DE102006056798A1

DE102006056798A1 - Wärmepumpe mit einem Kühlmodus

Info

Publication number: DE102006056798A1
Application number: DE102006056798A
Authority: DE
Inventors: Holger Sedlak; Oliver Kniffler
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: VERTIV SRL, IT
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-12-02
Also published as: EP2118589A2; US8484991B2; WO2008064832A2; WO2008064832A3; US20100064697A1; DE102006056798B4

Abstract

Eine Wärmepumpe mit einem Kühlmodus umfasst einen Kühl-Verdampfer, der mit einem Vorlauf und einem Rücklauf gekoppelt ist. Der Kühl-Verdampfer wird auf einen Druck gebracht, so dass eine Verdampfungstemperatur der Arbeitsflüssigkeit im Rücklauf unterhalb einer Temperatur eines zu kühlenden Objekts ist, mit dem der Rücklauf thermisch koppelbar ist. Damit wird ein Gebiet mit Dampf bei hohem Druck erzeugt. Dieser Dampf wird in eine Strömungsmaschine eingespeist, die den Dampf bei niedrigem Druck ausgibt und dabei elektrische Energie liefert. Der Dampf bei niedrigem Druck wird einem Kühl-Verflüssiger zugeführt, der eine Dampfverflüssigung bei einer niedrigen Temperatur liefert, wobei diese Temperatur niedriger als die Temperatur des zu kühlenden Objekts ist. Die dem Kühl-Verdampfer entnommene Arbeitsflüssigkeit aufgrund der Verdampfung wird durch eine Füllpumpe nachgefüllt. Die Wärmepumpe mit einem Kühlmodus ergibt sich auch, wenn eine spezielle Wärmepumpe in umgekehrter Richtung betrieben wird und liefert eine Kühlung ohne Nettoeinsatz von elektrischer Energie. Stattdessen wird durch die Kühlung sogar elektrische Energie erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen und insbesondere auf Wärmepumpen mit einem Kühlmodus.
8 zeigt eine bekannte Wärmepumpe, wie sie in "Technische Thermodynamik", Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen, 14. neu bearbeitete Auflage, Hanser Verlag, 2005, Seiten 278–279, beschrieben ist. Die Wärmepumpe umfasst einen geschlossen Kreislauf, in dem ein Arbeitsmittel, wie beispielsweise R 134a, zirkuliert. Über einen ersten Wärmetauscher 80 und den Verdampfer wird dem Erdreich bzw. Grundwasser soviel Wärme entzogen, dass das Arbeitsmittel verdampft. Das jetzt energiereiche Arbeitsmittel wird über die Saugleitung vom Verdichter abgesaugt. Im Verdichter 81 wird es komprimiert, wodurch Druck und Temperatur erhöht werden. Diese Kompression wird durch einen Kolbenverdichter durchgeführt. Das verdichtete und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmittel gelangt jetzt in den zweiten Wärmetauscher 82, den Verflüssiger. Im Verflüssiger wird dem Arbeitsmittel vom Heizung- oder Brauchwasserkreislauf so viel Wärme entzogen, dass das Kältemittel unter hohem Druck und hoher Temperatur verflüssigt wird. Im Drossel- oder Expansionsorgan 83 wird das Arbeitsmittel expandiert, d.h. das Arbeitsmittel wird entspannt. Hierbei werden Druck und Temperatur so weit abgebaut, dass das Arbeitsmittel wieder in der Lage ist, im Verdampfer erneut Energie aus dem Erdreich oder Grundwasser aufzunehmen. Der Kreislauf ist jetzt geschlossen und beginnt von neuem.
Wie hieraus ersichtlich ist, dient das Arbeitsmittel als Energietransporteur um aus dem Erdreich bzw. Grundwasser Wärme aufzunehmen und diese im Verflüssiger an den Heizungskreislauf abzugeben. Bei dieser Prozessführung ist der 2. Hauptsatz der Thermodynamik erfüllt, in dem es heißt, dass Wärme bzw. Energie von „selbst" nur vom höheren Temperaturniveau auf das niedrigere Temperaturniveau übertragen werden kann, und dass dies umgekehrt nur durch äußere Energiezufuhr, hier die Antriebsarbeit des Verdichters, geschehen kann.
7 zeigt ein typisches h, log p-Diagramm (h ist die Enthalpie, p der Druck eines Stoffes). Zwischen Punkt 4 und Punkt 1 im Diagramm von 7 findet eine isobare Verdampfung des Arbeitsmittels bei niedrigen Werten für den Druck und die Temperatur (p₁, T₁) statt. hier wird die Wärme Q₈₁ zugeführt.
Zwischen Punkt 1 und Punkt 2 findet idealerweise eine reversible Verdichtung des Arbeitsmitteldampfes in einem adiabaten Verdichter auf den Druck p₂ statt. Dabei steigt die Temperatur auf T₂. Es ist hier eine Verdichtungsarbeit zuzuführen.
Dann wird bei hohem Druck p₂ zunächst eine isobare Kühlung des Arbeitsmitteldampfes von 2 auf 2' durchgeführt. Die Überhitzung wird abgebaut. Anschließend findet eine Verflüssigung des Arbeitsmittels statt. Insgesamt kann die Wärme Q₂₅ abgeführt werden.
In der Drossel 83 findet dann die adiabate Drosselung des Arbeitsmittels vom hohen Druck p₂ auf den niedrigen Druck p₁ statt. Dabei verdampft ein Teil des flüssigen Arbeitsmittels und die Temperatur verringert sich auf die Verdampfungstemperatur T₁. In dem h, log p-Diagramm können die Energien und Kennzahlen dieses Prozesses mittels Enthalpien berechnet werden und veranschaulicht werden, wie es in 7 gezeigt ist.
Das Arbeitsfluid der Wärmepumpe nimmt somit im Verdampfer Wärme aus der Umgebung, d. h. Luft, Wasser, Abwasser oder Erdboden, auf. Der Verflüssiger dient als Wärmeübertrager zum Erwärmen eines Heizmittels. Die Temperatur T₁ liegt et was unter der Umgebungstemperatur die Temperatur T₂ erheblich, die Temperatur T₂' etwas über der benötigten Heizungstemperatur. Je höher die geforderte Temperaturdifferenz ist, umso mehr Arbeit muss der Verdichter aufbringen. Man ist daher bestrebt, die Temperaturerhöhung so klein wie möglich zu halten.
Bezugnehmend auf 7 wird somit im idealen Fall eine Verdichtung der Arbeitsstoffdämpfe entlang der Kurve für die Entropie s = konstant bis zum Punkt 2 durchgeführt. Von hier bis Punkt 3 verflüssigt sich der Arbeitsstoff. Die Länge der Strecke 2–3 stellt die Nutzwärme Q dar. Vom Punkt 3 bis zum Punkt 4 erfolgt die Entspannung und von Punkt 4 bis Punkt 1 die Verdampfung des Arbeitsstoffes, wobei die Strecke 4–1 die der Wärmequelle entzogene Wärme wiedergibt. Im Gegensatz zum T, s-Diagramm können beim h, log p-Diagramm die Beträge der Wärme und der Arbeit als Strecken entnommen werden. Druckverluste in Ventilen, den Druck- und Saugleitungen, des Verdichters usw. verformen den idealen Verlauf des Kreisprozesses im h, log p-Diagramm und reduzieren die Effektivität des gesamten Prozesses.
Bei Kolben-Verdichtern hat der angesaugte Arbeitsstoffdampf zunächst eine niedrigere Temperatur als die Zylinderwandung des Verdichters und nimmt Wärme aus ihr auf. Mit fortschreitender Verdichtung erhöht sich schließlich die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes über die der Zylinderwandung, so dass der Arbeitsstoffdampf Wärme an die Zylinderwandung abgibt. Dann, wenn der Kolben erneut Dampf ansaugt und verdichtet, wird die Temperatur der Kolbenwandung zunächst wieder unterschritten und dann überschritten, was zu dauernden Verlusten führt. Ferner wird eine Überhitzung des angesaugten Arbeitsstoffdampfes nötig und erforderlich sein, damit der Verdichter keinen flüssigen Arbeitsstoff ansaugt. Nachteilig ist insbesondere auch der Wärmeaustausch mit dem Ölkreislauf des Kolbenverdichters, welcher zur Schmierung unverzichtbar ist.
Auftretende Irreversibilitäten, wie Wärmeverluste bei der Verdichtung, Druckverluste in den Ventilen und Strömungsverluste in der Druckleitung zum Verflüssigen und in dem Verflüssiger erhöhen die Entropie, also die Wärme, die nicht mehr wiedergewonnen werden kann. Ferner liegt auch die Temperatur T₂ über der Verflüssigungstemperatur. Eine solche „Überhitzungsenthalpie" ist unerwünscht, besonders, weil die dabei auftretenden hohen Temperaturen die Alterung des Verdichters und insbesondere des Schmieröls bei einem Kolben-Verdichter beschleunigen. Auch wird die Effektivität des Prozesses gemindert.
Der verflüssigte Arbeitsstoff auf niedriger Temperatur am Ausgang des Verflüssigers müsste im Rahmen eines idealen Kreisprozesses über eine Kraftmaschine, beispielsweise Turbine, entspannt werden, um den Überschuss an Energie, der gegenüber dem Zustand bei der Temperatur und dem Druck vor dem Verdichten bestand, zu nützen. Aus Gründen des hierfür erforderlichen großen Aufwands unterbleibt diese Maßnahme und der Druck des Arbeitsstoffes wird durch die Drossel 83 schlagartig auf den niedrigen Druck und die niedrige Temperatur herabgesetzt. Die Enthalpie des Arbeitsstoffes bleibt hierbei angenähert gleich. Durch die schlagartige Druckminderung muss der Arbeitsstoff teilweise verdampfen, um seine Temperatur abzusenken. Die notwendige Verdampfungswärme stammt aus dem auf Übertemperatur befindlichen Arbeitsstoff, wird also nicht der Wärmequelle entzogen. Die Gesamtheit der durch die Entspannung in der Drossel 83 ( 8) hervorgerufenen Verluste wird als Entspannungsverluste bezeichnet. Es handelt sich dabei um Exergie-Verluste, weil Wärme der Temperatur T in Wärme der Temperatur T₀ umgewandelt wird. Diese Verluste lassen sich vermindern, wenn der flüssige Arbeitsstoff seine Wärme an ein Medium einer Temperatur kleiner als T abgeben kann. Diese Unterkühlungsenthalpie lässt sich durch einen inneren Wärmeaustausch nutzbar machen, der jedoch ebenfalls wieder zusätzlichen Geräteaufwand erfordert. Auch prinzipiell ist dem inneren Wärmeaustausch eine Grenze gesetzt, weil bei der Verdich tung der Dämpfe die Überhitzungstemperatur T₂ ansteigt, wodurch die erzielten Gewinne teilweise wieder ausgeglichen werden, und auch Maschine und Schmieröl thermisch verstärkt beansprucht werden. Schließlich steigt durch die Überhitzung das Volumen des Dampfes an, wodurch sich die volumetrische Heizleistung vermindert. Man nutzt diese Wärme nur zum Vorwärmen der zum Verdichter strömenden Dämpfe des Arbeitsstoffs soweit aus, wie es notwendig ist, damit alle im Dampf des Arbeitsmediums enthaltenen Tröpfchen mit Sicherheit in Dampf umgewandelt sind.
Generell kann man sagen, dass das Verhältnis der Enthalpie-Differenz zwischen dem Punkt 1 und dem Punkt 4 zu der Enthalpie-Differenz zwischen dem Punkt 2 und dem Punkt 1 des h, log p-Diagramms ein Maß für die Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpen-Prozesses ist.
Ein derzeit populäres Arbeitsmittel ist R134a, das als chemische Formel CF₃-CH₂F hat. Hier handelt es sich um ein Arbeitsmittel, das zwar nicht mehr ozonschädigend ist, das jedoch im Hinblick auf den Treibhauseffekt eine 1000 mal stärkere Wirkung als Kohlendioxid hat. Das Arbeitsmittel R134a wird jedoch gerne verwendet, da es eine relativ große Enthalpie-Differenz von etwa 150 kJ/kg hat.
Obgleich dieses Arbeitsmittel kein "Ozonkiller" mehr ist, existieren dennoch erhebliche Anforderungen an die Geschlossenheit des Wärmepumpen-Kreislaufs, derart, dass aus diesem geschlossenen Kreislauf keine Arbeitsmittel-Moleküle austreten, da diese ganz erhebliche Schäden aufgrund des Treibhauseffekts anrichten würden. Diese Kapselung verursacht erhebliche Zusatzkosten beim Bau einer Wärmepumpe.
Ferner ist davon auszugehen, dass bis zur Umsetzung der nächsten Stufe des Kyoto-Protokolls aufgrund des Treibhaus-Effekts bis zum Jahre 2015 auch R134a verboten wird, was auch schon früheren mit wesentlich schädlicheren Mitteln geschehen ist.
Nachteilig an bestehenden Wärmepumpen ist daher neben der Tatsache des schädlichen Arbeitsmittels auch die Tatsache, dass aufgrund der vielen Verluste im Wärmepumpenkreislauf der Wirkungsgrad der Wärmepumpe typischerweise nicht über einen Faktor 3 liegt. Anders ausgedrückt, kann man etwa das 2-fache der Energie, die für den Verdichter eingesetzt worden ist, aus der Wärmequelle, wie beispielsweise dem Grundwasser oder dem Erdreich entnehmen. Wenn man nunmehr Wärmepumpen betrachtet, bei denen der Verdichter mit elektrischem Strom angetrieben wird, und wenn man gleichzeitig berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung vielleicht gleich 40 % ist, so stellt sich heraus, dass – im Hinblick auf die gesamte Energiebilanz – eine Wärmepumpe vom Nutzen her zweifelhaft ist. Bezogen auf den Primärenergieträger werden 120 % = 3·40 % an Heizenergie bereit gestellt. Eine konventionelle Heizanlage mit einem Brenner kommt immerhin auf Wirkungsgrade von 90–95 %, d.h. mit einem hohen technischen und damit finanziellen Aufwand wird lediglich eine Verbesserung von 25–30 % erreicht.
