wärme im Winter in großen Mengen mit möglichst geringem Verbrauch
an Primü.renergie zur Verfügung gestellt werden soll, so ist erforderlich diese
wann immer sie anfällt möglichst wenig abkühlen zu lassen. Speicher, die Wärme in
großen Mengen erheblich huber der Umgebungstemperatur langfristig aufheben sollen,
müssen gut isoliert sein und sind entsprechend teuer.
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Diese Feststellung trifft auf die Latentspeicher mit chemischen Medien-mit
der Einschränkung zu, daß sie für die gleiche Wärmemenge ein geringeres Volumen
brauchen. Durch ihre hohen Kosten wird ihr Einsatzgebiet begrenzt. Andererseits
fällt nur ein'Teil der Wärme bei- höheren Temperaturen an.
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Die Aufgabe wird erfindungsmäl>i durch das Zusammenwirken mehrerer
vorteilhafter Kombinationen gelöst.
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A Mehrere Speicher, davon ein Teil wärmegedämmt für höhere, andere
mit leitenden Behälterwänden für niedrigere Temperaturen, werden miteinander komEiniert.
(Fig. 1-4) B Die Speicher werden in Reihe geschaltet, um die verfügbare Wärme stufenweise
bei der Temperatur zu speichern, die noch besteht, um die Abkühlung so gering wie
möglich zu halten.
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(Fig. l -3) C Die Speicher wurden im Erdreich versenkt mit dem doppelten
ZieL für ihre Unterbringung g<nLtgend Raum zu gewinnen und die große Masse des
Erdreichs als Speichermedium zu nützen. (Fig.
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3 und 4)
#- M-D Die Speicher wurden räumlich so
angeordnet, daß ihre Verlustwarme vom benachbarten Speicher aufgenommen wird. (Fig.
3 und 4) E Die Temperaturstufen wurden so gewählt, daß jeder Speicher zu seiner
Umgebung einen geringen Temperaturunterschied aufweist. Damit sollen die Verlustwärmeströme
gering gehalten werden. (Fig. 3 und 4) F Die Anpassung der Speicherschaltungen an
die wechselnden Temperaturen wurde einem temperaturabhängigen Steuersystem übertragen.
(Fig. 1,2 und 4) G Die Schaltung des Heizsystems wurde so gestaltet daß Warme aus
den Quellen (1,2,3) wie auch aus Rückgewinnung während und außerhalb des Betriebes
der Wärmepumpe langfristig eingespeichert wird.
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Fig.- 1 zeigt den Schaltplan eines Raumheizsystems mit elektri-.
schem Antrieb.
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Die in Absorber-Fassen (1) gewonnene Wärme wird bei ausreichender
Temperatur
der Heizanlage (7) zugeführt.
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Die Wärmeträgerflüssigkeit wird über Umwälzpumpe (8), Ventile ( 9,10,11,12,13,14
u0 60) zurückgeführt. Bei ausreichender Wärme wird nach Umstellen des Ventils (11)
und bei Betrieb der Umwälzpumpe (62) der Kurzzeitspeicher (63) mit Wärme geladen.
Nach Umstellen des Ventils (12) wird Warmwasserbereiter (51) geladen.
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Falls im Steuergerät (49) festgestellt wird, daß die über Fühler (97)
gemeldete Temperatur im Heizungskreislauf höher ist, als die aus mindestens einem
der Langzeitspeicher (41.44) über Fühler (47) gemeldete, wird Ventil (14) zu Steuerventil
(30) umgestellt.
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Die Trägerflüssi.gkeit wird über Umwälzpumpe (28), Ventile (29 u.
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30) durch die Schleifen (35.38) des Langzeitspeicher-Systems (28;44)
gefördert, wo sie in mehreren Stufen die Wärme abgibt.
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Danach wird sie gut abgekühlt über Ventil (60), Umwälzpumpe- (4) durch
die Absorber-Fassaden (1) geleitet. Da sie hier mit niedriger Temperatur eintritt,
bewirkt sie eine hohe Wärmeausbeute der Absorber-Fassaden, Als Wärmequelle können
gleichzeitig allein oder in Kombination beliebige Vorrichtungen dienen. Die wichtigsten
davon sind: Absorber-Dach Solarkollektoren, Außenluft-Wärmetauscher (3) weiterhin
Vorrichtungen sur Gewinnung der Abwärme wie Luftwärmetauscher für warme Werkstücke,
Kondensatoren (2) von lçraftwerken und Wärmetauscher von Industrieanlagen.
