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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung für Brauchwasser.
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Brauchwasserwärmepumpen
verwenden beispielsweise die Umgebungsluft als Energiequelle und übertragen
die Nutzwärme
unter Verwendung eines Wärmetauschers
und eines Verflüssigers
auf ein Heizungsmedium, welches wiederum die Wärme auf einen Brauchwasserinhalt
des Speichers überträgt.
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9 zeigt eine schematische
Darstellung einer Brauchwasserwärmepumpe
mit einer direkten Verflüssigung
gemäß dem Stand
der Technik. In einem Wärmeaustauscher 4,
welcher als ein gewendeltes Kupferrohr ausgeführt sein kann, wird das Kältemittel
KM enthitzt und kondensiert. Die Wärme des Kältemittels KM wird auf Brauchwasser übertragen. Der
Kältekreis
besteht dabei aus einem Verdampfer 1, einem Kompressor 2,
einem Hochdruckwächter 3, einem
Verflüssiger 4 und
einem thermischen Expansionsventil 5. Ein Lüfter 6 transportiert
die zu enthitzende und zu entfeuchtende Luft durch den Verdampfer 1.
Das Brauchwasser wird in einem vorzugsweise emaillierten Stahlbehälter 7 gespeichert
und durch die Wärme
des Kältemittels übertragen.
Der Stahlbehälter 7 ist
mit einem Wärme
dämmenden Material
wie beispielsweise PUR-Schaum 8 zusammen mit dem Verflüssiger 4 eingeschäumt.
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Während eines
Zapfvorganges wird warmes Wasser WW aus dem Speicher 7 gezapft
und kaltes Wasser KW fließt
in den Speicher hinein. Entsprechend der Leistung der Wärmepumpe
kann relativ viel Zeit benötigt
werden, um das nachfließende
kalte Wasser KW wieder auf ein nutzbares, vorzugsweise hohes Temperaturniveau
zu bringen.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmepumpe
vorzusehen, welche weniger Zeit benötigt, um nachfließendes kaltes
Wasser KW zu erwärmen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Somit
wird eine Wärmepumpe
für Brauchwasser
vorgesehen. Neben einem Verflüssiger
und einem Speicher für
Brauchwasser weist die Wärmepumpe
eine zusätzliche
Wärmeübertragungseinheit in
dem Speicher auf. Zur Erhöhung
des Brauchwasserkomforts ist somit ein weiterer Wärmeübertrager in
dem Speicher, d. h. im Brauchwasser, vorgesehen, so dass eine Nachheizzeit
entsprechend verkürzt wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Wärmeübertragungseinheit ein elektrisch
direkt heizendes Element auf.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Verflüssiger als
gewendeltes Rohr ausgestaltet, und die Wärmeübertragungseinheit ist innerhalb
des gewendelten Rohres angeordnet. Die platzsparende Anordnung des
Verflüssigers
der Wärmepumpe
mit dem zusätzlichen
Heizkörper
erweist sich durch ihre kompakte Ausführung als vorteilhaft. Die
Anordnung des zusätzlichen
Heizkörpers
innerhalb der Wendeln des Verflüssigers
ist ferner hinsichtlich des Transportes vorteilhaft.
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Verflüssigers der Wärmepumpe
von 1,
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Aufbaus eines wendelförmigen Verflüssigers
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 zeigt
einen schematischen Aufbau eines elektrischen Zusatzheizkörpers,
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5 zeigt
eine schematische Darstellung der Kopplung des Verflüssigers
und des Zusatzheizkörpers,
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6 zeigt
ein elektrisches Schaltbild einer Wärmepumpe gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel,
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7 zeigt
ein T-H-Diagramm gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel,
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8 zeigt
eine Schnittansicht eines Verflüssigers
gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, und
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9 zeigt
eine schematische Veranschaulichung einer Wärmepumpe gemäß dem Stand
der Technik.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
In einem Wärmeaustauscher 4,
welcher als ein gewendeltes Kupferrohr ausgeführt sein kann, wird das Kältemittel
KM enthitztund kondensiert. Die Wärme des Kältemittels KM wird auf das Brauchwasser übertragen.
Der Kältekreis
besteht dabei aus einem Verdampfer 1, einem Kompressor 2, einem
Hochdruckwächter 3,
einem Verflüssiger 4 und
einem thermischen Expansionsventil 5. Ein Lüfter 6 transportiert
die zu enthitzende und zu entfeuchtende Luft durch den Verdampfer 1.
Das Brauchwasser wird in einem vorzugsweise emaillierten Stahlbehälter 7 gespeichert.
Der Stahlbehälter 7 ist
mit einem Wärme
dämmenden
Material wie beispielsweise PUR-Schaum 8 zusammen mit dem
Verflüssiger 4 eingeschäumt.