Bessere Systeme verwenden zum Antrieb des Verdichters Primärenergie. Es wird also Gas oder Öl verbrannt, um mit der durch die Verbrennung frei werdenden Energie die Verdichterleistung zu schaffen. Vorteilhaft an dieser Lösung ist, dass die Energiebilanz tatsächlich positiver wird. Dies hat als Grund, dass als Antriebsenergie zwar lediglich ca. nur 30 % des Primärenergieträgers gewonnen werden können, aber dafür die Abwärme von dann ca. 70 % mit zur Heizung herangezogen werden kann. Die bereitgestellte Heizenergie beträgt dann 160 % = 3·30 % + 70 % des Primärenergieträgers. Nachteilhaft an dieser Lösung ist jedoch, dass ein Haushalt, obgleich er keine klassische Heizung mehr hat, dennoch einen Verbrennungsmotor und ein Treibstofflager benötigt. Der Aufwand für Motor und Treibstofflager kommen noch zum Aufwand für die Wärmepumpe hinzu, die ja ein hoch-geschlossener Kreislauf aufgrund des klimaschädigenden Kühlmittels ist.
Alle diese Dinge haben dazu geführt, dass sich Wärmepumpen in der Konkurrenz zu anderen Heizungsarten nur bedingt behaupten können.
Andererseits besteht auch oft insbesondere in warmen Gegenden oder dann, wenn die Temperaturunterschiede zwischen Winter und Sommer sehr hoch sind, der Bedarf nach einer Kühlung eines Gebäudes. Kühlaufgaben existieren jedoch auch an diversen anderen Stellen, wie beispielsweise Kältedecken, Kollektoren oder irgendwo sonst, wo die Umgebungstemperatur zu warm ist. So führt in bestimmten Gegenden eine anhaltende Wärmeperiode oft zu einer Überlastung des Stromnetzes, da in vielen Haushalten damit begonnen wird, Klimaanlagen zur Gebäudekühlung einzuschalten. Solche Klimaanlagen sind oftmals von der Heizungsanlage getrennt eingebaut und werden von der Heizungsanlage getrennt betrieben. Sie zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie einen enorm hohen Stromverbrauch haben.
Insbesondere wird in solchen Kälteanlagen in einem geschlossenen Kreislauf einer Wärmequelle Wärmeenergie durch das verdampfende Kältemittel entzogen. Mittels eines Verdichters wird dann das verdampfte Wärmemittel unter Einsatz mechanischer Energie, die für den hohen Stromverbrauch verantwortlich ist, auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt und schließlich wieder kondensiert, um so die Wärmeenergie zuzüglich der mechanischen Energie an die Wärmesenke wieder abzugeben. Dieses bekannte Verfahren, das durch eine Wärmepumpe ausgeführt wird, kühlt sehr wirksam, benötigt aber zur Kühlung mechanische Energie, die meist aus elektrischer Energie gewonnen wird. In großtechnischen Anlagen wie Kraftwerken wird in einem geschlossenen Kreislauf Wasser verdampft, indem Primärenergie in Wärme umgewandelt wird, was zum Verdampfen führt, wobei der erzeugte Dampf Dampfturbinen antreibt, welche wiederum einen Generator antreiben. Der Wasserdampf kondensiert und das Wasser wird erneut unter Zufuhr von Wärmeenergie verdampft. Dabei entsteht e lektrische oder mechanische Energie und Abwärme, aber keine Kühlung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres Kühlkonzept zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe mit einem Kühlmodus gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zum Kühlen gemäß Anspruch 31 oder ein Computerprogramm gemäß Anspruch 32 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Kühlung dadurch erreicht werden kann, dass eine zum Heizen eingesetzte Wärmepumpe umgekehrt betrieben wird. In diesem System wird der Verflüssiger der Wärmepumpe zum Kühl-Verdampfer, wenn in dem Kühl-Verdampfer ein Druck erzeugt wird, der so niedrig ist, dass eine Arbeitsflüssigkeit, die über einen Heizungs-Rücklauf in den Kühl-Verdampfer eingespeist wird, verdampft. Durch dieses Verdampfen wird der Arbeitsflüssigkeit, die über den Heizungs-Rücklauf transportiert wird, Wärme entzogen, so dass der Heizungs-Vorlauf kälter als der Heizungs-Rücklauf ist. Die Arbeitsflüssigkeit, die über den Heizungs-Vorlauf dann dem zu kühlenden Objekt zugeführt wird, heizt sich dann wieder an dem zu kühlenden Objekt auf, wobei dem zu kühlenden Objekt Wärme entzogen wird, wobei diese Wärme dann wiederum in den Kühl-Verdampfer als Heizungs-Rücklauf eingespeist wird und aufgrund des geringen Drucks im Kühl-Verdampfer verdampft. Damit steigt der Druck im Kühl-Verdampfer auf einen höheren Wert an, da ständig Arbeitsflüssigkeit verdampft. Dieser Druck wird über eine Strömungsmaschine auf eine Seite mit niedrigerem Druck relaxiert, wobei der Dampf, der von dem Gebiet höheren Drucks auf das Gebiet mit niedrigerem Druck fließt, ein Radialrad antreibt, das den Rotor eines Generators darstellt, welcher elektrische Leistung abgibt. In dem Gebiet mit niedrigerem Druck existiert eine Wärmesenke, die bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Bereich mit Grund wasser, Sole, Flusswasser, Seewasser, Meerwasser oder eine geothermisch gekoppelte Tiefensonde umfasst. Aufgrund der Tatsache, dass die Temperatur auf Seiten der Wärmesenke niedriger ist, findet eine Verflüssigung des bei niedrigem Druck existierenden Dampfes in einem Kühl-Verflüssiger statt. Um den ständigen Materialtransport vom Kühl-Verdampfer zum Kühl-Verflüssiger auszugleichen, ist ferner eine Füllpumpe vorgesehen, die ausgebildet ist, um das verdampfte Arbeitsmedium, das vom Kühl-Verdampfer in den Kühl-Verflüssiger geliefert wird, wieder aufzufüllen.
Der Wärmepumpenmodus ergibt sich automatisch, wenn der Verdichter angetrieben wird und auf Verdampferseite und auf Verflüssigerseite die entsprechenden Pumpen betrieben werden, um einerseits kühles Wasser zur Verdampfung nachzuliefern und andrerseits Wärme an ein zu heizendes Objekt abzuführen. Die Umschaltung in den Kühlmodus findet automatisch statt, wenn in diesem Zustand der Motor des Verdichters in einen Generatorbetrieb umgestellt wird und sowohl auf Verdampferseite als auch auf Verflüssigerseite die entsprechenden Pumpen weiterlaufen. Solange die Temperatur auf Kühl-Verdampferseite höher ist als auf Kühl-Verflüssigerseite wird Strom über den Generator erzeugt. Ausserdem muss die Füll/Entnahmevorrichtung, die vorzugsweise als eine in der Förderrichtung umschaltbare Pumpe ausgeführt ist, im Kühl-Betrieb den Kühl-Verdampfer nachfüllen und im Wärmepumpenbetrieb den Wärmepumpen-Verflüssiger von Arbeitsflüssigkeit befreien. Der Kühl-Verdampfer und der Wärmepumpen-Verflüssiger sind also ein und dieselbe Vorrichtung und der Kühl-Verflüssiger und der Wärmepumpen-Verdampfer sind ebenfalls ein und dieselbe Vorrichtung. Die Umschaltung von einem Modus in den anderen kann beliebig erfolgen, wie beispielsweise manuell oder automatisch, abhängig von einer von einem Sensor erfassten Temperatur des zu heizenden/kühlenden Objekts, so dass das Objekt, wenn es zu warm ist gekühlt wird oder wenn es zu kalt ist geheizt wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein offenes System eingesetzt, in dem als Arbeitsflüssigkeit Wasser verwendet wird. Dies bedeutet, dass der kondensierte Dampf, der im Kühl-Verflüssiger kondensiert worden ist, abgeführt wird, während der Kühl-Verdampfer ständig z.B. aus der Wasserleitung aufgefüllt wird. Alternativ kann auch über die Füllpumpe kühles kondensiertes Wasser aus dem Kühl-Verflüssiger in den Kühl-Verdampfer eingespeist werden.
Erfindungsgemäß wird also das richtige Kältemittel bei den richtigen Arbeitsdrücken betrieben, wobei insbesondere Wasser bereits bei 22°C in einer Unterdruckatmosphäre von 26 hPa oder 100°C bei etwa 1,01 bar verdampft. Durch das Verdampfen entzieht das Wasser der Wärmequelle die dafür nötige Energie. Durch den Einsatz einer geeigneten Wärmesenke kondensiert der Wasserdampf bei einem deutlich niedrigeren Druck beispielsweise 10°C bei 12 hPa. Erfindungsgemäß wird nicht einfach die transportierte Wärmeenergie dem Erdreich zugeführt. Stattdessen wird über das Verdampfen im Kühl-Verdampfer und das Kondensieren im Kühl-Verflüssiger sowohl ein Gebiet mit hohem Druck auf Seiten des Kühl-Verdampfers als auch ein Gebiet mit niedrigem Druck auf Seiten des Kühl-Verflüssigers erzeugt, wobei ein Ausgleich zwischen diesen beiden Druckgebieten über einen Generator stattfindet, so dass aus der mechanischen Dampfenergie elektrische Energie erzeugt wird, die z.B. ins Stromnetz eingespeist werden kann. Vorteil an der Erzeugung der elektrischen Energie ist ferner, dass die in die Wärmesenke abgegebene Wärmeenergie reduziert ist im Vergleich zu einer Implementierung, bei der keine elektrische Energie erzeugt wird. Die Wärmesenke wird also „geschont", da sie nur ein Minimum an Wärme aufnehmen muss.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine mit Wasser betriebene Wärmepumpe in umgekehrter Richtung betrieben. Der Verdampfer der Wärmepumpe wird zum Kühlen als Kühl-Verflüssiger eingesetzt, also als Wärmesenke, während der Verflüssiger der Wärmepumpe als Kühl-Verdampfer eingesetzt wird. Der Verdichter wird als Strömungsmaschine verwendet. Er wird jedoch im Vergleich zum Verdichtungsbetrieb, der beim Heizen eingesetzt wird, in umgekehrter Richtung betrieben.
Während bei der zum Heizen eingesetzten Wärmepumpe aus dem Verflüssiger, der beim Kühlen als Kühl-Verdampfer eingesetzt wird, Wasser abgeführt worden ist, muss bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit einem Kühlmodus über die Füll-Pumpe Arbeitsflüssigkeit nachgefüllt werden, da nunmehr der Materialtransport, also die Dampfflussrichtung im Vergleich zum Heizen in umgekehrter Richtung stattfindet.
Das erfindungsgemäße Konzept zeichnet sich besonders dadurch aus, dass eine schonende z.B. Gebäudekühlung erreicht wird, da die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf relativ niedrig ist. Dies bedeutet, dass besonders bei Gebäudekühlungen die Gefahr von Kondensation im Gebäude aufgrund von sogenannten „cold spots" nicht auftritt, welche ansonsten Herde für Schimmelbildung etc. in ungenügend belüfteten Gebäuden sein können.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass zum Kühlen keine elektrische Energie zugeführt werden muss, sondern dass durch das Kühlen elektrische Energie erzeugt wird. Die in dem Gebäude zu viel existierende Energie, da es in dem Gebäude zu warm ist, wird also nicht einfach verpufft, sondern wird zum Teil in nützliche elektrische Energie umgewandelt, die vom Haushalt gegen Entgelt in das Stromnetz eingespeist werden kann. Die einzige Energie, die benötigt wird, um das erfindungsgemäße Kühl-System zu betreiben, besteht darin, dass eine Heizungs-Umwälzpumpe betrieben werden muss, die kaltes Kühlmedium zuführt und von dem zu kühlenden Objekt aufgewärmtes Medium in den Kühl-Verdampfer einspeist. Die von der Strömungsmaschine, die als Generator betrieben wird, erzeugte elektrische Energie übersteigt die Energie, die für die Heizungs- Umwälzpumpe eingesetzt werden muss, jedoch bei weitem. Dasselbe gilt für die Füllpumpe bzw. gegebenenfalls eine auf Seiten des Kühl-Verflüssigers aktive Grundwasser-Umwälzpumpe, um die Wärmesenke auf ihrer niedrigen Temperatur zu halten. Alle diese Pumpen benötigen wesentlich weniger Energie als durch den Generator abgegeben wird.
Die erfindungsgemäße Kühlung wird also kostenlos, also ohne Netto-Aufwand an elektrischer Energie erreicht.
Das erfindungsgemäße Konzept ist insbesondere dann besonders wirtschaftlich, wenn bereits eine Wärmepumpe vorhanden ist, die auf der Basis von Wasser und Tiefdruck arbeitet, da dann als einzige Modifikation dieser Wärmepumpe der Radial-Verdichter in einen Generatormodus umgeschaltet werden muss, die Heizungs-Umwälzpumpe weiter betrieben wird und gleichzeitig dem Wärmepumpen-Verflüssiger, der der Kühl-Verdampfer ist, Arbeitsflüssigkeit zugeführt statt abgeführt wird.
Eine solche hocheffiziente Wärmepumpe zum Heizen kann somit nicht nur im Winter besonders effizient zur Gebäudeheizung betrieben werden, sondern kann im Sommer sogar noch zur Gebäudekühlung eingesetzt werden, wobei der Betreiber der Wärmepumpe neben der Tatsache, dass er eine kostenlose Gebäudekühlung, die zudem besonders schonend kühlt, erhält, auch noch mit erzeugter elektrischer Leistung belohnt wird, die der Betreiber gegen Bezahlung ans Stromnetz abgeben kann. Damit wird durch das erfindungsgemäße Konzept im Sommer gewissermaßen zumindest ein Teil des Geldes für den Winter verdient, nämlich für den Strom, den man im Winter zum Betreiben dieser effizienten Wärmepumpe einsetzen muss.
