Das Hauptpatent betrifft eine Wärmepumpenanlage für die Raumheizung mit Warmwasser unter Nutzung der Aussenluft als Wärmequelle, mit einem als Verdampfer wirkenden Luftkühler, einem Verdichter und einem Kondensator für die Erwärmung des Wassers, wobei zusätzlich ein Warmwasserspeicher und ein aus diesem gespeister Wasserkühler vorhanden sind. Bei dieser Anlage wird die im Kondensator anfallende Wärmemenge wahlweise mit Warmwasser von niedriger Temperatur der unteren Zone oder mit Warmwasser von höherer Temperatur der oberen Zone des Warmwasserspeichers zugeführt, wobei die Umstellung über eine von der Witterung gesteuerte Vorrichtung erfolgt.
Es wird eine Verbesserung dieser Anlage bezweckt. Der Wärmeinhalt des verdichteten Kältemitteldampfes, also des Heissgases, weist neben der bei der Kondensation (Verflüssigung) frei werdenden latenten Wärme noch einen ansehnlichen Betrag an Überhitzungswärme auf. Diese kann zum Teil über der Kondensationstemperatur an wärmeres Speicherwasser übertragen werden, also z. B. direkt an das Warmwasser der oberen Speicherzone. Die an die untere Zone des Speichers übertragene Wärmemenge ist dementsprechend geringer und es wird weniger Enrgie benötigt, um diese auf das Temperaturniveau der oberen Zone zu pumpen. Die Verwirklichung dieses Vorteils bedingt eine entsprechende Gestaltung und Anordnung des Kondensators.
Die erfindungsgemässe Wärmepumpenanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator und der Wasserkühler im Warmwasserspeicher untergebracht sind und der Kondensator zwei in unterschiedlicher Höhe liegende Ableitungen für das verflüssigte Kältemittel aufweist.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Anlage,
Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung der Anlage nach Fig. 1, wobei zusätzliche Pumpen vorhanden sind, um den wasserseitigen Wärmeübergang beim Kondensator und beim Verdampfer zu verbessern,
Fig. 3 eine im Warmwasserspeicher angeordnete Vorrichtung zur Bereitung von Gebrauchs-Warmwasser ausser dem Warmwasser für die Raumheizung und
Fig. 4 eine Seitenansicht des Warmwasserspeichers mit der Vorrichtung nach Fig. 3.
Im folgenden wird die Anlage nach Fig. 1 beschrieben.
Im Warmwasserspeicher 1 sind ein Kondensator 2 und ein als Wasserkühler ausgebildeter Verdampfer 3 eingebaut. Beim Betrieb eines Luftkühlers 4 wird über einen Verdichter 5 dem Kondensator 2 Wärme zugeführt. Soweit die Temperatur des Heissgases (verdichteter Kältemitteldampf) die des Wassers im Speicher 1 übersteigt, gibt das Heissgas sensible Wärme an das Wasser ab, die Kondensation erfolgt erst im Bereich von Warmwasser, dessen Temperatur unter der Kondensationstemperatur liegt. Ist ein Stauventil 6 zwischen dem Kondensator 2 und einem Kältemittelsammler 8 offen, nimmt der untere Teil 2 des Kondensators 2 an der Kondensation teil; das Warmwasser in der unteren Speicherzone wird erwärmt, und das verflüssigte Kältemittel strömt über eine untere Ableitung 7 zum Sammler 8.
Erreicht die Wassertemperatur im Bereich eines Temperaturfühlers 9 dessen Schaltwert, wird das Stauventil 6 geschlossen, ebenso ein den Luftkühler 4 mit Kältemittel speisendes Magnetventil 10, und ein Magnetventil 11 zur Speisung des Verdampfers 3 mit Kältemittel wird geöffnet.
Der Verdampfer 3 entzieht dem Warmwasser der unteren Speicherzone Wärme. Diese wird über den Verdichter 5, zusätzlich dem Wärmeäquivalent der Verdichtungsenergie, dem Kondensator 2 beim oberen Teil 2' zugeführt. Durch das Stauventil 6 ist der untere Teil 2" des Kondensators bis zur Anschlusstelle 26 einer oberen Ableitung 12 mit flüssigem Kältemittel gefüllt und dadurch unwirksam. Die sensible und latente Wärme des Heissgases werden durch den oberen Teil 2' des Kondensators an die obere Zone des Speichers 1 übertragen, und das verflüssigte Kältemittel strömt über die obere Ableitung 12 zum Sammler 8.
