CH697593B1

CH697593B1 - Wärmepumpeneinrichtung.

Info

Publication number: CH697593B1
Application number: CH01324/04A
Authority: CH
Inventors: Max Aeberhard
Original assignee: Ul Tech Ag
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2008-12-15

Abstract

Eine Wärmepumpeneinrichtung mit einem Kältemittelkreislauf enthält ein Heiznetz mit einem ersten Wärmetauscher (1) verbindbar mit einem Kühlnetz mit einem zweiten Wärmetauscher (3). Wenn gleichzeitig ein Wärmemanko im Heiznetz und ein Wärmeüberschuss im Kühlnetz erfasst wird, wird dem Kühlnetz Wärme entzogen und dem Heiznetz zugeführt. Wenn nur ein einseitiges Wärmemanko oder ein einseitiger Wärmeüberschuss besteht, wird die erforderliche Wärme mit einem Aussenwärmetauscher (15) einem externen Medium entzogen bzw. die überschüssige Wärme mit dem Aussenwärmetauscher (15) an ein externes Medium abgeführt.

Description

[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Wärmepumpeneinrichtung und ein Verfahren zum Zuführen von Wärme an eine Heiznetz und/oder zum Abführen von Wärme aus einem Kühlnetz mit der Wärmepumpeneinrichtung gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7.

[0002] Wärmepumpen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Unter Aufwendung von Arbeit wird ein warmes Medium - z.B. die Raumluft in einem Gebäude - aufgewärmt und ein kaltes Medium - z.B. die Umgebungsluft des Gebäudes oder das Erdreich - abgekühlt. Je nach Einsatzzweck - z.B. bei Kühlschränken - werden Wärmepumpen auch als Kältemaschinen bezeichnet.

Das Wirkungsprinzip entspricht der Umkehr des Carnot-Prozesses, bei welchem durch Wärmetausch zwischen einem kalten und einem heissen Medium Arbeit geleistet wird.

[0003] Wärmepumpen umfassen einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor bzw. Verdichter, einem ersten Wärmetauscher bzw. Kondensator oder Verflüssiger, einem Entspannungsventil bzw. Expansionsventil und einem zweiten Wärmetauscher bzw. Verdampfer. Der Kondensator liegt auf einem ersten Temperaturniveau, z.B. der Temperatur eines zu beheizenden Raumes. Der Verdampfer liegt auf einem zweiten Temperaturniveau, z.B. der Aussentemperatur oder der Temperatur des Erdreiches.

[0004] Im geschlossenen Kältemittelkreislauf zirkuliert ein Kältemittel, z.B. Freon. Der Kompressor verdichtet das in diesem Bereich gasförmige Kältemittel vorwiegend adiabatisch. Dabei steigen Druck und Gastemperatur.

Im Kondensator gibt das überhitzte und verdichtete Gas zunächst die aufgenommene Wärme wieder ab. Anschliessend beginnt der Übergang in die flüssige Phase bzw. das Auskondensieren des Kältemittels. Bei konstanter Temperatur, konstantem Druck und sich verkleinerndem Kältemittelvolumen wird die frei werdende Kondensationswärme an den Raum abgegeben. Im Entspannungs- oder Drosselventil wird das flüssige Kältemittel entspannt. Dabei sinkt seine Temperatur. Ein Teil des Kältemittels verdampft wieder. Im Verdampfer verdampft der Rest des noch flüssigen Kältemittels unter Aufnahme von Verdampfungswärme aus der Umgebung. Das Volumen des Kältemittelkompressors wird vergrössert und das Kältemittelgas aus dem Verdampfer mittels des Kompressors abgesaugt.

Dabei bleiben der Druck auf dem Niveau des Sättigungsdampfdrucks und die Temperatur auf dem Niveau der Verdampfungstemperatur konstant.

[0005] Herkömmlich werden Wärmepumpen entweder zum Heizen oder zum Kühlen benutzt. Dabei ist jeweils eine Aussenkompensation vorgesehen, z.B. ein Luft-Wasser-Wärmetauscher oder ein Wasser-Wasser- oder ein Sole-Wasser-Wärmetauscher. Über die Aussenkompensation bzw. den Aussenwärmetauscher kann bei heizenden Systemen der Umgebung Wärme entzogen und an ein Trägermedium - z.B. an den Räumen eines Gebäudes zuzuführende Luft - abgegeben werden. Bei Kühl- oder Klimaanlagen hingegen wird über den Aussenwärmetauscher Wärme an die Umgebung abgegeben, die der Raumluft oder einem anderen Medium entzogen wurde.

