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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energiegewin-
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nung mittels einer Absorberfläche und einer Wärmepumpe, die in einem
Kreislauf mit einem Wärmespeicher liegen, dem Wärme zur Nutzung in weiteren Kreisläufen
mittels Wärmetauschern entnehmbar ist. Unter "Absorberfläche" sird jede einseitig
der Atmosphäre zugewendete und mn Verbindung mit einem flüssigen Transportmedium
stehende Fläche verstanden.
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Einrichtungen dieser art stellen die einfachste Forn der Energiegewinnung
aus der direkten oder indirekten Sonnenstrahlung und der Atmosphäre mittels Warmepumpen
dar.
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Sie arbeiten monovalent.
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Anderen Umweltenergiegewinnungssystemen sind in der Regel durch örtliche
Verhältnisse Grenen gesetzt, so daß zur Deckung des vollen Wärmebedarfs Einrichtungen
mit größerem apparativen Aufwand und zusätzliche Energie aus fossilen Brennstoffen
benötigt werden. Diese Betriebsweise wird als bi- oder trivalent bezeichnet.
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Es sind die unterschiedlichsten Wärmepumpen, insbesondere in Anbindung
an die ihnen zugeordneten Wärmequellen bekannt. Die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe
wird durch ihre Leistungszahl bestimmt. Diese ist umso höher, je geringer die emperaturspreizung
zwischen aufgenommener und abgegebener Wärme ist. Daher wird versucht, nicht nur
durch technische Verbesserungen die Leistungszahl zu steigern, sondern auch Wärmequellen
mit möglichst hoher Temperatur zu nutzen, sowie den Wärmebedarf auf der Abgabeseite
(Verflüssigerseite) mit möglichst niedriger Temperatur zu decken. Bei der Wärmepiimpe
ist die über Wärmetauscheranordnung an den Raum übertragene Wärme Nutzenergie. Zugeführt
wird elektrische Energie für den Antriebsmotor des Verdichters und die vom Verdampfer
aufgenommene
Wärmemenge aus der Umgebung in Abhängigkeit von der
Umgebungstemperatur. Bei der Bewertung der Wärmepumpe wird die Umgebungswärme nicht
als aufwand gerechnet, da sie kostenlos zur Verfügung steht. Jahreszeitenbedingte
und wegen unterschiedlicher agessolarsummen hervorgerufene Schwankungen wirken sich
in der Regel durch erhöhten Stromverbrauch aus, da Spitzen nicht effektiv ausgenutzt
werden können. So entstehen zwangsläufig durchaus auch schnell aufeinander folgende
unterschiedliche Leistungszahlen, die außerdem die inneren Arbeitsdrücke erhöhen,
was sich verschleißfördernd auswirkt, Investitionskosten und Erhaltungsaufwand bestimmen
neben den Stromkosten entscheidend die Wirtschaftlichkeit solcher Einrichtungen.
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er erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art mit geringstmöglichem zusätzlichem Aufwand so weiterzubilden, daß
die erwähnten betrieblichen Schwankungen weitgehend nivelliert werden und Betriebskosten
und Erhaltungsaufwand gesenkt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die Wärmepumpe
e aus zwei getrennten Stufen besteht, die dnrch einen Koppelspeicher gekoppelt sind
und von denen dic erste Utufe dem unteren Teil des der Einrichtung zugrunde gelegten
Temperaturbereiches arbeitet und der Absorberfläche zugeordnet ist, während die
zweite Stufe im an den unteren Teil anschließenden oberen Teil des Temperaturbereichs
arbeitet und dem Wärmespeicher zugeordnet ist. Diese zweistufige Ausführung wird
im folgenden kurz als "leistungsgekoppelte Wärmepumpe" bezeichnet.
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Durch die Unterteilung des vorgegebenen Temperaturbereichs zwischen
der Wärmeaufnahmeseite und der Wärmeabgabeseite
der Einrichtung
in zwei Teilbereiche und ihre Verteilung auf die Verdichter beider Stufen werden
die Temperaturspreizungen der einzelnen Stufen etwa auf die Hälfte der üblichen
Werte verkleinert und ihre (Teil-) Leistungszahlen verbessert, und dies wirkt sich
in der Verbesserung der (Gesamt-) Leistungszahl der Einrichtung aus.
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Zugleich werden auch die Arbeitsdrücke von etwa 1 : 5,5 auf etwa 1
: 2,4 reduziert, was sich in einer betrachtlichen Verlängerung der lebensdauer der
Verdichter bzw.
