WO2009080007A2

WO2009080007A2 - Heizungsvorrichtung zum beheizen eines gebäudes mittels einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: WO2009080007A2
Application number: PCT/DE2008/002118
Authority: WO
Inventors: John Piper; Anette Schwieger
Original assignee: Schwieger Piper Wichmann Gbr
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2009-07-02
Also published as: DE102007063141A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zum Einsatz in Gebäuden bestimmte Heizungsvorrichtung zum Beheizen eines Gebäudes mittels einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine und mindestens einem Wärmespeicher zur Aufnahme von Wärmeenergie, dessen Wärmespeichergehäuse die Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise umschließt oder begrenzt, wobei der Wärmespeicher zumindest eine wärmeleitende Wand zu der die Verbrennungskraftmaschine umgebenden Luft bildet. Um eine kompakte und geräuscharme Heizungsvorrichtung mit größtmöglichem Wirkungsgrad bei vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen, ist die Wand mit zumindest einem insbesondere Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper zur Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder zumindest einem Wärmetauscher, insbesondere zur Wärmegewinnung aus dem Abgas und/oder aus dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine, ausgestattet. Die Verbrennungskraftmaschine ist hierzu zumindest teilweise von einem multifunktionalen, selbsttragenden, nach außen isolierten Gehäuse umschlossen, welches zugleich den Tank des Wärmespeichers bildet, welcher vorzugsweise die Abwärme des Motorkühlmittels aufnimmt.

Description

Heizungsvorrichtung zum Beheizen eines Gebäudes mittels einer Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zum Einsatz in Gebäuden bestimmte Heizungsvorrichtung mittels einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine, die mindestens einen Wärmespeicher zur Aufnahme von Wärmeenergie aufweist, dessen Wärmespeichergehäuse die Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise umschließt oder begrenzt, wobei der Wärmespeicher zumindest eine wärmeleitende, mit besonderen Wärmetauscherelementen ausgestattete Trennwand zu der die Verbrennungskraftmaschine umgebenden Luft bildet.

Eine solche Heizungsvorrichtung dient in der Praxis insbesondere der Versorgung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern ebenso wie Bürogebäuden oder Industrieeinrichtungen mit der erforderlichen thermischen Energie. Diese wird aus der Abwärme des Verbrennungsmotors gewonnen. Die mechanische Energie des Motors kann dabei entweder über einen Generator „verströmt" werden (sogenannte Kraft-Wärmekopplung) oder durch eine mechanische Kopplung mit einer Kompressions-Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteproduktion genutzt werden. In letzterem Falle ergibt sich durch den zusätzlichen Energiegewinn aus der Umwelt eine extrem hohe Energieeffizienz.

Bei Einfamilienhäusern werden zur Effizienzsteigerung bisher Anlagen mit elektrischen Kompressionswärmepumpen zur Heißwassererwärmung und Heizung eingesetzt. Die Wärmepumpe wird dabei durch einen Elektromotor angetrieben. Demgegenüber kommen bei Klimatisierungsanlagen für größere Gebäude auch leistungsstarke Verbrennungsmotoren, z.B. Gasmotoren, zum Einsatz. Diese Anlagen sind sowohl zur Kühlung als auch für einen Heizbetrieb ausgelegt. Sie sind überwiegend in wärmeren Ländern weit verbreitet und bieten mittels der verwendeten Luftkollektoren gute Wirkungsgrade im Kühlbetrieb, während der Heizbetrieb nur bei deutlich positiven Außenlufttemperaturen effektiv ist.

Dabei haben die Wärmepumpenanlagen, die mit Gasmotoren oder anderen konventionellen Verbrennungsmotoren ausgestattet sind, den Vorteil eines höheren primärenergetischen Wirkungsgrades als diejenigen mit elektrischen Antrieben. Anstelle eines elektrischen Motors treibt in diesem Fall ein Verbrennungsmotor, der vorzugsweise mit Erdgas, Dieselkraftstoff oder Biomasse, wie beispielsweise Rapsöl oder Biogas, betrieben werden kann, die Wärmepumpe an. Allerdings benötigt der Verbrennungsmotor eine Schalldämmung. Weiterhin sind die Grundinvestitionskosten sowie der Betriebs- und Wartungsaufwand allgemein höher. Damit sind diese Anlagen bisher nur für große Gebäude mit erheblichem Klimatisierungsbzw. Kältebedarf ökonomisch vertretbar, nicht für kleinere Wohneinheiten oder optimierte Effizienz bei der Wärmeproduktion.

Der Aufbau und die Funktion der Verbrennungsmotor getriebenen Anlagen sind analog der durch einen Elektromotor antreibbaren Wärmepumpe, wobei der Verdichter direkt oder über ein Getriebe vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Zusätzlich kann dabei die Wärme aus dem Kühlwasser sowie aus dem Abgas des Motors in das Heizungssystem abgegeben werden.

