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(11) | EP 0 001 858 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Heizverfahren und bimodales Heizsystem zum Heizen von Gebäuden |
| (57) Heizsystem das in einem ersten Wirkungsmodus, bei nacht zu niedriger Umgebungstemperatur,
betrieben wird als Absorptionswärmepumpe, und in einem zweiten Wirkungsmodus, bei
niedriger Umgebungstemperatur, als Verdampfungs- Kondensations-System. Im ersten Wirkungsmodus verdampft flüssiges Betriebsmedium bei niedrigem Druck in Einem Verdampfer (1) wobei es der Umgebung Wärme entzieht. Das verdampfte Betriebsmedium wird durch eine in einem Absorptionsgefäss (2) befindliche Absorptionsflüssigkeit absorbiert, die in ein Siedegefäss (8) gepumpt wird zum Austreiben des Betriebsmediums durch Erhitzung. Das Betriebsmedium wird bei höherem Druck in einem Kondensator (14) kondensiert unter Abgabe von Wärme an, zum Beispiel, das Wasser einer Zentralheizungsanlage. Im zweiten Wirkungsmodus ist die Absorptionsflüssigkeit gespeichert im Absorptionsegefäss (2) und sind der Verdampfer (1) und das Absorptionsgefäss (2) von dem Rest des systems abgesperrt. Betriebsmedium wird im Siedegefäss (8) verdampft und im Kondensator (14) kondensiert unter Abgabe von Wärme. |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Heizsystem, das mit zumindest einer Wärmepumpe ausgestattet ist, mit der Wärme aus der Umgebung aufnehmbar und direkt oder uber einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abtretbar ist, wobei das System mehr als einen Wirkungsmodus besitzt.
[0002] Auf Wärmepumpen beruhende Systeme bieten gute Aussichten fur eine Ersparnis an Primärenergie, besonders bei der Raumheizung.
[0003] Ein derartiges System ist aus der NL-AS 7500642 bekannt. Das dort beschriebene bimodale System hat einen ersten Wirkungsmodus, bei dem das System bei nicht zu niedriger Aussenlufttemperatur betrieben wird und der wirksame Teil eine erste Verdichtungswarmepumpe - dort 'Basiswärmepumpe' genannt - darstellt, und einen zweiten Wirkungsmodus, bei dem das System bei extrem niedriger Aussenlufttemperatur betrieben wird und ausser der 'Basiswärmepumpe' eine zweite Verdichtungswxrmepumpe - dort als 'Hilfswärmepumpe' bezeichnet - zugeschaltet ist. Es wird auf diese Weise ein Arbeitsbereich erhalten, der im Hinblick auf Schwankungen in der Aussenlufttemperatur und in der Belastung des Systems grösser ist als es bei einem einfachen Pumpsystem mit aur einem einzigen Wirkungsmodus möglich ist.
Dies hängt mit den Beschränkungen zusammen, die dadurch entstehen, dass man das Kdmpressionsverhältnis des Verdichters nicht zu gross, die Temperatur des Druckrohrs nicht zo hoch und die Verdampfungstemperatur nicht zu niedrig wunscht.
[0004] Ein solches kompliziertes und wartungsbedurftiges System ist nur für Grossanlagen wirtschaftlich attraktiv. Der Schallpegel der benutzten Motoren und Kompressoren kann sehr störend sein. Für Kleinanlagen wird man einen elektrisch angetriebenen Verdichter benutzen, wodurch der Verbrach an Primärenergie gegenuber einem konventionellen Heizsystem ungünstig ist.
[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfacheres und auch für Kleinanlagen wirtschaftlich attraktives, wartungsgunstiges, geräuscharmes Heizsystem zu schaffen, das mit zumindest einer Wärmepumpe ausgestattet ist, mit der Warme aus der Umgebung aufnehmbar und direkt oder uber einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abtretbar is, wobei das System mehr als einen Wirkungsmodus aufweist. Die hier als 'Umgebung' benannte kalte warmequelle kann die Aussenluft sein, aber auch z.B. ein offenes Gewässer, Grundwasser, der Boden, Industrieabwasser usw.
