DE60027017T2 - Wärmepumpe - Google Patents

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DE60027017T2
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Kanaoka Factory Ryuichi Sakai-shi SAKAMOTO
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, die die Kondensationswärme von Wasserdampf als Hochtemperaturwärme nutzt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Aus der Vergangenheit sind Wärmepumpen des Typs bekannt, bei dem Wasser als ein Kühlmittel dient (siehe beispielsweise Japanische Kokoku-Patentschrift Nr. H05-6105). Genauer wird in einem solchen Typ von Wärmepumpensystem Wasser im Verdampfer zum Verdampfen gebracht; Wasserdampf als Ergebnis des Verdampfens wird verdichtet; und dann wird der verdichtete Wasserdampf zum Kondensator geleitet, wo er zum Kondensieren gebracht wird, wobei Kondensationswärme, die während der Kondensation freigesetzt wird, genutzt wird.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 197 57 769 A1 beschreibt ein Verfahren zur Luftentfeuchtung durch Diffusion-Effusion. Dieses Dokument lehrt das Entfeuchten von Luft durch das Abscheiden von Wasserdampf aus der Luft mit einer Membran und das Leiten des abgeschiedenen Wasserdampfs durch einen Verdichter zu einem Kondensator. Die deutsche Patentanmeldung DE 195 45 335 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Entfeuchten von Gas. Die Feuchtigkeit wird in einen flüssigen Absorber absorbiert und unter Verwendung einer porösen Membran desorbiert. Die deutsche Patentanmeldung DE 41 17 944 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmewiedergewinnung aus feuchten Gasen. Das Gas wird zuerst befeuchtet und dann zu einem Entfeuchter geleitet, wobei die im Verlaufe der Entfeuchtung freigesetzte Wärme zurück zum Befeuchter geleitet wird. US-Patentschrift US-5,209,078 offenbart ein Luftkühlsystem in Form einer Vakuumflüssigkeitskühlvorrichtung. In einer Kammer, die Wasser enthält, wird ein Vakuum erzeugt, um den Siede punkt des Wassers zu verringern, was die Verdampfung und damit die Kühlung des Wassers verbessert.
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Wie oben angegeben, existiert in solch einer herkömmlichen Wärmepumpe ein Vorgang zum Verdampfen von Wasser im Verdampfer. Wärmepumpen benötigen jedoch nur die Nutzung der Kondensationswärme von Wasserdampf, sie können, mit anderen Worten, ohne einen Vorgang zum Verdampfen von Wasser als Wärmepumpe arbeiten. Anders ausgedrückt umfassen herkömmliche Wärmepumpen einen Vorgang, der im Wesentlichen nicht ausgeführt werden muss.
  • Vor dem Hintergrund des oben beschriebenen Problems wurde die vorliegende Erfindung entwickelt. Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Wärmepumpe mit einer durch die Eliminierung eines Vorgangs zum Verdampfen von Wasser vereinfachten Struktur bereitzustellen, die die Kondensationswärme von Wasserdampf nutzt.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein erstes Mittel zur Lösung bereit, das sich auf eine Wärmepumpe richtet. Die Wärmepumpe des ersten Mittels zur Lösung umfasst eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In der vorliegenden Erfindung umfasst die Wärmepumpe ferner ein Befeuchtungskühlmittel (89), um das Wärmequellenfluid durch Befeuchten zu kühlen und anschließend das gekühlte Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zuzuführen, wobei die Wärmepumpe so konstruiert ist, dass sie einen Kühlbetrieb, der das Wärmequellenfluid, aus dem im Abscheidemittel (20) Wasserdampf abgeschieden wurde, verwendet, sowie einen Hei zungsbetrieb durchführt, um einen Gegenstand durch Verwendung von im Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugter Hochtemperaturwärme zu erwärmen.
  • Arbeitsweise der Erfindung
  • Gemäß der Erfindung scheidet das Abscheidemittel (20) Wasserdampf aus einem Wärmequellenfluid ab. Der aus dem Wärmequellenfluid abgeschiedene Wasserdampf wird dem Druckerhöhungsmittel (30, 90) zugeführt, wo sein Druck erhöht wird. Dieser Wasserdampf mit erhöhtem Druck wird in das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) eingeführt. In dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) kondensiert der Wasserdampf mit erhöhtem Druck bei einer Kondensationstemperatur, die seinem Druck entspricht, und strahlt Kondensationswärme ab. Diese Kondensationswärme wandelt sich in Hochtemperaturwärme um, die beispielsweise zum Erwärmen eines Gegenstandes verwendet wird. Des Weiteren wird sowohl Kühl- als auch Heizungsbetrieb durchgeführt. Diese Betriebsarten können schaltbar ausgeführt werden, oder beide Betriebsarten können zur gleichen Zeit durchgeführt werden.
  • Genauer wird während des Kühlbetriebs ein Wärmequellenfluid in dem Befeuchtungskühlmittel (89) befeuchtet. Wegen dieser Befeuchtung erfährt das Wärmequellenfluid eine Änderung in einem etwa isenthalpischen Prozess, und seine Feuchtigkeit erhöht sich, während seine Temperatur fällt. Anschließend wird in dem Abscheidemittel (20) Wasserdampf aus dem Wärmequellenfluid entfernt. Dann wird das von Wasserdampf befreite Wärmequellenfluid verwendet. Das heißt, im Kühlbetrieb wird ein Wärmequellenfluid verwendet, das in dem Befeuchtungskühlmittel (89) gekühlt und dann in dem Abscheidemittel (20) entfeuchtet wird.
  • Wenn beispielsweise feuchte Luft als Wärmequellenfluid verwendet wird, wird die feuchte Luft in dem Befeuchtungskühlmittel (89) gekühlt, in dem Abscheidemittel (20) entfeuchtet, dann dem Rauminneren zugeführt, um Raumkühlung zu herzustellen. Andererseits wird im Heizungsbetrieb in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) Wasserdampf zum Kondensieren gebracht, und die Wärme des Wasserdampfes wandelt sich in Hochtemperaturwärme zum Erwärmen eines Gegenstandes um.
  • Im zweiten Mittel zur Lösung dringt der Wasserdampf in dem Wärmequellenfluid, das in das Abscheidemittel (20) eingeführt wurde, durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21). Genauer wird zugelassen, dass der Wasserdampf wegen des Unterschieds im Wasserdampfdruck zwischen den durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) definierten Räumen durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) gelangt, sodass der Wasserdampf von dem Wärmequellenfluid abgeschieden wird.
  • Im dritten Mittel zur Lösung wird feuchte Luft als Wärmequellenfluid verwendet. Jede Art von Luft, die in der Umgebung vorliegt, wie z.B. Innenluft und Außenluft, weist einen Wasserdampfgehalt auf, sodass sie alle feuchte Luft sind. In dem vorliegenden Mittel zur Lösung wird feuchte Luft, die in der Umgebung in großen Mengen vorhanden ist, als Wärmequellenfluid zum Betreiben der Wärmepumpe verwendet, und Hochtemperaturwärme wird erzeugt.
  • Im vierten Mittel zur Lösung wird Kondenswasser, das durch Kondensation von Wasserdampf in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugt wurde, in das Vorbefeuchtungsmittel (75) eingeführt wird. In dem Vorbefeuchtungsmittel (75) wird das eingeführte Kondenswasser dem Wärmequellenfluid zugeführt, und im Ergebnis dessen wird das Wärmequellenfluid befeuchtet. Zu diesem Zeitpunkt besteht keine Notwendigkeit, dem Wärmequellenfluid das gesamte Kondenswasser, das in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugt wurde, zuzuführen. Das heißt, nur ein Teil des Kondenswassers kann zur Befeuchtung verwendet werden. Das Wärmequellenfluid, das in dem Vorbefeuchtungsmittel (75) befeuchtet wurde, wird dem Abscheidemittel (20) zugeführt. Das heißt, das Wärmequellenfluid wird in dem Vorbefeuchtungsmittel (75) befeuchtet, sodass sein Wasserdampf-Teildruck erhöht wird. Anschließend wird das Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zugeführt. Beispiele für Methoden, einem Wärmequellenfluid in dem Vorbefeuchtungsmittel (75) Kondenswasser zuzuführen, sind u.a. die Methode, Kondenswasser direkt in ein Wärmequellenfluid einzusprühen, und die Methode, Feuchtigkeit zu veranlassen, durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran von Kondenswasser zu einem Wärmequellenfluid zu wandern.
  • Im fünften Mittel zur Lösung wird Kondenswasser, das durch Kondensation von Wasserdampf in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugt wurde, in das Vorerwärmungsmittel (70) eingeführt. In dem Vorerwärmungsmittel (70) tauscht das eingeführte Kondenswasser Wärme mit einem Wärmequellenfluid aus. Im Ergebnis dessen wird das Wärmequellenfluid erwärmt. Dann wird das erwärmte Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zugeführt.
  • Im sechsten Mittel zur Lösung wird Wasser erwärmt, indem durch das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (45) erzeugte Hochtemperaturwärme verwendet wird, um Warmwasser zu erzeugen. Beispielsweise wird das erzeugte Warmwasser genutzt, um einen Gegenstand zu erwärmen oder um Heißwasser bereitzustellen.
  • Im siebenten Mittel zur Lösung wird zu erwärmende Luft erwärmt, indem durch das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40) erzeugte Hochtemperaturwärme verwendet wird. Beispielsweise wird die erwärmte zu erwärmende Luft zum Heizen verwendet.
  • Im achten Mittel zur Lösung wird Kondenswasser, das durch die Kondensation von Wasserdampf in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40) erzeugt wurde, in das Luftbefeuchtungsmittel (55) eingeführt. In dem Luftbefeuchtungsmittel (55) wird das eingeführte Kondenswasser der zu erwärmenden Luft zugeführt. Im Ergebnis dessen wird die zu erwärmende Luft befeuchtet. Zu diesem Zeitpunkt besteht keine Notwendigkeit, der zu erwärmenden Luft das gesamte in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40) erzeugte Kondenswasser zuzuführen. Alternativ kann nur ein Teil des Kondenswassers zur Befeuchtung verwendet werden. Beispiele für Methoden, der zu erwärmenden Luft in dem Luftbefeuchtungsmittel (55) Kondenswasser zuzuführen, sind u.a. die Methode, Kondenswasser direkt in die zu erwärmende Luft einzusprühen, und die Methode, Feuchtigkeit zu veranlassen, durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran von Kondenswasser zu der zu erwärmenden Luft zu wandern.
  • Im neunten Mittel zur Lösung wird ein Teil des Wasserdampfs, dessen Druck in dem Druckerhöhungsmittel (30, 90) erhöht wurde, der zu erwärmenden Luft in dem Luftbefeuchtungsmittel (50) zugeführt. Das heißt, ohne die Kondensation in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40) zu durchlaufen, wird ein Teil des Wasserdampfs mit erhöhtem Druck verwendet, um die zu erwärmende Luft in dem Luftbefeuchtungsmittel (50) zu befeuchten.
  • Im zehnten Mittel zur Lösung gelangt der Wasserdampf mit erhöhtem Druck, der dem Luftbefeuchtungsmittel (50) zugeführt wurde, durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) und wird der zu erwärmenden Luft zugeführt. Genauer wird zugelassen, dass der Wasserdampf in dem Luftbefeuchtungsmittel (50) wegen des Unterschieds im Wasserdampfdruck zwischen den durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) definierten Räumen durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) gelangt. Im Ergebnis dessen wird die zu erwärmende Luft erwärmt.