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Die so gewonnene Wärme soll durch rückgewonnene Wärme aus dem Haushalt
erweitert werden. Uber Ventile (52 u. 53) wird die Temperatur des Warmwassers reguliert
das über Dusche (54) ihrer Verwendung zugeführt wird. Danach wird es im Becken (55)
gesammelt, und über Wärmetauscher (56) geleitet Dort verbleibt es bis seine Temperatur
durch Abgabe der Wärme sich der des Speichers angenähert hat. Danach wird Ventil
(54) geöffnet und
das Abwasser in die Kanalisation geleitet.
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Die Sekundärseite des Wärmetauschers (56) wird über Sperrventil (58)
Umwälzpumpe (59) Ventile (29 . 34) mit den Ubertraguntsschleifen (35 . 38) des Langzeitspeicher-Systems
verbunden. Durch die Fördertätigkeit der Umwälzpumpe (59) wird die rückgewonnene
Abwärme in dcts Speicher-System eingebracht. Auf ähnliche Weise wird die Abwärme
der Haushaltgeräte (61) wie z. B. Waschmaschine und Geschirrspülautomat in das Langzeitspeicher-System
eingebracht.
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Festgehalten werden soll, daß sämtliche Vorgänge zum Einspichern der
Wärme jeder Art, lediglich durch geringe Umwälzenergie erledigt werden.
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Reicht die temperatur der Wärme die aus den Wärmequellen (1 ; 3) zugeführt
vnrd für den Vorlauf der Heinzanlage (7) nicht aus, wird der Verdichter (20) der
Wärmepumpe eingeschaltet, Ventil (1.3) zu Verflüssiger (21) umgestellt und Sperrventil
(27) geöffnet.
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Die von den Wärmequellen (1 . 3) gelievfzrte Wärme wird über Verdampferwärmetauscher
(19) dem Wärmepumpen-Kreislauf bestehend weiterhin aus Verdichter (20) Verflüssiger
(21) Expansionsventil (22) zugeführt. Durch die Tätigkeit des Verdichters (20) wird
die Temperatur erhöht und die Wärme über Verflüssigerwärmetauscher (21) der Heianlage
(7) zugeführt. Weitere Heizanlagen (64) sollen parallel geschaltet werden0 Steigt
der Bedarf an Wärme über die Leistungsfähigkeit der ersten Wärmepumpestufe (19 -:
22) wird die zweite Wärmepumpe bestehend aus Verdampfer (23) Verdichter (24) Verflüssiger
(25) und Expansionsventil (26) eingeschaltet. Die beiden Wärmepumpen arbeiten je
nach Bedarf einzeln oder gleichzeitig.
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Wird mittels Fühler (97 und 47) im Steuergerät festgestellt, daß die
Temperatur der Trägerflüssigkeit nach Verlassen der Verdampfer (19 und 23) höher
ist als im Speichermedium (39) wird Ventil (14) zu Steuerventil (30) umgestellt.
Dadurch wird die Trägerflüssigkeit über die Trägerschleife(35 , 38) geleitet und
die Restwärme
dem Speichermedium (39 und 40) übertragen.
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Weitere Wärmequellen können über Schnellkupplungsfälften (71 u.
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72) nach entsprechender Umstellung der Ventile (18 u. 60) angeschloßen
werden (z. B. Bierkühler Milchkühler u. a*) Weitere in Reihe geschaltete oder einzelne
Langzeitspeicher wie (41 .
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44) können über Anschlüße (70) nach Umstellen der Ventile (16 oder
67) zugeschaltet werden.
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soll Wärme aus dem Langzeitspeicher-System entnommen werden, wird
durch Umstellen des Steuerventils (30) die Flußrichtung der Trägerflüssigkeit umgekehrt
und Ventil (14) zu Steuerventil (30) umgestellt. Die Trägerflüssigkeit wird über
entsprechend umgestelltem Mischventil (17) und Ventil (18) zu den Verdampfern (19
u. 23) geleitet wo sie ihre Wärme zur Erhöhung der Temperatur abgibt. Umwälzpumpe
(28) ist dabei in Betrieb.
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Soll Würme aus einer oder mehreren Würmequellen (1#3) und gleichzeitig
aus dem Langzeitspeicher-System zugeführt werde wird das Verhältnis der Mengen über
Mischventil (17) reguliert.
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Fig. 2 zeigt eine Variante des Raumheizsystems bei der die Antriebsenergie
vom Verbrennungsmotor (81) erzeugt wird. Dieser erzeugt bei hohem Bedarf an Strom
mit Generator (82) ausschließlich elektrische Energie die in der Regel über Schalter
(85) in ein eigenes abgegrenztes Netz eingespeist wird. Über Schalter (89) werden
Verbraucher wie z. B. Elektromotoren eines Betriebes oder Haushaltsgeräte angeschloßen.
