DE3615682A1 - Verfahren zum anheben des leistungsfaktors von waermepumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anheben des Leistungsfaktors von Wärmepumpen, bei denen die Nutzwärme durch Kompression von Luft oder eines Gases erzeugt wird. Der Leistungsfaktor der elektrisch angetriebenen Wärme­ pumpe ist das Verhältnis von total erzeugter Wärme zur zugeführten elek­ trischen Energie.

Die meisten heute verwendeten Wärmepumpen arbeiten nach dem gleichen Prin­ zip wie ein Kompressorkühlschrank. Beim Einsatz als Wärmepumpe wird durch das Verdampfen eines Kältemittels unter Unterdruck, bei tiefer Temperatur, der Umwelt Wärme entzogen, das verdampfte Gas wird durch einen Kompressor auf einen so hohen Druck verdichtet, daß es bei der gewünschten Heiztemperatur kondensiert und dabei seine Wärmeenergie an einen Heizungskreislauf über­ trägt.

Dieses Verfahren eignet sich gut, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der verfügbaren Umweltwärme und der Heiztemperatur klein ist. Der Leistungs­ faktor solcher Anlagen erreicht aber selten Werte größer als 4.

Es gibt auch Wärmepumpen, bei denen die Wärme durch Kompression eines Gases oder Luft erzeugt wird, wobei die aufgebrachte Kompressionsarbeit großenteils von einer anschließenden Expansionsmaschine wieder zurückgewonnen wird. Beispiele dafür sind DE-OS 34 01 524 A1/DE-OS 27 01 686 A1/DE-OS 26 35 971 A1. Dies entspricht auch dem Prinzip der Kaltluftmaschine. Beschrieben im Buch Thermodynamik der Kühl- und Kälteanlagen.

Aus der Reihe, Studienbücher der technischen Wissenschaften, des Carl Hansen Verlages München Wien.

Eine Verbesserung des Leistungsfaktors solcher Anlagen ist zu erreichen, indem die Kompression in mehreren Stufen mit jeweils anschließender Wärme­ abfuhr stattfindet. DE-OS 32 02 593.

Eine Leistungsfaktor-Steigerung wird auch erreicht, indem während des Expansionsvorganges Wärme aus der Umwelt dem expandierenden Gas zugeführt wird. DE-PS 9 59 846.

Der Anteil der zurückgewonnenen Energie verhält sich zur aufgebrachten Kompressionsarbeit annähernd gleich wie die absolute Temperatur bei der Expansion des Gases, zur absoluten Temperatur bei der Kompression.

In den DE-OS 27 45 127/DE-OS 30 01 315 A1 und DE-OS 27 26 924 werden Wärme­ pumpensysteme zur Gewinnung von Heizenergie aus Umweltwärme beschrieben, bei denen die Wärmepumpe von einer Expansionsdampfmaschine angetrieben wird. Eine solche Anlage kann jedoch nur dann erfolgreich betrieben werden, wenn mindestens 2 Wärmequellen mit sehr unterschiedlichem Temperaturpo­ tential zur Verfügung stehen, so daß durch verdampfen und kondensieren eines Kältemittels eine genügende Druckdifferenz zum Betrieb einer Expan­ sionsdampfmaschine entsteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Leistungsfaktor der Wärmepumpe anzuheben und einen wirtschaftlichen Betrieb auch bei großer Temperaturdifferenz zwischen verfügbarer Umweltwärme und Heiztemperatur zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß der Kompressor 2 für die Erzeugung der Heizwärme nicht direkt vom Elektromotor 11, sondern über einen aerostatischen Wandler angetrieben wird. In diesem aerostatischen Wandler wird die große Temperaturdifferenz zwischen der Umwelt und der Luft oder dem Gas genutzt, das nach mehrstufiger Wärmeabgabe eine sehr tiefe Temperatur erreicht. Nach einer Kompression gibt die Luft oder das Gas die Verdichtungsarbeit als Wärme an einen Heizkreislauf ab, wodurch sich das Medium annähernd auf dessen Rücklauftemperatur abkühlt. Anschlie­ ßend wird die Temperatur der verdichteten Luft im Gegenstromwärmetauscher 1 auf die Umgebungstemperatur abgesenkt und im Gegenstromwärmetauscher 4 weiter reduziert und danach durch Expansion bei gleichzeitiger Energieab­ gabe auf einen sehr tiefen Wert abgesenkt. Mit dieser sehr tiefen Tempe­ peratur wird das Medium in dem aerostatischen Wandler, das in einem geschlos­ senen Kreislauf zwischen einem Kompressor 6 und einer Expansionsmaschine 7 zirkuliert vor dem Verdichtungsvorgang im Wärmetauscher 8 abgekühlt. Dadurch können die Verluste des Gegenstromwärmetauschers 10 ausgeglichen und der große Temperaturunterschied zwischen Kompressor und Expansionsma­ schine aufrecht erhalten werden. Das Medium des aerostatischen Wandlers ist auf einen so hohen Druck verdichtet, daß der Druckabbau an der Expansions­ maschine beziehungsweise Druckanstieg am Kompressor dagegen klein ist, wo­ durch die Erwärmung durch Kompression im aerostatischen Wandler gering bleibt. Der Energiegewinn im aerostatischen Wandler wird durch Wärmeauf­ nahme des Mediums aus der Umwelt erreicht, indem die von der Expansions­ maschine verbrauchte Wärme im Wärmetauscher 9 durch Zufuhr von Umweltwärme laufend ersetzt wird.

