DE10043169B4

DE10043169B4 - Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem zum Durchführen eines Entfrostungsvorgangs

Info

Publication number: DE10043169B4
Application number: DE10043169A
Authority: DE
Inventors: Jyouji Kariya Kuroki; Hisayoshi Kariya Sakakibara; Masahiko Kariya Ito; Tomoaki Kariya Kobayakawa; Kazutoshi Kariya Kusakari; Michiyuki Kariya Saikawa
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc; Denso Corp
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Denso Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2020-09-02
Also published as: JP3297657B2; JP2001082802A; DE10043169A1; US6418737B1

Abstract

Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem, aufweisend:
einen Wärmepumpenkreislauf, der einen Verdichter (4), einen ersten Wärmetauscher (5), eine Druckverringerungsvorrichtung (6) und einen zweiten Wärmetauscher (7) umfaßt, die miteinander auf einer Ringstrecke verbunden sind,
eine Entfrostungssteuereinheit zum Entfrosten des zweiten Wärmetauschers (7) in einem Entfrostungsbetrieb durch Steuern eines Öffnungsgrads der Druckverringerungseinrichtung (6),
einen Vorratsbehälter (2) zum Bevorraten von Flüssigkeit, die in einem gewöhnlichen Betrieb erwärmt werden soll,
ein Umwälzrohr (17, 18), welches durch den ersten Wärmetauscher (5) derart verläuft, daß die Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter (2) in dem Umwälzrohr (17, 18) umgewälzt wird, während sie durch den ersten Wärmetauscher strömt,
eine Pumpe (3) zum Umwälzen der Flüssigkeit in dem Umwälzrohr (17, 18), wobei:
der Öffnungsgrad der Druckverringerungsvorrichtung (6) im Entfrostungsbetrieb durch die Entfrostungssteuereinheit so gesteuert wird, daß er größer ist als im gewöhnlichen Betrieb, und
die Entfrostungssteuereinheit einen Betrieb der Pumpe (3) im Entfrostungsbetrieb stoppt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem.

Die JP 100 89 816 A offenbart ein Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem. Dieses System ändert die Strömungsrichtung von Kältemittel, das in einem Kältekreislauf zirkuliert, zwischen einem Versorgungs- und einem Entfrostungsbetrieb. Ein Wasserwärmetauscher, der als Verflüssiger im Heißwasserversorgungsbetrieb dient, wird als Verdampfer im Entfrostungsbetrieb genutzt, während ein externer Wärmetauscher, der als Verdampfer im Heißwasserversorgungsbetrieb dient, als Verflüssiger im Entfrostungsbetrieb verwendet wird. Wärme von heißem Wasser, das durch den Heißwasserversorgungsbetrieb erwärmt wird, wird durch den Wasserwärmetauscher absorbiert und in dem gefrorenen externen Wärmetauscher abgestrahlt, um ein Entfrosten des externen Wärmetauschers durchzuführen.

In einem in der JP-B2-7-99297 offenbarten Klimatisierungssystem ist ein Umgehungsrohr von einem austragseitigen Rohr eines Verdichters abgezweigt und mit einem einlaßseitigen Rohr eines externen Wärmetauschers verbunden. Ein Teil des aus dem Verdichter ausgetragenen Hochtemperaturgases wird dadurch in das Umgehungsrohr geleitet, um ein Entfrosten des externen Wärmetauschers durchzuführen.

Bei den herkömmlichen Systemen müssen jedoch mehrere funktionelle Teile vorgesehen sein, um den Heißwasserversorgungsbetrieb bzw. den Entfrostungsbetrieb zu wählen. Das System unter Verwendung des externen Wärmetauschers als Verflüssiger bei dem Entfrostungsbetrieb erfordert ein Vierwegeventil und mehrere Umschaltventile zum Ändern der Kühlmittelströmungsrichtung. Das System, bei welchem Hochtemperaturgas, das von dem Verdichter ausgetragen wird, direkt in den externen Wärmetauscher geleitet wird, erfordert das Umgehungsrohr, mehrere Umschaltventile und dergleichen. Die Systemkosten in diesen Systemen sind deshalb erhöht, und die Kreislaufbestandteile sind kompliziert, wodurch die Zuverlässigkeit der Systeme zu wünschen übrigläßt.

