CZ2004367A3 - Tepelné cerpadlo - Google Patents

Abstract

Tepelné cerpadlo obsahuje dvojici výmeníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo napojených na prívodní potrubí (2) chladiva do kompresoru (1) a dále napojených na vratné potrubí (5) chladiva z výmeníku tepla (4) chladivo/voda. Podstata spocívá v tom, ze vratné potrubí (5) chladiva z výmeníku (4) tepla chladivo/voda je pred vstupem do výmeníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo rozdeleno do dvou vetví (51, 52), z nichz kazdá je pripojena na odparovací vstup jednoho výmeníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo,pricemz kazdá z vetví (51, 52) tvorí pred vstupem do jednoho z dvojice výmeníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo ohrívací potrubí (81, 82) druhého z dvojice výmeníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo a kazdá z vetví (51, 52) vratného potrubí (5) chladiva je uzavíratelná.

Description

Tepelné čerpadlo

Oblast techniky

Vynález se týká tepelného čerpadla obsahujícího dvojici výměníků tepla 5 vzduch/chladivo napojených na přívodní potrubí chladivá do kompresoru a dále napojených na vratné potrubí chladivá z výměníku tepla chladivo/voda.

Dosavadní stav techniky

Jsou známa tepelná čerpadla spřažená s nízkoteplotním zdrojem tepla. 10 Nízkoteplotní zdroj tepla je umístěn mimo budovu. Tepelné čerpadlo známým způsobem ohřívá chladivo, které je chladivovým potrubím oběhově vedeno do výměníku tepla chladivo/voda zabudovaného do konstrukce tepelného čerpadla. Tato voda se dále používá v příslušném spotřebiči tepla, např. v otopném systému budovy pro vytápění budovy. Nízkoteplotním zdrojem tepla může být např. teplo ze země (z vhodného vrtu), teplo z vody nebo teplo ze vzduchu. Zejména u systémů odebírajících teplo ze vzduchu, které obsahují ventilátor zajišťující proudění vzduchu kolem trubek s chladivém ve výměníku tepla vzduch/chladivo, však dochází k vytváření námrazy na této části trubek, resp. na tomto výměníku, čímž se snižuje účinnost odebírání tepla ze vzduchu a snižuje se tepelný výkon tepelného čerpadla.

Pro snížení nebo odstranění tohoto negativního vlivu je známo několik systémů odstraňování námrazy. Není přitom v podstatě možné využít mechanických způsobů, protože se ve většině případů jedná o námrazu na poměrně choulostivých prvcích zařízení a hrozí jejich poškození při odstraňování námrazy mechanickou cestou. Proto se používá cesta postupného odtávání námrazy.

Je známo odtávání námrazy na výměníku tepla vzduch/chladivo pomocí elektrických topných tyčí či kabelů zabudovaných do výměníku tepla vzduch/chladivo, což je však ekonomicky a provozně náročné u s ohledem na řízení celého procesu odtávání, tj. na spouštění a vypínání celého procesu, kdy je potřeba určit správné okamžiky spuštění a vypnutí odtávání.

Dále je známo odtávání námrazy z výměníku tepla vzduch/chladivo tak, že se dočasně odstaví odvádění tepelného výkonu tepelného čerpadla do spotřebiče tepla např. do otopného systému budovy a tepelný výkon tepelného čerpadla se odvádí do výměníku tepla vzduch/chladivo, který postupně odtaje. Následně se opět zapojí odvádění tepelného výkonu tepelného čerpadla do spotřebiče tepla např. do otopného systému budovy.

Je také známo využití pomocného topného okruhu, u kterého je ve zpětném vedení chladivá z výměníku tepla chladivo/voda (poté co chladivo odevzdá své teplo do spotřebiče tepla např. pro vytápění budovy) do výměníku tepla vzduch/chladivo vytvořen přídavný výměník tepla chladivo/voda, neboť chladivo má ve zpětném vedení chladivá z výměníku tepla chladivo/voda do výměníku tepla vzduch/chladivo zbytkovou teplotu okolo 35¾^ až 4ojc. Voda ohřátá v přídavném výměníku tepla chladivo/voda se pomocným oběhovým čerpadlem vede pomocným potrubím do výměníku tepla vzduch/chladivo, který je tak ohříván a odtává.

