DE3205059A1

DE3205059A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufheizen eines heizmediums in zumindest zwei aufeinanderfolgenden aufwaermstufen eines einzigen heizkreises mittels einer waermepumpe

Info

Publication number: DE3205059A1
Application number: DE19823205059
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 5138 Heinsberg Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1983-08-18

Description

Beschreibunp;

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufheizen eines Heizmediums in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Aufwärmstufen eines, einzigen Heizkreises mittels einer Wärmepumpe.

Bei einer bekannten nach dem vorgenannten Verfahren betriebenen Wärmepumpenanlage ist eine verbrennungsmotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpe vorgesehen, bei der der Verflüssiger des Kältemittelkreislaufs die untere Aufwärmstufe des einzigen Heizkreises mit Wärme versorgt. Die nachgeordnete obere Aufwärmstufe erhält ihre Wärme vom Kühlsystem des Verbrennungsmotors, der über eine Antriebswelle den Wärmepumpenkompressor antreibt. Nach der oberen Aufwärmstufe befindet sich im Heizkreis ein Wärmepuffer, der mit dem eigentlichen Wärmeverbraucher über ein Vor- und Rückleitungssystem wärmetechnisch verschaltet ist. Vor der unteren Wärmestufe ist im Heizkreis die Umwälzpumpe des Gesamtsystems angeordnet, die die Zirkulation des Heizmediums, üblicherweise Wasser, besorgt.

Bei der bekannten Anlage entspricht der Durchsatz des Heizwassers in der unteren Aufwärmstufe dem Durchsatz in der oberen Aufwärmstufe. Entsprechend der apparativen Gestaltung des Verflüssigers und des Wärmetauschers des Kühlsystems des Verbrennungsmotors ergeben sich konstante Durchströmungsverhältnisse des Heizmediums im Heizkreis. Dies hat den Nachteil, daß beide Aufwärmstufen jeweils für sich betrachtet für Jeden Betriebszustand der Anlage bei schwankendem Wärmebedarf und wechselnden Umgebungstemperaturen wärme- und heiztechnisch nicht optimal betrieben werden können. Zur Erzielung einer ausreichenden Temperatursteigerung zwischen Eintritt in die untere Aufwärmstufe und Austritt aus der oberen Aufwärmstufe des Heizkreises muß im praktischen Betrieb die Durchfluß-

menge stark gedrosselt werden. Dadurch hat man im Verflüssigei' nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten und infolgedessen einen schlechten Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Heizwasser. Verzichtet man auf die Drüsig seiung der Durchflußmenge, erfolgt keine ausreichende Temperatursteigerung. Außerdem liegen die Kühlwassertemperaturen für den Antriebsmotor im praktischen Betrieb zu niedrig.

Um die untere Aufwärmstufe an die obere Aufwärmstufe anzupassen, beispielsweise die Kühlwassertemperatur der oberen Aufwärmstufe auf ein höheres Niveau anzuheben (sofern keine Drosselung der Durchflußmenge in der unteren Aufwärmstufe erfolgt), behilft man sich nach dem Stand der Technik zwecks Vermeidung vorgenannter Nachteile durch Anordnung eines zwischengeschalteten Wärmetauschers in den Heizkreis. Der Zwischenwärmetauscher kann durch eine separate Wärmequelle oder durch eine Wärmequelle des bereits vorhandenen Systems gespeist sein, beispielsweise durch das Abgassystem des Verbrennungsmotors, der den Wärmepumpenkompressor antreibt. Vorteilhafte Weiterbildungen nach dem Stand der Technik · kennzeichnen sich durch individuelle Zu- oder Abschaltung derartiger Zwischenwärmetauscher je nach Betriebszustand der Anlage. Zwischenwärmetauscher erhöhen jedoch den apparativen Aufwand enorm.

Eine andere Ausgestaltung nach dem Stand der Technik sieht vor, die obere Aufwärmstufe von der unteren Aufwärmstufe vollständig abzukoppeln, so daß zwei getrennte Heizkreise vorgesehen sind, die individuell wärme- und heiztechnisch optimal betrieben werden können. Zwei separate Heizkreise verlangen jedoch zumindest eine zusätzliche Umwälzpumpe und einen zusätzlichen Wärmepuf-

$5 fer, so daß auch dann der bauliche Aufwand der Anlage erheblich ist. Nachteilig bei der letztgenannten Alter-

native ist es ferner, daß der Wärmebedarf der beiden Heizkreise nicht in jedem Betriebszustand (Sommer-Winter) dem jeweiligen Wärmeangebot entspricht.

