DE102005002282A1

DE102005002282A1 - Wärmepumpenkreis einer Lüftungsanlage

Info

Publication number: DE102005002282A1
Application number: DE102005002282A
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Schiefelbein; Steffen Smollich
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: DE102005002282B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lüftungsanlage (A) mit einem Wärmeübertrager (WT), der von einem Außenluftstrom (AU) beaufschlagt ist, wobei der Wärmeübertrager (WT) ein Luft-Luft-Wärmeübertrager ist, in dem ein Abluftstrom (AB) aus zu beheizenden Räumen Wärmeenergie auf den Außenluftstrom (AU) überträgt. Dabei überträgt die aus dem Wärmeübertrager (WT) austretende Fortluft (FO) Wärmeenergie an ein im Hochdruckbereich (WPKH) des Wärmepumpenkreises (WPK) im überkritischen Zustand betriebenes Kältemittel. DOLLAR A Um bei einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art eine thermodynamische Verbesserung des Wärmepumpen-Kreisprozesses zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass in dem Wärmepumpenkreis (WPK) neben einem Wärmeübertrager 2, 5 für die Erhitzung und/oder die Kühlung des Kältemittels ein zweiter Wärmeübertrager 3 und/oder Wärmeübertrager 6 vorgesehen ist und der Wärmepumpenkreis (WPK) zum Betrieb mit einem überkritischen Kältemittel ausgelegt ist. DOLLAR A Mit einem Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpenkreises einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreises im überkritischen Zustand betriebenen Kältemittel wird eine Effizienzsteigerung erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmepumpenkreis einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich überkritischen Kältemittel, der einen Wärmeübertrager aufweist, der von einem Außenluftstrom oder von einer Fortluft Wärme aufnimmt und auf das Kältemittel überträgt.

Derartige Lüftungsanlagen sind beispielsweise aus der DE 197 02 903 A1 , DE 199 13 861 C1 oder der DE 101 03 150 A1 bekannt. In besonders vorteilhafter Weise ist gemäß der Lehre der letztgenannten DE 101 03 51 A1 auch die zusätzliche Nutzung der aus dem ersten Wärmeübertrager austretenden Fortluft durch eine Abwärmepumpe vorgesehen. Der Nutzung von Abwärme aus Abluft und/oder Abwasser kommt seit dem Inkrafttreten der Energieeinsparverordnung EnEV im Februar 2002 besondere Bedeutung zu. Eine auf der Nutzung von Abwärme aufbauende Heizungsanlage senkt deren Primärenergiebedarf für Trinkwassererwärmung, Lüftung und Heizung sehr deutlich. So kann die eingesetzte Anlagentechnik sogar Einfluss auf die Erteilung oder Nicht-Erteilung einer Baugenehmigung Auswirkung haben.

Unter den vorstehend genannten Rahmenbedingungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art eine thermodynamische Verbesserung des Wärmepumpen-Kreisprozesses zu erreichen.

Die vorliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Demgemäss ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmepumpenkreis ein Wärmeübertrager oder ein Wärmeübertrager und ein zweiter Wärmeübertrager für die Überhitzung des zumindest teilweise verdampften Kältemittels vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager, der wenigstens von Außenluft durchströmt ist, in Strömungsrichtung des Kältemittels bei Heizbetrieb vor dem zweiten Wärmeübertrager liegt, in dem von der Fortluft der Lüftungsanlage Wärme auf das Kältemittel übertragen wird und/oder dass zusätzlich zu einem Wärmeübertrager ein Wärmeübertrager als Gaskühler im Außenluftstrom (AU) vor der Lüftungsanlage angeordnet ist, bei dem Wärme vom in einem Hochdruckbereich überkritischen Kältemittel auf den Außenluftstrom übertragen wird.

Die vorstehend genannte Lösung umfasst mithin die drei Alternativen einer zweistufigen Unterkühlung des Kältemittels, einer zweistufigen Überhitzung des Kältemittels sowie einer Kombination aus zweistufiger Unterkühlung und zweistufiger Überhitzung desselben Kältemittels. Im Fall einer zweistufigen Unterkühlung des Kältemittels wird das Ziel einer thermodynamischen Verbesserung des Kreisprozesses des Wärmelüftungskreises dadurch erreicht, dass einem ersten Wärmeübertrager als Gaskühler ein zweiter Wärmeübertrager nachgeschaltet wird. Dieser zweite Wärmeübertrager dient dazu, die verbleibende Wärme des überkritischen Kältemittels beispielsweise auf die Außenluft zu übertragen, so dass diese Außenluft nunmehr Temperaturen von 0°C oder mehr erreicht.

