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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpenanlage, insbesondere Wärmerückgewinnungsanlage, für die Erwärmung von in einem Speicher aufbewahrtem Wasser, mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, in den ein Verdampfer, ein Kompressor, Kondensatoren und ein Drosselorgan eingeschaltet sind, wobei die in den Kondensatoren entwickelte Wärme im Wärmetausch an das im Speicher aufbewahrte aufzuheizende Wasser abgegeben wird und zur Ausnutzung der Überhitzungswärme des Kältemittels im Speicher zwei voneinander gesonderte Abteile für das aufzuheizende Wasser vorhanden sind, denen die in den Kältemittelkreislauf in Serie eingeschalteten Kondensatoren zugeordnet sind, und wobei im Bodenbereich eines der Abteile eine Zufuhrleitung für das aufzuheizende Wasser mündet und vom Dachbereich des Abteiles,
dem der vom Kältemittel zuerst durchströmte Kondensator zugeordnet ist, eine Entnahmeleitung für das aufgeheizte Wasser wegführt.
Bei der herkömmlichen Wärmerückgewinnung zwecks Warmwasserbereitung durch Wärmepumpen ist es üblich, die einem Verdampfer zugeführte Wärme eines Wärmeträgermediums dazu auszunutzen, ein Kältemittel im Verdampfer zu verdampfen. Das verdampfte gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor angesaugt und in den Kondensator gepresst, wo es sich nach Abgabe der Wärme an das zu erwärmende Medium verflüssigt, das über ein Drosselorgan wieder dem Verdampfer im geschlossenen Kreislauf zugeführt wird. Zumeist befindet sich der Kondensator in einem Speicher für aufzuheizendes Wasser, jedoch ist es auch bekannt, die Kondensationswärme durch ein aussen an einem Wasserbehälter aufgebrachtes Rohrsystem an das Wasser im Behälter abzugeben.
Bei hauptsächlich für grössere Leistungen angewendeten Anlagen besteht eine Variante darin, die im Kondensator entwickelte Kondensationswärme über einen Wärmetauscher an einen Kreislauf für das aufzuheizende Medium, zumeist Wasser, abzugeben, welcher in einen Speicher für dieses Medium führt.
Bei allen bekannten Systemen ist der Nachteil gegeben, dass die Temperatur des zu erwärmenden Mediums (Wasser) auf keinen Fall höher ist als die Kondensationstemperatur des Kältemittels. Eine Anhebung der Kondensationstemperatur zwecks Steigerung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums ist aber nicht möglich, da dies eine höhere Kompressorleistung bedingt, wobei die Kühlleistung und somit die Aufnahme der zugeführten Wärme verringert wird, was die Rentabilität nachteilig beeinflusst. So beträgt bei einer Verdampfungstemperatur von -25OC und einer Kondensationstemperatur von +40 C die Kühlleistung 2, 6 kW und die Antriebsleistung 1, 9 kW, so dass das Verhältnis Kühlleistung zu Antriebsleistung für diesen Fall 1, 368 ist.
Bei einer Verdampfungstemperatur von +10 C und einer Kondensationstemperatur von +400C beträgt die Kühlleistung 14 kW und die Antriebsleistung 3, 4 kW, so dass das Verhältnis Kühlleistung zu Antriebsleistung für diesen Fall 4, 1 ist. Da bei einem Wärmepumpenvorgang keine Wärme verlorengeht (abgesehen von geringfügigen Abstrahlungsverlusten), kommt zu der vom Verdampfer kommenden Wärme noch die Antriebsenergie in Form von Wärme dazu. Beide Wärmemengen müssen vom Kondensator abgeführt werden.
