CN110914614B - 具有可控热交换器的热泵装置和热泵装置的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵装置，所述热泵装置包括：热泵设备(100)；蒸发器循环回路接口(200)，用于将要冷却的液体(230)引入到热泵设备(100)中和用于将已冷却的液体(220)从热泵设备(100)中引出；冷凝器循环回路接口(300)，用于将要加热的液体(330)引入到热泵设备中和用于将已加热的液体(320)从热泵设备中引出；可控热交换器(700)，用于将蒸发器循环回路接口(200)和冷凝器循环回路接口(300)可控地耦联；和控制装置(400)，用于与蒸发器循环回路接口(200)中的蒸发器循环回路温度或冷凝器循环回路接口(300)中的冷凝器循环回路温度相关地控制可控热交换器(700)。

Description

具有可控热交换器的热泵装置和热泵装置的运行方法

技术领域

本发明涉及一种热泵应用并且尤其涉及如下热泵应用，所述热泵应用可用于冷却、加热或其他目的，其中必须将热量从一个水平泵吸到另一水平。

背景技术

热泵的典型应用领域在于，冷却要冷却的地区和/或加热要加热的地区。典型地由蒸发器、压缩机、液化器和扼流圈构成的热泵为所述目的包括一侧的蒸发器侧和另一侧的液化器侧。根据实施方案，热泵与蒸发器侧的热交换器和/或液化器侧的热交换器耦联。

如果热泵用作为冷却设施，那么要冷却的地区为“使用侧”。要冷却的地区例如可以是内部空间，如例如计算机房或其他要冷却的或要进行空气调节的空间。此外要加热的地区例如是建筑物的外壁或屋顶上侧和应将废热引入到其中的其他地区。而如果热泵用作为加热装置，那么要加热的地区在一定程度上是“使用侧”，并且要冷却的地区例如是土地、地下水或类似物。

在常规的热泵应用中成问题的是，配置不考虑：要加热的区域的环境温度在其例如位于户外时强烈地改变。这样可能的是，在冬季存在-20℃的温度并且在夏季存在高于30℃的温度。如果例如考虑对计算机房进行空气调节的应用，那么实际上对于外部温度例如处于要冷却的区域的期望温度的范围内或比其更低的情况，足够的是，不再对计算机房进行空气调节，而是简单地“打开窗户”。这通常是成问题的，因为计算机房不一定具有窗户，并且因为在考虑这种冷却同时又相对难于控制，使得在空间中出现均匀的温度。因此，如果存在窗户那么例如在窗户附近形成冷区，而远离窗户或在特定的计算机架后方产生热区，所述热区因此可能还未足够地被冷却。另一方面成问题的是，在热泵配置中，不充分利用如下事实：外部温度可能强烈地波动，并且通常位于正常不需要冷却的区域中。出于所述原因，将如通常使用的配置针对最差情形设计，即例如针对非常热的夏日设计，尽管这种热的夏日平均至少在德国非常少见并且一年之内的大部分时间具有所要求的冷却功率远低于假设的最差情形的温度。

DE 10 2012 208 174B4示出一种热泵和一种用于在自由冷却模式中泵吸热量的方法。热泵包括具有蒸发器入口和蒸发器出口的蒸发器、用于压缩在蒸发器中蒸发的做功液体的压缩机和将在压缩机中压缩的蒸发的做功液体液化的液化器。此外，液化器具有液化器入口和液化器出口。在自由冷却模式中，蒸发器入口与要加热的地区的回流部连接。此外，液化器入口与要冷却的地区的回流部连接。此外设有开关装置，用于将蒸发器入口与要加热的地区的回流部断开并且用于将要冷却的地区的回流部与蒸发器入口连接，并且还用于将液化器入口与要冷却的地区的回流部断开，并且还用于将要加热的地区的回流部与液化器入口连接。借此，可以从自由冷却模式切换到正常模式中并且再次回到自由冷却模式中。这样已经有效地考虑，如果热泵不在传统配置中运行，而是在要加热的地区的回流部与蒸发器入口连接并且要冷却的地区的回流部与液化器入口连接的配置中运行，那么外部温度处于远低于最大温度的范围内。

在所述自由冷却模式中充分利用如下事实：要加热的地区的回流温度已经处于通常用于供应蒸发器的温度的数量级。此外充分利用如下事实：要冷却的地区的回流部已经处于可以供应热泵的液化器的温度区域中。这引起，热泵在蒸发器出口和液化器出口之间必须提供的温差与正常模式相比快速降低。因为要由热泵提供的温差二次幂地输入到用于压缩机的所消耗的驱动功率中，这与不具有自由冷却模式的正常配置相比引起热泵的效率升高。

根据应用然而可以发生，自由冷却模式的灵活性降低，在所述自由冷却模式中，实际上液化器入口/出口切换从而蒸发器循环回路和冷凝器循环回路液体地来回切换。此外，需要从具有高压的冷凝器循环回路切换到具有低压的蒸发器循环回路和相反的切换，这根据实施方式可能是成问题的。

US 4,495,777公开一种用于闭合的冷却系统的负荷分布系统。

US2006/0010893A1公开一种具有低电容控制装置的冷却系统。

发明内容

本发明的目的在于，实现一种更灵活的热泵装置。

所述目的通过根据本发明的热泵装置、根据本发明的热泵装置和根据本发明的用于制造热泵装置的方法来实现。

根据本发明的热泵装置包括：热泵设备；和蒸发器循环回路接口，用于将要冷却的液体引入到热泵设备中和将已冷却的液体从热泵设备中引出。热泵装置还包括冷凝器循环接口，用于将要加热的液体引入到热泵设备中和将已加热的液体从热泵设备中引出。此外，设有可控热交换器，以便将蒸发器循环回路接口和冷凝器循环回路接口可控地耦联。此外设有控制装置，以便与蒸发器循环回路接口中的蒸发器循环回路温度和冷凝器循环回路接口中的冷凝器循环回路温度相关地控制可控热交换器。根据实施方案还存在用于检测蒸发器循环回路温度的蒸发器循环回路温度传感器或用于检测冷凝器循环回路温度的冷凝器循环回路温度传感器，或者存在这两个传感器。在最后一种情况下，控制装置优选构成为，用于基于蒸发器循环回路温度和冷凝器循环回路温度的差，或者基于温度的比较来控制可控热交换器，以便在一定程度上将输出侧、即泠凝器循环回路和输入侧、即蒸发器循环回路可控地耦联。根据本发明然而不进行冷凝器循环回路接口和蒸发器循环回路接口的液体耦联。替代于此，仅进行输出侧和输入侧的热耦联，更确切地说，经由热交换器如下进行，即冷凝器循环回路接口中的做功液体虽然与蒸发器循环回路接口的做功液体热耦联，然而不直接液体耦联。