Nachfolgend werden besondere Vorteile der mit Wasser betriebenen Heizungs-Wärmepumpe dargelegt, mit der die erfindungsgemäße Wärmepumpe mit einem Kühlmodus sehr günstig implementiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird von klimaschädigenden Arbeitsmitteln weggegangen. Statt dessen wird vorzugsweise normales Wasser als ein optimales Arbeitsmittel verwendet. Im Vergleich zu dem derzeit häufig verwendeten Arbeitsmittel R134a hat Wasser zudem ein wesentlich größeres Verhältnis der Enthalpie-Differenzen. Die Enthalpie-Differenz, die dafür entscheidend ist, wie groß die Effektivität des Wärmepumpen-Prozesses ist, beträgt bei Wasser etwa 2500 kJ/kg, was etwa 16 mal so groß ist wie die nutzbare Enthalpie-Differenz von R134a. Die aufzuwendende Verdichter-Enthalpie ist dagegen nur 4–6 mal so groß, je nach Arbeitspunkt.
Darüber hinaus ist Wasser nicht klimaschädigend, also weder ein Ozonkiller noch ein Treibhauseffekt-Verschärfer. Dies ermöglicht es, dass Wärmepumpen erheblich einfacher gebaut werden können, da die Anforderungen an die Geschlossenheit des Kreislaufs nicht hoch sind. Statt dessen wird es sogar bevorzugt, von dem geschlossenen Prozess ganz wegzugehen und statt dessen einen offenen Prozess zu machen, bei dem das Grundwasser bzw. das Wasser, das die äußere Wärmequelle darstellt, direkt verdampft wird.
Erfindungsgemäß ist der Verdampfer derart ausgebildet, dass er einen Verdampfungsraum aufweist, in dem der Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa (Hektopascal) ist, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 18°C und vorzugsweise unter 15°C verdampft. Typisches Grundwasser hat in der nördlichen Hemisphäre Temperaturen zwischen 8 und 12°C, was Drücke von unter 20 hPa erfordert, damit das Grundwasser verdampft, um durch das Grundwasserverdampfen eine Absenkung der Temperatur des Grundwassers und damit einen Wärmeentzug erreichen zu können, durch den eine Gebäudeheizung, wie beispielsweise eine Fußbodenheizung betrieben werden kann.
Wasser ist ferner dahingehend von Vorteil, dass Wasserdampf ein sehr großes Volumen einnimmt, und dass damit zum Verdichten des Wasserdampfes nicht mehr auf eine Verdrängungs maschine wie eine Kolbenpumpe oder etwas ähnliches zurückgegriffen werden muss, sondern ein Hochleistungsverdichter in Form einer Strömungsmaschine wie eines Radialverdichters eingesetzt werden kann, der in der Technik gut beherrschbar ist und im Hinblick auf seine Herstellung preisgünstig ist, da er in hohen Stückzahlen existiert und beispielsweise als Kleinturbine oder als Turboverdichter in Autos bisher eingesetzt wird.
Ein prominenter Vertreter der Klasse von Strömungsmaschinen im Vergleich zu Verdrängungsmaschinen ist der Radialverdichter beispielsweise in Form eines Turboverdichters mit Radialrad.
Der Radialverdichter bzw. die Strömungsmaschine muss wenigstens eine Verdichtung erreichen, dass der Ausgangsdruck aus dem Radialverdichter um 5 hPa höher als der Eingangsdruck in den Radialverdichter ist. Vorzugsweise wird jedoch eine Verdichtung in einem Verhältnis größer als 1:2 und sogar größer als 1:3 sein.
Strömungsmaschinen haben ferner im Vergleich zu typischerweise in geschlossenen Kreisläufen verwendeten Kolbenverdichtern den Vorteil, dass die Verdichter-Verluste aufgrund des bestehenden Temperaturgradienten in der Strömungsmaschine im Vergleich zu einer Verdrängungsmaschine (Kolbenverdichter), bei der ein solcher stehender Temperaturgradient nicht existiert, stark reduziert sind. Besonders vorteilhaft ist, dass ein Ölkreislauf komplett entfällt.
Ferner werden mehrstufige Strömungsmaschinen besonders bevorzugt, um die relativ hohe Verdichtung zu erreichen, die, um auch für kalte Wintertage eine ausreichende Vorlauftemperatur einer Heizung zu erreichen, den Faktor 8 bis 10 haben sollte.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein komplett offener Kreislauf eingesetzt, in dem Grundwasser auf den niedrigen Druck gebracht wird. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zum Erzeugen eines Drucks unter 20 hPa für Grundwasser besteht in der einfachen Verwendung eines Steigrohrs, das in einen druckdichten Verdampfungsraum mündet. Überwindet das Steigrohr eine Höhe zwischen 9 und 10 m, so ist im Verdampfungsraum der erforderliche niedrige Druck vorhanden, bei dem das Grundwasser bei einer Temperatur zwischen 7 und 12°C verdampft. Nachdem typische Gebäude wenigstens 6 bis 8 m hoch sind, und nachdem in vielen Regionen das Grundwasser bereits bei 2 bis 4 m unter der Erdoberfläche vorhanden ist, führt die Installation eines solchen Rohrs zu keinem erheblichen zusätzlichen Aufwand, da nur etwas tiefer als für das Hausfundament gegraben werden muss, und da typische Gebäudehöhen ohne weiteres so hoch sind, dass das Steigrohr bzw. die Verdampfungskammer nicht über das Gebäude hinaus vorsteht.
Für Anwendungsfälle, bei denen nur ein kürzeres Steigrohr möglich ist, kann die Länge des Steigrohrs ohne weiteres durch eine Pumpen/Turbinenkombination reduziert werden, die aufgrund der Tatsache, dass die Turbine für die Umsetzung vom hohen auf den niedrigen Druck und die Pumpe für die Umsetzung von dem niedrigen Druck auf den hohen Druck verwendet wird, nur eine geringe zusätzliche Arbeit von außen benötigt.
Damit werden Primär-Wärmetauscherverluste eliminiert, da kein Primär-Wärmetauscher eingesetzt wird, sondern das verdampfte Grundwasser direkt als Arbeitsdampf bzw. Arbeitsmittel verwendet wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird auch im Verflüssiger kein Wärmetauscher verwendet. Statt dessen wird der aufgrund seiner Kompression erhitzte Wasserdampf direkt in einem Verflüssiger in das Heizungswasser eingeführt, so dass innerhalb des Wassers eine Verflüssigung des Wasserdampfes stattfindet, derart, dass auch Sekundär-Wärmetauscher-Verluste eliminiert sind.
Die erfindungsgemäße Wasserverdampfer-Strömungsmaschinen-Verflüssiger-Kombination ermöglicht somit im Vergleich zu üblichen Wärmepumpen Wirkungsgrade von mindestens Faktor 6. Es kann also mindestens das 5-fache der bei der Verdichtung aufgewendeten elektrischen Energie aus dem Grundwasser entzogen werden, so dass selbst dann, wenn die Strömungsmaschine mit elektrischem Strom betrieben wird, eine Heizenergie von 240 % = 6·40 % bezogen auf den Primärenergieträger bereitgestellt wird. Dies ist mindestens eine Verdopplung der Effizienz verglichen mit dem Stand der Technik, oder verglichen mit den Energiekosten eine Halbierung. Dies gilt insbesondere auch für den klimarelevanten Ausstoß von Kohlendioxid.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1a ein prinzipielles Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit einem Kühlmodus;
1b ein prinzipielles Blockschaltbild einer mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpe mit einem Kühlmodus zu kombinierenden Wärmepumpe;
1c eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungsoperatoren für Wasser;
2 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Wärmepumpe, die mit Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Sole betrieben wird, die ebenfalls in einem Kühlmodus als erfindungsgemäße Wärmepumpe mit einem Kühlmodus betreibbar ist;
3a eine alternative Ausführungsform des Verflüssigers von 2;
3b eine alternative Ausführungsform des Verflüssigers mit reduziertem Rücklauf im Aus-Betrieb;
3c eine schematische Darstellung des Verflüssigers mit einem Gasabscheider;
4a eine bevorzugte Implementierung des Verdampfers von 2;
4b eine alternative Ausführungsform des Verdampfers mit Verwendung des Verflüssiger-Ablaufs als Siedeunterstützung;
4c eine alternative Ausführungsform des Verdampfers mit einem Wärmetauscher zur Verwendung von Grundwasser zur Siedeunterstützung;
4d eine alternative Ausführungsform des Verdampfers mit Einspeisung von der Seite und Ablauf in der Mitte;
4e eine schematische Darstellung des Aufweiters mit Angabe bevorzugter Maße;
5a eine alternative Implementierung des Verdampfers zur Reduzierung der Höhe des Steigrohrs;
5b eine Implementierung einer alternativen Realisierung eines Anschlusses einer Heizungsleitung an den Verflüssiger mit einer Turbinen/Pumpenkombination;
6a eine schematische Darstellung des Verdichters ausgeführt durch mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen;
6b eine schematische Darstellung der Einstellung der Drehzahlen von zwei kaskadierten Strömungsmaschinen in Abhängigkeit von der Soll-Temperatur;
6c eine schematische Draufsicht eines Radialrads einer Strömungsmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6d eine schematische Querschnittsansicht mit einer lediglich schematischen Darstellung der Radialrad-Schaufeln zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Erstreckung der Schaufeln im Hinblick auf den Radius des Radialrads;
7 ein beispielhaftes h, log p-Diagramm; und
8 eine bekannte Wärmepumpe, die den linksläufigen Kreislauf von 7 durchführt.
1A zeigt eine erfindungsgemäße Prinzipdarstellung der Wärmepumpe mit einem Kühlmodus bzw. des Kühlverfahrens, wobei sich das Kühlverfahren unmittelbar aus den Funktionalitäten der Wärmepumpe mit einem Kühlmodus ergibt. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe mit einem Kühlmodus umfasst einen Kühl-Verdampfer 1018, der einen vergleichsweise hohen Druck P_V hat. Insbesondere hat der Kühl-Verdampfer 1018 ferner einen Heizungsvorlauf 20a mit einer Vorlauftemperatur T_VOR und einen Heizungs-Rücklauf 20b mit einer Rücklauftemperatur T_RÜ. Insbesondere ist der Kühl-Verdampfer auf einen solchen Druck P_V bringbar, dass eine Verdampfungstemperatur unterhalb einer Temperatur eines zu kühlenden Objekts ist, mit dem der Heizungs-Rücklauf 20b thermisch koppelbar ist. Die Rücklauftemperatur T_RÜ ist somit höher als die Vorlauftemperatur T_VOR, weshalb der Heizungs-Vorlauf 20a mit „kalt" bezeichnet ist, während der Heizungs-Rücklauf 20b mit „warm" bezeichnet ist. Der Kühl-Verdampfer ist über ein Druckrohr mit einer Strömungsmaschine 1016 verbunden, wobei die Strömungsmaschine 1016 als Generator betreibbar ist, wobei der Generator vorzugsweise ein Radialrad hat, das durch den in der in 1A eingezeichneten Dampfflussrichtung angetrieben wird und in einem Generator elektrische Leistung erzeugt. Die Strömungsmaschine 1016 umfasst somit vorzugsweise einen Synchronmotor, der der Synchronmotor je nach Drehrichtung des Rotors bzw. des Radialrads als Motor oder Generator wirkt. Damit ist eine besonders einfache Umschaltung vom Kühlbetrieb zum Heizbetrieb möglich, da einfach im Kühlbetrieb der Rotor antreibbar eingestellt wird, während im Motorbetrieb der Rotor zur Bereitstellung von elektrischer Energie angetrieben wird.
Die Strömungsmaschine 1016 ist mit einem Kühl-Verflüssiger 1000 gekoppelt, der mit einer Wärmesenke koppelbar ist, wobei der Kühl-Verflüssiger 1000 eine Temperatur T_K hat, die kleiner als eine Temperatur des Heizungs-Rücklaufs T_RÜ ist, und wobei der Kühl-Verflüssiger ausgebildet ist, um einen Druck P_K zu haben, der kleiner als ein Druck in dem Kühl-Verdampfer 1018, der mit P_V bezeichnet ist, ist.
Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung noch eine Füll-Pumpe 1192 zum Füllen von Arbeitsflüssigkeit in den Kühl-Verdampfer 1018, um den Materialverlust aus dem Kühl-Verdampfer, der aufgrund der Dampfbewegung vom Gebiet hohen Drucks zum Gebiet niedrigen Druck stattfindet, auszugleichen. Die Füll-Pumpe 1192 kann entweder kaltes Wasser aus einer Wasserleitung (z. B. 4 ml/s) entnehmen oder kann in dem Kühl-Verflüssiger verflüssigtes kaltes Wasser dem Kühl-Verdampfer zuführen. Je nach Implementierung wird somit eine der beiden Möglichkeiten, die durch die Leitungen 1193a und 1193b skizziert sind, eingesetzt. Selbstverständlich kann die Auffüllung des Kühl-Verdampfers über den Eingang 1022 auch unter Verwendung beider Leitungen erfolgen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass als Füll-Vorrichtung 1192 nicht unbedingt eine kontinuierlich betriebene Pumpe eingesetzt werden muss, sondern dass auch dann, wenn der Kühl-Verdampfer eine gewisse Speicherkapazität hat, jegli che Füll/Entnahmevorrichtung eingesetzt werden kann, die z.B. intermittierend Wasser nachfüllt. Wenn das Wasser aus der Wasserleitung genommen wird, ist wichtig, dass das Wasser vom hohen Druck in der Wasserleitung auf den niedrigen Druck im Kühl-Verdampfer umgesetzt wird. Wenn das Wasser dagegen von der Grundwasserseite entnommen wird, kann, wie es noch Bezug nehmend auf 2 dargestellt werden wird, das Wasser an der Stelle der Steigrohreinrichtung entnommen werden, an der der Druck dem Druck im Kühl-Verdampfer zumindest ähnlich ist, damit keine Druckumsetzung um einen höheren Druckbereich nötig ist.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Wärmepumpe mit einem Kühlmodus dadurch implementiert, dass eine in 1B gezeigte Wärmepumpe zum Heizen in einem Kühlmodus gewissermaßen „umgekehrt" betrieben wird. Die Wärmequelle ist hierbei der Heizungsrücklauf, über den warmes Wasser mit einer Temperatur von z.B. größer als 22°C in den Kühl-Verdampfer 1018 einläuft. Dieses Wasser wird im Kühl-Verdampfer 1018 verdampft, und zwar aufgrund des dort herrschenden niedrigen Drucks. Gleichzeitig kühlt sich das Wasser im Kühl-Verdampfer auf etwa 20°C oder weniger ab und wird mit dieser Temperatur in den Heizungsverlauf 20a eingespeist. Dabei entzieht die eigentliche Gebäudeheizung dem Gebäude permanent Wärmeenergie und sorgt so für eine Kühlung.
