DE102007050446A1

DE102007050446A1 - Indirekt verdampfende Wärmepumpe und Verfahren zur Optimierung der Eingangstemperatur der indirekt verdampfenden Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102007050446A1
Application number: DE102007050446A
Authority: DE
Inventors: Steffen Karow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: DE102007050446B4; DE102007050446C5

Abstract

Indirekt verdampfende Wärmepumpe, bestehend aus einem Kältemittelkreislauf (1), einem Wärmeverteilerkreislauf (3) und einem Wärmequellenkreislauf (2), die über einen verdampfenden Wärmetauscher (4) und einem verflüssigenden Wärmetauscher (5) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmequellenkreislauf (2) mindestens zwei Wärmekreisläufe (11, 18, 22) mit unterschiedlichen Energiequellen besitzt, die jeweils untereinander und mit dem Kältemittelkreislauf (1) verbindbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine indirekt verdampfende Wärmepumpe, bestehend aus einem Kältemittelkreislauf, einem Wärmeverteilerkreislauf und einem Wärmequellenkreislauf, die über einen verdampfenden Wärmetauscher und einem verflüssigenden Wärmetauscher miteinander gekoppelt sind.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Optimierung der Eingangstemperatur der indirekt verdampfenden Wärmepumpe.
Wegen der Verknappung und der damit zu Ende gehenden Verfügbarkeit von fossilen Energieträgern kommt der Verwendung von regenerativen Energiearten wie Wasser-, Außenluft- und Solarwärme zu Heizzwecken eine immer größer werdende Bedeutung zu.
Da die Temperaturen dieser Energieträger zum direkten Einsatz in der Regel nicht ausreichen, kommen Wärmepumpen zum Einsatz, die das vorhandene Temperaturniveau auf das erforderliche Temperaturniveau anheben.
Wärmepumpen besitzen im allgemeinen einen Kältemittelkreislauf, in dem sich eingangsseitig ein verdampfender Wärmetauscher und ausgangsseitig ein verflüssigender Wärmetauscher befindet. Zwischen dem verdampfenden Wärmetauscher und dem verflüssigenden Wärmetauscher ist eine antreibbare Verdichtereinheit angeordnet, die das angewärmte Kältemittel unter Druck setzt und damit auf eine höhere Temperatur bringt.
In der Durchflussrichtung hinter dem verflüssigenden Wärmetauscher befindet sich ein Expansionsventil, das das unter Druck stehende und bereits abgekühlte Kältemittel wieder entspannt und damit weiter abkühlt und der das Kältemittel dann wieder dem verdampfenden Wärmetauscher zur Verfügung stellt.
Der ausgangsseitig angeordnete und verflüssigende Wärmetauscher erwärmt einen Verbraucherkreislauf, der sich in den zu beheizenden Räumen oder in einem Wärmespeicher ausbreitet oder zu einer Entnahmestelle führt.
Der eingangsseitige und verdampfende Wärmetauscher steht im Kontakt mit einem geeigneten Energieträger, wie beispielsweise die Außenluft oder die Erde, wozu zwei unterschiedliche Ausführungen bekannt sind.
So gibt es direkt verdampfende Wärmepumpen, bei denen sich der verdampfende Wärmetauscher zur Erdwärmenutzung entweder im Erdreich in Form eines Kollektors, einer Sonde oder eines anders gearteten Absorbers oder in einem Grundwasserkreislauf der Erde befindet. Zur Außenluftwärmenutzung ist der verdampfende Wärmetauscher außerhalb des Gebäudes angeordnet.
Daraus ergibt sich aber jeweils ein sehr großer Kühlmittelkreislauf, der funktionell seine Grenzen hat und daher nur einen gebäudenahen Einsatz erlaubt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der gewählte Energieträger keine ausreichende Temperatur besitzt oder auf Dauer zu große Temperaturschwankungen aufweist.
Zum Ausgleich dieser Temperaturschwankungen einzelner Energieträger wurde beispielsweise in der US 2006/0288724 A1 und in der WO 96/00874 bereits vorgeschlagen, mit der Außenluft und der Erdwärme zwei Energieträger in einer Wärmepumpeneinheit zu nutzen, wobei die mit dem höheren Temperaturniveau ausgestattete Energiequelle alternativ eingesetzt wird. Die Auswahl des günstigeren Energieträgers trifft eine Steuereinheit.
