DE3304014A1

DE3304014A1 - Vorrichtung zur nutzung des abgases als zusaetzliche waermequelle fuer brennstoffbeheizte sorptionswaermepumpen

Info

Publication number: DE3304014A1
Application number: DE19833304014
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. 8551 Röttenbach Gutbier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-02-07
Filing date: 1983-02-07
Publication date: 1984-08-09
Also published as: DE3304014C2

Description

Vorrichtung zur Nutzung des Abgases als zusätzliche

Wärmequelle für brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Nutzung des Abgases als zusätzliche Wärmequelle für brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpen, die einen mit

einem Brenner versehenen Austreiber, einen Verdampfer . und eine Mischkammer enthält.

Das Betriebsverhalten einer Heizanlage ist von einer Vielzahl von Einflußgrößen abhängig. Ihre Auslegung erfolgt aufgrund der Berechnung des Wärmebedarfs für ein Gebäude. Der Jahreswarmeverbrauch wird maßgeblich von der Witterung, vom Wirkungsgrad der Feuerung und von anlagenspezifischen Verlusten beeinflußt. Die Wärmepumpe entnimmt bekanntlich einen großen Teil der Nutzwärme aus der Umgebung und ist somit in mehrfacher Hinsicht von der Witterung abhängig. Bei niedrigen Außentemperaturen sind entsprechend der Heizkurve hohe Vorlauftemperaturen erforderlich. Die Wärmepumpe muß dabei auch auf sehr niedrige Außentemperaturniveaus zurückgehen können, wenn das zur Verfügung stehende Energiepotential maximal ausgenutzt werden soll.

Die weitaus überwiegende Anzahl der heute hergestellten Luft/Wasser-Wärmepumpen werden bivalent eingesetzt, d.h., sie ergänzen einen schon bestehenden oder neu zu errichtenden Wärmeerzeuger. Üblicherweise werden diese Wärmepumpen auf beispielsweise 50 % des maximalen Wärmebedarfs ausgelegt, so daß sie bis zu einer bestimmten Außentemperatur, abhängig von der jeweiligen

Ur 2 Hag / 3.2.1983

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Klimazone, den Wärmebedarf eines Gebäudes allein dekken können. Die unter dieser Außentemperatur notwendige Umschaltung von der Wärmepumpe auf den Ergänzungswärmeerzeuger erfolgt automatisch und ist hinsichtlich der zu wählenden Außentemperatur einstellbar. Je tiefer dieser Bivalenzpunkt ist, desto höher ist der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit. Wird die Wärmepumpe im bivalenten Alternativbetrieb zwischen den Außentemperaturen von + 2O⁰C bis O⁰C betrieben, so beträgt der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit etwa 65 % in der Klimazone 1. Bei bivalentem Parallelbetrieb zwischen den Außentemperaturen von + 20 C und - 1O⁰C läuft die Wärmepumpe unter O⁰C weiter und deckt damit einen Anteil von etwa 90 % der Jahresheizarbeit in der Klimazone 1.

Weiter ist eine Untersuchung zur Nutzung des Abgases als zusätzliche Wärmequelle für brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpen bekannt, bei der das Wärmeverhältnis einer Absorptionswärmepumpe mit Wasser/Ammoniak als Stoffpaar untersucht wurde. Man mischt das Abgas der brennstoffbeheizten Absorptionswärmepumpe mit der Umgebungsluft, die in den Verdampfer der Wärmepumpe strömt. Dadurch erhöht sich das Temperaturniveau der Wärmeaufnahme im Verdampfer und damit das Wärmeverhältnis der Absorptionswärmepumpe. Diese erreichbare Temperaturerhöhung hängt vom Wärmeverhältnis und vom Feuerungswirkungsgrad ab. Für den Primärenergieverbrauch ist das Produkt aus Wärmeverhältnis und Feuerungswirkungsgrad maßgebend. Um hohe Heizzahlen und damit einen geringen Primärenergieverbrauch zu erreichen, sollte dieses Produkt möglichst groß sein. Es muß somit auch bei einer Nutzung des Abgases als Wärmequelle der Wärmepumpe ein möglichst hoher Feuerungswirkungsgrad erreicht werden. Bei entsprechenden Betriebsbedingungen führt jedoch die Abgasnutzung nur zu