Die Vorteile gegenüber Elektrowärmepumpen liegen vor allem in der höheren Primärenergieausnutzung, insbesondere durch entfallende Umwandlungs- und Übertragungsverluste im elektrischen Netz und einem damit verbundenen vergleichsweise geringen spezifischen CO₂- Ausstoß. Dabei können im Gegensatz zur Elektrowärmepumpe die Verluste durch Abwärme des Verbrennungsmotors zu einem mehr oder minder großen Teil genutzt werden. Nachteilig für einen größtmöglichen Wirkungsgrad beim Heizbetrieb von verbrennungsmotorischen Klimageräten ist allerdings die Verwendung von Luftkollektoren sowie ventilationsgekühlten Motoren, die in der Regel extern vom Gebäude installiert sind. Hier gelangen erhebliche thermische Verluste in die Umwelt, die den Wirkungsgrad schmälern.

Verschiedene, bereits bekannte Erfindungen offenbaren bereits die interessante Kombination von Verbrennungsmotor, Wärmespeicher(n) und Wärmepumpe oder alternativ elektrischem Generator.

Eine Vorrichtung ist beispielsweise durch die US 2006/0059911 A1 bekannt, bei welcher eine mit einem geothermischen Kollektor verbundene Wärmepumpe durch einen Verbren- nungsmotor antreibbar ist. Die mittels des Verbrennungsmotors gewonnene thermische E- nergie wird einem Hochtemperaturspeicher zugeführt während die mittels der Wärmepumpe gewonnene Energie einem Niedertemperaturspeicher zugeführt wird. Um die Lebensdauer zu erhöhen kann der Verbrennungsmotor nach einer speziellen Ausführungsform auch intermittierend betrieben werden.

Die DE 197 40 398 A1 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb eines Generators, welcher mit einer Wärmepumpe verbunden ist. An die Wärmepumpe sind Solarkollektoren angeschlossen. Die mittels der Verbrennungskraftmaschine gewonnene Energie wird einem Wärmespeichersystem zugeführt, welches einen Warm- und einen Kaltspeicher aufweist.

Aus der DE 101 16 573 A1 ist weiterhin eine durch einen Verbrennungsmotor antreibbare Wärmepumpe bekannt, welche mit einem Erdkollektor verbunden ist, wohingegen gemäß der DE 34 14 002 A1 ein Verbrennungsmotor eine Wärmepumpe antreibt, welche mit einem Luftkollektor verbunden ist.

Die DE 199 09 885 A1 offenbart auch bereits einen Verdichter einer Wärmepumpe, die durch einen Antriebsmotor angetrieben wird.

Die DE 26 33 662 A1 betrifft ein Heizungs- und Energieversorgungssystem. Durch eine entsprechende Stellung eines Ventils kann das Wasser eines ersten und eines zweiten Wärmespeichers gemischt und damit ein Temperaturausgleich vorgenommen werden.

Die DE 26 33 775 A1 bezieht sich auf eine Motorheizung, die im Wesentlichen aus einem Verbrennungsmotor, einer Wärmepumpe und dem Heizungssystem besteht, wobei der Verbrennungsmotor den Kompressor der Wärmepumpe antreibt und die vom Verbrennungsmotor erzeugte Verbrennungswärme ebenfalls wie die von der Wärmepumpe abgegebene Wärme dem Heizungssystem zugeführt wird. Ein Teil der vom Verbrennungsmotor erzeugten Verbrennungswärme wird über das für den Verbrennungsmotor notwendige Kühlsystem über Wärmeaustauscher an das Heizungssystem abgegeben.