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Um
kaltes Wasser KW, welches in den Speicher 7 nach einem
Zapfvorgang nachströmt,
schnell aufzuwärmen,
ist eine zusätzliche
Wärmeübertragungseinheit 9 in
dem Speicher vorgesehen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Verflüssigers 4 von 1.
Durch die entsprechende Befestigung des Zusatzheizkörpers wird
eine schwingungsarme Ankopplung realisiert. Am unteren Ende des
Wärmetauschers 12 wird
der Zusatzheizkörper 13 angeordnet.
Entlang der Pfeilrichtung 10 tritt ein Kältemittel
KM durch die Heißgasleitung 10 in den
Behälter
ein und wird in der wendelförmigen Rohrschlange 12 enthitzt.
Durch die Flüssigkeitsleitung 11,
die in dem Bereich X durch eine Doppelrohrkonstruktion gedämpft ist,
verlässt
das Kältemittel KM
den Brauchwasserspeicher 7.
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Ferner
ist eine Schutzanode 16 im unteren Bereich angeordnet.
Diese Schutzanode 16 dient dem Korrosionsschutz 15.
Der Wärmetauscher 12 wird
vorzugsweise aus einem Rohrstück
gefertigt, so dass sich keine Verbindungslötstellen im Brauchwasser befinden.
Dies ist insbesondere wichtig für
den Einsatz von brennbaren Kältemitteln
wie beispielsweise R290.
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3 zeigt
einen Aufbau eines wendelförmigen
Verflüssigers
gemäß 2.
Um eine platzsparende Lösung
für den
Zusatzheizkörper 13 innerhalb des
Verflüssigerwendels
vorzusehen, wird zwischen der letzten Wendel 18 ein Halteelement 17 angeordnet,
welches eine Bohrung 19 aufweist. In diese Bohrung wird
eine Tauchhülse 16 des
Zusatzheizkörpers geschoben.
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4 zeigt
einen schematischen Aufbau eines elektrischen Zusatzheizkörpers von 2.
Dabei weist der Heizkörper 13 eine
Tauchhülse 16 auf. Über die
Tauchhülse 16 wird
ein Rohrstück 20 angeordnet,
welches einen Außendurchmesser
aufweist, der größer als
der Durchmesser der Bohrung ist. Insbesondere im Kompressorbetrieb
können
druckinduzierte Schwingungen auf das Verflüssigerwendel übertragen
werden, was zu akustischen Problemen führen kann. Um diese akustischen
Probleme zu beseitigen, wird eine definierte Vorspannung vorgesehen
und die Wendelsegmente werden durch Lötpunkte 22 mit dem
Doppelrohr innerhalb der Strecke X befestigt. Hierbei werden die
Lötpunkte 22 insbesondere
nicht bei den letzten drei bis sieben Wendeln angebracht. Beim Anziehen
des Heizflansches 13 mit den Flanschschrauben 21 sorgt
das Rohrstück
für eine
Vorspannung des wendelförmigen
Verflüssigers 12 mit
dem Heizflansch 13. Aus Korrosionsschutzgründen ist
zwischen dem Zusatzheizkörper 13 und dem
Verflüssigermaterial
eine elektrisch leitende Verbindung angeordnet, welche durch eine
Verwendung des Rohrstückes
beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer
ausgeführt
ist.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausschnittes des wendelförmigen Verflüssigers
von 3 zusammen mit dem elektrischen Heizkörper von 4.
Hierbei ist das Rohrstück 20 sowie
der elektrische Heizkörper 13 mit
der Tauchhülse 16 zu
sehen.
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Eine
Wärmepumpe
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
beruht auf einer Wärmepumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Wenn ein zusätzlicher
Heizkörper 9 in
dem Speicher 7 zusätzlich
zum Verflüssiger 4 angeordnet
wird, muss das Regelkonzept der Wärmepumpe entsprechend angepasst
werden, um den Anteil der Wärmepumpe
an der Jahresheizarbeit möglichst
groß zu
halten, d. h. die Jahresheizarbeit des zusätzlichen Heizkörpers 9 sollte
möglichst
gering sein.
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6 zeigt
ein Schaltbild einer Wärmepumpe
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
Basierend auf diesem Schaltbild wird ein Regelkonzept implementiert,
bei dem der Anteil der Wärmepumpe
an der Jahresheizarbeit gegenüber
dem elektrisch direkt betriebenen Zusatzheizkörper möglichst groß ist, ohne dabei das Komfortbedürfnis nach
einer möglichst
großen
Mischwassermenge zu vernachlässigen.
