DE102004015297A1

DE102004015297A1 - Apparatus and method for cyclic vapor compression

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Publication number: DE102004015297A1
Application number: DE102004015297A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bangheri
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-11-03
Also published as: EP1582826B1; ATE383554T1; EP1582826A1; DE502005002458D1

Abstract

A heat pump for cyclic vapor compression comprises a supercritical high-pressure side, a direct vaporizer (1) low-pressure collector (2), compressor, gas cooler (4) and throttle (5) all in series in a working fluid flow. The direct vaporizer is embedded in the earth with evaporating lines thermally contacting the earth. An independent claim is also included for an operating process for the above.

Description

Die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur zyklischen Dampfkompression gemäß Anspruch 13.The present invention a device for cyclic vapor compression according to the generic term of claim 1 and a method of cyclic vapor compression according to claim 13th

Die zyklische Dampfkompression ist die Basis für die meisten bekannten Wärmepumpen, die ihrerseits einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasen darstellen. Eine Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur (auch im Winter bei weit unter 0°C) in Wärme hoher Temperatur um. Dies geschieht in der Regel durch einen geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes eines Arbeitsfluids: Verdampfen unter Wärmeaufnahme, Komprimieren, Wärmeabgabe, Verflüssigen, Expandieren). Dabei entzieht die Wärmepumpe der Umgebung des Hauses im Erdreich, Wasser oder Luft gespeicherte Sonnenwärme und gibt diese in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.The Cyclic vapor compression is the basis for most known heat pumps, which in turn make an important contribution to the reduction of greenhouse gases represent. A heat pump converts heat low temperature (even in winter far below 0 ° C) in heat higher Temperature around. This usually happens through a closed cycle process by constantly changing the State of aggregation of a working fluid: evaporation under heat absorption, Compressing, heat dissipation, liquefying, Expand). The heat pump removes the environment of the house stored in the ground, water or air stored solar heat and gives these in the form of heat to the heating and hot water cycle from.

Bei bekannten Wärmepumpensystemen werden einerseits Solewärmepumpen und andererseits Systeme mit Direktverdampfung eingesetzt. Bei einer Solewärmepumpe wird Wärme vom Erdreich auf einen ersten Kreislauf mit einer Sole als Arbeitsflüssigkeit übertragen. Die Sole besteht in der Regel aus einem Gemisch aus Frostschutz, wie z.B. Glykol und Wasser, und wird mittels eines Wärmekollektors durch das Erdreich geleitet, wo sie Wärme aufnimmt. Dieser Primärkreislauf gibt einen Teil der aufgenommenen Wärme an einen Sekundärkreislauf ab, dessen Arbeitsfluid den eigentlichen zyklischen Kompressionsprozess durchläuft und dabei durch den Wärmeübertrag vom Primärkreislauf zunächst verdampft wird, anschließend komprimiert, verflüssigt expandiert und wiederum verdampft wird. Der Aufbau einer Sole wärmepumpe beinhaltet verschiedene Nachteile. Zum einen entsteht durch den zweimaligen Wärmeübertrag ein geringerer Wirkungsgrad als bei nur einem Kreislauf und zum anderen wird durch die erforderliche Umwälzpumpe zum Umwälzen der Sole in Verbindung mit dem zähen Frostschutzgemisch zusätzliche Energie verbraucht. Letztlich wird durch den Zwischenkreislauf der Temperaturhub des Kältekreises von der Energiequellenseite (Erdreich) zur Energienutzerseite (Heizungssystem) erhöht. In der Folge steigt der Energiebedarf bzw. Stromverbrauch zusätzlich an.at known heat pump systems are on the one hand brine heat pumps and on the other hand systems with direct evaporation used. At a Sole heat pump will heat transferred from the soil to a first circuit with a brine as working fluid. The brine usually consists of a mixture of antifreeze, such as. Glycol and water, and is passed through a heat collector the soil is passed, where they heat receives. This primary circuit gives a part of the absorbed heat to a secondary circuit whose working fluid is the actual cyclic compression process goes through and thereby by the heat transfer from the primary circuit first is evaporated, then compressed, liquefied expanded and in turn evaporated. The construction of a brine heat pump includes several disadvantages. On the one hand arises through the twice heat transfer a lower efficiency than in a single circuit and Another is due to the required circulation pump for circulating the brine in connection with the tough Antifreeze mixture additional Energy consumed. Ultimately, by the intermediate circuit of Temperature stroke of the refrigeration circuit from the energy source side (soil) to the energy user side (heating system) elevated. As a result, the energy requirement or electricity consumption increases in addition.

