DE2732132A1

DE2732132A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von waerme

Info

Publication number: DE2732132A1
Application number: DE19772732132
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing Grad Gollnow
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1977-07-15
Filing date: 1977-07-15
Publication date: 1979-01-25

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme mit einem Wärmepumpenkreislauf, bei dem ein Kreislaufmedium im Wärmekontakt mit einem Nutzwärmeträger verflüssigt, entspannt, im Wärmekontakt mit einer Wärmequelle verdampft und anschließend mit einem mit einer Antriebsmaschine koppelbaren Verdichter verdichtet wird.

Bei bekannten Verfahren dieser Art wird als Wärmequelle meist Wasser oder Luft verwendet. Mit sinkender Temperatur kann der Wärmequelle durch die Wärmepumpe aufgrund ihrer Charakteristik eine immer geringer werdende Wärmemenge entzogen werden. Im Extremfall, z.B. bei Verwendung von Oberflächenwasser als Wärmequelle und Temperaturen des Wassers nahe des Gefrierpunktes, kann der Wärmequelle keine Wärme mehr entzogen werden, da sonst für den Verdampfer die Gefahr des Einfrierens besteht. Herkömmliche Wärmepumpen können folglich an Tagen, an denen aufgrund der klimatischen Bedingungen die Wärmequelle kälter wird, nur mit verminderter Heizleistung oder im Extremfall gar nicht mehr eingesetzt werden.

Ein ganzjähriger Betrieb der bekannten Wärmepumpen wird dann nur durch Zusatzheizungen, wie Öl- oder gasbeheizte Kessel, sowie elektrische Zusatzheizungen möglich, die die Wärmepumpe unterstützen, wenn ein Wärmepumpenbetrieb mit verminderter Heizleistung möglich ist, oder ersetzen, wenn die Temperatur der Wärmequelle für einen Betrieb der Wärmepumpe zu niedrig ist.

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Pur die zusätzlichen Heizungen sind aber aufwendige Investitionen notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine Wärmepumpe ganzjährig und ohne hohe Investitionskosten für Zusatzheizungen betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei vermindertem Leistungsbedarf des Verdichters aufgrund sinkender Temperatur der Wärmequelle die dem Verdichter zugeführte Energie reduziert und die dann von der Antriebsmaschine erzeugte überschüssige Energie In elektrische Energie und anschließend in Wärme umgewandelt und diese dem Nutzwärmeträger zugeführt wird. Neben der bekannten Verfahrensweise, bei der Wärme mit einer Wärmepumpe allein erzeugt wird und die gesamte Antriebsenergie der Antriebsmaschine für den Verdichter der Wärmepumpe zur Verfügung steht, sind erfindungsgemäß zwei weitere Verfahrensweise möglich:

Bei entsprechend tiefer Temperatur der Wärmequelle ist nur ein Wärmepumpenbetrieb mit reduzierter Heizleistung möglich. Aufgrund des verringerten Leistungsbedarfs des Wärmepumpen-Verdichters kann die dem Verdichter zuzuführende Energie reduziert und die dann von der Antriebsmaschine erzeugte über-. schüssige Energie in elektrische Energie umgewandelt und an-

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schlieSend in Form von Wärme dem Nutzwärmeträger zugeführt werden. Mit sinkender Temperatur der Wärmequelle reduziert sich die Antriebsenergie für den Verdichter und wächst im gleichen Maße die Antriebsenergie für den Generator.

Polglich ist eine erfindungsgemäße Anlage ganzjährig betriebsfähig, ohne daß hohe Investitionen für Zusatzheizungen notwendig sind. Ebenso erübrigt sich der Bezug von Fremdstrom für eine elektrische Zusatzheizung. Selbst bei dieser zweiten Verfahrensweise, also der Wärmeerzeugung durch Umwandlung von Antriebs- in elektrische bzw. Wärmeenergie kombiniert mit der Wärmeerzeugung durch die Wärmepumpe und der Nutzung der Abwärme der Antriebsmaschine, liegt der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Anlage noch immer deutlich über dem einer konventionellen Öl- oder Gasheizung.

