DE102007017311A1

DE102007017311A1 - heat pump device

Info

Publication number: DE102007017311A1
Application number: DE102007017311A
Authority: DE
Inventors: Steffen Smollich
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: EP1980803B1; DE102007017311B4; EP1980803A1

Abstract

Bei einer Wärmepumpenvorrichtung mit einem Verdichter (10), einem Verflüssiger (20), einem Expansionsventil (40), einem Verdampfer (30) und einem ersten und zweiten Umschaltventil (50, 60) sind das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart angeordnet, dass der Verdichter (10), der Verflüssiger (20), das Expansionsventil (40) und der Verdampfer (30) jeweils an ihrem ersten Ende mit dem ersten Umschaltventil (50) und an ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Umschaltventil (60) gekoppelt sind. Durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile (50, 60) können der Verdampfer (40) und der Verflüssiger (20) sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen im Gegenstrom betrieben werden.In a heat pump apparatus having a compressor (10), a condenser (20), an expansion valve (40), an evaporator (30), and first and second switching valves (50, 60), the first and second switching valves (50, 60) are one arranged that the compressor (10), the condenser (20), the expansion valve (40) and the evaporator (30) each at its first end to the first switching valve (50) and at its second end to the second switching valve (60) are coupled. By providing the two switching valves (50, 60), the evaporator (40) and the condenser (20) can be operated in countercurrent both during heating and during cooling.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung.The The present invention relates to a heat pump device.

Wärmepumpen zur Erwärmung von Heizungswasser sind seit Jahren hinlänglich bekannt. Die Bereitstellung der Heizwärme bei Wärmepumpen erfolgt durch die Kondensation von Kältemittel unter hohem Druck und damit bei hoher Temperatur, während die Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Heizungswasser, abgeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in einem Drosselorgan, zum Beispiel einem Expansionsventil, entspannt und verdampft daraufhin unter Aufnahme von Umgebungswärme im Verdampfer der Wärmepumpe. Der Kältemitteldampf wird vom Verdichter der Wärmepumpe komprimiert, so dass er anschließend wieder im Kondensator der Wärmepumpe verflüssigt werden kann.Heat pumps for warming of heating water have been well known for years. The provision the heating heat with heat pumps by the condensation of refrigerant under high pressure and thus at high temperature, while the Heat on a heat transfer medium, For example, heating water, will give. The liquefied refrigerant will follow in a throttle body, for example an expansion valve, relaxed and then evaporates while absorbing ambient heat in the evaporator the heat pump. The refrigerant vapor is from the compressor of the heat pump compressed, so that he is back in the condenser the heat pump liquefied can be.

Wird der Kreislauf des Kältemittels umgekehrt, d. h., wird das Kältemittel in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verdampfer dient, unter Wärmeabgabe verflüssigt und in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verflüssigen dient, unter Wärmeaufnahme verdampft, so kann die Wärmepumpe zum Kühlen des Wärmeträgermediums wie beispielsweise des „Heizungswassers" eingesetzt werden. Im Kühlbetrieb kann das „Heizungswasser" dann beim Durchströmen der Raum-Heizflächen, die im Kühlbetrieb zu Raum-Kühlflächen werden, Wärme aus dem Raum aufnehmen, die dann an den im Kühlbetrieb als Verdampfer funktionierenden Verflüssiger der Wärmepumpe abgegeben wird, so dass das 'Heizungswasser' gekühlt wird.Becomes the cycle of the refrigerant conversely, d. h., is the refrigerant in the heat exchanger, which serves as an evaporator in heating mode, liquefied under heat and in the heat exchanger, which serves as a liquefier in heating mode, under heat absorption evaporated, so can the heat pump for cooling the heat transfer medium such as the "heating water" are used. In cooling mode can the "heating water" then flow through the Space heating surfaces, in cooling mode become room cooling surfaces, Heat off take the space, which then to the operating in the cooling mode as an evaporator condenser heat pump is discharged, so that the 'heating water' is cooled.