Beim Verdampfen unter etwa 22°C stellt sich im Verflüssiger 18 ein Dampfdruck von etwa 26 hPa ein. Da die Wärmepumpe mit Grundwasser verbunden ist, das normalerweise etwa 7 bis 12°C hat, kondensiert der Wasserdampf bei etwa 12 hPa. Dies bedeutet, dass durch die Temperatur im Wasserverdampfer der Druck der Seite mit niedrigem Druck eingestellt wird. Je niedriger die Temperatur im Kühl-Verflüssiger 1000, der im Wärmepumpenbetrieb der Wasser-Verdampfer ist, eingestellt wird, um so niedriger ist auch der Druck P_K. Ferner ist der hohe Druck P_V umso höher, je wärmer der Heizungsrücklauf ist, also je höher die Rücklauftemperatur T_RÜ ist.
Der Dampf, der vom Kühl-Verdampfer 1018 über die Strömungsmaschine zum Kühl-Verflüssiger 1000 fließt, treibt dabei aufgrund seiner mechanischen Energie ein vorzugsweise in der Strömungsmaschine vorgesehenes Radialrad an, wobei diese Rotation innerhalb eines Generators, welcher vorzugsweise als Synchronmotor ausgeführt ist, in elektrische Leistung umgesetzt wird. Der Dampfstrom, der eines bzw. mehrere Radialräder antreibt und damit mechanische Energie freisetzt, entsteht aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Verdampfungsstelle und der Kondensationsstelle.
Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle der Gebäudeheizung auch andere Wärmequellen möglich sind, wie beispielsweise Kältedecken, Kollektoren, etc. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe mit einem Kühlmodus muss ferner nicht unbedingt mit dem Primärzweck der Gebäudekühlung eingesetzt werden, sondern kann auch kombiniert mit dem Primärzweck der Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden. Die Menge an erzeugbarer elektrischer Energie wird umso größer, je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Kondensationsstelle T_K und der Verdampfungsstelle T_V ist. Je mehr elektrische Energie erzeugt wird, umso mehr Umwälzung auf Verflüssigerseite kann nötig sein, um die Temperatur der Kondensationsstelle so niedrig als möglich zu halten.
Allerdings ist die Implementierung in Verbindung mit einem Solarkollektor dann eine vernünftige Alternative, wenn wie beispielsweise im Sommer, ein hohes Angebot an solarer Energie besteht, während die Nachfrage an warmem Wasser gering ist, da ohnehin eine Kühlung des Gebäudes interessanter ist als eine Heizung des Gebäudes. Dann kann gemäß der vorliegenden Erfindung ohne die Verwendung von aufwendigen Solarzellen aufgrund des erfindungsgemäßen Prinzips Strom erzeugt werden, sofern auf Grundwasserseite der niedrige Druck aufrechterhalten wird.
Nachfolgend wird eine besonders bevorzugte Wärmepumpe zum Heizen dargestellt, die ohne weiteres in umgekehrter Richtung betrieben werden kann, um die erfindungsgemäße Wärmepumpe mit einem Kühlmodus zu implementieren, so dass dann, wenn ein Betreiber bereits im Besitz der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Wärmepumpe ist, die Wärmepumpe mit einem Kühlmodus mit minimalen Änderungen an der Wärmepumpe implementiert werden kann. Diese Änderungen sind derart, dass als Strömungsmaschine ein Motorkonzept eingesetzt wird, das sowohl einen Motorbetrieb als auch einen Generatorbetrieb ermöglicht, wenn die Strömungsmaschine umgekehrt betrieben wird, wenn sich also z.B. ein Radialrad in der Strömungsmaschine in umgekehrter Richtung dreht.
Eine weitere einfache Änderung besteht darin, dass die Füllpumpe 1192 in umgekehrter Richtung betrieben wird, im Vergleich zum Heizmodus.
1b zeigt eine erfindungsgemäße Wärmepumpe, die zunächst einen Wasserverdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit aufweist, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 1b nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15°C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Erfindungsgemäß werden alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar bevorzugt. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese "Wasserstoffe", die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als "R 718" bekannt ist, eine für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R134a entspricht.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 1b mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22°C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24°C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme (-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt zu verwenden, also, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strömungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie – ähnlich einer Flugzeugturbine – das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Statt dessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen Reinheitsbeeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit – wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen – ohne weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es hier jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten – einer Kläranlage zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems (es wird vielmehr ein offenes System bevorzugt), und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen, der dann, wenn im Verflüssiger der Wasserdampf direkt verflüssigt wird, noch effizienter wird, da dann im gesamten Wärmepumpenprozess kein einziger Wärmetauscher mehr benötigt wird.
Darüber hinaus fallen sämtliche mit der Kolbenverdichtung verbundenen Verluste weg. Zudem können die bei Wasser sehr gering ausfallenden Verluste, die sonst bei der Drosselung anfallen, dazu verwendet werden, den Verdampfungsprozess zu verbessern, da das Ablaufwasser mit der Ablauftemperatur, die typischerweise höher als die Grundwasser-Temperatur sein wird, vorteilhaft verwendet werden, um im Verdampfer mittels einer Strukturierung 206 eines Ablaufrohrs 204, wie es in 4a noch erläutert wird, eine Blasenverdampfung zu triggern, damit die Verdampfungseffizienz erhöht wird.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Der Wasserverdampfer umfasst eine Verdampfungskammer 100 und ein Steigrohr 102, in dem sich Grundwasser von einem Grundwasser-Reservoir 104 in Richtung eines Pfeils 106 nach oben in den Verdampfungsraum 100 bewegt. Das Steigrohr 102 mündet in einem Aufweiter 108, der ausgebildet ist, um den relativ engen Rohrquerschnitt aufzuweiten, um eine möglichst große Verdampfungsfläche zu schaffen. Der Aufweiter 108 wird trichterförmig, also in Form eines Rotationsparaboloids beliebiger Ausprägung sein. Er kann runde oder eckige Übergänge haben. Entscheidend ist lediglich, dass der in die Verdampfungskammer 100 gerichtete Durchmesser bzw. die der Verdampfungskammer 100 zugewandte Fläche größer als die Querschnittsfläche des Steigrohrs ist, um den Verdampfungsprozess zu verbessern. Wenn davon ausgegangen wird, dass etwa 1 l pro Sekunde durch das Steigrohr nach oben in die Verdampfungskammer fließt, werden bei einer Heizleistung von ca. 10 kW etwa 4 ml pro Sekunde im Verdampfer verdampft. Der Rest läuft um etwa 2,5 °C abgekühlt über den Aufweiter 108 hinaus und landet in einem Auffang-Sammelbecken 110 in der Verdampfungskammer. Das Auffang-Sammelbecken 110 hat einen Ablauf 112, in dem die Menge von 1 l pro Sekunde weniger die verdampften 4 ml pro Sekunde wieder abgeführt wird, und zwar vorzugsweise zurück in das Grundwasserreservoir 104. Hierzu ist vorzugsweise eine Pumpe 114 bzw. ein Ventil zur Überlaufregelung vorgesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass hier nichts aktiv gepumpt werden muss, da aufgrund der Schwerkraft dann, wenn die Pumpe bzw. das Ventil 114 geöffnet ist, Wasser aus dem Verdampfer-Auffangbecken 110 über ein Rücklaufrohr 113 nach unten in das Grundwasserreservoir fließt. Die Pumpe bzw. das Ventil 114 stellen somit sicher, das das Wasserniveau im Auffangbecken nicht zu hoch steigt oder dass in das Ablaufrohr 112 kein Wasserdampf eindringt bzw. dass die Verdampfungskammer auch von der Situation am „unteren" Ende des Rücklaufrohrs 113 sicher entkoppelt ist.
Das Steigrohr ist in einem Steigrohrbecken 116 angeordnet, das von einer vorzugsweise vorgesehenen Pumpe 118 mit Wasser gefüllt wird. Die Pegel in 116 und 108 sind nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden, wobei die Schwerkraft und die unterschiedlichen Drücke in 116 und 108 für einen Transport des Wassers von 116 nach 108 sorgen. Der Wasserpegel im Steigrohrbecken 116 ist vorzugsweise so angeordnet, dass auch bei unterschiedlichen Luftdrücken der Pegel nie unter den Einlass des Steigrohrs 102 fällt, damit ein Eindringen von Luft vermieden wird.
Vorzugsweise umfasst der Verdampfer 10 einen Gasabscheider, der ausgebildet ist, um wenigstens einen Teil, z. B. wenigstens 50 % eines Gases, das in dem zu verdampfenden Wasser gelöst ist, aus dem zu verdampfenden Wasser zu entfernen, so dass der entfernte Teil des Gases nicht über den Verdampfungsraum von dem Verdichter angesaugt wird. Vorzugsweise ist der Gasabscheider angeordnet, um den entfernten Teil des Gases einem nicht verdampften Wasser zuzuführen, damit das Gas von dem nicht verdampften Wasser abtransportiert wird. Gelöste Gase können Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff etc. umfassen. Diese Gase verdampfen zumeist bei einem höheren Druck als Wasser so dass der Gasabscheider unterhalb des Aufweiters 108 angeordnet sein kann, so dass im Gasabscheider verdampfter Sauerstoff etc. aus dem gerade noch nicht verdampfenden Wasser austritt und vorzugsweise in die Rückleitung 113 eingespeist wird. Die Einspeisung erfolgt vorzugsweise an der Stelle des Rückleitung 113, an der der Druck so niedrig ist, dass das Gas von dem zurücklaufenden Wasser wieder ins Grundwasser mitgenommen wird. Alternativ kann das abgeschiedene Gas jedoch auch gesammelt und in bestimmten Intervallen entsorgt werden oder laufend entlüftet, also an die Atmosphäre abgegeben werden.
Typischweise wird das Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser, die Sole oder eine sonstige in der Natur vorkommende wässrige Lösung eine Temperatur zwischen 8°C und 12°C haben. Durch die Absenkung der Temperatur von 1 l Wasser um 1°C kann eine Leistung von 4,2 kW erzeugt werden. Wird das Wasser um 2,5°C abgekühlt, so wird eine Leistung von 10,5 kW erzeugt. Vorzugsweise wird das Steigrohr von einem Wasserstrom mit einer Stromstärke in Abhängigkeit von der Heizleistung durchströmt, im Beispiel ein Liter pro Sekunde.
Wenn die Wärmepumpe auf relativ hoher Last arbeitet, wird der Verdampfer etwa 6 ml pro Sekunde verdampfen, was einem Dampfvolumen von ca. 1,2 Kubikmeter pro Sekunde entspricht. Je nach geforderter Heizungswassertemperatur wird die Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Verdichtungsleistung gesteuert. Wird eine Heizungs-Vorlauftemperatur von 45°C gewünscht, was selbst für extrem kalte Tage bei weitem ausreicht, so muss die Strömungsmaschine den bei vielleicht 10 hPa erzeugten Dampf auf einen Druck von 100 hPa erhöhen. Reicht dagegen eine Vorlauftemperatur von z. B. 25° für die Fußbodenheizung, so muss nur um einen Faktor 3 durch die Strömungsmaschine verdichtet werden.
Die erzeugte Leistung wird daher durch die Verdichterleistung bestimmt, also zum einen durch den Verdichtungsfaktor, also wie stark der Verdichter verdichtet, und zum anderen durch von dem Verdichter erzeugten Volumenstrom. Erhöht sich der Volumenstrom, so muss der Verdampfer mehr verdampfen, wobei die Pumpe 118 mehr Grundwasser in das Steigrohr becken 116 befördert, so dass der Verdampfungskammer mehr Grundwasser zugeführt wird. Wird die Strömungsmaschine dagegen einen geringeren Verdichtungsfaktor liefern, so fließt auch weniger Grundwasser von unten nach oben.
An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird, den Durchfluss von Grundwasser durch die Pumpe 118 zu steuern. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren legt der Füllstand im Behälter 116 bzw. die Fördermenge der Pumpe 118 den Durchfluss durch das Steigrohr fest. Damit kann eine Effizienzsteigerung der Anlage erreicht werden, da die Steuerung des Durchflusses von der Saugleistung der Strömungsmaschine entkoppelt wird.
