DE3243781A1

DE3243781A1 - Unterirdisches heiz- und kuehlsystem

Info

Publication number: DE3243781A1
Application number: DE19823243781
Authority: DE
Inventors: Roland 39157 Ridgeland Miss. Lambert
Original assignee: LADEK CORP
Current assignee: LADEK CORP
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1982-11-26
Publication date: 1984-05-30
Also published as: FR2536841A1; US4369635A; GB2131944A

Description

Ladek Corporation, 100 Place, County Line Road, Ridgeland, Mississippi 39157, UoSoA.

Unterirdisches Heiz- und Kühlsystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem. Einlaß für die Luft, der die Wärme entzogen werden soll, wobei der Einlaß außerhalb des zu beheizenden oder zu kühlenden Gebäudes angeordnet ist, eine Vorrichtung zum Erwärmen oder Kühlen der Luft in einem Gehäuse auf eine gewünschte Temperatur sowie ein Verfahren zum Erwärmen oder Kühlen eines Gebäudes unter Verwendung eines Wärmeaustauschers und einer Einrichtung zum Pressen von Luft über den Wärmeaustauscher.

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BOEKMERr & BOEHMRRT^:

Die Verwendung von Wärmepumpen zum Heizen von Gebäuden wird seit wenigstens 20 Jahren betrieben. Die früheren Wärmepumpen waren wenig mehr als air conditioner, die reversiv betrieben wurden. Es wurden viele Ausfälle berichtet, so daß Wärmepumpen während der 60er Jahre im Markt an Bedeutung verloren haben. In jüngster Zeit haben jedoch verbesserte Wärmepumpen wieder an Bedeutung gewonnen. Die ständige Verknappung von fossilen Brennstoffen hat weiter zu einer Bedarfserhöhung geführt. Das Hauptproblem bei Wärmepumpen ist darin zu sehen, daß ihr Wirkungsgrad deutlich absinkt, wenn die Außentemperaturen fallen. Der Wirkungsgrad von Wärmepumpen beträgt etwa 3, wenn die Außentemperatur etwa 10⁰C beträgt. Dies bedeutet, daß die Wärmepumpe für jede Wärmeeinheit an aufgewandter Elektrizität 3 Wärmeeinheiten liefert. Dieselbe Wärmepumpe hätte jedoch einen Wirkungsgrad von nicht mehr als 2, wenn die Temperatur auf den Gefrierpunkt sinkt und bei -9° oder darunter beträgt er weniger als 1. Wenn derart tiefe Temperaturen erreicht sind, werden die meisten Wärmepumpen abgeschaltet, und die Wärme mittels elektrischer Heizung erzeugt. Dies erhöht natürlich die Kosten des Betreibens einer Wärmepumpe ganz dramatisch und macht ihre Verwendung für viele Klimazonen praktisch unmöglich. Es begrenzt weiter in ganz deutlichem Maße die Zeit während der die eine Wärmepumpe eingesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmepumpe zu schaffen, deren Wirkungsgrad durch ein Vorkonditionieren der Luft, aus der die Wärme entzogen werden soll. Dabei soll das Erfordernis, die Wärmepumpe mit einer teuren Hilfsheizung zu schaffen, durch teilweises Vorheizen der

BAD

BÖEÜMERT & BOEHJVfERT^:

Luft, aus der die Wärmepumpe die Wärme bezieht, reduziert werden» Ein weiteres Ziel ist die Erhöhung der Lebensdauer der Wärmepumpe durch Reduzierung der Betriebszeit des Kompressors infolge des Vorheizens der Luft, auf die der Kompressor wirkt. Weiter ist es ein Hauptziel, ein System zu schaffen, welches den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe durch Verwendung von vorgeheizter Luft, auf die die Wärmepumpe wirkt, zu erhöhen, so daß die Wärmepumpe auch in Klimazonen verwendet werden kann, wo dies bisher nicht möglich war. Weiter soll ein Verfahren zun Heizen und Kühlen von Gebäuden geschaffen werden, in denen die Quelle der Wärme oder der Kälte unterirdisch lokalisiert ist, wobei der Erdboden als Energiespeicher verwendet wird, aus der die Wärme oder Kälte je nach Erfordernis herausgezogen werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Schaffen einer unterirdischen Führung für den Lufttransport, wobei die Führung einen Einlaß und einen Auslaß aufweist; Pressen einer Luftmenge durch die Führung zum Betreiben der Wärmepumpe; und Führen der aus dem unterirdischen Durchgang strömenden Luft in Richtung auf den Lufteinlaß der Wärmepumpe.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich aus durch eine Wärmepumpe mit einen Einlaß für die Luft, der die Wärme entzogen werden soll; eine unterirdische Leitung, welche den Luftstrom durch diese anpaßt und einen Einlaßendabschnitt zur Aufnahme der einfließenden Luft und einen Auslaßabschnitt zur Abführung der Luft aufweist, wobei die Leitung sich durch die Erde in der Nähe der Oberfläche erstreckt; wobei der Auslaß der Leitung zur