Eine gattungsgemäße Heizungsvorrichtung gemäß der DE 30 14 357 A1 betrifft ein Heizaggregat mit einem Verbrennungsmotor und mit Wärmeübertragungseinrichtungen zur Übertragung von Abwärme des Verbrennungsmotors auf einen Heizwasserkreislauf, wobei der Verbrennungsmotor in einer wärmeleitenden Kapsel angeordnet ist, die zumindest teilweise in einen in den Heizwasserkreislauf gelegten Wasserkessel hineinragt. In der Kapsel kann zusätzlich ein Kompressor einer Wärmepumpe angeordnet sein. Durch diese Anordnung soll erreicht werden, dass ein der Vergleichmäßigung der Heizwassertemperatur dienender Pufferspeicher die Verlustwärme des Verbrennungsmotors und seiner Abgase aufnimmt und gleichzeitig die Masse des Aggregats beträchtlich erhöht, wodurch Schwingungen und die bei dem Verbrennungsprozess entstehenden Geräusche aufgefangen und gedämpft werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgestattete Heizungsvorrichtung erheblich zu verbessern. Insbesondere soll eine kompakte, geräuscharme, installationsfreundliche, wartungsextensive, langlebige, ökonomische und umweltfreundliche Anlage mit größtmöglichem Wirkungsgrad bei vergleichsweise geringem Aufwand ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Heizungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Heizungsvorrichtung vorgesehen, bei der die Wand (Trennwand) zwischen dem Wärmespeicher und der die Verbrennungskraftmaschine umgebenden Luft mit zumindest einem insbesondere Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper zur Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder zumindest einem Wärmetauscher, insbesondere zur Wärmegewinnung aus dem Abgas und/oder aus dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine ausgestattet ist. Insbesondere ist eine Heizungsvorrichtung vorgesehen, bei dem eine vorzugsweise innenliegende Wand des Speichers großflächig mit einem oder mehreren, vorzugsweise Kühlrippen aufweisenden Wärmeübertragerelementen, insbesondere zur Aufnahme von Wärme aus dem Abgas und/oder aus der den Verbrennungsmotor umgebenden Luft und/oder aus dem Schmiersystem des Motors oder ausgestattet ist. Die Kühlrippen können sich dabei sowohl innerhalb als auch außerhalb des/der Wärmeübertragerelemente befinden. Die Verbrennungskraftmaschine ist hierzu zumindest teilweise von einem multifunktionalen, selbsttragenden, nach außen isolierten Gehäuse umschlossen, welches zugleich den Tank des Wärmespeichers bildet, welcher vorzugsweise die Abwärme des Motorkühlmittels, insbesondere also des Kühlwassers aufnimmt. Der vorzugsweise überwiegend über dem Motor angeordnete Speichertank ist dabei so ausgeführt, dass sein Stahlgehäuse und/oder sein Wasserinhalt zumindest teilweise einen insbesondere u-förmigen Mantel um den Verbrennungsmotor bilden. Innerhalb dieses Gehäuses sind zumindest stellenweise gut wärmeleitende Wandflächen zum direkten Wärmeaustausch zwischen der den Motor umgebenden Luft und dem Temperaturspeicher und/oder zur direkten Montage von Wärmetauschern, insbesondere Abgaswärmetauschern und Schmiermittelwärmetauschern ausgebil- det. Ebenso können hier Kühlkörperelemente zur Verbesserung des Wärmeaustausches mit der Luft im Motorraum vorgesehen sein. Dabei dient die Verbrennungskraftmaschine dem Antrieb der Wärmepumpe und/oder eines elektrischen Generators zur Stromerzeugung. Um eine kompakte, geräuscharme, installationsfreundliche, wartungsextensive, langlebige, ökonomische und umweltfreundliche Anlage mit größtmöglichem Wirkungsgrad bei vergleichsweise geringem Aufwand zu ermöglichen integriert vorliegende Erfindung verschiedene, teilweise bekannte Merkmale zu einer innovativen, neuartigen Bauform und ergänzt diese mit einem multifunktionellen Wärmetauschersystem

Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise nahezu die gesamte thermische Energie des Verbrennungsmotors aus dem Kühlwasser, dem Abgas, dem Schmiermittel und der Abluft erfasst und direkt oder über die in die Trennwände integrierten Wärmetauscher in den Wärmespeicher geführt, ohne dass ein Energieverlust an die Umgebung stattfindet.

Die Wand (Trennwand) könnte zumindest abschnittsweise doppelwandig oder hohl ausgeführt sein, um so in einfacher Weise eine unmittelbare Nutzung als Wärmetauscher zu ermöglichen. Dabei kann in dem so geschaffenen Hohlraum das Abgas, das Motoröl und/oder das Kühlwasser geführt werden.

Besonders vorteilhaft ist hingegen die Montage von Wärmetauschern auf diesen Trennwänden oder integriert in zumindest eine Wand (Trennwand) und bietet dabei deutliche Vorteile gegenüber dem Einbau innerhalb des Wärmespeichers. Der Montage- und Fertigungsaufwand ist minimal. Einer Undichtigkeit des Wärmespeichers kann wirkungsvoll und einfach vorgebeugt werden, da weder Abgasleitungen noch sonstige Leitungen hineingeführt werden müssen und eine gute, großflächige Wärmeübertragung in das Wärmespeichermedium gewährleistet werden kann.

Durch die das Wärmespeichergehäuse außen umschließende Schall- und Wärmedämmung wird eine gleichzeitige Verringerung der Geräuschbelästigung und der thermischen Verluste an die Umgebung erreicht, dies bei geringem konstruktivem und fertigungstechnischem Aufwand, da mit einem Dämmmantel zwei Funktionen erreicht werden. Mit diesen Eigenschaften eignet sich die Heizungsvorrichtung zur Montage innerhalb eines Gebäudes, sodass keine Abwärme direkt in die Umgebung außerhalb des Gebäudes gelangt, wie es bei den verbrennungsmotorischen Klimageräten mit Außenmontage üblich ist.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass die Verbrennungskraftmaschine zyklisch betrieben wird, was durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmespeicher erreicht wird. Bei zugleich höherer Spitzenleistung der Verbrennungskraftmaschine wird eine deutliche Verbesserung der Lebens- bzw. Nutzungsdauer der Heizungsvorrichtung erreicht, indem die Verbrennungskraftmaschine nur während des kurzzeitigen Ladezyklus aktiv arbeiten muss und während des längeren Entladezyklus ruht. Dies ist hilfreich, da die Lebensdauer und die Wartungsintervalle von Verbrennungskraftmaschinen deutlich geringer sind, als die Betriebszeiten von herkömmlichen Gas- oder Ölheizungen.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Verbrennungskraftmaschine nahezu vollständig von dem Temperaturspeicher und dem darin befindlichen Wärmeträgermedium eingeschlossen ist, womit eine effektive Geräuschdämmung durch das Wärmespeichermedium erreicht wird. Außerdem wird so das Auskühlen des Verbrennungsmotors in Stillstandszeiten verhindert, was ebenfalls eine Erhöhung der Lebensdauer bewirkt.