Der Leistungsfaktor der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ergibt sich aus dem Energiegewinn des aerostatischen Wandlers und der zurückgewonnenen Expan­ sionsarbeit der zum Heizzweck verdichteten Luft. Die zurückgewonnene Ex­ pansionsarbeit in der Expansionsmaschine ist zwar infolge der niederen Temperatur der komprimierten Luft gering, da aber die Kompression des Mediums im aerostatischen Wandler bei annähernd gleich tiefer Temperatur stattfindet, ist die dazu erforderliche Arbeit nicht wesentlich größer, so daß schon dadurch ein Leistungsfaktor einer üblichen Wärmepumpe er­ reicht wird. Bei einer erfindungsgemäß ausgeführten Wärmepumpe wird die­ ser Leistungsfaktor noch mit dem Energiegewinnfaktor des aerostatischen Wandlers multipliziert. Der Faktor des Wandlers entspricht annähernd dem Verhältnis um welches die Umwelttemperatur höher ist als die absolut tiefste Temperatur des Mediums im aerostatischen Wandler. Der Leistungs­ faktor des Gesamtsystems liegt daher wesentlich über dem bekannter Systeme.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmepumpe bei der die Wärme, die ei­ nem Heizungskreislauf zugeführt wird, durch Kompression von Luft erzeugt wird. Die komprimierte Luft gibt ihre Wärmeenergie in mehreren Stufen ab. Zuerst wird sie im Wärmetauscher 3 bei der Wärmeübertragung auf das Hei­ zungswasser auf dessen Rücklauftemperatur abgekühlt, danach durchströmt sie den Gegenlaufwärmetauscher 1, nach dessen durchlaufen sie die Ein­ trittsluft vorgewärmt und sich dadurch annähernd wieder auf die Umgebungs­ temperatur abgekühlt hat. Anschließend durchströmt die noch komprimierte Luft den Gegenstromwärmetauscher 4, in welchem sie auf eine tiefe Tempe­ ratur abgekühlt wird. Danach entspannt sich die komprimierte Luft in der Expansionsmaschine 5 unter Energieabgabe und erreicht dadurch die tiefste Temperatur. Mit dieser sehr tiefen Temperatur wird das Medium eines aero­ statischen Wandlers im Wärmetauscher 8 gekühlt. Danach wird die noch kalte, entspannte Luft in den Gegenstromwärmetauscher 4 zurückgeführt, in welchem sie die komprimierte Luft beim entgegengesetzten Rücklauf im Gegenstrom­ wärmetauscher 4 auf die sehr tiefe Temperatur abkühlt und sich dabei wie­ der annähernd auf Umgebungstemperatur erwärmt und so an die Umwelt zurück­ fließt.

Die für die Verdichtung der Luft erforderliche mechanische Energie wird dem Kompressor 2 über einen aerostatischen Wandler zugeführt.

In diesem aerostatischen Wandler zirkuliert ein auf hohen Druck verdichtetes gasförmiges Medium in einem geschlossenen Kreislauf. Ein wesentliches Merk­ mal dieses Wandlers ist der Gegenstromwärmetauscher 10, in welchem das Über­ tragungsmedium auf dem Weg vom Verdichter 6 zur Expansionsmaschine 7 erwärmt wird, indem das von der Expansionsmaschine zum Verdichter zurückfließende Medium seine bei der teilweisen Entspannung noch nicht verbrauchte Wärmeener­ gie im Gegenstromverfahren mit dem entgegengesetzt fließenden Medium aus­ tauscht. Um die im Gegenstromwärmetauscher 10 erzeugte hohe Temperaturdif­ ferenz zwischen Verdichter 6 und Expansionsmaschine 7 aufrecht zu erhalten, muß einerseits die bei der Entspannung verbrauchte Wärmeenergie im Wärmetau­ scher 9 aus der Umwelt (Luft, Wasser, Erd- oder Sonnenkollektoren) wieder zugeführt werden und andererseits müssen die Übertragungsverluste im Gegen­ stromwärmetauscher 10 ausgeglichen werden, indem die Restwärmedifferenz auf der kalten Seite, durch Kühlung im Wärmetauscher 8, abgeführt wird.