Anstelle oder zusätzlich zur Raumluft kann auch Wasser oder ein anderes Medium geheizt oder gekühlt werden.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpeneinrichtung zu schaffen, mit der einem Heiznetz zuzuführende Wärme einem Kühlnetz entzogen werden kann, und bei der eine Kompensation von Wärmeüberschüssen bzw. -mankos möglich ist.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpeneinrichtung und durch ein Verfahren zum Zuführen von Wärme an ein Heiznetz und/oder zum Abführen von Wärme aus einem Kühlnetz mit der Wärmepumpeneinrichtung gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.

[0008] Die erfindungsgemässe Wärmepumpeneinrichtung nach Patentanspruch 1 umfasst einen ersten Wärmetauscher zum Zuführen von Wärme zum Heiznetz und einen zweiten Wärmetauscher zum Abführen von Wärme aus dem Kühlnetz.

Als Trägermedium im Heiz- und Kühlnetz kann z.B. Wasser verwendet werden. Selbstverständlich sind je nach Einsatzbedingungen auch andere Trägermedien möglich. Ebenso besteht die Möglichkeit, Wärme oder Kälte vom Trägermedium z.B. über weitere Wärmetauscher an ein anderes Medium wie z.B. Luft zu übertragen.

[0009] Zusätzlich zum ersten und zweiten Wärmetauscher ist ein Aussenwärmetauscher vorgesehen. Dieser kann über eine Umschaltvorrichtung mit einem oder mehreren Stellmitteln in unterschiedlicher Weise mit den beiden anderen Wärmetauschern verschaltet werden und so Wärmemankos oder Wärmeüberschüsse aus dem Heiz- und Kühlnetz mit der Umgebung bzw. mit einem externen Medium kompensieren.

[0010] Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.

Dabei zeigen
<tb>Fig. 1a<sep>eine schematische Teildarstellung einer ersten Wärmepumpeneinrichtung mit zwei Hilfswärmetauschern in einem separaten Kältemittelkreislauf in einer ersten Konfiguration, wobei einem Heiznetz Wärme zugeführt und einem Kühlnetz Wärme entzogen wird,

<tb>Fig. 1b<sep>die Wärmepumpeneinrichtung aus Fig. 1a in einer weiteren Konfiguration, wobei einem externen Medium Wärme entzogen und dem Heiznetz zugeführt wird,

<tb>Fig. 1c<sep>die Wärmepumpeneinrichtung aus Fig. 1a in einer weiteren Konfiguration, wobei dem Kühlnetz Wärme entzogen und dem externen Medium zugeführt wird,

<tb>Fig. 2a<sep>eine schematische Teildarstellung einer zweiten Wärmepumpeneinrichtung in einer ersten Konfiguration, wobei einem Heiznetz Wärme zugeführt und einem Kühlnetz Wärme entzogen wird,

<tb>Fig. 2b<sep>die Wärmepumpeneinrichtung aus Fig. 2a in einer weiteren Konfiguration, wobei einem externen Medium Wärme entzogen und dem Heiznetz zugeführt wird,

<tb>Fig. 2c<sep>die Wärmepumpeneinrichtung aus Fig. 2a in einer weiteren Konfiguration, wobei dem Kühlnetz Wärme entzogen und dem externen Medium zugeführt wird,

<tb>Fig. 3a<sep>eine schematische Teildarstellung einer dritten Wärmepumpeneinrichtung ohne separaten Kältemittelkreislauf in einer ersten Konfiguration, wobei einem Heiznetz Wärme zugeführt und einem Kühlnetz Wärme entzogen wird,

<tb>Fig. 3b<sep>die Wärmepumpeneinrichtung aus Fig. 3a in einer weiteren Konfiguration, wobei einem externen Medium Wärme entzogen und dem Heiznetz zugeführt wird,

<tb>Fig. 3c<sep>die Wärmepumpeneinrichtung aus Fig. 2a in einer weiteren Konfiguration, wobei dem Kühlnetz Wärme entzogen und dem externen Medium zugeführt wird,

<tb>Fig. 4a<sep>eine Kompensationseinheit mit dem Aussenwärmetauscher bei kombiniertem Heiz-Kühl-Betrieb,

<tb>Fig. 4b<sep>die Kompensationseinheit aus Fig. 4a während des Heizbetriebs,

<tb>Fig. 4c<sep>die Kompensationseinheit aus Fig. 4a im Abtaumodus,

<tb>Fig. 4d<sep>die Kompensationseinheit aus Fig. 4a während des Kühlbetriebs.