Aufbauend auf den vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufheizen eines Heizmediums der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. der die aufeinanderfolgenden Aufwärmstufen des einzigen Heizkreises mit Hilfe sehr einfacher Mittel wärmetechnisch optimal fortwährend aufeinander abgestimmt werden können.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die/eine untere Aufwärmstufe des Heizkreises zumindest von einem Teil des geregelten Heizmediums mehrfach durchströmt wird.

Der Teil der Mehrfachdurchströmung in der unteren Aufwärmstufe wird insbesondere durch die Ausgangstemperatür des Heizmediums der oberen (letzten) Aufwärmstufe geregelt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Mehrfachdurchströmung durch die Umwälzpumpe des Gesamtsystems bewirkt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine verbrennungsmotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpe, bei der der Verflüssiger des Kältemittelkreislaufs in der unteren Aufwärmstufe und das Kühl- und/oder das Abgassystem des den Wärmepumpenkompressor antreibenden Verbrennungsmotors in der oberen Aufwärmstufe angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich insbesondere durch eine ein Regulierventil enthaltende zwischen Ausgang und Eingang der unteren Aufwärmstufe angeordnete Rück!aufleitung.

Die einzige Umwälzpumpe des Gesamtsystems liegt insbesondere vor der unteren Aufwärmstufe im Heizkreis, wobei die Rücklaufleitung vor der Umwälzpumpe in den Heizkreis einmündet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Ausgangsleitung der oberen (letzten) Aufwärmstufe ein mit dem Regulierventil verbundener Thermostat angeordnet, dessen eingestellte Temperatur die Durchflußmenge in der Rücklaufleitung regelt.

Der Thermostat umfaßt zweckmäßigerweise eine Bypass-Leitung, durch die bei geschlossenem Thermostaten eine Mindestdurchflußmenge in der oberen Aufwärmstufe sichergestellt ist, um in der Anlaufphase Überhitzungen in den einzelnen Aufheizstufen auszuschließen.

Durch die Erfindung wird somit mit Hilfe verblüffend einfacher Mittel durch Anordnung einer geregelten Rücklaufleitung bei der unteren Aufwärmstufe eine fortwährende Abstimmung beider Aufwärmstufen in wärme- und heiztechnischer Hinsicht bei vorgegebener apparativer Ausgestaltung der Gesamtanlage möglich. Auf zusätzliche Zwischenwärmetauscher und Umwälzpumpen nach dem Stand der Technik kann verzichtet werden. Durch die Rücklaufleitung können in der unteren Aufwärmstufe im Bereich des Verflüssigers größere Durchströmungsgeschwindigkeiten bei geringer Durchströmung in der oberen Aufwärmstufe bewerkstelligt werden, um einen guten Wärmeübergang auf das aufzuheizende Wasser in der unteren Aufwärmstufe und eine hohe Temperatursteigerung zu schaffen. Die regelungstechnischen Mittel sind einfacher Art. Ohne weiteres kann auf ausgereiftes bekanntes regelungstechnisches Gerät zurückgegriffen werden, wodurch sich eine weitere Kostenreduzierung der Vorrichtung ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur mit Hilfe einer Kompressionswärmepumpe betreibbar, sondern auch mit einer Absorptionswärmepumpe,

bei der die Abwärme vom Absorber in der ersten Aufwärmstufe und die Uberschußwärme der dem Austreiber zugeführten Energie zum Aufheizen des Wassers in der zweiten Aufwäxmstufe ausgenützt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführuncsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Pig. 1 eine schematische dargestellte Vorrichtung zum

Aufheizen eines Heizmediums in zwei aufeinanderfolgenden Aufwärmstufen eines einzigen Heizkreises nach dem Stand der Technik,

Pig. 2 eine andere bekannte Aufheizvorrichtung mit zwei Heizkreisen in schematischer Darstellung, und

Pig. 3 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung insbesondere

in einem Vergleich zur Vorrichtung nach Fig. 1. 20

Die in Fig. 1 veranschaulichte Wärmepumpenanlage 1 nach dem Stand der Technik umfaßt eine untere Aufwärmstufe 2 und eine obere Aufwärmstufe 3 in einem einzigen Heizkreis 4.