  • Im elften Mittel zur Lösung wird das Druckerhöhungsmittel durch einen Ejektor (90) gebildet. Der Wasserdampf, der dem Ejektor (90) von dem Wasserdampfzuführungsmittel (94) zugeführt wird, wird in den Ejektor (90) ausgestoßen und wandelt sich in einen Ausstoßstrom mit hoher Geschwindigkeit um. Dieses Ausstoßen von Wasserdampf in den Ejektor (90) bewirkt, dass der Wasserdampf, der in dem Abscheidemittel (20) von dem Wärmequellenfluid abgeschieden wird, in den Ejektor (90) eingezogen wird. Der Wasserdampf, der von dem Abscheidemittel (20) in den Ejektor (90) eingezogen wird, vermischt sich mit dem Wasserdampf, der von dem Wasserdampfzuführungsmittel (94) zugeführt wird, und sein Druck erhöht sich. Anschließend wird der vermischte Wasserdampf in das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) eingeführt.
  • Im zwölften Mittel zur Lösung ist das Druckerhöhungsmittel durch den Verdichter (30) gebildet. Der Verdichter (30) zieht das in dem Abscheidemittel (20) abgeschiedene Wasser ein und verdichtet es auf einen erhöhten Druck.
  • Im dreizehnten Mittel zur Lösung erhält die Dampfturbine (60) eine Zuführung von Wasserdampf von dem Wasserdampfzuführungsmittel (61) und expandiert den Wasserdampf, um Antriebskraft zu erzeugen. Der Verdichter (30) wird von der in der Dampfturbine (60) erzeugten Antriebskraft angetrieben. Es besteht keine Notwendigkeit, den Verdichter (30) allein durch die Dampfturbine (60) anzutreiben. Alternativ können andere Antriebsquellen wie z.B. ein Elektromotor, eine Gasturbine o.ä. verwendet werden, um gemeinsam mit der Dampfturbine (60) den Verdichter (30) anzutreiben.
  • Im vierzehnten Mittel zur Lösung erzeugt, wie im dreizehnten Mittel zur Lösung, die Dampfturbine (60) eine Antriebskraft für den Verdichter. Von der Dampfturbine (60) erzeugte Antriebskraft für den Verdichter wird zusammen mit der vom Elektromotor (32) erzeugten Antriebskraft für den Verdichter verwendet, um den Verdichter (30) anzutreiben.
  • Im fünfzehnten Mittel zur Lösung ist das Wasserdampfzuführungsmittel (61) durch einen Kessel (61) gebildet. Das heißt, in dem Kessel (61) erzeugter überhitzter Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt, und der überhitzte Wasserdampf wird expandiert, um Antriebskraft zu erzeugen.
  • Im sechzehnten Mittel zur Lösung durchläuft das dem Kessel (61) zugeführte Wasser in dem für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) eine Verdampfung und wird in dem für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) weiter erwärmt, um zu überhitztem Wasserdampf umgewandelt zu werden. Zu diesem Zeitpunkt wird in dem für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) des Kessels (61) Abwärme genutzt, um das Wasser zu verdampfen. Das heißt, die Erzeugung von überhitztem Wasserdampf bedarf eines Umwandlungsvorgangs der latenten Wärme zum Verdampfen von Wasser, um Dampf zu erzeugen, sowie eines Umwandlungsvorganges fühlbarer Wärme zum Erhöhen der Temperatur des erzeugten Wasserdampfes. In dem Umwandlungsvorgang der latenten Wärme ist keine Hochtemperaturwärmequelle, wie sie in dem Umwandlungsvorgang fühlbarer Wärme erforderlich ist, vonnöten, doch braucht der Umwandlungsvorgang der latenten Wärme große Wärmemengen. Dementsprechend wird Abwärme, von der keine Lieferung von hohen Temperaturniveaus erwartet werden kann, die aber nichts kostet, in einem Umwandlungsvorgang der latenten Wärme genutzt und ermöglicht es somit, eine effektive Nutzung von Abwärme zu erreichen.
  • Andererseits werden in dem für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) des Kessels (61) verschiedene Wärmequellen für die Erwärmung des Wasserdampfs benutzt. Das heißt, in dem für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) wird ein Umwandlungsvorgang fühlbarer Wärme, der eine Hochtemperaturwärmequelle erfordert, durchgeführt. Beispiele dieser Art von Wärmequelle sind Treibstoffverbrennung und ein Elektroheizgerät.
  • Im siebzehnten Mittel zur Lösung ist der interne Druck des Kessels (61) auf unter Atmosphärendruck eingestellt. Das heißt, in dem Kessel (61) verdampft Wasser bei 100 Grad Celsius oder weniger.
  • Im achtzehnten Mittel zur Lösung wird der in der Dampfturbine (60) expandierte Wasserdampf in das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) geleitet. Demzufolge wird in das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) sowohl der Wasserdampf, dessen Druck in dem Druckerhöhungsmittel (30, 90) erhöht wurde, als auch der Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, eingespeist. In dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) durchläuft der eingeführte Wasserdampf die Kondensation bei einer Kondensationstemperatur, die seinem Druck entspricht, und strahlt Kondensationswärme ab. Diese Kondensationswärme wandelt sich in Hochtemperaturwärme um, die beispielsweise genutzt wird, um einen Gegenstand zu erwärmen. Das heißt, der Dampfturbine (60) zugeführter Wasserdampf wird genutzt, um in der Dampfturbine (60) Antriebskraft zu erzeugen. Anschließend wird der Wasserdampf weiter genutzt, um in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) Hochtemperaturwärme zu erzeugen.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Wasserdampf, der von einem Wärmequellenfluid abgeschieden wurde, für das Erzeugen von Hochtemperatur wärme zu nutzen. In herkömmlichen Wärmepumpen wird Wasser zum Verdampfen gebracht, um Wasserdampf zu erzeugen, und der erzeugte Wasserdampf wird genutzt, um Hochtemperaturwärme zu erzeugen. Andererseits ist es gemäß den vorliegenden Mitteln zur Lösung möglich, die Wärmepumpe zu betreiben, indem von dem Wärmequellenfluid abgeschiedener Wasserdampf ohne einen Verdampfungsvorgang des Wasserdampfs genutzt wird. Demzufolge wird es möglich, einen solchen Wasserverdampfungsvorgang, der in herkömmlichen Wärmepumpen notwendig ist, wegzulassen, wodurch es möglich wird, eine Wärmepumpe mit vereinfachter Struktur bereitzustellen.
  • Im dritten Mittel zur Lösung wird feuchte Luft als Wärmequellenfluid benutzt. Daher wird atmosphärische Luft, die feuchte Luft ist, als Wärmequellenfluid zum Betreiben der Pumpe benutzt, und es wird möglich, die Wärme, die die atmosphärische Luft als latente Wärme des Wasserdampfs enthält, als Hochtemperaturwärme zu nutzen.
  • Im vierten Mittel zur Lösung wird das mit Kondenswasser befeuchtete Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zugeführt. Daher kann die im Kondenswasser als latente Wärme des Wasserdampfs enthaltene Wärme in dem Wärmequellenfluid aufgefangen werden. Dies ermöglicht die effektive Nutzung von Energie.
  • Des weiteren ist es gemäß den vorliegenden Mitteln zur Lösung möglich, ein Wärmequellenfluid in das Abscheidemittel (20) einzuführen, dessen Wasserdampf-Teildruck durch Befeuchtung erhöht wurde. Dies macht es daher möglich, den Druck des Wasserdampfs nach der Abscheidung zu erhöhen, während der Unterschied im Wasserdampfdruck zwischen den durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) definierten Räumen beibehalten wird. Demzufolge kann, wenn der Druck des Wasserdampfs, nachdem er erhöht wurde, in dem Druckerhöhungsmittel (30, 90) konstant ist, der Grad, zu dem der Druck in dem Druckerhöhungsmittel (30, 90) erhöht wird, reduziert werden. Im Ergebnis dessen ist es möglich, die Energie, die zum Erhöhen des Drucks des Wasserdampfs in dem Druckerhöhungsmittel (30, 90) benötigt wird, zu reduzieren, womit die Verbesserung der Effizienz ermöglicht wird.
  • Im fünften Mittel zur Lösung wird das mit Kondenswasser erwärmte Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zugeführt. Demzufolge kann die in dem Kondenswasser enthaltene Wärme als fühlbare Wärme des Wasserdampfs in dem Wärmequellenfluid aufgefangen werden. Dies ermöglicht die effektive Nutzung von Energie.
  • Gemäß dem sechsten bis zehnten Mittel zur Lösung kann Hochtemperaturwärme, die in dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugt wird, genutzt werden, um sowohl Wasser als auch Luft zu erwärmen. Insbesondere ist es gemäß dem achten bis zehnten Mittel zur Lösung möglich, zu erwärmende Luft zu befeuchten. Demzufolge ist es möglich, beispielsweise wenn geheizt wird, indem dem Rauminneren zu erwärmende Luft zugeführt wird, nicht nur das Heizen des Raumes sondern auch Raumbefeuchtung bereitzustellen.
  • Im elften Mittel zur Lösung ist das Druckerhöhungsmittel durch einen Ejektor (90) gebildet. Daher ist es möglich, den Druck des Wasserdampfs zu erhöhen, ohne mechanischen Betrieb wie beispielsweise Rotationsbewegung durchführen zu müssen, womit nicht nur die Zuverlässigkeit des Druckerhöhungsmittels, sondern auch die Zuverlässigkeit der gesamten Wärmepumpe verbessert wird.
  • Gemäß dem dreizehnten und vierzehnten Mittel zur Lösung kann der Verdichter (30) durch die Nutzung anderer Energie als elektrischer Energie betrieben werden. Des weiteren kann, wenn es einen Überschuss an Wasserdampf gibt, der in einer Fabrik o.ä. anfällt, ohne genutzt zu werden, solch ein Überschuss an Wasserdampf genutzt werden, um den Verdichter (30) anzutreiben, indem die Dampfturbine (60) benutzt wird.
  • Im siebzehnten Mittel zur Lösung wird Abwärme in einem Vorgang des Verdampfens von Wasser in einem für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) des Kessels (61) genutzt. Dementsprechend wird Abwärme, von der keine Lieferung hoher Temperaturniveaus erwartet werden kann, die aber nichts kostet, in einem Umwandlungsvorgang der latenten Wärme des Wassers genutzt, der große Mengen an Wärme mit niedrigem Temperaturniveau erfordert, was somit die effektive Nutzung von Energie ermöglicht. Ferner kann, obschon dem für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) des Kessels (61) eine Wärmemenge, die beispielsweise durch Treibstoffverbrennung erzeugt wird, zugeführt werden muss, die in dem für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) benötigte Wärmemenge sehr viel kleiner sein als die im für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62). Demzufolge ermöglicht die Nutzung von Abwärme in dem für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62), die Kosten für den Betrieb der Wärmepumpe in größerem Maße zu verringern.
  • Im siebzehnten Mittel zur Lösung ist der Innendruck des Kessels (61) auf unter Atmosphärendruck eingestellt. Dies schließt die Gefahr der Explosion des Kessels (61) vollständig aus. Ferner erfährt Wasser in dem Kessel (61) Verdampfung bei 100 Grad Celsius oder weniger. Dies ermöglicht es daher zuzulassen, dass Abwärme mit geringer Temperatur (100 Grad Celsius oder weniger), die kaum verwendet werden kann, für das Verdampfen von Wasser in dem Kessel (61) genutzt wird. Das heißt, es ist möglich, Abwärme mit niedriger Temperatur in einem Umwandlungsvorgang der latenten Wärme von Wasser, der große Wärmemengen erfordert, zu nutzen. Demzufolge wird es möglich, die Kosten der Energie, die zum Betreiben der Wärmepumpe notwendig ist, zu reduzieren sowie Energie effizient zu nutzen.
  • Im achtzehnten Mittel zur Lösung wird Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, dem Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) zugeführt, wo er die Kondensierung durchläuft. Daher kann die latente Wärme des Wasserdampfs, die bereits für die Erzeugung von Antriebskraft in der Dampfturbine (60) genutzt wurde, ferner zum Erzeugen von Hochtemperaturwärme genutzt werden, womit eine effektive Nutzung von Energie ermöglicht wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel des dritten Ausführungsbeispiels.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel des vierten Ausführungsbeispiels.