Alternative, bekannte Wärmepumpensysteme beinhalten die Direktverdampfung des Arbeitsfluids im Erdreich. Die Wärme des Erdreichs wird dabei direkt über einen Direktverdampfer an das Arbeitsfluid übertragen. Das Arbeitsfluid strömt dabei durch den im Wärmepumpenprozess vorhandenen Druckunterschied zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite durch den Direktverdampfer, ohne zusätzlichen Energieverbrauch durch eine Umwälzpumpe zu generieren. Herkömmliche Direktverdampfungsvorrichtungen verwenden dazu Arbeitsfluide, die vollständig bei unterkritischen Drücken arbeiten und damit die Kondensation der Fluids während der Kühlung zur Energieabgabe an der Energienutzerseite ermöglichen. Es werden dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen oder Mischungen von Substanzen als Arbeitsfluide verwendet. Die Wahl des Arbeitsfluids ist unter anderem von der Kondensationstemperatur beeinflusst, wahrend die kritische Temperatur des Arbeitsfluids die Obergrenze für die auftretende Kondensation setzt. Um einen vernünftigen Wirkungsgrad zu erhalten, ist es normalerweise wünschenswert, ein Arbeitsfluid mit einer kritischen Temperatur von mindestens 20 bis 30 K oberhalb der Kondensationstemperatur zu verwenden. Temperaturen nahe der kritischen Temperatur werden normalerweise bei der Auslegung und beim Betrieb von herkömmlichen Systemen vermieden.Alternative, known heat pump systems include direct evaporation of the working fluid in the soil. The heat of the soil is thereby directly over transfer a direct evaporator to the working fluid. The working fluid flows doing so by the heat pump process existing pressure difference between high pressure and low pressure side through the direct evaporator, without additional energy consumption due to a circulation pump to generate. conventional Direct evaporation devices use for this purpose working fluids, the completely at subcritical pressures work and thus the condensation of fluids during cooling to the energy output enable the power user side. There are a variety of different substances or Mixtures of substances used as working fluids. The vote of the working fluid is among other things of the condensation temperature influences, while the critical temperature of the working fluid the upper limit for the occurring condensation sets. A reasonable one To obtain efficiency, it is usually desirable to have a working fluid with a critical temperature of at least 20 to 30 K above to use the condensation temperature. Temperatures near the Critical temperature are usually used in the design and in the operation of conventional Systems avoided.

Während solche Direktverdampfungssysteme aus energetischen Gründen etliche Vorteile aufweisen, haben sie bis jetzt jedoch den großen Nachteil, dass gängige Arbeitsfluide Treibhausgase sind, die die Erwärmung des Erdklimas beschleunigen bzw. die Ozonschicht der Erde abbauen. Selbst neuere Arbeitsfluide, die aus Umweltschutzgründen halogenfrei sind, haben immer noch ein erhebliches Treibhauspotential. Natürliche Kältemittel wie beispielsweise CO₂ scheinen eine Alternative zu sein, jedoch hat die kritische Temperatur von beispielsweise CO₂ mit 32 °C in der Vergangenheit deren Einsatzmöglichkeiten stark eingeschränkt.While such direct-evaporation systems have many advantages for energetic reasons, they have so far had the great disadvantage that common working fluids are greenhouse gases that accelerate the warming of the Earth's climate and degrade the earth's ozone layer. Even newer working fluids, which are halogen-free for environmental reasons, still have a significant global warming potential. Natural refrigerants such as CO ₂ seem to be an alternative, but the critical temperature of, for example, 32 ° C CO ₂ in the past has severely limited their potential uses.