Es hat sich aber gezeigt, dass auch mit der Auswahl einer von zwei Wärmequellen kein ausreichend ausgeglichenes Wärmeangebot für die Wärmepumpe angeboten werden kann, sodass es zwischen dem verdampfenden Wärmetauscher und dem verflüssigenden Wärmetauscher zu großen und schwankenden Temperaturunterschieden kommt, die einen erhöhten Aufwand zur Verdichtung des Kühlmittels erfordert. Das verschlechtert aber den Wirkungsgrad der direkt verdampfenden Wärmepumpe.
Bekannt sind aber auch indirekt verdampfende Wärmepumpen, die einen Kühlmittelkreislauf und einen zur Wärmequelle führenden Wasserkreislauf besitzen, wobei beide Kreisläufe über den verdampfenden Wärmetauscher miteinander gekoppelt sind. Dieser Wasserkreislauf ist entweder als ein Erdwärmekreislauf mit einem Erdwärmetauscher oder als ein Außenluftwärmekreislauf mit einem Luftwärmetauscher ausgeführt.
Durch die Verwendung eines separaten Wasserkreislaufs kann der Kühlmittelkreislauf in vorteilhafter Weise klein gehalten und der jeweilige Wasserkreislauf in unbegrenzter Länge ausgeführt werden.
Indirekt verdampfende Wärmepumpen dieser Art haben aber den Nachteil, dass die Wärmepumpe immer nur einen Energieträger nutzen kann. Das ist im Endeffekt unwirtschaftlich, weil die Außenluftwärme im Tages- und Jahresverlauf sehr großen Temperaturschwankungen unterliegt und diese Temperaturschwankungen nur durch eine erhöhte und zusätzlich Energie verbrauchende Verdichtung des Kühlmittels ausgeglichen werden können. Diese Nachteile hat die Erdwärmenutzung nicht, weil die Erdtemperaturen weitestgehend beständig sind, dafür erfordert die Nutzung der Erdwärme aber einen relativ großen Investitionsaufwand. Der wesentliche Nachteil aller Energieträger besteht aber darin, dass die Temperatur des verwendeten Energieträgers je nach der Art des Energieträgers und den örtlichen Bedingungen in keinem Fall in Übereinstimmung mit der gewünschten optimalen Eingangstemperatur am verdampfenden Wärmetauscher steht. Das verschlechtert den Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Wärmepumpe derart auszubilden und so anzuwenden, dass die Temperaturdifferenzen zwischen dem eingangsseitigen verdampfenden Wärmetauscher und dem ausgangsseitig verflüssigen den Wärmetauscher des Kühlmittelkreislaufes gering und weitestgehend ohne Schwankungen gehalten werden können.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig dadurch gelöst, dass der Wärmequellenkreislauf mindestens zwei Wärmekreisläufe mit unterschiedlichen Energiequellen besitzt, die jeweils mit dem Kältemittelkreislauf verbindbar sind.
Verfahrensseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens zwei Wärmquellenkreisläufe mit unterschiedlichen Energiequellen verwendet werden, wobei die Temperaturen der Energiequellen ermittelt und miteinander und mit anderen Temperaturwerten in der Wärmepumpe verglichen werden und der Wärmequellenkreislauf mit der der optimalen Eingangstemperatur der Wärmepumpe am nächsten kommenden Temperatur ausgewählt und aktiviert wird.
Zweckdienliche Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8 und 10 bis 14.
Die neue Wärmepumpe und das neue Arbeitsverfahren beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Im Kern besteht die Erfindung darin, mehrere unterschiedliche Wärmequellen zu nutzen, in dem der aus funktioneller und wirtschaftlicher Sicht günstigste Wärmequellenkreislauf ausgewählt und aktiviert wird. Dabei kann der günstigste Wärmequellenkreislauf alternativ oder in funktioneller Reihe mit einem anderen Wärmequellenkreislauf mit einer geringeren Temperatur eingesetzt werden. Da das so erreichte Temperaturniveau in der Regel immer noch nicht die optimale Eingangstemperatur der Wärmepumpe besitzt, wird die Temperatur des aktiven Wärmequellenkreislaufes durch einen höher temperierten Wärmequellenkreislauf weiter aufgeheizt, bis die optimale Eingangstemperatur der Wärmepumpe erreicht oder angenähert ist. Die höher temperierte Wärmequelle ist in der Regel die Solarenergie, die ansonsten für den Wärmepumpenbetrieb ungeeignet ist. Überschüssige Solarenergie wird dabei abgeführt und anderweitig genutzt.