Zum weiteren Erwärmen der Zuluft kann damit insbesondere ein Einfrieren eines Luft-Luftwärmeübertragers, der in vorteilhafter Weise als Kreuz-Gegenstrom-Luft-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist, vermieden werden. Daneben bewirkt der zweite Wärmeübertrager jedoch vorteilhafterweise gleichzeitig auch eine signifikante Verringerung der Wärmeübertrager-Austrittstemperatur des Kältemittels. Dies führt bei Wärmepumpen- oder Kältekreisen zu einer deutlichen Erhöhung der als Quotient aus Heizleistung und Verdichter-Antriebsleistung definierten Leistungszahl ε, weil sich die nutzbare Wärme- bzw. Kälteleistung erhöht, ohne dass dazu zusätzliche elektrische Verdichterleistung aufgewendet werden muss.

Bei der Alternative einer zweistufigen Überhitzung wird ein wesentlicher Nachteil einer Überhitzung in einem einstufigen Kältemittelverdampfer vermieden, wonach die Wärmequelle an sich ein recht niedriges Temperaturniveau haben kann und bei einem sehr effizient arbeitenden Verdampfer unter Umständen keine zuverlässige Überhitzung realisiert werden kann. Erfindungsgemäß beinhaltet ein Wärmpumpenkreislauf an einem Verdampfer des Kältemittels anschließend einen weiteren Wärmeübertrager, in dem das Kältemittel zum Schutz des Verdichters sicher überhitzt bzw. nachverdampft wird, wobei das Kältemittel im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreislaufs in einem überkritischen Bereich und der Wärmepumpenkreislauf mit gesteigerte Effizient betrieben wird.

Bei der dritten Alternative werden die beiden vorstehend genannten Alternativen miteinander kombiniert, so dass sich eine zweistufige Überhitzung und eine zweistufige Unterkühlung des Kältemittels in demselben Wärmepumpenkreislauf ergibt. Die vorstehend aufgeführten Vorteile addieren sich hierbei bei thermodynamischer Effizienzsteigerung des Kälte mittelkreises sowie bei einer Erhöhung der Sicherheit des Betriebes, die sich insbesondere durch eine längere Lebensdauer des Verdichters auszeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach ist bei jeder der vorstehend genannten drei Alternativen ein Betrieb des jeweiligen zweiten Wärmeübertragers gegen die Außenluft vorgesehen. Im Fall einer Unterkühlung des Kältemittels ist der zweite Wärmeübertrager vorzugsweise dem Außenluft-Eingang als Luft-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertragers vorgeschaltet. Damit wird die Außenluft durch die von dem zweiten Wärmeübertrager abgegebene Wärme vorerwärmt, während gleichzeitig das Kältemittel des Wärmeübertragerkreises weiter abgekühlt wird. Dies ist für den Wärmepumpenbetrieb günstig, weil dadurch die Verflüssigung des Kältemittels unterstützt wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Wärmeübertrager im Fall einer Überhitzung des Kältemittels dem für die Erhitzung vorgesehenen Wärmeübertrager in Kältemittel-Flussrichtung vorgeschaltet angeordnet. Der zweite Wärmeübertrager ist mit Außenluft beaufschlagt, während der eigentlich für die Überhitzung vorgesehene Wärmeübertrager mit Fortluft beaufschlagt wird. Die Temperatur der Fortluft ist größer als die der Außenluft. Aufgrund der im Vergleich zur Außenluft höheren Feuchte der Fortluft ist in Verbindung mit ihrer höheren Temperatur der Energieinhalt der Fortluft auch größer als der der Außenluft. Zudem ist wegen des vergleichbar kleineren Volumenstromes der Fortluft und wegen der hohen verfügbaren externen Pressung von mechanischen Wohnungslüftungsanlagen eine sehr kompakte Gestaltung des Wärmeübertragers für die Überhitzung oder Nachverdampfung des Kältemittels möglich.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine mechanische Lüftungsanlage an den Abluft-Eingang eines Wärmeübertragers gekoppelt. Gerade bei den gemäß der Energieeinsparverordnung EnEV geforderten hoch wärmegedämmten und quasi luftdichten Neubauten mit einer geforderten Gebäudedichtigkeit von einem 0,2-fachen freien Luftwechsel über Gebäudeundichtigkeiten bietet sich insbesondere der Einsatz einer mechanischen Lüftungsanlage in Kombination mit einer Abluftwärmepumpe an. Für eine ausreichende Raumluftqualität sowie die notwendige Abfuhr von Feuchte aus den Räumen ist ein etwa 0,5-facher Luftwechsel benötigt, also ein 0,5-maliger Austausch des in den Räumen enthaltenen Luftvolumens pro Stunde, wie er auch nach DIN 1946 für Wohnungen gefordert ist. Zur Erreichung des erforderlichen Luftwechsels ist die derzeit noch übliche Fensterlüftung in Neubauten nach dem durch die EnEv definierten Niedrigenergiehaus-Standard ungeeignet. Als einige wesentliche Nachteile der Fensterlüftung sind zu nennen, dass der Luftwechsel in Abhängigkeit von der Windstärke wesentlich variiert und in der Größe schwer einzuschätzen ist, wobei die Durchströmungsrichtung innerhalb der Wohnung auch häufig ungünstig ist. Die theoretisch sinnvolle Stoßlüftung ist mindestens nachts nicht praktikabel, da mindestens zur Schlafenszeit die Fenster nicht alle zwei Stunden für 10 Minuten geöffnet werden können. Somit wird derzeit im Endeffekt entweder deutlich zu wenig oder viel zu viel gelüftet.