Durch die Erfindung des Lorenz-Prozesses ergeben sich aber nun die Möglichkeiten, transkritische Dampfkompressionszyklen zu realisieren, die auch bei Temperaturen über der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids einen guten Wirkungsgrad liefern. Beispiele für solche transkritischen Dampfkompressionsvorrichtungen oder -verfahren finden sich in EP 0 604 417 B1 , EP 0 672 233 B1 , EP 0 424 474 B2 sowie in EP 0 617 782 B1 . Im Unterschied zu den bisherigen, subkritischen Kompressionskreisen ist bei diesen transkritischen Bedingungen das Arbeitsfluid auf der Hochdruckseite des Kreislaufs in einem überkritischen Zustand, was bedeutet, dass unabhängig vom Druck das Arbeitsfluid nicht mehr zu einer Flüssigkeit komprimiert bzw. kondensiert wird, sondern immer im gasförmigen Zustand vorliegt.However, with the invention of the Lorenz process, it is now possible to realize transcritical vapor compression cycles which provide good efficiency even at temperatures above the critical temperature of the working fluid. Examples of such transcritical vapor compression devices or methods can be found in EP 0 604 417 B1 . EP 0 672 233 B1 . EP 0 424 474 B2 as in EP 0 617 782 B1 , In contrast to the previous, subcritical compression circuits, in these transcritical conditions, the working fluid on the high pressure side of the circuit is in a supercritical state, which means that regardless of the pressure, the working fluid is no longer compressed or condensed to a liquid, but always in the gaseous state is present.

Es ist Aufgabe er vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zyklischen Dampfkompression mit einem überkritischen Druck auf der Hochdruckseite zur Verwendung als Wärmepumpe mit Direktverdampfung zu schaffen.It is an object of the present invention, an apparatus and a method for cyclic vapor compression with a supercritical pressure on the high pressure side for use as heat to create a pump with direct evaporation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur zyklischen Wärmeaufnahme eines Arbeitsfluids gemäß Anspruch 12.These The object is achieved by a device for cyclic vapor compression according to claim 1 and a method for cyclic heat absorption of a working fluid according to claim 12th

Dabei ist vorteilhaft, dass durch die transkritische Auslegung (auf der Hochdruckseite wird das System bei überkritischem Druck betrieben, auf der Niederdruckseite bei unterkritischem Druck) das System auch bei Temperaturen über der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids betrieben werden kann. Damit wird das Spektrum der verwendbaren Arbeitsfluide erweitert und können insbesondere Arbeitsfluide mit günstigeren Umwelteigenschaften zum Einsatz kommen. Weiterhin ist vorteilhaft, dass bei der vorliegenden Erfindung die zyklische Dampfkompression mit überkritischem Druck beim Einsatz als Wärmepumpe mit der energetisch günstigen Ausführungsform der Direktverdampfung kombiniert wird, wodurch sich ein deutlich besserer Wirkungsgrad als beim Einsatz in Kombination mit einer Solewärmepumpe ergibt, da die Erdwärme so ohne einen Zwischenkreislauf genutzt werden kann. Die Erfindung kann sowohl in Wärmepumpen als auch in der Kälte- und Klimatechnik eingesetzt werden.there is advantageous that by the transcritical interpretation (on the High-pressure side, the system is operated at supercritical pressure, on the low pressure side at subcritical pressure) the system too at temperatures above the critical temperature of the working fluid can be operated. This extends the range of usable working fluids and can especially working fluids with cheaper Environmental features are used. Furthermore, it is advantageous that in the present invention cyclic vapor compression with supercritical Pressure when used as a heat pump with the energetically favorable embodiment the direct evaporation is combined, resulting in a clear better efficiency than when used in combination with a Sole heat pump gives, as the geothermal energy can be used without an intermediate circuit. The invention can both in heat pumps as well as in the cold and Air conditioning technology are used.