Bei der dritten Verfahrensweise wird mit besonderem Vorteil die gesamte von der Antriebsmaschine erzeugte Energie in elektrische Energie und anschließend in Wlrme umgewandelt und diese dem Nutzwärmeträger zugeführt.

Auch an den Tagen im Jahr, an denen die Temperatur der Wärmequelle für eine Verdampfung des Kreislaufmittels zu niedrig 1st und die herkömmliche Wärmepumpe also nicht mehr eingesetzt werden kann, ist die Erwärmung des Nutzwärmeträgers gesichert. Selbst in diesem Fall ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Verfahrensführung ähnlich gut, wie der einer Gas- oder Ölheizung.

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Mit Vorteil werden die Antriebsmaschine und/oder die Abgase der Antriebsmaschine durch den Nutzwärmeträger gekühlt, nachdem dieser in Wärmekontakt mit dem Kreislaufmedium getreten ist. So wird die Abwärme einer Antriebsmaschine zusammen mit der von einem derartigen Motor betriebenen Wärmepumpe zur ganz-Jährigen Erzeugung von Heizwärme genutzt.

Für eine erfindungsgemäße Verfahrensführung erweist es sich als vorteilhaft, als Antriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine zu verwenden, denn die anfallende Verlustwärme ist z.B. bei einem Diesel- oder Gasmotor besonders hoch.

Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung mit einer Wärmepumpe, die einen Verflüssiger, ein Entspannungsventil, einen Verdampfer und einen Verdichter mit Antriebsmaschine enthält. Dabei sind der Antriebsmaschine zwei Kupplungen zugeordnet, wobei die eine Kupplung zwischen Verdichter und Antriebsmaschine und die zweite Kupplung zwischen Antriebsmaschine und einem Generator angeordnet ist.

Bei Temperaturen der Wärmequelle, die eine vollständige Verdampfung des Kreislaufmittels zulassen, ist die Antriebsmaschine über die eine Kupplung mit dem Verdichter des Wärmepumpenkreislaufs verbunden, während ein über die zweite Kupplung anschließbarer Generator abgekuppelt ist. Ist die Temperatur der Wärmequelle auf einen Wert gesunken, der nur einen Wärmepumpenbetrieb mit verminderter Heizleistung zuläßt, wird

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zusätzlich zun Verdichter ein Generator an die Antriebsmaschine angekuppelt (siehe Figur 3). Die von der Antriebsmaschine erzeugte Mechanische Energie wird nun auf den Verdichter und den Generator verteilt. Dabei steigt die Antriebsenergie für den Generator in den HaBe, wie die Antriebsenergie für den Verdichter aufgrund seines geringen Leistungsbedarfs reduziert wird. Den Nutzwärmeträger wird in dieses Falle Wime durch die Wärmepumpe, durch die Abwärme der Antriebsmaschine, sowie die vom Generator erzeugte und in Wärme umgewandelte Energie zugeführt.

Bei Temperaturbedingungen der Wärmequelle, die einen Heizbetrieb mittels Wärmepumpe nicht mehr zulassen, wird automatisch der Wärmepumpenverdichter abgekuppelt, während der Generator angekuppelt wird bzw. bleibt (siehe Figur l). Für die Heizung wird dann die nutzbare Abwärme der Antriebsmaschine und die mit dem Generator erzeugte elektrische Energie genutzt.

Dazu wird der Generator mit Vorteil an eine elektrische Heizvorrichtung angeschlossen, die die darin erzeugte Wärme

* an den Nutzwärmeträger abgibt.

Vorteilhafterweise besitzt der Verflüssiger einen Strömungsquerschnitt für den Mutzwärmeträger, der ausgangsseitig mit einem Wärmetauscher verbunden ist, der einen Stromungsquerschnitt für ein im Kreislauf geführtes Kühlmittel für die Antriebsmaschine aufweist. Es kann jedoch die Abwärme der An-

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triebsmaschine dem Nutzwärmeträger auch direkt zugeführt werden.