借此确保，在可控热交换器中优选地除了具有两个分离的液体路径的常见的热交换器之外存在的控制元件始终仅须在相同的压力区中连接，即始终仅在冷凝器循环回路接口或蒸发器循环回路接口中连接，然而在两个接口之间不建立液体短路。

在优选的实施例中，控制元件构成为，用于与控制元件的设定相关地产生、减少或抑制通过一个路径的穿流。在产生穿流或抑制穿流的情况下，控制元件构成为二通控制元件，所述二通控制元件具有接通状态和关断状态。在减少通过两个路径之一的穿流的情况下，控制元件优选构成为混合器，以便根据实施方案，将做功液体的一部分经由可控热交换器引导并且将另一部分引导绕过可控热交换器。

在一个实施例中，可控热交换器包括具有端子和两个液体分离的路径和至少一个控制元件的热交换器单元，其中热交换器单元的至少一个端子与至少一个控制元件的端子耦联，以便与控制元件的设定相关地产生、减少或禁止通过热交换器单元的两个路径之一的穿流。此外，至少一个控制元件构成为二通开关或构成为混合器。

在另一实施例中，至少一个控制元件构成为被动式二通开关，以便与被动式二通开关的设定相关地产生或禁止通过热交换器单元的路径之一的穿流，或者构成为被动式混合器，以便与混合器的设定相关地减少穿过热交换器单元的路径之一的穿流。被动式在此表示，在二通开关中或在混合器中不包含自身的泵。在另外的实施例中，在被动式元件中此外也不包含阀。

优选地，可控热交换器构造成，使得可控热交换器的一个路径与控制装置无关地连续地被穿流并且另一路径是可接通或可断开的或者在使用混合器的情况下关于接通状态是可扼流的。根据实施方案由于可控热交换器始终从至少一侧被穿流的事实，要冷却的功率电子装置设置在可控热交换器上或以至少热有效接触的方式设置。优选地，在可控热交换器同时用作为热沉、即用作为用于必要的电子部件、如例如用于压缩机马达的变频器的冷却装置的所述实施方案中，耦联成，使得冷凝器循环回路接口连续地穿流可控热交换器的一个路径。借此将电子部件的废热直接传输到典型地设为用于热泵装置的散热装置中，如例如传输到在屋顶上的或在建筑物的背阴侧处的中间冷却器中，甚至当自由冷却未激活并且热交换器单元的另一路径未被穿流时也如此。

本发明在如下方面是有利的，即输入侧和输出侧，即蒸发器循环回路和冷凝器循环回路虽然可以通过可控热交换器热耦联，然而不液体耦联。借此实现，可以一方面在冷凝器循环回路中并且另一方面在蒸发器循环回路中使用不同的做功液体。此外，与液体关于输入侧和输出侧的线路相比，对可控热交换器的控制元件的要求降低，因为始终存在相同的压力并且热泵装置的输入侧、即蒸发器循环回路和热泵装置的输出侧、即冷凝器循环回路的压差不可以到达相同的开关元件。

此外，与可控热交换器的两个接口的耦联以如下方式提供另外的灵活性，即不仅可以实现自由冷却模式，其中回流的做功液体由中间冷却器使用，以便直接冷却要冷却的液体，而且相反地也可以实现热泵装置的受控的短路，所述短路可以在没有热泵时发生具有接通事件和关断事件的过强的同步(Takten)情况下使用。这种情形例如可以在设施处于部分负荷运行中的情况下出现。如果在低的制冷功率下设施要求高的升压，这例如在计算中心中的部分功率的情况下和在高的环境温度下可以是这种情况，那么这引起过大的体积流进而引起过大的质量流。这会造成热泵装置的具有交替的接通-关断-接通状态的同步。通过借助于可控混合器实现可控热交换器，现在可以实现在冷水和冷却水之间的可调节的功率短路，所述功率短路改进部分负荷性能并且有效地防止同步。

因此，根据本发明的热泵装置一方面具有关于一侧的冷凝器循环回路中和另一侧的蒸发器循环回路中的不同液体的连接的提高的灵活性。此外，两侧的热耦联替代实际液体耦联能够实现使用更简单的且成本更低的控制元件。最后，通过热耦联，能够不仅将自由冷却模式用于热泵的效率提高，而且同时也可以使用可控功率短路，以便改进设施的部分负荷性能或者但是也实现设施的其他模式，如例如服务模式。