Je také známo použití dvojice výměníků tepla vzduch/chladivo, u kterých se v případě vzniku námrazy na jednom výměníku přepne provoz tepelného čerpadla na druhý výměník tepla vzduch/chladivo a současně se odstaví přenos tepla z tepelného čerpadla do spotřebiče tepla, např. do otopného systému budovy, a veškeré teplo produkované tepelným čerpadlem se používá k ohřevu odstaveného výměníku tepla vzduch/chladivo. Po odtátí tohoto výměníku tepla vzduch/chladivo se zastaví přenos tepla do odtávaného výměníku tepla vzduch/chladivo a spustí se přenos tepla z tepelného čerpadla do spotřebiče tepla. V okamžiku vytvoření námrazy na aktuálně používané výměníku tepla vzduch/chladivo se přepne na předtím odtátý výměník tepla vzduch/chladivo, znovu se odstaví přenos tepla z tepelného čerpadla do spotřebiče tepla a veškerý tepelný výkon tepelného čerpadla se použije na odtátí namraženého výměníku tepla vzduch/chladivo. Celý cyklus se neustále opakuje.

Společnou nevýhodou posledních tří výše uvedených řešení je to, že pro dosažení řádného odtávání námrazy na výměníku tepla vzduch/chladivo je nutno dočasně odstavit tepelné čerpadlo od působení do spotřebiče tepla např. do otopného systému budovy, čímž dochází k nerovnoměrnosti tepelného výkonu dodávaného spotřebiči tepla a tím i např. k výkyvům teploty uvnitř vytápěné

-FS340«eZ budovy či k výkyvům teploty užitkové vody atd., a to se všemi negativními nedostatky. Další nevýhodou dosavadního stavu techniky jsou vysoké nároky na řízení celého systému odtávání, kdy musí být k automatickému chodu celého systému použita nákladná a složitá diagnostická technika, což zvyšuje cenu celého systému a také možnost vzniku poruch a výpadků provozu tepelného čerpadla. Je totiž velmi náročné sledovat míru námrazy a určit okamžik spuštění a vypnutí odtávání námrazy a odstavení tepelného čerpadla od spotřebiče tepla. Při trvalém provozu odtávacích systémů podle stavu techniky by navíc docházelo k výraznému prodražení provozu celého tepelného čerpadla.

Cílem technického řešení je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo tepelným čerpadlem, jehož podstata spočívá v tom, že vratné potrubí chladivá z výměníku tepla chladivo/voda je před vstupem do výměníků tepla vzduch/chladivo rozděleno do dvou větví, z nichž každá je připojena na odpařovací vstup jednoho výměníku tepla vzduch/chladivo, přičemž každá z větví tvoří před vstupem do jednoho z dvojice výměníků tepla vzduch/chladivo ohřívací potrubí druhého z dvojice výměníků tepla vzduch/chladivo a každá z větví vratného potrubí chladivá je uzavíratelná.

Toto řešení umožňuje jednoduchými a relativně levnými prostředky a bez nároků na složité řídicí zařízení zajistit spolehlivé a nepřetržité odtávání námrazy z výměníků tepla vzduch/chladivo, a to vždy bez nutnosti přerušovat tok tepelného výkonu tepelného čerpadla do spotřebiče tepla např. do otopného systému budovy, protože se nepřetržitě odtává námraza vždy z jednoho z dvojice výměníků tepla vzduch/chladivo pomocí zbytkového tepla chladivá, přičemž druhý výměník tepla vzduch/chladivo využívá ihned vzápětí po průchodu chladivá odtávaným výměníkem tepla vzduch/chladivo toto chladivo k odebírání tepla ze vzduchu. Tím se odbourá nutnost odpojovat přenos tepelného výkonu tepelného čerpadla od spotřebiče tepla a zajistí se trvalý přenos výkonu tepelného čerpadla do spotřebiče tepla, např. do otopného systému budovy.