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Pührung der aus dieser strömenden Luft zu dem Einlaß der Wärmepumpe eingerichtet ist; und Mittel zum Pressen einer zum Betrieb der Wärmepumpe ausreichenden Luftmenge durch die Leitung; wobei die Luft, aus welcher die Wärme zu ziehen ist, durch eine Führung durch die unterirdische Leitung vorkonditioniert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden zeichnet sich aus durch folgende Verfahrensschritte: Schaffen einer unterirdischen Führung für den Lufttransport j wobei der Luftweg einen Einlaß und einen Auslaß aufweist; Einbringen des Wärmeaustauschers in der unterirdischen Leitung ; Pressen einer Luftmenge durch die Leitung; und Richten der aus dem Auslaß der Führung dringenden Luft in das Gebäude.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Wärmepumpe nach der Erfindung;

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt, welcher Einzelheiten des Aufbaus der unterirdischen Führung zeigt, durch die die Luft strömt; und

Fig. 3 eine Ansicht einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, teilweise im Längsschnitt.

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BOEKMERT & BOEHMERT 3 ? Λ 3 7 8

-J

In Fig. 1 ist das Heizsystem nach der vorliegenden Erfindung mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, es weist eine Wärmepumpe 12 auf, die in einem Gehäuse 14 angeordnet ist. Das Gebiet des Einlasses der Wärmepumpe ist mit 13 bezeichnet. Der Kompressor für die Wärmepumpe 12 ist außerhalb des Gebäudes in dem Gehäuse 14 untergebracht, eine Expansionswendel zum Wärmeaustausch mit der Luft in dem Gebäude ist in einem zweiten Gehäuse 16 untergebracht. Isolierte Leitungen 18 transportieren die !compressible Wärmeaustausch-Flüssigkeit zwischen dem Kompressor und der Expansionswendel.

Ein Hilfsventilator 20 ist mit einer unterirdischen Führung 22 verbunden. Die Führung 22 weist einen ersten vertikalen Schenkel 24 auf, welcher direkt mit dem Auslaß des Ventilators 20 verbunden ist. Der vertikale Schenkel 24 geht in einen ersten horizontalen Schenkel 26 über, welcher mit einem zweiten, parallelen horizontalen Schenkel 28 über ein ü-förmiges Teil 30 verbunden ist. Der horizontale Schenkel ist mit einem zweiten vertikalen Schenkel 32 verbunden, dessen Auslaß 33 in dem Gehäuse 14 angeordnet ist und direkt mit dem Einlaß der Hitzepumpe 12 in Verbindung steht. Das Gehäuse 12a der Wärmepumpe dient zur Verbindung des Auslasses 33 nit dem Einlaß der Wärmepumpe. Fig. 2 zeigt, daß eine Überführung 36 die beiden horizontalen Schenkel 26 und 28 verbindet. Ein Ende der Überführung 36 ragt in den Schenkel 28, so daß es einen Deflektor darstellt, welcher einen Teil der Luft in die Überführung 36 ableitet. Das gegenüberliegende Ende der Überführung 36 ragt in den Schenkel 26, wodurch es einen Begrenzer in dieser Leitung bildet, welcher dazu dient, die Geschwindigkeit der Luft

AO

In der Nähe der Überführung 36 zu erhöhen. Die Geschwindigkeit wird weiter mittels eines Staukragens 36 erhöht, welcher in der Nähe des Endabschnittes der überführung 36 und etwa stromaufwärts von diesem angeordnet ist. Die Erhöhung der Geschwindigkeit in der Nähe des Übergangs 36 verursacht einen leichten Abfall des Druckes innerhalb der Führung und erhöht damit die Rückführung.