[0006] Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist das System erfindungsgemass mit ersten Mitteln versehen, die in einem ersten Wirkungsmodus als Absorptionswärmepumpe verwendbar und mit zumindest einer Wärmequelle zur Lieferung der Antriebskraft ausgestattet sind, and ferner mit zweiten Mitteln, die den erstgenannten Mitteln in wesentlichen entsprechen und in einem zweiten Wirkungsmodus als Verdampfungs-Kondensations-System zum Transport von Wärme direkt oder uber einen oder mehrere Wärmeaustauscher von der genannten Wärmequelle in den zu heizenden Raum oder die zu heizenden Räume arbeiten können.
[0007] Als Warmequelle zur Beschaffung der Antriebskraft kann eine mit fossilem, vorzugsweise mit gasförmigem Brennstoff geheizte Heizanlage benutzt werden, beispielsweise aber auch eine Dampfspirale. Eine mit Gas betriebene Heizanlage hat fUr dieses Anwendungsgebiet den Vorteil einer energetisch und wirtschaftlich optimalen Energieverteilung.
[0008] Bei nicht zu niedriger Umgebungstemperatur wird das Heizssystem im genannten ersten Wirkungsmodus betrieben und bei niedrigerer Umgebungstemperatur im zweiten Wirkungsmodus.
[0009] Unter einem 'Verdampfungs-Kondensations-System' ist hier ein geschlossenes System zu verstehen, in dem dort, wo sich eine Wärmequelle gefindet, Flussigkeit unter Aufnahme von Warme verdampfen kann, wonach dieser Dampf an einer anderen Stelle im System unter Abgabe von Warme kondensieren kann. Die kondensierte Flüssigkeit strömt zurück zur Heizstelle, nötigenfalls mit Hilfe einer Umwälzpumpe.
[0010] Eine Absorptionswarmepumpe besteht bekanntermassen, in der Transportrichtung des Betriebsmediums gesehen, der Reihe nach aus einem Verdampfer, in dem das Betriebsmedium bei niedrigem Druck verdampft und somit der Umgebung Warme entzieht, einem Absorptions gefass, in dem das nunmehr gasförmige Betriebsmedium in der Absorptionsflussigkeit absorbiert wird, einer Flussigkeitspumpe, welche die an Betriebsmedium reiche Flüssigkeit pumpt, einem Siedegefäss, das erhitzt wird, so dass das Betriebsmedium in Gasform aus der Flüssigkeit herausgetrieben wird, sowie einem Kondensator, in dem das Betriebsmedium bei höherem Druck kondensiert und dabei Wärme abgibt.
[0011] In der Ruckleitung vom Kondensator zum Verdampfer befindet sich ein Drosselventil. Ferner ist zwischen dem Siedegefäss und dem Absorptionsgefäss eine Ruckleitung fur die an Betriebsmedium arme Absorptionsflussigkeit mit zugehörigem Drosselventil vorgesehen.
[0012] Ein erfindungsgemasses Heizsystem ist vorzugsweise als Kreislaufsystem ausgefuhrt, in dem der Reihe nach ein Verdampfer, ein Absorptionsgefäss, eine Flüssigkeitspumpe, ein zu erhitzendes Siedegefäss, ein Kondensator und ein erstes Drosselventil angeordnet sind, wobei des Kreislaufsystem eine Ruckleitung mit einem zweiten Drosselventil zwischen dem Siedegefäss und dem Absorptionsgefäss aufweist, welche Teile zusammen eine Absorptionswärmepumpe für den ersten Modus bilden, wobei für den zweiten Modus das Absorptionsgefass so gross ist, dass darin der gesamte Vorrat an Absorptionsflussigkeit gelagert werden kann, und zugleich Absperrventile, um den von dem Verdampfer und dem Absorptionsgefäss gebildeten Teil des Systems von dem Rest des Systems abzusperren, sowie eine mit einem Absperrventil ausgestattete Leitung zwischen dem Ablass des Kondensators und der Zufuhr der Flussigkeitspumpe vorgesehen sind. Es kann ggf. im System ein Wärmeaustauscher zwischen der relativ kalten von der Pumpe zum Siedegefäss gepumpten Flüssigkeit und der relativ warmen durch die Ruckleitung aus dem Siedegefäss abgeführten Flussigkeit fur den internen Wärmeaustausch angebracht sein.