Aus der CH-PS Nr. 566527 ist eine Wärmepumpenanlage für die Raumheizung mit Warmwasser bekanntgeworden, bei der bereits erkannt ist, dass der Wärmeinhalt des verdichteten Kältemitteldampfes neben der bei der Kondensation freiwerdenden Wärme noch einen Betrag an Überhitzungswärme aufweist. Demgemäss sind ein Kondensator und ein Wasserkühler in einem Warmwasserspeicher untergebracht und der Kondensator weist zwei in unterschiedlicher Höhe liegende Ableitungen für das verflüssigte Kältemittel auf.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, die aus der genannten CH-PS bekannte Erkenntnis, dass die Antriebswärme des Kompressors eine Überhitzung des gasförmigen Kältemittels bewirkt, so dass das vom Kompressor kommende gasförmige Kältemittel nicht die Kondensationstemperatur, sondern eine wesentlich höhere Temperatur hat, für die Bereitung von Gebrauchswasser auszunutzen, da aus den vorstehend angegebenen Beispielen ersichtlich ist, dass durch die erwähnte Überhitzung das Verhältnis von Kühlleistung zu Antriebsleistung nachteilig beeinflusst wird.
Im Zusammenhang damit setzt sich die Erfindung auch zur Aufgabe, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Wärmerückgewinnungsanlage der eingangs geschilderten Art im Wirkungsgrad wesentlich zu verbessern, so dass das aufzuheizende Gebrauchswasser auf höhere Temperaturen erwärmt werden kann, als dies bisher möglich war.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die beiden Abteile vom aufzuheizenden Gebrauchswasser stets nacheinander durchströmt sind und nur durch zumindest eine
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vom Dachbereich des zuerst durchströmten Abteiles unmittelbar zum Bodenbereich des zweiten Abteiles führende Verbindungsöffnung oder-leitung miteinander in Verbindung stehen, wobei die Zufuhrleitung in das zuerst durchströmte Abteil mündet und die Entnahmeleitung für das aufgeheizte Gebrauchswasser vom zuletzt durchströmten Abteil wegführt und gegebenenfalls mehrere der vom Kältemittel zuerst durchströmten Kondensatoren dem zuletzt vom aufzuheizenden Gebrauchswasser durchströmten Abteil zugeordnet sind.
Das vom Kompressor kommende überhitzte gasförmige Kältemittel wird daher zunächst über jene Kondensatoren geleitet, die jenem Abteil zugeordnet sind, das vom zu erhitzenden Medium zuletzt durchströmt wird und von welchem die Entnahmeleitung abführt. In diesem Abteil erfolgt dadurch eine Nacherwärmung des Gebrauchswassers, u. zw. über jene Temperatur hinaus, die es im zuerst durchströmten Abteil erreichen kann.
Erst die nachgeschalteten Kondensatoren geben ihre Wärme an das im zuerst durchströmten Abteil befindliche Wasser ab und bewirken dort die Erwärmung dieses Wassers in an sich bekannter Weise, wobei erst im Bereich dieser Kondensatoren eine Abkühlung des Kältemittels bis auf die Kondensationstemperatur erfolgt, so dass also das Kältemittel erst im Bereich dieser Kondensatoren kondensiert. Über das Drosselorgan wird das flüssige Kältemittel dann wieder dem Verdampfer zugeführt. Das zuletzt durchströmte Abteil bildet daher ein Nachwärmeabteil, in welchem das aufzuwärmende Medium über jene Temperatur erwärmt wird, die es im zuerst durchströmten Abteil erreichen kann. Dadurch wird die Überhitzung des vom Kompressor kommenden Kältemittels nutzbringend und mit gutem Wirkungsgrad ausgenutzt.
Wird dem zuletzt durchströmten Abteil über die Entnahmeleitung aufgewärmtes Medium oben entnommen, so strömt eine entsprechende Menge aus dem zuerst durchströmten Abteil im Gegenstrom zum Kältemittel nach und wird im zuletzt durchströmten Abteil wieder nachgewärmt. Auf diese Weise erreicht man bei relativ niedrigen Verdampfungstemperaturen von z. B. +40 C des Kältemittels eine Temperatur des aufzuheizenden Gebrauchswassers im zuletzt durchströmten Abteil bis zu etwa +80 C.
