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Wärmepumpenanlage mit Heißwasser-Druckspeicher Für die Herstellung
von Warmwasser durch eine Wärmepumpe und zur Speicherung desselben in einem Heißwasserspeicher
sind zwei verschieden-, Schaltungsarten bekannt. Bei der einen Schaltung arbeitet
der Heißwasserspeicher im Überlauf, d. h., es fließt unabhängig von dem Füllungsgrad
des Speichers laufend Frischwasser durch den wassergekühlten Verflüssiger der Wärmepumpe
in -den Speicher, wobei der Wasserraum des Verflüssigers mit dem Innenraum des Heißwasserspeichers
in Reihe geschaltet ist. In diesem Falle wird die Frischwassermenge so eingestellt,
daß jeweils nur so viel Frischwasser zufließt, als es dem durchschnittlichen Warmwasserbedarf
der Wärmepumpe entspricht. Wird kein Heißwasser entnommen, fließt dieses über den
Überlauf des Speichers ungenutzt ab, die Anlage kann aber in Betrieb bleiben. Nachteilig
ist, daß diese Lösung der gestellten Aufgabe nur für Überlaufspeicher möglich ist,
das Heißwasser also nicht unter Druck weitergeleitet werden kann.
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Die gleiche Hintereinanderschaltung des Wasserraumes eines außerhalb
des Heißwasserspeichers angeordneten wassergekühlten Verflüssigers mit dem Innenraum
des Heißwasserspeichers hat auch bei einem Druckspeicher Anwendung gefunden, bei
welchem jeweils nur so viel Frischwasser zufließt, als Heißwasser entnommen wird.
Wird bei dieser Anlage längere Zeit kein Heißwasser entnommen, so erwärmt sich der
Verflüssiger über die zulässige Temperatur, der Verflüssigungsdruck wird zu hoch,
und die Anlage muß abgeschaltet werden. Ist mit der Wärmepumpe gleichzeitig eine
Kühlanlage verbunden, so setzt diese dann aus.
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Während somit bei der erstgenannten Schaltung die Anlage zwar dauernd
in Betrieb gehalten werden kann, dafür aber das heiße Wasser nur im Auslauf entnommen
werden kann, ist bei der zweitgenannten Anlage die Möglichkeit gegeben, daß die
gleichzeitig erwünschte Kühlwirkung der Wärmepumpe unterbrochen werden muß, wenn
die Temperatur des Verflüssigers mangels Kühlung einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet.
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Eine dritte Möglichkeit besteht darin, daß die das Kältemittel führenden
Rohre des Verflüssigers unmittelbar in den Heißwasserspeicher eingebaut sind, dieser
also gleichzeitig der Wasserraum des Verflüssigers ist. Hier kann die Kühlwirkung
der Wärmepumpe nach erfolgter Aufheizung des Speichers nur dann fortgesetzt werden,
wenn durch eine geeignete Vorrichtung ein Überschuß von Heißwasser laufend abgelassen
und durch Frischwasser ersetzt wird. Nachteil einer solchen Anordnung ist, daß der
Wasserinhalt des Speichers auch in diesem Falle nicht über die durch den höchstzulässigen
Verflüssigungsdruck gegebene Temperaturgrenze erwärmt «-eulen kann - z. B. durch
eine elektrische Zusatzheizung -, solange durch die Wärmepumpe gleichzeitig eine
Kühlaufgabe erfüllt wird, die Wärmepumpe also weiterhin in Betrieb bleiben soll.