Das Wärmespeichergehäuse wird bevorzugt in einer selbsttragenden, hochkant stehenden Bauform ausgebildet, um weiteren Aufwand für eine tragende Struktur zu vermeiden und um auf einer sehr begrenzten, beispielsweise in Kellerräumen verfügbaren Grundfläche ein nennenswertes Wärmespeichervolumen von mehreren hundert Litern in dem Wärmespeicher zu realisieren.

Die Verbrennungskraftmaschine kann einen Verdichter der Wärmepumpe antreiben, welcher ebenfalls innerhalb des Temperaturspeichers oder auch durch ein Antriebselement verbunden außerhalb des Temperaturspeichers angeordnet sein kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Heizungsvorrichtung neben dem vorzugsweise als Hochtemperaturspeicher genutzten Wärmespeicher einen weiteren, vorzugsweise separat angeordneten, als Niedertemperaturspeicher ausgeführten Wärmespeicher für ein geringeres Temperaturniveau aufweist. Die thermische Energie der Verbrennungskraftmaschine wird dabei dem Hochtemperaturspeicher und die mittels der Wärmepumpe gewonnene Energie aus der Umwelt dem Niedertemperaturspeicher zugeführt, um so eine optimale wirtschaftliche Nutzung der unterschiedlichen Temperaturniveaus der Motorabwärme, beispielsweise 90 ⁰C, und der Wärmepumpe, beispielsweise 55 ⁰C, zu ermöglichen.

Hierbei hat es sich bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der Hochtemperaturspeicher der Erwärmung von Heißwasser, beispielsweise für eine Dusche oder als Trinkwasser, und der Niedertemperaturspeicher für den Heizkreislauf, insbesondere der Erwärmung einer Fußbodenheizung, dient. Besonders vorteilhaft ist die Erwärmung des Heißwassers, beispielsweise des Trinkwassers, in der gezeigten Bauform mit je einem Wärmetauscher in jedem Wärmespeicher. Durch diese Anordnung der Wärmetauscher erfolgt bei der Nutzung von Heißwasser eine vorteilhafte Wärmeentnahme aus beiden Wärmespeichern. Dadurch wird der Hochtemperaturspeicher bei der Entnahme weniger stark belastet und kann das erforderliche hohe Niveau zur Heißwasserbereitung länger halten.

Besonders vorteilhaft, weil kompakt und montagefreundlich ist es, wenn der Wärmetauscher zur Erwärmung des Brauchwassers mit dem Abgaswärmetauscher und eventuell weiteren Wärmetauschern zu einer gemeinsamen, auf einer Wand des Speichergehäuses befindlichen Baugruppe zusammengefasst wird. In diesem Falle können der aufwendige innerhalb des Tanks liegende Rohrwärmetauscher und die erforderlichen Rohrdurchführungen entfallen.

Weiterhin erweist es sich als besonders Erfolg versprechend, wenn sich der Hochtemperaturspeicher und der Niedertemperaturspeicher zum thermischen Energieausgleich durch ein Leitungselement für das Wärmeträgerfluid verbinden lassen. Der so realisierbare bedarfsgerecht einstellbare Ausgleich zwischen dem Hochtemperaturspeicher und dem Niedertemperaturspeicher wird insbesondere auch zur Erhöhung der Ruhezeiten der Verbrennungskraftmaschine durch eine so erreichbare vollständige Entleerung beider Temperaturspeicher genutzt. Zugleich wird eine sehr geringe Starttemperatur der Wärmespeicher für den Ladevorgang durch die Wärmepumpe geschaffen. Der Energieaustausch kann dabei entweder über Wärmetauscher oder unmittelbar durch Austausch des Wärmeträgerfluides zwischen dem Hochtemperaturspeicher und dem Niedertemperaturspeicher erfolgen. Eine definierte Starttemperatur beim Erwärmen der Temperaturspeicher ermöglicht eine genaue Dimensionierung der Temperaturspeicher mit dem Ziel, beide vorbestimmte Endtemperaturen zeitgleich zu erreichen.

Bei der Aktivierung des Ausgleichskreislaufs werden die beiden Wärmetauscher zur Heißwasserbereitung mit einer erfindungsgemäßen vorteilhaften Doppelfunktion belegt. Hierzu wird durch diese Wärmetauscher mittels einer Umwälzpumpe und eines Rückschlagventils eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen den Wärmespeichern hergestellt. Das Rückschlagventil verhindert den Bypass des Trinkwassers bei der Heißwasserbereitung.