Es wird keine Pumpe benötigt, um das Grundwasser von unten in die Verdampfungskammer 100 zu pumpen. Statt dessen geschieht dies von „selbst". Dieses automatische Aufsteigen zur evakuierten Verdampfungskammer hilft auch dabei, dass der Unterdruck von 20 hPa ohne Weiteres erreichbar ist. Hierzu werden keine Evakuierungspumpen oder etwas ähnliches benötigt. Statt dessen wird lediglich ein Steigrohr mit einer Höhe größer 9 m benötigt. Dann wird eine rein passive Unterdruckerzeugung erreicht. Der nötige Unterdruck kann jedoch auch mit einem wesentlich kürzeren Steigrohr erzeugt werden, wenn z. B. die Implementierung von 5a eingesetzt wird. In 5a ist ein wesentlich verkürztes "Steigrohr" gezeigt. Die Umsetzung vom hohen Druck auf den Unterdruck wird über eine Turbine 150 bewirkt, wobei die Turbine hierbei Energie aus dem Arbeitsmedium entzieht. Gleichzeitig wird der Unterdruck auf der Rücklauf-Seite wieder in den hohen Druck gebracht, wobei die dafür nötige Energie durch eine Pumpe 152 geliefert wird. Die Pumpe 152 und die Turbine 150 sind über eine Kraftkopplung 154 miteinander gekoppelt, so dass die Turbine die Pumpe antreibt, und zwar mit der Energie, die die Turbine dem Medium entzogen hat. Ein Motor 156 wird lediglich noch benötigt, um die Verluste, die das System selbstverständlich hat, auszugleichen, und um die Umwälzung zu erreichen, um also ein System aus seiner Ruhelage in den in 5a gezeigten dynamischen Modus zu bringen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsmaschine als Radialverdichter mit drehbarem Rad ausgeführt, wobei das Rad ein langsamläufiges Radialrad, ein mittelläufiges Radialrad, ein Halbaxialrad oder ein Axialrad bzw. ein Propeller sein kann, wie es in der Technik bekannt sind. Radialverdichter sind in "Strömungsmaschinen", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, Seiten 82 und 83 beschrieben. Solche Radialverdichter umfassen somit als drehbares Rad den sog. Mittelläufer, dessen Form von den einzelnen Anforderungen abhängt. Generell können beliebige Strömungsmaschinen eingesetzt werden, wie sie als Turboverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Radial-Verdichter 16 als mehrere unabhängige Strömungsmaschinen ausgeführt, die zumindest im Hinblick auf ihre Drehzahl unabhängig voneinander gesteuert werden können, so dass zwei Strömungsmaschinen unterschiedliche Drehzahlen haben können. Eine solche Implementierung ist in 6a dargestellt, bei der der Verdichter als Kaskade von n Strömungsmaschinen ausgebildet ist. An beliebigen Stellen nach der ersten Strömungsmaschine wird vorzugsweise einer oder auch mehrere Wärmetauscher beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, die mit 170 bezeichnet sind, vorgesehen. Diese Wärmetauscher sind ausgebildet, um das von einer vorherigen Strömungsmaschine 172 erhitzte (und komprimierte) Gas abzukühlen. Hierbei wird die Überhitzungsenthalpie sinnvoll genutzt, um den Wirkungsgrad des gesamten Verdichtungsprozesses zu erhöhen. Das gekühlte Gas wird dann mit einem oder mehreren nachgeschalteten Verdichtern weiter verdichtet oder direkt dem Verflüssiger zugeführt. Es wird Wärme aus dem komprimierten Wasserdampf entnommen, um damit z. B. Brauchwasser auf höhere Temperaturen als z. B. 40°C zu erhitzen. Dies verringert jedoch den Gesamtwir kungsgrad der Wärmepumpe nicht, sondern erhöht ihn sogar noch, da zwei aufeinanderfolgend geschaltete Strömungsmaschinen mit dazwischengeschalteter Gaskühlung mit einer höheren Lebensdauer aufgrund der reduzierten thermischen Beanspruchung und mit weniger Energie den geforderten Gasdruck im Verflüssiger erreichen, als wenn eine einzige Strömungsmaschine ohne Gaskühlung vorhanden sein würde.
Die kaskadierten unabhängig voneinander betriebenen Strömungsmaschinen werden vorzugsweise von einer Steuerung 250 angesteuert, die eingangsseitig eine Soll-Temperatur im Heizkreis sowie gegebenenfalls auch eine Ist-Temperatur im Heizkreis erhält. Abhängig von der gewünschten Soll-Temperatur werden die Drehzahl einer in der Kaskade früher angeordneten Strömungsmaschine, die beispielhaft mit n₁ bezeichnet ist, und die Drehzahl n₂ einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine so geändert, wie es anhand von 6b dargestellt ist. Wird eine höhere Soll-Temperatur in die Steuerung 250 eingegeben, so werden beide Drehzahlen erhöht. Allerdings wird die Drehzahl der früher angeordneten Strömungsmaschine, die mit n₁ in 6b bezeichnet ist, mit einem kleineren Gradienten angehoben als die Drehzahl n₂ einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine. Dies führt dazu, dass dann, wenn das Verhältnis n₂/n₁ der beiden Drehzahlen aufgetragen wird, sich im Diagramm von 6b eine Gerade mit einer positiven Steigung ergibt.
Der Schnittpunkt zwischen den einzeln aufgetragenen Drehzahlen n₁ und n₂ kann an beliebiger Stelle, also an beliebiger Soll-Temperatur erfolgen und kann gegebenenfalls auch nicht erfolgen. Generell wird jedoch bevorzugt, eine in der Kaskade näher am Verflüssiger angeordnete Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Drehzahl stärker anzuheben als eine früher in der Kaskade angeordnete Strömungsmaschine, wenn eine höhere Soll-Temperatur gewünscht wird.
Der Grund hierfür besteht darin, dass die später in der Kaskade angeordnete Strömungsmaschine bereits verdichtetes Gas, das von einer früher in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine verdichtet worden ist, weiterverarbeiten muss. Ferner stellt dies sicher, dass der Schaufelwinkel von Schaufeln eines Radialrads, wie es auch Bezug nehmend auf 6c und 6d erläutert wird, immer möglichst gut bezüglich der Geschwindigkeit des zu verdichtenden Gases steht. So besteht die Einstellung des Schaufelwinkels lediglich in der Optimierung einer möglichst wirbelarmen Kompression des einlaufenden Gases. Die weiteren Parameter der Winkeleinstellung wie Gasdurchsatz und Verdichtungsverhältnis, die sonst einen technischen Kompromiss bei der Wahl des Schaufelwinkels und damit nur bei einer Soll-Temperatur einen optimalen Wirkungsgrad ermöglicht hätten, werden erfindungsgemäß durch die unabhängige Drehzahlregelung auf ihren optimalen Arbeitspunkt gebracht und haben daher keinen Einfluß mehr auf die Wahl des Schaufelwinkels. so ergibt sich trotz eines fest eingestellten Schaufelwinkels immer ein optimaler Wirkungsgrad.
Im Hinblick darauf wird es ferner bevorzugt, dass eine in der Kaskade mehr in Richtung des Verflüssigers angeordnete Strömungsmaschine eine Drehrichtung des Radialrads aufweist, die zu der Drehrichtung eines früher in der Kaskade angeordneten Radialrads entgegengesetzt ist. Damit kann ein nahezu optimaler Eintrittswinkel der Schaufeln beider Axialräder in den Gasstrom erreicht werden, derart, dass ein günstiger Wirkungsgrad der Strömungsmaschinen-Kaskade nicht nur in einem kleinen Soll-Temperaturbereich auftritt, sondern in einem wesentlich größeren Soll-Temperaturbereich zwischen 20 und 50 Grad, was für typische Heizungsanwendungen ein optimaler Bereich ist. Die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerung sowie gegebenenfalls die Verwendung von gegenläufigen Axialrädern liefert somit eine optimale Abstimmung zwischen dem variablen Gasstrom bei sich verändernder Soll-Temperatur einerseits und den festen Schaufelwinkeln der Axialräder andererseits.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird zumindest eines oder vorzugsweise sämtliche Axialräder aller Strömungsmaschinen aus Kunststoff mit einer Zugfestigkeit oberhalb 80 MPa hergestellt. Ein bevorzugter Kunststoff hierfür ist Polyamid 6.6 mit eingelegten Karbonfasern. Dieser Kunststoff hat den Vorteil der Zugfestigkeit, so dass Axialräder der Störungsmaschinen aus diesem Kunststoff hergestellt werden können und dennoch mit hohen Drehzahlen betrieben werden können.
Vorzugsweise werden Axialräder erfindungsgemäß eingesetzt, wie sie beispielsweise in 6c bei Bezugszeichen 260 gezeigt sind. 6c zeigt eine schematische Draufsicht eines solchen Radialrads, wobei 6d eine schematische Querschnittsdarstellung eines solchen Radialrads zeigt. Ein Radialrad umfasst, wie es in der Technik bekannt ist, mehrere sich von innen nach außen erstreckende Schaufeln 262. Die Schaufeln erstrecken sich von einem Abstand einer Mittelachse 264, der mit r_W bezeichnet ist, ganz nach außen bezüglich der Achse 264 des Radialrads. Insbesondere umfasst das Radialrad eine Basis 266 sowie einen Deckel 268, der zum Saugrohr oder zu einem Verdichter einer früheren Stufe gerichtet ist. Das Radialrad umfasst eine Ansaugöffnung, die mit r₁ bezeichnet ist, um Gas anzusaugen, wobei dieses Gas vom Radialrad dann seitlich ausgegeben wird, wie es bei 270 in 6d angegeben ist.
Wenn 6c betrachtet wird, so befindet sich das Gas in Drehrichtung vor der Schaufel 262 auf einer relativ höheren Geschwindigkeit, während es hinter der Schaufel 262 auf einer reduzierteren Geschwindigkeit ist. Allerdings wird es für eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad bevorzugt, dass das Gas überall mit einer möglichst gleichförmigen Geschwindigkeit aus dem Radialrad seitlich, also bei 270 in 6d ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck besteht der Wunsch, die Schaufeln 262 möglichst dicht anzubringen.
Eine beliebig dichte Anbringung von sich von innen, also vom Radius r_W nach außen erstreckenden Schaufeln ist jedoch aus technischen Gründen nicht möglich, da dann die Ansaugöffnung mit dem Radius r₁ mehr und mehr blockiert wird.
Erfindungsgemäß wird es daher bevorzugt, Schaufeln 272 bzw. 274 bzw. 276 vorzusehen, die sich weniger lang als die Schaufel 262 erstrecken. Insbesondere erstrecken sich die Schaufeln 272 nicht von r_W bis ganz nach außen, sondern von R₁ nach außen bezüglich des Radialrads, wobei R₁ größer als r_W ist. Analog hierzu erstrecken sich, wie es in 6c beispielhaft gezeigt ist, die Schaufeln 274 lediglich von R₂ nach außen, während sich die Schaufeln 276 lediglich von R₃ nach außen erstrecken, wobei R₂ größer als R₁ und wobei R₃ größer als R₂ ist.
Diese Verhältnisse sind in 6d schematisch dargestellt, wobei eine doppelte Schraffur, beispielsweise im Bereich 278 in 6d angibt, dass sich in diesem Bereich zwei Schaufeln befinden, die sich überdecken und daher durch den doppelt schraffierten Bereich gekennzeichnet sind. So bezeichnet die von links unten nach rechts oben im Bereich 278 gezeigte Schraffur eine Schaufel 262, die sich von r_W bis nach ganz außen erstreckt, während die von links oben nach rechts unten im Bereich 278 erstreckende Schraffur eine Schaufel 272 andeutet, die sich lediglich von R₁ bis nach außen bezüglich des Radialrads erstreckt.
Vorzugsweise ist somit zwischen zwei sich tiefer nach innen erstreckenden Schaufeln wenigstens eine Schaufel angeordnet, die sich nicht so weit nach innen erstreckt. Dies führt dazu, dass der Ansaugbereich nicht verstopft wird bzw. Bereiche mit kleinerem Radius nicht zu stark mit Schaufeln belegt werden, während Bereiche mit größerem Radius dichter mit Schaufeln belegt werden, so dass am Ausgang des Radialrads, also dort, wo das komprimierte Gas das Radialrad verlässt, eine möglichst homogene Geschwindigkeitsverteilung des austretenden Gases existiert. Die Ge schwindigkeitsverteilung des austretenden Gases ist bei dem erfindungsgemäßen bevorzugten Radialrad in 6c am äußeren Umfang deswegen besonders homogen, da der Abstand von Schaufeln, die das Gas beschleunigen, und aufgrund der "gestapelten" Anordnung der Schaufeln wesentlich kleiner als in einem Fall ist, bei dem z.B. nur die Schaufeln 262 vorhanden sind, welche sich von ganz innen bis ganz außen erstrecken und somit zwangsläufig am äußeren Ende des Radialrads einen sehr großen Abstand aufweisen, der wesentlich größer ist als beim erfindungsgemäßen Radialrad, wie es in 6c dargestellt ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die relativ aufwendige und komplizierte Form des Radialrads in 6c besonders günstig mit Kunststoff-Spritzguss hergestellt werden kann, wobei insbesondere einfach erreicht werden kann, dass alle Schaufeln, auch die Schaufeln, die sich nicht von ganz innen bis ganz außen erstrecken, also die Schaufeln 272, 274, 276 fest verankert sind, da sie sowohl mit dem Deckel 268 also auf der Basis 266 von 6d verbunden sind. Die Verwendung von Kunststoff insbesondere mit der Kunststoff-Spritzgusstechnik ermöglicht es, beliebige Formen genau und kostengünstig herzustellen, was mit Axialrädern aus Metall nicht ohne weiteres bzw. nur sehr aufwendig oder möglicherweise sogar gar nicht möglich ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sehr hohe Drehzahlen des Radialrads bevorzugt werden, so dass die auf die Schaufeln wirkenden Beschleunigungen ganz erhebliche Werte annehmen. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, dass insbesondere die kürzeren Schaufeln 272, 274, 276 nicht nur mit der Basis, sondern auch mit dem Deckel fest verbunden sind, derart, dass das Radialrad die auftretenden Beschleunigungen ohne weiteres aushalten kann.
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Kunststoff auch aufgrund der überragenden Schlagfestigkeit von Kunststoff günstig ist. So ist nicht immer auszuschließen dass Eiskristalle oder Wassertröpfchen auf das Radialrad zumindest der ersten Verdichterstufe aufschlagen. Aufgrund der hohen Beschleunigungen entstehen hier sehr hohe Aufprallkräfte, die von Kunststoffen mit ausreichender Schlagfestigkeit ohne weiteres ausgehalten werden. Des Weiteren findet die Verflüssigung im Verflüssiger bevorzugt aufgrund des Kavitations-Prinzips statt. Hier fallen Dampfbläschen aufgrund dieses Prinzips in einem Wasservolumen in sich zusammen. Dort entstehen ebenfalls mikroskopisch betrachtet ganz erhebliche Geschwindigkeiten und Kräfte, die auf lange Sicht betrachtet zu Materialermüdungen führen können, welche jedoch dann, wenn ein Kunststoff mit einer ausreichender Schlagfestigkeit eingesetzt wird, leicht beherrschbar sind.