Insbesondere in einem Fall, bei welchem der Wärmepumpenkreislauf CO₂ als Kältemittel verwendet und dieses auf einen kritischen Druck oder einen höheren Druck unter Druck setzt, müssen das Vierwegeventil und die Umschaltventile zum Öffnen bzw. Schließen des Kältemitteldurchlasses hochgenaue Dichtungseigenschaften aufweisen, um dem hohen Druck widerstehen zu können. Derartige Ventile sind sehr teuer und führen zu einer Erhöhung der Systemkosten.

Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend genannten Probleme gemacht worden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem zu schaffen, das geeignet ist, einen Entfrostungsvorgang bei niedrigen Kosten durchzuführen, und das hochgradig zuverlässig ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, 2 bzw. 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem im Entfrostungsbetrieb der Öff nungsgrad einer Druckverringerungsvorrichtung derart gesteuert, daß er größer ist als bei einem gewöhnlichen Betrieb, bei welchem in einem Vorratsbehälter bevorratete Flüssigkeit umgewälzt wird und in einem ersten Wärmetauscher zum Zuführen von heißem Gas erwärmt wird. Eine Pumpe zum Umwälzen von Flüssigkeit wird außerdem gestoppt. Ein Hochtemperaturkältemittel (heißes Gas), das aus dem Verdichter ausgetragen wird, strahlt eine verringerte Menge an Wärmeenergie in dem ersten Wärmetauscher ab. Die Druckabnahme des heißen Gases in der Druckverringerungsvorrichtung wird außerdem unterbunden. Infolge hiervon kann aus dem Verdichter ausgetragenes heißes Gas einen zweiten Wärmetauscher erreichen, ohne daß die Temperatur stark verringert wird, und ein Entfrosten des zweiten Wärmetauschers kann durchgeführt werden. Diese Wirkungen können mit einem einfachen Kreislaufaufbau bei niedrigen Kosten bereitgestellt werden.

Im Entfrostungsbetrieb kann erwärmte und in dem Vorratsbehälter bevorratete Flüssigkeit in den ersten Wärmetauscher in einen Zustand zugeführt werden, in welchem der Öffnungsgrad der Druckverringerungsvorrichtung größer als bei einem gewöhnlichen Betrieb ist. In diesem Fall erhöht die erwärmte Flüssigkeit die Temperatur des Körpers des ersten Wärmetauschers. Die Temperaturverringerung von heißem Gas in dem ersten Wärmetauscher kann dadurch unterbunden werden, wodurch ein Wärmeverlust des heißen Gases in dem ersten Wärmetauscher unterbunden wird. Die Entfrostungszeit ist dadurch verkürzt.

Erwärmte Flüssigkeit kann in den ersten Wärmetauscher während des Entfrostungsvorgangs kontinuierlich zugeführt werden. In diesem Fall wird die Wärmeenergie der erwärmten Flüssigkeit zunächst verbraucht, um die Temperatur des ersten Wärmetau scherkörpers zu erhöhen. Sobald die Temperatur des ersten Wärmetauscherkörpers erhöht wird, um keinen Wärmeverlust des heißen Gases hervorzurufen, wird daraufhin die Flüssigkeit verwendet, um heißes Gas zu erwärmen. Das Entfrosten des zweiten Wärmetauschers kann demnach für eine zusätzlich verkürzte Zeit durchgeführt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 eine Querschnittsansicht eines Expansionsventils gemäß der ersten Ausführungsform,
3 ein Mollier-Diagramm von Betriebszuständen in dem Wärmepumpenkreislauf gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
4 ein Blockdiagramm eines Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystems gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform, und
5 ein Mollier-Diagramm von Betriebszuständen in einem Wärmepumpenkreislauf gemäß der vierten Ausführungsform.
Wie in 1 gezeigt, umfaßt ein Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem 1 gemäß einer ersten Ausführungsform einen Vorratsbehälter 2, der Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) zum Zuführen von heißem Wasser bevorratet, einen Wärmepumpenkreis lauf C zum Erhitzen von Flüssigkeit, einen Umwälzdurchlaß (der nachfolgend erläutert ist), durch welchen Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 2 zirkuliert bzw. umgewälzt wird, eine Wasserpumpe 3 zum Umwälzen von Flüssigkeit in dem Umwälzdurchlaß, eine (nicht gezeigte) Steuereinheit zum Steuern des Heißwasserversorgungssystems 1 und dergleichen.