Die Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression besteht erfindungsgemäß aus einem Direktverdampfer, einem Niederdrucksammler, einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Drosselventil und optional einem internen Wärmetauscher. Der Direktverdampfer steht mit einer Wärmequelle in thermischen Kontakt, die im folgenden als Primärwärmequelle bezeichnet wird, um klarzustellen, dass es sich dabei um das Erdreich, die Umgebungsluft oder das Gewässer handelt, dem Wärmeenergie entzogen werden soll und nicht etwa um einen Primärkreislauf beispielsweise in Form eines Solekreislaufs, der dem Kreislauf zur zyklischen Dampfkompression vorgeschaltet ist. Der Direktverdampfer wird im überfluteten Betrieb gefahren, was bedeutet, dass das Arbeitsfluid unter Aufnahme von Wärmeenergie nur teilweise verdampft und an einen Niederdrucksammler weitergeleitet wird. In diesem Niederdrucksammler werden in der Regel die Flüssigkeitsreste abgeschieden, d.h. das Arbeitsfluid wird ihm nicht im überhitzten Zustand zugeführt, sondern beinhaltet immer noch einen Flüssigkeitsanteil. Er dient dabei neben seiner Funktion als Flüssigkeitsabscheider auch als Kältemittelspeicher. Anschließend wird der Dampf des Arbeitsfluids vom Verdichter entweder direkt oder beim Einsatz eines internen Wärmetauschers im überhitzten Zustand angesaugt. In der Folge wird das Arbeitsfluid auf ein überkritisches Niveau verdichtet und durch den Gaskühler abgekühlt, wobei das Arbeitsfluid Wärmeenergie abgibt. In der Folge wird das Arbeitsfluid mittels der Drossel auf subkritisches Verdampfungsniveau gebracht und durch den Direktverdampfer wiederum verdampft, wodurch das Arbeitsfluid Wärmeenergie vom Erdreich aufnimmt.The Apparatus for cyclic vapor compression according to the invention consists of a Direct evaporator, a low pressure collector, a compressor, a Gas cooler, a throttle valve and optionally an internal heat exchanger. The direct evaporator is in thermal contact with a heat source, in the following as a primary heat source to make it clear that this is the soil, the ambient air or the water is the heat energy should be withdrawn and not about a primary cycle, for example in the form of a brine circuit, the cycle of cyclic vapor compression upstream. The direct evaporator is driven in flooded operation, which means that the working fluid absorbs heat energy only partially evaporated and forwarded to a low pressure collector becomes. In this low-pressure collector are usually the liquid residues deposited, i. the working fluid will not overheat him Condition supplied, but still contains a liquid content. He serves here in addition to its function as a liquid separator also as a refrigerant reservoir. Subsequently The vapor of the working fluid from the compressor is either direct or when using an internal heat exchanger in the overheated Condition sucked. As a result, the working fluid becomes supercritical Level compressed and cooled by the gas cooler, the working fluid Thermal energy emits. As a result, the working fluid by means of the throttle brought subcritical evaporation level and through the direct evaporator again vaporizes, whereby the working fluid absorbs heat energy from the soil.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further preferred embodiments The invention will become apparent from the dependent claims.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung kommt als Arbeitsfluid Kohlendioxid (CO₂) zum Einsatz, da dieses Medium gegenüber den herkömmlichen Arbeitsfluiden vergleichsweise gute Umwelteigenschaften besitzt. In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist der Niederdrucksammler direkt an den Direktverdampfer angekoppelt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dabei der Direktverdampfer im überfluteten Bereich betrieben, was bedeutet, dass er das Arbeitsfluid nicht nur gasförmig, sondern gleichzeitig auch in flüssigem Zustand beinhaltet. Der Niederdrucksammler dient sowohl als Flüssigkeitsabscheider wie auch als Kältemittelspeicher, um einen prozessoptimierten Betrieb bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen gewährleisten zu können. Damit ist im Sommerbetrieb, bei Nutzung des Erdreichs als Primärwärmequelle, wenn dieses in einem Meter Tiefe eine Temperatur von ca. +15 °C hat, ein hoher Kältemittel-Massenstrom möglich. Der Niederdrucksammler ist dann fast leer. Im Winter hingegen stellt sich eine Erd reichtemperatur von ca. 0 °C ein (Vereisungszustand). Dadurch verringert sich der Massenstrom und Kältemittel wird im Niederdrucksammler gespeichert. Die direkte Ankopplung des Niederdrucksammlers an den Direktverdampfer bringt ferner den Vorteil, dass die gesamte Verdampferstrecke genutzt wird.In preferred embodiments of the invention, carbon dioxide (CO ₂ ) is used as the working fluid since this medium has comparatively good environmental properties compared with conventional working fluids. In further preferred embodiments of the invention, the low-pressure collector is coupled directly to the direct evaporator. In a further preferred embodiment of the invention, the direct evaporator is operated in the flooded area, which means that it contains the working fluid not only in gaseous form, but at the same time also in the liquid state. The low-pressure collector serves both as a liquid separator and as a refrigerant storage to ensure process-optimized operation at different ambient temperatures. This is in summer operation when using the soil as a primary heat source, if this has a temperature of about +15 ° C in one meter depth, a high refrigerant mass flow possible. The low pressure collector is then almost empty. In winter, on the other hand, a ground temperature of approx. 0 ° C sets in (icing state). This reduces the mass flow and refrigerant is stored in the low-pressure accumulator. The direct coupling of the low pressure collector to the direct evaporator also brings the advantage that the entire evaporator section is used.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades kann erzielt werden, indem ein interner Wärmetauscher eingesetzt wird, der das Arbeitsfluid im Hochdruckbereich des Kreislaufs abkühlt (und damit näher an den Bereich der Temperatur des Erdreichs bringt), indem im Gegenstrom das verdampfte Arbeitsfluid, welches vom Direktverdampfer aus dem Erdreich kommt und dem Verdichter zugeführt wird, erwärmt wird.A Further improvement of the efficiency can be achieved by an internal heat exchanger is used, which is the working fluid in the high pressure area of the circuit cools (and thus closer brings to the range of the temperature of the soil) by countercurrently the evaporated working fluid, which from the direct evaporator from the soil comes and fed to the compressor is heated becomes.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:in the The following is an example of the invention with reference to the accompanying drawings explained in more detail. there demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß der Erfindung; 1 a schematic representation of a device for cyclic vapor compression according to the invention;