附图说明

本发明的优选的实施例在下文中参照任意附图详细阐述。附图示出：

图1示出根据本发明的一个实施例的热泵装置的方框图；

图2a示出具有二通开关的热泵装置，所述二通开关与蒸发器循环回路接口耦联；

图2b示出类似于图2a的实施方案的实施方案，然而具有激活的热交换器穿流；

图2c示出与在图2b中类似的实施方案，然而具有关断的压缩机；

图3a示出具有二通开关的热泵装置的实施方案，所述二通开关与蒸发器循环回路接口耦联并且示出激活的通过热交换器的穿流；

图3b示出类似于图3a的实施方案，然而具有未激活的通过热交换器的穿流；

图4a示出具有控制元件的热泵装置的实施方案，所述控制元件与冷凝器循环回路接口耦联并且示出激活的通过可控热交换器的穿流；

图4b示出类似于图4a的实施方案，然而具有未激活的通过热交换器的穿流以耦联蒸发器循环回路接口和冷凝器循环回路接口；

图5a示出具有二通开关的热泵装置的一个实施例，所述二通开关与冷凝器循环回路接口耦联并且示出激活的通过热交换器的穿流；

图5b示出类似于图5a的热泵装置，然而具有未激活的通过可控热交换器的穿流，即在不是自由冷却模式的模式中；

图6示出可控热交换器作为与二通热交换器耦联的可控混合器的示意图；

图7示出关于热泵装置的不同模式的表格概览；

图8示出具有相关联的可控热交换器作为用于控制电子装置的冷却装置的热泵设备的示意图。

具体实施方式

图1示出具有热泵设备100的热泵装置。热泵设备100还包括蒸发器循环回路接口200，用于将要冷却的液体230引入到热泵设备100中和将已冷却的液体220从热泵设备100中引出。热泵设备100还包括冷凝器循环回路接口300，用于将要加热的液体330引入到热泵设备100中和将已加热的液体320从热泵设备100中引出。此外，设有可控热交换器700，以便将蒸发器循环回路接口200和冷凝器循环回路接口300可控地耦联。在特定的实施方案中，还设有用于检测蒸发器循环回路温度的蒸发器循环回路温度传感器210(VTS)。此外，也设有冷凝器循环回路温度传感器310(KTS)，以便检测冷凝器循环回路温度。此外，根据本发明的热泵装置设有控制装置400，用于控制可控热交换器700，其中所述控制装置与也称作为TWK的蒸发器循环回路温度相关地或与也称作为TWW的冷凝器循环回路温度相关地做功。控制装置可以利用仅一个唯一的温度、即冷凝器循环回路温度TWW或蒸发器循环回路温度TWK做功。然而优选地，使用两个温度，使得因此存在两个不同的温度传感器，以便基于两个温度的比较或基于两个温度的差值来经由控制线路410操控可控热交换器。

图6示出可控热交换器的一个优选的实施方式，所述可控热交换器一方面示出热交换器单元710并且另一方面示出控制元件，所述控制元件在图6中用760表示，所述控制元件然而在图2a至5b中用720、730、740、750表示。因此，热交换器单元包括四个输入端711、712、713、714，其中输入端711、712限定穿过热交换器单元710的第一路径，并且其中输入端713、714或端子713、714限定穿过热交换器单元710的第二路径。两个路径，即第一路径和第二路径是热耦联的，如对于热交换器常见的那样，然而液体地彼此分离，使得当热交换器单元完全功能完好时，热交换器单元中的液体不能够从第一路径转移到第二路径中。每个端子711、712、713、714可以是输入端，其中那么分别路径的其他端子为输出端，其中端子的为输入端或输出端的特性可以通过穿流的做功流体的流动方向来规定。用于做功流体流入到热交换器单元710的一个路径中的端子是输入端，并且液体从其中流出的端子是输出端。

根据实施方案，可控热交换器因此包括热交换器单元，所述热交换器单元具有四个端子和两个液体分离的路径，其中至少一个端子与控制元件、如例如二通控制元件耦联，并且与控制元件的设定相关地产生、减少或抑制通过路径之一的穿流。

因此，控制元件、如例如720、730、740、750、760构成为，用于当冷凝器循环回路温度与蒸发器循环回路温度处于预定的比值或者小于预定的冷凝器循环回路阈值时，引起通过一个路径的穿流。

根据实施方案，可控热交换器700构成为，使得可控热交换器的一个路径与控制装置无关地被连续地穿流并且可控热交换器的另一路径通过控制装置是可接通或可切断的或关于接通状态是可扼流的。

根据如在下文中解释的实施方案，可控热交换器700包括热交换器单元，即例如图6和图2a至5b的热交换器单元710。在此，可控热交换器的控制元件，即例如元件720至760与热交换器元件的第一路径液体地耦联，其中还将控制元件与蒸发器循环回路接口200液体地耦联。

此外，冷凝器循环回路接口300与热交换器元件的第二路径耦联，使得要加热的液体从第二路径中流出并且已加热的液体在热沉中冷却之后进入到第二路径中。

可控元件与热交换器单元710的第一路径耦联的相应的实施方案在图2a、2b、2c、3a、3b中示出。

在此，图2a示出热泵装置的一个优选的实施方式，其中热泵设备100与蒸发器循环回路接口200耦联，如通过图2a中的线路220、230示出的那样。蒸发器循环回路接口200还包括蒸发器泵PV，所述蒸发器泵构成为，将由热泵设备100输出的冷却的液体泵吸到要冷却的地区600中，所述要冷却的地区例如是计算中心。所述液体在图2a中示出的实例中具有16℃的温度并且通过要冷却的地区600例如加热到22℃的温度，如通过蒸发器温度传感器210示出的那样，所述蒸发器温度传感器求得温度TWK。此后，已加热的液体进入到控制元件720中，所述控制元件连同热交换器710一起形成可控热交换器700。在图2a中示出的实施例中，自由冷却是未激活的。替代于此，在线路230中的要冷却的液体绕过热交换器710引入到热泵设备100中。这是所述情况，因为要加热的地区、即例如中间冷却器500是更高的，所述中间冷却器例如在建筑物的屋顶上或在建筑物的背阴侧上提供废热。在此，在中间冷却之后的温度还在图2a中示出的实施例中为26℃，如通过冷凝器循环回路温度传感器310所测量那样，所述冷凝器循环回路温度传感器发出温度信号TWW。因为中间冷却的做功介质的温度为26℃，即高于由要冷却的地区向回提供的为22℃的液体温度水平，所以自由冷却模式不带来优点。替代于此，以如下方式停用自由冷却模式，即热交换器单元710的第一路径不由液体供应，如通过作为用于控制元件的实例的二通开关的在图2a中所示出的姿态示出那样。

此外还应注意的是，图2a中的冷凝器循环回路接口300也具有泵340，所述泵构成为，将例如具有32℃的温度的已加热的液体320引至中间冷却器500中或置于要加热的地区中。

图2b又示出图2a的实施方案，其中现在然而切换控制元件720，即切换到自由冷却模式或模式“自由冷却加”中，因为现在在中间冷却器的输出端处的温度如其通过温度传感器310所测量那样为18℃，即小于从计算中心向回提供的温度。因此，现在二通开关在图2b中切换成，使得热交换器元件710的第一路径设有液体，使得在热交换器单元710中发生热交换器效果。如例如在图2b中所示出，出自要冷却的地区的液体的温度从22℃冷却到19℃。借此，热泵设备100必须产生比在图2a的比较实例中明显更少的功率。因此，更冷的外部温度(空气在图2b中仅具有13℃的温度)有效地用于降低由热泵设备100要求的功率。