[0013] Im zweiten Wirkungsmodus wird das Betriebsmedium im Siedegefäss verdampft und im Kondensator kondensiert. Die Absorptionsflussigkeit ist im Absorptionsgefäss gespeichert.
[0014] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Heizen von Gebäuden mit Hilfe eines erfindungsgemässen Heizsystems, wobei man sich zumindest einer Wärmepumpe bedient, mit der Wärme aus der Umgebumg aufnehmbar und direkt oder Uber einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abtretbar ist. Das erfindungsgemässe Verfahren wird dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten eines bestimmten Ubergangswertes durch die Umgebungstemperatur im ersten Wirkungsmodus ein Betriebsmedium bei niedrigem Druck kontinuierlich in einem Verdampfer verdampft wird, wobei das verdampfende Betriebsmedium der Umgebung Wärme entzieht, das nunmehr verdampfte Betriebsmedium durch eine in einem Absorptionsgefäss befindliche Absorptionsflussigkeit absorbiert wird, von diesem Absorptionsgefäss aus kontinuierlich Absorptionsflussigkeit mit in ihr absorbiertem Betriebsmedium durch eine Pumpe in ein Siedegefäss gepumpt und darin erhitzt wird, wodurch das Betriebsmedium aus der AbsorptionsflUssigkeit herausgetrieben wird, das ausgetriebene Betriebsmedium bei höherem Druck unter Abgabe von Wärme durch das kondensierende Betriebsmedium in einem Kondensator kondensiert wird, welche Wärme direkt oder uber einen oder mehrere Wärmeaustauscher an einen zu heizenden Raum oder mehrere zu heizende Räume abgetreten wird, das kondensierte Betriebsmedium Uber ein Drosselventil wieder dem Verdampfer zugefuhrt wird und die an Betriebsmedium arme AbsorptionsflUssigkeit uber ein Drosselventil wieder dem Absorptionsgefäss zufliesst, und dass beim Unterschreiten des gewählten Übergangswertes durch die Umgebungstemperatur in einem zweiten Wirkungsmodus die Absorptionsflussigkeit gespeichert wird, die Verbindungen zwischen Kondensator und Ve iampfer, Absorptionsgefäss und Pumpe sowie Siedegefäss una bsorptionsgefass gesperrt werden, der Kondensator an die Pum, angeschlossen und kondensiertes Betriebsmedium zum Siengefrass gepumpt wird, welches Betriebsmedium anschliessend in inen Kreislaufsystem im Siedegefäss verdampft und im Koninsator wieder kondensiert, wobei Warme vom erhitzten Sieigefass zum Kondensator transportiert wird. Als Absorptionsfltssigkeit wird Wasser und als Betriebsmedium Ammoniak bevzugt. Vorzugsweise wird die AbsorptionsflUssigkeit beim zwefcen Wirkungsmodus im Absorptionsgefäss gespeichert. sei Anwendung des erfindungsgemassen Verfahrens im ersten Wiringsmodus kann es zur Ablagerung von Eis auf dem Verdampfer kom an, wobei der Druck im Verdampfer zuruckgeht. Das erf ungsgemasse Verfahren wird dann vorzugsweise so durchgefuhrt, dassas Verfahren bei einer uber dem gewählten Übergangswert liegaden Umgebungstemperatur im Falle einer Druckverringerung im Vaampfer infolge Eisablagerung auf dem Verdampfer vorut t gehend im genannten zweiten Wirkungsmodus durchgeführt wird, wobei hrner die im Absorptionsgefäss gespeicherte Absorptions flussitjit verdampft und im Verdampfer unter Wärmeabgabe konden;ert wird, wodurch das auf dem Verdampfer abgelagerte Eis zu schm en anfängt, und dass im Falle eines Druckanstiegs im Verdamplng durch das Verschwinden der Eisablagerung wieder das Verfahredes ersten Wirkungsmodus ausgefuhrt wird.