Eine derartige Aufheizung von Gebrauchswasser lässt sich mit der eingangs erwähnten bekannten Anlage nach der CH-PS Nr. 566527 nicht erzielen, da dort für die Bereitung von Gebrauchswasser lediglich ein einziger, gesonderter Behälter vorhanden ist, dem keine Kondensatoren zugeordnet sind.
Aus der DE-OS 2459171 ist es für die Aufheizung von im Umlauf einer Zentralheizungsanlage befindlichem Wasser bekanntgeworden, einen mit zwei Kondensatoren versehenen Heizkreislauf mit Kompressor und Verdampfer vorzusehen, wobei die beiden Kondensatoren in zwei'Behältern angeordnet sind, jedoch handelt es sich nicht um Speicherbehälter, da das Fassungsvolumen dieser Behälter zu klein für die Speicherung von Gebrauchswasser ist. Da keine unmittelbare Verbindung zwischen dem Dachbereich des einen Behälters und dem Bodenbereich des andern Behälters gegeben ist, ist auch mit dieser bekannten Anlage ein Betrieb im Sinne der Erfindung nicht möglich.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei einer Anlage, bei der die beiden Abteile in einem gemeinsamen Behälter übereinander angeordnet und durch eine Zwischenwand getrennt sind, erfindungsgemäss die Verbindungsöffnung bzw. -öffnungen in der Zwischenwand vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache, übersichtliche, platzsparende und hinsichtlich Wärmeverlust günstige Konstruktion. Insbesondere für grosse Anlagen kann jedoch die Anordnung im Rahmen der Erfindung auch so getroffen sein, dass die beiden Abteile in gesonderten, neben- oder übereinander angeordneten Behältern vorgesehen sind, die an die ihnen zugeordneten, ausserhalb der Behälter angeordneten Kondensatoren angeschlossen sind.
Wenn diese beiden Behälter übereinander angeordnet sind, entfällt die Notwendigkeit, das aufzuwärmende Medium vom ersten Behälter in den zweiten überzupumpen, da das warme Medium von selbst die Tendenz zum Aufsteigen hat.
Es wurde bereits erwähnt, dass im Nachwärmeabteil noch keine Kondensation des Kältemittels stattfindet, die vielmehr erst im Kondensationsabteil erfolgt. Da nun das Verhältnis von Überhitzungswärme zu Kondensationswärme nicht für alle Anwendungsfälle gleich ist und um eine Anpassung an die vorhandenen Gegebenheiten zu bieten, hat bzw. haben gemäss einer Weiterbildung der Erfindung der Kondensator oder die Kondensatoren zumindest des zuletzt vom aufzuheizenden Wasser durchströmten Abteiles (Nachwärmabteiles) mehrere wahlweise zuschaltbare Zweige für das Kältemittel. Durch Zu- bzw. Abschaltung einzelner Zweige lässt sich durch Vergrösserung bzw.
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kleinerung der diesem Kondensator zugeordneten Oberfläche sicherstellen, dass die Kondensation des Kältemittels erst im Kondensationsabteil bzw. in dem ihm zugeordneten Wärmetauscher erfolgt.
In den Zeichnungen sind drei bekannte Ausbildungen von Wärmerückgewinnungsanlagen sowie zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig. 1 bis 3 zeigen die drei bekannten Wärmerückgewinnungsanlagen jeweils im Schema, während Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine Anlage zeigt, bei der die beiden Abteile in einem gemeinsamen Behälter übereinander angeordnet sind. Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4. Fig. 6 zeigt ein Diagramm und Fig. 7 eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der jedes Abteil in einem eigenen Behälter angeordnet ist.
Bei der bekannten Warmwasserbereitungsanlage mit Wärmepumpe nach Fig. l wird die rückzugewinnende Wärme einem Verdampfer-l-zugeführt, der mit einem Kompressor --2--, einem Kondensator --3-- und einem Drosselorgan-4-- einen geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel bildet.