Da der Bedarf an elektrischer Energie innerhalb eines Arbeitstages großen Schwankungen
unterliegt, wird bei Schwachlastzeiten über Schalter (86) der Elektromotor (87)
des Verdichters (20) der Wärmepumpe zugeschaltet. Die Zahl der zugeschalteten Wärmepumpen
wird von der augnblicklichen Auslastung bestimmt.
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Sinkt der Bedarf an elektrischer Energie soweit ab, daß der Be-.rieb
des Verbrennungsmotors nicht wirtschaftlich wird, ist es zweckmäßig über Schalter
(88) alle Verbraucher ans öffentliche Netz anzuschließen und gleichzeitig über Schalter
(85) die Verbindung zum Generator (82) zu unterbrechen und den Motor (81) abzustellen.
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Der Verdichter (20) der Wärmepumpe kann wahlweise über Elektromotor
(87)oder bei Raumheizsystem@@ die in der Nähe des Verbrennungsmotors sind, über
Nagnetkumpplung (83) und Keilriemenantrieb (84) mit mechanischer Energie angetrieben
werden.
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Der Verbrennungsmotor (81) sollte vorzugsweise ein Gasmotor
werdenl
da Gas in größeren Mengen vorhanden ist und darüber hinaus aus einer Vielzahl von
biologischen Stoffen regenerativ hergestellt @erden kann. Diese sind in großer Anzahl
z. B. aus Klärschlamm aus Stroh, Stallmist, Müll, Eolzabfällen @. a. zu geva.nnen.
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Dieselmotor sollte nur in begründeten Fällen eingesetzt werden.
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Die Abwärme des Verbrennungsmotors soll Stufenweise der durch Wärmepumpe
(19 T 22) geförderte Wärme nach bekanntem Prinzip zugeführt werden. Die über Verflüssigerwärmetauscher
(21) übertragene Wärme soll über in Reihe geschalteten Wärmetauschern (91,94, 96)
erweitert rund gleichzeitig ihre Temperatur erhöht werden. Wärmetauscher (91) überträgt
die mittels Umwälzpumpe (90) im'Kühlkreislauf des Motors (81) und dessen Zylinderköpfen
gewinnbare Abwärme. Wärmetauscher (94) überträgt die im Auspuffsammelrshr (92) gewinnbare
Wärme, wobei die Kühlflüssigkeit mittels Umwilzpumpe (93) im Kreislauf gefördert
wird. Als letzte Temperaturstufe wird über Wärmetauscher (96) die aus den Motorabgasen
der Auspuffanlage (95) gewinnbare Wärme zugeführt. Durch diese Reihenschaltung wird
erreicht, daß die Wärmepumpe nur einen Teil des Temperaturunterschieds überwinden
muß. Dabei kann sie mit guter Leistungszahl arbeiten. Die zusätzliche Erhöhung der
Temperatur durch Motorabwärme macht diese Variante zur Verwendung bei Warmwasser-Radiatoren-Heizung
geeignet.
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führend die vom Verbrennungsmotor erzeugte Energie für andere Zwecke
als Wärmepumpenantrieb verwendet wird, kann die anfallende Abwärme wahlweise direkt
über Ventil (79) zur Heizanlage (7) geleitet werden oder durch Umstellen des Ventile
(79) zu Umwälzpumpe (80) die die Trägerflüssigkeit über Ventil ( 29 u. 30) in die
Trägerschleifen (35 . 38) leitet. Dadurch wird die ÜberschuRJwärme - di.e insbesondere
im Sommer bisher nicht genutzt wurde - gespeichert und zur Deckung des Spitzenbedarfs
verwendet.
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Fig. 3 zeigt die Anordnung der Kurz- und Langzeitspeicher in Draufsicht.
In der Mitte des Feldes sind Kurzzeitspeicher (63) und Warmwasserbereiter (51) angeordnet
da sie die höchste Temperatur haben. Sie haben wärmegedämmte Außenwände. Die Langzeitspeicher
für die höchste Temperaturstufe (41) sind nahe der Kurrzeitspeicher (63 u. 51) angeordnet.
Die übrigen Langzeitspeicher werden je nach Temperaturstufe in entsprechend größerer
Entfernung zur Mitte angeordnet. Als Mitte des Langzeitspeicher-Feldes kann wahlweise
der ungefähre geometrische
Mittelpunkt der Kurzzeitspeicher t51
u. 63) oder eines Gebäudes gewählt werden. Bei anderen Varianten gilt auch die Regel;
Langzeitspeicher mit höherer Temperatur näher, die mit niedrigerer entfernter vom
gewählten Mittelpunkt.