[0016] Die Ze haung stellt schematisch als nicht einschränkendes Beispiel ei erfindungsgemässes Heizsystem dar.
[0017] Die Positionszahlen in der Zeichnung bedeuten:
1. Verdampfer;
2. Absorptionsgefäss;
3. Verbindungsleitung zwischen dem Verdampfer 1 und dem
[0018] Absorptionsgefass 2;
4. Absperrventil in der Leitung 3:
5. Flussigkeitspumpe;
6. Verbindungsleitung zwischen dem Absorptionsgefäss 2 und der Pumpe 5;
7. Absperrventil in der Leitung 6;
8. Siedegefäss;
9. Verbindungsleitung zwischen der Pumpe 5 und dem Siedegefäss 8;
10. Gasbrenner zum Erhitzen des Siedegefässes 8;
11. Gaszufuhrleitung;
12. Regelventil in der Gaszufuhrleitung 11;
13. Trennsaule mit Dephlegmator auf dem Siedegefäss 8;
14. Kondensator;
15. Verbindungsleitung zwischen der Trennsäule 13 und dem Kondensator 14;
16. Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 14 und dem Verdampfer 1;
17. Absperrventil in der Leitung 16;
18. Drosselventil in der Leitung 16;
19. Flüssigkeitsruckleitung zwischen dem Siedegefäss 8 und dem Absorptionsgefäss 2;
20. Absperrventil in der Leitung 19;
21. Drosselventil in der Leitung 19;
22. Verbindungsleitung zwischen dem Abflussende des Kondensators 14 und irgendeiner Stelle in der Leitung 6;
23. Absperrventil in der Leitung 22;
24. Wärmeaustauscher im Kondensator 14, durch den zu erhitzendes Wasser oder ein anderes Betriebsmedium fliesst;
25. Heisswasserleitung;
26. An die Leitung 25 angeschlossene Heizungsradiatoren in dem oder den zu heizenden Räume;
27. Ruckleitung fUr abgekuhltes Wasser;
28. Wärmeaustauscher im Absorptionsgefäss 2, durch den das Ruckflusswasser strömt;
29. Wärmeaustauscher für die Dephlegmatorwirkung im Kopfe der Trennsäule 13;
30, Verbindungsleitungen zwischen den Wärmeaustauschern 28 und 29
31 bzw. 29 und 24;
32. Umwälzpumpe;
33. Steuergerät fUr die Absperrventile 4, 7, 12, 17, 20 und 23;
34. Temperatursensor, der die Umgebungstemperatur misst und an das Steuergerät 33 ein Temperatursignal abgeben kann;
35. Temperatursensor, der die Temperatur in einem zu heizenden Raum misst und an das Steuergerät 33 ein Temperatursignal abgeben kann;
36. Niveausensor, der an das Steuergerät 33 ein Signal abgeben kann, wenn das Siedegefäss 8 fast keine Flüssigkeit mehr etnhält;
37. Drucksensor, der den Druck in der Leitung 15 in der Nähe des Dephlegmators misst und an das Steuergerät 33 ein Drucksignal abgeben kann;