  • 7 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
  • 9 ist ein psychrometrisches Diagramm, das eine Beschreibung des Betriebs der Wärmepumpe des sechsten Ausführungsbeispiels bereitstellt.
  • 10 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel.
  • 11 ist ein psychrometrisches Diagramm, das eine Beschreibung des Betriebs der Wärmepumpe des siebenten Ausführungsbeispiels bereitstellt.
  • 12 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 13 ist ein schematisches Diagramm der Anordnung einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Modifikationsbeispiel einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGFORM DER ERFINDUNG
  • Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • Wie in 1 dargestellt, umfasst die Wärmepumpe des ersten Ausführungsbeispiels ein Wärmequellensystem (11), ein Kreislaufsystem (12) und ein Nutzungssystem (13). Diese Wärmepumpe ist als eine Klimaanlage ausge führt, die Wärmequellenluft (feuchte Luft) als Wärmequellenfluid für den Betrieb nutzt und Heizung bereitstellt, indem sie dem Innenraum erwärmte zu erwärmende Luft zuführt.
  • Das Kreislaufsystem (12) ist gebildet, indem ein Wasserdampfabscheidebereich (20), der ein Abscheidemittel ist, ein Verdichter (30), der ein Druckerhöhungsmittel ist, und ein Hauptwärmetauscher (40), der ein Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel ist, in dieser Reihenfolge verbunden werden.
  • Der Wasserdampfabscheidebereich (20) ist wie ein Behälter geformt. Das Innere des Wasserdampfabscheidebereichs (20) ist durch eine wasserdampfdurchlässige Membran (21) in einen Luftraum (22) und einen Wasserdampfraum (23) unterteilt.
  • Mit dem Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) verbunden ist das Wärmequellensystem (11). Dieses Wärmequellensystem (11) nimmt Ventilationsabluft, die aus dem Raum zur Ventilation abgegeben wird, und Außenluft auf und führt dem Luftraum (22) Wärmequellenluft zu, die eine Mischung aus der Ventilationsabluft und der Außenluft ist. Ferner gibt das Wärmequellensystem (11) die Wärmequellenluft, die aus dem Luftraum (22) strömt, nach draußen ab.
  • Der Druck des Wasserdampfraums (23) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) ist auf einen festgelegten Wert eingestellt. Genauer ist der Innendruck des Wasserdampfraumes (23) niedriger eingestellt als der Wasserdampf-Teildruck der Wärmequellenluft, die in den Luftraum (22) eingeführt wird. Im Ergebnis dieser Einstellung besteht im Wasserdampfabscheidebereich (20) ein Unterschied im Wasserdampfdruck zwischen den durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) definierten Räumen, womit ermöglicht wird, dass Wasserdampf durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) dringt. Der Wasserdampfabscheidebereich (20) ist so konstruiert, dass er den Wasserdampf, der in der Wärmequellenluft, die in den Luftraum (22) eingeführt wird, enthalten ist, veranlasst, in den Wasserdampfraum (23) zu wandern, und der in der Wärmequellenluft enthaltene Wasserdampf wird aus dieser abgeschieden.
  • Der Verdichter (30) ist aus einem Turboverdichter gebildet. Dieser Verdichter (30) ist durch eine Antriebswelle (31) mit einem Elektromotor (32) verbunden. Der Verdichter (30) wird von dem Elektromotor (32) durch Rotation angetrieben. Der Verdichter (30) zieht Wasserdampf aus dem Wasserdampfraum (23) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) ein und verdichtet den eingezogenen Wasserdampf, sodass sein Druck erhöht wird. Zu diesem Zeitpunkt erhöht der Verdichter (30) den Druck des Wasserdampfs auf einen bestimmten Druck. Genauer erhöht der Verdichter (30) den Druck des Wasserdampfs auf einen Sättigungsdruck, der einer Kondensationstemperatur entspricht, die zum Erzielen von Hochtemperaturwärme eines spezifischen Temperaturniveaus notwendig ist.
  • In dem Hauptwärmetauscher (40) sind ein Kanal zur Wärmeaufnahme (41) und ein Kanal zur Wärmeabgabe (42) gebildet.
  • An den Kanal zur Wärmeaufnahme (41) des Hauptwärmetauschers (40) ist das Nutzungssystem (13) angeschlossen. Das Nutzungssystem (13) nimmt eingeführte Außenluft, die zur Ventilation in das Rauminnere eingeführt wurde, und Innenluft auf und leitet zu erwärmende Luft, die eine Mischung aus der eingeführten Außenluft und der Innenluft ist, zu dem Kanal zur Wärmeaufnahme (41). Ferner leitet das Nutzungssystem (13) die zu erwärmende Luft, die aus dem Kanal zur Wärmeaufnahme (41) strömt, in das Rauminnere.
  • Der Wasserdampf, dessen Druck in dem Verdichter (30) erhöht wurde, wird in den Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) eingeführt. Der Hauptwärmetauscher (40) veranlasst die zu erwärmende Luft in dem Kanal zur Wärmeaufnahme (41) und den Wasserdampf in dem Kanal zur Wärmeabgabe (42), Wärme auszutauschen, wobei Kondensationswärme, die bei der Kondensation des Wasserdampfs freigesetzt wurde, als Hochtemperaturwärme zum Erwärmen der zu erwärmenden Luft genutzt wird.
  • Laufender Betrieb
  • Durch das Wärmequellensystem (11) wird Wärmequellenluft zum Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) geführt. Der in der Wärmequellenluft enthaltene Wasserdampf dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) und wandert in den Wasserdampfraum (23). Der in den Wasserdampfraum (23) bewegte Wasserdampf wird von dem Verdichter (30) abgezogen und strömt aus dem Wasserdampfraum (23). Unterdessen wird die von Wasserdampf befreite Wärmequellenluft durch das Wärmequellensystem (11) nach draußen ausgestoßen.
  • Der in den Verdichter (30) eingezogene Wasserdampf wird auf einen erhöhten Druck verdichtet. Anschließend wird der Wasserdampf mit erhöhtem Druck in den Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) geleitet. Des weiteren wird durch das Nutzungssystem (13) zu erwärmende Luft zum Kanal zur Wärmeaufnahme (41) des Hauptwärmetauschers (40) geführt. Im Hauptwärmetauscher (40) tauschen die zu erwärmende Luft, die sich im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) befindet, und der Wasserdampf, der sich im Kanal zur Wärmeabgabe (42) befindet, Wärme aus. Wenn der Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) kondensiert, wird Kondensationswärme freigesetzt. Die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) wird durch diese Kondensationswärme erwärmt. Die so erwärmte zu erwärmende Luft wird durch das Nutzungssystem (13) in das Rauminnere geführt. Dieses Zuführen der zu erwärmenden Luft stellt Heizung bereit. Andererseits wird das aus der Kondensation des Wasserdampfs resultierende Kondenswasser nach draußen abgegeben.
  • Hier, im ersten Ausführungsbeispiel, setzt sich die Wärmequellenluft aus Ventilationsabluft und der Außenluft zusammen, während sich die zu erwärmende Luft aus eingeführter Außenluft und Innenluft zusammensetzt. Demzufolge wird Heizung gleichzeitig mit Ventilation bereitgestellt, indem die Wärmequellenluft nach draußen abgegeben wird, während die zu erwärmende Luft in das Rauminnere geleitet wird. Des weiteren wird ein Teil der Wärmequellenluft als Ventilationsabluft genutzt, und ein Teil der in dieser Ventilationsabluft enthaltenen Wärme wird als latente Wärme des Wasserdampfs aufgefangen, und die aufgefangene Wärme wird zum Erwärmen der zu erwärmenden Luft genutzt.
  • Wirkungen des ersten Ausführungsbeispiels
  • Im ersten Ausführungsbeispiel wird die wasserdampfdurchlässige Membran (21) verwendet, um im Wasserdampfabscheidebereich (20) Wasserdampf von Wärmequellenluft, die feuchte Luft ist, abzuscheiden. Demzufolge ist es der ersten Ausführungsform, im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmepumpen, in denen Hochtemperaturwärme durch die Verwendung von Wasserdampf erzeugt wird, der durch das Verdampfen von Wasser erzielt wurde, möglich, die Wärmepumpe durch die Nutzung von Wasserdampf zu betreiben, der aus der Wärmequellenluft ohne einen Vorgang zur Verdampfung von Wasser abgeschieden wurde. Daher ist es möglich, einen Wasserverdampfungsprozess, der in herkömmlichen Wärmepumpen notwendig ist, zu eliminieren, womit es möglich ist, eine Wärmepumpe mit einer vereinfachten Struktur bereitzustellen.
  • Ferner arbeitet gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Wärmepumpe durch die Verwendung von feuchter Luft, die in der Umgebung vorliegt, als Wärmequelle, was es ermöglicht, Wärme, die in der feuchten Luft als die latente Wärme des Wasserdampfs enthalten ist, als Hochtemperaturwärme zu nutzen. Anders als Wärmepumpen des Typs, in dem weitläufig verwendete Fluorkohlenwasserstoff-Kühlmittel eingesetzt werden, ist die Wärmepumpe der vorliegenden Ausführungsform vollkommen frei von jeglichen schädlichen Umweltauswirkungen, die aus dem Auslaufen solcher Kühlmittel resultieren.
  • Außerdem setzt sich im ersten Ausführungsbeispiel die Wärmequellenluft aus Ventilationsabluft und der Außenluft zusammen, während sich die zu erwärmende Luft aus eingeführter Außenluft und Innenluft zusammensetzt. Demzufolge ist es wie oben beschrieben möglich, gleichzeitig Raumheizung und Ventilation bereitzustellen. Da ein Teil der Wärmequellenluft als Ventilationsabluft dient, wird es dadurch außerdem möglich, einen Teil der in der Ventilationsabluft enthaltenen Wärme in der zu erwärmenden Luft aufzufangen, wodurch ein mit Ventilation einhergehender Energieverlust reduziert werden kann.
  • Modifikationsbeispiele des ersten Ausführungsbeispiels
  • Modifikationsbeispiel 1
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Verdichter (30) von dem Elektromotor (32) angetrieben. Die Antriebsquelle des Verdichters (30) ist jedoch nicht auf den Elektromotor (32) beschränkt. Es kann jede andere Antriebsquelle genutzt werden, um den Verdichter (30) zu betätigen. Beispiele für die Verdichterantriebsquelle sind eine Gasturbine, ein Gasmotor usw. Es kann jede Antriebsquelle benutzt werden, solange sie den Verdichter (30) antreiben kann.
  • Wenn als Antriebsquelle für den Verdichter (30) beispielsweise eine Gasturbine verwendet wird, die in der Lage ist, Antriebskraft durch die Verbrennung von Treibstoff zu erzeugen, kann das aus Treibstoffverbrennung resultierende Verbrennungsabgas als ein Wärmequellenfluid genutzt werden. Das heißt, die Verbrennung von Treibstoffen wie Erdöl und Erdgas erzeugt ein Verbrennungsabgas mit einem hohen Wasserdampfgehalt. Demzufolge wird Verbrennungsabgas nicht sofort ausgestoßen, sondern latente und fühlbare Wärme des Wasserdampfs, der in dem Verbrennungsabgas enthalten ist, werden aufgefangen und zum Erzeugen von Hochtemperaturwärme genutzt, womit die effiziente Nutzung von Energie ermöglicht wird.
  • Modifikationsbeispiel 2
  • Im ersten Ausführungsbeispiel wird zu erwärmende Luft durch das Nutzungssystem (13) zum Hauptwärmetauscher (40) geleitet. Auf diese Weise wird die zu erwärmende Luft erwärmt. Andererseits kann eine alternative Anordnung getroffen werden, in der durch das Nutzungssystem (13) Wasser zum Hauptwärmetauscher (40) geleitet wird, wo das Wasser erwärmt wird, um Warmwasser zu erzeugen. In diesem Fall kann das erzeugte Warmwasser genutzt werden, um Innenluft zum Bereitstellen von Heizung zu erwärmen. Alternativ kann das Warmwasser so, wie es erzeugt wurde, für die Lieferung von Heißwasser genutzt werden.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass der Hauptwärmetauscher (40) durch einen Kondensationsbereich (45) ersetzt ist und die Anordnung des Nutzungssystems (13) entsprechend geändert ist. Andere Anordnungen des zweiten Ausführungsbeispiels sind dieselben wie die im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten. Das erste Modifikationsbeispiel des ersten Ausführungsbeispiels ist auch auf das zweite Ausführungsbeispiel anwendbar.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der Kondensationsbereich (45) wie ein Behälter geformt. Das Innere des Kondensationsbereichs (45) wird durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran (46) in einen Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47) und einen Wasserdampfraum (48) unterteilt.