Wird als Antriebsmaschine ein Verbrennungsmotor verwendet, so arbeitet eine dem Erfindungsgedanken entsprechende Vorrichtung besonders wirtschaftlich, wenn der Verbrennungsmotor und der Generator leistungsmäßig so ausgelegt sind, daß sie zusammen 100$ der maximal erforderlichen Heizleistung aufbringen. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors liegt dabei an der gerade noch vertretbaren oberen Grenze, die eine ausreichende Standzeit des Motors erwarten läßt. Da die mcocimale Heizleistung nur an wenigen Tagen im Jahr und dabei nur für einige Stunden benötigt wird, ist dies vertretbar.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von drei Energieflußschemata und eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figuren 1 bis 3 drei Energieflußschemata Figur 4 ein Ausführungsbeispiel.

Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Energieflußschemata dienen zum Vergleich der erfindungsgemäß möglichen Verfahrensweisen für den Heizbetrieb mit und ohne Wärmepumpe, bzw. mit Wärmepumpe und elektrischer Heizung. Die Zahlenangaben haben nur beispielhaften Charakter. Es ist zu erkennen, daß der Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Wärme mit der Wärmepumpe

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allein mit 173$ am höchsten ist. Doch sind die erfindungsgemäßen Verfahrensweisen mit Wirkungsgraden von z.B. 135/6 bei einer entsprechend tieferen Wärmequellentemperatur (Wärmepumpe und elektrische Heizung) bzw. 73$ (ohne Wärmepumpe, nur elektrische Heizung) besser bzw. wenigstens ebenso gut wie die Wirkungsgrade herkömmlicher öl- bzw. Gasheizungen.

Eine in Figur 4 schematisch dargestellte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Wärmepumpen-Kreislauf mit Verdichter 1, Verflüssiger 2, Drosselventil 12 und Verdampfer J>, aus einem Nutzwärmekreislauf mit Pumpe 10, einem Kühlkreislauf für die Antriebsmaschine 5 mit Wärmetauscher 6 und aus einem Wärmeträgerkreislauf mit Pumpe 11. Die Antriebsmaschine 5 ist eine Verbrennungskraftmaschine und als Wärmequelle dient das Wasser eines Flußes.

Mit Pumpe 11 wird aus dem Fluß l4 Wasser entnommen und zum Verdampfer 3 gepumpt. Im Wärmekontakt mit dem Kreislaufmedium wird dem Wasser Wärme entzogen und das Wasser zum Fluß l4 zurückgeleitet.

Das im Verdampfer 3 verdampfte Krcislaufmedium wird im Verdichter 1, der über eine Kupplung 4 an den Motor 5 angeschlossen ist, verdichtet. Im Verflüssiger 2 wird das Kreislaufmedium unter Abgabe von Kondensations- und Kompressionsenergie an den Nutzwärmeträger verflüssigt, dem Drosselventil 12 und anschließend wieder dem Verdampfer 3 zugeführt. Nachdem

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ler Nutzwärmeträger im Verflüssiger 2 erwärmt worden ist, wird er einen weiteren Wärmetauscher 6 zugeführt, der neben dem Strömungsquerschnitt für den Nutzwärmeträger einen weiteren Stromungsquerschnitt für ein Kühlmittel aufweist. Dieses Kühlmittel nimmt die Abwärme des Verbrennungsmotors 5 und der Abgase auf und gibt sie im Wärmetauscher 6 an den Nutzwärmeträger ab. Der Nut zwärme träger wird über Pumpe 10 im Kreislauf geführt.