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Verringerung des Erhaltungsaufwands für die Einrichtung auswirkt.
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Ein für die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Sinrichtung besonders
wertvoller technischer Vorteil gestellt in der Möglichkeit, bei günstigen Wetterverhältnissen,
wenn ausreichende Tagessolarsummen anfallen, die von der Absorberfläche aufgenommene
Wärme unmittelbar in den Koppelspeicher einzuspeisen unter Umgehung der ersten Stufe
der Wärmepumpe, deren Arbeitsleistung dann nicht erforderlich ist. außerdem sind
die Laufzeiten der beiden thermostatisch gesteuerten Stufen unterschiedlich, so
daß sich insgesamt 10 bis 20 ffi der Stromkosten im Vergleich zu üblichen Einrichtungen
einsparen lassen.
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Desweiteren kann es vorteilhaft sein, die Absorberfläche unter Umgehung
der Wärmepumpe unmittelbar mit dem (Haupt-) )\Tärmespeicher zu verbinden, wenn die
Temperaturen der Absorberfläche über denen des Speichers liegen.
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Im folgenden wird als Ausführungsbeispiel für die Erfinübung ein monovalentes
System zur Heizung und Jarmwasserversorgung eines Wohnhauses aus einem Absorberdach
beschrieben. Die Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild der Gesamtanlage.
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Aus der Absorberfläche 1 wird die Wärme mittels eines flüssigen Wärmeträgers,
der von der Pumpe 2 umgewälzt wird, einer Wärmepuinpe 3 zugeführt und von dort mittels
einer weiteren Umwälzpumpe 4 auf höherem Temperaturniveau in den (lIaupt-) Wärmespeicher
5 des Hauses eingespeist. Aus diesem wird nach Bedarf in sekundären Kreisläufen
6, 7 in bekannter Weise mittels Wärmetauschern 8, 9 Wärme für eine Fußbodenheizung
10 bzw. für die Warmwasserversorgung 11 entnommen.
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Die Wärmepumpe 7 besteht aus zwei Stufen I und II, deren jede in bekannter
Weise einen Verdichter 121, 122, einen Verdampfer 131, 132, einen Verflüssiger 141,
142 und ein Expansionsventil 151, 152 aufweist. Die beiden Stufen und II sind über
einen Koppelspeicher 16 energiemäßig miteinander gekoppelt, und zwar liegen der
Verflüssiger 141 der Stufe I und der Verdampfer 132 der Stufe II in dem Koppelspeicher
16. Bei diesen beiden in der Flüssigkeit des Koppelspeichers 16 liegenden Bauteilen
141 und 13,2 handelt es sich um Sonderausführungen, die nach Temperatur und Volumen
des Koppelspeichers und nach der Auslegung der gesamten Einrichtung bemessen sind.
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Die beiden äpeicher 5, 16 haben im Beispiel je 1000 Ltr.
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Inhalt.
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Als weitere Ausstattung ist im Beispiel. noch ein Erd-Latentspeicher
17 von 2000 Ltr. Inhalt vorgesehen. \eitere inzelheiten entsprechen dem Standard
und werden deshalb nicht weiter erläutert.
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Die Absorberfläche 1 kann über 3-Wege-Ventile 18, 19, 20, 21 und einen
sich auf die beiden L;peicher 5, 16 verzweigenden Nebenkreislauf 22 auch unmittelbar
über Wärmetauscher 23 entweder auf den Koppelspeicher 16 oder auf den Wärmespeicher
5 geschaltet werden.
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man erkennt aus dem Schaltbild, daß die beiden Stufen I und II der
leistungsgekoppelten Wärmepumpe 3 in Kaskade geschaltet sind. Den Umweltwärmeanteil
aus der Absorberfläche 1 oder dem Erd-Latentspeicher 17 übernimmt die erste Verdichterstufe
I und gibt ihn auf höherem Temperaturniveau in den Koppelspeicher 16 ab, der eine
Wärmetauscherfunktion ausübt. Die Temperatur seines Inhalts beträgt 250 C bis maximal
300 0. Die zweite Verdichterstufe II benutzt den Koppelspeicher 16 als Wärmequelle
und überführt die diesem entnommene Wärmemenge auf höherem Temperaturnivean in den
Wärmespeicher 5, dessen Temperatur im Mittel 450 C beträgt. Aus ihm wird über die
umströmten järmetauscher 8, 9 die Wärmeversorgung für das Haus entnommen.