Im Zuge der EnEV wird also fast zwangsläufig ein mechanisches Lüftungssystem in entsprechenden Neubauten vorzusehen sein, durch die vorteilhafter Weise die hier erforderlichen Luftwechsel zuverlässig und sicher eingestellt werden können, wobei eine effiziente Querlüftung unter Verhinderung eines Eindringens von Staub, Pollen und Insekten in die Woh nung durch entsprechende Filterungen gewährleistet werden kann. Zudem wird durch eine mechanische Lüftungsanlage eine Schalldämmung der Wohnung gegenüber der Außenwelt wesentlich verbessert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet R744 bzw. CO₂ das Kältemittel. Gegenüber Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW) und Ersatzstoffen oder einer Verwendung von Propan als Kältemittel zeichnet sich CO₂ durch seine gute Verfügbarkeit bei vergleichsweise geringeren Preisen und seine Umweltverträglichkeit aus. Nachteilig bei Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel ist jedoch, dass Kohlendioxid keine klaren Phasenübergänge zeigt. Daher ist es gerade bei der Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel vorteilhaft, den Wärmepumpenprozess erfindungsgemäß klar in einem überkritischen Bereich zu führen. Dementsprechend ist im Fall einer überkritischen Prozessführung des Kältemittels im Hochdruckbereich der vorgesehene Wärmeübertrager für eine Verdampfung und eine teilweise Überhitzung des Kältemittels ausgelegt. Vorzugsweise wird im diesem Fall der jeweils zweite Wärmeübertrager für eine Verdampfung und eine sichere Überhitzung des Kältemittels ausgelegt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Wärmepumpenkreises einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreises im überkritischen Zustand betriebenen Kältemittel, wird das Kältemittel zwischen einer Gaskühlung und einer Wärmeaufnahme einer Druckdifferenz zwischen ca. 40 und ca. 90 bar ausgesetzt. Bei Hochdruck von über 70 bar im überkritischen Zustand fällt getrennt hintereinander zunächst in einer ersten Gaskühlung (2a–2b) die Enthalpie um ca. 150 bis ca. 300 kJ/kg und in einer zweiten, auf die erste nachfolgende, Gaskühlung (3a–3b) fällt die Enthalpie um weniger als ca. 100 kJ/kg, und/oder bei einem Druck zwischen ca. 20 und ca. 60 bar bei einer ersten Wärmeaufnahme (5a–5b) steigt die Enthalpie um ca. 150 bis ca. 250 kJ/kg an und in einer nachfolgenden zweiten Wärmeaufnahme (6a–6b) steigt die Enthalpie des Kältemittels um weniger als ca. 100 kJ/Kg an.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass die erste Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (5a–5b) aus der Außenluft erfolgt und die zweite Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (6a-6b) einer Fortluft eines Raumes, die eine höhere Temperatur als die Außenluft besitzt und/oder dass das erste Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (2a–2b) von Wärme an ein Heizungs-, Warmwasser- oder Lüftungssystem erfolgt und das zweite Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (3a–3b) an einen Außenluftstrom erfolgt.