Dabei kann der Solarwärmekreislauf auch allein für den Betrieb der Wärmepumpe eingesetzt werden, wenn die Temperatur der Flüssigkeit die optimale Eingangstemperatur am Kältemittelkreislauf nicht übersteigt.
An Stelle der Solarenergie ist es auch denkbar, eine andere Energiequelle oder einen herkömmlichen Energieerzeuger wie beispielsweise ein Holzofen, ein Pelletkessel, ein Gaskessel oder auch eine Fernwärme einzusetzen.
Die neue Wärmepumpe hat besondere Vorteile. So nutzt sie mehrere Wärmequellen, wie beispielsweise die Wärmeenergien der Außenluft, der Erde und der Sonne. Dabei können diese verschiedenen Wärmequellen alternativ oder gemeinsam genutzt werden, wodurch eine Temperatur bereitgestellt werden kann, die in der Regel nahe der optimalen Eingangstemperatur des Kältemittelkreislaufes liegt. Diese nur noch geringe Differenz zwischen der realen Eingangstemperatur und der optimalen Eingangstemperatur erfordert nur noch eine geringe Verdichtungsleistung innerhalb des Kältemittelkreislaufes, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe auswirkt.
Es ist sehr vorteilhaft, wenn zunächst nur der Geowärmekreislauf und der Außenluftwärmekreislauf einzeln oder gemeinsam genutzt werden und die Solarwärme, die in der Regel erheblich wärmer als 20°C und damit für den Betrieb einer Wärmepumpe ungeeignet ist, oder jede andere Energiequelle nur zur Anhebung der erzeugten Temperatur auf die erwünschte optimale Eingangstemperatur eingesetzt wird. Dabei wird die überschüssige und nicht benötigte Solarwärme in einen unabhängigen Überschusswärmekreislauf eingespeist. Mit dieser Regelung kann mit großer Sicherheit die optimale Eingangstemperatur an dem verdampfenden Wärmetauscher des Kältemittelkreislaufes punktgenau eingestellt. Das erhöht den Wirkungsgrad der Wärmepumpe wesentlich. Es ist zweckmäßig und auch von Vorteil, wenn die Einkopplung der Solarwärme in den aktiven Wärmequellenkreislauf über einen Wärmetauscher erfolgt, weil damit lediglich Temperaturen vermischt werden. Das vereinfacht den Geräteaufwand. Es ist aber durchaus möglich, an Stelle des Wärmetauschers ein Mischventil einzusetzen, dass die wärmetragenden Flüssigkeiten beider Kreisläufe mengenmäßig miteinander vermischt.
Die Kopplung der verschiedenen Wärmequellenkreisläufe ist mit dem Einsatz von wenigen Ventilen und einem Energie-Management-Modul relativ einfach und kostengünstig realisierbar. Dabei können zwei und mehr Wärmequellenkreisläufe eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Wärmepumpe zunächst nur mit einem Außenluftwärmekreislauf ausgestattet und in herkömmlicher Weise mit Außenluftwärme betrieben wird. Das spart zu Beginn Investitionskosten. Zu jeder späteren Zeit kann diese Wärmepumpe dann auf die neue Wärmepumpe umgerüstet und mit einem zweiten, beispielsweise mit Erdwärme betriebenen Wärmequellenkreislauf erweitert werden. Zu jeder Zeit kann diese Wärmepumpe dann mit weiteren Wärmequellen komplettiert werden.
Investitionskosten werden auch dadurch eingespart, dass beispielsweise die Anzahl der Sonden oder die Sondenlänge bzw. die Größe eines anderen Wärmetauschers reduziert werden kann, weil die Jahresarbeit der neuen Wärmepumpe auf mehrere Wärmequellen verteilt wird.
Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Dazu zeigen
1: ein Schaltbild einer indirekt verdampfenden Wärmepumpe mit drei kombinierbaren Energiequellen in einer ersten Ausführungsform und
2: die indirekt verdampfende Wärmepumpe in einer zweiten Ausführungsform.
Nach der 1 besitzt die indirekt verdampfende Wärmepumpe einen Kältemittelkreislauf 1, einen Wärmequellenkreislauf 2 und einen Wärmeverteilerkreislauf 3, die alle gerätetechnisch miteinander gekoppelt sind.