控制元件720在图2b中示出的实施例中构成为二通开关，所述二通开关具有一个输入端和两个输出端。此外，二通开关的一个输入端与要冷却的地区的输出端、即例如计算中心600连接。所述输出端典型地同样通过蒸发器循环回路接口200、如示意地在图1中示出的那样提供，更确切地说通过图1的蒸发器循环回路接口200的输入端201提供。相反地，蒸发器循环回路接口到要冷却的地区中的输出端用202标识。此外，泵240的输出端与蒸发器循环回路接口通向要冷却的地区的输出端202连接。此外，控制元件720的第一输出端可与热交换器单元710的第一路径的第一输入端耦联，如在图2b中示出的那样，以便达到自由冷却模式，或者与热泵设备用于要冷却的液体的输入端230耦联。

此外，热交换器单元的第二路径同样经由另外的连接线路235与热泵设备100的用于要冷却的液体的输入端230连接。

图2c示出另一个运行模式，其中自由冷却由于例如为10℃的冷的外部温度是性能卓越的，使得整个计算中心可以在没有热泵设备100中的压缩机的行动的情况下实现。因此，图2c中的控制元件720的姿态如在图2b中那样选择。此外，然而现在切断压缩机。如果外部温度继续降低，那么此外将泵PK340扼流，借此在泵PV的输出端处维持由客户要求的例如为16℃的最小温度。这表示，在图2c中示出的实施例中，虽然热泵设备100的压缩机关断，但是热泵设备100的蒸发器侧的输入端流体液体连接成，使得线路230上的要冷却的液体和线路220上的已冷却的液体具有相同的温度，即例如为16℃的温度。

图3a示出具有热交换器单元710和控制元件730的可控热交换器的一个替选的实施方案。现在，热交换器单元710的第一路径的第一输入端固定地与蒸发器循环回路接口200的端子201连接，更确切地说经由连接线路236连接。此外，同样还仅与蒸发器循环回路接口耦联的控制元件730现在具有两个输入端和一个输出端。第一输入端在图3a示出的在其中激活自由冷却的实施例中不与用于要冷却的液体230的线路耦联，如通过二通开关730之内的点虚线示出的那样。替代于此，控制元件的第二输入端与热交换器单元710的第一路径的输出端连接成，使得热交换器单元710由要冷却的液体连续地穿流。借此实现，图3a中的例如为22℃的温度降低到20℃，使得自由冷却由于在14℃空气温度的范围内的相对冷的外部温度从热泵设备100中已经提取一定量的“功”，因为现在仅还必须将液体从20℃冷却到16℃，然而不再从22℃冷却到16℃。控制元件730在图3b中以其另外的姿态示出。在此，热交换器710虽然再次连续地由冷凝器侧、即由冷凝器循环回路穿流。在蒸发器循环回路侧，现在然而不能够实现穿过热交换器单元710的第一路径的液体流，因为输出端不再如在图3a中示出的那样与第二输入端耦联，而是现在与第一输入端耦联。

如在图3a中示出的，进行对控制元件730的控制，即哪个输入端与输出端连接，通过比较两个温度TWK和TWW进行。如果TWK大于TWW，如这通过图1的控制装置400确定的那样，那么激活自由冷却，而如果TWK小于TWW，即如果在蒸发器循坏回路接口200的端子201处的要冷却的地区的回流温度小于在要加热的地区500的输出端处的在冷凝器循环回路中的回引的和中间冷却的液体，那么如在图3b中示出的那样停用自由冷却，所述要加热的区域在图3b中称作为“中间冷却器废热屋顶”。

图2a、2b、2c、3a、3b示出控制元件720、730与蒸发器循环回路接口连接的布置，而冷凝器循环回路接口固定地与热交换器单元710耦联，随后示出的附图4a、4b、5a、5b示出控制元件与冷凝器循环回路接口300耦联的布置，其中在此蒸发器循环回路接口200还固定地与热交换器单元710耦联，使得热交换器单元710连续地由计算中心的、即要冷却的地区600的回流穿流。

因此，在图4a和4b中示出的实施例中，热交换器单元710的第一路径连续地与蒸发器循环回路接口200耦联，而第二路径，并且在此热交换器单元710的第二路径的输入端与控制元件耦联，更确切地说与控制元件的第一输出端耦联，所述控制元件具有一个输入端和两个输出端。在图4a中示出的实施例中，温度TWK大于温度TWW，使得激活自由冷却。因此，控制元件的第一输出端与输入端耦联，并且要加热的液体流过热交换器710，以便从在图4a中示出的实例中的例如17℃加热到21℃，由此同时将馈入到热泵设备中的在线路230上的要冷却的液体从22℃冷却到18℃。此后，将已加热的液体在热交换器单元710的第二路径的输出端处经由线路330馈入到热泵设备100中并且在那里例如加热到仅23℃，其中在线路320上将已加热的液体，更确切地说从热泵设备中输出到冷凝器循环回路接口中，并且在那里输出到泵340中，所述泵最后将液体提供给中间冷却器或要冷却的地区500，在那里向空气输出大量能量，使得在中间冷却器的输出端处存在具有例如17℃的温度的液体。

而如果确定，蒸发器循环回路温度TWK小于冷凝器循环回路温度TWW，如这通过传感器310或210确定的那样，那么切换控制元件，更确切地说切换到图4b的位置中，在所述位置中，自由冷却装置停用，并且热交换器单元710的第二路径不再由要加热的液体330穿流。替代于此，要加热的液体绕过热交换器单元710馈入到热泵设备100中。因此，冷凝器循环回路接口300的输出端302与中间冷却器或与要加热的地区500连接。此外，要加热的地区的回流部与冷凝器循环回路接口的输入端303连接。冷凝器循环回路温度传感器310构成为，用于测量端子303中的液体的温度。控制元件的输入端与温度传感器310的位置无关地与冷凝器循环回路接口300的输入端303连接。第一输出端如在图4a中示出的那样在自由冷却的情况下与输入端连接，并且第一输出端此外与热交换器单元710的第一端子连接。相反地，第二输出端在图4b中示出的运行模式中与用于要加热的液体的热泵设备的输入端300连接。