Ein Nachteil herkömmlicher reversibler Heizungswärmepumpen zum Heizen und Kühlern besteht darin, dass sich beim Umkehren des Kältekreises die Durchströmungsrichtung der Wärmeaustauscher auf der Kältemittelseite ändert. Da die Strömungsrichtung auf der Sekundärseite, auf der entweder (Heizungs)Wasser oder Luft strömt, unverändert bleibt, wird dadurch mit der Umkehr des Kältekreises aus einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher ein Gleichstrom-Wärmeaustauscher mit verminderter Effizienz und vergrößertem mittleren Temperaturabstand zwischen Kältemittel und Wasser bzw. Luft. Dadurch sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe in einer der beiden Betriebsarten. Reversible Heizungswärmepumpen sind daher im Allgemeinen entweder für den Heiz- oder den Kühlbetrieb optimiert und erreichen in der jeweils anderen Betriebsart keine optimalen Leistungszahlen.One Disadvantage of conventional reversible heating heat pump for heating and cooling is that when reversing the refrigerant circuit, the flow direction the heat exchanger on the refrigerant side changes. There the flow direction on the secondary side, on which either (heating) water or air flows, remains unchanged, becomes thereby with the reversal of the refrigerant circuit a countercurrent heat exchanger a DC heat exchanger with reduced efficiency and increased mean temperature interval between refrigerant and water or air. This reduces the coefficient of performance of the heat pump in one of the two operating modes. Reversible heating heat pumps are therefore generally either for heating or cooling operation optimized and reach none in the other mode optimal performance figures.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpenvorrichtung vorzusehen, die effektiv sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb arbeiten kann.It It is therefore an object of the invention to provide a heat pump device, which can work effectively in both heating and cooling modes.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.These Task is by a heat pump device according to claim 1 solved.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.following Be exemplary embodiments of Invention with reference to the drawings described in more detail.

1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 shows a heat pump device according to a first embodiment,

2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und 2 shows a heat pump device according to a second embodiment, and

3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. 3 shows a heat pump device according to a third embodiment.

1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Wärmepumpe weist einen Verdichter 10, einen Verflüssiget 20, einen Verdampfer 30, ein Expansionsventil 40 und ein erstes und zweites Umschaltventil 50, 60 auf. Durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile 50, 60 kann der Verdampfer 40 und der Verflüssigen 20 sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen im Gegenstrom betrieben werden. Die beiden Umschaltventile 50, 60 sind dabei derart angeordnet, dass der Verflüssiget 20, das Expansionsventil 40, der Verdampfer 30 und der Verdichter 10 parallel zwischen dem ersten und zweiten Umschaltventil 50, 60 gekoppelt sind. Die beiden Umschaltventile sind vorzugsweise als ein 4-2-Wege-Umschaltventil ausgeführt. 1 shows a heat pump device according to a first embodiment. The heat pump has a compressor 10 , a liquefied one 20 , an evaporator 30 , an expansion valve 40 and first and second switching valves 50 . 60 on. By providing the two changeover valves 50 . 60 can the evaporator 40 and the liquefying 20 be operated both in heating and cooling in countercurrent. The two changeover valves 50 . 60 are arranged such that the liquefied 20 , the expansion valve 40 , the evaporator 30 and the compressor 10 parallel between the first and second switching valves 50 . 60 are coupled. The two switching valves are preferably designed as a 4-2-way switching valve.

Durch die Anordnung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann erreicht werden, dass der Verdampfer und der Verflüssiger sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb im Gegenstrom betrieben werden können, was eine effizientere Wärmeübertragung sowohl im Verdampfer als auch im Verflüssiger ermöglicht. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpenvorrichtung in einem Heizbetrieb geschaltet. Somit ist der Verdichter 10 mit dem Verflüssiger 20, der Verflüssiger 20 mit dem Expansionsventil 40, das Expansionsventil 40 mit dem Verdampfer 30 und der Verdampfer 30 mit dem Verdichter 10 gekoppelt.By the arrangement of the two changeover valves 50 . 60 can be achieved that the evaporator and the condenser can be operated both in heating mode and in the cooling operation in countercurrent, which allows more efficient heat transfer both in the evaporator and in the condenser. According to the first embodiment, the heat pump device is switched to a heating operation. Thus, the compressor 10 with the liquefier 20 , the liquefier 20 with the expansion valve 40 , the expansion valve 40 with the evaporator 30 and the evaporator 30 with the compressor 10 coupled.