Eine andere ebenfalls besonders praxisgerechte Abwandlung wird dadurch erreicht, dass die Heizungsvorrichtung einen mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Generator zur elektrischen Energieerzeugung aufweist, sodass bei geringem Bedarf an thermischer Energie wahlweise elektrische Energie alternativ oder zugleich erzeugt werden kann. Die Energieerzeugung kann beispielsweise im Nieder- bzw. Gleichspannungsbereich erfolgen, um so die Kosten für eine Energiespeicherung mittels eines Akkumulators gering zu halten. Erfindungsgemäß ermöglichen ein integrierter Warmwasserspeicher sowie eine elektrische, akkumulatorische Speicherung in Verbindung mit einem ein-aus-schaltbaren Generator und Kompressor der Wärmepumpe eine optimale, bedarfsgerechte Verfügbarkeit von Strom und Wärme. Bei herkömmlichen (KWK-) Anlagen ohne Speicherorgane kann eine Teilenergie oft nicht oder nur mangelhaft genutzt oder verwertet werden

Eine andere ebenfalls besonders gewinnbringende Ausgestaltung der Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einem mit dem Hochtemperaturspeicher verbundenen Abgaswärmetauscher ausgestattet ist, um so die thermische Energie der Verbrennungskraftmaschine in optimaler Weise nutzen zu können.

In ähnlicher Weise kann die Effizienz der thermischen Energiegewinnung weiter verbessert werden, indem die Verbrennungskraftmaschine mit einem mit dem Hochtemperaturspeicher verbundenen Schmiermittelwärmetauscher, insbesondere Schmiermittelkühler ausgestattet ist, sodass nicht nur die thermische Energie des Schmiermittels der Energiegewinnung zugeführt werden kann, sondern auch die Funktionsbereitschaft der Verbrennungskraftmaschine durch die so realisierbare niedrige Schmiermitteltemperatur verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß besteht ein erheblicher Vorteil darin, die beiden Wärmetauscher für das Abgas und das Schmiermittel von der Motorraumseite direkt, flächig auf der wärmeleitenden, eine Trennwand bildende Wand zwischen Wärmespeicher und Motor anzubringen. Durch diese Bauform entfallen aufwändige Rohrleitungen und Pumpen zu Wärmetauschern innerhalb des Motorraumes oder eine technisch schwierige Integration von Wärmetauschern in die Wärmespeicher. Der Wärmespeichertank bleibt „unverletzt". Infolge dessen wird eine kompakte, einfache, montage- und reparaturfreundliche Energiegewinnung und Zuführung in die Wärmespeicher erreicht, ohne Probleme mit undichten Wärmespeichern, Korrosion von Wärmetauschern und unzugänglichen Komponenten innerhalb der in der Regel verschweißten Wärmespeicher.

Zur Gewährleistung einer ausreichenden Kühlung und der dadurch erhöhten Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine eignet sich eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Verbrennungskraftmaschine ein mit einer variablen Förderpumpe ausgestatteter Kühlkreislauf zugeordnet ist, durch welche der Kühlmittelstrom einstellbar und in Abhängigkeit erfasster Temperaturmesswerte variabel ist. Durch die Regelung des Volumenstroms kann ein geringer Energieverbrauch der Wärmepumpe sowie eine bedarfsweise hohe Förderleistung zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden.

Wobei zudem gemäß einer weiteren besonders zielführenden Abwandlung in dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine ein Strömungsleitelement, vorzugsweise ein Ventil angeordnet ist, durch welches das Wärmeträgerfluid der Verbrennungskraftmaschine wahlweise aus dem Niedertemperaturspeicher und/oder dem Hochtemperaturspeicher zuführbar ist, um so eine ausreichende Kühlung der Verbrennungskraftmaschine und optimale Nutzung der thermischen Energie sicherzustellen.

Ebenfalls zeigt sich in der Praxis eine Ausgestaltung als Gewinn bringend, wenn zumindest ein Temperaturspeicher als ein Schichtspeicher ausgeführt ist, um so die in dem Temperaturspeicher vorherrschende Temperaturverteilung optimal für die jeweiligen Nutzungsanforderungen einsetzen zu können. Im optimalen Fall wird die erforderliche Temperatur durch Entnahme der entsprechenden Schicht erhalten.

Um eine zuverlässige Versorgung unter allen Umständen sicherzustellen ist die Heizungsvorrichtung mit einer elektrischen Heizvorrichtung ausgestattet, die insbesondere ergänzend zur Heißwasserproduktion zum Einsatz kommt.

Die Verbrennungskraftmaschine kann auf beliebigen Wirkprinzipien beruhen und an die individuellen Anforderungen angepasst sein. Besonders sinnvoll ist es hingegen, wenn die Verbrennungskraftmaschine als ein Dieselmotor, ein Gasmotor oder ein Heißluftmotor, insbesondere ein Stirlingmotor, ausgeführt ist. Die Verbrennungskraftmaschine kann zudem auch austauschbar ausgeführt sein, wobei ein modularer Aufbau der Klimatisierungsvorrichtung eine einfache Anpassung an verfügbare Treibstoffe, insbesondere auch Biokraftstoffe, oder die Anforderungen der zu beheizenden Gebäude gestattet.