  • An den Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47) des Kondensationsbereichs (45) angeschlossen ist das Nutzungssystem (13). Das Nutzungssystem (13) der vorliegenden Ausführungsform ist ein geschlossener Kreislauf, in dem Wasser des Erwärmungsmediums zwischen einer Fan-Coil-Unit (nicht dargestellt) und dem Kondensationsbereich (45) zirkuliert. In der Fan-Coil-Unit tauschen das vom Kondensationsbereich (45) zugeführte Wasser des Erwärmungsmediums und Innenluft Wärme aus.
  • Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) auf einen bestimmten Druck erhöht wurde, wird in den Wasserdampfraum (48) des Kondensationsbereichs (45) eingeführt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck des im Wasserdampfraum (48) vorliegenden Wasserdampfs höher als ein Sättigungsdruck, der der Temperatur des Wassers des Erwärmungsmediums, das im Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47) vorliegt, entspricht, und der Wasserdampf im Wasserdampfraum (48) dringt durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran (46). Der Kondensationsbereich (45) ist so strukturiert, dass der im Wasserdampfraum (48) vorliegende Wasserdampf veranlasst wird, in den Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47) zu wandern, wo der Wasserdampf kondensiert, wobei Kondensationswärme, die während der Kondensation freigesetzt wird, genutzt wird, um das Wasser des Erwärmungsmediums, das in dem Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47) vorliegt, zu erwärmen.
  • Laufender Betrieb
  • Das Wärmequellensystem (11), der Wasserdampfabscheidebereich (20) und der Verdichter (30) arbeiten auf dieselbe Weise wie ihre Äquivalente im ersten Ausführungsbeispiel. Das heißt, Wasserdampf wird von der Wärmequellenluft abgeschieden, die durch das Wärmequellensystem (11) dem Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) zugeführt wird. Der abgeschiedene Wasserdampf wird im Verdichter (30) auf einen erhöhten Druck verdichtet.
  • Der Wasserdampf mit erhöhtem Druck wird in den Wasserdampfraum (48) des Kondensationsbereichs (45) geleitet. Zwischenzeitlich wird durch das Nutzungssystem (13) Wasser des Erwärmungsmediums von der Fan-Coil-Unit in den Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47) des Kondensationsbereichs (45) geleitet. In diesem Kondensationsbereich (45) dringt der Wasserdampf im Wasserdampfraum (48) durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran (46) und wandert zum Raum für das Wasser des Erwärmungsmediums (47), und das Wasser des Erwärmungsmediums wird durch die Kondensationswärme des Wasserdampfs erwärmt. Das erwärmte Wasser des Erwärmungsmediums wird durch das Nutzungssystem (13) zur Fan-Coil-Unit geleitet und zum Erwärmen von Innenluft verwendet. Die erwärmte Innenluft wird in das Rauminnere geleitet, um Heizung bereitzustellen.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann wie im ersten Ausführungsbeispiel der Betrieb der Wärmepumpe ohne einen Vorgang des Verdampfens von Wasser erfolgen, womit es möglich wird, eine Wärmepumpe mit vereinfachter Struktur bereitzustellen.
  • Modifikationsbeispiel des zweiten Ausführungsbeispiels
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das Wasser des Erwärmungsmediums im Nutzungssystem (13) zirkuliert und zum Erwärmen von Innenluft genutzt. Alternativ kann Heißwasser bereitgestellt werden durch die Zufuhr von erwärmtem Wasser des Erwärmungsmediums als Warmwasser.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Luftbefeuchtungsbereich (50), der ein Luftbefeuchtungsmittel ist, hinzugefügt wird. Andere Anordnungen des dritten Ausführungsbeispiels sind dieselben wie die im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten. Des weiteren ist das erste Modifikationsbeispiel des ersten Ausführungsbeispiels auch für das dritte Ausführungsbeispiel anwendbar.
  • Wie in 3 dargestellt, ist der Luftbefeuchtungsbereich (50) wie ein Behälter geformt. Das Innere des Luftbefeuchtungsbereichs (50) ist durch eine wasserdampfdurchlässige Membran (51) in einen Wasserdampfraum (53) und einen Luftraum (52) unterteilt.
  • Der Wasserdampfraum (53) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) ist in dem Kreislaufsystem (12) zwischen dem Verdichter (30) und dem Hauptwärmetauscher (40) angeschlossen. Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, wird in den Wasserdampfraum (53) eingeführt. Andererseits ist der Luftraum (52) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) an die nachgeschaltete Seite des Hauptwärmetauschers (40) im Nutzungssystem (13) angeschlossen. Zu erwärmende Luft, die während des Durchströmens des Kanals zur Wärmeaufnahme (41) des Hauptwärmetauschers (40) erwärmt wurde, wird in den Luftraum (52) eingeführt.
  • Im Luftbefeuchtungsbereich (50) dringt ein Teil des Wasserdampfs, der im Verdichter (30) auf einen erhöhten Druck verdichtet und in den Wasserdampfraum (53) eingeführt wurde, durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) und wandert in den Luftraum (52). Anders ausgedrückt ist der Luftbefeuchtungsbereich (50) so konstruiert, dass ein Teil des Wasserdampfs mit erhöhtem Druck genutzt wird, um zu erwärmende Luft zu befeuchten, und der verbliebene Wasserdampf mit erhöhtem Druck wird zum Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) geleitet, wo er zum Erwärmen der zu erwärmenden Luft genutzt wird. Des weiteren wird die zu erwärmende Luft, die im Luftbefeuchtungsbereich (50) befeuchtet wurde, durch das Nutzungssystem (13) in das Rauminnere geleitet. Das heißt, die zu erwärmende Luft wird in das Rauminnere geleitet, nachdem sie im Hauptwärmetauscher (40) erwärmt und im Luftbefeuchtungsbereich (50) befeuchtet wurde.
  • Demzufolge ist es gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel möglich, nicht nur Raumheizung sondern auch Raumbefeuchtung bereitzustellen. Ferner wird im dritten Ausführungsbeispiel Wasserdampf, der im Wasserdampfabscheidebereich (20) von der Wärmequellenluft abgeschieden wurde, zum Befeuchten von zu erwärmender Luft genutzt, sodass für das Befeuchten keinerlei Wasserzufuhr notwendig ist.
  • Modifikationsbeispiele des dritten Ausführungsbeispiels
  • Modifikationsbeispiel 1
  • Im dritten Ausführungsbeispiel sind der Hauptwärmetauscher (40) und der Luftbefeuchtungsbereich (50) separate Komponenten. Alternativ kann der Hauptwärmetauscher (40) einstückig mit dem Luftbefeuchtungsbereich (50) gebildet sein. Das heißt, der Kanal zur Wärmeabgabe (42) und der Kanal zur Wärmeaufnahme (41) im Hauptwärmetauscher (40) sind durch eine wasserdampfdurchlässige Membran teilweise als Zonen gebildet, und ein Teil des Wasserdampfs im Kanal zur Wärmeabgabe (42) wird der zu erwärmenden Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) zugeführt, während gleichzeitig der Wasserdampf und die zu erwärmende Luft dazu veranlasst werden, Wärme auszutauschen.
  • Modifikationsbeispiel 2
  • Im dritten Ausführungsbeispiel ist der Luftbefeuchtungsbereich (50) so konstruiert, dass die zu erwärmende Luft durch die Nutzung von Wasserdampf mit erhöhtem Druck befeuchtet wird. Alternativ kann die folgende Konstruktion verwendet werden.
  • Wie in 4 dargestellt, befeuchtet der Luftbefeuchtungsbereich (55) des zweiten Modifikationsbeispiels zu erwärmende Luft, indem Kondenswasser, das im Hauptwärmetauscher (40) erzeugt wurde, verwendet wird. Genauer ist der Luftbefeuchtungsbereich (55) an die nachgeschaltete Seite des Hauptwärmetauschers (40) im Nutzungssystem (13) angeschlossen. Ferner wird ein Teil des Kondenswassers, das im Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) erzeugt wurde, in den Luftbefeuchtungsbereich (55) geleitet. Der Luftbefeuchtungsbereich (55) sprüht das Kondenswasser direkt in die zu erwärmende Luft, und die zu erwärmende Luft wird befeuchtet.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • Ein viertes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass eine Dampfturbine (60), ein Kessel (61), der ein Wasserdampfzuführungsmittel (61) ist, und ein Vorheizwärmetauscher (70), der ein Vorerwärmungsmittel (70) ist, hinzugefügt werden, wobei der Verdichter (30) durch die Dampfturbine (60) angetrieben wird. Ferner ist wegen der Hinzufügung der Dampfturbine (60) und des Kessels (61) die Anordnung des Kreislaufsystems (12) geändert. Andere Anordnungen des vierten Ausführungsbeispiels sind dieselben wie die im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten.
  • Wie in 5 dargestellt, wird im Kessel (61) zugeführtes Wasser durch die Verbrennung eines Treibstoffs erwärmt, um Wasserdampf zu erzeugen. Dieser erzeugte Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt. Genauer wird der interne Druck des Kessels (61) auf einen bestimmten Druck unterhalb des Atmosphärendrucks eingestellt. Im Kessel (61) wird ein Treibstoff wie Erdöl und Erdgas verbrannt, um Wärme zu erzeugen, durch die Wasser zum Verdampfen gebracht wird, und der daraus resultierende Wasserdampf wird weiter erwärmt, um überhitzten Wasserdampf zu erzeugen.
  • Der im Kessel (61) erzeugte überhitzte Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt. In der Dampfturbine (60) wird der zugeführte überhitzte Wasserdampf expandiert, um Antriebskraft zu erzeugen. Ferner ist die Dampfturbine (60) über eine Antriebswelle (31) mit dem Verdichter (30) verbunden. Mit anderen Worten sind im vierten Ausführungsbeispiel der Elektromotor (32) und die Dampfturbine (60) mit dem Verdichter (30) verbunden. Demzufolge wird der Verdichter (30) sowohl von dem Elektromotor (32) als auch von der Dampfturbine (60) durch Rotation angetrieben.
  • In dem Kreislaufsystem (12) des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind sowohl der Verdichter (30) als auch die Dampfturbine (60) dem Hauptwärmetauscher (40) parallel vorgeschaltet. Das heißt, das Kreislaufsystem (12) ist so konstruiert, dass dem Hauptwärmetauscher (40) sowohl Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, zugeführt werden.
  • Im Vorheizwärmetauscher (70) sind ein Luftkanal (71) und ein Wasserkanal (72) gebildet. Dem Luftkanal (71), der an die vorgeschaltete Seite des Wasserdampfabscheidebereichs (20) im Wärmequellensystem (11) angeschlos sen ist, wird Wärmequellenluft zugeführt. Andererseits wird dem Wasserkanal (72), der im Kreislaufsystem (12) an die nachgeschaltete Seite des Hauptwärmetauschers (40) angeschlossen ist, Kondenswasser, das im Hauptwärmetauscher (40) erzeugt wurde, zugeführt. Im Vorheizwärmetauscher (70) wird die Wärmequellenluft im Luftkanal (71) durch Wärmeaustausch mit dem Kondenswasser im Wasserkanal (72) erwärmt, und die erwärmte Wärmequellenluft wird in den Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) geleitet.