Sinkt nun die Temperatur des Flußwassers auf einen Wert, der lediglich einen Wärmepumpenbetrieb mit reduzierter Heizleistung zuläßt, so vermindert sich, wie beschrieben, auch der Leistungsbedarf des Verdichters im Wärmepumpenkreislauf. In diesem Fall wird automatisch der Generator 9 über Kupplung 8 zusätzlich an den Motor 5 angekoppelt. Mit Leitung 13 ist der Stromkreis dargestellt, über den der im Generator 9 erzeugte Strom zu einer elektrischen Widerstandsheizung 7 transportiert wird. Ober diese Heizvorrichtung wird weitere Wärme an den Nutzwärmeträger abgegeben.

Bei Temperaturen des Wassers um den Gefrierpunkt ist der Betrieb der Wärmepumpe nicht mehr möglich. Dann wird automatisch der Verdichter 1 durch Kupplung 4 vom Motor 5 abgekuppelt und die gesamte vom Motor 5 erzeugte mechanische Energie an den über die Kupplung 8 angekuppelten Generator 9 abgegeben und, . wie beschrieben, über die elektrische Widerstandsheizung 7 in Form von Wärme dem Nutzwärmeträger zugeführt.

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Bei zu niedrigen Wärmequellentemperaturen erfolgt die Erwärmung des Nutzwärmeträgers somit nur durch die nutzbare Abwärme des Verbrennungsmotors 5 und über die elektrische Widerstandsheizung, während bei höheren Wärmequellentemperaturen die nutzbare Abwärme des Verbrennungsmotors und die durch die Wärmepumpe erzeugte Wärme genutzt werden. In diesem Fall läuft der Verbrennungsmotor mit reduzierter, dem Jeweiligen Heizwärmebedarf angepaßter Drehzahl. Die Anpassung der vom System abgegebenen Heizleistung an die Jeweils erforderliche Heizleistung kann durch eine Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors 5 und durch eine am Verdichter 1 des Wärmepumpenkreislaufs angeordnete Leistungsregelung erfolgen.

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Claims

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(S 399) S 77/0^6

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme

Pa tentanSprüche

■ l.\ Verfahren zur Erzeugung von Wärme mit einem Wärmepumpenkreislauf, bei dem ein Kreislaufmedium im Wärmekontakt mit einem Nutzwärmeträger verflüssigt, entspannt, im Wärmekontakt mit einer Wärmequelle verdampft und anschließend mit einem mit einer Antriebsmaschine koppelbaren Verdichter verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei verminderten Leistungsbedarf des Verdichters (l) aufgrund sinkender Temperatur der Wärmequelle die dem Verdichter (l) zugeführte Energie reduziert und die dann von der Antriebsmaschine (5) erzeugte überschüssige Energie in elektrische Energie und anschließend in Wärme umgewandelt und diese dem Nutzwärmeträger zugeführt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte von der Antriebsmaschine (5) erzeugte Energie in elektrische Energie und anschließend in Wärme umgewandelt und diese dem Nutzwärmeträger zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine (5) und/oder die Abgase der Antriebsmaschine (5) durch den Nutzwärmeträger gekühlt werden, nachdem dieser in Wärmekontakt mit dem Kreislaufmedium getreten ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmaschine eine Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.
5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Wärmepumpe, die einen Verflüssiger, eine Entspannungsventil, einen Verdampfer und einen Verdichter mit Antriebsmaschine enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmaschine (5) zwei Kupplungen (4,8) zugeordnet sind, wobei die eine Kupplung (4) zwischen Verdichter (l) und Antriebsmaschine (5) und die zweite Kupplung (8) zwischen Antriebsmaschine (5) und einem Generator (9) angeordnet ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß an den Generator (9) eine elektrische Heizvorrichtung (7) angeschlossen ist, die dem Nutzwärmekreislauf zugeordnet ist.
7- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Verflüssiger einen Strömungsquerschnitt für den Nutzwärmeträger aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt für den Nutzwärmeträger ausgangsseitig mit einem Wärmetauscher (6) verbunden ist, der einen Strömungsquerschnitt für ein im Kreislauf geführtes Kühlmittel für die Antriebsmaschine (5) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (5) und der Generator (9) leistungsmäßig so ausgelegt sind, daß sie zusammen der maximal erforderlichen Heizleistung aufbringen.

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