Podle jednoho výhodného provedení jsou větve vratného potrubí chladivá opatřeny uzavíracími ventily spřaženými s řídicím zařízením.

PS3465€Z4

Z hlediska jednoduchosti řízení uzavíracích ventilů je výhodné, obsahuje-li řídicí zařízení uzavíracích ventilů časové ovládací zařízení.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález je schematicky znázorněn na výkrese.

Příklady provedení vynálezu

Tepelné čerpadlo obsahuje kompresor 1_, jehož sání je propojeno přívodním potrubím 2 s výstupem 33 chladivá z dvojice výměníků 3 tepla vzduch/chladivo. Chladivo na výstupu 33 z výměníků 3 tepla vzduch/chladivo nese teplo odebrané ze vzduchu. Kompresor 1 stlačuje toto chladivo, čímž se dále zvyšuje teplota chladivá, obvykle na hodnoty kolem 85°C. Chladivo je z kompresoru 1 vedeno do výměníku 4 tepla chladivo/voda. Takto ohřátá voda se dále používá pro spotřebič tepla, např. pro vytápění budovy atd. Z výměníku 4 tepla chladivo/voda vystupuje chladivo ochlazené na zbytkovou teplotu obvykle τ' okolo 35^' až 40^C a je vratným potrubím 5 chladivá vedeno k výměníkům 31, 32 tepla vzduch/chladivo, přičemž vratné potrubí 5 je před vstupem do výměníků 31, 32 tepla vzduch/chladivo rozděleno na dvě větve 51, 52./

První větev 51 vratného potrubí 5 chladivá je přes první ovladatelný uzavírací ventil 91 vedena do prvního výměníku 31. tepla vzduch/chladivo. V prvním výměníku 31 tepla vzduch/chladivo tvoří první větev 51 vratného potrubí 5 chladivá první ohřívací potrubí 81 pro odtávání tohoto výměníku 31 tepla vzduch/chladivo. Z prvního výměníku 31 tepla vzduch/chladivo pokračuje první větev 51 do odpařovacího vstupu 320 druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo. Ve druhém výměníku 32 tepla vzduch/chladivo probíhá známá expanze chladívá spojená s odebíráním tepla chladivém ze vzduchu obklopujícího druhý výměník 32 tepla vzduch/chladivo. S takto získaným teplem je chladivo odváděno výstupem 33 do přívodního potrubí 2 chladivá ke kompresoru 1.

Druhá větev 52 vratného potrubí 5 chladivá je přes druhý ovladatelný uzavírací ventil 91 vedena do druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo. Ve druhém výměníku 32 tepla vzduch/chladivo tvoří druhá větev 52 vratného potrubí 5 chladivá druhé ohřívací potrubí 82 pro odtávání tohoto výměníku 32 tepla vzduch/chladivo. Ze druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo pokračuje ~Ρδ34ίι6βΖ5 druhá větev 52 do odpařovacího vstupu 310 prvního výměníku 31 tepla vzduch/chladivo. V prvním výměníku 31 tepla vzduch/chladivo probíhá známá expanze chladivá spojená s odebíráním tepla chladivém ze vzduchu obklopujícího první výměník 32 tepla vzduch/chladivo. S takto získaným teplem je chladivo odváděno výstupem 33 do přívodního potrubí 2 chladivá ke kompresoru 1.

Uzavírací ventily 91, 92 jsou pro účely automatizace napojeny na vhodné ovládací prvky, např. se může jednat o elektromagneticky řízené ventily napojené na vhodné řídicí zařízení.

Odpařovací vstup 310, 320 chladivá do příslušného výměníku 31, 32 tepla 10 vzduch/chladivo obsahuje vhodnou odpařovací trysku 72, která zajišťuje odpařování chladivá a jeho rozvod do příslušného výměníku 31, 32 tepla vzduch/chladivo, kde toto chladivo odebírá teplo ze vzduchu.

Výměníky 31, 32 tepla vzduch/chladivo jsou opatřeny ventilátorem 30 napojeným na pohon, pro zvýšení proudění vzduchu kolem teplosměnných ploch výměníků 31, 32 tepla vzduch/chladivo.