Der Wärmepumpenkreislauf C weist einen Verdichter 4, einen Wärmetauscher 5 zum Zuführen von heißem Wasser, ein Expansionsventil 6, einen externen Wärmetauscher 7 und einen Sammelbehälter 8 auf, die in dieser Abfolge über Rohre verbunden sind. Der Heizpumpenkreislauf C verwendet CO₂ als Kältemittel.
Der Verdichter 4 wird durch einen (nicht gezeigten) in ihm aufgenommenen Elektromotor angetrieben und verdichtet in Gasphase vorliegendes Kältemittel, das aus dem Sammelbehälter 8 ausgetragen wird, auf einen kritischen Druck oder einen höheren Druck und trägt es aus. Der Wärmetauscher 5 zum Zuführen von heißem Wasser tauscht Wärme zwischen Hochtemperaturkältemittel (heißem Gas), das aus dem Verdichter 4 ausgetragen wird, und Flüssigkeit, die von dem Vorratsbehälter 2 zugeführt wird. Der Wärmetauscher 5 weist einen (nicht gezeigten) Kältemitteldurchlaß auf, in welchem Kältemittel in einer Kältemittelströmungsrichtung strömt, und einen Flüssigkeitsdurch-laß (nicht gezeigt), in welchem Flüssigkeit in eine Flüssigkeitsströmungsrichtung entgegengesetzt zu der Kältemittelströmungsrichtung strömt. Da Kältemittel (CO₂), welches in dem Wärmetauscher 5 strömt, durch den Verdichter 4 auf zumindest einen kritischen Druck unter Druck gesetzt worden ist, kondensiert das Kältemittel selbst dann nicht, wenn es Wärme abstrahlt, um die Temperatur von Flüssigkeit zu verringern, die in dem Wärmetauscher 5 strömt.
Bei dem Expansionsventil 6 handelt es sich um eine Druckverringerungsvorrichtung, welche den Druck von Kältemittel verringert, das aus dem Wärmetauscher 5 ausgetragen wird, und zwar in Übereinstimmung mit einem Öffnungsgrad dieser Vorrichtung. Die Steuereinheit steuert elektrisch den Öffnungsgrad. Ein Beispiel des Expansionsventils 6 ist unter Bezug auf 2 erläutert.
Das Expansionsventil 6 umfaßt ein Gehäuse 9, ein Ventilelement 10, welches in das Gehäuse 9 integriert ist, ein elektromagnetisches Stellorgan 11 und dergleichen. Das Gehäuse 9 weist einen Strömungseinlaß 12 auf, der mit einer Auslaßseite des Wärmetauschers 5 in Verbindung steht, einen Strömungsauslaß 13, der mit einer Einlaßseite des externen Wärmetauschers 7 in Verbindung steht, und einen Kältemitteldurchlaß 14, der den Strömungseinlaß 12 mit dem Strömungsauslaß 13 verbindet. Eine Ventilöffnung 15 ist auf der Strecke des Kältemitteldurchlasses 14 vorgesehen.
Das Ventilelement 10 weist Nadelform mit einem konischen Vorderrandabschnitt (in 2 das untere Ende) auf, der zu der Ventilöffnung 15 weist, und den Öffnungsgrad der Ventilöffnung 15 einstellt. Insbesondere wird das Ventilelement 10 durch ein elektromagnetisches Stellorgan 11 angetrieben, um sich in der vertikalen Richtung in 2 zu bewegen, wodurch die Öffnungsquerschnittsfläche (der Öffnungsgrad) der Ventilöffnung 15 geändert wird. Ein externer Gewindeabschnitt 10a ist auf der Rückseite (in 2 die Oberseite) des Ventilelements 10 vorgesehen.
Bei dem elektromagnetischen Stellorgan 11 handelt es sich um einen Schrittmotor mit einer Wicklung 11a, die durch die Steuereinheit bei Empfang von Elektrizität gesteuert wird, und um einen Magnetrotor 11b, der sich bei Empfang von Magnetkraft von der Spule 11a dreht. Ein Innengewindeabschnitt 11c ist im zentralen Abschnitt des Magnetrotors 11b vorgesehen und mit dem Außengewindeabschnitt 10a des Ventilelements 10 durch Schraubeingriff verbunden. Wenn der Magnetrotor 11b sich bei Empfang der Magnetkraft von der Wicklung 11a dreht, bewegt sich das Ventilelement 10 in 1 in der vertikalen Richtung und in Übereinstimmung mit dem Drehwinkel des Magnetrotors 11b, wodurch der Öffnungsgrad der Ventilöffnung 15 geändert wird.