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Fig. 4 zeigtden Schnitt A - II der Fig. 3 , das Schaltungsprinzip
und die Anordnung der Speicher im Erdreich.
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Durch Fühler (47) wird die Temperatur aus jeder Stufe des Langzeitspeichers
an das Steuergerät (49) gemeldet. Bei Wärmezufuhr vergleicht das Steuergerät (49)
die durch Fühler (97) gemeldete Temperatur des Kreislaufs mit der der einzelnen
Temperaturstufen und leitet die Trägerflüssigkeit über die Schleife (35 .
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38) des Langzeitspeichers (41 # 44), dessen Temperatur als nächstniedrigere
festgestellt wurde. Dazu werden vom Steuergerät (49) Impulse an die Steuermagnete
(73) der ventile (31 34; u. 14) gesendet und entsprechend umgestellt.
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Als Beispiel soll folgender Faill dienen: Die Wärmequelle (1) z. B.
Solarkollektor liefert Wärme mit Temperatur von 60°C damit wird die Heizanlage betrieben
und der Kurzzeitspeicher (63) und Warmwasserbereiter (51) geladen. Sie werden Wärme
aufnehmen bis sie etwa 55iC erreicht haben. Das bedeutet, daß nach Laden dieser
Komponenten aus dem Rücklauf des Kreislaufs durch Fühler (97) etwa diese Temperatur
gemeldet wird.
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Vom Fühler (47) wird eine niedrigere Temperatur gemeldet. Daaufhin
sendet. das Steuergerät Impulse zu den oteuerma-gneten (73) der Ventile (31 - 35)
wodurch diese zu den jeweiligen Tragerschleifen umgestellt werden. Durch Ventil
(14) wi wird die Umlenkung zum Speicher bewirkt. Die Trägerflüssigkeit durchfließt
die Schleifen und gibt dabei ihre Wärme an das STeichermedium (39 u. 40) ab. Im
Speicher (43) bis etwa 50oC im nächsten (42) bis 4CoC im dritten (43) bis 30°C und
im letzten bis 2C°C je mach Temperatur der Speicher. Da an den betreffenden Stellen
des umgebenden Erdreichs (46) die Temperaturen niedriger sind als in den Speichern,
wird ein Teil der Wärme dorthin abfließen.
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Will man das verhindern müssen wärmegedämmte Speicherwände -(48) verwendet
werden. Zur Entnahme der Wärme wird durch Umsteuern des Ventils (30) die Flußrichtung
umgekehrt.Da Wärme mit höherer Temperatur nur in geringerer Menge anfällt und auch
schneller abkühlt, ist es zweckmäßig die Speicher für die oberen Temperaturstufen
häufiger möglichst bei jedem Bedarf in Anspruch zu nehmend Dadurch kennen die relativ
hohen Kosten, die solche
Speicher verursachen schneller amortisiert
werden. Auf diese Weise wird z. B. die Abwärme von Waschmaschinen - die in größeren
Gebäuden zentral unterbracht sind und mit nur einem Anschluß an den Wärmetauscher
(56) angeschloßen werden - nutzbar. Der Warmwasserbedarf soll anschließend mit Hilfe
von Nachtstrom zum Teil daraus gedeckt werden. Bei Geschirrspülautomaten liegt der
Fall schwieriger, da sie dezentral aufgestellt sind.
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Fig. 5 zeigt die Temperaturbildung in einem Fall1 in dem der Kurzzeitspeicher
und zwei der oberen Stufen des Langzeitspeichers mit wärmegedämmten Behälterwänden
(48), die übrigen mit Wärme leitenden (74) vorgesehen wurden. Nach Laden des Kurzzeitspeichers
(63) wird darin die Temperatur bis Höhe (A) erreicht. Durch die isolierten Wände
herrscht in der näheren Umgebung eine erheblich niedrigere Temperatur (B). Diese
ist aber höher als die des Erdreichs (K) oder iie Durchschnittstemperatur der Außenluft.
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Der benachbarte Langzeitspeicher (41) z. B. mit Warmwasser erreicht
nach Ladung die erste Temperaturstufe (C) im Niedertemperaturbereich. Da dieser
Speicher (41) auch wärmegedämmt ist, ergeben sich in seiner näheren Umgebung relativ
geringe Temperaturen (B u. D). Die nächste Stufe des Langzeitspeichers (42) z. B.
ein Latentspeicher mit chemischen Mitteln ist auch wärmegedämmt.-Daneben ergeben
sich niedrigere Temperaturen (D u.
