DE102007003657A1

DE102007003657A1 - Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102007003657A1
Application number: DE102007003657A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Welker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-31
Also published as: AT504762A3; AT504762A2; AT504762B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem einen Verdampfer bildenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (14), einem Verdichter (16), einem einen Verflüssiger bildenden Flüssigkeits-Wärmetauscher (18) und einem Expansionsventil (20), die zusammen Teil eines Kältemittelkreislaufs sind, in dem in den Verdampfer (14) durchströmender Luft enthaltene Wärmeenergie auf flüssiges Kältemittel und in dem Verflüssiger (18) auf Heizungswasser übertragen wird. Gemäß der Erfindung ist ein Wärmetauscher (12, 32) vorgesehen, der als Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher (12) dem Verdampfer (14) vorgeordnet ist und Wärmeenergie einer solaren Wärmeträgerflüssigkeit eines thermischen Solarkreislaufs (13) auf die den Verdampfer (14) durchströmende Luft überträgt oder der als Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher (32) im Kältemittelkreislauf angeordnet ist und Wärmeenergie einer solaren Wärmeträgerflüssigkeit eines thermischen Solarkreislaufs (13) auf das Kältemittel überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Wärmepumpen mit zwei Wärmetauschern und einem Verdichter sind grundsätzlich bekannt. Ein erster Wärmetauscher ist üblicherweise ein Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher, in dem in der Luft enthaltene Wärmeenergie auf ein Kältemittel übertragen wird. Das Kältemittel wird über den Verdichter in einen zweiten Wärmetauscher geleitet, der ein Kältemittel/Wasser-Wärmetauscher ist. Wärmeenergie des Kältemittels wird auf das Wasser übertragen, das beispielsweise Heizungswasser ist. Die Wirksamkeit einer derartigen Wärmepumpe kann durch die so genannte Leistungszahl angegeben werden, die für die vorgenannten Anordnungen im Bereich von 2 bis 3 bei einer Heizungswassertemperatur an 45°C liegt, d. h. dass 1 kW elektrische Energie zum Betrieb des Verdichters in 2 bis 3 kW Heizungsleistung bzw. Wärmeleistung umgesetzt wird. Als Betriebsluft in dem ersten Wärmetauscher wird üblicherweise Außenluft verwendet.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe mit einer höheren Leistungszahl und ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmalskombinationen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der als Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeordnet ist und Wärmeenergie einer solaren Wärmeträgerflüssigkeit eines thermischen Solarkreislaufs auf die den Verdampfer durchströmende Luft überträgt oder der als Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher im Kältemittelkreislauf angeordnet ist und Wärmeenergie einer solaren Wärmeträgerflüssigkeit eines thermischen Solarkreislaufs auf das Kältemittel überträgt. Hierdurch wird die Leistungszahl der Anordnung im Jahresdurchschnitt erheblich gesteigert.
Eine weitere Steigerung der Leistungszahl kann dadurch erreicht werden, dass der Verdampfer und der Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher des thermischen Solarkreislaufs ausschließlich mit Gebäudeabluft beaufschlagt werden. Die Gebäudeabluft weist im jährlichen Mittel eine höhere Temperatur auf als Außenluft, wodurch mit der Anordnung im Jahresmittel eine Leistungszahl von etwa 5 bis 7 erreicht werden kann.
Ein weiterer Aspekt ist der Luftdurchsatz, der bei bekannten Luft-Wasser-Wärmepumpen typisch im Bereich von etwa 1.000 bis 2.000 m³ pro Stunde liegt. Die erfindungsgemäße Anordnung kann hingegen mit einem Luftdurchsatz von 400 m³ pro Stunde betrieben werden. Dies macht es möglich, ausschließlich die Abluft aus dem Gebäude zu nutzen. Ein besonderer Vorteil durch die reduzierte erforderliche Luftmenge ist eine erhebliche Absenkung des Betriebsgeräusches und der erforderlichen Antriebsleistung des Lüfteraggregats.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher des thermischen Solarkreislaufs in einer Druckleitung des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist, da dort die größte Temperaturdifferenz zwischen den zwei Flüssigkeiten herrscht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher eines Kältemittelkreislaufs ausschließlich mit Gebäudeabluft beaufschlagt und dabei Wärmeenergie von der Gebäudeabluft auf ein Kältemittel übertragen wird und bei dem Wärmeenergie des Kältemittels in einem Verflüssiger auf Heizungswasser eines Heizungskreislaufs übertragen wird, wobei die Gebäudeabluft zunächst unter Aufnahme von Wärmeenergie einen Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher eines thermischen Solarkreislaufs durchströmt oder wobei das Kältemittel unter Aufnahme von Wärmeenrgie einen Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher in einem thermischen Solarkreislauf durchströmt.
Bei Solaranlagen ist ein sinnvoller Betrieb nur möglich, wenn die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit mindestens 50°C beträgt. Der Grund hierfür ist, dass von der solaren Wärmeträgerflüssigkeit Wärme auf einen Heizungsspeicher übertragen werden soll. Dieser Heizungsspeicher hat üblicherweise eine Temperatur von etwa 50°, so dass bei geringeren solaren Wärmeträgertemperaturen eine Übertragung von Wärme in dieser Richtung nicht möglich ist. Aufgrund dieser Situation ist eine thermische Solaranlage nur einen verhältnismäßig geringen Bruchteil der gesamten Jahresstunden brauchbar. Jedoch weist eine derartige Anlage für einen erheblich größeren Zeitraum eine Temperatur auf, die zwar unter 50° liegt, jedoch deutlich höher als die Temperatur der Abluft aus dem Luft/Luft-Gebäudewärmetauscher ist. Diese Temperaturdifferenz bzw. -spanne kann in dem zusätzlichen Wärmetauscher genutzt werden, um die dem herkömmlichen Wärmetauscher der bekannten Wärmepumpenanordnung die Betriebsluft zuzuführen.
Die Leistung der Wärmepumpe kann somit gegenüber bekannten Wärmepumpen etwa um einen Faktor 2 bis 3 höher sein. Anders ausgedrückt werden nur noch etwa 35% bis 50% der Strommenge für die gleiche Wärmeleistung benötigt.
Die solare Wärmeträgerflüssigkeit ist bevorzugt mit einem Frostschutzmittel versehenes Wasser. Das Frostschutzmittel kann beispielsweise Glykol sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
1 eine erste Variante einer Wärmepumpe mit hohem Wirkungsgrad; und
2 eine zweite Variante einer Wärmepumpe mit hohem Wirkungsgrad.
Die in 1 dargestellte erste Variante einer Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus einem Lüftungs- und Wärmetauscheraggregat 10, das Gebäudeabluft mittels eines Gebläses einem Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher 12 zuführt und dabei Außenluft unter Aufnahme von Wärmeenergie aus der Abluft vorwärmt und dem Gebäude als Frischluft 11 zuführt. Der Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher 12 ist in einen thermischen Solarkreislauf 13 eingebunden und überträgt Wärmeenergie aus der solaren Wärmeträgerflüssigkeit auf die zugeführte Gebäudeabluft. Diese Abluft wird dann durch einen einen Verdampfer bildenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 14 ins Freie geleitet. Der Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 14 ist Teil eines Kältemittelkreislaufes, der neben dem Wärmetauscher 14 einen Verdichter 16, einen Verflüssiger 18 und ein Expansionsventil 20 umfasst. In dem Wärmetauscher 14 wird Wärmeenergie von der Abluft auf ein flüssiges Kältemittel übertragen, das hierdurch verdampft. Über eine Saugleitung 22 wird das gasförmige Kältemittel dem Verdichter 16 zugeführt, der das Kältemittel unter Verbrauch von elektrischer Energie verdichtet und über eine Druckleitung 24 dem Wärmetauscher 18 zuführt. In diesem überträgt das Kältemittel die in ihm gespeicherte Wärmeenergie auf Heizungswasser eines Heizungskreislaufes 26 und wird dabei verflüssigt. Das verflüssigte Kältemittel wird über eine Druckleitung 28 dem Expansionsventil 20 zugeführt, in dem es expandiert und über eine Einspritzleitung 30 wieder dem Wärmetauscher 14 zugeführt wird, woraufhin der Kreislauf von neuem beginnt.
Die in 2 dargestellte zweite Variante einer Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus dem Lüftungs- und Wärmetauscheraggregat 10, das Gebäudeabluft mittels eines Gebläses direkt dem einen Verdampfer bildenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 14 zuführt und durch diesen ins Freie leitet. Der den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 14 umfassende Kältemittelkreislauf entspricht im Übrigen dem in der 1 dargestellten und muss somit nicht nochmals beschrieben werden. Im Unterschied zu der ersten Variante ist hier jedoch zusätzlich ein Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher 32 in der Druckleitung 28 angeordnet, der in den thermischen Solarkreislauf 13 eingebunden ist und Wärmeenergie aus der solaren Wärmeträgerflüssigkeit auf das flüssige Kältemittel überträgt. Grundsätzlich kann der Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher 32 auch in der Saugleitung 22, der Druckleitung 24 oder der Einspritzleitung 30 angeordnet sein.