[0011] Die Fig. 1a, 1b und 1c zeigen eine erste Wärmepumpeneinrichtung mit einem ersten Wärmetauscher 1, der über Anschlussleitungen 2 an ein Heiznetz angeschlossen ist und die Funktion eines Kondensators hat, einem zweiten Wärmetauscher 3, der über Anschlussleitungen 4 an ein Kühlnetz angeschlossen ist und die Funktion eines Verdampfers hat, einem Kompressor bzw. Verdichter 5, einem ersten Drossel- bzw.

Expansionsventil 7, einem Sammelbehälter 9, einem ersten Hilfswärmetauscher 11a mit der Funktion eines Kondensators, einem zweiten Hilfswärmetauscher 11b mit der Funktion eines Verdampfers, einer Kompensationseinheit 13 mit einem Aussenwärmetauscher 15, einem zweiten Expansionsventil 17 und vier zu einer Umschaltvorrichtung gehörenden Stellmitteln 19 in Gestalt von durch eine Steuerung (nicht dargestellt) kontrollierbaren Einwegventilen. Die Verbindungsleitungen der Wärmepumpeneinrichtung sind in den Figuren als ausgezogene Linien dargestellt. Die unterbrochenen, fett dargestellten Linien zeigen jene Verbindungsleitungen, die aufgrund der Stellung der Stellmittel 19 und/oder der Expansionsventile 17 (welche ebenfalls schliessbar sind) in der jeweiligen Konfiguration freigeschaltet sind.

Die beiden Hilfswärmetauscher 11a und 11b sind sekundärseitig seriell miteinander verbunden, wobei in der Verbindungsleitung eine Pumpe 21 bzw. Umwälzpumpe angeordnet ist. Die beiden anderen sekundärseitigen Anschlüsse der Hilfswärmetauscher 11a und 11b sind mit den primärseitigen Anschlüssen des Aussenwärmetauschers 15 zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden. Der externe bzw. Aussenwärmetauscher 15 kann z.B. ein Luft-Wasser-Wärmetauscher sein, der mittels eines Ventilators 23 (Fig. 4a-4d) der Kompensationseinheit 13 Wärme an die Umgebungsluft abgeben oder von dieser aufnehmen kann. Alternativ kann auch ein Wasser-Wasser- oder ein Sole-Wasser-Wärmetauscher vorgesehen sein, der zum Wärmeaustausch mit Wasser oder mit dem Erdreich ausgebildet ist.

Die Kompensationseinheit 13 kann z.B. als hybrider Rückkühler ausgebildet sein, bei dem zusätzlich eine Sprühvorrichtung 25 mit Sprühdüsen zum Einsprühen und Verdunsten feinster Wassertröpfchen im sekundärseitigen Bereich des Aussenwärmetauschers 15 ausgebildet ist, wie dies in den Fig. 4a-d dargestellt ist. Durch die Verdunstungswärme kann dem im primärseitigen Kreislauf des Aussenwärmetauschers 15 zirkulierenden Medium Wärme entzogen werden, wodurch dieses zusätzlich gekühlt wird. Die Kompensationseinheit 13 kann zusätzlich einen Abtau-Wärmetauscher 27 umfassen, über den von einer beliebigen Wärmequelle Wärme zum Abtauen zuführbar ist. Im Weiteren sind Innenklappen 29 zum Verbinden oder Unterbrechen der Zu- und Abluftkanäle vorgesehen. Mit Aussenklappen 31 können die Zu- und Abluftkanäle geöffnet oder geschlossen werden.