Das von dem letzten Verdichter 174 ausgegebene verdichtete Gas, also der verdichtete Wasserdampf wird dann dem Verflüssiger 18 zugeführt, der ausgestaltet sein kann, wie es in 2 gezeigt ist, der jedoch vorzugsweise so ausgestaltet ist, wie es in 3a gezeigt ist. Der Verflüssiger 18 enthält ein Wasservolumen 180 und vorzugsweise ein beliebig kleines Dampfvolumen 182. Der Verflüssiger 18 ist ausgebildet, um den komprimierten Dampf in das Wasser des Wasservolumens 180 einzuspeisen, so dass sich dort, wo der Dampf in die Flüssigkeit eintritt, sofort eine Kondensierung ergibt, wie es bei 184 schematisch angezeichnet ist. Hierzu wird es bevorzugt, dass die Gaszuführung einen Aufweitungsbereich 186 hat, derart, dass das Gas möglichst großflächig in dem Verflüssiger-Wasservolumen 180 verteilt wird. Typischerweise stellt sich aufgrund der Temperaturschichten in einem Wassertank oben die höchste Temperatur und unten die kühlste Temperatur ein. Daher wird über einen Schwimmer 188 der Heizungsvorlauf möglichst nahe an der Oberfläche des Wasservolumens 180 angeordnet, um immer das wärmste Wasser aus dem Verflüssiger-Wasservolumen 180 zu entnehmen. Der Heizungs-Rücklauf wird unten dem Verflüssiger zugeführt, so dass der zu verflüssigende Dampf immer mit möglichst kühlem Wasser in Verbindung kommt, das sich aufgrund der Umwälzung unter Verwendung einer Heizungs-Umwälzpumpe 312 wieder von unten in Richtung der Dampf-Wasser-Grenze des Aufweiters 186 bewegt.
Die Ausführungsform in 2, bei der nur eine einfache Umwälzpumpe 312 existiert, ist dann ausreichend, wenn der Verflüssiger so in einem Gebäude angeordnet ist, dass die zu heizenden Bereiche unterhalb des Verflüssigers sind, so dass aufgrund der Gravitation in allen Heizungsrohren ein größerer Druck als im Verflüssiger ist.
5b zeigt dagegen eine Implementierung eines Anschlusses einer Heizungsleitung an den Verflüssiger mit einer Turbinen/Pumpenkombination, wenn der Verflüssiger auf geringerer Höhe als die Heizungsleitung angeordnet werden soll, oder wenn eine herkömmliche Heizung, die einen höheren Druck benötigt, angeschlossen werden soll. Soll der Verflüssiger also niedriger angeordnet werden, also unterhalb einer zu beheizenden Fläche bzw. der Heizungsleitung 300, so wird die Pumpe 312 als eine getriebene Pumpe ausgeführt, wie sie bei 312 in 5b gezeigt ist. Ferner wird eine Turbine 310 im Heizungsrücklauf 20b zum Antreiben der Pumpe 312 vorgesehen, die über eine Kraftkopplung 314 mit der Pumpe 312 verschaltet ist. Der hohe Druck herrscht dann in der Heizung und der niedrige Druck herrscht im Verflüssiger.
Nachdem aufgrund des ständig in den Verflüssiger eingeführten Dampfes der Wasserstand im Verflüssiger immer mehr ansteigen würde, ist der Ablauf 22 vorgesehen, über dem, damit der Wasserstand im Verflüssiger sich im Wesentlichen nicht verändert, ebenfalls z. B. etwa 4 ml pro Sekunde abfließen müssen. Hierzu ist eine Ablauf-Pumpe bzw. ein Ablaufventil 192 zur Druckregelung vorgesehen, derart, dass ohne Druckverlust die erforderliche Menge von z. B. 4 ml pro Sekunde, also die Menge, die an Wasserdampf dem Verflüssiger bei laufendem Verdichter zugeführt wird, wieder abgeführt wird. Je nach Implementierung kann der Ablauf in das Steigrohr eingeführt werden, wie es bei 194 gezeigt ist. Nachdem entlang des Steigrohrs 102 sämtliche Drücke zwischen einem bar und dem im Verdampfungsraum vorhandenen Druck vorliegen, wird es bevorzugt, den Ablauf 22 an der Stelle 194 in das Steigrohr einzuspeisen, an dem annähernd der gleiche Druck existiert wie er nach der Pumpe 192 bzw. dem Ventil 192 vorliegt. Dann muss keine Arbeit verrichtet werden, um das Ablaufwasser dem Steigrohr wieder zuzuführen.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird völlig ohne Wärmetauscher gearbeitet. Das Grundwasser wird also verdampft, der Dampf wird dann im Verflüssiger verflüssigt, und der verflüssigte Dampf wird schließlich durch die Heizung gepumpt und dem Steigrohr wieder zugeführt. Nachdem jedoch nicht die gesamte durch das Steigrohr fließende Wassermenge verdampft wird, sondern immer nur ein (sehr kleiner) Anteil, wird somit Wasser, das durch die Fußbodenheizung geflossen ist, dem Grundwasser zugeführt. Falls etwas derartiges aufgrund kommunaler Vorschriften verboten ist, obgleich die vorliegende Erfindung keinerlei Verschmutzung mit sich bringt, kann der Ablauf auch ausgebildet sein, um die Menge von 4 ml pro Sekunde, die etwa 345 l pro Tag entspricht, dem Kanal zuzuführen. Damit würde sichergestellt werden, dass kein Medium, das sich in einem Heizungssystem eines Gebäudes befunden hat, direkt wieder ins Grundwasser eingespeist wird.
Allerdings kann der Rücklauf 112 aus dem Verdampfer ohne Probleme in das Grundwasser eingespeist werden, da das dort zurücklaufende Wasser lediglich mit dem Steigrohr und der Rückleitung in Kontakt war, jedoch die "Verdampfungsgrenze" zwischen dem Verdampfungs-Aufweiter 108 und dem Ausgang zur Strömungsmaschine nicht überschritten hat.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Verdampfungsraum bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sowie der Verflüssiger bzw. der Dampfraum 182 des Verflüssigers abge dichtet sein müssen. Sobald im Verdampfungsraum der Druck über die Marke ansteigt, die nötig ist, damit das durch das Steigrohr geförderte Wasser verdampft, bleibt der Wärmepumpenprozess "stehen".
Nachfolgend wird auf 3a Bezug genommen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Verflüssiger 18 darstellt. Die Zufuhrleitung 198 für komprimierten Dampf wird derart in den Verflüssiger platziert, dass der Dampf knapp unterhalb der Oberfläche des Verflüssiger-Wasservolumens 180 in dieses Wasservolumen austreten kann. Hierzu umfasst das Ende der Dampfzuleitung um den Umfang des Rohrs herum angeordnete Düsen, durch die der Dampf in das Wasser austreten kann. Damit eine möglichst gute Durchmischung auftritt, damit also der Dampf mit möglichst kaltem Wasser in Berührung kommt, um möglichst schnell und effizient zu verflüssigen, ist ein Aufweiter 200 vorgesehen. Diese Aufweitung ist in dem Verflüssiger-Wasservolumen 180 angeordnet. Sie hat an ihrer schmalen Stelle eine Umwälzpumpe 202, die ausgebildet ist, um kaltes Wasser am Boden des Verflüssigers anzusaugen und durch den Aufweiter in eine nach oben gerichtete sich verbreiternde Strömung zu versetzen. Dadurch sollen möglichst große Mengen des in das Verflüssiger-Wasser 180 eintretenden Dampfes mit möglichst kaltem Wasser, das von der Umwälzpumpe 202 geliefert wird, in Verbindung gebracht werden.
Ferner wird es bevorzugt, um den Verflüssiger herum eine Schalldämmung 208 vorzusehen, die aktiv oder passiv ausgebildet sein kann. Eine passive Schalldämmung wird ähnlich einer Wärmedämmung die Frequenzen des durch das Verflüssigen erzeugten Schalls so gut als möglich dämmen. Genauso wird es auch bevorzugt, die anderen Komponenten des Systems schallzudämmen.
Die Schalldämmung kann alternativ auch aktiv ausgebildet sein, wobei sie in diesem Fall z. B. ein Mikrophon zur Schallmessung hätte und ansprechend darauf eine Schall- Gegenwirkung auslösen würde, wie beispielsweise eine In-Vibration-Versetzen einer äußeren Verflüssiger-Wand etc. mit z. B. piezoelektrischen Mitteln.
Das in 3a gezeigte Ausführungsbeispiel ist dahin gehend etwas problematisch, dass dann, wenn die Wärmepumpe außer Betrieb genommen wird, die im Verflüssiger befindliche Flüssigkeit 180 in das Rohr 198, in dem ansonsten ein komprimierter Dampf vorhanden ist, eindringt. Bei einer Implementierung kann hierfür ein Rücklaufventil in der Leitung 198, z.B. in der Nähe des Ausgangs der Leitung aus dem Verflüssiger angeordnet sein. Alternativ kann die Leitung 198 nach oben geführt werden, und zwar soweit, dass keine Flüssigkeit zurück in den Verdichter läuft, wenn der Verdichter ausgeschaltet wird. Wenn der Verdichter dann wieder in Betrieb genommen wird, so wird zunächst durch den komprimierten Dampf das Wasser aus der Dampfleitung 198 in den Verflüssiger gedrückt.
Erst dann wird ein Dampf im Verflüssiger zur Kondensierung gebracht, wenn ein genügender Anteil des Wassers aus der Leitung 198 entfernt worden ist. Ein solchermaßen geartetes Ausführungsbeispiel hat somit eine gewisse Verzögerungszeit, die benötigt wird, bis das Wasservolumen 180 wieder vom komprimierten Dampf aufgewärmt wird. Ferner ist die Arbeit, die benötigt wird, um das in die Leitung 198 eingedrungene Wasser aus der Leitung 198 wieder zu entfernen, nicht mehr wiedergewinnbar und somit im Hinblick auf die Heizung „verloren", derart, dass kleinere Wirkungsgrad-Einbußen in Kauf genommen werden müssen.
Eine alternative Ausführungsform, die diese Problematik überwindet, ist in 3b gezeigt. Im Gegensatz zu 3a wird der komprimierte Dampf nunmehr nicht innerhalb eines Rohrs unterhalb des Wasserspiegels im Verflüssiger zugeführt. Stattdessen wird der Dampf gewissermaßen in die Flüssigkeit im Verflüssiger von der Oberfläche aus "hineingepumpt". Hierzu umfasst der Verflüssiger eine Düsenplatte 210, die bezüglich der Ebene der Düsenplatte 210 vorstehende Düsen 212 aufweist. Die Düsen 212 erstrecken sich unter den Wasserspiegel des Wasservolumens 180 im Verflüssiger. Die zurückgenommenen Abschnitte zwischen zwei Düsen, die in 3b bei 214 gezeigt sind, erstrecken sich dagegen oberhalb des Wasserspiegels des Wasservolumens 180 im Verflüssiger, so dass immer zwischen zwei Düsen die Wasseroberfläche des Verflüssiger-Wassers ist, die von einer Düse unterbrochen wird. Die Düse 212 hat Düsenöffnungen, durch die der komprimierte Dampf, der sich von der Leitung 198 innerhalb des Dampfvolumens 182 ausbreitet, in das Verflüssiger-Wasser eindringen kann, wie es schematisch durch Pfeile 216 gezeigt ist.
Wenn bei der Implementierung von 3b der Verdichter außer Betrieb genommen wird, so führt dies dazu, dass die Flüssigkeit nur ein klein wenig in die Düsen 212 der Düsenplatte 210 eindringt, so dass auch nur ganz wenig Arbeit aufgewendet werden muss, um bei einer Wiederinbetriebnahme der Wärmepumpe das Wasser aus den Düsen wieder herauszudrücken. Auf jeden Fall stellt der Aufweiter 200 sicher, dass aufgrund der Führung durch den Aufweiter die durch die Pumpe 202 nach oben beförderten Flüssigkeit immer möglichst kalt ist und mit dem warmen Dampf in Berührung kommt. Das warme Wasser dringt dann entweder gleich in den Vorlauf 20a ein oder verbreitet sich über den Aufweiter-Rand im Wasservolumen, wie es durch einen Pfeil 218 dargestellt ist, so dass im Verflüssiger außerhalb des Aufweiters eine Temperatur-Schichtung auftritt, die insbesondere aufgrund der Aufweiter-Form möglichst wenig gestört ist.
Die Flussgeschwindigkeit am Rand des Aufweiters, also dort, wo der Pfeil 218 angedeutet ist, ist wesentlich geringer als in der Mitte. Es wird bevorzugt, den Verflüssiger als Temperaturschichtspeicher zu betreiben, derart, dass die Wärmepumpe und insbesondere der Verdichter nicht ununterbrochen laufen muss, sondern nur dann laufen muss, wenn Be darf existiert, wie es für normale Heizungsanlagen, die z.B. mit einem Ölbrenner arbeiten, ebenfalls der Fall ist.
3c zeigt eine weitere bevorzugte Implementierung des Verflüssigers in schematischer Form. Insbesondere umfasst der Verflüssiger einen Gasabscheider 220, der mit dem Gasvolumen 182 im Verflüssiger gekoppelt ist. Im Verflüssiger entstehendes Gas, wie beispielsweise Sauerstoff oder ein anderes Gas, das im Verflüssiger ausgasen kann, sammelt sich in dem Gasabscheider-Behälter 220 an. Dieses Gas kann dann durch Betätigung einer Pumpe 222 vorzugsweise in bestimmten Abständen, da eine dauernde Gasabpumpung aufgrund der geringen entstehenden Gasmenge nicht nötig ist, zur Atmosphäre gepumpt werden. Alternativ kann das Gas auch wieder in den Rücklauf 112 bzw. 113 von 2 angedockt werden, so dass das Gas wieder zusammen mit dem rücklaufenden Grundwasser zurück in das Grundwasser-Reservoir gebracht wird, wo es dann wieder im Grundwasser gelöst ist, oder dann, wenn es in das Grundwasserreservoir eintritt, dort in die Atmosphäre übergeht.