  • Laufender Betrieb
  • Die in das Wärmequellensystem (11) aufgenommene Wärmequellenluft wird in den Luftkanal (71) des Vorheizwärmetauschers (70) geleitet. Während sie durch den Luftkanal (71) strömt, wird die Wärmequellenluft durch Wärmeaustausch mit dem Kondenswasser im Wasserkanal (72) erwärmt. Das heißt, die im Kondenswasser enthaltene Wärme wird in der Wärmequellenluft aufgefangen.
  • Die erwärmte Wärmequellenluft wird in den Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) geleitet. In der Wärmequellenluft enthaltener Wasserdampf dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) und wandert in den Wasserdampfraum (23). Der Wasserdampf, der sich nun im Wasserdampfraum (23) befindet, wird durch den Verdichter (30) abgezogen und strömt aus dem Wasserdampfraum (23) hinaus. Im Verdichter (30) wird der abgezogene Wasserdampf auf einen erhöhten Druck verdichtet. Ferner wird die Wärmequellenluft, aus der der Wasserdampf im Luftraum (22) abgeschieden wurde, über das Wärmequellensystem (11) nach draußen abgegeben.
  • Zwischenzeitlich wird im Kessel (61) überhitzter Wasserdampf mit einer bestimmten Temperatur und einem Druck (beispielsweise 495 Grad Celsius und 80 kPa) erzeugt. Dieser überhitzte Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt. Die Dampfturbine (60) expan diert den zugeführten Wasserdampf, um Antriebskraft zu erzeugen. Der Verdichter (30) wird durch Antriebskraft, die von der Dampfturbine (60) erzeugt wurde, und durch Antriebskraft, die vom Elektromotor (32) erzeugt wurde, durch Rotation angetrieben.
  • Sowohl der Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch der Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, werden dem Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) zugeführt. Ferner wird dem Kanal zur Wärmeaufnahme (41) des Hauptwärmetauschers (40) durch das Nutzungssystem (13) zu erwärmende Luft zugeführt. Im Hauptwärmetauscher (40) tauschen die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) und der Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) Wärme aus. Es wird Kondensationswärme des Wasserdampfs freigesetzt, wenn er im Kanal zur Wärmeabgabe (42) kondensiert. Die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) wird durch diese Kondensationswärme erwärmt. Das heißt, es wird nicht nur die Kondensationswärme des Wasserdampfs, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, zum Erwärmen der zu erwärmenden Luft benutzt, sondern auch die Kondensationswärme des Wasserdampfs, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde. Die erwärmte zu erwärmende Luft wird durch das Nutzungssystem (13) dem Innenraum zugeführt. Diese Zuführung der zu erwärmenden Luft stellt Heizung bereit.
  • Kondenswasser, das bei der Kondensation von Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) entsteht, wird in den Wasserkanal (72) des Vorheizwärmetauschers (70) geleitet. Das in den Wasserkanal (72) eingeleitete Kondenswasser tauscht mit der Wärmequellenluft im Luftkanal (71) Wärme aus und setzt Wärme für die Wärmequellenluft frei. Das im Hauptwärmetauscher (40) erzeugte Kondenswasser hat eine bestimmte hohe Temperatur (beispielsweise 40 bis 50 Grad Celsius), sodass die im Kondenswasser enthaltene Wärme in der Wärmequellenluft aufgefangen wird. Das aus dem Wasserkanal (72) des Vorheizwärmetauschers (70) ausgeströmte Kondenswasser wird anschließend nach draußen abgegeben.
  • Wirkungen des vierten Ausführungsbeispiels
  • Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel können folgende Wirkungen zusätzlich zu den Wirkungen des ersten Ausführungsbeispiels erzielt werden.
  • Im vierten Ausführungsbeispiel wird der Verdichter (30) nicht nur vom Elektromotor (32), sondern auch von der Dampfturbine (60) angetrieben. Dies bedeutet, dass nicht nur elektrische Energie, sondern auch thermische Energie zum Antreiben des Verdichters (30) genutzt werden kann. Ferner ist die Anordnung so eingerichtet, dass der in der Dampfturbine (60) expandierte Wasserdampf in den Hauptwärmetauscher (40) geleitet wird. Im Ergebnis einer solchen Anordnung kann der im Kessel (61) erzeugte Wasserdampf nicht nur zur Erzeugung von Antriebskraft in der Dampfturbine (60), sondern auch zum Erwärmen von zu erwärmender Luft im Hauptwärmetauscher (40) genutzt werden, was die effektive Nutzung von Energie ermöglicht. Außerdem ist der interne Druck des Kessels (61) auf unter Atmosphärendruck eingestellt. Diese Einstellung schließt die Gefahr der Explosion des Kessels (61) vollständig aus, womit die Sicherheit verbessert wird.
  • Ferner wird im vierten Ausführungsbeispiel im Hauptwärmetauscher (40) erzeugtes Kondenswasser in den Vorheizwärmetauscher (70) geleitet, und durch das Kondenswasser erwärmte Wärmequellenluft wird dem Wasserdampfabscheidebereich (20) zugeführt. Demzufolge ist es möglich, die im Kondenswasser enthaltene Wärme aufzufangen, als fühlbare Wärme von Wasserdampf, der in der Wärmequellenluft enthalten ist, was die effektive Nutzung von Energie ermöglicht.
  • Modifikationsbeispiele des vierten Ausführungsbeispiels
  • Modifikationsbeispiel 1
  • Im vierten Ausführungsbeispiel wird Treibstoffverbrennungswärme genutzt, um im Kessel (61) überhitzten Wasserdampf zu erzeugen. Alternativ kann Abwärme verwendet werden. Das heißt, die von diversen Geräten und Anlagen abgegebene Abwärme wird nicht sofort abgegeben, sondern im Kessel (61) genutzt. Beispiele dieser Art von Abwärme sind Wärme, die in Abgasen von Gasturbinen enthalten ist, und Wärme, die beispielsweise von einem Co-Erzeugungssystem abgegeben wird.
  • Ferner kann eine solche Anordnung getroffen werden, dass Abwärme nur für einen Umwandlungsvorgang von latenter Wärme zur Verdampfung von Wasser im Kessel (61) verwendet wird. In diesem Falle ist der Kessel (61), wie in 6 dargestellt, mit einem für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) und einem für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) ausgestattet. Der für latente Wärme vorgesehene Bereich (62) nutzt Abwärme, um zugeführtes Wasser zu erwärmen und zu verdampfen. Andererseits erwärmt der für fühlbare Wärme vorgesehene Bereich (63) den im für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) erzeugten Wasserdampf in einem solchen Maße weiter, dass er sich in überhitzten Wasserdampf umwandelt. Zu diesem Zeitpunkt nutzt der für fühlbare Wärme vorgesehene Bereich (63) Treibstoffverbrennungswärme, um den Wasserdampf zu erwärmen.
  • Hierbei liegt der Grund für die Nutzung von Abwärme im für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) in Folgendem. Das heißt, es genügt, wenn das Temperaturniveau der Wärme, die im Vorgang einer Umwandlung latenter Wärme im für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) benötigt wird, niedriger ist als das Temperaturniveau der Wärme, die im Vorgang einer Umwandlung fühlbarer Wärme im für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) benötigt wird. Die Wärmemenge, die im Vorgang einer Umwandlung latenter Wärme benötigt wird, ist jedoch sehr viel größer als die Wärmemenge, die im Vorgang einer Umwandlung fühlbarer Wärme benötigt wird. Demzufolge ermöglicht es die Anordnung, in der Abwärme, von der keine Lieferung von hohen Temperaturniveaus erwartet werden kann, die aber nichts kostet, in einem Umwandlungsvorgang latenter Wärme, der eine große Wärmemenge mit niedrigem Temperaturniveau erfordert, genutzt wird, eine effektive Abwärmenutzung zu erreichen. Übrigens ist nur das Erwärmen im für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63), dessen Umfang gering ist, teuer, womit eine starke Reduzierung der Kosten für die Energie, die der Betrieb der Wärmepumpe benötigt, ermöglicht wird.
  • Insbesondere ist im vierten Ausführungsbeispiel der interne Druck des Kessels (61) auf unter Atmosphärendruck eingestellt, und die Verdampfungstemperatur von Wasser im Kessel (61) beträgt 100 Grad Celsius oder weniger. Dies ermöglicht, dass selbst Abwärme mit niedriger Temperatur, die aufgrund ihres Temperaturniveaus von 100 Grad Celsius oder weniger kaum zu verwenden ist, in einem Umwandlungsvorgang latenter Wärme im für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) des Kessels (61), der große Wärmemengen benötigt, genutzt werden kann.
  • Im ersten Modifikationsbeispiel wird Treibstoffverbrennungswärme genutzt, um Wärmezufuhr im für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) bereitzustellen. Alternativ kann beispielsweise ein Elektroheizer genutzt werden. Des weiteren können im Kessel (61) der für latente Wärme vorgesehene Bereich (62) und der für fühlbare Wärme vorgesehene Bereich (63) miteinander einstückig gebildet sein. Ferner können der für latente Wärme vorgesehene Bereich (62) und der für fühlbare Wärme vorgesehene Bereich (63) separat gebildet und durch Rohrleitungen miteinander verbunden sein.
  • Modifikationsbeispiel 2
  • Im vierten Ausführungsbeispiel wird Antriebskraft durch das Zuführen von im Kessel (61) erzeugten Wasserdampf zur Dampfturbine (60) erzeugt. Wenn es in einer Fabrik o.ä. einen Überschuss an Wasserdampf gibt, der abgegeben wird, ohne genutzt zu werden, kann ein solcher Überschuss an Wasserdampf der Dampfturbine (60) zur Erzeugung von Antriebskraft zugeführt werden.
  • Modifikationsbeispiel 3
  • Im vierten Ausführungsbeispiel wird der Verdichter (30) sowohl von der Dampfturbine (60) als auch vom Elektromotor (32) angetrieben. Alternativ kann eine solche Anordnung getroffen sein, dass der Verdichter (30) nur von der Dampfturbine (60) angetrieben wird.
  • Ausführungsbeispiel 5
  • Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die Dampfturbine (60) und der Kessel (61), der ein Wasserdampfzuführungsmittel (61) ist, hinzugefügt sind und der Verdichter (30) auch durch die Dampfturbine (60) angetrieben wird. Ferner ist wegen der Hinzufügung der Dampfturbine (60) und des Kessels (61) die Anordnung des Kreislaufsystems (12) geändert. Andere Anordnungen des fünften Ausführungsbeispiels sind dieselben wie die im zweiten Ausführungsbeispiel dargestellten.
  • Wie aus 7 ersichtlich ist, sind im fünften Ausführungsbeispiel die Dampfturbine (60) und der Kessel (61) genauso konstruiert wie die Dampfturbine (60) und der Kessel (61) im vierten Ausführungsbeispiel. Das heißt, der Kessel (61) erzeugt überhitzten Wasserdampf und führt ihn der Dampfturbine (60) zu, und der Verdichter (30) wird von der durch die Dampfturbine (60) und den Elektromotor (32) erzeugten Antriebskraft durch Rotation angetrieben. Demzufolge sind die Modifikationsbeispiele 1 bis 3 des vierten Ausführungsbeispiels auch auf das fünfte Ausführungsbeispiel anwendbar.
  • Des weiteren ist das Kreislaufsystem (12) des fünften Ausführungsbeispiels so konstruiert, dass sowohl Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, in den Wasserdampfraum (48) des Kondensationsbereichs (45) geleitet werden.
  • Laufender Betrieb
  • Der Betrieb des Wasserdampfabscheidebereichs (20) und der Betrieb des Verdichters (30) sind dieselben wie die im zweiten Ausführungsbeispiel dargestellten. Das heißt, Wasserdampf wird von der in den Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) eingeführten Wärmequellenluft abgeschieden, und der abgeschiedene Wasserdampf wird im Verdichter (30) auf einen erhöhten Druck verdichtet.