Der externe Wärmetauscher 7 (Wärmetauscher für die Wärmequelle) verdampft Kältemittel, das durch das Expansionsventil 6 dekomprimiert wurde, durch Tauschen von Wärme mit der Außenluft, die von einem Gebläse 16 ausgehend geblasen wird. Der Sammelbehälter 8 unterteilt das von dem externen Wärmetauscher 7 ausgetragene Kältemittel in ein Flüssigphasenkältemittel und ein Gasphasenkältemittel, leitet ausschließlich Gasphasenkältemittel zum Verdichter 4 und bevorratet in diesem Überschußkältemittel für den Kreislauf.
Der Umwälzdurchlaß umfaßt ein Kühlwasserrohr 17 und ein Heißwasserrohr 18, das mit den beiden Enden des Flüssigkeitsdurchlasses des Wärmetauschers 5 verbunden ist. Ein stromaufwärtiges Ende des Kühlwasserrohrs 17 ist mit einem Strömungsauslaß 2a verbunden, der am unteren Abschnitt des Vorratsbehälters 2 vorgesehen ist, und ein stromabwärtiges Ende des Heißwasserrohrs 18 ist mit einem Strömungseinlaß 2b verbunden, der am oberen Abschnitt des Vorratsbehälters 2 vorgesehen ist.
Die Wasserpumpe 3 ist in dem Kühlwasserrohr 17 (anderenfalls im Heißwasserrohr 18) vorgesehen und dreht sich bei Empfang von Elektrizität, um Flüssigkeit aus dem Behälter 2 in den Umwälzdurchlaß zu leiten. Flüssigkeit strömt, wie in 1 durch einen Pfeil, der in durchgezogenen Linien dargestellt ist, gezeigt, auf einer Strecke vom unteren Abschnitt des Vorratsbehälters 2 zum Kühlwasserrohr 17, von dort zum Flüssigkeitsdurchlaß in den Wärmetauscher 5, von dort zum Heißwasserrohr 18, von dort zum Strömungseinlaß 2b und von dort zum oberen Abschnitt des Vorratsbehälters 2.
Die Steuereinheit steuert elektrisch den Verdichter 4 (Elektromotor), den Lüfter 16, die Wasserpumpe 3 und das Expansionsventil 6, wodurch die Temperatur von im Vorratsbehälter bevorrateter Flüssigkeit (im gewöhnlichen Betrieb) gesteuert wird. Die Steuereinheit steuert einen Entfrostungsbetrieb als Entfrostungssteuereinheit zum Entfernen von Frost vom externen Wärmetauscher 7 in Übereinstimmung mit einem Ermittlungswert eines Temperatursensors 19 zum Ermitteln einer Auslaßtemperatur des externen Wärmetauschers 7. Der Entfrostungsvorgang wird gestartet, wenn der Ermittlungswert auf etwa –5°C abgenommen hat, und gestoppt, wenn der Ermittlungswert auf etwa 10°C gestiegen ist.
Als nächstes wird die Arbeitsweise dieser Ausführungsform erläutert.
Im normalen bzw. gewöhnlichen Betrieb zum Heizen von Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 2 durch Leitung von Flüssigkeit in den Wärmetauscher 5 steuert die Wasserpumpe 3 die Flüssigkeitsmenge, welche in den Wärmetauscher 5 geleitet wird der art, daß die Flüssigkeit in dem Wärmetauscher so erhitzt bzw. erwärmt wird, daß sie eine spezifische Temperatur (beispielsweise 85°C) aufweist. Da der Wärmetauscher 5 derart aufgebaut ist, daß die Kältemittelströmungsrichtung entgegengesetzt zur Flüssigkeitsströmungsrichtung verläuft, wird die Temperatur von Flüssigkeit, welche in dem Wärmetauscher 5 strömt, erhöht, wenn Flüssigkeit den Flüssigkeitsauslaß ausgehend vom Flüssigkeitseinlaß erreicht. Der Öffnungsgrad des Expansionsventils 6 (Öffnungsquerschnittsfläche der Ventilöffnung 15) wird durch die Steuereinheit derart gesteuert, daß der Kältemitteldruck (Austragdruck des Verdichters 4) am Kältemitteleinlaß des Wärmetauschers 5 derjenigen Temperatur entspricht, die erforderlich ist, daß die Flüssigkeitstemperatur auf einen spezifischen Wert erhöht wird.