Insbesondere temperaturempfindliche Komponenten wie die Steuerung, der Generator und eventuell der Kompressor können in einem gesonderten Raum, vorzugsweise unterhalb des Motorraums angeordnet werden, der keinen unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Hochtemperaturspeicher hat. Das Kühlen von temperaturempfindlichen Komponenten ist auch durch das Positionieren dieser Komponenten in dem Einsaugluftstrom bzw. der Einsaugluftleitung der Verbrennungskraftmaschine realisierbar. Durch eine Umkehrung des Betriebs der Wärmepumpe oder eine Nutzung eines Erdkollektors als direktes Kühlorgan ohne Wärmepumpe ist wahlweise der Einsatz der Heizungsvorrichtung zum Heizen oder Kühlen möglich, sodass sich eine optimale Nutzung beispielsweise auch in den Sommermonaten erreichen lässt.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben: Diese zeigt in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Heizungsvorrichtung. Eine flüssigkeitsgekühlte, vorzugsweise wassergekühlte Verbrennungskraftmaschine 1 erzeugt mechanische Leistung und Abwärme in einem Verhältnis von ca. 1 kW mechanisch zu 2 kW thermisch. Die thermische Leistung wird mittels eines Kühlkreislaufs 23 und einer Kühlmittelpumpe 4 aus dem Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine 1 und eventuell aus einem Abgaswärmetauscher 2 sowie aus einem Ölwärmetauscher 46 entnommen und in einem Hochtemperaturspeicher 31 mit einem maximalen Temperaturniveau von etwa 95 ⁰C gespeichert. Das Abgas kann bei Bedarf über eine Abgasreinigung 3 an den Abgasanschluss 5 geführt werden. Die hohe Wärmespeichertemperatur von maximal 95 °C wird vorzugsweise zur Warmwasserbereitung des Gebäudes genutzt. Hierzu sind zwei Wärmetauscher 32 und 35 sowie ein Kaltwasseranschluss 33 und ein Warmwasseranschluss 34 vorgesehen.

Die mechanische Leistung wird direkt oder über ein Getriebe, beispielsweise Riemengetriebe, bestehend aus Riemenscheibe 9, Riemen 10 und Riemenscheibe motorseitig 11 dem Kompressor bzw. Verdichter 15 einer Wärmepumpe zugeführt. Die Wärmepumpe besteht aus dem genannten Kompressor 15, dem Wärmetauscher bzw. Kondensator 16, dem Wärmetauscher bzw. Verdampfer 17, dem Expansionsventil 18 und einem Leitungssystem für den Kältemittelkreislauf 19.

Die am Kondensator anfallende Wärme wird über eine Umwälzpumpe 20, einen Zwischenkreislauf 24 und einen Wärmetauscher 39 einem Niedertemperaturspeicher 38 bei einem für die Wärmepumpe günstigen Temperaturniveau von beispielsweise maximal 60 ⁰C zugeführt. Alternativ zur gezeichneten Variante kann der Wärmetauscher 39 auch entfallen, wenn das Wärmespeichermedium des Niedertemperaturspeichers 38 direkt an den Zwischenkreislauf 24 angeschlossen ist, d.h. durch den Kondensator 16 geleitet wird.

Aus dem Niedertemperaturspeicher wird über eine Umwälzpumpe 42 vorzugsweise der Heizkreislauf eines Gebäudes 41 mit Heizkörpern 43 und/oder Fußboden-/Flächenheizung 44 gespeist. Um verschiedenen Entnahmesituationen von Wärme aus den beiden Wärmespeichern gerecht zu werden, ist zeitweise ein Wärmetransport zwischen den Wärmespeichern hilfreich, insbesondere um ein verfrühtes Einschalten und Aufheizen der Wärmespeicher durch den Verbrennungsmotor und die Wärmepumpe zu vermeiden. Zwischen den beiden Wärmspeichern kann dazu mittels eines Ausgleichskreislaufs 45, bestehend aus einer Umwälzpumpe 36 und einem Rückschlagventil 37, ein Wärmetransport hergestellt werden. Dabei werden erfindungsgemäß durch diese Anordnung die beiden bereits vorhandenen Wärmetauscher der Warmwasserbereitung genutzt. Es sind also keine zusätzlichen Wärmetauscher erforderlich. Das Rückschlagventil 37 gewährleistet, dass bei Warmwasserentnahme das Wasser durch die beiden Wärmetauscher fließt und nicht durch die Ausgleichsleitung. Durch diese Bauform können die Wasserfüllungen beider Wärmespeicher getrennt bleiben, was Vorteile bei der Befüllung, bei Verschmutzungen und beim Korrosionsschutz sowie dem Installationsaufwand und der Auslegung hinsichtlich des maximalen Drucks im Wärmespeicher bietet.

Alternativ ist auch ein einfacher Wasseraustausch beider Wärmespeicher zum Temperaturausgleich, beispielsweise über eine Pumpe, möglich, der die genannten Vorteile nicht bietet, aber ebenfalls mit sehr wenigen Bauteilen, aber zusätzlichem externen Aufwand für Leitungen auskommen kann.