Nachdem das erfindungsgemäße System mit Wasser arbeitet, entstehen selbst bei starker Ausgasung keine Gase, die nicht bereits vorher im Grundwasser gelöst waren, so dass das abgeschiedene Gas keinerlei Umweltproblematik in sich birgt. Wieder wird betont, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Strömungsmaschine-Verdichtens und des Verwendens von Wasser als Arbeitsflüssigkeit an keiner Stelle Kontaminationen bzw. Verschmutzungen durch ein synthetisches Kältemittel oder durch ein Öl aufgrund eines Ölkreislaufs auftreten. Das erfindungsgemäße System hat an jeder Stelle als Arbeitsmedium Wasser oder Dampf, welches wenigstens so sauber wie das ursprüngliche Grundwasser ist, oder sogar aufgrund der Verdampfung im Verdampfer noch sauberer als das Grundwasser ist, da es sich um destilliertes Wasser handelt, wenn der komprimierte Dampf im Verflüssiger wieder verflüssigt worden ist.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 4a eine bevorzugte Ausführungsform des Verdampfers dargestellt, um den Verflüssiger-Ablauf vorteilhafterweise zum Beschleunigen des Verdampfungsvorgangs einzusetzen. Hierzu wird der Ablauf, der ja auf Heizungs-Rücklauf-Temperatur ist, also eine viel höhere Temperatur hat als das aus der Erde geförderte Grundwasser, durch den Aufweiter 108 des Verdampfers hindurchgeführt, so dass die Wand des Ablauf-Rohrs 204 als Keim für eine Blasensiedung wirkt. Damit wird wesentlich effizienter Dampf durch den Verdampfer erzeugt als wenn keine solche Keimwirkung vorgesehen wird. Ferner wird es bevorzugt, wenigstens im Aufweiter die Wand des Ablaufrohrs 204 möglichst strukturiert zu gestalten, wie es bei 206 dargestellt ist, um die Keimbildung für die Blasensiedung noch zu verbessern. Je rauer die Oberfläche des Ablaufrohrs 204 ist, umso mehr Keime werden für die Blasensiedung erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Durchlauf durch das Ablaufrohr 22 nur sehr gering ist, da es sich hier nur um die 4 ml pro Sekunde handelt, die in einem Betriebsmodus dem Verflüssiger zugefügt werden. Dennoch kann bereits mit dieser kleiner Menge und aufgrund der im Vergleich zum Grundwasser relativ hohen Temperatur die wesentlich effizientere Blasensiedung herbeigeführt werden, um bei gleicher Effizienz der Wärmepumpe die Größe des Verdampfers zu reduzieren.
Zur Beschleunigung des Verdampfungsvorgangs kann alternativ oder zusätzlich auch ein Bereich des Verdampfers, auf dem sich zu verdampfendes Wasser befindet, also die Oberfläche des Aufweiters oder ein Teil davon, aus einem rauen Material ausgeführt sein, um Keime für die Blasensiedung zu liefern. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein raues Gitter (nahe) unter der Wasseroberfläche des zu verdampfenden Wassers angeordnet werden.
4b zeigt eine alternative Implementierung des Verdampfers. Während der Ablauf in 4a lediglich als "Durchlauf"-Unterstützung der Blasenbildung zum effizienten Ver dampfen eingesetzt worden ist und, wie es in 4a links im Bild gezeigt ist, dann, wenn er den Verdampfer durchlaufen hat, abgeführt wird, wird der Ablauf in 4b selbst dazu verwendet, die Blasenbildung zu verstärken. Hierzu wird der Verflüssiger-Ablauf 22 von 2 gegebenenfalls über eine Pumpe 192 oder, wenn es die Verhältnisse zulassen, ohne Pumpe, mit einem Düsenrohr 230 verbunden, das an einem Ende einen Abschluss 232 hat, und das Düsenöffnungen 234 aufweist. Das warme Verflüssiger-Wasser, das aus dem Verflüssiger über den Ablauf 22 mit einer Rate von beispielsweise 4 ml pro Sekunde abgeführt wird, wird nunmehr in den Verdampfer eingespeist. Es wird auf seinem Weg zu einer Düsenöffnung 234 in dem Düsenrohr 230 oder unmittelbar am Austritt an einer Düse aufgrund des für die Temperatur des Ablaufwassers zu geringen Drucks bereits gewissermaßen unter der Wasseroberfläche des Verdampfer-Wassers verdampfen.
Die dort entstehenden Dampfblasen werden unmittelbar als Siede-Keime für das Verdampfer-Wasser, das über den Zulauf 102 gefördert wird, wirken. Damit kann ohne größere zusätzliche Maßnahmen eine effiziente Blasensiedung im Verdampfer getriggert werden, wobei diese Triggerung ähnlich zu 4a aufgrund der Tatsache existiert, dass die Temperatur in der Nähe des rauen Bereichs 206 in 4a bzw. in der Nähe einer Düsenöffnung 234 bereits so hoch ist, dass bei dem vorliegenden Druck unmittelbar eine Verdampfung stattfindet. Diese Verdampfung erzwingt die Erzeugung eines Dampfbläschens, das dann, wenn die Verhältnisse vorteilhaft gewählt sind, eine sehr große Wahrscheinlichkeit hat, dass es nicht wieder zusammenfällt, sondern dass es sich zu einer bis zur Oberfläche gehenden Dampfblase entwickelt, die dann, sobald sie in das Dampfvolumen in der Verdampfungskammer eingetreten ist, über das Saugrohr 12 vom Verdichter abgesaugt wird.
Das in 4b gezeigte Ausführungsbeispiel erfordert es, dass Verflüssiger-Wasser in den Grundwasser-Kreislauf ge bracht wird, da das aus dem Düsenrohr 230 austretende Medium letztendlich über den Überlauf des Verdampfers wieder in den Rücklauf 112 eintritt und damit mit dem Grundwasser in Verbindung gebracht wird.
Existieren wasserrechtliche Auflagen oder sonstige Gründe, dass dies nicht zulässig ist, so kann das in 4c gezeigte Ausführungsbeispiel eingesetzt werden. Hier wird das vom Verflüssiger-Ablauf 22 gelieferte warme Verflüssiger-Wasser beispielsweise mit einer Rate von 4 ml pro Sekunde in einen Wärmetauscher 236 eingeführt, um seine Wärme an ein Grundwasser abzugeben, das von dem Haupt-Grundwasserstrom in der Leitung 102 über eine Zweigleitung 238 und eine Abzweigpumpe 240 abgezweigt worden ist. Das abgezweigte Grundwasser nimmt dann im Wesentlichen die Wärme des Verflüssiger-Ablaufs innerhalb des Wärmetauschers 236 ab, so dass vorgewärmtes Grundwasser beispielsweise bei einer Temperatur von 33°C in das Düsenrohr 230 eingebracht wird, um durch die im Vergleich zum Grundwasser hohen Temperatur die Blasensiedung im Verdampfer wirksam zu triggern bzw. zu unterstützen. Dagegen liefert der Wärmetauscher über eine Ablaufleitung 238 relativ stark abgekühltes Ablaufwasser, das dann über eine Ablaufpumpe 240 der Kanalisation zugeführt wird. Aufgrund der Kombination aus Abzweigleitung 238 und Abzweigpumpe 240 und Wärmetauscher 236 wird im Verdampfer nur Grundwasser verwendet bzw. eingebracht, ohne dass es mit einem anderen Medium in Berührung war. Eine wasserrechtliche Relevanz existiert somit bei dem in 4c gezeigten Ausführungsbeispiel nicht.
4d zeigt eine alternative Implementierung des Verdampfers mit Randspeisung. Hier ist, im Gegensatz zu 2, der Aufweiter 200 des Verdampfers unterhalb des Wasserspiegels 110 im Verdampfer angeordnet. Dies führt dazu, dass Wasser „von außen" in die Mitte des Aufweiters fließt, um dann in einer Mittelleitung 112 zurückgeführt zu werden. Während die Mittelleitung in 2 zur Speisung des Verdampfers gedient hat, dient sie in 4d nunmehr zum Ab leiten des nicht verdampften Grundwassers. Dagegen hat die in 2 gezeigte Leitung 112 zur Abfuhr von nicht verdampftem Grundwasser gedient. In 4d fungiert diese Leitung am Rand dagegen als Grundwasserzuführung.
4e zeigt eine bevorzugte Implementierung des Aufweiters 200, wie er im Verdampfer eingesetzt werden kann, oder des Aufweiters, wie er z.B. auch im Verflüssiger eingesetzt werden kann, und wie er beispielsweise in 2 oder 3a bzw. 3b gezeigt ist. Der Aufweiter ist derart vorzugsweise ausgeführt, dass sein kleiner Durchmesser vorzugsweise in der Mitte der „großen" Aufweiter-Fläche in den Aufweiter eintritt. Dieser Durchmesser dieses Zulaufs bzw. Ablaufs (in 4d) liegt vorzugsweise zwischen 3 und 10 cm und bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen zwischen 4 und 6 cm.
Der große Durchmesser d₂ des Aufweiters liegt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen zwischen 15 und 100 cm und ist bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kleiner als 25 cm. Die kleine Ausführung des Verdampfers ist möglich, wenn effiziente Maßnahmen zur Triggerung und Unterstützung der Blasensiedung eingesetzt werden, wie sie vorstehend erläutert worden sind. Zwischen dem kleinen Radius d₁ und dem großen Radius d₂ befindet sich ein Krümmungsbereich des Aufweiters, der vorzugsweise so gestaltet ist, dass sich in diesem Bereich eine laminare Strömung ergibt, die von einer schnellen Flussrate, für vorzugsweise im Bereich von 7 bis 40 cm pro Sekunde liegt, auf eine relativ kleine Flussrate am Rand des Aufweiters abgesenkt wird. Starke Diskontinuitäten der Flussrate, wie beispielsweise Wirbel im Bereich der Krümmungslinie oder „Sprudeleffekte" oberhalb des Zulaufs, wenn von oben auf den Aufweiter gesehen wird, werden vorzugsweise vermieden, da sie gegebenenfalls Wirkungsgradbeeinträchtigend sein können.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen hat der Aufweiter eine Form, die dazu führt, dass die Höhe des Was serstands über der Aufweiter-Oberfläche kleiner als 15 mm ist und vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm liegt. Es wird daher bevorzugt, einen Aufweiter 200 einzusetzen, der so ausgebildet ist, dass in mehr als 50 der Fläche des Aufweiters, wenn derselbe von oben betrachtet wird, eine Wasserhöhe existiert, die kleiner als 15 mm ist. Damit kann über dem gesamten Bereich eine effiziente Verdampfung sichergestellt werden, die im Hinblick auf ihre Effizienz noch besonders erhöht wird, wenn Maßnahmen zur Triggerung der Blasensiedung eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpe dient somit zur effizienten Wärmeversorgung von Gebäuden und benötigt kein Arbeitsmittel mehr, das einen Weltklima-schädigenden Einfluss hat. Erfindungsgemäß wird Wasser unter sehr geringem Druck verdampft, durch eine oder mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen verdichtet und wieder verflüssigt zu Wasser. Die transportiere Energie wird zum Heizen benutzt. Erfindungsgemäß wird eine Wärmepumpe verwendet, die bevorzugt ein offenes System darstellt. Offenes System bedeutet hier, dass Grundwasser oder ein anderes verfügbares Wärmeenergie-tragendes wässriges Medium unter geringem Druck verdampft, verdichtet und verflüssigt wird. Das Wasser wird direkt als Arbeitsmittel verwendet. Die enthaltene Energie wird also nicht an ein geschlossenes System übertragen. Das verflüssigte Wasser wird vorzugsweise direkt im Heizungssystem verwendet und anschließend dem Grundwasser wieder zugeführt. Um das Heizsystem kapazitiv zu entkoppeln, kann es ebenso über einen Wärmetauscher abgeschlossen werden.
Die Effizienz und Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Zahlenbeispiels dargestellt. Wenn von einem Jahreswärmebedarf von 30.000 kWh ausgegangen wird, müssen erfindungsgemäß hierfür etwa maximal 3750 kWh elektrischer Strom für den Betrieb der Strömungsmaschine aufgewendet werden, da die Strömungsmaschine nur etwa ein Achtel des gesamten Wärmebedarfs liefern muss.
Das Achtel ergibt sich daher, dass nur bei extremster Kälte ein Sechstel aufgewendet werden muss, und z. B. bei Übergangstemperaturen wie im März oder Ende Oktober der Wirkungsgrad bis auf einen Wert größer 12 steigen kann, so dass im Mittel über das Jahr maximal ein Achtel aufgewendet werden muss.
Bei Stromkosten von etwa 10 Cent pro kWh, die für Strom erreicht werden können, wenn Strom gekauft wird, für den das Kraftwerk keine Unterbrechungsfreiheit garantieren muss, entspricht dies etwa jährlichen Kosten von 375 Euro. Wenn man 30.000 kWh mit Öl erzeugen möchte, würde man etwa 4000 l brauchen, was bei derzeitigen Ölkosten, die in Zukunft sehr wahrscheinlich nicht fallen werden, einem Preis von 2800 Euro entsprechen würde. Erfindungsgemäß kann man daher pro Jahr 2425 Euro einsparen! Ferner sei auch darauf hingewiesen, dass im Vergleich zur Verbrennung von Öl oder Gas zu Zwecken der Heizung durch das erfindungsgemäße Konzept bis zu 70 % der Menge an freigesetztem CO₂ eingespart wird.
