CZ296566B6 - 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 vstupemdo 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) chladivaje uzavíratelná.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká tepelného čerpadla obsahujícího dvojici výměníků tepla 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. 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 35 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 odtátí tohoto výměníku tepla vzduch/chladivo se zastaví přenos tepla do odtávaného výměníku tepla vzduch/chladivo a spustí

-1 CZ 296566 B6 se přenos tepla z tepelného čerpadla do spotřebiče tepla. V okamžiku vytvoření námrazy na aktuálně používaném 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 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 chladívaje 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.

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

Přehled obrázku na výkrese

Vynález je schematicky znázorněn na výkrese.

-2CZ 296566 B6

Příklady provedení vynálezu

Tepelné čerpadlo obsahuje kompresor 1, jehož sání je propojeno přívodním potrubím 2 s výstupem 3 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 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 chladívaje 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 1.

Druhá větev 52 vratného potrubí 5 chladívaje 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 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 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 vyměníků31, 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 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 z e vzduchu a s tímto teplem proudí k e 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

-3 CZ 296566 B6 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 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 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.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (3)

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 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 z dvojice výměníků (31, 32) tepla vzduch/chladivo a každá z větví (51, 52) vratného potrubí (5) chladívaje uzavíratelná.

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.

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