Im Mischbetrieb, wie er in Fig. 1a dargestellt ist, entzieht der zweite Wärmetauscher 3 dem Kühlkreis Wärme und führt diese über den ersten Wärmetauscher 1 dem Heizkreis zu. Der Aussenwärmetauscher 15 wird nicht benötigt und die Klappen 29, 31 sind alle geschlossen, wie in Fig. 4a dargestellt. Fig. 4b zeigt den Heizmodus, wo der Ventilator 23 über die geöffneten Aussenklappen 31 Aussenluft ansaugt. Dieser wird durch den externen Wärmetauscher 15 Wärme entzogen und dem Heiznetz über den ersten Wärmetauscher 1 zugeführt. Diese Situation entspricht der Fig. 1b. Fig. 4c zeigt den Abtaumodus. Die Aussenklappen 31 sind geschlossen, die Innenklappen 29 geöffnet. Der Ventilator 23 wälzt die Luft innerhalb der Kompensationsvorrichtung 13 um, wobei über den Abtau-Wärmetauscher 27 Wärme zum Abtauen zugeführt wird.

Fig. 4d schliesslich zeigt die Kompensationseinheit 13 bei reinem Kühlbetrieb entsprechend Fig. 1c. Die Innenklappen 29 sind geschlossen, die Aussenklappen 31 geöffnet, sodass die Fördereinrichtung bzw. der Ventilator 23 Aussenluft ansaugen kann. Diese wird über den Aussenwärmetauscher 15 geführt, wo sie Wärme aufnimmt, die der zweite Wärmetauscher 3 dem Kühlnetz entzogen hat. Zusätzlich kann - falls vorgesehen - über die Sprühvorrichtung 27 vor dem Aussenwärmetauscher Wasser eingedüst bzw. versprüht werden. Die zum Verdampfen des Wassers erforderliche Verdampfungswärme kann ebenfalls dem Aussenwärmetauscher 15 und somit indirekt dem Kühlnetz entzogen werden. Bei der ersten Wärmepumpeneinrichtung gemäss den Fig. 1a-c sind die Stellmittel 19 als schaltbare Einwegventile innerhalb des Kältemittelkreislaufs ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich können Stellmittel 19 auch sekundärseitig des ersten und/oder zweiten Wärmetauschers 1, 3 angeordnet sein.

[0012] Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen eine zweite Ausgestaltung einer Wärmepumpeneinrichtung, wobei in Fig. 2a der Mischbetrieb Heizen und Kühlen, in Fig. 2b die Winterbetriebsart (nur Heizen) und in Fig. 2c die Sommerbetriebsart (nur Kühlen) dargestellt ist. Der Kühlkreislauf umfasst den ersten Wärmetauscher 1 bzw. Kondensator, den zweiten Wärmetauscher 3 bzw. Verdampfer, den Kompressor bzw. Verdichter 5, den Sammelbehälter 9 und das Entspannungs- bzw. Expansionsventil 7.

Sekundärseitig sind die Wärmetauscher 1, 3 über nur in einer Richtung passierbare Rückschlagventile 33 mit dem Heiznetz bzw. dem Kühlnetz und zusätzlich über schaltbare Drei- oder Mehrwegventile als Stellmittel 19 in unterschiedlicher Weise mit dem Aussenwärmetauscher 15 verbindbar oder von diesem trennbar. Die Ventile 19 können als 2-Punkt-Ventile oder kontinuierlich verstellbar ausgebildet sein.

[0013] Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen eine weitere Variante der Wärmetauschereinrichtung, wobei die Stellglieder 19 im Kältemittelkreislauf angeordnet sind. Damit der Kältemittelkreislauf möglichst klein und kompakt gehalten werden kann, so dass nur ein Minimum an Kältemittel erforderlich ist, ist dem Aussenwärmetauscher 15 ein Hilfswärmetauscher 11 vorgelagert.

Dieser kann je nach Stellung der Stellglieder 19 die Wirkung eines Kondensators oder aber eines Verdampfers haben.