Das Kältemittel wird in einer vorteilhaften Verfahrens- oder Prozessführung mittels eines Verdichters auf eine Druck von ca. 90–100 bar, bei einer Temperatur von ca 80 °C verdichtet. Von diesem Zustand aus erfolgt eine Wärmeabgabe, wobei die Enthalpie des Kältemittels von ca. 470 kJ/kg auf etwa 250 kJ/kg fällt, was isobar bei einem Druck von ca. 95 bar erfolgt. In einem zweiten Wärmeabgabeprozess erfolgt dann beim gleichen Druck ein weiterer Enthalpieabfall von etwa 250 kJ/kg auf 200 kJ/kg. Das Kältemittel wird dann auf einen Druck von ca. 35 bar entspannt, zumindest soweit entspannt, dass das Kältemittel im Nassdampfgebiet gehalten wird. Nun folgt eine in vorteilhafter Weise isobare zweistufige Erwärmung mit einem ersten Anstieg der Enthalpie von ca. 200 kJ/kg auf etwa 400 kJ/kg, insbesondere über 400 kJ/kg, jedoch in vorteilhafter Weise noch im Nassdampfgebiet. Hierauf folgt beim gleichen Druck eine weitere isobare Energieaufnahme, bei der das Kältemittel eine Enthalpie annimmt, die einem Wert außerhalb des Nassdampfgebietes entspricht, im speziellen eine Enthalpie von ca. 440 kJ/kg. Bei höheren Drücken kann die Enthalpie auch etwas kleiner sein, z.B. ca. 420 kJ/kg bei 50 bar, je nachdem bei welchem Druck die Wärmeaufnahme erfolgt. Von diesem Zustand aus erfolgt wieder eine Drucksteigerung im Verdichter auf ca. 95 bar und einer Temperatur von etwa 80 °C, was einer Enthalpie im Bereich um 470 kJ/kg entspricht und womit der Kältemittelprozess geschlossen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf Abbildungen der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1: ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2: ein zu dem Wärmepumpenkreis von 1 gehöriges Druck-Enthalpie-Diagramm;
3: ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4: ein zu dem Wärmepumpenkreis gemäß 3 gehöriges Druck-Enthalpie-Diagramm;
5: ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
6: ein Druck-Enthalpie-Diagramm, das zu dem Wärmepumpenkreis von 5 gehört.
In den Abbildungen der Zeichnung werden über die verschiedenen Ausführungsformen hinweg gleiche Bezugzeichen für gleiche oder gleichartige Elemente verwendet.
In der Abbildung von 1 ist ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei eine mit gestrichelter Linie umschlossene Lüftungsanlage A zusammen mit einem Solarwärme-Kreis B an eine Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C gekoppelt ist.
Soweit die Lüftungsanlage A einen Wärmeübertrager WT aufweist, der als Luft-Luft-Kreuzstrom-Wärmeübertrager oder Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist, kann über eine zeichnerisch nicht weiter dargestellte mechanische Lüftungsanlage ein Abluftstrom AB aus zu beheizenden Räumen an den Abluft-Eingang des ersten Wärmeübertragers WT geleitet werden. Nach der Übertragung von Wärmeenergie auf einen Zuluftstrom ZU wird der Abluftstrom AB als Fortluft FO weitergeleitet.
Die im Fortluftstrom FO noch enthaltene sensible Wärme wird in einem Wärmepumpenkreis WPK genutzt. Dazu umfasst dieser Wärmepumpenkreis WPK einen Verdichter 1 zum Verdichten eines gasförmigen Kältemittels, einen ersten Wärmeübertrager 2 und einen zweiten Wärmeübertrager 3, die beide als Gaskühler für das verdichtete Kältemittel und mithin zu dessen Verflüssigung dienen. Schließlich gelangt das flüssige Kältemittel über ein steuerbares Expansionsventil 4 zu einem Verdampfer 5. Hinter dem Verdampfer 5 schließt sich der Wärmepumpenkreis WPK, wobei der Fortluftstrom FO nach dem Durchlaufen des Verdampfers 5 dann endgültig an die Umgebung abgegeben wird. Der Wärmeübertrager 2 kann in vorteilhafter Weise als Heizkörper für die Erwärmung von Zuluft verwendet sein, wobei er im Zuluft- oder Außenluftstrom liegt.