Während des normalen Betriebs der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist der (nicht gezeigte) Ventilator der Wärmepumpe - der normalerweise einen Teil der Wärmepumpen-Einrichtung bildet - inaktiviert und durch den Hilfs-Ventilator 20 ersetzt. Der Ventilator 20 ist so ausgelegt, daß er eine ausreichende Kapazität aufweist, um die Wärmepumpe mit der für den Betrieg erforderlichen Luftmenge unter bestimmten Bedingungen zu versorgen. Der Ventilator 20 wird also aktiviert, um Luft durch die Leitung 22 zu führen, wo mit dem Boden ein Wärmeaustausch stattfindet. Die horizontalen Schenkel und 28 der Führung 22 sind in der Nähe des Bodens mit einer ausreichenden Entfernung zu diesem angebracht, wo die Temperatur im wesentlichen konstant ist. In den meisten Gebieten wird eine Temperatur von 10° bis 12° in einer Tiefe von 1 bis 3 m festgestellt. Durch die Überführung 36 und die dadurch ermöglichte Rückführung kann die Länge der Leitung 22 wesentlich unter derer gehalten werden, die bisher erforderlich ist. Ein wesentlicher Teil der gesamte bewegten Luftmenge wird ständig durch die Leitung rückgeführt, wodurch diese in ständigem Wärmeaustausch mit der relativ warmen Umgebungserde ist. Die aus dem Auslaß 33 strömende Luft strönt in den Einlaß für die Wärmepumpe, wo die Luft verwendet wird, um

Wärme aus dieser abzuführen, die sodann zu der Wärmeaustauschwendel des zu beheizenden Gebäude geführt wird.

Aufgrund der Tatsache, daß die den Einlaß der Wärmepumpe erreichende Luft wesentlich wärmer ist als sonst bei normalen Außentemperaturen erwartet werden kann, ist die zum Gewinnen der erforderlichen Wärmemenge erforderliche Arbeit der Wärmepumpe geringer. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Wärmepumpe und reduziert in großem Ausmaße das Erfordernis, eine Widerstands-Hilfsheizung zu verwenden, wenn die Außentemperatur wesentlich unter den Frostpunkt absinkt. Bei vielen Anwendungsbeispielen führt die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu, daß die Wärmepumpe in kalten Klimazonen eingesetzt werden kann, wo sie anderenfalls wirtschaftlich nicht verwendet werden kann»

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Konstruktion dieses Ausführungsbeispiels ist identisch mit dem oben beschriebenen Beispiel mit der Abweichung, daß ein Heizelement 40 und eine Kühlwendel 42 in dem ersten vertikalen Schenkel 24 angeordnet sind« Das Heizelement 40 ist mit einer geeigneten Energiequelle gekoppelt, während die Kühlwendel 42 mit einem Kompressor in bekannter Weise verbunden ist. Der Ausdruck "Wärmetauscher" wird im folgenden generell entweder für das Heizelement 40. oder die Kühlwendel 42 verwendet . Wenn ein Wärmetauscher in dem Schenkel 24 angeordnet ist, wie dies Figur 3 zeigt, ist es nicht erforderlich, einen anderen Wärmetauscher wie sonst üblich oberhalb des Bodens zu haben. D. h., die Wärmetauscher

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BOEHMERT & BÖEriMERT-' , ο ο / ο -7-ο -ι

40 und 42 ersetzen den Wärmetauscher, welcher normalerweise in einer Wärmepumpe, einem air conditioner oder einer anderen Heiz- oder Kühlquelle vorhanden ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Schenkel 32 mit einer "Y"- oder '"!"-Kupplung versehen sein, so daß zumindest ein Teil der von dem vertikalen Schenkel 32 strömenden Luft durch den Wärmetauscher 40 oder 42 geführt wird. Die verbleibende Luft von dem Schenkel 32 kann direkt in das Gehäuse geführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Anordnung des Wärmetauschers in dem vertikalen Schenkel die Wärmetauscheinheit für eine relativ kurze Zeitdauer betrieben werden kann, während Kälte oder Wärme in die umgebende Erde abgeführt wird. Die Erde wirkt als Wärme- oder Kältesenke, in der die Energie gespeichert werden kann, bis sie in das benachbarte Gebäude geführt wird. Auf diese Wiese kann der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht werden durch Wärmen oder Kühlen des Gebäudes mehr schrittweise durch die Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens, als dies der Fall sein würde, wenn die Wärme- oder Kühlelemente zur direkten Beheizung mit dem Gebäude angeordnet wären. Ein weiterer Vorteil der alternativen Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die Wärmetauscher zu Zeiten betrieben werden können, wo keine Spitzenbelastung vorliegt, was eine kostengünstige Verwendung ermöglicht.