Claims

Wärmepumpe mit einem einen Verdampfer bildenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (14), einem Verdichter (16), einem einen Verflüssigen bildenden Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher (18) und einem Expansionsventil (20), die zusammen Teil eines Kältemittelkreislauf sind, in dem in den Verdampfer (14) durchströmender Luft enthaltene Wärmeenergie auf flüssiges Kältemittel und in dem Verflüssiger (18) auf Heizungswasser übertragen wird, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (12, 32), der als Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher (12) dem Verdampfer (14) vorgeordnet ist und Wärmeenergie einer solaren Wärmeträgerflüssigkeit eines thermischen Solarkreislaufs (13) auf die den Verdampfer (14) durchströmende Luft überträgt oder der als Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher (32) im Kältemittelkreislauf angeordnet ist und Wärmeenergie einer solaren Wärmeträgerflüssigkeit eines thermischen Solarkreislaufs (13) auf das Kältemittel überträgt.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (14) und der Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher (12) des thermischen Solarkreislaufs (13) ausschließlich mit Gebäudeabluft beaufschlagt sind.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher (32) in einer Druckleitung (28) des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (14) eines Kältemittelkreislaufs ausschließlich mit Gebäudeabluft beaufschlagt und dabei Wärmeenergie von der Gebäudeabluft auf ein Kältemittel übertragen wird und bei dem Wärmeenergie des Kältemittels in einem Verflüssiger (18) auf Heizungswasser eines Heizungskreislaufs (26) übertra gen wird, wobei die Gebäudeabluft zunächst unter Aufnahme von Wärmeenergie einen Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher (12) eines thermischen Solarkreislaufs (13) durchströmt oder wobei das Kältemittel unter Aufnahme von Wärmeenergie einen Flüssigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher (32) in einem thermischen Solarkreislauf (13) durchströmt.