Der Verdampfer 5 dient also dem weitgehenden Entziehen der noch im Fortluftstrom FO enthaltenen sensiblen Wärme. Er ist dazu so dimensioniert, dass das Kältemittel mindestens beim Eintritt in den nachgeschalteten Verdichter 1 in einem überkritischen Bereich betrieben wird. In vorteilhafter Weise wird das Kältemittel in einem Hochdruckbereich (WPKH) des Wärmepumpenkreises (WPK) zwischen dem Verdichter 1 und dem Expansionsventil 4 in einem überkritischen Zustand betrieben. Mit Kohlendioxid CO₂ als Kältemittel ist eine Chemikalie mit guter Verfügbarkeit, hoher Umweltverträglichkeit und vergleichsweise geringem Gefahrenpotential verwendet.
Die von dem Fortluftstrom FO im Verdampfer 5 aufgenommene Wärme wird dann in zwei Stufen über den ersten Wärmeübertrager 2 und einen zweiten Wärmeübertrager 3 wieder abgegeben. Dem Wärmeübertrager 2 als ersten Verflüssiger ist in Strömungsrichtung des Kältemittels des Wärmepumpenkreises WPK der zweite Wärmeübertrager 3 nachgeschaltet, der in diesem Beispielfall als Lamellenrohr-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Dieser zweite Wärmeübertrager 3 wird einerseits vom Kältemittel des Wärmepumpenkreises WPK und andererseits vom Außenluftstrom AU durchströmt, bevor der Außenluftstrom AU zur weiteren Erwärmung in den ersten Wärmeübertrager WT eintritt.
Das verflüssigte Kältemittel hat an einem Ausgang 2b des Verflüssigers 2 eine Temperatur in der Größenordnung von beispielsweise 30°C. Es wurde gefunden, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen, d.h. niedrigen Temperaturen des Außenluftstroms AU von insbesondere unter 0°C, die Gefahr besteht, dass der erste Wärmeübertrager WT bereift oder vereist und damit großteils seine Wirkung verliert. In diesem Fall einer Unterkühlung des Kältemittels ist der zweite Wär meübertrager 3 dem Außenluft-Eingang des als Luft-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten ersten Wärmeübertragers WT vorgeschaltet, wobei das im Hochdruckbereich (WPKH) überkritische Kältemittel im ersten Wärmeübertrager 2 einen größeren Teil Q der Wärme auf eine erste Wärmesenke, die Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C, überträgt und ein weiterer Wärmeübertrager 3 einen kleineren Teil q der Wärme des Kältemittels auf niedrigem Temperaturniveau auf einen Außenluftstrom AU als zweite Wärmesenke überträgt, so dass das Einfrieren des anschließend von der Außenluft durchströmten Luft-Luft-Wärme-übertragers WT unterbunden wird. Durch die Abgabe einer bestimmten Wärmemenge q durch den zweiten Wärmeübertrager 3 wird der Außenluftstrom AU vorerwärmt, was einer Bereifung und/oder Vereisung des ersten Wärmeübertragers 1 entgegenwirkt. Gleichzeitig wird dabei das im Hochdruckbereich des (WPKH) befindliche Kältemittel des Wärmepumpenkreises (WPK) noch weiter abgekühlt. Dies ist für den Wärmepumpenbetrieb günstig, weil die Heizleistung ohne Erhöhung der elektrischen Leistungsaufnahme im Verdichter 1 gesteigert wird.
Der Solarwärme-Kreis B umfasst einen Sonnenkollektor S, eine Pumpe P und einen Wärmeübertrager WTS, der durch seine Dimensionierung an die in einem Solar-Kreis auftretenden Wärmemengen angepasst ist. Über den sog. Solar-Wärmeübertrager WTS wird in dem Sonnenkollektor S gewonnene Wärme in den Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C übertragen, der neben einer elektrischen Nacherwärmung N auch noch den Wärmeübertrager 2 des Wärmepumpenkreises WPK der Lüftungsanlage A als Wärmequelle umfasst. Zur Nutzung beispielsweise von Geothermie-Wärmequellen etc. können hier im Wärmekreis der Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C weitere Wärmeübertrager vorgesehen werden.