38. Drucksensor, der den Druck im Verdampfer 1 misst und an das Steuergerät 33 ein Drucksignal abgeben kann;
39. Rauchgaswärmeaustauscher im Abzugkanal fUr die Verbrennungsgase des Brenners 10.
[0019] Die Wirkungsweise des dargestellten Heizsystems ist folgendermassen: Bei nicht zu niedriger Umgebungstemperatur befindet sich das System im ersten Wirkungsmodus und es funktioniert als Wärmepumpe. Auf Befehl des Steuergeräts 33 werden die Absperrventile 4, 7, 17 und 20 geöffnet; das Absperrventil 23 ist geschlossen. Der Brenner 10 wird vom Gasabsperrventil 12 so gesteuert, dass die vom Temperatursensor 35 gemessene Temperatur dem gewunschten eingestellten Wert entspricht. Im Verdampfer 1 wird Betriebsmedium verdampft, wobei der Umgebung Wärme entzogen wird. Dieses Betriebsmedium wird im Absorptionsgefäss 2 von der Absorptionsflussigkeit absorbiert. Im Siedegefäss 8 wird das Betriebsmedium durch Erhitzung aus der AbsorptionsflUssigkeit herausgetrieben. Die mit verdampfte AbsorptionsflUssigkeit wird in der Säule 13 abgetrennt. Das Betriebsmedium kondensiert im Kondensator 14, gibt dabei an den Wärmeaustauscher 24 Wärme ab und kehrt uber das Drossventil 18 wieder in den Verdampfer 1 zuruck. Die Absorptionsflussigkeit fliesst aus dem Absorptionsgefäss 2 durch die Leitung 6, die Pumpe 5, die Leitung 9, das Siedegefäss 8, die Leitung 19 und das Drosselventil 21 in das Absorptionsgefäss 2 zuruck.
[0020] Gemass dem vorliegenden Beispiel stromt durch den Wärmeaustauscher 24 Wasser, das in diesem Austauscher erhitzt wird. Das heisse Wasser wird über den Rauchgaswärmeaustauscher 39, der noch Wärme aus den Verbrennungsgasen aufnimmt, und die Leitung 25 in die Heizungsradiatoren 26 gefuhrt; das abgekuhlte Wasser fliesst durch die Ruckleitung 27 zur Pumpe 32 zurück und wird anschliessend wieder in den Wärmeaustauschern 28, 29 und 24 erhitzt. Die dem Gasbrenner 10 zugehende Gasmenge wird vom Steuergerat 33 derart eingestellt, dass die vom Sensor 35 gemessene Temperatur einen im voraus eingestellten Sollwert beibehält. Evtl. wird noch ein Wärmeaustauscher hinzugeschaltet, damit die FlUssigkeit in der Leitung 19 einen Teil ihrer Wärme an die Flüssigkeit in der Leitung 9 abtritt, so dass letztere einigermassen erhitzt wird.
[0021] Im zweiten Wirkungsmodus, dem Verdampfungs-Kondensations-System, wird das System in zwei Fällen betrieben, und zwar:
1. Intermittierend fUr kurze Zeit mit dazwischenliegenden längeren Perioden, in denen der Wärmepumpe-Modus angewandt wird. Dieser Fall stellt sich ein bei etwas niedriger Umgebungstemperatur. Dabei wird sich namlich oftmals an der Aussenseite des Verdampfers 1 Eis ablagern, was den Wärmeubergang beeinträchtigt. Dabei fallen Temperatur und Druck im Verdampfer 1 ab, was vom Drucksensor 38 angezeigt wird. Der Verdampfer 1 muss daher in regelmässigen Zeitabständen abgetaut werden. Dabei darf die Heizung des Gebäudes selbstverständlich nicht unterbrochen werden. Das System wird dann vorubergehend gemäss dem zweiten Wirkungsmodus betrieben.
2. Kontinuierlich, wenn die Umgebungstemperatur unter einen bestimmten, im vorous eingestellten Wert absinkt, wobei das Wärmepumpe-System der Umgebung keine genugende Wärmemenge mehr zu entziehen vermag und weiter das häufige Auftauen des Verdampfers einen solchen Energieaufwand erfordern wurde, dass der Wirkungsgrad des auf Wärmepumpen beruhenden Systems sich gegenuber dem des Verdampfungs-Kondensations-Systems verschlechtern wurde.
