DE3314276C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe zur Brauchwasserbereitung und Heizung mit zwei miteinander in Verbindung stehenden Wasserkreisläufen, wobei der erste Wasserkreislauf über Wärmetauscher von der Abwärme der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, während der zweite Wasserkreislauf über weitere Wärmetauscher mit dem Wärmepumpenprozeß gekoppelt ist und Schaltelemente zur Verbindung der Wasserkreisläufe vorgesehen sind.

Bei derartigen Wärmepumpen, die zur Heizung und Brauchwasserbereitung dienen, ist es bekannt, daß durch die Druckbegrenzung des Kältekreislaufes das Temperaturniveau der Brauchwasserbereitung auf ca. 50°C begrenzt ist. Dies trifft sowohl bei Absorptions- Wärmepumpen als auch bei Wärmepumpen, die von einem Elektromotor oder einer Brennkraftmaschine angetrieben werden, zu. Infolge Wärmeverlusten in schlecht isolierten und weit verzweigten Verteilungsnetzen für das Brauchwarmwasser werden an den Entnahmestellen oftmals nur Temperaturen von 40-45°C erreicht, die dem Bedürfnis nach ausreichendem Brauchwasserkomfort in vielen Fällen nicht gerecht werden. Speziell bei Ein- und Zweifamilienhäusern wird in der Regel die Heizleistung der Wärmepumpe im Gegensatz zur Kesselleistung knapp dimensioniert, wodurch häufig eine Brauchwasservorrangschaltung angewandt wird, die die Aufgabe hat, die Brauchwarmwasserbereitung vorrangig durchzuführen. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, daß während des Speicherladevorganges mit Brauchwasser das Heiznetz nicht bedient wird. Da gerade bei den Wärmepumpen infolge der niederen Brauchwassertemperatur große Speicher verwendet werden, die bei Ein- oder Zweifamilienhäusern einen Wasserinhalt von 200-300 l aufweisen, wird das Heiznetz über längere Zeit nicht bedient, was zu nicht mehr tolerierbaren Wohnraumtemperaturen führen kann. Insbesondere dann, wenn auf Grund hoher Zirkulationsverluste in den Brauchwasserleitungen die Wärmepumpe häufig im Speicherbetrieb arbeitet, sind größere Wohnraum-Temperaturschwankungen durch die Speichervorrangschaltung vorhanden.

Bei Elektro-Wärmepumpen ist es bekannt, die Kondensationswärme zur Brauchwarmwasserbereitung auszunutzen. Dies geschieht dadurch, daß ein separater Wärmeaustauscher vorgesehen werden muß, der im überhitzten Bereich des heißen Kältemitteldampfes angeordnet ist und die bis zum Kondensationsbeginn anfallende Wärme verwendet, so daß hierbei Temperaturen bis 60°C erreicht werden können.