图5a和5b示出控制元件750的一个替选的实施方案，所述控制元件现在不像在图4a和4b中那样与热交换器单元710的第二路径的第一输入端连接，而是与热交换器单元710的第二路径的输出端连接。控制元件750具有两个输入端和一个输出端。控制元件750的第一输入端在图5b中示出的实施例中与输出端连接，在所述实施例中停用自由冷却，其中即激活正常模式，其中输出端又与用于要加热的液体的线路330连接，所述要加热的液体馈入到热泵设备100中。控制元件的第二输入端固定地与热交换器单元710的第二路径的输出端连接，并且在自由冷却模式中与控制元件750的输出端连接。

尽管在图2a至5b中，控制元件720、730、740、750作为二通开关示出，所述二通开关具有两个输入端和一个输出端或者两个输出端和一个输入端，替代于此二通开关也可以实现为混合器或者任意其他控制元件，所述控制元件可以由控制装置控制地影响一个或多个流动路径。混合器在图6中在760处示出并且具有一个输入端和两个输出端。通过混合器可以实现，做功流体的一部分，即做功流体的70％引导绕过热交换器单元710，而另一部分，即例如30％例如引入到热交换器单元710的第一路径中。

借此，例如具有20℃的温度的做功液体通过热交换器单元710的作用提高到24℃。借此在第一路径的输出端712与用于要冷却的液体230的线路连接的分支点处或在组合点处得出总体上实现的21℃的温度。由此，通过控制元件760作为混合器的实施方案，在如在图2a中示出的配置中，将要冷却的温度升温，以便实现特殊的运行模式，在所述特殊的运行模式中，要求热泵设备100交出与本来需要的相比更高的负荷，这然而在特定情况下例如为了避免热泵设备100的同步是尤其有利的。在图3中的实施例中，控制元件730同样通过混合器替代，所述混合器确保，特定份额、即例如较小份额进入到控制元件的第二输入端中，使得当混合器安置在如在图3a和3b中为控制元件730所示出的部位上时，同样可以实现部分加热。

用于混合器的类似的实施方案也可以对图4a至5b的控制元件740、750执行，以便当控制元件安置在冷凝器循环回路接口侧上时，也实现相应的混合器作用。

图8示出热泵设备100的一个特殊的实施方案。在一个实施例中，热泵设备100具有蒸发器110。在蒸发器中蒸发做功液体。蒸发的做功液体由压缩器120压缩从而提升到更高的温度水平，所述压缩器优选构成为具有径向轮的马达。压缩的蒸汽随后输送给液化器(冷凝器)130。为了调节做功液体的预算，还可以根据实施方案设有扼流圈140。如果作为在热泵设备之内的做功介质使用水，那么作为扼流圈可以使用被动式自调节的扼流圈。而如果使用所谓的化学制冷剂、即不同于水的制冷剂，那么替代被动式自调节的扼流圈，在扼流圈140中也可以实现可切换的扼流圈旁路。

还要注意的是，在热泵设备100中不仅可以实现如在图8中通过元件110至140示出的这种级，而且也能够在热泵设备中如始终组合的那样包含两个或更多个级。一个或多个级在输入侧或在蒸发器侧与蒸发器循环回路接口连接并且在输出侧或在冷凝器侧借助于冷凝器循环回路接口耦联到“外部世界”上。

图8还示出具有控制元件的可控热交换器700的一个实施方案，其例如具有控制元件720、730、740、750、760和相关联的热交换器单元710。优选地，还在热交换器单元710上安置控制电子装置或电开关单元123，所述电开关单元例如具有用于压缩器120中的电马达的定子测的线圈操控的变频器电路、功率电子装置、整流器或控制电子装置。借此确保，控制电子装置始终保持在热交换器单元710的温度上，或因为所述控制电子装置自身明显更热，由热交换器单元710冷却。替选地，安置也可以在热相互作用布置中存在，例如借助于特殊的热传递装置，使得同样出现冷却效应，即使当一侧的控制电子装置和另一侧的热交换器单元710不直接碰触时也如此。热传递装置优选地具有热导率，所述热导率是相同长度的空气隙所具有的热导率的至少十倍高。

在一个优选的实施例中热交换器单元710始终由冷凝器循环回路或蒸发器循环回路穿流之后，由此发生冷却。冷凝器循环回路的可能高于20℃的温度也作为用于电子装置的冷却温度是完全足够的。因此优选地，热交换器单元710耦联到泠凝器循环回路接口上，使得热交换器单元710或其第二路径始终由冷凝器循环回路穿流。借此，控制电子装置的废热直接进入到冷凝器循环回路中进而进入到废热设备中，而其不必首先从蒸发器循环回路中“泵吸到”冷凝器循环回路中。

图7示出不同模式的表格汇总，所述不同模式例如可以借助二通开关产生，所述二通开关如在图2a至5b中所示出。

尤其在冷的温度范围内，自由冷却是激活的，在所述温度范围内空气的示例温度小于10℃并且在所述温度范围内传感器值使得，TWK大于TWW。此外，可控热交换器从两侧被穿流，即是激活的。此外，如在图2c中示例性示出的，压缩机停用，即关断。温度的控制例如可以通过如下方式实现：调节在冷凝器循环回路接口300中包含的冷凝器侧的泵340。如果确定，已冷却的液体的温度小于期望温度，那么可以将泵340节流。而如果确定，温度变得过大，那么泵340可以再次更快地转动。替选地或附加地，典型地在中间冷却器500中存在的风扇也可以更快地或更慢地转动，以便实现更大的或更小的冷却功率。

在例如在10℃和16℃之间的中冷的温度范围内，自由冷却同样是激活的。此外，压缩机也是激活的，并且馈入到计算中心或要冷却的区域中的温度的调节可以通过如下方式进行：控制压缩机中的径向轮的转速。如果需要更高的冷却功率，那么提高转速。而如果需要更低的冷却功率，那么降低径向轮的转速。

在正常运行模式中典型地确定，温度TWK小于温度TWW，所述正常运行模式在暖的温度范围内被激活，其中温度例如大于16℃。随后，停用可控热交换器710，即未激活地连接，并且冷却功率控制可以再次经由径向轮的转速进行。在所述模式中，即在暖的温度范围内，然而自由冷却是未激活的。