  • Andererseits sind der Betrieb des Kessels (61) und der Betrieb der Dampfturbine (60) dieselben wie die in der vierten Ausführungsform dargestellten. Das heißt, im Kessel (61) erzeugter überhitzter Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt, und die durch die Expansion des Wasserdampfs in der Dampfturbine (60) erzeugte Antriebskraft wird zum Betätigen des Verdichters (30) genutzt.
  • Sowohl der Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch der Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, werden in den Wasserdampfraum (48) des Kondensationsbereichs (45) geleitet. Der so in den Wasserdampfraum (48) eingeführte Wasserdampf dringt durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran (46) des Kondensationsbereichs (45) und kondensiert, um Kondensationswärme zu entwickeln, mit der Wasser des Erwärmungsmediums im für Wasser des Erwärmungsmediums vorgesehenen Raum (47) erwärmt wird. Dieses erwärmte Wasser des Erwärmungsmediums wird zur Fan-Coil-Unit (nicht dargestellt) geleitet und zum Erwärmen von Innenraumluft benutzt.
  • Ausführungsbeispiel 6
  • Ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich vom dritten Ausführungsbeispiel darin, dass die Dampfturbine (60), der Kessel (61), der ein Wasserdampfzuführungsmittel (61) ist, und der Vorheizwärmetauscher (70), der ein Vorerwärmungsmittel ist, hinzugefügt sind und der Verdichter (30) auch durch die Dampfturbine (60) angetrieben wird. Ferner ist wegen der Hinzufügung der Dampfturbine (60) und des Kessels (61) die Anordnung des Kreislaufsystems (12) entsprechend geändert. Die anderen Anordnungen des sechsten Ausführungsbeispiels sind dieselben wie die im dritten Ausführungsbeispiel dargestellten. Daher sind das erste und das zweite Modifikationsbeispiel des dritten Ausführungsbeispiels auch auf das sechste Ausführungsbeispiel anwendbar.
  • Wie in 8 dargestellt, sind die Dampfturbine (60), der Kessel (61) und der Vorheizwärmetauscher (70) genauso konstruiert wie ihre Äquivalente im vierten Ausführungsbeispiel. Das heißt, der Kessel (61) erzeugt überheizten Wasserdampf und führt ihn der Dampfturbine (60) zu, und der Verdichter (30) wird durch die von der Dampfturbine (60) und dem Elektromotor (32) erzeugte Antriebskraft angetrieben. Demzufolge sind die Modifikationsbeispiele 1 bis 3 des vierten Ausführungs beispiels auch auf das sechste Ausführungsbeispiel anwendbar.
  • Ferner ist das Kreislaufsystem (12) des sechsten Ausführungsbeispiels so konstruiert, dass sowohl Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, in den Wasserdampfraum (53) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) geleitet werden.
  • Laufender Betrieb
  • Nunmehr mit Bezug auf 9 wird der laufende Betrieb der Wärmepumpe gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Wärmequellenluft, die im Zustand an Punkt A in das Wärmequellensystem (11) aufgenommen wird, wird in den Luftkanal (71) des Vorheizwärmetauschers (70) geleitet. Während sie durch den Luftkanal (71) strömt, wird die Wärmequellenluft erwärmt, indem sie mit Kondenswasser im Wasserkanal (72) Wärme austauscht, und geht in den Zustand an Punkt B über. Das heißt, die im Kondenswasser enthaltene Wärme wird in der Wärmequellenluft aufgefangen, und die Temperatur der Wärmequellenluft wird erhöht.
  • Die Wärmequellenluft im Zustand an Punkt B wird in den Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) geleitet. In der Wärmequellenluft enthaltener Wasserdampf dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) und wandert in den Wasserdampfraum (23). Wegen dieser Bewegung des Wasserdampfs sinkt die absolute Feuchtigkeit der Wärmequellenluft, und die Wärmequellenluft geht in den Zustand an Punkt C über. Der Wasserdampf, der sich in den Wasserdampfraum (23) bewegt hat, wird vom Verdichter eingezogen und strömt aus dem Wasserdampfraum (23) heraus. Im Verdichter (30) wird der abgezogene Wasserdampf auf einen erhöhten Druck verdichtet. Ferner wird die Wärmequellenluft im Zustand an Punkt C, von der im Luftraum (22) Wasserdampf abgeschieden wurde, durch das Wärmequellensystem (11) nach draußen abgegeben.
  • Zwischenzeitlich erzeugt der Kessel (61) überhitzten Wasserdampf mit einer bestimmten Temperatur und einem Druck (beispielsweise 495 Grad Celsius und 80 kPa), und dieser überhitzte Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt. Die Dampfturbine (60) expandiert den zugeführten überhitzten Wasserdampf, um Antriebskraft zu erzeugen. Der Verdichter (30) wird von der durch die Dampfturbine (60) erzeugten Antriebskraft und von der durch den Elektromotor (32) erzeugten Antriebskraft durch Rotation angetrieben.
  • Sowohl der Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch der Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, werden in den Wasserdampfraum (53) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) geleitet. Ein Teil des in den Wasserdampfraum (53) eingeführten Wasserdampfs dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) und wandert in den Luftraum (52). Wegen dieser Bewegung des Wasserdampfs wird zu erwärmende Luft, die in den Luftraum (52) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) eingeführt wurde, befeuchtet. Der verbleibende Wasserdampf im Wasserdampfraum (53) wird in den Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) geleitet.
  • Im Hauptwärmetauscher (40) tauschen die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) und der Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) Wärme aus. Es wird Kondensationswärme freigesetzt, wenn der Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) kondensiert, und die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) wird von dieser Kondensationswärme erwärmt. Das heißt, die zu erwärmende Luft im Zustand an Punkt D durchläuft einen Temperaturanstieg durch Erwärmen im Hauptwärme tauscher (40) sowie einen Feuchtigkeitsanstieg durch Befeuchten im Luftbefeuchtungsbereich (50), womit sie in den Zustand an Punkt E übergeht. Die zu erwärmende Luft im Zustand an Punkt E wird durch das Nutzungssystem (13) dem Innenraum zugeführt. Diese Zuführung der zu erwärmenden Luft stellt Heizung bereit.
  • Kondenswasser, das durch Kondensation des Wasserdampfs im Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) erzeugt wurde, wird in den Wasserkanal (72) des Vorheizwärmetauschers (70) geleitet. Das in den Wasserkanal (72) geleitete Kondenswasser tauscht mit Wärmequellenluft im Luftkanal (71) Wärme aus und setzt Wärme für die Wärmequellenluft frei. Das heißt, das im Hauptwärmetauscher (40) erzeugte Kondenswasser befindet sich in einem bestimmten Zustand mit hoher Temperatur (beispielsweise etwa 40 bis 50 Grad Celsius), sodass die im Kondenswasser enthaltene Energie in der Wärmequellenluft aufgefangen wird. Das aus dem Wasserkanal (72) des Vorheizwärmetauschers (70) ausgeströmte Kondenswasser wird anschließend nach draußen abgegeben.
  • Ausführungsbeispiel 7
  • Ein siebentes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich vom sechsten Ausführungsbeispiel darin, dass statt des Vorheizwärmetauschers (70) ein Vorbefeuchtungsbereich (75), der ein Vorbefeuchtungsmittel ist, geschaffen ist. Die anderen Anordnungen des siebenten Ausführungsbeispiels sind dieselben wie die im sechsten Ausführungsbeispiel dargestellten. Daher sind die Modifikationsbeispiele des sechsten Ausführungsbeispiels auch auf das siebente Ausführungsbeispiel anwendbar.
  • Wie in 10 dargestellt, ist der Vorbefeuchtungsbereich (75) wie ein Behälter geformt. Das Innere des Vorbefeuchtungsbereichs (75) ist durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran (76) in einen Luftraum (77) und in einen Wasserraum (78) unterteilt. Der Luftraum (77) ist mit der vorgeschalteten Seite des Wasserdampfabscheidebereichs (20) im Wärmequellensystem (11) verbunden, wobei Wärmequellenluft in den Luftraum (77) geleitet wird. Andererseits ist der Wasserraum (78) mit der nachgeschalteten Seite des Hauptwärmetauschers (40) im Kreislaufsystem (12) verbunden, wobei das im Hauptwärmetauscher (40) erzeugte Kondenswasser in den Wasserraum (78) geleitet wird. Der Vorbefeuchtungsbereich (75) führt das in den Wasserraum (78) eingeführte Kondenswasser der Wärmequellenluft im Luftraum (77) zu. Nach ihrer Befeuchtung wird die Wärmequellenluft dem Wasserdampfabscheidebereich (20) zugeführt.
  • Laufender Betrieb
  • Mit Bezug auf 11 wird der laufende Betrieb der Wärmepumpe gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Wärmequellenluft im Zustand an Punkt A, die in das Wärmequellensystem (11) aufgenommen wurde, wird in den Luftraum (77) des Vorbefeuchtungsbereichs (75) geleitet. Der Wärmequellenluft im Luftraum (77) wird durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran (76) hindurch Kondenswasser im Wasserraum (78) zugeführt. Durch diese Zuführung des Kondenswassers durchläuft die Wärmequellenluft eine Änderung in einem etwa isenthalpischen Prozess. Das heißt, im Luftraum (77) erhöht sich die absolute Feuchtigkeit der Wärmequellenluft, und ihre Temperatur sinkt. Im Ergebnis dessen geht die Wärmequellenluft in den Zustand an Punkt B' über. Daher wird im Vorbefeuchtungsbereich (75) im Kondenswasser enthaltene Wärme als latente Wärme des Wasserdampfs in der Wärmequellenluft aufgefangen.
  • Die Wärmequellenluft im Zustand an Punkt B' wird in den Luftraum (22) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) geleitet. Der in der Wärmequellenluft enthaltene Wasserdampf dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) und wandert in den Wasserdampfraum (23). Wegen dieser Bewegung des Wasserdampfs fällt die absolute Feuchtigkeit der Wärmequellenluft, und die Wärmequellenluft geht in den Zustand an Punkt C' über. Der Wasserdampf, der sich in den Wasserdampfraum (23) bewegt hat, wird vom Verdichter (30) abgezogen und strömt aus dem Wasserdampfraum (23) heraus. Im Verdichter (30) wird der abgezogene Wasserdampf auf einen erhöhten Druck verdichtet. Ferner wird die Wärmequellenluft im Zustand an Punkt C', von der der Wasserdampf im Luftraum (22) abgeschieden wurde, durch das Wärmequellensystem (11) nach draußen abgegeben.
  • Zwischenzeitlich erzeugt der Kessel (61) überhitzten Wasserdampf mit einer bestimmten Temperatur und einem Druck (beispielsweise 495 Grad Celsius und 80 kPa). Der erzeugte überhitzte Wasserdampf wird der Dampfturbine (60) zugeführt. Die Dampfturbine (60) expandiert den zugeführten überhitzten Wasserdampf, um Antriebskraft zu erzeugen. Der Verdichter (30) wird von der Antriebskraft, die durch die Dampfturbine (60) erzeugt wird, und von der Antriebskraft, die durch den Elektromotor (32) erzeugt wird, durch Rotation angetrieben.
  • Sowohl der Wasserdampf, dessen Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, als auch der Wasserdampf, der in der Dampfturbine (60) expandiert wurde, werden in den Wasserdampfraum (53) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) geleitet. Ein Teil des in den Wasserdampfraum (53) eingeführten Wasserdampfs dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) und wandert in den Luftraum (52). Wegen dieser Bewegung des Wasserdampfs wird die zu erwärmende Luft, die in den Luftraum (52) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) eingeführt wurde, befeuchtet. Der verbleibende Wasserdampf im Wasserdampfraum (53) wird in den Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) geleitet.
  • Im Hauptwärmetauscher (40) tauschen die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) und der Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) Wärme aus. Im Ergebnis dessen wird Kondensationswärme freigesetzt, wenn der Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) zum Kondensieren gebracht wird, und die zu erwärmende Luft im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) wird von dieser Kondensationswärme erwärmt. Das heißt, die zu erwärmende Luft im Zustand an Punkt D durchläuft einen Temperaturanstieg durch Erwärmen im Hauptwärmetauscher (40) sowie einen Feuchtigkeitsanstieg durch Befeuchten im Luftbefeuchtungsbereich (50), womit sie in den Zustand an Punkt E übergeht. Die zu erwärmende Luft im Zustand an Punkt E wird durch das Nutzungssystem (13) dem Innenraum zugeführt. Diese Zuführung der zu erwärmenden Luft stellt Heizung bereit.
