Wärmepumpenheizungssystem

Abstract

 Bei einem Wärmepumpenheizungssystem mit einem mittels der Energie eines Verbrennungsmotors (1) über Kopplungsmittel antreibbaren Verdichter (7) eines Wärmepumpenkreislaufs sind die Kopplungsmittel von einer mit dem Verbrennungsmotor (1) gekuppelten als Generator bzw. Pumpe betreibbaren ersten hydraulischen bzw. elektrischen Maschine (2) und einer mit dem Verdichter (7) gekuppelten, als Motor betriebenen zweiten elektrischen oder hydraulischen Maschine (6) gebildet, welche mit der ersten elektrischen Maschine bzw. ersten hydraulischen Maschine nur elektrisch bzw. hydraulisch, nicht jedoch mechanisch kuppelbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpenheizungssystem mit einem mittels der Energie eines Verbrennungsmotors über Kopplungsmittel antreibbaren Verdichter eines Wärmepumpenkreislaufes.

[0002] Aus der deutschen Auslegeschrift 27 05 869 ist es bekannt, als Kopplungsmittel eine Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Verdichter des Wärmepumpenkreislaufs vorzusehen, welche nur oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Verbrennungsmotors diesen mit dem Verdichter kuppelt, welcher in niedrigen Drehzahlbereichen durch einen gesonderten Elektromotor angetrieben werden kann. Bei diesem an sich sehr vorteilhaften Wärmepumpenheizungssystem zeigt es sich, daß während der Betriebsphasen einer unmittelbaren Kopplung zwischen Verbrennungsmotor und Verdichter die Gesamtanordnung zu Schwingungen neigt, so daß die Geräuschdämpfung einen beträchtlichen technischen Aufwand erfordert. Auch treten an den vergleichsweise langgestreckten Maschinensätzen mit durchgehender Welle mitunter Pendelungen auf, die sich über die durchgehende Welle des Maschinensatzes übertragen. Schließlich müssen besondere Vorkehrungen bei der Regel.ung getroffen werden, um die Trägheit des gesamten Maschinensatzes gegenüber Regeleingriffen zu überwinden.

[0003] Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Wärmepumpenheizungssystem der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß ein hohes Maß an Laufruhe erzielt wird.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erwähnten Kopplungsmittel von einer mit dem Verbrennungsmotor gekuppelten, als Generator bzw. Pumpe betreibbaren ersten elektrischen oder hydraulischen Maschine und einer mit dem Verdichter gekuppelten, als Motor betriebenen, zweiten elektrischen oder hydraulischen Maschine gebildet sind, welche mit der ersten Maschine nur elektrisch bzw. hydraulisch, nicht jedoch mechanisch koppelbar ist.

[0005] Bevorzugtermaßen handelt es sich bei der ersten und der zweiten Maschine jeweils um eine elektrische Maschine. Es zeigt sich, daß durch die Auftrennung der Welle zwischen Verbrennungsmotor und Verdichter und Zwischenschaltung einer Generator- Motoreinheit die in besonderem Maße Schwingungen erzeugenden Maschine voneinander entkoppelt werden. Gleichzeitig ergeben sich für den Konstrukteur weitere Möglichkeiten für die gegenseitige räumliche Anordnung der Verbrennungskraftmaschine und des Verdichters in einem Heizungssystem dergestalt, daß beispielsweise' die Verbrennungskraftmaschine und die zugehörige elektrische Maschine zum einen und der Verdichter des Wärmepumpenkreislaufs mit der zugehörigen elektrischen Maschine zum anderen übereinander angeordnet werden können, was in vielen Fällen eine-günstigere Raumausnutzung ergibt und auch die Ausnützung der Verlustwärmen der genannten Maschinen durch darüber angeordnete Wärmetauscher, welche im Konvektionsluftstrom liegen, erleichtert.

[0006] Während die Anordnung mit zwei die Kopplungsmittel bildenden, elektrisch zusammenschließbaren elektrischen Maschinen zunächst aufwendig erscheint, ergibt sich, daß als elektrische Maschinen beispielsweise handelsübliche, aufgrund der Serienfertigung preiswerte Asynchronmaschinen verwendet werden können, deren Preis insgesamt mit demjenigen elektrischer Kupplungen oder mechanischer Kupplungen oder Getriebe vergleichbar ist.