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flüssigt, wobei seine Wärme an das in einem Speicher --5-- enthaltene zu erwärmende Wasser abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird über das Drosselorgan wieder dem Verdampfer-lzugeführt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Kondensator --3-- im Speicher --5-- angeordnet, dem über eine Zufuhrleitung --6-- Kaltwasser unten zugeführt und über eine Entnahmeleitung --7-- Warmwasser oben entnommen wird.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante hiezu, bei der das Rohrleitungssystem des Kondensators --3-- nicht im Speicher --5--, sondern aussen um dessen Mantel herumgewickelt ist.
Die hauptsächlich für grössere Leistungen verwendete bekannte Konstruktionsvariante nach Fig. 3 sieht einen an den Kompressor --2-- bzw. das Drosselorgan --4-- angeschlossenen Wärmetauscher --8-- vor, in welchem die Wärme des verdampften Kältemittels unter Kondensation desselben an das aufzuheizende Medium abgegeben wird, das über eine mit einer Umwälzpumpe --10-- versehe- ne Rohrleitung --9-- abgeführt und dem Speicher --5-- zugeleitet wird. Eine weitere Rohrleitung - bringt vom Speicher --5-- wieder frisches aufzuheizendes Medium, insbesondere Wasser, zum Wärmetauscher --8-- zurück.
Aus dem Diagramm nach Fig. 6 ist ersichtlich, dass derartige bekannte Anlagen unwirtschaftlich arbeiten, wenn eine höhere Temperatur des zu erwärmenden Mediums gewünscht und somit eine Anhebung der Kondensationstemperatur erforderlich ist. In diesem Diagramm ist als Abszisse die Antriebsleistung A in kW und als Ordinate die Kühlleistung K in kW aufgetragen. Die Parameterwerte für die einzelnen Kurven sind einerseits die Kondensationstemperatur tk in C und anderseits die Verdampfungstemperatur tv in C.
Bei der erfindungsgemässen Ausführungsform nach Fig. 4 sind in den Kreislauf des Kältemittels drei Kondensatoren --11, 12, 13-- in Serie eingeschaltet, die sich alle in einem stehenden Behälter --14-- für das zu erwärmende Wasser befinden, das als Kaltwasser über die Zufuhrleitung --6-- unten zugeführt und als Warmwasser über die Entnahmeleitung --7-- oben entnommen wird. Die Kondensatoren --11, 12, 13-liegen übereinander angeordnet. Der Behälter --14-- ist durch eine horizontale Zwischenwand --15-- in zwei übereinander liegende Abteile --16, 17-- unterteilt, die miteinander nur über eine in der Zwischenwand --15-- vorgesehene Überströmöffnung - in Verbindung stehen.
Der Kondensator --11-- ist im Abteil --16-- angeordnet, wogegen die andern beiden Kondensatoren --12, 13-- im Abteil --17-- angeordnet sind. Die Anordnung ist so getroffen, dass das vom Kompressor --2-- in den Kondensator --11-- eingedrückte überhitzte gasförmige Kühlmittel den Kondensator --11-- wieder verlässt, bevor es noch kondensiert ist. Erst in den Kondensatoren --12, 13-- findet die Kondensation des Kältemittels statt.
Dadurch ergibt sich im Abteil --16-- eine Nachwärmzone für das im darunterliegenden Abteil --17-- bereits vorgewärmte Wasser, wobei infolge der dem Kondensator --11-- zur Verfügung stehenden hohen Temperatur des überhitzten Kältemittels im Abteil --16-- eine Temperatur des aufzuwärmenden Wasser erzielbar ist, die höher liegt als die Kondensationstemperatur des Kältemittels in den Kondensatoren--12, 13--.
Um sicherzustellen, dass das Kältemittel erst in den Kondensatoren --12, 13-- kondensiert, hat zumindest der Kondensator --11-- mehrere einander parallelgeschaltete Zweige --19- für das Kältemittel, die wahlweise zuschaltbar sind. Dadurch lässt sich die wirksame Oberfläche des Konden-
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sators --11-- den vorliegenden Gegebenheiten anpassen.