  • Kondenswasser, das durch Kondensation des Wasserdampfs im Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) erzeugt wurde, wird in den Wasserkanal (78) des Vorbefeuchtungsbereichs (75) geleitet. Ein Teil des in den Wasserkanal (78) geleiteten Kondenswassers wird, nachdem es durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran (76) gedrungen ist, der Wärmequellenluft im Luftraum (77) zugeführt. Das heißt, das im Hauptwärmetauscher (40) erzeugte Kondenswasser ist in einem bestimmten Zustand mit hoher Temperatur (beispielsweise etwa 40 bis 50 Grad Celsius), sodass die im Kondenswasser enthaltene Wärme in der Wärmequellenluft als latente Wärme des Wasserdampfs aufgefangen wird. Das übrige, aus dem Wasserkanal (78) des Vorbefeuchtungsbereichs (75) ausgeströmte Kondenswasser wird anschließend nach draußen abgegeben.
  • Wirkungen des siebenten Ausführungsbeispiels
  • Im siebenten Ausführungsbeispiel wird im Vorbefeuchtungsbereich (75) Kondenswasser genutzt, um die Wärmequellenluft zu befeuchten. Demzufolge wird die im Kondenswasser enthaltene Wärme als latente Wärme des Wasserdampfs in der Wärmequellenluft aufgefangen. Dies ermöglicht eine effektive Nutzung von Energie.
  • Ferner kann gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel ein Wärmequellenfluid, dessen Wasserdampf-Teildruck durch die Befeuchtung im Vorbefeuchtungsbereich (75) erhöht wurde, in den Wasserdampfabscheidebereich (20) eingeführt werden. Deshalb kann, während ein Unterschied im Wasserdampfdruck zwischen den durch die wasserdampfdurchlässige Membran (21) unterteilten Räumen beibehalten wird, der Druck des Wasserdampfs nach der Abscheidung hoch eingestellt werden. Wenn der Druck des Wasserdampfs, nachdem sein Druck im Verdichter (30) erhöht wurde, konstant ist, ist es demzufolge möglich, den Grad der Druckerhöhung im Verdichter (30) zu reduzieren. Im Ergebnis dessen kann die für den Antrieb des Verdichters (30) benötigte Energie reduziert werden, was die Schaffung einer verbesserten Effizienz ermöglicht.
  • Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom siebenten Ausführungsbeispiel darin, dass nicht nur Heizung, sondern auch Kühlung bereitgestellt werden kann. Im Folgenden werden verschiedene Anordnungen aus dem siebenten Ausführungsbeispiel beschrieben. Für das siebente Ausführungsbeispiel geltende Modifikationsbeispiele sind auch auf die Erfindung anwendbar.
  • Wie in 12 dargestellt, ist die Wärmepumpe der Erfindung mit einem ersten Vier-Wege-Wahlventil (81), einem zweiten Vier-Wege-Wahlventil (82) und einem Wahlventil (83) ausgestattet.
  • Mit dem ersten Vier-Wege-Wahlventil (81) sind ein Einlassendstück des Wärmequellensystems (11) und ein Einlassendstück des Nutzungssystems (13) verbunden.
  • Ferner sind ein erster Luftkanal (84) zum Einlassen von Luft eines ersten Typs und ein zweiter Luftkanal (85) zum Einlassen von Luft eines zweiten Typs mit dem ersten Vier-Wege-Wahlventil (81) verbunden. Das erste Vier-Wege-Wahlventil (81) ist so konstruiert, dass es das Schalten zwischen einem Zustand (wie in 12 mit durchbrochenen Linien dargestellt), in dem das Wärmequellensystem (11) und der erste Luftkanal (84) miteinander in Verbindung stehen und außerdem das Nutzungssystem (13) und der zweite Luftkanal (85) miteinander in Verbindung stehen, und einem zweiten Zustand (wie in 12 mit durchgängigen Linien dargestellt), in dem das Wärmequellensystem (11) und der zweite Luftkanal (85) miteinander in Verbindung stehen und außerdem das Nutzungssystem (13) und der erste Luftkanal (84) miteinander in Verbindung stehen, ermöglicht.
  • Mit dem zweiten Vier-Wege-Wahlventil (82) sind ein Auslassendstück des Wärmequellensystems (11) und ein Auslassendstück des Nutzungssystems (13) verbunden. Ferner sind ein Innenraumzufuhrkanal (86), der sich zum Inneren des Raumes hin öffnet, und ein Außenausstoßkanal (87), der sich nach außerhalb des Raumes öffnet, mit dem zweiten Vier-Wege-Wahlventil (82) verbunden. Das zweite Vier-Wege-Wahlventil (82) ist so konstruiert, das es das Schalten zwischen einem Zustand (wie in 12 mit durchbrochenen Linien dargestellt), in dem das Wärmequellensystem (11) und der Außenausstoßkanal (87) miteinander in Verbindung stehen und außerdem das Nutzungssystem (13) und der Innenraumzufuhrkanal (86) miteinander in Verbindung stehen, und einem Zustand (wie in 12 mit durchgängigen Linien dargestellt), in dem das Wärmequellensystem (11) und der Innenraumzufuhrkanal (86) miteinander in Verbindung stehen und außerdem das Nutzungssystem (13) und der Außenausstoßkanal (87) in Verbindung stehen, zu ermöglichen.
  • Die Luft des ersten Typs setzt sich aus einer Mischung aus Ventilationsabluft zusammen, die aus dem Raum zur Ventilation und zur Außenluft abgegeben wird. Andererseits setzt sich die Luft des zweiten Typs aus einer Mischung aus eingeführter Luft zusammen, die in den Innenraum zur Ventilation und zur Innenluft eingeführt wird.
  • Das Wahlventil (83) ist zwischen den Hauptwärmetauscher (40) und den Vorbefeuchtungsbereich (75) im Kreislaufsystems (12) geschaltet. Ein Wasserzufuhrkanal (88) für die Zuführung beispielsweise von Leitungswasser ist an das Wahlventil (83) angeschlossen. Das Wahlventil (83) ist so konstruiert, dass das Schalten zwischen einem Zustand (wie in 12 mit durchbrochenen Linien dargestellt), in dem der Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) und der Wasserraum (78) des Vorbefeuchtungsbereichs (75) miteinander in Verbindung stehen, und einem Zustand (in 12 mit durchgängigen Linien dargestellt), in dem der Wasserzufuhrkanal (88) und der Wasserraum (78) des Vorbefeuchtungsbereichs (75) miteinander in Verbindung stehen, ermöglicht wird.
  • Ferner stellt der Vorbefeuchtungsbereich (75) des achten Ausführungsbeispiels ein Vorbefeuchtungsmittel (75) zum Befeuchten der Luft des ersten Typs durch die Verwendung von Kondenswasser aus dem Hauptwärmetauscher (40) dar und stellt gleichzeitig ein Befeuchtungskühlmittel (89) zum Befeuchten und Kühlen der Luft des ersten Typs durch Verwendung von Wasser aus dem Wasserzufuhrkanal (88) dar.
  • Laufender Betrieb
  • Zunächst wird der Betrieb im Heizmodus beschrieben. Während des Betriebs im Heizmodus sind das erste Vier-Wege-Wahlventil (81), das zweite Vier-Wege-Wahlventil (82) und das Wahlventil (83) alle in den jeweiligen Zustand der gestrichelten Linien (siehe 12) geschaltet. In diesem Zustand wird der Betrieb im Heizmodus auf dieselbe Weise ausgeführt wie im siebenten Ausführungsbeispiel, um Raumheizung bereitzustellen.
  • Genauer wird die im ersten Luftkanal (84) aufgenommene Luft des ersten Typs als Wärmequellenluft in das Wärmequellensystem (11) geleitet. Die in das Wärmequellensystem (11) geleitete Luft des ersten Typs wird im Vorbefeuchtungsbereich (75) befeuchtet, und anschließend wird sein Wasserdampfgehalt im Wasserdampfabscheidebereich (20) abgeschieden. Dann wird die Luft des ersten Typs durch den Außenausstoßkanal (87) nach draußen abgegeben. Der im Wasserdampfabscheidebereich (20) von der Luft des ersten Typs abgeschiedene Wasserdampf wird im Verdichter (30) verdichtet. Andererseits wird der vom Kessel (61) zur Dampfturbine (60) geleitete Wasserdampf genutzt, um Antriebskraft zu erzeugen.
  • Sowohl der Wasserdampf aus dem Verdichter (30) als auch der Wasserdampf aus der Dampfturbine (60) werden in den Luftbefeuchtungsbereich (50) geleitet, und ein Teil des in den Luftbefeuchtungsbereich (50) geleiteten Wasserdampfs dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51). Der verbleibende Wasserdampf wird zum Hauptwärmetauscher (40) geleitet, wo er zum Kondensieren gebracht wird. Dieses im Hauptwärmetauscher (40) erzeugte Kondenswasser wird in den Vorbefeuchtungsbereich (75), der als Vorbefeuchtungsmittel (75) dient, geleitet, und ein Teil des in den Vorbefeuchtungsbereich (75) geleiteten Kondenswassers wird zum Befeuchten der Luft des ersten Typs genutzt. Das verbleibende Kondenswasser wird nach draußen abgegeben.
  • Zwischenzeitlich wird die im zweiten Luftkanal (85) aufgenommene Luft des zweiten Typs als zu erwärmende Luft in das Nutzungssystem (13) geleitet. Die zum Nutzungssystem (13) geleitete Luft des zweiten Typs wird zunächst im Hauptwärmetauscher (40) erhitzt und dann im Luftbefeuchtungsbereich (50) befeuchtet. Anschließend wird die Luft des zweiten Typs über den Innenraumzufuhrkanal (86) dem Rauminneren zugeführt. Diese Zufuhr der Luft des zweiten Typs stellt Raumheizung bereit.
  • Als nächstes wird der Betrieb im Kühlmodus beschrieben. Während des Betriebs im Kühlmodus sind das erste Vier-Wege-Wahlventil (81), das zweite Vier-Wege-Wahlventil (82) und das Wahlventil (83) alle in den jeweiligen Zustand der durchgängigen Linien (siehe 12) geschaltet.
  • In diesem Zustand wird die im zweiten Luftkanal (85) aufgenommene Luft des zweiten Typs zum Wärmequellensystem (11) geleitet. Die zum Wärmequellensystem (11) geleitete Luft des zweiten Typs wird in den Luftraum (77) im Vorbefeuchtungsbereich (75), der als Befeuchtungskühlmittel (89) dient, eingeführt. Ferner wird dem Wasserraum (78) des Vorbefeuchtungsbereichs (75) aus dem Wasserzufuhrkanal (88) Leitungswasser zugeführt. Im Vorbefeuchtungsbereich (75) wird das Wasser im Wasserraum (78) der Luft des zweiten Typs im Luftraum (77) zugeführt, und die Luft des zweiten Typs wird durch Befeuchtung gekühlt.
  • Die im Vorbefeuchtungsbereich (75) gekühlte Luft des zweiten Typs wird in den Wasserdampfraum (23) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) geleitet, wo aus der Luft des zweiten Typs ihr Wasserdampfgehalt abgeschieden wird, und im Ergebnis dessen wird die Luft des zweiten Typs auf eine bestimmte Feuchtigkeit entfeuchtet. Anschließend wird die Luft des zweiten Typs über den Innenraumzufuhrkanal (86) dem Rauminneren zugeführt. Diese Zufuhr der Luft des zweiten Typs stellt Raumkühlung her.