Ist das Wasser in der unteren Zone des Speichers 1 auf den unteren Schaltwert des Temperaturfühlers 9 gekühlt, bewirkt dieser das Schliessen des Magnetventils 11, und der Verdampfer 3 wird stillgesetzt. Gleichzeitig wird das Magnetventil 10 und das Stauventil 6 geöffnet, und die Kondensationswärme wird erneut an die untere Speicherzone übertragen. Bei einer milden Witterung kann das Staubventil 6 über einen nicht gezeigten Witterungsfühler geschlossen werden. Dadurch wird der untere Teil 2" des Kondensators 2 unwirksam, und die gesamte bei der Kondensation anfallende Wärme wird auch beim Luftkühlerbetrieb direkt der oberen Speicherzone zugeführt.
Um den wasserseitigen Wärmeübergang beim Kondensator 2 und dem Verdampfer 3 zu verbessern, kann der Warmwasserumlauf im Bereich vom Kondensator und Verdampfer mit Pumpen gesteigert werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Arbeitsweise der Teile 1 bis 12 und 26 ist dieselbe wie beim Beispiel nach Fig. 1. Mit einer Pumpe 13 wird ein vermehrten Wasserumlauf durch den unteren Teil 2" des Kondensators 2 durch den Verdampfer 3 bewirkt. Eine Pumpe 14 steigert den Wasserumlauf durch den oberen Teil 2' des Kondensators.
Bei milder Witterung kann durch einen nicht dargestellten Witterungsfühler die Pumpe 13 stillgesetzt werden. Dies bewirkt den Ausfall der Wasserzirkulation durch den unteren Teil 2" des Kondensators 2. Dieser wird unwirksam, und die Kondensation (Verflüssigung) des Heissgases vollzieht sich ausschliesslich im oberen Teil 2' des Kondensators 2. Über einen Temperaturfühler 15 kann in Verbindung mit einem nicht gezeigten Witterungsfühler und einer Mischvorrichtung
16 die Temperatur des dem Speicher 1 oben zufliessenden Warmwassers der Witterung entsprechend geregelt werden.
Zur Erzielung einer bestmöglichen Nutzung des Inhaltes vom Speicher 1, ist die Mischzone welche sich zwischen dem warmen Wasser der oberen und dem weniger warmen Wasser der unteren Speicherzone bildet, möglichst gering zu halten.
Neben der geeigneten Anordnung und Ausbildung der Wasserzirkulationsöffnungen kann dies mit einer horizontalen Scheidewand 17 zwischen beiden Zonen begünstigt werden (Fig. 2).
Die Wärmepumpenanlage kann neben der Deckung des Wärmebedarfes für die Raumheizung auch den Wärmebedarf für die Bereitung von Gebrauchs-Warmwasser übernehmen.
Während dem die Heizungswassertemperatur mit der Witterung ändert und in der Übergangszeit niedrige Werte annimmt, ist für das Gebrauchs-Warmwasser während des ganzen Jahres eine Temperatur von etwa 55C einzuhalten.
Die Wärmemenge für die Bereitung von Gebrauchs-Warmwasser ist andererseits gering gegenüber dem Wärmebedarf der Raumheizung, und das Frischwasser weist eine niedrige Temperatur auf. Der Anteil an sensibler Wärme des Heissgases ist deshalb ausreichend um die Übertemperatur zu erzielen, auch dann, wenn die Kondensationstemperatur tiefer liegt. Um die Überhitzungswärme wirksam zu nutzen, kann beispielsweise eine Vorrichtung nach Fig. 3 und 4 angewandt werden.
Der obere Teil 2' des Kondensators weist eine horizontale Trennwand 25 auf. Diese trennt die vom Heissgas zuerst durchströmten Rohre von der Zirkulation des Heizungswassers. Über dem oberen Teil 2' des Kondensators ist eine gegen den übrigen Speicherraum dicht schliessende Kammer 18 angeordnet, in welcher ein Gebrauchs-Warmwasserbehälter 19 untergebracht ist, der mit Anschlüssen 20 und 21 für Frisch wasser und Warmwasser versehen ist. Der Kondensatorteil 2' steht über Öffnungen 22 und 23 mit der Kammer 18 in Verbindung, und zwar die Öffnung 23 über einen Kanal 24 mit dem oberen Teil der Kammer 18. Beim Betrieb der Wärmepumpe wird das Wasser über der Trennwand 25 durch das Heissgas erhitzt und strömt unter der Thermo-Siphonwirkung nach oben in die Kammer 18 und bewirkt die Erwärmung des Gebrauchs-Warmwassers.