Die hohe Temperaturdifferenz zwischen Verdichter 6 und Expansionsmaschine 7 bestimmt wesentlich den Leistungsfaktor der Wärmepumpe. Die vom Verdichter 6 durch den Elektromotor 11 zugeführte Energie wird durch Wärmezufuhr im Wärmetauscher 9 derart vergrößert, daß die in der Expansionsmaschine 7 abge­ gebene Energie sich im Verhältnis der absoluten Temperaturerhöhung vergrö­ ßert. Die Expansionsmaschine 7 ist mit dem Luftkompressor 2 mechanisch ver­ bunden und liefert diesem die Energie, welche dann wieder umgewandelt in Wärme im Wärmetauscher 3 an den Heizungskreislauf abgegeben wird. Die in der Expansionsmaschine 5 teilweise zurückgewonnene Verdichtungsarbeit wird ebenfalls über eine mechanische Verbindung auf den Verdichter 6 übertragen, wodurch der Elektromotor 11 entlastet werden kann und der Leistungsfaktor des Wärmepumpensystem nochmals angehoben wird.

Claims (22)

1. Verfahren zum Verbessern des Leistungsfaktors einer Wärme­ pumpe, bei welcher Nutzwärme durch Kompression eines Mediums in einem Kompressor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor über einen aerostatischen Wandler angetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aerostatischen Wandler ein auf hohen Druck verdichtetes gasförmiges Medium in geschlossenem Kreis­ lauf zirkuliert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium komprimiert, sodann erwärmt und dann expandiert wird, wobei die bei der Expansion freiwerdende Energie den Kompressor antreibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium nach dem Expandieren seine noch nicht verbrauchte Wärmeenergie im Gegenstromverfahren an das zwischen Kompression und Expansion geführte Medium abgibt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Medium zwischen Kompression und Expansion durch einen Wärmetauscher Wärmeenergie aus der Umwelt zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Medium zwischen Expansion und Kompression zusätzlich zur Abnahme der Wärmeenergie im Gegenstromver­ fahren nochmals Wärme durch Wärmetausch entnommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor des aerostatischen Wandlers von einem Elektromotor angetrieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Energie des aerostatischen Wandlers mechanisch auf den Kompressor der Wärmepumpe übertragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Kompressors der Wärmepumpe einmal an einen Heizungskreislauf, Brauchwasserkreislauf od. dgl. abgegeben wird, die restliche Energie durch Expandieren des Mediums zurückgewonnen und dem Kompressor des aerostatischen Wandlers mechanisch zugeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium der Wärmepumpe nach dem Expandieren einen Wärmetausch mit dem Medium des aerostatischen Wandlers vor dessen Kompression vornimmt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Expandieren ein Wärmetausch zwischen dem Medium vor und dem Medium nach dem Expandieren vorgenommen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach der Abgabe der Energie an den Heizungskreislauf od. dgl. ein Wärmetausch mit Energie aus der Umwelt der Wärmepumpe erfolgt.

13. Vorrichtung zur Aufnahme und Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei benachbarten Medien unterschiedlichen Aggregatzustandes durch einen Kompressor und eine Expan­ sionseinrichtung für das eine Medium und zumindest einen Wärmetauscher für beide Medien, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kompressor (2) ein aerostatischer Wandler (6- 11) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der aerostatische Wandler aus einem Kompressor (6) und einer Expansionseinrichtung (7) besteht, zwischen denen ein zu komprimierendes und expandierendes Medium in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium zwischen dem Kompressor (6) und der Expansionseinrichtung (7) durch einen Gegenstromwärmetau­ scher (10) mit dem Medium zwischen der Expansionseinrichtung (7) und dem Kompressor (6) geführt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Kompressor (6) bzw. dem Gegen­ stromwärmetauscher (10) und der Expansionseinrichtung (7) ein Wärmetauscher (9) zur Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umwelt eingeschaltet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Expansionseinrichtung (7) und dem Kompressor (6), gegebenenfalls nach dem Gegenstromwärmetauscher (10), ein weiterer Wärmetauscher (8) zur Abnahme von Wärme eingeschaltet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (2) mechanisch mit der Expansionseinrichtung (7) verbunden ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung (5) mechanisch mit dem Kompressor (6) verbunden ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium aus der Expansionseinrichtung (5) durch den Wärmetauscher (8) geführt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (8) das Medium aus der Expansionsein­ richtung (5) einem weiteren in dem Weg des Mediums von Kompressor (2) zu Expansionseinrichtung (5) eingeschalteten Gegenstromwärmetauscher (4) zuleitet.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wärmetauscher (3) für den Heizungskreislauf und die Expansionseinrichtung (5) ein weiterer Gegenstromwärmetauscher (1) für Umweltwärme­ energie eingeschaltet ist.