2 eine Ausführungsform der Erfindung wie in 1 gezeigt, jedoch zusätzlich mit einem internen Wärmetauscher ausgestattet; 2 an embodiment of the invention as in 1 shown, but additionally equipped with an internal heat exchanger;

3 eine Ausführungsform der Erfindung, wobei der Direktverdampfer als Erdreichsonde ausgebildet ist; 3 an embodiment of the invention, wherein the direct evaporator is designed as a ground probe;

4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei der Direktverdampfer in Form mehrerer Verdampferleitungen horizontal im Erdreich vergraben ist. 4 a further embodiment of the invention, wherein the direct evaporator is buried horizontally in the soil in the form of several evaporator lines.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression mit überkritischem Druck auf der Hochdruckseite, die die wesentlichen Elemente der Erfindung in einem Strömungskreislauf miteinander verbindet. Eines dieser Elemente ist ein Direktverdampfer 1, der bei einem solchen System mit Direktverdampfung im Erdreich eingebettet ist und aus zumindest einer, in der Regel aber mehreren Verdampferleitungen besteht. Die Verdampferleitungen bestehen vorzugsweise aus Metallrohren, die zum Schutz mit einer Kunststoffummantelung umgeben sind. In dem Direktverdampfer 1 wird das Arbeitsfluid – beispielsweise CO₂ – verdampft, wodurch es Wärme aus der Umgebung, also beispielsweise dem umgebenden Erdreich, aufnimmt. In anderen Ausführungsformen kann dieser Direktverdampfer aber auch einem Gewässer oder der umgebenden Luft Wärmeenergie entziehen. Das größtenteils verdampfte Arbeitsfluid wird anschließend einem Niederdrucksammler 2 zugeführt. Dabei ist das Arbeitsfluid aber nicht in einem überhitzten Zustand, was bedeutet, dass immer noch Flüssigkeitsreste vorhanden sein können. Solche Flüssigkeitsreste werden im Niederdrucksammler 2 abgeschieden, der somit gleichzeitig eine Funktion als Speicher für das Arbeitsfluid wahrnehmen kann. Der Direktverdampfer 1 wird damit in überflutetem Zustand betrieben. Der Niederdrucksammler 2 ist dabei in der Regel zwar direkt an den Direktverdampfer angeschlossen, befindet sich aber vorzugsweise bereits oberhalb der Erdoberfläche. 1 shows a device according to the invention with cyclic vapor compression supercritical pressure on the high pressure side, which connects the essential elements of the invention in a flow circuit with each other. One of these elements is a direct evaporator 1 , Which is embedded in such a system with direct evaporation in the ground and consists of at least one, but usually several evaporator lines. The evaporator lines are preferably made of metal tubes, which are surrounded for protection with a plastic jacket. In the direct evaporator 1 For example, the working fluid - for example, CO ₂ - evaporates, whereby it absorbs heat from the environment, for example, the surrounding soil. In other embodiments, however, this direct evaporator can also extract heat energy from a body of water or the surrounding air. The largely evaporated working fluid is then a low pressure collector 2 fed. However, the working fluid is not in an overheated state, which means that there may still be residual fluid. Such liquid residues are in the low pressure collector 2 deposited, which thus can simultaneously perform a function as a memory for the working fluid. The direct evaporator 1 is thus operated in flooded condition. The low pressure collector 2 is usually connected directly to the direct evaporator, but is preferably already above the earth's surface.