Die Anwendung einer Brennkraftmaschine zum Antrieb einer Wärmepumpe ermöglicht die Ausnutzung der Wärme der Abgase und des Motorkühlkreislaufes, wobei Vorlauftemperaturen bis 80°C bei größeren Anlagen im Leistungsbereich größer als 100 kW mit Hilfe eines separaten Wärmeaustauschers im Kühlkreislauf erzielt werden können. Das hierbei zur Verfügung gestellte, höher temperierte Wasser wird allerdings nur mit hohem regeltechnischen und apparativen Aufwand möglich. Bei kleineren Anlagen ist der Kondensator meist mit dem Abwärmekreislauf in Reihe geschaltet. Somit begrenzt auch hier der Kondensationsdruck die erreichbare Brauchwassertemperatur.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Konstruktionen zu vermeiden und eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe zu schaffen, welche auch bei knapp dimensionierter Heizleistung auf einfache Weise einen gleichzeitigen Heiz- und Brauchwarmwasserbetrieb ermöglicht. Außerdem sollen Brauchwassertemperaturen bis zu 60°C erzielt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Speicher vorgesehen ist und ein zwischen erstem und zweitem Wasserkreislauf angeordnetes Schaltelement als Dreiwege-Umschaltventil ausgebildet ist, das einen Anschluß (Verbindungsleitung 26) für die Speicherrücklaufleitung aufweist sowie mit der Niedertemperaturseite des ersten Wasserkreislaufes und der Vorlaufleistung des zweiten Wasserkreislaufs verbunden ist, während die Hochtemperaturseite des ersten Wasserkreislaufes mit der Speichervorlaufleitung verbunden ist. Durch den Einbau dieses Dreiwege-Umschaltventils und die Installation getrennter Anschlüsse für den Speichervor- und -rücklauf wird auf einfache Weise eine Brauchwasserbereitung möglich, die ausschließlich durch den Motorkühlkreislauf versorgt wird, ohne daß der Kältemitteldruck im Kondensator ansteigt, da die Speicherrücklaufleitung in das Dreiwege-Umschaltventil mündet und keine Temperaturerhöhung der in den Kondensator mündenden Rücklaufleitung bewirkt. Da gleichzeitig mit der Kondensationswärme des Wärmepumpenprozesses das Heiznetz bedient wird, kann auf eine Speichervorrangschaltung verzichtet werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Dreiwege-Umschaltventil in ein als Baueinheit ausgebildetes Wärmepumpenaggregat integriert, wobei dieses Aggregat zusätzliche Anschlußstutzen für die Speichervor- und -rücklaufleitung aufweist. Dadurch wird eine sehr einfache Montage des Wärmepumpenaggregates beim Anschluß an das Heiz- und das Warmwassernetz erzielt. Ein nachträglicher Einbau eines derartigen Dreiwege-Umschaltventils ist - wie die Erfindung zeigt - auch ohne weiteres möglich, wobei das Dreiwege-Umschaltventil dann außerhalb des Wärmepumpenaggregates angeordnet wird.

Anhand der Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert.

Die Figur stellt den Gesamt-Wasserkreislauf der Wärmepumpe schematisch dar, wobei dieser Gesamt-Wasserkreislauf im wesentlichen aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Wasserkreisläufen gebildet wird. Der ersten Wasserkreislauf besteht im wesentlichen aus einem Abgaswärmetauscher 3, einem Motorwärmetauscher 4 und einem Ölwärmetauscher 5 und ist sowohl mit der Niedertemperaturseite 20 als auch mit der Hochtemperaturseite 19 mit einem Kühlwasser- Thermostatventil 11 verbunden, wobei die Pumpe 17 für die Zirkulation des Wassers in diesem Kreislauf vorgesehen ist. Der zweite Wasserkreislauf besitzt eine Rücklaufleitung 13, die in den Kondensator 8 mündet. In diesem Kondensator 8 findet der Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Wasserkreislauf statt. Das warme Wasser fließt über eine Leitung zum Kältemittelverdichter 2 und nimmt dort über entsprechende Wärmetauscher die Kompressionswärme des Kältemittelverdichters 2 auf und gelangt dann in die Vorlaufleitung 18. Ein bivalenter, paralleler oder alternativer Betrieb der Wärmepumpe wird durch den rechts in der Figur dargestellten Heizkessel möglich. Zur Brauchwasserbereitstellung in einem Speicher 9 ist eine Speichervorlaufleitung 6 vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 21 mit der Vorlaufleitung 18 und mit einer Anschlußleitung 23 mit dem Kühlwasser-Thermostatventil 11 in Verbindung steht. Zwischen der Vorlaufleitung 18 des zweiten Wasserkreislaufes und dem ersten Wasserkreislauf ist ein Dreiwege- Umschaltventil 1 vorgesehen, welches über die Anschlußleitung 24 mit der Vorlaufleitung 18 und die Verbindungsleitung 25 mit der Niedertemperaturseite 20 des ersten Wasserkreislaufes verbindbar ist. Außerdem mündet in dieses Dreiwege-Umschaltventil 1 die Verbindungsleitung 26 zur Speicherrücklaufleitung 7. Für die Wasserzirkulation im Speicher 9 ist eine Speicherladepumpe 12 vorgesehen, während die Wasserzirkulation in der Heizung durch eine Heizkreispumpe 14 vorgenommen wird. Um eine Fehlzirkulation im Speicher- und Heizkreis zu vermeiden, ist ein Rückschlagventil 15 im Speicherrücklauf und ein Rückschlagventil 16 im Heizungsrücklauf vorgesehen, wobei nach den Rückschlagventilen eine Verbindungsleitung 22 die Rücklaufleitungen miteinander verbindet. Zum Druckausgleich bei bestimmten Betriebsbedingungen kann eine Druckausgleichsleitung 27 zwischen den beiden Wasserkreisläufen vorgesehen werden. Die Brennkraftmaschine, der Verdichter, die Wärmetauscher und die Schaltelemente sind zu einem Wärmepumpenaggregat 10 zusammengefaßt, wobei - wie die schematische Figur zeigt - dieses Wärmepumpenaggregat 10 nur mit entsprechenden Anschlüssen bei der Montage in die Heizung und Brauchwasserbereitung eingefügt werden kann.