作为特殊模式，可以实现在热泵设备的输出端或冷凝器循环回路和输入端或蒸发器循环回路之间的可控制的短路，在所述特殊模式中，如参照图6描述的混合器可以在如下位置处使用，所述位置通过图2a至5b中的元件720至750示出。尤其在一方面高的外部温度和计算中心因为在那里例如仅主要存在的部分负荷运行而引起功率要求相对小的情况下，在那里可能出现如下情形，控制在没有具有可控制的短路的特殊模式的情况下转变到开-关同步中，这出于多种原因是不利的。

根据本发明因此激活具有可控制的短路的特殊模式，所述特殊模式例如由于特定的同步频繁性而被停用，如果确定过高的同步频繁性，那么激活可控制的短路，即因此穿流量的典型地较小的部分、即小于50％的部分馈入到热交换器单元的相应的第一或第二路径中，并且以其他(典型更大的)比例在热交换器单元的输出端处再次组合。在图6中作为70/30示出的所述混合器作用如已经描述的那样可以必要时如在图7中在表格的最后一行中示出的那样根据实施方案来控制，即例如从1％/99％控制直至51％/49％控制。无论如何优选的是，流的较大部分绕过热交换器元件710并且仅流的较小部分流过热交换器元件710，其中如所述的那样根据混合器的实施方式可控制为0至50％的较小流的比例。

在自由冷却加的优选的实施例中，安装热交换器和三通开关。三通开关可以安装在冷水侧或热水侧上，并且应释放或截止穿过热交换器的穿流。根据实施方案，也可以不存在泵PV240或PK340。此外，也可以使用附加的热交换器，例如在泵PV240的输出端处或在泵PK340的输出端处，尽管所述热交换器在图3a和其他附图中例如并未示出。作为制冷剂的水为自由冷却加由于其差的体积制冷功率而提供如下优点，通过转速调节的径流式压缩机可以设定体积流和压力比，从而设施的近似理想的做功点在宽的使用范围内出现，其中在小于50kW的小的制冷功率下已经可以达到所述做功点。在示出的实施方案中，将水从例如20℃冷却到16℃，尽管其他温度也是可能的，如例如到从26℃的较高的温度冷却到20℃。通常始终实现，在一个温度水平上以尽可能小的能量耗费实现制冷功率，以便根据外部温度将功率再次输出给环境。如果能够实现全部制冷功率可以通过在上游连接的热交换器从冷水传递到冷却水的温度出自屋顶(中间冷却器)，那么不进行压缩机做功。如果环境温度继续升高，使得在没有压缩机做功的情况下不出现20℃的冷的冷水，那么以调节功率的方式接通压缩制冷设施，以便提供缺少的部分，例如3℃或50％功率。如果外部温度继续升高并且冷却水达到例如25℃和更高的温度，那么通过热交换器实际上不再可能传递能量。全部冷却功率现在由压缩制冷机提供。如果冷却水温度继续升高，在高于26℃的范围内，那么三通开关必须至少在一侧阻挡穿过热交换器的穿流，否则制冷设施必须提供比由应用要求的更多的制冷功率。

在特殊的替选的实施例中优选的是，控制，即是否穿流热传递器仅与温度TWW和TWK相关；即如果温度TWW小于TWK，那么穿流热交换器单元。如果蒸发器中的温度大于在冷水侧或客户侧的始流温度，那么压缩机必须做功。而如果自由冷却模式中的温度低于要求的客户温度，在此为16℃，那么屋顶上的风扇可以节流并且最后泵可以节流。

在本发明的一个优选的实施例中，为自由冷却加使用扼流圈，所述扼流圈在没有压差时或从小于10mbar的小的压差起直至最大压力冲程已经可靠地工作。那么确保，当需要相应的液体补偿功能性时，补偿从液化器至蒸发器的制冷剂预算。这与已知的制冷设施相反，已知的制冷设施具有电子扼流圈，所述电子扼流圈在数bar的压差时才工作。

此外优选的是，将流体机械用作为压缩机，使得经由转速可以精确地调节需要的压差和功率，如例如质量流。优选地，此外将水用作为制冷剂，其中在整个工作范围内小于100mbar的小的压差变得可能，并且其中还由于在蒸汽和液体之间的极端的体积差可以装入自调节的扼流圈。然而也为了可以借助所谓的化学制冷剂、即不同于水的制冷剂工作，优选地，替代如在图8中示出的被动式自调节的扼流圈，使用可切换的扼流圈旁路，以便制冷剂从高压侧再回到低压侧。

如已经示出和根据图6阐述的那样，优选地，将三通开关构成为混合器，以便优化设施的部分负荷性能。对于压缩优选地使用流体机械，所述流体机械具有转速相关的体积流和转速相关的压力升高。对于制冷功率而言质量流是决定性的。如果在小的制冷功率下由设施要求高的压力升高(在计算中心中的部分功率和高的环境温度)，那么这引起过大的体积流和过大的质量流。这引起设施的同步(开……关……开)。如果三通开关通过混合器替代，那么可以实现在冷却水和冷水之间的可调节的功率短路，所述功率短路改进部分负荷性能和有效地防止同步。

优选地，可控热交换器中的热交换器单元由支路持久地穿流。由此热交换器优异地适用于冷却功率电子装置。如果将混合器安置到冷水侧上，那么电子装置将其消耗直接导入到冷却水侧中，即导入到冷凝器循环回路中。这具有如下优点，热泵设备不必首先通过压缩机做功将消耗功率传递到废气侧上。优选地，因此用于变频器电路的整流器设置在热交换器单元上，即与可控热交换器热有效连接。

用于制造具有热泵设备的热泵装置的方法包括如下步骤：

将要冷却的液体引入到热泵设备中并且将已冷却的液体从热泵设备中引出；

将要加热的液体引入到热泵设备中并且将已加热的液体从热泵设备中引出；和

将通过热沉冷却的液体以可控的和热学的方式和方法与要冷却的液体经由可控热交换器与蒸发器循环回路温度相关地或者与冷凝器循环回路温度相关地耦联，其中蒸发器循环回路温度具有要冷却的液体或已冷却的液体的温度，冷凝器循环回路温度具有要加热的液体或已加热的液体的温度或通过热沉冷却的液体的温度。