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einer relativ bescheidenen Verbesserung des Wärmepurapenprozesses (H.D.ßaehr: "Die Nutzung des Abgases als Wärmequelle für brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpe^¹, Klima + Kälteingenieur, extra 14, 1981, Seiten 45, 46).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, bei der unabhängig von der durch die Kristallisationsgrenze des verwendeten Stoffpaares vorgegebenen Umschalttemperatur der Einsatzbereich der brennstoffbeheizten Sorptionswärmepumpe merklich zu tieferen Außentemperaturen erweitert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Regelstrecke der Vorrichtung kann man durch Regelung der Luftzahl die Abgaswärmemenge des Brenners verändern, damit die Temperatur der Ansaugluft des Verdampfers die Umschalttemperatur in einem vorbestimmten Temperaturbereich der Außenluft nicht unterschreitet. Somit kann man den Einsatzbereich der brennstoffbeheizten Sorptionswärmepumpe merklich zu tieferen Außentemperaturen erweitern. Dadurch läßt sich eine merkliche jährliche Brennstoffeinsparung gegenüber einem alternativ-arbeitenden Absorptionswärmepumpe/Heizkessel-System mit einer vorbestimmten Umschalttemperatur erreichen.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt ist.

In der dargestellten Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Nutzung des Abgases als Wärmequelle für eine brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpe 2 veranschaulicht. Die Sorptionswärmepumpe 2 enthält einen mit

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einem Brenner 4 versehenen Austreiber 6, einen Kondensator 8, einen Verdampfer 10, einen Absorber 12 und eine Mischkammer 14. Für die Sorptionswärmepumpe 2 ist eine Regelstrecke 16 vorgesehen, die mit einem in der Luftzuführung 18 des Verdampfers 10 angeordneten Temperaturfühler 20 versehen ist. Außerdem enthält die Regelstrecke 16 eine Steuereinheit 22 und einen Stellmotor 24, der mit einer in der Luftzuführung 26 des Brenners 4 angeordneten Drosselklappe 28 in Antriebsverbindung steht. Der Stellmotor 24 ist über eine Welle 30 mit der Drosselklappe 28 verbunden. Als Stoffpaar der Sorptionswärmepumpe 2 ist beispielsweise Wasser/ Ammoniak, vorzugsweise Wasser/Lithiumbromid, insbesondere Methanol/Lithiumbromid-Zinkbromid vorgesehen. In der Mischkammer 14 wird die Ansaugluft 32 des Verdampfers 10 und das Abgas 34 des Brenners 4, die dem Austreiber 6 entnommen wird, gemischt und mit der ' Luftzuführung 18 dem Verdampfer 10 zugeleitet. In der Steuereinheit 22 wird die Ist-Temperatur, die mit dem Temperaturfühler 20 in der Luftzuführung 18 gemessen wird, mit der eingestellten Soll-Temperatur 36 verglichen. Außerdem wird eine untere Temperaturgrenze 38, die vom Stoffpaar abhängig ist, vorbestimmt und eingestellt. Die Drosselklappe 28 wird mit Hilfe des Stellmotors 24 entsprechend der Differenz Soll-Temperatur minus Ist-Temperatur gesteuert. Somit wird die Regelung der Luftzahl des Brenners vorgenommen.

Diese brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpe 2 ist monovalent eingesetzt, d.h. sie ergänzt ein bestehendes brennstoffbeheiztes Heizkessel-System. Üblicherweise wird die Sorptionswärmepumpe 2 auf beispielsweise 50 % des maximalen Wärmebedarfs ausgelegt. Die Umschalt-

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temperatur ergibt sich aus der Kristallisationsgrenze des verwendeten Stoffpaares, beispielsweise + 2⁰C Außentemperatur bei dem Stoffpaar Methanol/Lithiumbromid-Zinkbromid. Bei monovalent-alternativer Betriebsweise wird in diesem Betriebspunkt die Absorptionswärmepumpe abgeschaltet und die Direktbeheizung durch das Heizkessel-System eingeschaltet, da bei tieferen Außentemperaturen der Absorptionsprozeß durch Kristallbildung in der Arbeitsstofflösung begrenzt wird. Diese Umschalttemperatur ist die einstellbare Soll-Temperatur 36 der Steuereinheit 22.