Die an den dargestellten drei Wärmeübertragern WTS,2,N eingespeiste Wärme kann nun wahlweise über Pumpen und steuerbare Ventile auf einen Heizkreis HK und einen Warmwasserkreis mit einem Warmwasserbehälter WB aufgeteilt werden. Der Heizkreis HK versorgt Radiatoren und/oder Fußbodenheizungen mit Heizwasser. Die über einen Wärmeübertrager in den Warmwasserbehälter WB eingeleitete Wärme kann gespeichert werden und über nicht weiter dargestellte zusätzliche Wärmeübertrager nach Bedarf zur Erwärmung oder wenigstens zur Vorerwärmung von Trinkwasser genutzt werden. Trinkwasser kann auch durch ein Umlaufsystem für Warmwasser auf einer voreingestellten Temperatur gehalten werden.
Analog zum Aufbau der vorstehend beschriebenen Lüftungsanlage A kann auch eine in der 1 nicht dargestellte Abwärme-Rückgewinnung aus Abwasser bei Vorerwärmung von Frischwasser zusätzlich oder alternativ betrieben werden.
2 zeigt ein zu dem Wärmepumpenkreis von 1 gehöriges Druck-Enthalpie-Diagramm für Kohlendioxid CO₂ bzw. R744 als Kältemittel. Verdichter 1, erster Wärmeübertrager 2, zweiter Wärmeübertrager 3, steuerbares Expansionsventil 4 und Wärmeübertrager 6 sind als Elemente des Wärmepumpenkreises WPK durch ihre jeweiligen Eingänge a und Ausgänge b im Kreislauf innerhalb des p-h-Diagramms gekennzeichnet. Im p-h-Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass sich der Arbeitspunkt im Übergang vom Ausgang 6b des Verdampfers 5 hin zum Eingang 1a des Verdichters 1 klar jenseits der Taulinie befindet.
3 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Demgemäss werden nun Wärmequellen unterschiedlicher Eigenschaften ökonomisch optimal genutzt, indem zur Wärmeaufnahme zwei jeweils angepasste Wär meübertrager als Verdampfer eingesetzt werden. In Flussrichtung des überkritischen Kältemittels ist dem mit Fortluft FO beaufschlagten Verdampfer 6 ein Verdampfer 5 vorgeschaltet. Der Verdampfer 5 nutzt ein kälteres Temperaturniveau zur zusätzlichen Aufnahme von Wärme, wozu dieser als Wärmeübertrager mit Außenluft AU beaufschlagt wird.
Zum Hintergrund für diese Besonderheit: Eine Sauggasüberhitzung oder eventuelle Nachverdampfung wird bei Wärmepumpen innerhalb des Kältemittelverdampfers gegen eine Wärmequelle oder durch einen inneren Wärmeübertrager gegen ein flüssiges Kältemittel realisiert. Als Nachteil bei der Überhitzung im Kältemittelverdampfer kann auftreten, dass bei einem effizienten Verdampfer unter Umständen keine zuverlässige Überhitzung des Kältemittels realisiert werden kann, wenn die Wärmequelle an sich ein recht niedriges Temperaturniveau hat.
Die zweite Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet daher einen Wärmepumpenkreislauf in Verbindung mit einem Lüftungsgerät, wo das Kältemittel nach dem Wärmeübertrager 5 in einem weiteren Wärmeübertrager 6 gegen die Fortluft des Lüftungsgerätes überhitzt oder nachverdampft wird. Die Temperatur der Fortluft FO ist größer als die der Außenluft AU. Aufgrund der im Vergleich zur Außenluft AU höheren Feuchte der Fortluft FO ist in Verbindung mit ihrer höheren Temperatur der Energieinhalt der Fortluft FO größer als der Energieinhalt der Außenluft AU. Zudem ist wegen des vergleichbar kleinen Luftvolumenstroms der Fortluft FO und wegen der durch die hohen verfügbaren externen Pressung von mechanischen Wohnungslüftungsanlagen eine sehr kompakte Gestaltung des Wärmeübertragers 6 zur Überhitzung oder Nachverdampfung des Kältemittels möglich. Also ist nun in dem Wärmepumpenkreislauf hinter dem Wärmeübertrager 5 ein weiterer Wärmeübertrager 6 als Überhitzer angeordnet, in dem das Kältemittel CO₂ überhitzt oder nachverdampft wird. Die Überhitzung oder Nachverdampfung erfolgt gegen die Fortluft FO des ersten Wärmeübertragers WT, in dem die Zuluft ZU eines Gebäudes gegen die Abluft AB erwärmt wird.