Die untere Aufwärmstufe 2 wird durch einen Verflüssiger mit Wärme versorgt, der in den Kältemittelkreislauf 20 geschaltet ist. Nach dem Verflüssiger 8 befindet sich im Kältemittelkreislauf 20 ein Drosselventil.13 * dem der Verdampfer 1A- nachgeschaltet ist. Im Betrieb wird das entspannte Kältemittel nach dem Drosselventil 13 durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung 21 im Verdampfer 14 verdampft und durch den Kompressor 15 auf hohes Druckniveau gebracht. Das komprimierte Kältemittel wird alsdann im Verflüssiger 8 unter Wärmeabgabe in der unteren Aufwärmstufe 2 des Heizkreises 4- verflüssigt, bevor es durch das Drosselventil 13 wieder entspannt wird.

Der Kompressor 15 wird über eine Antriebswelle 17 durch einen Verbrennungsmotor 16 angetrieben, dessen (nicht im einzelnen dargestelltes) Kühlsystem die obere Aufwärmstufe 3 des Heizkreises 4 bildet. Der Verbrennungsmotor 16 besitzt einen Auspuff 18, dessen Warme im Betrieb ebenfalls zum Aufheizen des Heizmediums verwendet werden kann.

Nach der oberen Aufwärmstufe 3 führt der Heizkreis 4 zu einem Wärmepuffer 9 mit einem Vorlauf 11 und einem Rücklauf 12 zu einem (nicht dargestellten) Wärmeverbraucher. Zwischen Wärmepuffer 9 und Verflüssiger 8 ist im Heizkreis 4 eine Umwälzpumpe 5 angeordnet, so daß sich ein geschlossenes Heizkreissystem ergibt. Die Umwälzpumpe 5 besorgt eine Zirkulation des aufzuheizenden Heizmediums sowohl in der unteren Aufwärmstufe 2 als auch in der oberen Aufwärmstufe 3 bei konstanten Durchströmungsverhältnissen des Heizmediums ohne individuelle Abstimmbarkeit zwischen den einzelnen Aufwärmstufen für den jeweiligen Betriebszustand der Anlage. Ein wärme- und heiztechnisches Optimum der Anlage ist nicht für Jeden Betriebszustand gewährleistet.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Aufheizvorrichtung mit zwei separaten Heizkreisen 25 und 26. Der untere Heizkreis 25 entspricht der unteren Aufwärmstufe 2 des Ausführungsbeispiels nach Fig.1 und speist einen Wärmeverbraucher 23 in Form eines Warmwasserspeichers. Der obere Heizkreis 26 entspricht der oberen Aufwärmstufe 3 des Ausführungsbeispiels nach Pig.1 und speist einen Wärmeverbraucher 28 in Form einer Raumheizung. Ersichtlich können hier zwar beide Heizkreise individuell betrieben werden, die Anlage ist jedoch vergleichsweise aufwendig, wobei der Wärmebedarf in beiden Heizkreisen nicht in jedem Betriebszustand (Sommer-Winter) dem jeweiligen Wärmeangebot entspricht.

-Q-

Erfindungsgemäß ist gemäß Fig. 3 eine Wärmepumpenanlage mit einem einzigen Heizkreis 4 und Einζelaggregaten wie nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. T vorgesehen. Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zwischen dem Ausgang und dem Eingang der unteren Aufwärmstufe 2 ist eine Bücklaufleitung 10 angeordnet, die vor der Umwälzpumpe 5 in den Heizkreis einmündet und ein Regulierventil 6 umfaßt, das mit einem Thermostaten 7 steuerungstechnisch verbunden ist, der sich in der Ausgängsleitung des Heizkreises 4 nach der oberen Aufwärmstufe 3 befindet. Das in den nicht dargestellten Wärmeverbrauchern abgekühlte Wasser wird nach dem Wärmepuffer 9 mittels der Umwälzpumpe 5 durch die untere Aufwärmstufe 2 des Heizkreises 4 gepumpt, und zwar durch den Verflüssiger 8 des Kältemittelkreislaufs 20. Ein Teil des Wassers fließt nach dem Verflüssiger 8 zur oberen Aufwärmstufe 3» bestehend aus einem Auspuff-Wärmetauscher 19 und einer nachgeordneten Wärmetauscheranordnung, die durch das Kühlsystem des Verbrennungsmotors 16 gebildet ist. Nach der oberen Aufwärmstufe 3 gelangt das aufgeheizte Heißwasser zum Wärmepuffer 9 und von dort bedarfsweise in einem Zirkulationssystem mit Vor- , lauf 11 und Rücklauf 12 zu den einzelnen (nicht dargestellten) Wärmeverbrauchern. Die üurchflußmenge wird durch den Thermostaten 7 geregelt.