Im nächsten Prozessschritt wird das gasförmige Arbeitsfluid einem Verdichter 3 zugeführt, der das gasförmige Arbeitsfluid auf überkritischen Druck komprimiert. Das bedeutet, das Arbeitsfluid ist nach dem Verdichter 3 auf einer Temperatur, die oberhalb der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids liegt und somit kann das Arbeitsfluid bei dieser Kompression nicht mehr in den flüssigen Zustand überführt werden. Anschließend durchläuft das Arbeitsfluid einen Gaskühler 4, in welchem es abgekühlt wird und Wärmeenergie abgibt, die dem Heizungssystem eines Gebäudes (hier nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem Wärmeenergie mittels eines einzigen Kreislaufs von einem Wärmereservoir wie beispielsweise dem Erdreich dem Heizungssystem zugeführt, wobei ein Zwischenkreislauf zwischen dem Erdreich und dem zyklischen, transkritischen Dampfkompressionssystem entfällt. Damit entfällt auch der Energieaufwand zum Umwälzen eines Zwischenkreislauf mit beispielsweise einer Sole aus Frostschutzmittel. Die Umwälzung des erfindungsgemäßen Kreislaufs erfolgt hierbei allein durch die Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite.In the next process step, the gaseous working fluid becomes a compressor 3 fed, which compresses the gaseous working fluid to supercritical pressure. This means that the working fluid is after the compressor 3 At a temperature which is above the critical temperature of the working fluid and thus the working fluid can not be converted in this compression in the liquid state. Subsequently, the working fluid passes through a gas cooler 4 in which it is cooled and gives off heat energy which can be supplied to the heating system of a building (not shown here). Thus, in the heat pump system according to the invention thermal energy is supplied by means of a single circuit of a heat reservoir such as the soil to the heating system, with an intermediate circuit between the soil and the cyclic, trans-critical vapor compression system is eliminated. This also eliminates the energy required to circulate an intermediate circuit with, for example, a brine antifreeze. The circulation of the circuit according to the invention takes place here solely by the pressure difference between the high pressure and low pressure side.

Nach dem Gaskühler 4 befindet sich das Arbeitsfluid immer noch in gasförmigem Zustand, da der Arbeitspunkt im überkritischen Bereich liegt. Das Arbeitsfluid wird in der Folge durch eine Drossel 5 geleitet, die dann das Arbeitsfluid entspannt und abkühlt und somit in den unterkritischen Zustand bringt. Das bedeutet, dass nach der Drossel 5 zumindest teilweise ein flüssiges Arbeitsfluid vorliegt, welches anschließend wieder in den Direktverdampfer 1 eingebracht wird, um dort dem Erdreich durch Verdampfen wiederum Wärme zu entziehen.After the gas cooler 4 the working fluid is still in the gaseous state since the operating point is in the supercritical range. The working fluid is subsequently through a throttle 5 passed, which then relaxes the working fluid and cools and thus brings in the subcritical state. That means that after the throttle 5 at least partially a liquid working fluid is present, which then again in the direct evaporator 1 is introduced to withdraw there from the soil by evaporation in turn heat.

