CZ299573B6 - 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 rešení spocívá v tom, že 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 nichž každá je pripojena na odparovací vstup jednoho výmeníku (31, 32) tepla vzduch/chladivo, pricemž každá 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 každá z vetví (51, 52) vratného potrubí (5) chladiva je uzavíratelná.

Description

Tepelné čerpadlo

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 chladili vovým 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 chladi20 vem 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 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 výměníků 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 299573 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 nerovnoměr10 nosti 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 provo15 zu 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 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 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

-2CZ 299573 B6 napojeno před odpařovacím vstupem druhého výměníku tepla vzduch/chladivo, přičemž druhá větev vratného potrubí chladivá je mezi místem rozdělení vratného potrubí chladivá na větve a druhým ohřívacím potrubím napojena na druhé pomocné potrubí, které je na druhou větev vratného potrubí chladivá napojeno před odpařovacím vstupem prvního výměníku tepla vzduch/chladivo a obě pomocná potrubí jsou opatřena ovladatelným ventilem napojeným na řídicí zařízení.

Přehled obrázku 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 kompreso20 ru i 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 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 3T 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 92 vedena do druhého výměníku 32 tepla vzduch/chladivo. Ve druhem 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 31 tepla vzduch/chladivo. S takto získaným teplem je chladivo odváděno výstupem 33 do přívodního potrubí 2 chladivá ke kompresoru i.

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 výměníků 31, 32 tepla vzduch/chladivo.

-3 CZ 299573 B6

První větev 51 vratného potrubí 5 chladívaje mezi místem rozdělení vratného potrubí 5 chladivá na větve 51, 52 a prvním ohřívacím potrubím 81 propojena prvním pomocným potrubím 510 s místem mezi koncem prvního ohřívacího potrubí 81 a odpařovacím vstupem 320 druhého výmě5 niku 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 ío 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 neznázoměném 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 91, 92.

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 3J_ 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 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 vzdu40 chu 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 urči45 tou 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.

-4 CZ 299573 B6

V případech, kdy nehrozí vznik námrazy na výměnících 31, 32 tepla 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 odpařovací 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. Tepelné čerpadlo obsahující dvojici výměníků tepla vzduch/chladivo napojených na pří15 vodní 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

20 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

25 potrubí (5) chladivá jsou opatřeny uzavíracími ventily (91, 92) spřaženými s řídicím zařízením.

3. Tepelné čerpadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že řídicí zařízení uzavíracích ventilů (91, 92) obsahuje časové ovládací zařízení.

30

4. Tepelné čerpadlo podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že každá z větví (51, 52) vratného potrubí (5) chladívaje opatřena ovladatelně otevíratelným a uzavíratelným přemostěním (by-passem) své části tvořící ohřívací potrubí (81, 82).

5. Tepelné čerpadlo podle nároku 4, vyznač u j í cí se tí m , že první větev (51) vrat35 ného 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 před odpařovacím vstupem (320) druhého výměníku (32) tepla vzduch/chladivo, přičemž druhá větev (52) vratného potrubí (5) chladívaje mezi místem rozdělení vratného potrubí (5) chladivá na větve (51, 52) a druhým ohřívacím potrubím (82)

40 napojena na druhé pomocné potrubí (520), které je na druhou větev (52) vratného potrubí (5) chladivá napojeno před odpařovacím vstupem (310) prvního výměníku (31) tepla vzduch/chiadivo a obě pomocná potrubí (510, 520) jsou opatřena ovladatelným ventilem (5100, 5200) napojeným na řídicí zařízení.