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Der
Kompressor M1 sowie die elektrische Zusatzheizung E werden jeweils über einen
separaten Temperaturregler mit einer entsprechenden Spannung versorgt.
Die elektrische Zusatzheizung E wird über eine Regler/Begrenzerkombination 401 mit Spannung
versorgt. Im Gegensatz dazu wird der Lüftermotor sowie der Kompressor über den
Hochdruckbegrenzer 403, den Frostschutzwächter 404 und
den Regler 402 mit Spannung versorgt. Der Lüftermotor M2
ist immer dann angeschaltet, wenn der Kompressor M1 mit Spannung
versorgt ist. Der Lüftermotor M2
ist über
einen dreipoligen Schalter S2 in mehreren Stufen betreibbar. So
kann vorteilhafterweise der Betrieb des Lüftermotors M2 unabhängig von
dem Kompressorbetrieb aufrecht erhalten werden. Der Temperaturregler 402 kann
beispielsweise auf einen für
die Wärmepumpe
für Brauchwasser
betriebssicheren, fest eingestellten Wert von beispielsweise 60°C ausgelegt
sein.
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Die
elektrische Zusatzheizung E wird über ein Schütz 406, welches als
selbsthaltendes Schütz geschaltet
ist, implementiert. Wird jedoch eine höhere Brauchwassertemperatur
als 60°C
gewünscht,
so kann mit dem gedrückten
Schalter S1 die Spule K des Schützes
in eine Selbsthaltungsfunktion gesetzt werden. Bis zu der dem Regler 402 eingestellten Temperatur
arbeiten die Zusatzheizung E und der Kompressor M1 (d. h. ebenfalls
der Lüfter
M2) im Parallelbetrieb. Wird jedoch die am Regler M1 eingestellte
Temperatur größer als
die Grenztemperatur des Reglers 402, wenn die an dem Regler 402 eingestellte
Grenztemperatur erreicht wird, dann wird der Kompressormotor M1
und der Lüftermotor
M2 ausgeschaltet. Die elektrische Zusatzheizung 6 heizt dann
so lange weiter, bis die entsprechende Abschalttemperatur am Temperaturregler
M1 erreicht ist. Wenn der Temperaturregler M1 ausgeschaltet ist, dann
wird die Spannungsversorgung der Selbsthaltung des Schützes 406 unterbrochen
und der Heizbetrieb der elektrischen Zusatzheizung beendet.
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Somit
wird gewährleistet,
dass nach einem Zapfvorgang nur die Wärmepumpe für die Nachheizarbeit verwendet
wird, ohne dass dabei die elektrische Zusatzheizung zum Decken des
Wärmebedarfs verwendet
wird. Dies erfolgt so lange, bis der Schalter S1 erneut betätigt wird.
Die maximale Temperatur des Brauchwassers wird beim Betrieb der
elektrischen Zusatzheizung durch den Regler F1 begrenzt.
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Bei
der Wärmepumpe
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
erweist es sich als nachteilig, dass enthitztes flüssiges Kältemittel über den
Weg X den Speicher 7 verlässt und längs dieses Weges X wieder Wärme aus
dem Brauchwasser aufnimmt und ggf. verdampft. Dies wirkt sich nachteilig
auf die Effektivität
des Kreisprozesses aus.
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8 zeigt
ein Diagramm der spezifischen Enthalpie H aufgetragen über die
Zeit. Die dunkelgraue Arbeitsfläche
I des Kältekreises
wird ohne Unterkühlung
generiert, da das bereits verflüssigte
Kältemittel
Wärme aus
dem Speicher 7 bzw. dem Brauchwasser innerhalb des Speichers
aufnimmt und damit die spezifische Kältearbeit um den Betrag dH
reduziert. Ferner wird ein gewisses Maß an Wärme dem Brauchwasser in dem
Speicher entnommen. Die Arbeitsfläche II zeigt einen Kältekreisprozess
mit ausreichender Unterkühlung.
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9 zeigt
eine Schnittansicht eines wendelförmigen Verflüssigers
gemäß 3. Über das Rohrende
A, d. h. der Kältemittelaustritt
des Verflüssigers,
wird ein Außenrohr 100 angeordnet
und an seinen Enden mit dem Wärmeaustauschrohr
A dichtgelötet.
Das eingeschlossene Gas behindert den Wärmeübertrag zwischen dem Verflüssigerinnenrohr und
dem Brauchwasser. Somit kann die gewünschte Unterkühlung sichergestellt
werden. Hierzu wird das Profil des Rohres an den Enden entsprechend
umgeformt. Der ringförmige
Luftspalt zwischen dem Kältemittelrohr
und dem Außenrohr 100 sollte
vorzugsweise nicht kleiner als 1 mm sein.