In der Heizbetriebsart sind die beiden Umschaltventile 50, 60 derart geschaltet, dass das verdichtete Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiger und von dem Verflüssiger über das Expansionsventil 40 zu dem Verdampfer 30 und von dem Verdampfer 30 zurück zu dem Verdichter 10 fließen kann.In the heating mode, the two changeover valves 50 . 60 switched such that the compressed refrigerant from the compressor 10 to the condenser and from the condenser via the expansion valve 40 to the evaporator 30 and from the evaporator 30 back to the compressor 10 can flow.

2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel. In 2 ist die Wärmepumpenvorrichtung im Kühlbetrieb gezeigt. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1. Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 und der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 anders geschaltet sind, um einen Kühlbetrieb zu ermöglichen. Gemäß 2 fließt das Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiget 30, von dem Verflüssiget 30 zu dem Expansionsventil 40, und von dort zu dem Verdampfer 20 und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter 10. Durch die Ausgestaltung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann somit erreicht werden, dass auch in dem Kühlbetrieb, d. h. wenn der Kältekreislauf umgekehrt wird, sowohl der Verflüssiget als auch der Verdampfer im Gegenstrom betrieben werden können. 2 shows a heat pump device according to a second embodiment. In 2 is the heat pump device in Kühlbe drove shown. The structure of the heat pump device according to 2 corresponds to the structure of the heat pump device according to 1 , The difference between the heat pump device according to 2 and the heat pump device according to 1 is that the two changeover valves 50 . 60 are switched differently to allow a cooling operation. According to 2 the refrigerant flows from the compressor 10 to the liquefied 30 , from the liquefied 30 to the expansion valve 40 , and from there to the evaporator 20 and finally back to the compressor again 10 , Due to the design of the two changeover valves 50 . 60 can thus be achieved that also in the cooling mode, ie when the refrigeration cycle is reversed, both the liquefied and the evaporator can be operated in countercurrent.

Der in 2 gezeigte Kältekreislauf kann ebenfalls zur Kreisumkehrabtauung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet werden.The in 2 shown refrigerant circuit can also be used for Kreisumkehrabtauung an air / water heat pump.

3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 3 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1 oder 2. Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 3 und den Wärmepumpenvorrichtungen gemäß 1 oder 2 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 abgeschaltet sind. Gemäß 3 kann das Kältemittel von dem Verdampfer 20 zu dem Verflüssiger 30 und von dem Verflüssiger 30 über das Umschaltventil 50 wieder zurück zu dem Verdichter 10 fließen. Das Kältemittel in dem Verdampfer 20 kann über das Umschaltventil 50 zu dem Expansionsventil 40 und wiederum über das Umschaltventil 60 zu dem Verdampfer 20 fließen. Somit ist der Kältekreis in zwei separate Kreisläufe aufgeteilt worden. 3 shows a heat pump device according to a third embodiment. The structure of the heat pump device according to 3 corresponds to the structure of the heat pump device according to 1 or 2 , The difference between the heat pump device according to 3 and the heat pump devices according to 1 or 2 is that the two changeover valves 50 . 60 are switched off. According to 3 can the refrigerant from the evaporator 20 to the liquefier 30 and from the liquefier 30 via the changeover valve 50 back to the compressor 10 flow. The refrigerant in the evaporator 20 can via the switching valve 50 to the expansion valve 40 and again via the switching valve 60 to the evaporator 20 flow. Thus, the refrigeration cycle has been divided into two separate circuits.

In 3 ist eine Situation gezeigt, bei der der Verdampfer einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mittels Heißgasabtauung abgetaut wird.In 3 is shown a situation in which the evaporator of an air / water heat pump is defrosted by hot gas defrosting.

Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 stellt ebenfalls eine Betriebsart zur Kreisumkehrabtauung dar. Die Kreisumkehrabtauung ist gegenüber der Heißgasabtauung die energetisch effizientere Form, luftbeaufschlagte Verdampfer zu enteisen, da hier anteilig Wärme zum Abtauen genutzt wird, die mit einer Leistungszahl größer 1 erzeugt wurde. Diese Wärme wird z. B. bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch Wasser bereitgestellt. Kritisch ist der Zustand, wenn bei der Kreisumkehrabtauung das Wasser bis in die Nähe des Gefrierpunktes abgekühlt wird. In diesem Fall muß die Abtauung beendet werden.The heat pump device according to 2 is also a mode for Kreisumkehrabtauung dar. The Kreisumkehrabtauung is compared to the hot gas defrosting the energetically efficient form to deice air-exposed evaporators, since here proportionately heat is used for defrosting, which was generated with a coefficient of performance greater than 1. This heat is z. B. in air / water heat pumps provided by water. The condition is critical if the water is cooled down to near the freezing point during reverse circulation. In this case the defrost must be stopped.

Die Abtauung wird vorrangig durch die Kreisumkehr vorgenommen. Durch die Möglichkeit beide Abtauverfahren anwenden zu können, kann wenn sich während der Kreisumkehrabtauung Betriebszustände ergeben, bei denen der Verflüssiger (Verdampfer während des Abtauens) droht einzufrieren, das Abtauen des luftbeaufschlagten Verdampfers (während des Abtauens Verflüssiger) durch die Heißgasabtauung fortgesetzt werden. Damit ist ein störungsfreier und energetisch effizienter Abtaubetrieb gewährleistet.The Defrosting is primarily done by the circuit reversal. By the possibility Both defrosting methods can be used when during the Circular reverse ignition Operating conditions in which the liquefier (Evaporator during defrost) threatens to freeze, the defrosting of the airborne Evaporator (during defrost condenser) through the hot gas defrost to be continued. This is a trouble-free and energetic efficient defrost operation guaranteed.

Wenn zeotropes Kältemittel bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet wird, dann bildet sich bedingt durch die niedrigere Temperatur des Kältemittels am Verdampfereintritt verhältnismässig mehr Eis oder Reif an der Luftaustrittsseite des Verdampfers. Wenn der Verdampfer während des Abtauens als Kreuzgegenströmer anstelle eines Kreuzgleichströmers geschaltet wird, kann eine verbesserte Abtauung vorgesehen werden. In einem derartigen Fall tritt das Heißgas mit der höchsten Temperatur an der Stelle in den Verdampfer, wo die größte Eisbildung bzw. Reifbildung auftritt.If zeotropic refrigerant with an air / water heat pump is used, then forms due to the lower temperature of the refrigerant at the evaporator inlet relatively more Ice or frost on the air outlet side of the evaporator. If the Evaporator during defrosting as cross countercurrent instead of a cross equalizer is switched, an improved defrost can be provided. In such a case, the hot gas with the highest temperature occurs at the point in the evaporator, where the largest ice formation or frost formation occurs.

Claims

Heat pump device, with a compressor ( 10 ), a liquefier ( 20 ), an expansion valve ( 40 ), an evaporator ( 30 ), and a first and second switching valve ( 50 . 60 ), wherein the first and second switching valve ( 50 . 60 ) are arranged such that the compressor, the condenser ( 20 ), the expansion valve ( 40 ) and the evaporator ( 30 ) each at its first end with the first switching valve ( 50 ) and at its second end with the second switching valve ( 60 ) are coupled.

Heat pump apparatus according to claim 1, wherein the first and second switching valves ( 50 . 60 ) is a 4-2-way switching valve.

Heat pump device according to claim 1 or 2, wherein the first and second switching valve ( 50 . 60 ) are connected such that the condenser ( 30 ) at its first end with the compressor ( 10 ) and at its second end with the expansion valve ( 40 ) is coupled when a first mode, for. B. heating, is activated.

Heat pump device according to claim 1 or 2, wherein the first and second switching valve ( 50 . 60 ) are connected such that the condenser ( 20 ) with its first end with the expansion valve ( 40 ) and with its second end with the compressor ( 10 ) is coupled when a second mode, for. B. cooling, is activated.

Heat pump apparatus according to claim 1 or 2, wherein the first and second switching valve ( 50 . 60 ) are connected such that the condenser ( 30 ) at its first and second ends with the compressor ( 10 ) is coupled.