Tepelné čerpadlo podle vynálezu pracuje například tak, že první uzavírací ventil 91 ovládající vstup chladivá se zbytkovým teplem do první větve 51 vratného potrubí 5 chladivá je otevřený a druhý uzavírací ventil 92 ovládající vstup chladivá se zbytkovým teplem do druhé větve 52 vratného potrubí 5 chladivá je zavřený. Tím chladivo se zbytkovým teplem nejprve proudí do prvního výměníku tepla vzduch/chladivo jako ohřívací médium a zajišťuje odtávání námrazy z tohoto prvního výměníku 31 tepla vzduch/chladivo. Teprve následně proudí toto chladivo do druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo, kde expanduje a odebírá teplo ze vzduchu a s tímto teplem proudí ke kompresoru 1_, kterým je stlačeno (zvýší se teplota chladivá) a je vedeno do výměníku 4 tepla chladivo/voda pro spotřebič tepla, např. pro vytápění budovy. V určitém okamžiku, např. podle údajů čidel nebo jednoduše po uplynutí určitého časového intervalu, dojde k uzavření prvního uzavíracího ventilu 91 a k otevření druhého uzavíracího ventilu 92, takže je otevřený vstup chladivá se zbytkovým teplem do druhé větve 52 vratného potrubí 5 chladivá a současně dojde k uzavření první větve 51 vratného potrubí 5 chladivá. Tím chladivo se zbytkovým teplem nejprve proudí do druhého výměníku tepla vzduch/chladivo jako ohřívací médium a zajišťuje odtávání námrazy z tohoto druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo, který předtím sloužil

-PS34t)6^r3Z k odebírání tepla ze vzduchu do chladivá. Teprve následně proudí toto chladivo do prvního výměníku 31 tepla vzduch/chladivo, kde expanduje a odebírá teplo ze vzduchu a ohřáté tímto teplem proudí ke kompresoru i, kterým je stlačeno (zvýší se teplota chladivá) a je vedeno do výměníku 4 tepla chladivo/voda, např. pro vytápění budovy.

Přepínání uzavíracích ventilů 9 (91, 92) ovládajících vstup chladivá do jednotlivých větví 51, 52 vratného potrubí 5 chladivá může být řízeno např. na jednoduchém časovém principu, kdy určitou dobu, např. 30 minut, běží chladivo přes první větev 51, pak dojde k přepnutí a další dobu, např. také 30 minut, běží chladivo přes druhou větev 52. Délka časových intervalů chodu jednotlivých větví 51, 52 vratného potrubí 5 chladivá může být řízena i automaticky např. podle aktuální vlhkosti a teploty v okolí výměníků 31 32 tepla vzduch/chladivo atd.

Dvojice uzavíracích ventilů 91, 92 může být nahrazena jiným vhodným řídicím prvkem, např. sdruženým ventilem s jedním ovládacím prvkem ovládajícím přepínání chladivá mezi větvemi 51, 52 atd.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelné čerpadlo obsahující dvojici výměníků tepla vzduch/chladivo napojených na přívodní potrubí chladivá do kompresoru a dále napojených na

   5 vratné potrubí chladivá z výměníku tepla chladivo/voda, vyznačující se tím, že vratné potrubí (5) chladivá z výměníku (4) tepla chladivo/voda je před vstupem do výměníků (31, 32) tepla vzduch/chladivo rozděleno do dvou větví (51, 52), z nichž každá je připojena na odpařovací vstup jednoho výměníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo, přičemž každá z větví (51, 52) tvoří před vstupem do jednoho z

   10 dvojice výměníků (31, 32) tepla vzduch/chladivo ohřívací potrubí (81, 82) druhého z dvojice výměníků (31, 32) tepla vzduch/chladivo a každá z větví (51, 52) vratného potrubí (5) chladivá je uzavíratelná.
2. 2. Tepelné čerpadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že větve (51, 52) vratného potrubí (5) chladivá jsou opatřeny uzavíracími ventily (9) spřaženými

   15 s řídicím zařízením.
3. 3. Tepelné čerpadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že řídicí zařízení uzavíracích ventilů (9) obsahuje časové ovládací zařízení.