  • Der aus der Luft des zweiten Typs im Wasserdampfabscheidebereich (20) abgeschiedene Wasserdampf wird im Verdichter (30) verdichtet. Ferner wird der vom Kessel (61) zur Dampfturbine (60) geleitete Wasserdampf benutzt, um Antriebskraft zu erzeugen. Sowohl Wasserdampf aus dem Verdichter (30) als auch Wasserdampf aus der Dampfturbine (60) wird in den Wasserdampfraum (53) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) geleitet. Ein Teil des in den Wasserdampfraum (53) eingeführten Wasserdampfs dringt durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51), während der verbleibende Wasserdampf zum Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) geleitet wird. Im Kanal zur Wärmeabgabe (42) tauscht der verbleibende Wasserdampf mit der Luft des ersten Typs im Kanal zur Wärmeaufnahme (41), wo er kondensiert, Wärme aus. Dieses durch diese Kondensation erzeugte Kondenswasser wird nach draußen abgegeben.
  • Zwischenzeitlich wird im ersten Luftkanal (84) aufgenommene Luft des ersten Typs zum Nutzungssystem (13) geleitet. Die zum Nutzungssystem (13) geleitete Luft des ersten Typs wird in den Kanal zur Wärmeaufnahme (41) des Hauptwärmetauschers (40) eingeführt. Im Kanal zur Wärmeaufnahme (41) tauscht die Luft des ersten Typs mit Wasserdampf im Kanal zur Wärmeabgabe (42) Wärme aus und absorbiert Kondensationswärme des Wasserdampfs. Die Luft des ersten Typs, die die Kondensationswärme absorbiert hat, wird in den Luftraum (52) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) geleitet. In diesem Luftraum (52) wird der Wasserdampf, der durch die wasserdampfdurchlässige Membran (51) gedrungen ist, der Luft des ersten Typs zugeführt. Die Luft des ersten Typs, die den Wasserdampf im Luftraum (52) des Luftbefeuchtungsbereichs (50) empfangen hat, wird anschließend über den Außenausstoßkanal (87) nach draußen abgegeben.
  • Andere Ausführungsformen
  • Modifikationsbeispiel 1
  • Dieses erste Modifikationsbeispiel ist ein Modifikationsbeispiel, das sich von den vorangegangenen Ausführungsformen unterscheidet. Das heißt, statt den Verdichter (30) zu nutzen, ist als Druckerhöhungsmittel ein Ejektor (90) bereitgestellt. Mit der Bereitstellung des Ejektors (90) wird ein Kessel (94) als ein Wasserdampfzuführungsmittel bereitgestellt. Mit Bezug auf 13 wird nachfolgend das erste Modifikationsbeispiel beschrieben. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Druckerhöhungsmittel gemäß dem vorliegenden Modifikationsbeispiel auf das erste Ausführungsbeispiel (siehe 1) angewendet wird.
  • Der Kessel (94) ist so konstruiert, dass er Wasserdampf durch das Erwärmen von Wasser erzeugt. Der im Kessel (94) erzeugte Wasserdampf wird dem Ejektor (90) zugeführt.
  • Der Ejektor (90) ist wie ein Rohr geformt. In der Oberfläche an einem Endstück des Ejektors (90) ist eine Einlassöffnung (91) gebildet, und in einer seiner Seiten ist eine Ansaugöffnung (92) gebildet. In dem Ejektor (90) öffnet sich in der Oberfläche des anderen Endstücks eine Auslassöffnung (93). Der Ejektor (90) ist so geformt, dass sein Durchmesser von einem Endstück zum anderen kleiner und dann größer wird.
  • Im Ejektor (90) ist die Einlassöffnung (91) mit dem Kessel (94) verbunden; die Ansaugöffnung (92) ist mit dem Wasserdampfraum (23) des Wasserdampfabscheidebereichs (20) verbunden; und die Auslassöffnung (93) ist mit dem Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) verbunden. Der Ejektor (90) stößt Wasserdampf, der durch die Einlassöffnung (91) geleitet wird, mit großer Geschwindigkeit aus und zieht mittels dieser Ausstoßströmung Wasserdampf durch die Ansaugöffnung (92) ein. Ferner vermischt sich im Ejektor (90) Wasserdampf aus dem Wasserdampfraum (23) des Wasserdampfab scheidebereichs (20) und Wasserdampf, der vom Kessel (94) zugeführt wird, und der vermischte Wasserdampf wird durch die Auslassöffnung (93) dem Kanal zur Wärmeabgabe (42) des Hauptwärmetauschers (40) zugeführt. Das heißt, der Druck des Wasserdampfs, der vom Ejektor (90) zum Kanal zur Wärmeabgabe (42) zugeführt wird, ist höher als der Druck des Wasserdampfs im Wasserdampfraum (23) des Wasserdampfabscheidebereichs (20).
  • Dank der oben beschriebenen Anordnung wird es möglich, den Druck des Wasserdampfs zu erhöhen, ohne mechanischen Betrieb wie beispielsweise Rotationsbewegung durchführen zu müssen. Dies verbessert entsprechend die Zuverlässigkeit der Wärmepumpe.
  • Modifikationsbeispiel 2
  • In jedem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele setzt sich die Wärmequellenluft aus einer Mischung aus Außenluft und Ventilationsabluft zur Ventilation zusammen. Alternativ kann die Wärmequellenluft nur aus Ventilationsabluft oder nur aus Außenluft bestehen.
  • Ferner wird in jedem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele die Wärmequellenluft als ein Wärmequellenfluid verwendet. Alternativ kann Verbrennungsabgas, das Wasserdampf enthält, als ein Wärmequellenfluid verwendet werden. Das heißt, die Verbrennung eines Treibstoffs in einer Gasturbine, einem Motor o.ä. führt zum Ausstoß eines Verbrennungsabgases, das eine große Menge an Wasserdampf enthält. Dieses Verbrennungsabgas wird nicht sofort abgeleitet, sondern als ein Wärmequellenfluid verwendet, um die Wärmepumpe zu betreiben. Damit wird die effektive Nutzung von Energie, die in Verbrennungsabgasen enthalten ist, erzielt.
  • Modifikationsbeispiel 3
  • In jedem der ersten, dritten, vierten, sechsten und siebenten Ausführungsbeispiele und in der Erfindung setzt sich die zu erwärmende Luft aus einer Mischung aus Innenluft und eingeführter Außenluft zur Ventilation zusammen. Alternativ kann die zu erwärmende Luft nur aus eingeführter Außenluft oder nur aus Innenluft bestehen.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Wie oben beschrieben sind die Wärmepumpen der vorliegenden Erfindung für Klimaanlagen nützlich. Insbesondere sind die Wärmepumpen der vorliegenden Erfindung für Klimaanlagen geeignet, die Kondensationswärme von Wasserdampf als Hochtemperaturwärme nutzen.

Claims (17)

  1. Wärmepumpe, die folgendes umfaßt: ein Abscheidemittel (20), um Wasserdampf aus einem Wärmequellenfluid enthaltenden Wasserdampf abzuscheiden; ein Druckerhöhungsmittel (30, 90), um den Druck des durch das Abscheidemittel (20) abgeschiedenen Wasserdampfs zu erhöhen; und ein Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45), um Hochtemperaturwärme dadurch zu erzeugen, daß ein Kondensieren des Wasserdampfs, dessen Druck durch das Druckerhöhungsmittel (30, 90) erhöht wurde, bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe weiterhin folgendes umfaßt: ein Befeuchtungskühlmittel (89), um das Wärmequellenfluid durch Befeuchten zu kühlen und anschließend das gekühlte Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zuzuführen, wobei die Wärmepumpe so konstruiert ist, daß sie einen Kühlvorgang, bei dem das Wärmequellenfluid, aus dem Wasserdampf im Abscheidemittel (20) abgeschieden wurde, verwendet wird, sowie einen Erwärmungsvorgang durchführt, um einen Gegenstand durch Verwendung von im Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugter Hochtemperaturwärme zu erwärmen.
  2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, bei der das Abscheidemittel (20) folgendes beinhaltet: eine wasserdampfdurchlässige Membran (21); wobei in einem Wärmequellenfluid enthaltener Wasserdampf die wasserdampfdurchlässige Membran (21) durchdringt und dadurch aus dem Wärmequellenfluid abgeschieden wird.
  3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Wärmequellenfluid feuchte Luft enthält.
  4. Wärmepumpe nach Anspruch 3, die weiterhin ein Vorbefeuchtungsmittel (75) umfaßt, um ein Wärmequellenfluid dadurch zu befeuchten, daß im Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) erzeugtes Kondenswasser dem Wärmequellenfluid und das befeuchtete Wärmequellenfluid dem Abscheidemittel (20) zugeführt wird.
  5. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (45) so konstruiert ist, daß Wasser durch darin erzeugte Hochtemperaturwärme erwärmt wird.
  6. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40) so konstruiert ist, daß zu erwärmende Luft durch darin erzeugte Hochtemperaturwärme erwärmt wird.
  7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, die weiterhin ein Luftbefeuchtungsmittel (55) umfaßt, um zu erwärmende Luft dadurch zu befeuchten, daß im Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40) erzeugtes Kondenswasser der zu erwärmenden Luft zugeführt wird.
  8. Wärmepumpe nach Anspruch 6, die weiterhin ein Luftbefeuchtungsmittel (50) umfaßt, um zu erwärmende Luft dadurch zu befeuchten, daß ein Teil des Wasserdampfs, dessen Druck im Druckerhöhungsmitteln (30, 90) erhöht wurde, der zu erwärmenden Luft zugeführt wird.
  9. Wärmepumpe nach Anspruch 8, bei der das Luftbefeuchtungsmittel (50) folgendes beinhaltet: eine wasserdampfdurchlässige Membran (51), wobei Wasserdampf die wasserdampfdurchlässige Membran (51) durchdringt und dadurch der zu erwärmenden Luft zugeführt wird.
  10. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Druckerhöhungsmittel durch einen Ejektor (90) gebildet ist, um den im Abscheidemittel (20) abgeschiedenen Wasserdampf dadurch einzuziehen, daß vom Wasserdampfzuführungsmittel (94) zugeführter Wasserdampf ausgestoßen wird.
  11. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der das Druckerhöhungsmittel durch einen Verdichter (30) gebildet ist, um Wasserdampf auf einen erhöhten Druck zu verdichten.
  12. Wärmepumpe nach Anspruch 11, bei der der Verdichter (30) durch eine Dampfturbine (60) angetrieben wird, die bei Erhalt von vom Wasserdampfzuführungsmittel (61) zugeführtem Wasserdampf eine Antriebskraft erzeugen kann.
  13. Wärmepumpe nach Anspruch 12, bei der der Verdichter (30) sowohl durch eine Dampfturbine (60), die bei Erhalt von vom Wasserdampfzuführungsmittel (61) zugeführtem Wasserdampf eine Antriebskraft erzeugen kann, als auch durch einen Elektromotor (32) angetrieben wird.
  14. Wärmepumpe nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der das Wasserdampfzuführungsmittel (61) durch einen Kessel (61) gebildet ist, der überhitzten Wasserdampf durch Erwärmen von Wasser erzeugen kann.
  15. Wärmepumpe nach Anspruch 14, bei der der Kessel (61) einen für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62), um Wasser durch Nutzung von Abwärme zu verdampfen, sowie einen für fühlbare Wärme vorgesehenen Bereich (63) umfaßt, um überhitzten Wasserdampf dadurch zu erzeugen, daß durch den für latente Wärme vorgesehenen Bereich (62) erzeugter Wasserdampf erwärmt wird.
  16. Wärmepumpe nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei der der interne Druck des Kessels (61) auf unter Atmosphärendruck eingestellt ist.
  17. Wärmepumpe nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der das Hochtemperaturwärmeerzeugungsmittel (40, 45) so konstruiert ist, daß dem Mittel in der Dampfturbine (60) expandierter Wasserdampf zugeführt und Hochtemperaturwärme dadurch erzeugt wird, daß ein Kondensieren des Wasserdampfs bewirkt wird.
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