Die Schlangenrohre --23-- der Kondensatoren --11, 12, 13-- sind gemeinsam in Montageplat- ten-20-- gehaltert, die in Flanschen --21-- von Rohren --22-- befestigt sind, die die Schlangenrohre --23-- der Kondensatoren --11, 12, 13-- jeweils umgeben. Diese Rohre --22-- haben oben und unten je einen Längsschlitz --24--, so dass das aufsteigende Wasser im Behälter --14-- durch seine Thermik leicht zirkulieren kann. Zweckmässig sind hiebei die Rohre --22-- mit Viereckquerschnitt ausgebildet.
Sollte die Wärmeabgabe durch die natürliche Thermik zu gering sein, so kann eine zusätzliche Umwälzung durch nicht dargestellte Umwälzpumpen stattfinden, welche an seitlich von den Rohren --22-- ausserhalb des Behälters --14-- wegführende Stutzen --25-- (Fig.5) angeschlossen werden können. Zweckmässig liegen sämtliche Lötstellen für die Halterung der Schlangenrohre --23-- und Verteilerorgane für die Zuschaltung der Zweige --19-- ausserhalb der Montageplat- ten --20--, d. h. ausserhalb des Behälters --14--, so dass keine Verschmutzung des im Behälter --14-befindlichen aufzuheizenden Mediums durch das Kältemittel erfolgen kann.
Der Behälter --14-- hat zweckmässig einen doppelwandigen Mantel, wobei in den zwischen den beiden Wänden gebildeten Ringspalt --26-- über zwei übereinander befindliche Stutzen --27-- (Fig. 5) ein Heizmedium aus einer Solarheizanlage eingeleitet bzw. wieder abgeführt werden kann.
Ferner sind Stutzen --28-- zum Anschluss von Kontroll- und Steuergeräten vorhanden.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 7 sind im Kreislauf für das Kältemittel an den Kompressor --2-- bzw. an das Drosselorgan --4-- in Serie zwei Kondensatoren --11, 12-- angeschlossen, die zwei Speicherbehältern --29, 30-- zugeordnet sind, u. zw. der Kondensator --11-- dem Speicher- behälter --29-- und der Kondensator --12-- dem Speicherbehälter --30--. Der Speicherbehälter --29-- liegt gesondert vom Speicherbehälter --30-- und ist über eine Überstömleitung --41-- mit letzterem verbunden, die vom Dachbereich des Speicherbehälters --30-- ausgeht und im Bodenbereich des Speicherbehälters --39-- mündet. Der Anschluss jedes der beiden Speicherbehälter --29, 30-- an die Kondensatoren --11 bzw.
12-- ähnelt dem Anschluss des Wärmebehälters --5-- an den Kondensator --8-- nach Fig.3, d.h. es ist jeweils eine mit einer Umwälzpumpe --10-- versehene Rohrleitung --9-- vorhanden, über die das erwärmte Medium vom Kondensator --11 bzw. 12-- zum Speicher- behälter-29 bzw. 30-geleitet wird, und eine Rückleitung --9'--.
Die Richtung des Wärmeflusses ist in Fig. 7 durch einen Pfeil --32-- angedeutet.
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und bei einer Klimaanlage bei etwa 1 : 3, 6 (Verdampfungstemperatur +5, Kondensationstemperatur +40 C). Dies kann bei der erfindungsgemässen Wärmerückgewinnung dadurch berücksichtigt werden, dass der Tiefkühlanlage eine im Verhältnis grössere Oberfläche am Kondensator --11-- in der Nachwärmzone --16-- zugeteilt wird, wogegen die Klimaanlage in der Kondensationszone --17-- eine im Verhältnis grössere Oberfläche am Kondensator --12 bzw. 13-- benötigt.
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