[0007] Sind die elektrischen Maschinen der Kopplungsmittel an eine Regel- und Steuereinheit, welche auch entsprechende Schaltmittel enthält, angeschlossen, wobei die Regel- und Steuereinheit außerdem Verbindung mit dem elektrischen Versorgungsnetz, mit elektrischen Kondensatorbatterien und mit elektrischen Heizvorrichtungen, etwa in Gestalt großer Tauchsieder hat, so ergibt sich eine bemerkenswerte Vielseitigkeit von Betriebsweisen, die mit dem hier vorgeschlagenen Wärmepumpenheizungssystem verwirklicht werden können. Hierzu sei ausdrücklich auf die anliegenden Ansprüche verwiesen, deren Inhalt hiermit zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne ihren Wortlaut jedoch im einzelnen zu wiederholen.

[0008] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wärmepumpenheizungssystems,wobei zur Darstellung bestimmter Anlageteile Block--symbole verwendet sind und

Fig. 2 eine Schnitt- Seitenansicht eines Wärmepumpenheizungssystems zur Verdeutlichung der räumlichen gegenseitigen Zuordnung der Anlageteile.

[0009] Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, mit welchem eine elektrische Asynchronmaschine 2 gekuppelt ist. Die Asynchronmaschine besitzt einen Kurzschlußkäfigläufer und ist mit ihrer Ständerwicklung über Leitungen 3 an eine Steuer-und Regeleinheit 4 angeschlossen. Mit dieser Steuer- und Regeleinheit hat über Leitungen 5 die Ständerwicklung einer weiteren elektrischen Maschine 6 Verbindung, deren Kurzschlußkäfigläufer mit dem Verdichter 7 eines Wärmepumpenkreislaufs 8 gekuppelt ist.

[0010] Aus Figur 1 ist zu erkennen, daß der Verbrennungsmotor 1 und die elektrische Maschine 2 einerseits und die elektrische Maschine 6 sowie der Verdichter 7 andererseits auf jeweils gesonderten, nicht mechanisch verbundenen Fundamenten oder Gestellen 9 bzw. 10 montiert sind. Dies erleichtert die Montage der Maschinensätze, nachdem eine gegenseitige Ausrichtung des Verbrennungsmotors 1 und des Verdichters 7 auf eine koaxiale Lage ihrer Wellen nicht erforderlich ist, und die elektrischen Maschinen 2 und 6 praktisch ohnedies an die jeweils zugehörige Antriebs- bzw. Abtriebsmaschine angeflanscht werden. Die mechanische Entkopplung der Gestelle 9 und 10 bewirkt, daß sich die jeweiligen schwingfähigen Systeme nicht beeinflussen und auch nicht gegenseitig in Resonanz treten, so daß die gesamte Anlage sehr laufruhig arbeitet.

[0011] Die auf den Kühlwasserkreislauf 11 des Verbrennungsmotors 1 = übertragene Verlustwärme wird mittels eines Wärmetauschers 12 dem Kühlwasserkreislauf entzogen und, wie durch eine strichpunktierte Linie 13 angedeutet ist, mittelbar oder unmittelbar dem Wärmepumpenkreislauf 8 oder einem damit gekoppelten Sekundär- Wärmetauschmittelkreislauf zugeführt. Ähnliches geschieht, wie aus Figur 1 ebenfalls ohne weiteres zu ersehen, mit der nutzbaren Rest- Abwärme der Abgase des Verbrennungsmotors 1. Diese Restwärme wird den Abgasen mittels eines Wärmetauschers 14 entzogen und gelangt über eine Übertragungsverbindung 15 zu dem Wärmepumpenkreislauf oder einem damit gekoppelten Sekundärkreislauf. Schließlich kann noch, was jedoch in Figur 1 nicht gezeigt ist, die abgestrahlte und durch Konvektion abgegebene Wärme, die über die Oberfläche der Maschinell, 2, 6 und 7 austritt, mittels eines Wärmetauschers aufgefangen und nutzbar gemacht werden.