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Es sind ferner Wärmepumpenanlagen mit Heil3-%vasser-Druckspeicher
bekannt, die bleichzeitig Kühlaufgaben zu erfüllen haben und dabei dauernd betriebsfähig
sein sollen. Zu diesem Zweck ist bei den bekannten Anlagen ein den wassergekühlten
Verflü,;siger enthaltender Hilfsbehälter außerhalb des Heißwasser-Druckspeichers
angeordnet und mit dein mi:-Frischwasserzufuhr ausgerüsteten, gegebenenfalls durch
eine zusätzliche Heizvorrichtung erwärmbar;n Druckspeicher durch Konvektionsrohre
parallel schaltet. Diese bekannte Parallelschaltung genügt aber allein noch nicht,
um die Temperatur des Kühlwassers für den Verflüssiger bei einer längeren E:-i@-nahmepause
nicht zu hoch steigen zu lassen. Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen, die darin
besteht, @laß der Wasserraum des den Verflüssiger enthaltenden Hilfsbehälters mit
einem Abflußventil in Verbindung steht, das durch einen an den Kältemittel- oder
den Konvektionskreislauf angeschlossenen Fühler gesteuert wird und den Anteil des
Frischwassers an dem Konvektionskreislauf bestimmt. Zweckmäßig wird dabei das gesteuerte
Abflußventil im Bereich der Konvektionsströmung, beispielsweise an dem Fallrohr
zwischen dem Heißwasserspeicher und dem Hilfsbehälter, angeschlossen.
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Auf diese Weise ist die notwendige Kühlung des Verflüssigers auch
dann gewährleistet, wenn durch
eine längere Entnahmepause nicht
genügend Wärme von dem Kühlwasser aufgenommen werden kann oder wenn der Wasserinhalt
des Speichers hochgeheizt wird.
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Wesentlich ist demnach, daß die etwa ungenutzt abfließende Kühlwassermenge
nicht nur kälter ist als bei der bekannten Kombination einer Wärmepumpe mit einem
Überlaufspeicher, sondern auch, daß diese Kühlwassermenge geregelt ist, so daß nicht
mehr Wasser fließt, als zur Kühlung des Verflüssigers unbedingt erforderlich ist.
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Der notwendige Regler kann grundsätzlich auf die verschiedensten Zustandsgrößen
des in der Wärmepumpe umlaufenden Kältemittels als auch des im Konvektionskreislauf
strömenden Wassers ansprechen, so z. B. auf den Druck oder die Temperatur des Kältemittels
oder auf die Temperatur oder die Menge des umlaufenden Wassers. Hieraus ergeben
sich die verschiedensten Ausführungen für einen solchen Regler, der unabhängig von
der Art seiner Beeinflussung den Durchfluß bzw. Abfluß des Kühlwassers steuert.
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Als besonders zweckmäßig hat sich eine Ausführung einer solchen Wärmepumpenanlage
mit Konvektionskreislauf zwischen Heißwasserspeicherinnenraum und Wasserraum des
Verflüssigers erwiesen, bei der der Wasserraum des Verflüssigers derart durch eine
Trennwand od. dgl. unterteilt ist, daß der Frischwasserdurchlauf völlig von dem
Konvektionskreislauf getrennt ist, d. h., ein Teil des Wasserraumes des Verflüssigers
wird von dem Frischwasser durchflossen, ein anderer Teil von dem Wasser aus dem
Konv ektionskreisla.uf.
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Auf diese Weise gelangt nur vorgewärmtes Frischwasser in der :Menge
in den Innenraum des Heißwasserspeichers, als Heißwasser entnommen wird, so daß
eine Abkühlung des aufgespeicherten Heißwassers durch übermäßige Frischwasserzufuhr
bzw. -durchfluß nicht eintritt.
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Grundsätzlich ist hierbei auch eine Ausführung denkbar, bei der das
Verflüssigergefäß vollständig in zwei Teile geteilt ist, die kältemittelseitig parallel
geschaltet sind, während der eine Teil vom Wasser des Konvektionskreislaufes durchflossen
wird, der andere von dem etwa notwendigen Kühlfrischwasser. Jedoch hat es sich als
technisch zweckmäßig herausgestellt, das Wärmeaustauschgefäß für den Verflüssiger
einteilig auszubilden und lediglich die Wärmeaustauschrohre gruppenweise getrennt
an die beiden Wasserdurchläufe anzuschließen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 schematisch eine Wärmepumpenanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 eine abgeänderte Schaltung des Verflüssigers. Der Kältemittelkreislauf der
Wärmepumpe besteht bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aus dem Kompressor 1,
dem wassergekühlten Verflüssiger 2 und dem Verdampfer 3. Der Wasserraum 4 des Verflüssigers
2 ist gemäß der Erfindung durch Konvektionsrohre 5, 6 mit dem Speicherraum 7 des
Heißwasser-Druckspeichers 8 parallel geschaltet.