Wenn die Auslaßtemperatur des externen Wärmetauschers 7 auf ungefähr –5°C (eine durch den Temperatursensor 19 ermittelte Temperatur) während des vorstehend erläuterten gewöhnlichen Betriebs verringert wird, wird der gewöhnliche Betrieb in den Entfrostungsbetrieb umgeschaltet. Im Entfrostungsbetrieb wird die Wasserpumpe 3 gestoppt, und der Öffnungsgrad des Expansionsventils 6 wird so gesteuert, daß er größer ist als beim gewöhnlichen Betrieb. Beispielsweise ist das Expansionsventil 6 (hierbei) vollständig geöffnet. Aus dem Verdichter 4 ausgetragenes heißes Gas emittiert eine verringerte Menge an Wärmeenergie in dem Wärmetauscher 5, und die Verringerung der Temperatur von heißem Gas wird außerdem verringert aufgrund einer Verringerung des Drucks in dem Expansionsventil 6. Infolge hiervon vermag aus dem Verdichter 4 ausgetragenes heißes Gas den äußeren Wärmetauscher 7 zu erreichen, ohne daß seine Temperatur stark verringert ist, und es führt ein Entfrosten des externen Wärmetauschers 7 durch.
In dem Heißwasserversorgungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der gewöhnliche Betrieb problemlos in den Entfrostungsbetrieb dadurch umgeschaltet, daß die Wasserpumpe 3 gestoppt wird und der Öffnungsgrad des Expansionsventils 6 ausgehend vom gewöhnlichen Betrieb vergrößert wird. Zusätzliche funktionelle Teile (beispielsweise ein Vierwegeventil, ein Umschaltventil und dergleichen, die beim Stand der Technik zum Einsatz kommen) werden nicht benötigt, um den Entfrostungsvorgang durchzuführen, wodurch ein komplizierter Aufbau des Kältekreislaufs und erhöhte Systemkosten vermieden werden.
In dem Wärmepumpenkreislauf C in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform wird das Kältemittel auf der Hochdruckseite so unter Druck gesetzt, daß es zumindest den kritischen Druck des Kältemittels (CO₂) aufweist. Da funktionelle Teile, wie etwa ein Vierwegeventil und ein Umschaltventil, in dem Kreislauf für Entfrostungszwecke nicht vorhanden sind, ist die Zuverlässigkeit im Vergleich zu einem Kreislauf verbessert, der das Vierwegeventil, das Umschaltventil und dergleichen enthält, und dadurch kann zusätzlich eine Kostenverringerung erreicht werden. Das Expansionsventil 6 bei der vorliegenden Ausführungsform ist stets geöffnet. Selbst im gewöhnlichen Betrieb ist das Expansionsventil 6 nicht vollständig geschlossen, obwohl bzw. weil der Öffnungsgrad in geeigneter Weise gesteuert wird. Selbst dann, wenn CO₂ als Kältemittel verwendet wird, ist deshalb eine hochgenaue Dichtigkeit bzw. Beständigkeit gegenüber hohem Druck für das Expansionsventil 6 nicht erforderlich, und das Expansionsventil 6 kann deshalb bei geringen Kosten hergestellt werden.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die Wasserpumpe 3 in der anfänglichen Stufe des Entfrostungsbetriebs entgegengesetzt in Drehung versetzt. Wenn die Wasserpumpe 3 im Entfrostungsbetrieb gestoppt wird, wird in der anfänglichen Stufe des Entfrostungsbetriebsstarts die Temperatur des aus dem Verdichter 4 ausgetragenen heißen Gases verringert, während der Wärmetauscher 5 von Flüssigkeit durchsetzt wird, die in dem Wärmetauscher verbleibt, um die Temperatur des Körpers des Wärmetauschers 5 zu erhöhen. Die Entfrostungszeit wird durch die Zeit zum Erhöhen der Temperatur des Wärmetauschers 5 verlängert.