[0014] Die (nicht dargestellte) Steuerung erfasst verschiedene Messgrössen von Sensoren wie z.B. die Temperaturen in unterschiedlichen Räumen und die Aussenlufttemperatur oder die Temperatur des Erdreichs. Daraus berechnet sie unter Einbezug anderer gespeicherter Daten wie z.B. Raumvolumina oder Wärmedurchgangskoeffizienten verschiedener Gebäudeteile oder Räume den Wärmebedarf bzw. die abzuführende Wärmemenge. Selbstverständlich können mehrere Räume und/oder andere Wärme- bzw. Kältespeicher wie z.B. Wassertanks vorgesehen sein. Die Steuerung ermittelt nun, ob es möglich ist, erkannte Wärmemankos durch bestehende Wärmeüberschüsse innerhalb der Gesamtheit an Gebäudeteilen und Wärme- und Kältedepots zu decken.

Ist dies der Fall, wird Wärme vom zu kühlenden Teil zum zu wärmenden Teil gepumpt. Von der Wärmepumpe können somit gleichzeitig die Kühl- und die Heizwirkung genutzt werden. Wenn nicht gleichzeitig Wärmeüberschüsse und -mankos zu verzeichnen sind, werden die Stellglieder 19 derart umgestellt, dass die neue Konfiguration der Verbindungsleitungen den Wärmeüberschuss über die Kompensationseinrichtung 13 an die Umgebung abgeben oder den Wärmebedarf durch Zufuhr von Wärme aus der Umgebung decken kann. Die für die unterschiedlichen Konfigurationen der Verbindungsleitungen erforderlichen Informationen über die Stellungen der einzelnen Stellmittel 19 können in einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichert sein.

Claims

1. Wärmepumpeneinrichtung mit einem Kältemittelkreislauf mit einem ersten Wärmetauscher (1) zum Zuführen von Wärme an ein Heiznetz, einem zweiten Wärmetauscher (3) zum Abführen von Wärme aus einem Kühlnetz, einem Verdichter (5) und einem Expansionsventil (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensationseinheit (13) mit einem Aussenwärmetauscher (15) vorgesehen ist, die zum Aufnehmen von Wärme für das Heiznetz mittels des Aussenwärmetauschers (15) von einem externen Medium und/oder zum Abgeben von Wärme aus dem Kühlnetz mittels des Aussenwärmetauschers (15) an ein externes Medium ausgebildet ist.

2. Wärmepumpeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltvorrichtung mit einem oder mehreren Stellmitteln (19) zum Einstellen unterschiedlicher Verbindungskonfigurationen der Wärmetauscher (1, 3, 15) vorgesehen ist.

3. Wärmepumpeneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel (19) als Einweg- und/oder Mehrwegventile ausgebildet sind.

4. Wärmepumpeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein oder mehrere weitere Expansionsventile (17) vorgesehen sind.

5. Wärmepumpeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, die zum Einstellen von Verbindungskonfigurationen ausgebildet ist, und dass in einem der Steuerung zugeordneten Speichermedium Informationen über die Einstellungen der Stellmittel (19) für jede der Verbindungskonfigurationen gespeichert sind.

6. Wärmepumpeneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenwärmetauscher (15) einen vom Kältemittelkreislauf getrennten, jedoch thermisch mit diesem gekoppelten Wärmeträgerkreislauf hat.

7. Mit einer Wärmepumpeneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführbares Verfahren zum Zuführen von Wärme an ein Heiznetz und/oder zum Abführen von Wärme aus einem Kühlnetz, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeüberschüsse im Kühlnetz und Wärmemankos im Heiznetz erfasst werden, und dass bei gleichzeitigem Bestehen von Wärmeüberschüssen im Kühlnetz und von Wärmemankos im Heiznetz Stellmittel (19) der Wärmepumpeneinrichtung derart eingestellt werden, dass die Wärmepumpeneinrichtung dem Kühlnetz Wärme entziehen und diese dem Heiznetz zuführen kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erfassung von Wärmeüberschüssen im Kühlnetz ohne gleichzeitiges Wärmemanko im Heiznetz Stellmittel (19) derart eingestellt werden, dass die Wärmepumpeneinrichtung dem Kühlnetz Wärme entzieht und diese einem externen Medium zuführt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erfassung von Wärmemankos im Heiznetz ohne gleichzeitige Wärmeüberschüsse im Kühlnetz Stellmittel (19) derart eingestellt werden, dass die Wärmepumpeneinrichtung einem externen Medium Kühlnetz Wärme entzieht und diese dem Heiznetz zuführt.