尽管将特定的元件描述成设备元件，要注意的是，所述描述同样视作为对方法的步骤的描述，并且反之亦然。

此外要注意的是，例如通过图1中的元件400实现的控制装置可以作为软件或硬件实现。控制装置的实施方案可以在非挥发的存储器介质、数字的存储器介质或其他存储器介质、尤其软盘或CD上借助电子可读的控制信号实现，所述控制信号因此可以与可编程的计算机系统共同作用，使得实施用于运行热泵的相应的方法。由此，一般而言，本发明也包括计算机程序产品，所述计算机程序产品具有在计算机可读的载体上存储的程序代码，用于当计算机程序产品在计算机上运行时，执行所述方法。换言之，本发明因此也作为计算机程序实现，所述计算机程序具有程序编码，用于当计算机程序在计算机上运行时，执行所述方法。

附图标记列表：

100 热泵设备

110 蒸发器

120 压缩器

123 控制电子装置

125 电子控制线路

130 液化器

140 扼流圈

200 蒸发器循环回路接口

201 离开要冷却的地区的回流部

202 朝向要冷却的地区的入流部

210 蒸发器循环回路温度传感器

220 已冷却的液体

230 要冷却的液体

235 连接线路

240 在蒸发器循环回路接口中的泵

300 冷凝器循环回路接口

302 朝向要加热的地区的入流部

303 离开要加热的地区的回流部

310 冷凝器循环回路温度传感器

340 冷凝器循环回路接口中的泵

400 控制装置

410 控制线路

500 要加热的地区

600 要冷却的地区

700 可控热交换器

710 热交换器单元

711 第一路径的输入端

712 第一路径的输出端

713 第二路径的输入端

714 第二路径的输出端

720 二通开关

730 二通开关

740 二通开关

750 二通开关

760 混合器

Claims (15)

1.一种热泵装置，所述热泵装置具有如下特征：

热泵设备(100)；

蒸发器循环回路接口(200)，用于将要冷却的液体(230)引入到所述热泵设备(100)中和将已冷却的液体(220)从所述热泵设备(100)中引出；

冷凝器循环回路接口(300)，用于将要加热的液体(330)引入到所述热泵设备中和将已加热的液体(320)从所述热泵设备中引出；

可控热交换器(700)，用于将所述蒸发器循环回路接口(200)和所述冷凝器循环回路接口(300)可控地耦联；和

控制装置(400)，用于与所述蒸发器循环回路接口(200)中的蒸发器循环回路温度或所述冷凝器循环回路接口(300)中的冷凝器循环温度相关地控制所述可控热交换器(700)，

其中所述可控热交换器(700)具有带有端子和液体分离的两个路径的热交换器单元(710)和至少一个控制元件(720，730，740，750，760)，其中所述热交换器单元(710)的至少一个端子与所述至少一个控制元件(720，730，740，750，760)的至少一个端子耦联，以便与所述控制元件(720，730，740，750，760)的设定相关地产生、减少或禁止通过所述热交换器单元(710)的路径之一的穿流，

其中所述至少一个控制元件(720，730，740，750，760)构成为二通开关(720，730，740，750)或混合器(760)。

2.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述至少一个控制元件(720，730，740，750)构成为被动式二通开关，以便与所述被动式二通开关的设定相关地产生或禁止通过所述热交换器单元(710)的路径之一的穿流，或者其中所述至少一个控制元件(760)构成为被动式混合器，以便与所述混合器的设定相关地减少通过所述热交换器单元(710)的路径之一的穿流，或者

其中所述控制装置(400)构成为，用于控制所述控制元件(720，730，740，750，760)，使得当所述冷凝器循环回路温度(TWW)与所述蒸发器循环回路温度(TWK)处于预定的比例或者小于预定的冷凝器循环回路温度阈值时，产生通过所述路径的穿流，或者

其中所述可控热交换器(700)构成为，使得所述可控热交换器的一个路径与所述控制装置(400)无关地能够连续地被穿流，并且所述可控热交换器的另一路径通过所述控制装置(400)是可接通或可切断的或者关于开状态是可扼流的，或者

其中所述可控热交换器(700)具有带有端子和两个液体分离的路径的热交换器单元(710)和控制元件(720，730)，

其中所述控制元件(720，730)与所述热交换器单元的第一路径液体耦联，并且与所述蒸发器循环回路接口(200)液体耦联，并且其中所述冷凝器循环回路接口与所述热交换器单元的第二路径耦联，使得要加热的液体从所述第二路径中离开并且已加热的液体在要加热的地区(500)中冷却之后进入到所述第二路径中。

3.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述可控热交换器具有带有端子和两个液体分离的路径的热交换器单元(710)和控制元件(740，750)，

其中所述控制元件与所述热交换器单元的第二路径液体耦联并且与所述冷凝器循环回路接口(300)液体耦联，

其中所述蒸发器循环回路接口与所述热交换器单元(710)的所述第一路径耦联成，使得要冷却的液体从所述第一路径中离开并且已冷却的液体在要冷却的地区(600)中加热之后进入到所述第一路径中。

4.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述蒸发器循环回路接口(200)具有到所述热泵设备的输入端子和到所述热泵设备的输出端子、用于要冷却的地区的接口和用于所述可控热交换器的接口，其中所述蒸发器循环回路接口(200)还具有蒸发器循环回路泵(240)，以便使要冷却的液体(230)或已冷却的液体(220)循环，或者

其中所述冷凝器循环回路接口(300)具有到所述热泵设备(100)上的输入端子和到所述热泵设备上的输出端子和用于要加热的地区(500)的接口，以及用于所述可控热交换器(700)的接口，

其中所述冷凝器循环回路接口还具有冷凝器循环回路泵(340)，所述冷凝器循环回路泵构成为，使已加热的液体(320)或要加热的液体(330)循环，或者

其中所述蒸发器循环回路温度传感器(210)构成为，在要冷却的液体进入到所述可控热交换器中之前，用于检测要冷却的液体的温度，或者

其中所述冷凝器循环回路温度传感器(310)构成为，在要加热的液体进入到所述可控热交换器(700)中之前，用于检测要加热的液体的温度。

5.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述控制装置(400)构成为，

当要加热的液体(320)的冷凝器循环回路温度大于要冷却的液体的蒸发器循环回路温度时，利用所述可控热交换器(700)禁止通过要加热的液体(330)对要冷却的液体(230)的冷却，或者