In 2 ist eine alternative Ausführung der Erfindung schematisch gezeigt. Während die Komponenten gemäß 1 auch im Kreislauf gemäß 2 beinhaltet sind, enthält der dargestellte Kreislauf zusätzlich einen internen Wärmetauscher 6, der das Arbeitsfluid erwärmt, bevor es in den Verdichter 3 eintritt. Das Arbeitsfluid wird dabei in einen überhitzten Zustand gebracht, was bedeutet, dass es keine flüssigen Bestandteile mehr enthält. Die Wärmeenergie, die hierzu benötigt wird, erhält das Arbeitsfluid im Wärmeaustausch mit dem entgegenströmenden Arbeitsfluid des Hochdruckkreislaufs zwischen dem Gaskühler 4 und der Drossel 5. Neben dem Vorteil, dass so am Verdichter 3 nur gasförmiges Arbeitsfluid ankommt, ergibt sich eine Verbesserung der Energiebilanz, da das Arbeitsfluid, welches vom Direktverdampfer 1 kommt, zusätzlich erwärmt wird und auf der anderen Seite das Arbeitsfluid, welches der Drossel 5 und anschließend dem Erdreich zugeführt wird, nochmals Wärmeenergie abgeben kann, die sonst für den Kreisprozess verloren geht.In 2 an alternative embodiment of the invention is shown schematically. While the components according to 1 also in the cycle according to 2 are included, the illustrated circuit additionally includes an internal heat exchanger 6 which heats the working fluid before it enters the compressor 3 entry. The working fluid is brought into a superheated state, which means that it no longer contains any liquid components. The heat energy required for this purpose receives the working fluid in heat exchange with the countercurrent working fluid of the high pressure circuit between the gas cooler 4 and the throttle 5 , Besides the advantage that so on the compressor 3 only gaseous working fluid arrives, there is an improvement in the energy balance, since the working fluid, which from the direct evaporator 1 comes, is additionally heated and on the other hand the working fluid, which is the throttle 5 and then fed to the soil, again can give off heat energy that is otherwise lost to the cycle.

In den 3 und 4 sind jeweils Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, mit denen unterschiedliche Ausgestaltungen des Direktverdampfers 1 erläutert werden sollen. In der 3 ist der Direktverdampfer 1 als sogenannte Erdsonde ausgeführt. Dies bedeutet, dass zur Einbringung des Direktverdampfers mit seinen in der Regel mehreren Verdampferleitungen zunächst eine Bohrung in die Erdoberfläche eingebracht wird und dann anschließend der Direktverdampfer in diese Bohrung eingebaut wird. Damit soll ausgenutzt werden, dass sich die Erdtemperatur mit zunehmender Tiefe erhöht und somit ein besseres Wärmereservoir für eine Wärmepumpe darstellt. Um von der Temperaturerhöhung mit zunehmender Tiefe wesentlich zu profitieren, wird hierzu typischerweise auf Tiefen von ca. 30 bis zu 150 m oder mehr gebohrt. Neben dem erwähnten Effekt, dass somit die Wärme der tieferen Erdschichten genutzt werden kann, ist hierbei auch vorteilhaft, dass nur auf einen vergleichsweise kleinen Querschnitt der Erdoberfläche zurückgegriffen werden muss, wodurch eine solche Erdsonde auf einem Grundstück vergleichsweise platzsparend angebracht werden kann.In the 3 and 4 each embodiments of the invention are shown, with which different embodiments of the direct evaporator 1 should be explained. In the 3 is the direct evaporator 1 executed as a so-called ground probe. This means that for introducing the direct evaporator with its usually several evaporator lines, a first hole is introduced into the earth's surface and then then the direct evaporator is installed in this hole. This should exploit the fact that the earth's temperature increases with increasing depth and thus represents a better heat reservoir for a heat pump. In order to benefit substantially from the increase in temperature with increasing depth, this is typically drilled to depths of about 30 to 150 meters or more. In addition to the mentioned effect that thus the heat of the deeper layers of the earth can be used, this is also advantageous that only a comparatively small cross-section of the earth's surface must be used, so that such a geothermal probe can be mounted on a property comparatively space-saving.