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F).
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In den nächsten beiden Stufen (43 u. 44) z. B. Langzeitspeicher in
Tiefbohrungen mit wärmeleitenden Behälterwänden (74) herrschen Temperaturen die
über der des umgebende:n Erdreichs (K) liegen(z. B. 20°u. 300C gegenüber 12 . 140C
im Erdreich). Diese Langzeitspeicher übertragen die ihnen zugeführte Wärme an das
umgebende Erdreich (46) wodurch die Temperatur ihrer näheren Umgebung langsam steigt.
Sie erreichen im Speicher die gedämpften Spitzen (G) und (J) und einen sanften Ubergang
(H) zur nächsten Stufe bzw. zur Temperatur des Erdreichs (K). Da diese Langzeit-Speicher
sehr tief ins Erdreich hineinreichen (100 m und mehr) und außerdem auch die Masse
des umgebenden Erdreichs als Speichermedium utzen.6ind sie in der Lage mit geringem
Speicher~ volumen große Wärmemengen zu speichern. Der überwiegende Teil wird im
Erdreich gespeichert. Durch die langsam eintretenden Verluste an die Umgebung wird
ein Teil der Kurve (F . K) einen zunehmend sanften Ablauf bekommen.
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Entsteht Bedarf an Wärme so werden zunächst der Kurzzeitspeicher
(63)
und Warmwasserbereiter (51) in Anspruch genommen.
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Bei Wärmebedarf der aus dem Langzeitspeicher-System entnommen werden
muß, ist es zweckmäßig zunächst aus der Stufe mit der höchsten Temperatur (41) zu
entnehmen bevor sie abkühlt. Dadurch wird die höchste Leistungszahl der Wärmepumpe
erreicht. Wird nach dem Verdampfer (19 u. 23) (Fig. 1 u. 2) vom Fiihler (97) eine
Temperatur festgestellt die niedriger ist al die des Speichers (42)so ist es zweckmäßig
die Trägerflüssigkeit durch die Schleife (36) dieses Speichers zu leiten und sie
dabei vorzuwärmen. Dadurch wird nur ein Teil der Wärme aus dem Speicher mit höherer
Temperatur entnommen und trotzdem das gleiche Er: gebnis erzielt. Aus den übrigen
Speichern (4'3 u. 44) wird nach gleichen Regeln entnommen.
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Nach langer und kräftiger Entnahme etwa im März oder April verbleiben
im Speicher Temperaturen die im unteren Teil der Fig. 5 dargestellt sind.
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Kurzzeitspeicher (63) wird täglich aufgeladen und erreicht die Normaltemperat@ar
(A). Außerhalb seiner wärmegdämmten Wäde herrscht eine erheblich niedrigere Temperatur
(B). Die Temperatur (L) in der obersten Stufe des Langzeitspeichers (41) liegt in
etwa auf gleicher Höhe mit der des Erdreichs (K). In ihrer näheren Umgebung herrscht
höhere Temperatur (M) die durch di.e wärmegedämmte Wand (48) abs Speichermedium
nicht übertragen werden kann. Ähnlich liegt es mit der Temperatur innerhalb () und
außerhalb (0) des Langzeitspeichers (42).
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Die beiden niedrigsten Temperaturstufen (P US T) der Langzeitspeicher
(43 u. 44) haben ihren niedrigsten.Stand (0°C) erreicht.
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ei dieser Temperatur kann die volle Latentwirme entncmmen werden die
zur Uberwindung von Kältewellen gebraucht wird. Die relativ große Menge der Latentwärme
verhindert, daß die Temperatur des Speichermediums (39) während einer Kaltewelle
unter 0°C sinkt.
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Damit wird gleichzeitig verhindert, daß die Leistungszahl der @ärmepumpe
zu stark abfällt.
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Im umgebenden Erdreich herrschen höhere Temperaturen (S u. T) durch
die den Speichern (43 u. 44) ständig Wärme aus dessen großer Nasse zugeführt wirde
Dadurch wird das Eis im Speicher wieder aufgetaut. Eine entsprechend dicke- Erdschicht
über Langzeitspeicher (43) bzw. ein Wärmedämmpolster (45) im oberen reil &es
Langzeitspeichers (44) soll die Abkühlung der Erdoberfläche über ihnen mindern (Siehe
Fig. 4).
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Fig. 6 zeigt den Stand der Temperaturen nach der Ladung und Leerung
in einem Speichersystem bei dem alle Langzeitspeicher (41 .