In dem nach 3 vorliegenden Fall einer Überhitzung des Kältemittels ist der zweite Wärmeübertrager 6 für eine Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels ausgelegt, und ein betriebssicheres Nachverdampfen oder Überhitzen ist mit einer Wärmequelle sichergestellt, die stets ein höheres Temperaturniveau als die Wärmequelle des primären Verdampfers 5 hat. Damit kann das Kältemittel nun in dem zweiten Wärmeübertrager 6 als Überhitzer zum Teil verdampft und sicher überhitzt werden, es kann aber auch bereits in dem ersten Wärmeübertrager 5 als Verdampfer verdampft und zum Teil überhitzt werden. 4 zeigt ein zu dem Wärmepumpenkreis gemäß 3 gehöriges Druck-Enthalpie-Diagramm, in dem der entsprechende Übergabepunkt zwischen Ausgang 5b des zusätzlichen Wärmeübertragers 5 und dem Eingang 6a des Verdampfers bzw. Überhitzers 6 noch im Nassdampfgebiet dargestellt ist. Der Arbeitspunkt im Übergang vom Ausgang 6b des Wärmeübertragers 6 hin zum Eingang 1a des Verdichters 1 befindet sich wiederum klar jenseits der Taulinie.
Zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Kreisprozesses der CO₂-Wärmepumpe bzw. des Wärmepumpenkreises WPK wurde in der ersten Ausführungsform dem Wärmeübertrager 2 als Gaskühler 1 der Wärmepumpe, in dem hier das Heizungswasser u.a. in der Heizungs- und Brauchwasseranlage C erwärmt wird, ein zweiter Wärmeübertrager 3 als zusätzlicher Gaskühler nachgeschaltet. Dieser dient dazu, die verbleibende Wärme des überkritischen CO₂-Kältemittels auf die Außenluft AU zu übertragen.
Der zusätzliche Gaskühler 3 bewirkt neben einer signifikanten Verringerung der Gaskühler-Austrittstemperatur des Kältemittels gleichzeitig auch eine Vorerwärmung der Außenluft AU, so dass diese Temperaturen von 0°C oder mehr erreicht, so dass ein Einfrieren des Kreuz-Gegenstrom-Wärmeaustauschers vermieden wird. Dies führt neben einer unterbrechungsfreien Verfügbarkeit der Anlage bei CO₂-Wärmepumpen- oder Kältekreisen zu einer deutlichen Erhöhung der Leistungszahl, weil sich die nutzbare Wärme- bzw. Kälteleistung erhöht, ohne dass dazu zusätzliche Verdichterleistung aufgewendet werden muss. Bei einem CO₂-Wärmepumpenprozess mit –10°C Verdampfungstemperatur und einem Gaskühlerdruck von 80 bar kann so die Heizleistungszahl von 2,7 bei einer Gaskühleraustrittstemperatur von 30°C auf 3,2 bei einer Gaskühleraustrittstemperatur von 20°C verbessert werden.
Diese erstbeschriebene Vorrichtung kann jedoch gut mit einer Kältemittelnachverdampfung mittels Fortluft FO gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung kombiniert werden. In beiden Fällen ist eine Kombination aus Lüftungsgerät und Wärmepumpe vorgesehen. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Wärme des zweiten Gaskühlers bei niedrigem Temperaturniveau auf die vom Lüftungsgerät angesaugte Außenluft übertragen und damit die Leistungszahl des Wärmepumpenkreises erhöht; bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die verbleibende Energie der Fortluft des Lüftungsgerätes genutzt, um eine sichere Nachverdampfung des aus dem saugseitigen Sammler kommenden Kältemittels zu gewährleisten und damit einen regelungstechnisch stabilen Kältekreis und eine lange Verdichterlebensdauer zu ermöglichen.
Diese Kombination ist als dritte Ausführungsform der Erfindung in 5 als schematisches Schaltbild dargestellt. 6 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm, das zu dem Wärmepumpenkreis von 5 gehört. Hierin sind die vorstehend zu den ersten beiden Ausführungsformen beschriebenen Eigenschaften exakt übernommen worden.