Eine Alternative zu einer solchen Erdsonde ist in 4 dargestellt, wo ein Direktverdampfer mit drei Verdampferleitungen schematisch gezeigt ist und als sogenannter Erdreichhorizontal-Verdampfer typischerweise horizontal zwischen 0,8 und 1,6 Meter unter der Erdoberfläche vergraben wird. Natürlich kann die Anzahl der Verdampferleitungen auch hier variiert werden, wobei typischerweise bis zu 20 Verdampferleitungen eingesetzt werden können. Gegenüber einer Erdsonde wie in 3 dargestellt entfällt hier die Notwendigkeit einer Tiefenbohrung, andererseits ist ein größerer Bereich an Erdoberfläche notwendig, um dieses Direktverdampfersystem einzubringen.An alternative to such a geothermal probe is in 4 shown where a direct evaporator with three evaporator lines is shown schematically and is buried as a so-called soil horizontal evaporator is typically horizontal between 0.8 and 1.6 meters below the surface. Of course, the number of evaporator lines can also be varied here, with typically up to 20 evaporator lines can be used. Opposite a ground probe like in 3 illustrated here eliminates the need for a deep hole, on the other hand, a larger area of earth surface is necessary to bring this direct evaporator system.

Claims

Apparatus for cyclic vapor compression, which operates with a supercritical pressure on the high pressure side and a direct evaporator ( 1 ), a low-pressure collector ( 2 ), a compressor ( 3 ), a gas cooler ( 4 ) and a throttle ( 5 ), which are connected in series with each other to a flow circuit and are flowed through by a working fluid, characterized in that the device is a heat pump and the direct evaporator is embedded in a primary heat source.

Device for cyclic vapor compression after Claim 1, characterized in that the primary heat source the soil is.

Cyclic vapor compression apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the working fluid is CO ₂ .

Cyclic vapor compression device according to one of the preceding claims, characterized in that the low-pressure collector ( 2 ) directly to the direct evaporator ( 1 ) is coupled.

Cyclic vapor compression device according to one of the preceding claims, characterized in that the direct evaporator ( 1 ) is designed for operation in the flooded area.

Cyclic vapor compression device according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit further comprises an internal heat exchanger ( 6 ) having a heat exchange between the connection from the low pressure collector ( 2 ) with the compressor ( 3 ) and the connection between the gas cooler ( 4 ) and the throttle ( 5 ).

Cyclic vapor compression device according to one of the preceding claims, characterized in that the direct evaporator ( 1 ) consists of one or more evaporator pipes, which are laid in the ground and are in thermal contact with this.

Cyclic vapor compression device according to one of the preceding claims, characterized in that the direct evaporator ( 1 ) is designed as a ground probe and is housed substantially vertically in a borehole in the ground.

Apparatus for cyclic vapor compression according to claim 8, characterized in that the evaporator lines up to a Depth of 30 to 150m are laid.

Apparatus for cyclic vapor compression according to claim 7, characterized in that the evaporator lines substantially are housed horizontally in the ground.

Device for cyclic vapor compression after one of the preceding claims, characterized in that the evaporator pipes of metal pipes consists of plastic coating.

Cyclic vapor compression device according to one of the preceding claims, characterized in that the gas cooler ( 4 ) is used directly for the hot water treatment of a building without one or with only one additional intermediate circuit.

Method for cyclic vapor compression for the heat absorption of a working fluid from a primary heat source by means of a direct evaporator ( 1 ) and for heat dissipation by means of a gas cooler ( 4 ), which comprises the following steps: a) at least partial evaporation of the working fluid in the direct evaporator ( 1 ) wherein the working fluid receives heat energy from the primary heat source; b) collecting liquid and gaseous working fluid in a low pressure collector ( 2 ); c) compressing the working fluid by means of a compressor ( 3 ) to supercritical pressure; d) cooling the supercritical gaseous working fluid in a gas cooler ( 4 ) wherein the working fluid gives off heat energy; and e) expanding the supercritical, gaseous working fluid in a subcritical state by means of a throttle ( 5 ).

Method according to claim 13, characterized in that the primary energy source the soil is.

A method according to claim 13 or 14, characterized in that the working fluid, which from the low-pressure collector ( 2 ) to the compressor ( 3 ) is guided by means of an internal heat exchanger ( 6 ) with the working fluid, which from the gas cooler ( 4 ) to the throttle ( 5 ), is brought into heat exchange.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that after step a) from the direct evaporator ( 1 ) both gaseous and liquid working fluid and the low pressure collector ( 2 ) is fed, whereby the direct evaporator is operated in the flooded area.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that CO _{2 is used} as the working fluid.