当要加热的液体(330)的冷凝器循环回路温度大于要冷却的液体(230)的蒸发器循环回路温度时，利用所述可控热交换器禁止通过要加热的液体(330)对要冷却的液体(230)的冷却，并且与所要求的冷却功率相关地进行在所述热泵设备(100)中的压缩机的径向轮的转速调节，或者

当要加热的液体(330)的冷凝器循环回路温度小于要冷却的液体(230)的蒸发器循环回路温度时，利用所述可控热交换器激活通过要加热的液体(330)对要冷却的液体(230)的冷却，或者

当要加热的液体(330)的冷凝器循环回路温度小于要冷却的液体(230)或已冷却的液体(220)的预定的温度时，利用所述可控热交换器激活通过要加热的液体(330)对要冷却的液体(230)的冷却，并且与所要求的冷却功率相关地提高或者降低在所述热泵设备的所述压缩机之内的径向轮的转速，或者停用所述热泵设备中的压缩机，或者

当要加热的液体(330)的冷凝器循环回路温度等于或小于要冷却的液体(230)或已冷却的液体(220)的预定的温度时，关于期望转速限制设置在所述冷凝器循环回路接口(300)中的循环泵(340)。

6.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述可控热交换器(700)构成为，用于利用所述冷凝器循环回路接口中的要加热的液体(330)或利用所述冷凝器循环回路接口中的已加热的液体(330)借助于可控短路来加热所述蒸发器循环回路接口(200)中的要冷却的液体(230)，用于相对于与所述蒸发器循环回路接口(200)连接的要冷却的地区(600)的功率要求，提高对所述热泵设备的功率要求。

7.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述控制装置(400)构成为，用于检测所述热泵装置或所述热泵设备(100)的状态，其中可控短路引起所述热泵设备(100)的改进的运行性能，其中所述控制装置(400)构成为，仅当所述热泵装置或所述热泵设备(100)的状态通过所述控制装置(400)检测时，才将所述可控热交换器(700)置于所述可控短路中。

8.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述可控热交换器(700)具有混合器(760)，所述混合器构成为，用于在可控短路中将在所述冷凝器循环回路接口或所述蒸发器循环回路接口中可循环的液体的第一部分分别与另外的接口的液体热有效连接，而不将所述液体的第二部分置于热有效连接，

其中所述第一部分小于所述第二部分。

9.根据权利要求8所述的热泵装置，

其中所述混合器(760)是可控制的，以便与所述热泵设备(100)的运行性能相关地控制所述第一部分与所述第二部分的比值。

10.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述热泵设备(100)具有压缩器(120)，所述压缩器构成为，在已冷却的液体(220)低于预定的温度时或在已加热的液体(320)超过预设的温度时切断，并且

其中所述控制装置(400)构成为，用于检测切断事件并且在所述切断事件关于一段时间存在一定频繁性的情况下激活所述可控热交换器(700)中的可控短路，以便降低切断事件关于这段时间的频繁性或者以便完全地消除切断事件。

11.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述蒸发器循环回路接口(200)构成为，用于直接地或经由热交换器与要冷却的地区(600)耦联，或者

其中所述冷凝器循环回路接口(300)构成为，用于直接地或经由热交换器与要加热的地区(500)耦联。

12.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述蒸发器循环回路接口(200)构成为，用于保持第一做功液体，

其中所述冷凝器循环回路接口(300)构成为，用于保持第二做功液体，

其中所述第二做功液体不同于所述第一做功液体，

或者其中所述第二做功液体是CO₂并且所述第一做功液体是水，或者

其中所述第一做功液体是水或CO₂并且所述第二做功液体是水-甘油混合物。

13.根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述热泵设备(100)具有一级或多级，其中一级具有蒸发器(110)、压缩器(120)、冷凝器(130)和扼流圈(140)，

其中所述级构成为，将水用作为做功介质，并且其中在所述蒸发器(110)和所述冷凝器(130)之间的压差在整个工作范围内小于300mbar，其中所述压缩器(120)具有径向轮，所述径向轮与所述热泵设备的所要求的功率相关地在其转速方面是可控制的，并且

其中所述扼流圈(140)是自调节的被动式扼流圈，或者

其中所述热泵设备(100)具有一级或多级，其中一级具有蒸发器(110)、压缩器(120)、冷凝器(130)和扼流圈(140)，

其中所述级构成为，将化学介质用作为做功介质，其中在所述蒸发器(110)和所述冷凝器(130)之间的压差大于5bar，并且

其中所述压缩器(120)具有径向轮，所述径向轮与所述热泵设备的所要求的功率相关地在其转速方面是可控制的，并且

其中所述扼流圈(140)具有可切换的扼流圈旁路，以便将所述做功介质从所述冷凝器(130)向回引入所述蒸发器(110)中。

14.一种热泵设施，所述热泵设施具有如下特征：

要冷却的地区(600)；

要加热的地区(500)；

根据权利要求1所述的热泵装置，

其中所述热泵设施的所述蒸发器循环回路接口(200)与所述要冷却的地区(600)耦联，

其中所述冷凝器循环回路接口(300)与所述要加热的地区(500)耦联。

15.一种用于运行具有热泵设备的热泵装置的方法，具有如下步骤：

将要冷却的液体引入到所述热泵设备中和将已冷却的液体从所述热泵设备中引出；

将要加热的液体引入到所述热泵设备中和将已加热的液体从所述热泵设备中引出；

将通过要加热的地区(500)冷却的液体以可控制的和热学的方式和方法与要冷却的液体经由可控热交换器，与蒸发器循环回路温度相关地或者与冷凝器循环回路温度相关地耦联，其中所述蒸发器循环回路温度具有要冷却的液体或已冷却的液体的温度，所述冷凝器循环回路温度具有要加热的液体或已加热的液体或通过要加热的地区(500)冷却的液体的温度，

其中所述可控热交换器(700)具有带有端子和两个液体分离的路径的热交换器单元(710)和至少一个控制元件(720，730，740，750，760)，其中所述热交换器单元(710)的至少一个端子与所述至少一个控制元件(720，730，740，750，760)的至少一个端子耦联，以便与所述控制元件(720，730，740，750，760)的设定相关地产生、减少或禁止通过所述热交换器单元(710)的路径之一的穿流，并且

其中所述至少一个控制元件(720，730，740，750，760)构成为二通开关(720，730，740，750)或混合器(760)。

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