Durch den Einbau des Dreiwege-Umschaltventiles 1 in den ersten Wasserkreislauf, der über den Abgaswärmetauscher 3, den Motorwärmetauscher 4 und den Ölwärmetauscher 5 von der Abwärme der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, und die Installation getrennter Anschlüsse für die Speichervorlaufleitung 6 und die Speicherrücklaufleitung 7 wird die Brauchwasserbereitung ausschließlich durch diesen Kühlkreislauf - ohne Begrenzung des kälteseitigen Druckes im Kondensator 8 - möglich. Da in diesem Falle mit der Kondensationswärme und den im Kältemittelverdichter 2 befindlichen Wärmetauschern das Heiznetz bedient wird, kann auf eine Brauchwasservorrangschaltung verzichtet werden.

Bei Warmwasseranforderung durch den im Speicher 9 befindlichen Thermostaten und gleichzeitigem Start des Wärmepumpenaggregates 10 verbindet das Kühlwasser-Thermostatventil 11 die Hochtemperaturseite 19 mit der Niedertemperaturseite 20 im ersten Wasserkreislauf. Das Dreiwege-Umschaltventil 1 weist dabei eine Stellung auf, welche die Verbindungsleitung 25 mit der Verbindungsleitung 26 verbindet. Die Speicherladepumpe 12 saugt über die Verbindungsleitung 21 das warme Wasser aus der Vorlaufleitung 18 und drückt den Rücklauf über das Rückschlagventil 15 und die Verbindungsleitung 22 in die Wärmepumpen-Rücklaufleitung 13. Die Heizkreispumpe 14 und die Speicherladepumpe 12 arbeiten solange parallel, bis das Kühlwasser-Thermostatventil 11 - bei Überschreiten der Temperatur von 80°C - die Hochtemperaturseite 19 vom ersten Wasserkreislauf mit der Anschlußleitung 23 für den Speichervorlauf 6 verbindet. Die Brauchwasserlademenge zirkuliert nun ausschließlich durch den ersten Wasserkreislauf, d. h., zur Erwärmung des Brauchwassers wird ausschließlich die Abwärme der Brennkraftmaschine verwendet. Hierbei mündet die Speicherrücklaufleitung 7 über die Verbindungsleitung 26 und die Verbindungsleitung 25 in die Niedertemperaturseite 20 des ersten Wasserkreislaufes, wird dort erwärmt und durch die Pumpe 17 und das Kühlwasser- Thermostatventil 11 in die Speichervorlaufleitung 6 gefördert. Die Rückschlagventile 15 und 16 verhindern eine Fehlzirkulation der im Speicher und Heizkreislauf umlaufenden Wassermengen. Die Rücklauftemperatur ist bei diesem Verfahren im Gegensatz zum Heizkreislauf mit Kondensator nur durch die maximal zulässige Kühlwassertemperatur, die überwacht wird, bedingt. Bei Ausfall der Speicherladepumpe 12 wird die Zirkulation im ersten Wasserkreislauf durch die Pumpe 17 für den Motorkühlkreislauf aufrechterhalten.

Das Dreiwege-Umschaltventil 1 kann sowohl ein separates Ventilgehäuse als auch ein in ein Gesamtsystem integriertes Umschaltorgan mit elektrischem, magnetischem oder thermischem Antrieb sein.

