CZ2004459A3 - Tepelné čerpadlo - Google Patents

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.

9999 99 9 «9 · • 99 999 9 9 9

9999 ♦ 999 9 999 :: : ·: : *RS3409C2··:·

999 99 9 99 9

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 chiadivo/voda do výměníku tepla vzduch/chladivo zbytkovou teplotu okolo 35°C až 40°C. 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 odtát! 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 odtát! 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 •Φ φφφφ φ · φ φ φφφφ φ φ φ φ φ · · φφ φφφ φφ φ • φ φ • φ φ φ φ φ φ φ φφ φ φ φ φ φ3«Κ$9φΣ·:

φ φφ φ 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 15 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 zajisti 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.

• · 9 · : :***:·: : ^:···Ρφ4§άε£ •9999 99 9 ·9 ·

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

Pro zvýšení užitné hodnoty a účinnosti zejména v období, kdy nehrozí vytvoření námrazy na výměnících tepla vzduch/chladivo je výhodné, je-li každá z větví vratného potrubí chladivá je opatřena ovladatelně otevíratelným a uzavíratelným přemostěním (by-passem) své části tvořící ohřívací potrubí, které je podle jednoho příkladného provedení vytvořeno tak, že první větev vratného potrubí je mezi místem rozdělení vratného potrubí chladivá na větve a prvním ohřívacím potrubím napojena na první pomocné potrubí, které je na první větev vratného potrubí chladivá napojeno před odpařovacím vstupem druhého výměníku tepla vzduch/chíadivo, přičemž druhá větev vratného potrubí chiadiva je mezi místem rozdělení vratného potrubí chiadiva na větve a druhým ohřívacím potrubím napojena na druhé pomocné potrubí, které je na druhou větev vratného potrubí chiadiva napojeno před odpařovacím vstupem prvního výměníku tepla vzduch/chladivo a obě pomocná potrubí jsou opatřena ovladatelným ventilem napojeným na řídicí 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 chiadiva 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 chiadiva, 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 okolo 35°C až 40°C a je vratným potrubím 5 chiadiva 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 chladivá 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 L

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 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 2Uzavírací 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 25 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.

První větev 51 vratného potrubí 5 chladivá je mezi místem rozdělení vratného potrubí 5 chladivá na větve 51, 52 a prvním ohřívacím potrubím 81 : ··:· p^4Q9e? • · · · propojena prvním pomocným potrubím 510 s místem mezi koncem prvního ohřívacího potrubí 81 a odpařovacím vstupem 320 druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo. První pomocné potrubí 510 je opatřeno ovladatelným ventilem 5100.

Ekvivalentně je druhá větev 52 vratného potrubí 5 chladivá mezi místem rozdělení vratného potrubí 5 chladivá na větve 51, 52 a druhým ohřívacím potrubím 82 propojena druhým pomocným potrubím 520 s místem mezi koncem druhého ohřívacího potrubí 82 a odpařovacím vstupem 310 prvního výměníku 31 tepla vzduch/chladivo. Druhé pomocné potrubí 520 je opatřeno ovladatelným ventilem 5200.

Ovladatelné ventily 5100. 5200 jsou spřaženy s řídicím zařízením.

Ve znázorněném příkladu provedení jsou první a druhé pomocné potrubí 510. 520 na místo mezi místem rozdělení vratného potrubí 5 chladivá na větve 51, 52 a ohřívacími potrubími 81., 82 napojeny ve směru proudění chladivá za ovladatelnými ventily 91, 92. V neznázorněném příkladu provedení jsou první a druhé pomocné potrubí 510, 520 na místo mezi místem rozdělení vratného potrubí 5 chladivá na větve 51, 52 a ohřívacími potrubími 81. 82 napojeny ve směru proudění chladivá před ovladatelnými ventily 31, 32.

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 31 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 • · · » · · t · φ ··· chladivá. Tím chladivo se zbytkovým teplem nejprve proudí do druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo jako ohřívací médium a zajišťuje odtávání námrazy z tohoto druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo, který předtím sloužil 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 1, 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 10 jednotlivých větví 51, 52 vratného potrubí 5 chladivá může být řízeno např. na jednoduchém časovém principu, kdy určitou dobu, např. 30 minut, běží chiadivo 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.

V případech, kdy nehrozí vznik námrazy na výměnících 31, 32 tepla 20 vzduch/chladivo a není tudíž potřeba ohřívat výměníky 31, 32 tepla vzduch/chladivo je chladivo vedeno pomocnými potrubími 510, 520 mimo ohřívací potrubí 81, 82 od místa rozdělení vratného potrubí 5 chladivá na větve 51, 52 přímo před odpařovači vstupy 310, 320 obou výměníků 31, 32 tepla vzduch/chladivo. Tím se umožní získávání tepla z obou výměníků 31, 32, zvýšení topného faktoru tepelného čerpadla a zvýší se užitná hodnota tepelného čerpadla.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tepelné čerpadlo obsahující dvojici výměníků tepla vzduch/chladivo napojených na přívodní potrubí chladivá do kompresoru a dále napojených na vratné potrubí chladivá z výměníku tepla chladivo/voda, vyznačující se tím, že

   5 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 dvojice výměníků (31, 32) tepla vzduch/chladivo ohřívací potrubí (81, 82) druhého

   10 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 s řídicím zařízením.

   15
3. 3.. Tepelné čerpadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že řídicí zařízení uzavíracích ventilů (9) obsahuje časové ovládací zařízení.
4. 4. Tepelné čerpadlo podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že každá z větví (51, 52) vratného potrubí (5) chladivá je opatřena ovladatelně otevíratelným a uzavíratelným přemostěním (by-passem) své části

   20 tvořící ohřívací potrubí (81, 82).
5. 5. Tepelné čerpadlo podle nároku 4, vyznačující se tím, že první větev (51) vratného potrubí (5) je mezi místem rozdělení vratného potrubí (5) chladivá na větve (51, 52) a prvním ohřívacím potrubím (81) napojena na první pomocné potrubí (510), které je na první větev (51) vratného potrubí (5) chladivá napojeno

   25 před odpařovacím vstupem (320) druhého výměníku (32) tepla vzduch/chladivo, přičemž druhá větev (52) vratného potrubí (5) chladivá je mezi místem rozdělení vratného potrubí (5) chladivá na větve (51, 52) a druhým ohřívacím potrubím (82) napojena na druhé pomocné potrubí (520), které je na druhou větev (52) vratného potrubí (5) chladivá napojeno před odpařovacím vstupem (310) prvního výměníku

   30 (31) tepla vzduch/chladivo a obě pomocná potrubí (510, 520) jsou opatřena ovladatelným ventilem (5100, 5200) napojeným na řídicí zařízení.