Bei monovalent-paralleler Betriebsweise wird unterhalb der Umschalttemperatur die Sorptionswärmepumpe 2 und das Heizkessel-System parallel eingesetzt, da die Sorptionswärmepumpe 2 die benötigte Heizenergie nicht allein aufbringen kann. Damit bei Außentemperaturen unterhalb der Umschaittemperatur die Bildung von Kristallen im Stoffpaar vermieden wird, verwendet man die im Abgas 34 vorhandene Restwärme zur Erhöhung der Ansaugluft 32 für den Verdampfer 10 auf wenigstens die Umschalttemperatur, beispielsweise +2⁰C beim Stoffpaar Methanol/Lithiumbromid-Zinkbromid.

Um die Ansaugluft 32 des Verdampfers 10 auf die erforderliche Umschalttemperatur anzuheben, muß mit abnehmender Außentemperatur dem Abgas 34 ein zunehmender Wärmebetrag zugeführt werden. Bei Brennern mit hohem feuerungstechnischen Wirkungsgrad ist die im Abgas enthaltene Restwärme hierfür nicht ausreichend. Deshalb wird mit Hilfe der Regelstrecke 16 die Luftzahl des Brenners, d.h., der Feuerungswirkungsgrad so geregelt, daß im Abgas 34 genügend Restwärme vorhanden ist, die in der Mischkammer 14 die Ansaugluft 32. auf die Umschalttemperatur erwärmt. Mit dieser Vorrich-

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tung kann man beispielsweise bei einem Niedertemperaturheizsystem mit dem Stoffpaar Methanol/Lithiumbromid-Zinkbromid den Einsatzbereich der Sorptionswärmepumpe 2 bis wenigstens - 6⁰C Außentemperatur erweitern. Diese untere Temperaturgrenze 38 wird bei der Regeleinheit 22 eingestellt. Unterhalb dieser Temperaturgrenze 38 wird die Sorptionswärmepumpe 2 abgeschaltet und das Heizkesselsystem erzeugt den benötigten Wärmebedarf allein.

Mit dieser Vorrichtung zur Nutzung des Abgases als Wärmequelle für eine brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpe 2 erhält man eine jährliche Brennstoffeinsparung gegenüber einem alternativ-arbeitenden Sorptionswärmepumpe/Heizkessel-System mit einer vorbestimmten Umschalttemperatur beispielsweise bei + 2⁰C Außentemperatur von etwa 26 % in der Klimazone 1 und etwa 47 % in der Klimazone 3. Diese jährliche Brennstoffeinsparung erreicht man, obwohl der Feuerungswirkungsgrad des Brenners 4 unterhalb der vorbestimmten Umschalttemperatur vermindert wird. Trotz der Verminderung des Feuerungswirkungsgrades des Brenners 4 unterhalb der vorbestimmten Umschalttemperatur erhöht sich die Heizzahl des Gesamtheizsystems.

8 Patentansprüche
1 Figur

Claims

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Patentansprüche

( 1.J Vorrichtung zur Nutzung des Abgases als zusätzliche Wärmequelle für brennstoffbeheizte Sorptionswärmepumpen ',(2), die einen mit einem Brenner (4) versehenen Austreiber (6), einen Verdampfer (10) und eine Mischkammer (14) enthält, dadurch gekennzeichnet , daß für die Sorptionswärmepumpe (2) eine Regelstrecke (16) vorgesehen ist, die mit einem in der Luftzuführung (18) des Verdampfers (10) angeordneten Temperaturfühler (20), einer Steuereinheit (22) und einem Stellmotor (24) versehen ist, der mit einer in der Luftzuführung (26) des Brenners (4) angeordneten Drosselklappe (28) in Antriebsverbindung steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Stellmotor (24) über eine Welle (30) mit der Drosselklappe (28) verbunden ist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Stoffpaar der Sorptionswärmepumpe (2) Wasser/Ammoniak vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Stoffpaar der Sorptionswärmepumpe (2) Wasser/Lithiumbromid vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Stoffpaar der Sorptionswärmepumpe (2) Methanol/Lithiumbromid-Zinkbromid vorgesehen ist.

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6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaswärmemenge des Brenners (4) durch die Regelung der Luftzahl vorbestimmt wird.
7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Luftzahl durch die Steuerung der Drosselklappe (28) vorgenommen wird.
8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Ansaugluft des Verdampfers (10)
durch die Regelung der Luftzahl immer annähernd in

einem vorbestimmten Temperaturbereich der Außentemperatur konstantgehalten wird.