Verdichter

1a: Eingang des Verdichters
1b: Ausgang des Verdichters

Gaskühler/Wärmeübertrager

2a: Eingang des Gaskühlers
2b: Ausgang des Gaskühlers

Gaskühler/Wärmeübertrager

3a: Eingang des Gaskühlers
3b: Ausgang des Gaskühlers

Expansionsventil

4a: Eingang des Expansionsventils
4b: Ausgang des Expansionsventils

Verdampfer/Wärmeübertrager

5a: Eingang des Verdampfers
5b: Ausgang des Verdampfers

Nachverdampfer/Wärmeübertrager

6a: Eingang des Nachverdampfers
6b: Ausgang des Nachverdampfers

Claims

Wärmepumpenkreis einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich überkritischen Kältemittel, der einen Wärmeübertrager aufweist, der von einem Außenluftstrom oder von einer Fortluft Wärme aufnimmt und auf das Kältemittel überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmepumpenkreis (WPK) ein Wärmeübertrager (5) oder ein Wärmeübertrager (5) und ein zweiter Wärmeübertrager (6) für die Überhitzung des zumindest teilweise verdampften Kältemittels vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager (5), der wenigstens von Fortluft (FO) oder Außenluft (AU) durchströmt ist, in Strömungsrichtung des Kältemittels bei Heizbetrieb vor dem zweiten Wärmeübertrager (6) liegt, in dem von der Fortluft (FO) der Lüftungsanlage (A) Wärme auf das Kältemittel übertragen wird und/oder dass zusätzlich zu einem Wärmeübertrager (2) ein Wärmeübertrager (3) als Gaskühler im Außenluftstrom (AU) vor der Lüftungsanlage (A) angeordnet ist, bei dem Wärme vom in einem Hochdruckbereich (WPKH) überkritischen Kältemittel auf den Außenluftstrom (AU) übertragen wird.
Wärmepumpenkreis nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungsanlage (A) einen Wärmeübertrager (WT) aufweist, der von einem Außenluftstrom (AU) beaufschlagt ist, wobei der Wärmeübertrager (WT) ein Luft-Luft-Wärmeübertrager ist, in dem ein Abluftstrom (AB) aus zu beheizenden Räumen Wärmeenergie auf den Außenluftstrom (AU) zur Ausbildung eines vorgewärmten Zuluftstroms (ZU) überträgt.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (3) dem Außenluft-Eingang des als Luft-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertragers (WT) vorgeschaltet ist, wobei mit dem Gaskühler (2) für das im Hochdruckbereich (WPKH) des Wärmepumpenkreises (WPK) überkritische Kältemittel einen größeren Teil (Q) der Wärme des Kältemittels auf eine erste Wärmesenke überträgt und der Wärmetauscher (3) einen kleineren Teil (q) der Wärme des überkritischen Kältemittels auf niedrigen Temperaturniveau auf einen Außenluftstrom (AU) überträgt, so dass das Einfrieren eines anschließend von der Außenluft (AU) durchströmten Luft-Luft-Wärmeübertragers (WT) unterbunden ist.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Überhitzung des Kältemittels der für die Erhitzung vorgesehene Wärmeübertrager (5) für eine Verdampfung und/oder eine teilweise Überhitzung des Kältemittels ausgelegt ist.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Überhitzung des Kältemittels der zweite Wärmeübertrager (6) für eine Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels ausgelegt ist und ein betriebssicheres Nachverdampfen oder Überhitzen mit einer Wärmequelle sichergestellt ist, die stets ein höheres Temperaturniveau als die Wärmequelle des primären Verdampfers (5) hat.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Lüftungsanlage an den Abluft-Eingang des ersten Wärmeübertragers (WT) gekoppelt ist.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel ein Mitglied der Gruppe R134a, R290, R407C, R410A, R600a ist.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass CO₂ bzw. R744 das Kältemittel ist.
Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreis (WPK) an eine Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage (C) gekoppelt ist, insbesondere als eine von mehreren Wärmequellen.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpenkreises einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreises im überkritischen Zustand betriebenen Kältemittel, enthaltend die Verfahrensschritte, dass das Kältemittel zwischen einer Gaskühlung und einer Wärmeaufnahme einer Druckdifferenz zwischen ca. 40 und ca. 90 bar ausgesetzt ist, dass die Enthalpie des Kältemittels bei Hochdruck von über 70 bar im überkritischen Zustand getrennt hintereinander zunächst in einer ersten Gaskühlung (2a–2b) um ca. 150 bis ca. 300 kJ/kg fällt und in einer zweiten, auf die erste nachfolgende, Gaskühlung (3a–3b) um weniger als ca. 100 kJ/kg fällt und/oder bei einem Druck zwischen ca. 20 und ca. 60 bar bei einer ersten Wärmeaufnahme (5a–5b) die Enthalpie um ca. 150 bis ca. 250 kJ/kg ansteigt und bei einer nachfolgenden zweiten Wärmeaufnahme (6a–6b) des Kältemittels um weniger als ca. 100 kJ/Kg ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (5a-5b) aus der Außenluft (AU) erfolgt und die zweite Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (6a–6b) einer Fortluft (FO) eines Raumes, die eine höhere Temperatur als sie Außenluft (Au) besitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (2a-2b) an ein Heizungs-, Warmwasser- oder Lüftungssystem erfolgt und das zweite Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (3a–3b) an einen Außenluftstrom (AU) erfolgt.