Es ist zu berücksichtigen, daß mittels der Anordnung eines "Y" in den Schenkeln 26 und 28 (oder deren vertikalen Verlängerungen) eine Hilfsleitung direkt zu dem Gehäuse 16 geführt werden kann. Ein geeignetes Leitblech

BOEBMERT & BOEHMBRT " no /07ο λ

steuert den Luftstrom entweder in das Gehäuse 16 oder in das Gehäuse 14 der Wärmepumpe. Wenn die Luft in das Innere des Gebäudes geführt wird, kann es als ein unabhängiges Kühlsystem oder in Verbindung mit einem air conditioner verwendet werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

LX 584

Bezugszeichenliste

lü	Heizvorrichtung	10
12	Wärmepumpe	12
12a	Gehäuse	12a
13	Einlaß (von 12)	13
14	Gehäuse	14
16	Gehäuse	16
18	Leitungen	18
20	Hilfsventilator	20
22	Leitung	22
24	Schenkel	24
26	Schenkel	26
28	Schenkel	28
30	U-förniges Teil	30
32	Schenkel	32
36	Überführung	36
38	Staukragen	38
40	Heizelement	40
42	Kühlwendel	42

Claims

BOEHMERT & BOEHMERT

-M-

LX 584

Ansprüche

f1JVerfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Einlaß für die Luft, der die Wärme entzogen werden soll, wobei der Einlaß außerhalb des zu beheizenden oder zu kühlenden Gebäudes angeordnet ist, gekennzeichnet durch

Schaffen einer unterirdischen Führung für den Lufttransport, wobei die Führung einen Einlaß und einen Auslaß aufweist;

Pressen einer Luftmenge durch die Führung zum Betreiben der Wärmepumpe; und

Führen der aus dem unterirdischen Durchgang strömenden Luft in Richtung auf'den Lufteinlaß der Wärmepumpe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Führen der Luft das Verbinden des Auslasses der unterirdischen Führung mit dem Einlaß der nicht aufbe-

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BOEBMERT&BOEHMERT¹ _o . , _o _ _o _Λ

reiteten Luft einschließt.
3- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrenschritt des Schaffens einer unterirdischen Führung das Einbringen der Führung auf einer Höhe in der Nähe der Oberfläche des Erdbodens einschließt, wo die Temperatur im wesentlichen konstant ist.
4. Verfahren nach einen oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rückführen eines Teils der bewegten Luft entlang der Führung; und Erhöhen der Geschwindigkeit der eingeführten Luft wo diese entlang des Durchgangs eintritt.
5. Vorrichtung zum Erwärmen oder Kühlen der Luft in einem Gebäude auf eine erwünschte Temperatur, gekennzeichnet durch eine Wärmepumpe (12) mit einen Einlaß (13) für die Luft, der die Wärme entzogen werden soll;

eine unterirdische Leitung (22), welche den Luftstrom durch diese anpaßt und einen Einlaßendabschnitt zur Aufnahme der einfließenden Luft und einen Auslaßabschnitt zur Abführung der Luft aufweist, wobei die Leitung sich durch die Erde in der Nähe der Oberfläche erstreckt;

wobei der Auslaß (33) der Leitung (22) zur Führung der aus dieser strömenden Luft zu dem Einlaß (13) der Wärmepumpe (12); und

riittel zum Pressen einer zum Betrieb der Wärmepumpe ausreichenden Luftmenge durch die Leitung (22);

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BOEHMERT & B0EHMERT ? ? Λ Ί 7 8

wobei die Luft, aias welcher die Wärme zu ziehen ist, durch eine Führung durch die unterirdische Leitung vorkonditioniert wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel zur Verbindung des Auslasses (33) mit den Einlaß (13) der Wärmepumpe (12).
7· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Mittel zur Bewirkung einer Rückführung der durch die Leitung (22) geführten Luft.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7 j gekennzeichnet durch Mittel zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Luft in der Leitung (22) in der Nähe des Rückführmittels«
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet₅ daß die Wärmepumpe in der Leitung (22) angeordnet ist»
10. Verfahren zum Erwärmen oder Kühlen eines Gebäudes unter Verwendung eines Wärmeaustauschers und einer Quelle zum Pressen von Luft über den Wärmeaustauscher;, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Schaffen einer unterirdischen Führung für den Lufttransport, wobei der Luftweg einen Einlaß und einen Auslaß aufweist;

Einbringen des Wärmeaustauschers in der unterirdischen Leitung ;

BAD ORtQINAL

BOE^MERT & BOEHMERT _ _o . _n _ _o _Λ

Pressen einer Luftmenge durch die Leitung; und

Richten der aus dem Auslaß der Führung dringenden Luft in das Gebäude.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Schaffung einer unterirdischen Führung das Einbringen der Führung auf eine Höhe in der Nähe der Oberfläche des Erdbodens einschließt, wo die Temperatur im wesentlichen konstant ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch Rückführen eines Teils der entlang der Führung bewegten Luft; und Erhöhen der Geschwindigkeit der rückgeführten Luft, wo diese in die Führung eintritt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher eine Wärmepumpe beinhaltet.