Da im Gegensatz hierzu in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform die Wasserpumpe 3 in der Anfangsstufe des Entfrostungsbetriebsstarts entgegengesetzt in Drehung versetzt wird, wie in 1 mit durchbrochener Linie gezeigt, kann Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 2 dem Wärmetauscher 5 in entgegengesetzter Richtung zugeführt werden. Infolge hiervon wird die Temperatur des Körpers des Wärmetauschers 5 erhöht, um die Verringerung der Temperatur des heißen Gases zu unterbinden. Der Wärmeverlust des heißen Gases in dem Wärmetauscher 5 wird verringert, und die Zeit für den Aufbau des Entfrostungsvorgangs wird verkürzt, wodurch die Entfrostungszeit insgesamt verkürzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Drehung (die entgegengesetzte Drehung) der Wasserpumpe 3 gestoppt, wenn die Temperatur des Körpers des Wärmetauschers 5 auf eine spezifische Temperatur (beispielsweise auf die Temperatur des in dem Wärmetauscher 5 eingeleiteten Gases) erhöht ist. Die Wärmeenergie von Flüssigkeit, die zum Erhöhen der Temperatur des Körpers des Wärmetauschers 5 verbraucht wird, kann demnach minimiert werden, und die zum Zuführen von heißem Wasser benötigte Wärmeenergie kann gewährleistet werden.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird die Wasserpumpe 3 während des Entfrostungsbetriebs in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt. In dem in 3 gezeigten Mollier-Diagramm bildet der gewöhnliche Betrieb (der übliche Betrieb) des superkritischen Wärmepumpenkreislaufs C einen Kreislauf wie folgt: a → b → c → a. Die Entfrostungsfähigkeit wird durch eine Enthalpiedifferenz (hc-ha) ermittelt bzw. festgelegt.
Wenn die Wasserpumpe 3 während des Entfrostungsbetriebs in entgegengesetzter Richtung gedreht wird und die geheizte bzw. erwärmte Flüssigkeit vom Behälter 2 in den Wärmetauscher 5 fortgesetzt strömen gelassen wird, wird andererseits Kältemittel durch die erwärmte Flüssigkeit erwärmt bzw. erhitzt, während es durch den Wärmetauscher 5 strömt. Unter der Annahme, daß die Temperatur des Kältemittels b₂ auf einer Isothermallinie α in dem Mollier-Diagramm beträgt, wird ein Zyklus bereitgestellt wie folgt: a → b₁ → b₂ → c₁ → a. Die Entfrostungsfähigkeit wird wiedergegeben durch eine Enthalpiedifferenz (hc₁-ha), die größer ist als beim gewöhnlichen Betrieb. Infolge hiervon wird die Entfrostungszeit verkürzt.
Die Entfrostungszeit wird im Vergleich zur Betriebszeit des gewöhnlichen Betriebs stark verkürzt. Selbst dann, wenn die Wasserpumpe 3 während des Entfrostungsbetriebs durchgehend in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt wird, ist deshalb die Flüssigkeitsmenge, die für einen Entfrostungsbetrieb verwendet wird, derart extrem klein, im Vergleich zur Gesamtmenge der in dem Vorratsbehälter 2 bevorrateten Flüssigkeit, daß ein Flüssigkeitsunterschuß nicht auftritt.
4 zeigt ein Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem 100 gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform und wie in 4 gezeigt, ist ein Widerstand (ein Durchlaßquerschnittänderungs-Element) 20 zwischen dem Verdichter 4 und dem Wärmetauscher 5 angeordnet, um die Querschnittsfläche des Durchlasses dazwischen elektrisch zu steuern. Der Widerstand 20 öffnet die Querschnittsfläche des Durchlasses im gewöhnlichen Betrieb vollständig und verringert die Querschnittsfläche des Durchlasses im Entfrostungsbetrieb.