Die am Verdampfer 17 der Wärmepumpe entstehende Kälte wird über eine Umwälzpumpe 21 und ein Leitungssystem des Solekreislaufs 25 mittels Kollektor oder Wärmetauscher 26 abgeführt. Als nutzbare Wärmequelle kommen hierfür sowohl das Erdreich, das Grundwasser, ein Gewässer, die Umgebungsluft als auch sonstige Abwärmequellen in Betracht.

Die Verbrennungskraftmaschine 1 befindet sich zusammen mit den wesentlichen Aggregaten der Wärmepumpe in einem lärmgedämmten Gehäuse 6, welches erfindungsgemäß zumindest teilweise aus dem Tank eines Wärmespeichers, vorzugsweise des Hochtemperaturspeichers gebildet wird.

Die drei Funktionen der Luft-, Abgas- und Schmiermittelwärmetauscher können vorzugsweise in einer platzsparenden, korrosionsarmen und preiswerten Stranggussbauweise aus Aluminium gefertigt sein, wobei es sinnvoll erscheint, zumindest einzelne Funktionen in ein gemeinsames Profil zu integrieren.

Durch diese Bauform werden in der Summe folgende Vorteile erreicht: Eine gemeinsame Wärmedämmung nach außen minimiert thermische Verluste und vermeidet das Auskühlen des Motors im Stillstand. Die Wasserfüllung und der massive Tank dämpfen den Lärm- und Schwingungspegel des Motors erheblich. Die Leitungsführungen zwischen den Komponenten liegen weitgehend im Inneren des Geräts und werden in ihrer Länge minimiert. Der externe Installationsaufwand kann minimal gehalten werden. Alle wesentlichen Teile befinden sich innerhalb des Systems. Der Installationsaufwand, Verrohrungsaufwand und Platzbedarf für Abgaswärmetauscher und andere Wärmetauscher ist durch den direkten Wärmeübergang eines eventuell gemeinsamen Wärmetauscherelements auf der Wand (Trennwand) minimal. Der zusätzliche Gehäuseaufwand kann minimiert werden. Weiterhin wird eine äußerst kompakte Bauform erreicht. Insgesamt werden alle energetischen Verluste durch das Gesamtsystem minimiert, wobei zur effektiven Schwingungsdämpfung zusätzliche Schwingungsisolatoren 7 vorgesehen werden können.

Die Bauform des Wärmespeichergehäuses kann im einfachsten Falle durch ein direktes Anordnen des Wärmespeichers über dem Motorraum mit einem direkten Wärmeübergang erreicht werden, ohne dass eine komplette Umhüllung der Verbrennungskraftmaschine durch den Wärmespeicher vorgesehen ist.

Insbesondere temperaturempfindliche Komponenten wie die Steuerung, der Generator und eventuell der Kompressor können in einem gesonderten Raum, vorzugsweise unterhalb des Motorraums angeordnet werden, der keinen unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Hochtemperaturwärmespeicher hat.

Die verschiedenen Wärmespeicher gewährleisten einen zyklischen Betrieb des Verbrennungsmotors und Verdichters, das heißt, der Motor läuft nur so lange, bis beide Hauptspeicher 38 und 31 ihr maximales Temperaturniveau von 55 ⁰C bzw. 95 ⁰C erreicht haben. Danach kann die Anlage über einen längeren Zeitraum ruhen, bis beide Wärmespeicher auf eine zulässige Minimaltemperatur von beispielsweise 35 °C...4O ⁰C abgekühlt sind. Bei Bedarf wird über den genannten Ausgleichskreislauf Energie in beiden Richtungen transportiert, um eine vollständige Wärmeentnahme beider Hauptspeicher zu erreichen, bevor die Anlage wieder einschalten muss. Durch die getaktete Arbeitsweise des Motors wird dieser vor hohen Laufzeiten und häufigen Wartungsintervallen bewahrt. Die gesamte Anlage wird über eine elek-tronische Steuerung 29 kontrolliert und betrieben.

Über einen Generator 22, der mittels Riementrieb 12, 13, 14 vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, kann alternativ elektrische Energie gewonnen werden, um vorzugsweise zu Jahreszeiten mit geringem Heizungsbedarf aber erforderlicher Warmwasserbereitung die mechanische Energie elektrisch zu nutzen. Eine Netzeinspeisung ist ebenso denkbar. Der Generator kann dabei auch die Energie für den Anlasser des Motors liefern, wenn ein Akkumulator ergänzt wird. Er ist hierzu beispielsweise in Niedervolttechnik, beispielsweise 12 V oder 24 V, ausgeführt.