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Die Frischwasserzufuhr erfolgt durch die Frischwasserleitung 9, die
mit einem Rückschlagventil 10 und einem Sicherheitsventil 11 ausgerüstet ist. Der
Konvektionskreislauf des Wassers erfolgt in der Weise, daß aus dem unteren Teil
des Speicherraumes 7 durch das Fallrohr 5 Wasser in den Wasserraum 4 des Verflüssigers
2 gelangt, dort aufgewärmt wird und durch das Steigrohr 6 in den Speicherraum 7
zurückgelangt. Ist die Vorlauftemperatur des Konvektionswassers zu hoch geworden,
beispielsweise weil kein Heißwasser entnommen oder der Wasserinhalt des Heißwasser-Druckspeichers
8 zusätzlich erwärmt wird, so würde der Verflüssigerdruck die zulässige Höchstgrenze
überschreiten. Um dies zu vermeiden, ist in einer Zweigleitung 12 des Fallrohres
5 ein vom Verflüssigerdruck gesteuertes Ventil 13 vorgesehen, das einen Abfluß des
aus dem unteren, kälteren Teil des Heißwasser-Druckspeichers kommenden Wassers gestattet,
während gleichzeitig kühles Frischwasser aus der Frischwasserleitung 9 in den untersten
Teil des Speicherraumes 7 und über diesen in den Wasserraum 4 des Verflüssigers
2 gelangt.
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Ein Aussetzen der Wärmepumpe, insbesondere deren Kühlwirkung, ist
auf diese Weise vermieden, allerdings ist eine geringfügige Abkühlung des im Speicherraum
7 befindlichen Heißwassers durch das Durchfließen des kühlen Frischwassers durch
den untersten Teil des Speicherraumes 7 noch in Kauf genommen.
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Diese Kühlung ist bei der Ausführung der Anlage nach Fig. 2 unterbunden.
Dort ist der Wasserraum 4
des Verflüssigers 2 durch eine Trennwand 18 in zwei
Teilkammern 4 a und 4 b unterteilt. Der Konvektionskreislauf zwischen Heißwasserspeicher
8 und dem Verflüssiger 2 durchströmt in diesem Falle nur die Teilkammer 4a, während
das im Bedarfsfalle zusätzlich zur Kühlung des Verflüssigers 2 erforderliche Frischwasser
durch eine Zweigleitung 17 in die Teilkammer 4 b des Verflüssigers 2 gelangt und
von dort durch das druckgesteuerte Ventil 13 abfließen kann. Auf diese Weise
ist der Konvektionskreislauf von dem Frischwasserdurchlauf völlig getrennt, es ist
also eine Kühlung des gespeicherten Heißwassers durch eindringendes Frischwasser
und gleichzeitig ein Aussetzen der Kühlwirkung der Wärmepumpe vermieden.
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In beiden Ausführungen sind Zapfstellen 14, 15 zur Entnahme von Heißwasser
und eine zusätzliche, vorzugsweise elektrische Heizung 16 für den Heißwasserspeicher
8 vorgesehen, durch welche erreicht wird, daß das an den Zapfstellen 14, 15 entnommene
Wasser heißer sein kann, als es der normale Verflüssigungsdruck des Kältemittels
zuläßt.
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Die Erfindung ist, wie bereits erwähnt, nicht auf die beiden in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere ist eine andere
Art der Steuerung des Abflußventils als auch eine andere Gestaltung des Verflüssigers
möglich.
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So kann für die Steuerung des Abflußventils statt eines Druckfühlers
ein Temperaturfühler im Wasserraum des Verflüssigers vorgesehen sein oder auch ein
auf die Strömungsmenge im Konvektionskreislauf ansprechender Fühler, der auf eine
durch die notwendige Wärmeabgabe des Verflüssigers gegebene Mindestgröße der Konvektionsströmung
eingestellt ist.