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.
The main patent relates to a heat pump system for space heating with hot water using outside air as a heat source, with an air cooler acting as an evaporator, a compressor and a condenser for heating the water, with a hot water storage tank and a water cooler fed from this also being available. In this system, the amount of heat generated in the condenser is optionally supplied with hot water at a low temperature to the lower zone or with hot water at a higher temperature in the upper zone of the hot water tank, with the changeover being carried out via a device controlled by the weather.
The aim is to improve this system. In addition to the latent heat released during condensation (liquefaction), the heat content of the compressed refrigerant vapor, i.e. the hot gas, also has a considerable amount of overheating. This can partly be transferred to warmer storage water via the condensation temperature, e.g. B. directly to the hot water of the upper storage zone. The amount of heat transferred to the lower zone of the storage tank is correspondingly lower and less energy is required to pump it to the temperature level of the upper zone. Realizing this advantage requires a corresponding design and arrangement of the capacitor.
The heat pump system according to the invention is characterized in that the condenser and the water cooler are accommodated in the hot water storage tank and the condenser has two discharge lines for the liquefied refrigerant at different heights.
Two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing. Show it:
1 shows the circuit diagram of a first embodiment of the system,
FIG. 2 shows a further embodiment of the system according to FIG. 1, with additional pumps being present in order to improve the water-side heat transfer in the condenser and in the evaporator,
3 shows a device arranged in the hot water tank for the preparation of domestic hot water in addition to the hot water for space heating and
FIG. 4 shows a side view of the hot water storage tank with the device according to FIG. 3.
The system according to FIG. 1 is described below.
A condenser 2 and an evaporator 3 designed as a water cooler are installed in the hot water tank 1. When an air cooler 4 is operated, heat is supplied to the condenser 2 via a compressor 5. If the temperature of the hot gas (compressed refrigerant vapor) exceeds that of the water in storage tank 1, the hot gas gives off sensible heat to the water; condensation only takes place in the area of hot water, the temperature of which is below the condensation temperature. If a back-up valve 6 between the condenser 2 and a refrigerant collector 8 is open, the lower part 2 of the condenser 2 takes part in the condensation; the hot water in the lower storage zone is heated and the liquefied refrigerant flows via a lower discharge line 7 to the collector 8.
If the water temperature reaches its switching value in the area of a temperature sensor 9, the damming valve 6 is closed, as is a solenoid valve 10 feeding the air cooler 4 with refrigerant, and a solenoid valve 11 for feeding the evaporator 3 with refrigerant is opened.
The evaporator 3 extracts heat from the hot water in the lower storage zone. This is fed via the compressor 5, in addition to the heat equivalent of the compression energy, to the condenser 2 in the upper part 2 '. Through the back-up valve 6, the lower part 2 ″ of the condenser is filled with liquid refrigerant up to the connection point 26 of an upper discharge line 12 and is therefore ineffective 1, and the liquefied refrigerant flows via the upper discharge line 12 to the collector 8.
If the water in the lower zone of the storage tank 1 is cooled to the lower switching value of the temperature sensor 9, this causes the solenoid valve 11 to close and the evaporator 3 is stopped. At the same time, the solenoid valve 10 and the backup valve 6 are opened, and the condensation heat is again transferred to the lower storage zone. In mild weather, the dust valve 6 can be closed via a weather sensor, not shown. As a result, the lower part 2 ″ of the condenser 2 becomes ineffective, and all of the heat generated during condensation is also fed directly to the upper storage zone when the air cooler is in operation.
In order to improve the water-side heat transfer in the condenser 2 and the evaporator 3, the hot water circulation in the area of the condenser and evaporator can be increased with pumps, as is shown in FIG. 2. The operation of parts 1 to 12 and 26 is the same as in the example according to FIG. 1. With a pump 13, an increased water circulation through the lower part 2 ″ of the condenser 2 is brought about through the evaporator 3. A pump 14 increases the water circulation through the upper part 2 'of the capacitor.
In mild weather, the pump 13 can be stopped by a weather sensor, not shown. This causes the failure of the water circulation through the lower part 2 "of the condenser 2. This becomes ineffective, and the condensation (liquefaction) of the hot gas takes place exclusively in the upper part 2 'of the condenser 2. A temperature sensor 15 cannot be used in conjunction with a shown outside sensor and a mixing device
16 the temperature of the hot water flowing into the storage tank 1 above can be regulated according to the weather.
To achieve the best possible use of the contents of the storage tank 1, the mixing zone which forms between the warm water in the upper storage zone and the less warm water in the lower storage zone must be kept as small as possible.
In addition to the suitable arrangement and design of the water circulation openings, this can be promoted with a horizontal partition 17 between the two zones (FIG. 2).
In addition to covering the heat demand for room heating, the heat pump system can also take over the heat demand for the preparation of domestic hot water.
While the heating water temperature changes with the weather and assumes low values in the transition period, a temperature of around 55C must be maintained for the domestic hot water throughout the year.
On the other hand, the amount of heat for the preparation of domestic hot water is low compared to the heat demand of the room heating system, and the fresh water has a low temperature. The proportion of sensible heat in the hot gas is therefore sufficient to achieve the excess temperature, even if the condensation temperature is lower. In order to use the superheat effectively, a device according to FIGS. 3 and 4 can be used, for example.
The upper part 2 'of the condenser has a horizontal partition 25. This separates the pipes through which the hot gas flows first from the circulation of the heating water. Above the upper part 2 'of the condenser there is arranged a chamber 18 which closes tightly against the rest of the storage space and in which a utility hot water tank 19 is housed, which is provided with connections 20 and 21 for fresh water and hot water. The condenser part 2 'is connected to the chamber 18 via openings 22 and 23, namely the opening 23 via a channel 24 to the upper part of the chamber 18. When the heat pump is in operation, the water above the partition 25 is heated by the hot gas and flows under the thermal siphon effect upwards into the chamber 18 and causes the heating of the domestic hot water.