Im reinen Sommerbetrieb der Anlage, also dann, wenn nur Brauchwasserbereitung erforderlich ist, wird das Dreiwege-Umschaltventil 1 in der Stellung gefahren, welche die Anschlußleitung 24 mit der Verbindungsleitung 25 verbindet. In diesem Falle wird der gesamte Kreislauf der Wärmepumpe durchfahren, d. h., sowohl die Abwärme der Brennkraftmaschine als auch die vom Wärmepumpenprozeß herrührende Wärme wird zur Brauchwasserbereitung benützt. In diesem Falle ist durch eine entsprechende Programmierung des Reglers dafür Sorge zu tragen, daß ein Überschreiten der Druckgrenzen im Kältemittelkreislauf verhindert wird.

Sämtliche heute üblichen Schaltungsvarianten für die Einbindung von brennkraftmaschinenangetriebenen Wärmepumpen in neue und bestehende Heizsysteme sind möglich. Dementsprechend ist bivalenter, paralleler und alternativer Betrieb mit und ohne Durchströmen der Wärmepumpe sowie die monovalente Betriebsweise möglich.

Die Anordnung des Dreiwege-Umschaltventils 1a außerhalb des Wärmepumpenaggregates 10 ist strichpunktiert dargestellt. Hierbei wird die Anschlußleitung 24 durch die Anschlußleitung 24a ersetzt, während die Verbindungsleitung 25 mit der Verbindungsleitung 25a ergänzt wird. Anstelle der Verbindungsleitung 26 mündet die Verbindungsleitung 26a in das Dreiwege-Umschaltventil 1a.

Durch Anordnung des Dreiwege-Umschaltventils 1 wird eine hohe Brauchwassertemperatur ermöglicht, wobei keinerlei Unterbrechung des Heizbetriebes stattfindet. Da in dem Betriebszustand, bei welchem lediglich der ersten Wasserkreislauf zur Brauchwasserbereitung verwendet wird, die Rücklaufleitung 13 nicht mit der relativ hohen Wassertemperatur in der Rücklaufleitung des Speichers 9 beaufschlagt wird, findet durch die Brauchwasserbereitung keine kälteseitige Druckerhöhung im Kondensator 8 statt, so daß kein Takten der Wärmepumpe während der Brauchwasserbereitung auftritt. Die relativ hohe Brauchwassertemperatur von etwa 60°C ermöglicht es, den Speicher 9 relativ klein und dementsprechend kostengünstig auszuführen und praktisch jeden bestehenden Speicher (Nachrüstung) zu bedienen un damit die gesamten Installationskosten der Wärmepumpe niedrig zu halten.

Claims (3)

1. Von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe zur Brauchwasserbereitung und Heizung mit zwei miteinander in Verbindung stehenden Wasserkreisläufen, wobei der erste Wasserkreislauf über Wärmetauscher von der Abwärme der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, während der zweite Wasserkreislauf über weitere Wärmetauscher mit dem Wärmepumpenprozeß gekoppelt ist und Schaltelemente zur Verbindung der Wasserkreisläufe vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (9) vorgesehen ist und ein zwischen erstem und zweitem Wasserkreislauf angeordnetes Schaltelement als Dreiwege-Umschaltventil (1, 1a) ausgebildet ist, das einen Anschluß (Verbindungsleistung 26) für die Speicherrücklaufleitung (7) aufweist sowie mit der Niedertemperaturseite (20) des ersten Wasserkreislaufes und der Vorlaufleitung (18) des zweiten Wasserkreislaufs verbunden ist, während die Hochtemperaturseite (19) des ersten Wasserkreislaufes mit der Speichervorlaufleitung (6) verbunden ist.

2. Von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiwege-Umschaltventil (1) in ein als Baueinheit ausgebildetes Wärmepumpenaggregat (10) integriert ist und dieses Aggregat (10) zusätzliche Anschlußstutzen für die Speichervorlaufleitung (6) und die Speicherrücklaufleitung (7) aufweist.

3. Von einer Brennkraftmaschine angetriebene Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiwege-Umschaltventil (1a) außerhalb des Wärmepumpenaggregates (10) angeordnet ist.