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44) wärmeleitende Wände haben.
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Kurzzeitspeicher (63) ist geladen und erreicht die Normaltemperatur
(A). Der Langzeitspeicher (41) erreicht die höchste Temperatur (B). Im Erdreich
zwischen den einzelnen Speichern (63 u. 41 bzw. 41 u. 42) herrschen Temperaturen
die in ihrer Höhe zwischen denen der benachbarten Speicher liegen. Ähnlich ist es
um die beiden letzten Speichern (43 u. 44) mit entsprechend niedrigeren Temperaturen
(D u. E) die uber der des umgebenden Erdreichs (F) liegen.
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Nach Entnahme der Wärme bleibt lediglich der Kurzzeitspeicher (63)
bei der Normaltemperatur (A). Die Temperatur (G) in der erten Stufe des Langzeitspeichers
(41) liegt niedriger als die der höheren Umgebung-(H). Dadurch fließt ihr von dort
ständig Wärme zu, wodurch ihre Temperatur während der Entnahmepausen geringfügig
erhöht wird. Das gleiche trifft bei den übrigen Langzeitspeichern (42 v 44) zu,
wo die höheren Temperaturen der Umgebung (H,K,M,F@ ) für das Zufließen der Wärme
zum jeweiligen Speichermedium mit niedrigerer Temperatur (J,L,N) sorgen.
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Aus dem Erdreich mit einer Temperatur (F) von 12 # 140C wird zu dem
Langzeitspeichern (41 + 44) solange Wärme zufließen bis ein Temperaturunterschied
besteht. Dadurch werden während längerer Entnahme- und Zufuhrpausen etwa im März
- April als Uberschußwärme in nennenswertem Umfang nicht vorhanden ist, die Langzeitspeicher
mit Warme aus dem Erdreich (46) vorgewärmt.
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Fig. 7 zeigt ein Langzeitspeicher-System mit einem zusätzlichen Kreislauf
bestehend aus Trägerschleifen (98) Ventilen (99) und den übrigen Teilen. Zusätzliche
Kreisläufe sind notwendig, wenn die Trägerflüssigketen des Heizsystems und die der
Wärmequellen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung sein müssen, wie z. .
Kühla6gregate Industrie anlagen u. a. Die Anzahl der Kreisläufe soll nach dem jeweiligen
Bedarf bestimmt werden.
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Fi. 8 zeigt Kurven der Leistungszahl
wobei T1= Verflüssigertemperatur (K) T@ = = Verdampfungstemperatur (K) = = Wirkungsgrad
(0,5) = Speichertemperatur (°C)#sp = T2 - 273 + 5
Es ist erkennbar,
daß einer Steigerung der Speichertemperatur (#sp) eine überproportionale Steigerung
der Leistungszahl (# ) entspricht. Diese Steigerung ist bei Niedertemperaturheizung
mit Vorlauftemperatur von 45°C - entsprechend Verflüssigertemperatur T1 = 323 K
(50°C) - kräftiger als bei Warmwasserheizung mit 70°C. Aus diesen Erkenntnissen
ergibt sich die Notwendigkteit den Temperaturunterschied sowohl von der Heizanlage
wie auch von der Wärmequelle zu vermindern. Das bedeutet Heizanlage mit niedrigerer,
Wärmequelle bzw. Speicher mit höherer Temperatur.
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Fig. 9 zeigt den Energiefluß eines Kraftwerks mit Kondensationsturbine
mit Speicherung der Abwärme ( ). Dabei bedeuten: E = Energieeinsatz EN = Netzverluste
E@ = = nutzbare elektrische Energie Ev = unverwertbare Energieverluste Q@ = Abwärme
Fig. 10 zeigt den Energiefluß bei voller Verwendung der erzielbaren elektrischen
Energie für Wärmepumpenantrieb. Diese Situation kann nur eintreten, wenn zu Schwachlastzeiten
einige Kraftwerke ihre Energie ausschließlich für den Antrieb von Wärmepumpen verwenden,
während andere die verminderte Stromversorgung übernehmen.
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Bei einer Speichertemperatur#sp = 1ZQC und eine um 5 K niedrigere
Verdampfungstemperatur T2 = 273 + 12 - 5 = 280 K.