[0012] Die Regel- und Steuereinheit 4 ist über einen Schalter 16 an das elektrische Versorgungsnetz 17 angeschlossen. Außerdem hat die Regel- und Steuereinheit 4 Verbindung zu einer Kondensatorbatterie 18. In Figur 1 ist nur eine einzige Verbindungsleitung zwischen der Einheit 4 und der Kondensatorbatterie 18 gezeigt. Praktisch besteht jedoch die Verbindung in einer Vielzahl einzelner Leitungen derart, daß die wirksame Kapazität durch Anwahl einer bestimmten Leitung vermittels der Regel- und Steuereinheit 4 stufenweise vergrößert oder verkleinert werden kann.

[0013] Von der Regel- und Steuereinheit 4 führt schließlich noch eine Leitungsverbindung zu einem elektrischen Tauchsieder 19, der in Figur 1 nur symbolisch angegeben ist und praktisch drei Phasenstränge aufweisen kann.

[0014] Zur Inbetriebnahme der gesamten Anlage wird zunächst die elektrische Maschine 2 von der Regel- und Steuereinheit 4 mit dem Versorgungsnetz 17 verbunden und als Anlaßmotor für den Verbrennungsmotor 1 verwendet. In diesem Betriebszustand verwirklicht die Re-gel- und Steuereinheit 4 eine solche Schaltungsverbindung, daß die Kondensatorbatterie 18 für den Motorbetrieb der elektrischen Maschine 2 die Blindleistung liefert, so daß der Asynchronmotor in vorteilhafter Weise im Anlauf einen geringen Strom aufnimmt und die Sicherung 20 vergleichsweise klein bemessen sein kann. Ist dann der aus den Maschinen 1 und 2 gebildete Maschinensatz angelaufen, so verbindet die Regel- und Steuereinheit 4 die Asynchronmaschinen 2 und 6 miteinander, wobei durch Zuschaltung der Kondensatorbatterie 18 und drehzahlabhängige Wahl der jeweiligen Kapazitätsgröße erreicht wird, daß unter Einhaltung bestimmter Ströme auf den Leitungen 3 und 5 während des Anlaufes und des Dauerbetriebes der elektrischen Maschine 6 diese als Asynchronmotor läuft, während die elektrische Maschine 2 als Asynchrongenerator betrieben und von dem Verbrennungsmotor 1 angetrieben wird.

[0015] Die Regel- und Steuereinheit 4 bietet aufgrund der in ihr vorgesehenen Schaltmittel ferner die Möglichkeit einer Speisung des Asynchronmotors 6 von dem Versorgungsnetz 17 her unter Verbesserung des Leistungsfaktors durch die Kondensatorbatterie 18. In diesem Betriebszustand kann der Verbrennungsmotor 1 mit dem damit gekuppelten Generator 2 stillgesetzt werden.

[0016] Es ist jedoch auch möglich, in diesem Betriebszustand den Asynchrongenerator 2 mittels des Verbrennungsmotors 1 anzutreiben und die Leistung des Generators in der Tauchsiederanordnung in Wärme umzuwandeln, die zu Zeiten besonders hohen Wärmebedarf mittelbar oder unmittelbar in den NutzHeizkreislauf eingespeist wird. Es steht also praktisch für , solche Zeiten erhöhten Wärmebedarfes die doppelte Ausgangsleistung des Wärmepumpen-Heizungssystemes zur Verfügung, ohne daß hierzu besonders hohe Anlagekosten investiert zu werden brauchen.

[0017] Während zur Verwirklichung des Generatorbetriebes des Asynchronmotors als die mit 2 bezeichnete elektrische Maschine und zur Verbesserung des Leistungsfaktors eine verhältnismäßig große Kondensatorbatterie 18 erforderlich ist, kann diese Kondensatorbatterie verkleinert werden oder ganz entfallen, wenn anstelle der Asynchronmotoren Reluktanzmotoren verwendet werden, insbesondere solche mit Kobalt-Samarium-Magnetläufern.

[0018] Figur 2 zeigt unter Weglassung von Rohrleitungsverbindungen und elektrischer Leitungsverbindungen die räumliche Zuordnung der Anlageteile eines Wärmepumpenheizungssystems der hier vorgeschlagenen Art. Auf dem Fundament 21 ist unter Verwendung von Schwingmetallblöcken 22 der Verbrennungsmotor 1 aufgestellt, an welchen die elektrische Maschine 2 angeflanscht ist. Außerdem ist auf- dem Fundament 21 ein Rahmengestell 23 ebenfalls unter Zwischenschaltung von Schwingmetallblöcken montiert, das den Verdichter 7 und den zugehörigen Elektromotor 6 abstützt, wobei die Verdichter-Motoreinheit oberhalb des aus den Maschinen 1 und 2 gebildeten Maschinensatzes angeordnet ist.