Mittels eines zusätzlichen 2. Abgaswärmetauschers, durch den die Soleflüssigkeit der Wärmepumpe auf einem geringen Temperaturniveau geführt wird, kann die Abgastemperatur der Anlage weiter reduziert werden, um den Energieertrag noch weiter zu erhöhen. Die Anlage kann durch ein Abgasreinigungssystem, beispielsweise Rußpartikelfilter ergänzt sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Heizungsvorrichtung zum Beheizen eines Gebäudes mittels einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine, die mindestens einen Wärmespeicher zur Aufnahme von Wärmeenergie aufweist, dessen Wärmespeichergehäuse die Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise umschließt oder begrenzt, wobei der Wärmespeicher zumindest eine wärmeleitende Wand bildet, die mit zumindest einem insbesondere Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper zur Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder zumindest einem Wärmetauscher, insbesondere zur Wärmegewinnung aus dem Abgas und/oder aus dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine, ausgestattet ist.

2. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsvorrichtung eine mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Wärmepumpe aufweist.

3. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsvorrichtung einen mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren elektrischen Generator zur Stromerzeugung aufweist.

4. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeichertank ein, vorzugsweise hochkant stehendes, selbsttragendes Gehäuse bildet.

5. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand zumindest abschnittsweise doppelwandig und/oder hohl ausgeführt ist.

6. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsvorrichtung zumindest umfasst einzelne der Funktionseinheiten:

- Wärmedämmung und/oder

- Lärmisolation und/oder

- Schwingungsisolation und/oder

- Abgasreinigungssystem und/oder

- Abgasschalldämpfer und/oder

- Wärmetauscher zur Warmwasserbereitung des Gebäudes und/oder

- die wesentlichen Teile der Wärmepumpe und/oder

- die wesentlichen Teile der elektronischen Steuerung des Systems und/oder

- weitere Pumpen, Wärmetauscher und Komponenten des Systems und/oder

- Abgaswärmetauscher und/oder

- Motorölwärmetauscher

7. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer, vorzugsweise extern montierter Wärmespeicher vorgesehen ist, der insbesondere die Wärmeenergie der Wärmepumpe auf einem etwas geringeren Temperaturniveau speichert.

8. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichskreislauf zwischen den zwei Wärmespeichern existiert, der vorzugsweise mittels zweier, in beiden Wärmespeichern für die Warmwasserbereitung genutzten Wärmetauscher, einer Pumpe und einem Rückschlagventil ausgestattet ist und einen Wärmetransport und Temperaturausgleich zwischen den Wärmespeichern realisiert.

9. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors eine zuschaltbare zweite Wasserpumpe und/oder eine regelbare Wasserpumpe enthält, durch die der Kühlmittelstrom in Abhängigkeit der erfassten Temperatur einstellbar ist.

10. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wärmespeicher vorzugsweise als Schichtenspeicher mit beruhigenden und isolierenden Zwischenwänden ausgelegt ist und dass das heißere Wasser im oberen Bereich des Wärmespeichers zuführbar ist, während im unteren Bereich tendenziell kälteres Wasser zur Kühlung des Motors verfügbar bleibt.

11. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungselektronik vorgesehen ist, die die Lade- und Entladevorgänge temperaturabhängig steuert und insbesondere einen zyklischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.

12. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalt- bzw. kuppelbare Generator bzw. Kompressor zur zeitweisen oder permanenten elektrischen Energieversorgung zur Eigenversorgung der Steuerungstechnik, der Pumpen und/oder zur weiteren Nutzung oder Netzeinspeisung ausgeführt ist.

13. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise als ein Dieselmotor, ein mit biologisch hergestelltem Kraftstoff betriebener Dieselmotor, ein Gasmotor oder ein Sterlingmotor ausgeführt ist.

14. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Komponenten, die weniger temperaturfest sind, sich in einem Bereich geringerer Temperatur außerhalb, vorzugsweise unterhalb des Motorraumes befinden und/oder durch Positionieren in dem Einsaugluftstrom des laufenden Verbrennungsmotors kühlbar sind

15. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Komponenten zur Wärmegewinnung oder -nutzung an die Anlage angeschlossen werden, wie insbesondere Solarkollektoren, Abwärmetauscher.

16. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in einen Kühlbetrieb zur Klimatisierung umschaltbar ist.

17. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsvorrichtung mit einem Wärmetauschermodul insbesondere zur Wärmegewinnung aus dem Abgas und/oder aus dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine ausgestattet ist, welches auf der wärmeleitenden Wand montiert ist.

18. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas der Verbrennungskraftmaschine durch das Wärmetauschermodul geleitet wird.

19. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Brauchwassererwärmung vorgesehener Wasserstrom durch das Wärmetauschermodul geleitet wird.

20. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solekreislauf mittels eines die Wärmepumpe umfassenden Wärmepumpenkreislaufes durch das Wärmetauschermodul oder durch einen zusätzlichen Abgaswärmetauscher geleitet wird.

21. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierölkreislauf durch das Wärmetauschermodul geleitet wird.

22. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermodul einen Schmiermittelvorratsbehälter einschließt.

23. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Wärmetauschermodul eine Vorrichtung zum Auffangen und/oder Ablassen des Kondensats vorgesehen ist.

24. Heizungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator in Gleichspannungstechnik und mit geregeltem Ladestrom ausgeführt ist.