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Bei einer Vorlauftemperatur der Heizanlage von 45°C und einer um 5
K höherer Verflüssigunstemperatur ergibt sich T1 = 237 + 45 + 5 = 323 K Aus den
beiden ergibt sich eine Leistungszahl 323 # 0,5 # = = 3,7 323 - 280 Falls mit 36
% nutzbarer Energie(Et ) und der Leistungszahl von # = 3,7 Wärmepumpen betrieben
werden ergibt sich die Nutzwärme QN QN = 0,36 # 3,7 = 1,33 entspr. 133 % s ist von
besonderer Bedeutung, daß das Kraftwerk während des überdruchschnittlichen Bedarfs
an hochwertiger elektrischer Energie, dafür voll einsatzfähig bleibt mit einem boim
heutigen Stand der Technik @@chstmöglichem Wirkungsgrad. Der Antrieb der Wärmepumpen
erfolgt zu Schwac@lastzeiten.
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Es sollte berücksichtigt werden, daß'der Nutzungsgrad von 133 % bei
einer Speichertemperatur von 129C erzielbar ist. 12 - 14°C ist die natürliche Temperatur
des Erdreichs die durch Zufuhr erheblich erhöht werden soll. Das bewirkt daß die
Wärmepumpe über wesentliche Teile des Jahres mit erheblich höherer Leistungszahl
arbeitet. So z. B. bei Speichertemperautr#sp= 20vC mit = 4,6 und QN = 1.65 (165
%) ig. 11 zeig@ den Energiefluß bei einem Blockheizkraftwerk mit Cas@ctor als kein
Bedarf an Wärme besteht.
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In dieser Zeit werden neben E1,= 29 % hochwertiger elektrischer Ener@ie
die sofort genutzt wird, QA = 54 % Abwärme eingespeichert.
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Weito@ Wärme Qu wird aus der Umwelt zugeführt, z. B. aus Ab@@rber-
Fassaden Solar- Kollektoren oder Kraftwerken.
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Fig. 12 zeigt den EnergiefLuß beim gleichen Blockheizkraftwerk als
aie gesamte mechanische oder elektrische Energie (E@ ) für de@ Wärmepumpenantrieb
verwendet wird. Die Abwärme des Gasmotors erhönt die nutzbare Wärme auf 181 % der
eingesetzten Energie.-Bei Dieselantrieb ergibt sich ein ähnliches Bild.
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Fig. 13 vergleicht die Jahresnutzungsgrade tj) verschiedener Heizanlagen.
Die einzelnen Säulen bedeuten: Säule 1 Nachtstromspeicher Säule 2 Ölzentralheizung
Säule 3 Gaszentralheizung Säule 4 Fernheizwerk Säule 5 Blockheizkraftwerk nach dem
Gegendruckverfahren Säule 6 Außenluft-Wärmepumpe mit elektr. Antrieb u. Zusatzheizung
Säule 7 Außenluft-Wärmepumpe mit elektr. Antrieb u. Latentspeicher kaule 3 Erdkollektor
Wärmepumpe mit elektr. Antrieb Säule 9 Grundwasser-Wärmepumpe mit elektrischem Antrieb
Saule 10 Raunheizsystem mit Stufenspeicher aus Kraftwerksabwärme und elektrischem
Antrieb Säule 11 Raumheizsystem mit Stufenspeicher u. Abwärme des Gasoder.Dieselantriebsmotors
Die mit vollen Konturen dargestellten Säulen zeigen die Höhe der mit der Normaiausführung
ohnc Wärmerückgewinnung erreichbaren Nutzungsgrade (#j). Die darüber angebrachten
gestrichelten Teile zeigen die erkannten Möglichkeiten zu ihrer Verbesserung oder
bereits erzielte höhere Ergebnisse, wie etwa durch Wärmerückge winnung oder überdurchschnittlich@
hohe Speichertemperaturen.
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Die Säule 10 für Raumheizsystem nit Stufenspeicher und Kraftwerksabwärme
stellt
mit ihrer Höhe einen Jahresnutzungsgrad (#j) dar, der entstehen würde, falls das
Wärmepumpen-System über das ganze Jahr mit Entnahmetemperatur von#sp = 12°C arbeiten
würde.
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In Wirklichkeit wird die Entr;ahmetemperatur zwischen 0 und 30°C schwanken.
Da die Erdreichswärme mit Temperatur von 12 # 14° ( um Kraftwerksabwärme im Winter
Ixm 10 # 20°C und im Sommer 3(ì # 35°C erweitert wird, kann mar davon auSf'Qhen,
daß ein vergleichbarer Nutzungsgrad im realistischen Bereich liegt. Dieser Nutzungsgrad
soll durch häufige Zufuhr und kurz darauffolgende Entnahme von Haushaltsabwärme,
- z. B. von Waschmaschinen, Bad und Geschirrspülautomaten - verbessert werden. Je
nach, Menge und Temperatur wird sich die Höhe der Verbescerung des @utzu@gsgrades
innerhalb des gestrichelten Teils der Säule erreichen lassen.