Der Teil des von der Umwälzpumpe 5 geförderten Heizwassers, der nicht der oberen Aufwärmstufe 3 zugeleitet wird, wird durch die Rücklaufleitung 10, gedrosselt durch das Regulierventil 9» wieder dem Eingang der unteren Aufwärmstufe 2 zugeführt. Die Einmündung erfolgt vor der Umwälzpumpe 5· Auf diese Weise kann der in den Kältemittelkreislauf 20 geschaltete Verflüssiger 8 vom aufzuheizenden Medium mehrmals durchströmt werden, so daß sich aufgrund der größeren Strömungsgeschwindigkeit im Verflüssiger ein verbesserter Wärmeübergang ergibt und der Verflüssiger insgesamt klein dimensioniert werden

kann. Ersichtlich ist durch die erfindungsgemaße Mehrfachdurchströmung in der unteren Aufwärmstufe 2 eine wärme- und heiztechnische Anpassung zwischen den einzelnen (beiden) Aufwärmstufen des gleichen Heizkreises 4-möglich. Die Regelung der Durchflußmenge erfolgt durch den Thermostaten 7» der mit dem Regulierventil 6 verbunden ist.

Claims

Dipl.Ing. Karl Hoffmann
Karl-Sonnenschein-Str.4
Heinsberg Hk/Sv - H 1012

Verfahren und Vorrichtung zum Aufheizen eines Heizmediums in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Aufwärmstufen eines einzigen Heizkreises mittels einer Wärmepumpe

Patenten sprüche

Verfahren zum Aufheizen eines Heizmediums in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Aufwärmstufen eines einzigen Heizkreises mittels einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet , daß die/eine untere Aufwärmstufe (2) des Heizkreises (4) zumindest von einem · Teil des geregelten Heizmediums mehrfach durchströmt wird.

2* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g ek e η η zeichnet, daß der Teil der Mehrfachdurchströmung in der unteren Aufwärmstufe (2) durch die Ausgangstemperatur des Heizmediums der oberen (letzten) Aufwärmstufe (3) geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Mehrfachdurchströmung durch die Umwälzpumpe (5) des Gesamtsystems bewirkt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3» mit einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Kompressionswärmepumpe, bei der der Verflüssiger des Kältemittelkreislaufs in der unteren Aufwärmstufe und das Kühl- und/oder das Abgassystem des den Wärmepumpenkompressor antreibenden Verbrennungsmotors in der oberen Aufwärmstufe angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine ein Regulierventil (6) enthaltende zwischen Ausgang und Eingang der unteren Aufwärmstufe (2) angeordnete Bücklaufleitung (10).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Umwälzpumpe (5) des Gesamt- systems im Heizkreis (4) vor der unteren Aufwärmstufe (2) angeordnet ist und die Rücklaufleitung (10) vor der Umwälzpumpe in den Heizkreis einmündet.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4- und 5» dadurch

gekennzeichnet, daß in der Ausgangsleitung der oberen (letzten'' Aufwärmstufe (3) ein mit dem Regulierventil (6) verbundener Thermostat (7) angeord-, net ist, dessen eingestellte Temperatur die Durchflußmenge in der Rücklaufleitung (10) regelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Thermostat (7) eine Bypassleitung umfaßt, durch die bei geschlossenem Thermostaten eine Mindestdurchlaufmenge in der oberen Aufwärmstufe

(3) sichergestellt ist.

8. Vorrichtung n-ach Anspruch 4>6 und 7, dPdirch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (5) des Gesamtsystems im Heizkreis (/+) nach der unteren Aufwärmetufe (2) angeordnet ist und die Rücklaufleitung (Ιο) nach der Umwälzpumpe aus dem

Heizkreis nbzweigt und vor der unteren Aufwärmstufe wieder einmündet.