Der gewöhnliche Betrieb stellt deshalb einen Kreislauf bereit, der in dem in 5 gezeigten Mollier-Diagramm, das im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform erläutert ist, wie folgt festgelegt ist: a → b → c → a. Andererseits drosselt im Entfrostungsbetrieb der Widerstand 20 den Kältemitteldruck derart, daß der Kältemitteldruck auf der stromabwärtigen Seite des Widerstands 20 verringert wird. Gleichzeitig wird die Wasserpumpe 3 in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt, um Kältemittel durch heißes Wasser zu erwärmen. Unter der Annahme, daß die Temperatur des Kältemittels b₂ auf einer Isothermallinie α im Mollier-Diagramm beträgt, wird folgender Kreislauf bereitgestellt: a → b → b₁ → b₂ → c₁ → a. Die Entfrostungsfähigkeit ist eine Enthalpiedifferenz (hc₁-ha), und sie ist im Vergleich zu derjenigen des gewöhnlichen Betriebs verbessert. Infolge hiervon kann die Entfrostungszeit verkürzt werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhöht der Verdichter 4 insbesondere die Kältemittelenthalpie derart, daß die Enthalpie zu Entfrostungszwecken herangezogen werden kann. Die Menge von Wärmeenergie der Flüssigkeit (des heißen Wassers), die im Entfrostungsbetrieb verbraucht wird, ist deshalb selbst dann extrem klein, wenn die Wasserpumpe 3 während des Entfrostungsbetriebs kontinuierlich in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt wird, so daß ein Flüssigkeitsunterschuß im Vorratsbehälter 2 nicht auftritt.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und erläutert wurde, erschließen- sich dem Fachmann Abwandlungen bezüglich Einzelheiten, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den anliegenden Ansprüchen festgelegt.
Beispielsweise wird bei den zweiten bis vierten Ausführungsformen die Wasserpumpe 3 in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt, um Flüssigkeit (heißes Wasser) von dem Vorratsbehälter 2 in den Wärmetauscher 5 zuzuführen, wenn der Entfrostungsbetrieb durchgeführt wird. Ein Ventil oder dergleichen kann jedoch die Saugstrecke und die Austragstrecke der Wasserpumpe 3 ändern. Eine andere Wasserpumpe als die Wasserpumpe 3, die vorstehend erläutert ist, kann vorgesehen sein, um ausschließlich für den Entfrostungsbetrieb zur Verfügung zu stehen.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen kann Flüssigkeit (heißes Wasser), welche in dem Vorratsbehälter 2 bevorratet ist, als Trinkwasser, Badewasser und dergleichen verwendet werden. Anderweitig kann Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter 2 als Wärmemedium zum Erwärmen von Trinkwasser, Badewasser und dergleichen verwendet werden. Flüssigkeit in dem Behälter 2 kann auch für Bodenheizungen oder für Raumklimaanlagen zusätzlich zur Heißwasserversorgung verwendet werden.

Claims

Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem, aufweisend: einen Wärmepumpenkreislauf, der einen Verdichter (4), einen ersten Wärmetauscher (5), eine Druckverringerungsvorrichtung (6) und einen zweiten Wärmetauscher (7) umfaßt, die miteinander auf einer Ringstrecke verbunden sind, eine Entfrostungssteuereinheit zum Entfrosten des zweiten Wärmetauschers (7) in einem Entfrostungsbetrieb durch Steuern eines Öffnungsgrads der Druckverringerungseinrichtung (6), einen Vorratsbehälter (2) zum Bevorraten von Flüssigkeit, die in einem gewöhnlichen Betrieb erwärmt werden soll, ein Umwälzrohr (17, 18), welches durch den ersten Wärmetauscher (5) derart verläuft, daß die Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter (2) in dem Umwälzrohr (17, 18) umgewälzt wird, während sie durch den ersten Wärmetauscher strömt, eine Pumpe (3) zum Umwälzen der Flüssigkeit in dem Umwälzrohr (17, 18), wobei: der Öffnungsgrad der Druckverringerungsvorrichtung (6) im Entfrostungsbetrieb durch die Entfrostungssteuereinheit so gesteuert wird, daß er größer ist als im gewöhnlichen Betrieb, und die Entfrostungssteuereinheit einen Betrieb der Pumpe (3) im Entfrostungsbetrieb stoppt.