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Ähnlich ist die Lage bei Säule 11, für die Variante mit Abwärme aus
Gas- oder Dieselmotor und Stllfenspeicher. Da bei dieser Variante außer der Umwelt-
oder Kraftwerkswärme auch die Abwärme des Antriebsmotors mit Temperatur von 50 .
79°C benutzt wird, ist der Nutzungsgrad entsprechend höher. Da die Abwärme des Verbrennungmotors
bei höherer Temperatur außerhalb des Bestriebs der Wärmepumpe dem Langzeitspeicher-System
zugeführt wird,ist mit höherer Speichertempertur zu rechnen. Die dargestell te Höhe
des Jahresnutzungsgrades (#j) entspricht einer über das ganze Jahr gleichmäßig bei
ei ender Speichertemper ltur ve #sp = 18°C entnommenen Wärme. Der gestrichelte Teil
stell@ die Höhe dar die durch Zufuhr von zusätzlicher Haushaltungswärme zugeführt
werden kann.
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Insgesamt ergibt sich, daß mit dem Stufenspeicher' gleichzeitig höherer
I1utzungsgrad und größere verfügbare Wärmemenge erreicht wird. Damit wird die Aufgabe
der Wärmeversorgung von großen Gebäuden bei geringerem lGnergievèrbrauch gelöst.
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zLir den Transport der Abwärme von den Kraftwerken zu den entfernter
liegenden Siedlungen sollen Fernleitungen mit wärmeleitenden Wänden benutzt werden.
Diese @ollten im Erdreich bei wenigen Metern unter der Oberfläche verlegt werden.
Sie würden @e@ Tem@eraturen von 20 . 3y?(' einen Teil der Wärme an dar; umgebende
Erdreich übertragen. Diese und eine gewisse Menge Wärme aus dem Erdreich werden
bei n@edrigen Temperaturen im Winter entnommen. Das Lang@eitspeicher-System kann
wahlweise in der Nähe des Verbrauchers oder in größerer Entfernung davon untergebracht
werden.
Diose Mögllchkeit wird durch geringe Verluste beim Transport insbesondere der Niedertemperaturkraftwerksabwärme
begänstigt. Als Langzeitspeicher in Tiefbohrungen mit wärmeleitenden Wänden können
Varianten des DE -P30 03 007.0 -16 oder andere verwendet werden0 Das Steuergerät
(49) soll die Funktionen elektrisch oder besser elektronisch durchführen. Die Entwicklung
der Elektronik insbesondere der Mikroprozessoren-Technik läßt erkennen, daß sie
solche Funktionen vielseitig und zuverlässig erledigen kann. Sie läßt gleichzeitig
ein günstiges Kosten/Nutzen -Verhältnis realisieren. Das gleiche gilt für die Steuerung
der Ventile und der Motoren des Wärmepumpen-Systems.
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Die dort erforderlichen Anschlüsse und das Steuergerät wurden al Gründen
der Ubersicht nicht dargestellt.Die Erfindung bringt folgende Vortcile: Die im Winter
verfügbare Wärmemenge wird erhöht. Der mögliche Nutzungsgrad der Energie wird durch
höhere Entnak.metemperaturen erhöht. Die Auslastung der Kraftwerke und Blockheizkraftwerke
wird höher und zumindest im Winter gleichmäßiger. Die Beheizung von großen Gebäuden
mit geringer Grundfläche mittels Umweltenergie wird möglich. Der höhere Nutzungsgrad
Dei Kraftwerken wird bei größtmöglicher Nutzung der Energie ftir Stromerzeugung
erreicht. Durch Lagerung von Gas--oder Öl, ist eine weitgehend selbstständige und
vielseitige Energieversorgung m@@lich, die längere Versorungslücken überbrücken
kann. Kostend@@pfende Wirkung auf die Erzeugung von elektrischer Energie in Kraftwerken
durch Verwertung der Abwärme. Kostengünstigere elektrische Energ@e darch Erzeugung
mittels Gas- oder Dieselm@teren @@ dezentralen Blockheizkraftwerken bei gleichzeitiger
besserer erwertun der Abwärme.
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Da während des Sommers in den unteren Temperaturstufen des Langzeitspeichers
eine niedrigere Temperatur herrscht als die der Außenluft, ist eine entsprechend
niedrigere Abgabetemperatur der Kühlflüssigkeit möglich, wodurch der Wirkungsgrad
des betreffenden Kraftwerks verbessert wird.
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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.
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L e e r s e i t e