[0019] Das Gestell 23 trägt weiter den Verdampfer 24 des Wärmepumpenkreislaufes, wobei durch diesen Verdampfer ein Hilfs-Wärmetauschmittel geleitet wird, welches die Kopplung zu dem ausgenützten Wärmereservoir herstellt. Schließlich befindet sich oberhalb des Verdampfers 24 an dem Gestell 23 ein weiterer Wärmetauscher 25 zur Ausnützung der Verlustwärmen, die über die Oberfläche der Maschinen 1, 2, 6 und 7 abgegeben wird.

[0020] Die gesamte Anordnung ist unter eine Isolations- und Schallschluckhaube 26 gesetzt, welche in ihrer Gesamtheit von dem Fundament 21 abgezogen werden kann, falls Wartungs-oder Reparaturarbeiten durchgeführt werden müssen. Die Schallschluckhaube 26 kann jedoch auch mit entspr. Zugangsöffnungen versehen sein, welche durch isolierende Klappen abgeschlossen werden.

Ansprüche

1. Wärmepumpenheizungssystem mit einem mittels der Energie eines Verbrennungsmotors über Kopplung<mittel antreibbaren Verdichter eines Wärmepumpenkreislaufs,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kopplungsmittel von einer mit dem Verbrennungsmotor (1) gekuppelten, als Generator bzw. Pumpe betreibbaren ersten hydraulischen bzw. elektrischen Maschine (2) und einer mit dem Verdichter (7) gekuppelten, als Motor betriebenen zweiten elektrischen oder hydraulischen Maschine (6) gebildet sind, welche mit der ersten elektrischen Maschine bzw. ersten hydraulischen Maschine nur elektrisch bzw. hydraulisch, nicht jedoch mechanisch kuppelbar ist.

2. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite elektrische Maschine jeweils Asynchronmaschinen (2, 6),insbesondere mit Kurzschlußläufer, sind und daß eine Kondensatorbatterie (18) vorzugsweise veränderbarer Kapazität an mindestens eine der Asynchronmaschinen anschließbar ist.

3. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite elektrische Maschine jeweils ein Reluktanzmotor, insbesondere mit Kobalt-Samarium-Magnet läufer, ist.

4. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrischen Maschinen mit einer Regel- und Steuereinheit (4) verbunden sind, welche zur insbesondere drehzahlabhängigen Zuschaltung bzw. Abschaltung der Kondensatorbatterie (18) oder von Teilen derselben dient.

5. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit der Regel- und Steuereinheit (4) die Kopplung zwischen den elektrischen Maschinen (2, 6) auftrennbar und die erste elektrische Maschine (2) zum Anlaßbetrieb an ein elektrisches Netz (17) anschließbar ist.

6. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels der Regel- und Steuereinheit (4) die zweite elektrische Maschine (6) an ein bzw. das elektrische Versorgungsnetz (17) anschließbar ist, derart, daß der Antrieb des Wärmepumpensystems vom Netz gespeist wird.

7. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Abdeckung eines erhöhten Wärmebedarfs während der Speisung des Antriebs der Wärmepumpe vom Netz die Regel- und Steuereinheit (4) die vom Verbrennungsmotor (1) angetriebene elektrische Maschine (2) mit einer elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere einer Tauchsiederanordnung .(19) verbindet, welche ein Wärmetauschmittel, insbesondere das im Nutzheizkreislauf umgewälzte Wärmetauschmittel zusätzlich erwärmt.

8. Wärmepumpenheizungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbrennungsmotor (1) und die erste elektrische Maschine (2) einerseits und der Verdichter (7) und die zweite elektrische Maschine (6) andererseits übereinander angeordnet und jeweils gesondert gegen ein Fundament (21) abgestützt sind.

9. Wärmepumpenheizungssystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich mindestens ein Wärmetauscher (24, 25) des Systems, wovon mindestens einer ein Verdampfer sein kann, über dem Verbrennungsmotor und der ersten elektrischen Maschine einerseits und dem Verdichter und der zweiten elektrischen Maschine andererseits befindet.

Zeichnung