[0022] Die Umschaltung vom ersten auf den zweiten Wirkungsmodus hat folgenden verlauf:
a. Das Absperrventil 17 wird geschlossen. Noch im Verdampfer 1 befindliches Betriebsmedium fliesst durch die Leitung 3 in das Absorptionsgefäss 2 und wird dort in der Absorptionsflussigkeit absorbiert;
b. Aus der zwischen dem Absorptionsgefäss 2 und dem Siedegefäss 8 umlaufenden AbsorptionsflUssigkeit wird das Betriebsmedium durch Sieden entfernt, kondensiert im Kondensator 14 und wird vorübergehend darin gespeichert;
c. Nachdem das Betriebsmedium im wesentlichen entfernt ist, verdampft die AbsorptionsflUssigkeit, wodurch der vom Drucksensor 37 gemessene Druck ansteigt. Das Absperrventil 7 wird dann geschlossen, so dass die Flussigkeitszufuhr zum Siedegefäss 8 unterbrochen wird und sich dieses Gefäss in das Absorptionsgefäss 2 entleert;
d. Wenn der Niveausensor 36 anzeigt, dass das Siedegefäss 8 so gut wie leer ist, wird das Absperrventil 12 geschlossen, so dass der Brenner 10 abgeschaltet ist. Bei leerem Siedegefäss 8 wird das Absperrventil 20 geschlossen;
e. Das Absperrventil 23 wird geöffnet. Im Kondensator 14 kondensiertes Betriebsmedium wird von der Pumpe 5 ins Siedegefäss 8 gepumpt;
f. Durch Öffnen des Absperrventils 12 wird der Brenner 10 wieder zugeschaltet. Betriebsmedium verdampft im Siedegefass 8 und kondensiert im Kondensator 14, wobei an das durch die Warmeaustauschspirale 24 fliessende Wasser Wärme abgegeben wird. Das System befindet sich jetzt im zweiten Wirkungsmodus und funktioniert als Verdampfungs-Kondensations-System.
[0023] Ob in diesem zweiten Modus das Absperrventil 4 offen oder geschlossen ist, hängt von der Umgebungstemperatur ab. Liegt die Umgebungstemperatur Uber dem Erstarrungspunkt der Absorptionsflussigkeit, nicht unter 0 °C oder sicherheitshalber uber 1 - 2 °C, so ist das Absperrventil 4 geöffnet; Absorptionsflussigkeit verdampft im Absorptionsgefäss 2, kondensiert im Verdampfer 1 unter Abgabe von Wärme, so dass auf dem Verdampfer 1 abgelagertes Eis schmilzt und fliesst als Flussigkeit in das Gefäss 2 zuruck. Bei Umgebungstemperaturen unter 0 °C ist das Absperrventil 4 geschlossen.
[0024] Die Umschaltung vom zweiten auf den ersten Wirkungsmodus erfolgt ganz einfach durch Öffnen der Ventile 4, 7, 17 und 20 und Schliessen des Absperrventils 23.
Beispiel
[0025] Bei Anwendung eines Heizsystems gemäss dem vorliegenden Schema wird als Betriebsmedium Ammoniak und als Absorptionsflussigkeit Wasser benutzt. Bei Umgebungstemperaturen, die nicht unter 1 - 2 oC liegen, wird das System im ersten Wirkungsmodus als Wärmepumpe betrieben, und zwar unter folgenden Bedingungen:
[0026] Bei Umgebungstemperaturen unter 1 - 2oC wird das System im zweiten Wirkungsmodus als Verdampfungs-Kondensations-System betrieben.
[0027] Geht man davon aus, dass zur Heizung einer mittelgrossen gut o isolierten Wohnung bei einer Aussenlufttemperatur von -10oC ca. 11 kW benotigt werden, so errechnet sich bei einem Wärmetransport von 1050 kJ je kg im Kondensator kondensierendes Ammoniak ein maximaler Ammoniakumlauf von
= ca. 0,01 kg/s. Bei einem Heizeffekt von 0,85% beträgt die zu installierende Brennerkapazität somit
= ca. 13 kW.