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Die Einrichtung kann je nach Jahreszeit und Außentemperatur in verschiedenen
Stufen betriebsn werden: 1. Bei tiefster Außentemperatur von 150 C steht der Stufe
I aus dem Erd-Latentspeicher 17 ausreichend Energie mit einer Temperatur um 0° C
zur Verfügung.
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Bei einer hoch angesetzten Verdampfertemperatur von -10° C betragen
die Temperaturspreizungen zwischen Verdampfer und Verflüssiger in der otufe I 350
C und in der Stufe II 200 C, insgesamt also 55° C im Mittel. - Bei diesem Betriebszustand
- Außentemperatur nachts -150 C - wird eine gemeinsame Arbeitszahl um 2,8 erreicht.
Am Tage werden bei Sonneneinstrahlung bereits im Januar, auch bei niedrigsten Lufttemperaturen,
Absorbertemperaturen bis +15° C erzielt. Da die Stufe I nie mehr als 300 C erreichen
muß, bedeutet dies optimale nutzung der Solarsummen und äußerst wirtschaftliche
Betriebsweise.
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2. Bei einer Außentemperatur unter +100 C wird über die Regeltechnik
der Einrichtung mit dem 3-Wege-Ventil 19 jeweils die Quelle mit der höheren Temperatur
-Absorberfläche 1 oder Erd-Latentspeicher 17 - auf die Stufe 1 geschaltet.
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3. Bereits ab Mitte März werden bei Sonneneinstrahlung Absorbertemperaturen
von über 300 C erreicht. über die Ventile 20 und 21 wird die Absorberfläche 1 in
einem Kreislauf, in dem die Pumpe 2, der Verdampfer 131 und der Wärmetauscher 23
liegen, unmittelbar mit dem Koppelspeicher 16 verbunden. Der Verdichter 121 der
Stufe I wird abgeschaltet und der von ihm benötigte Stromanteil eingespart. Da die
Stufe II auf eine Verdampfertemperatur von 250 C ausgelegt ist, wird bei diesem
Betriebszustand eine Leistungszahl erreicht, die über 5 liegt.
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4. Bereits ab Mitte April werden infolge des höheren Sonnenstandes
Absorbertemperaturen von über 50° C erzielt. Nunmehr wird die Absorberfläche 1 durch
Umschaltung des Ventils 21 unmittelbar auf den Wärmetauscher 23 im Wärmespeicher
5 geschaltet. Bei diesem Betriebszustand dient der Wärmegewinn aus Solarenergie
direkt zur Raumheizung und Warmwasserbereitung.
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5. Wälirend der Sommermonate Mai bis August erreicht die Absorberfläche
1 bei direkter Sonneneinstrahlung Temperaturen von 30 bis 40° C über der Lufttemperatur.
bei 300 Temperaturdifferenz liefert eine Absorberfläche von 40 m2 24 kW pro Stunde.
Der Sageswarmwanserbedarf eines Fünf-Personen-Haushaltes (250 Ltr.) kann mit 9 kW
gedeckt werden, so daß die Tagessolarsummen über die Warmwasserversorgung hinaus
zur
direkten Aufheizung des Erd-Latentspeichers 17 und des ihn umgebenden Erdreiches
verwendet werden können. Die Absorberfläche 1 liegt dann mit der Pumpe 2 und dem
Verdampfer 131 über die Ventile 20, 19, 18 mit dem Erd-Latentspeicher 17 in einem
geschlossenen Kreislauf.
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Ein 1000-itr.-Speicher enthält einen genügenden Vriärmevorrat zur
überbrückung sonnenloser Tage, so daß während der jommermonste die Warmwasserbereitung
ausschließlich aus Solarenergie erfolgt. Für den Tagesbedarf werden etwa 100 W Strom
für die Umwälzpumpe 5 verbraucht.
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Mit der erfindungsgemaßen Einrichtung läßt sich in monovalenter Betriebsweise
die Umweltwärme mit geringen Zusatzenergieanteilen und niedrigem Investitionsaufwand
größtmöglich nützen. Die Koppelung von zwei Verdichtern über einen Koppelspeicher
zu einer Wärmepumpe bietet eine besonders schonende und wirtschaftliche Betriebsweise
der beiden Verdichter, weil die Arbeitslast auf sie verteilt wird.
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L e e r s e i t e