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem, aufweisend: einen Wärmepumpenkreislauf, der einen Verdichter (4), einen ersten Wärmetauscher (5), eine Druckverringerungsvorrichtung (6) und einen zweiten Wärmetauscher (7) umfaßt, die miteinander auf einer Ringstrecke verbunden sind, eine Entfrostungssteuereinheit zum Entfrosten des zweiten Wärmetauschers (7) in einem Entfrostungsbetrieb durch Steuern eines Öffnungsgrads der Druckverringerungseinrichtung (6), einen Vorratsbehälter (2) zum Bevorraten von Flüssigkeit, die in einem gewöhnlichen Betrieb erwärmt werden soll, ein Umwälzrohr (17, 18), das durch den ersten Wärmetauscher (5) derart verläuft, daß die Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter (2) in dem Umwälzrohr (17, 18) umgewälzt wird, während sie den ersten Wärmetauscher (5) durchströmt, und eine Pumpe (3) zum Umwälzen der Flüssigkeit in dem Umwälzrohr (17, 18), wobei: der Öffnungsgrad der Druckverringerungsvorrichtung (6) im Entfrostungsbetrieb durch die Entfrostungssteuereinheit so gesteuert wird, daß er größer ist als im gewöhnlichen Betrieb, und die in dem Vorratsbehälter (2) erwärmte und bevorratete Flüssigkeit in den ersten Wärmetauscher (5) im Entfrostungsbetrieb zugeführt wird.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei CO₂ in dem Wärmepumpenkreislauf als Kältemittel strömt.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Wärmetauscher (5) derart erwärmt bzw. erhitzt wird, daß er eine spezifische Temperatur durch die Flüssigkeit aufweist, die in dem ersten Wärmetauscher (5) erwärmt und zugeführt wird.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 4, wobei die Entfrostungssteuereinheit die Flüssigkeitszufuhr in den ersten Wärmetauscher (5) stoppt, wenn der erste Wärmetauscher (5) die spezifische Temperatur aufweist.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die in dem Vorratsbehälter (2) erwärmte und bevorratete Flüssigkeit kontinuierlich in den ersten Wärmetauscher (5) während des Entfrostungsbetriebs zugeführt wird.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Pumpe (3) im Entfrostungsbetrieb in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt wird, um die Flüssigkeit in den ersten Wärmetauscher (5) in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung zuzuführen, in welcher die Flüssigkeit im gewöhnlichen Betrieb strömt.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, außerdem aufweisend ein Durchlaßquerschnittsänderungsmittel (20) zum Ändern einer Querschnittsfläche eines Durchlasses, der den Verdichter (4) mit dem ersten Wärmetauscher (5) verbindet, wobei jenes Durchlassquerschnittsänderungsmittel (20) zwischen diesen beiden angeordnet und von Kältemittel durchströmt ist, wobei: das Durchlaßquerschnittsänderungsmittel (20) die Querschnittsfläche des Durchlasses im Entfrostungsbetrieb im Vergleich zum gewöhnlichen Betrieb verringert.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem, aufweisend: einen Wärmepumpenkreislauf, der einen Verdichter (4), einen ersten Wärmetauscher (5), eine Druckverringerungsvorrichtung (6) und einen zweiten Wärmetauscher (7) umfaßt, die miteinander derart verbunden sind, daß Kältemittel darin strömt, einen Vorratsbehälter (2) zum Bevorraten von Flüssigkeit, die als heißes Wasser zugeführt werden soll, und ein Umwälzrohr (17, 18), das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die mit dem Vorratsbehälter (2) in Verbindung stehen, um die Flüssigkeit darin umzuwälzen, wobei das Umwälzrohr (17, 18) durch den ersten Wärmetauscher (5) verläuft, um einen Wärmetausch zwischen der darin strömenden Flüssigkeit und dem in dem ersten Wärmetauscher (5) strömenden Kältemittel durchzuführen, wobei: die in dem Vorratsbehälter (2) bevorratete Flüssigkeit in dem Umwälzrohr (17, 18) von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende des Umwälzrohrs strömt, während sie in dem ersten Wärmetauscher (5) im gewöhnlichen Betrieb erwärmt wird, die Druckverringerungsvorrichtung (6) einen ersten Öffnungsgrad im gewöhnlichen Betrieb aufweist, die Flüssigkeit daran gehindert wird, vom ersten zum zweiten Ende des Umwälzrohrs (17, 18) zu strömen, wenn der zweite Wärmetauscher (7) im Entfrostungsbetrieb entfrostet wird, und die Druckverringerungsvorrichtung (6) einen zweiten Öffnungsgrad im Entfrostungsbetrieb aufweist, der größer ist als der erste Öffnungsgrad.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 9, wobei die Flüssigkeit daran gehindert wird, in dem Umwälzrohr (17, 18) im Entfrostungsbetrieb zu strömen.
Wärmepumpen-Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 9, wobei die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (2) in den ersten Wärmetauscher (5) durch das zweite Ende des Umwälzrohrs (17, 18) zugeführt wird.