Zur Reduktion der Herstellungskosten und auch zur Reduktion der Wartungs- und Montagekosten wird es bevorzugt, die Gehäuse des Verdampfers, des Verdichters und/oder des Verflüssigers und auch besonders das Radialrad der Strömungsmaschine aus Kunststoff und insbesondere aus Spritzguss-Kunststoff auszuführen. Kunststoff eignet sich gut, da Kunststoff bezüglich Wasser korrosionsresistent ist und erfindungsgemäß vorteilhafterweise die maximalen Temperaturen im Vergleich zu konventionellen Heizungen deutlich unter den Verformungstemperaturen einsetzbarer Kunststoffe liegen. Ferner ist die Montage besonders einfach, da im System aus Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger Unterdruck herrscht. Damit werden an die Dichtungen wesentlich weniger Anforderungen gestellt, da der gesamte Atmosphärendruck dabei hilft, die Gehäuse dicht zu halten. Kunststoff eignet sich ferner besonders gut, da an keiner Stelle im erfindungsgemäßen System hohe Temperaturen auftreten, die den Einsatz von teuren Spezialkunststoffen, Metall oder Keramik erforderlich machen würden. Durch Kunststoffspritzguss kann auch die Form des Radialrads beliebig optimiert und dennoch trotz komplizierter Form einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD, mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertem Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

Claims

Wärmepumpe mit einem Kühlmodus, wobei die Wärmepumpe folgende Merkmale aufweist: einen Wärmepumpen-Verflüssiger (1018), der im Kühlmodus einen Kühl-Verdampfer (1018) darstellt, dem ein Vorlauf (20a) und ein Rücklauf (20b) zugeordnet ist, wobei der Kühl-Verdampfer (1018) ausgebildet ist, um auf einen solchen Druck bringbar zu sein, dass eine Verdampfungstemperatur (T_V) unterhalb einer Temperatur eines zu kühlenden Objekts ist, mit dem der Rücklauf (20b) thermisch gekoppelt ist; einer Strömungsmaschine (1016), die ausgebildet ist, um in einem Wärmepumpen-Betrieb als Motor-getriebener Verdichter (16) zu arbeiten, wobei die Strömungsmaschine (1016) ein Radialrad (260) aufweist, und wobei die Strömungsmaschine im Kühlmodus als Generator betreibbar ist und mit dem Kühl-Verdampfer (1018) gekoppelt ist; einen Wärmepumpen-Verdampfer (1000), der im Kühlmodus einen Kühl-Verflüssiger (1000) darstellt, der mit der Strömungsmaschine (1016) gekoppelt ist, wobei der Kühl-Verflüssiger (1000) eine Temperatur (T_K) hat, die kleiner als eine Temperatur (T_RÜ) des Heizungs-Rücklaufs ist, und wobei der Kühl-Verflüssiger ausgebildet ist, um auf einen Druck (P_K) bringbar zu sein, der kleiner als der Druck (P_V) ist, auf den der Kühl-Verdampfer (1018) bringbar ist; und einer Füll/Entnahmevorrichtung (1192), die ausgebildet ist, um in dem Wärmepumpenbetrieb Arbeitsflüssigkeit aus dem Kühl-Verdampfer (1018) zu entfernen, und um in dem Kühlmodus Arbeitsflüssigkeit in den Kühl-Verdampfer (1018) zu füllen.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 1, bei der der Kühl-Verdampfer (1018) und der Kühl-Verflüssiger (1000) ausgebildet sind, um als Arbeitsflüssigkeit Wasser zu verwenden.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus, bei der die Strömungsmaschine (1016) so ausgebildet ist, dass das Radialrad (260) im Wärmepumpenbetrieb in eine solche Richtung drehbar ist, dass Dampf aus dem Wärmepumpen-Verflüssiger komprimiert wird, wobei diese Richtung sich von einer Drehrichtung unterscheidet, wenn die Strömungsmaschine (1016) im Kühlmodus arbeitet.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strömungsmaschine (1016) mit einem Motor gekoppelt ist, der in dem Wärmepumpenbetrieb elektrische Energie in Antriebsenergie für ein Radialrad (260) umwandelt, und der in dem Kühlmodus mechanische Drehenergie des Radialrads (26) in elektrische Energie umwandelt.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einer der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Druck in dem Kühl-Verdampfer (1018) größer als 20 hPa ist, und bei der der Druck in dem Kühl-Verflüssiger um wenigstens 5 hPa kleiner als der Druck im Kühl-Verdampfer ist, und bei der eine Temperatur in dem Kühl-Verdampfer wenigstens 5°C höher als eine Temperatur in dem Kühl-Verflüssiger ist.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 5, bei der der Kühl-Verflüssiger (1000) ausgebildet ist, um mit einer Wärmesenke gekoppelt zu sein, die Grundwasser, Sole, Flusswasser, Seewasser, Meerwasser aufweist, oder die eine Tiefensonde umfasst.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strömungsmaschine (1016) ein Radialrad (260) aufweist, das ausgebildet ist, um durch einen Druckunterschied eines Gases zwischen einem höheren Druck auf Kühl-Verdampferseite und einem niedrigeren Druck auf Kühl-Verflüssigerseite in Rotation versetzt zu werden.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einer der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verflüssiger (1000) einen Verflüssigerabschnitt aufweist, der von einer Arbeitsflüssigkeit durchströmbar ist, die kühler als der Rücklauf ist, und wobei der Kühl-Kondensierer (1000) eine Pumpe aufweist, um die Arbeitsflüssigkeit durch den Kühl-Verflüssiger (1000) zu pumpen.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Füll/Entnahmevorrichtung (1192) ausgebildet ist, um in der Umwelt befindliches Wasser in Form von Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Sole dem Kühl-Verdampfer (1018) zuzuführen, und bei der der Kühl-Verflüssiger (1000) ausgebildet ist, um verflüssigtes Wasser dem Kühl-Verdampfer (1018), dem Erdreich oder einer Kläranlage zuzuführen.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verflüssiger (1000) ein mit einem Verflüssigerraum (100) gekoppeltes Steigrohr (102) aufweist, dessen eines Ende mit einem Flüssigkeitsgefüllten Behälter (116) für die Arbeitsflüssigkeit verbunden ist, und dessen anderes Ende mit dem Verflüssigungsraum (100) verbunden ist, so dass durch Gravitationswirkung in dem Verflüssigungsraum der Druck entsteht, auf den der Kühl-Verflüssiger (1000) bringbar ist.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 10, bei der das Steigrohr (102) eine Höhe von mehr als 8 m hat.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Kühl-Verflüssiger eine Turbine (150) aufweist, über die ein Druck einer hinlaufenden Arbeitsflüssigkeit reduziert wird, die dabei Energie aus der Arbeitsflüssigkeit entnimmt, wobei die Turbine (150) ferner mit einer Pumpe (152) wirkungsmäßig gekoppelt ist, um eine rücklaufende Arbeitsflüssigkeit von dem Druck in dem Verflüssigungsraum auf den Druck der hinlaufenden Arbeitsflüssigkeit zu bringen, wobei die wirkungsmäßige Kopplung (154) so ausgebildet ist, dass die Pumpe (152) wenigstens einen Teil der Energie verwendet, die die Turbine entnommen hat.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verflüssiger (1000) folgende Merkmale aufweist: einen Aufweiter (108), der sich in einem Verflüssigungsraum auf wenigstens das Dreifache eines Durchmessers einer Zuleitung zu dem Verflüssigungsraum aufweitet; eine Auffangvorrichtung (110), die ausgebildet ist, um über einen Rand des Aufweiters (108) überlaufende Arbeitsflüssigkeit aufzufangen; und eine Ablaufeinrichtung (112), die ausgebildet ist, um die überlaufende Arbeitsflüssigkeit abzuführen.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 13, bei der die Ablaufeinrichtung (112) mit einer Flusssteuerungseinrichtung (114) gekoppelt ist, wobei die Flusssteuerungseinrichtung (114) steuerbar ist, um einen Pegel der überlaufenden Arbeitsflüssigkeit der Auffangvorrichtung (110) in einem vorbestimmten Bereich zu halten.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Kühl-Verflüssiger (1000) folgende Merkmale aufweist: einen Aufweiter (200), der sich in dem Verflüssigungsraum auf wenigstens das zweifache eines Durchmessers eines Ablaufs (112) außerhalb des Verflüssigungsraums aufweitet; eine Auffangvorrichtung, die ausgebildet ist, um die dem Verdampfungsraum zugeführte Arbeitsflüssigkeit aufzunehmen; und eine Zulaufeinrichtung, um die Auffangvorrichtung mit Grundwasser zu speisen, wobei der Aufweiter so in dem Verflüssigungsraum angeordnet ist, dass Arbeitsflüssigkeit über einen Rand des Aufweiters mit hohem Durchmesser zu einem Bereich des Aufweiters mit niedrigem Durchmesser und von dort über eine Ableitung abfließt.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verdampfer einen Zulauf (1022) aufweist, der in einem Wärmepumpenmodus als Ablauf (22) wirkt, um im Wärmepumpenmodus verflüssigte Arbeitsflüssigkeit abzuführen, und bei der der Ablauf (22) einen Abschnitt (204) aufweist, der in dem Kühl-Verflüssiger (1000) angeordnet ist, um eine Keimwirkung für eine Kondensation in dem Kühl-Verflüssiger (1000) zu liefern.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 10, bei der die Füll-Vorrichtung (1192) ausgebildet ist, um eingangsseitig an einer Kopplungsstelle (194) mit dem Steigrohr (102) oder einem Rücklaufrohr (113) gekoppelt zu sein, wobei die Kopplungsstelle so gewählt ist, dass ein Flüssigkeitsdruck in dem Steigrohr oder Rücklaufrohr kleiner oder gleich einem Druck in dem Kühl-Verdampfer (1018) ausgangsseitig bezüglich der Füll-Vorrichtung (1192) ist.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strömungsmaschine (16) ein drehbares Rad aufweist, das als Radialrad, Halbaxialrad, Axialrad oder Propeller ausgebildet ist und durch einen an dem Rad bzw. Propeller vorbeiströmenden Dampf antreibbar ist, um aufgrund des Dampfes in Rotation versetzt zu werden, so dass aufgrund der Rotation elektrische Leistung geliefert wird.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verdampfer (1018) einen Kühl-Verdampferraum aufweist, der wenigstens teilweise mit der Kühl-Verdampfer-Arbeitsflüssigkeit (180) füllbar ist, und der ferner ausgebildet ist, um einen Arbeitsflüssigkeitsspiegel oberhalb eines Minimalpegels zu halten.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verdampfer eine Dampfleitung (198) aufweist, die mit einem Eingang auf hoher Druckseite der Strömungsmaschine gekoppelt ist, wobei die Dampfleitung (198) so in dem Kühl-Verdampfer (1018) angeordnet ist, dass der Dampf oberhalb eines aktuellen Arbeitsflüssigkeitspegels in die Dampfzuleitung (198) eintreten kann.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in einem Abschnitt des Rücklaufs (20b) eine Turbine (310) angeordnet ist, über die ein hoher Druck in einem Heizungssystem (300) auf einen niedrigen Druck in einem Arbeitsflüssigkeitsvolumen (180) des Kühl-Verdampfers (1018) reduziert wird, und die dabei gewonnene Energie aus dem Heizungswasser entnommen wird, wobei die Turbine (310) ferner mit der Pumpe (312) wirkungsmäßig gekoppelt ist, um das Heizungswasser von einem niedrigen Druck in dem Kühl-Verdampfer auf den hohen Druck in dem Heizungssystem (300) zu bringen, wobei die wirkungsmäßige Kopplung (314) so ausgebildet ist, dass die Pumpe (312) wenigstens einen Teil der Energie verwendet, die die Turbine (310) entnommen hat.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kühl-Verdampfer (1018) einen Wärmetauscher aufweist, um einen Arbeitsflüssigkeitskreislauf an einem zu kühlenden Objekt von einer Arbeitsflüssigkeit in dem Kühl-Verdampfer (1018) flüssigkeitsmäßig zu entkoppeln.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strömungsmaschine (1016) durch mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen ausgeführt ist, um aufgrund eines Durchflusses des Arbeitsdampfs durch eine erste Strömungsmaschine (174) den Arbeitsdampf auf einen niedrigeren Druck zu bringen, und um aufgrund eines Durchflusses des Arbeitsdampfs durch eine letzte Strömungsmaschine (172) den Arbeitsdampf auf einen niedrigeren Druck zu bringen, wobei sämtliche Strömungsmaschinen einer Generatoreinrichtung elektrische Energie liefern.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens ein Verflüssiger-Raum des Kühl-Verflüssigers (1000), ein Gehäuse der Strömungsmaschine (1016) oder ein Gehäuse des Kühl-Verdampfers (1018) oder ein Radialrad der Strömungsmaschine (106) aus Kunststoff ausgeführt sind.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strömungsmaschine (16) ein Radialrad (260) aufweist, das eine Mehrzahl von sich von einem oder mehreren inneren Radien zu einem oder mehreren äußeren Radien erstreckenden Schaufeln (262, 272, 274, 276) aufweist, wobei sich die Schaufeln von unterschiedlichen Radien (R₁, R₂, R₃, r₁) des Radialrads nach außen bezüglich des Radialrads erstrecken.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 25, bei der zwischen zwei Schaufeln (262), die sich von einem Radius (r₁) nach außen bezüglich des Radialrads (260) erstrecken, wenigstens eine Schaufel (272) angeordnet ist, die sich von einem größeren Radius (R₁) nach außen bezüglich des Radialrads (260) erstreckt.
Wärmepumpe mit einem Kühlmodus nach Anspruch 25 oder 26, bei der das Radialrad (260) eine Basis (266) und einen Deckel (268) aufweist, wobei zumindest eine Schaufel (272) des Radialrads (260), die sich von einem größeren Radius (R₁) als eine andere Schaufel (262) nach außen erstreckt, sowohl mit dem Deckel (268) als auch mit der Basis (266) materialschlüssig verbunden ist.
Verfahren zum Kühlen mittels einer Wärmepumpe, die in einem Kühlmodus betreibbar ist, mit folgenden Schritten: Verdampfen (1018), in dem Kühlmodus, zumindest eines Teiles einer Flüssigkeit in einem Wärmepumpen-Verflüssiger bei einem Druck, der so gewählt ist, dass eine Verdampfungstemperatur der Arbeitsflüssigkeit unterhalb einer Temperatur eines zu kühlenden Objekts ist, mit dem der Rücklauf (20b) thermisch koppelbar ist; Relaxieren (1016), in dem Kühlmodus, eines aufgrund des Verdampfens erzeugten hohen Drucks auf einen niedrigeren Druck über eine Strömungsmaschine, die in einem Wärmepumpenbetrieb von einem Motor antreibbar ist, wobei in dem Schritt des Relaxierens mechanische Energie erzeugt wird, und wobei die mechanische Energie unter Verwendung des Motors, der in dem Kühlmodus in einer Generator-Betriebsart ist, in elektrische Energie umgesetzt wird; Verflüssigen (1000), in dem Kühlmodus, eines Arbeitsdampfes auf niedrigem Druck, wie er im Schritt des Relaxierens (1016) erzeugt worden ist, bei einer Temperatur, die kleiner als eine Temperatur der Arbeitsflüssigkeit im Rücklauf (20b) ist, in einem Wärmepumpen-Verdampfer; und Auffüllen (1022), in dem Kühlmodus, einer im Schritt des Verdampfens (1018) aus dem Wärmepumpen-Verflüssiger verdampften Arbeitsflüssigkeit mittels einer Füll/Entnahmevorrichtung (1192), die ferner ausgebildet ist, um in dem Wärmepumpenbetrieb Arbeitsflüssigkeit aus dem Wärmepumpen-Verflüssiger (1018) zu entfernen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 28, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.