Der Kältemittelkreislauf 1 besteht im Wesentlichen aus einem verdampfenden Wärmetauscher 4 und einem verflüssigenden Wärmetauscher 5, die beide über eine Kältemittelleitung 6 in einem geschlossenen Kreislauf eingebunden sind. In der Durchflussrich tung hinter dem verdampfenden Wärmetauscher 4 befindet sich eine in der Regel elektrisch betriebene Verdichtereinheit 7 und in der gleichen Durchflussrichtung hinter dem verflüssigenden Wärmetauscher 5 ist ein Expansionsventil 8 angeordnet.
Die Temperatur abführende Seite des verflüssigenden Wärmetauschers 5 ist in den Wärmeverteilerkreislauf 3 eingebunden, der ebenfalls als ein geschlossener Kreislauf ausgeführt ist und vom verflüssigenden Wärmetauscher 5 über eine Verteilerleitung 9 zu einem Wärmeverbraucher 10 hin und zurückführt. Dabei kann der Wärmeverbraucher 10 ein Heizkörper, ein Wärmespeicher oder eine Entnahmestelle sein.
Andererseits ist die Temperatur eingebende Seite des verdampfenden Wärmetauschers 4 in den Wärmequellenkreislauf 2 eingebunden. Dieser Wärmequellenkreislauf 2 wird mit einer frostsicheren Flüssigkeit betrieben und besteht zunächst aus einem Außenluftwärmekreislauf 11. Zu diesem Außenluftwärmekreislauf 11 gehört ein Luftwärmetauscher 12, der über einen vorzugsweise elektrisch angetriebenen Lüfter 13 mit einem Luftstrom versorgt wird, und der in einem geschlossenen Kreislauf über eine Luftwärmeleitung 14 mit dem verdampfenden Wärmetauscher 4 des Kältemittelkreislaufes 1 verbunden ist. Hinter der Temperatur eingebenden Seite des verdampfenden Wärmetauschers 4 ist eine Förderpumpe 15 eingesetzt, die von einen Elektromotor 16 betrieben wird und die das Wasser ständig umfördert. Zwischen der Förderpumpe 15 und dem Luftwärmetauscher 12 befindet sich ein schaltbares Dreiwegeventil 17, über das der Außenluftkreislauf 11 mit einem Geowärmekreislauf 18 verbunden ist. Zu diesem Geowärmekreislauf 18 gehört eine Geowärmeleitung 19, die vom Dreiwegeventil 17 zu einem im Erdreich befindlichen Geowärmetauscher 20 hin und von dort zum Außenluftwärmekreislauf 11 zurückführt. Dabei mündet die zurückführende Geowärmeleitung 19 des Geowärmekreislaufes 18 in die zurückführende Außenluftwärmeleitung 14 des Außenluftwärmekreislaufes 11. In dieser Weise sind der Außenluftwärmekreislauf 11 und der Geowärmekreislauf 18 parallel zueinander angeordnet und in der Art miteinander verbunden, dass über das Dreiwegeventil 17 bestimmt wird, welche der beiden Wärmekreisläufe 11, 18 mit dem verdampfenden Wärmetauscher 4 verbunden ist.
Zwischen der Einmündung der Geowärmeleitung 19 in die Luftwärmeleitung 14 und dem verdampfenden Wärmetauscher 4 befindet sich ein Wärmetauscher 21, der die beiden Wärmequellenkreisläufe 11, 18 für die Außenluft und die Geothermie mit einem Solarwärmekreislauf 22 verbindet. Zu diesem Solarwärmekreislauf 22 gehört ein Solarwärmetauscher 23, der in einem geschlossenen Kreislauf über eine Solarwärmeleitung 24 einerseits mit dem Wärmetauscher 21 verbunden ist. In der Solarwärmeleitung 24 befinden sich in Durchflussrichtung vor dem Wärmetauscher 21 ein zweites Dreiwegeventil 25 und hinter dem Wärmetauscher 21 eine weitere elektrisch betriebene Förderpumpe 15. Des Weiteren zweigt vom Solarwärmekreislauf 22 eine Überschusswärmeleitung 26 ab, die in einen geschlossenen Überschusswärmekreislauf 27 den Solarwärmekreislauf 22 mit dem Wärmeverbraucher 10 des Wärmeverteilerkreislaufes 3 verbindet. Dabei mündet die Überschusswärmeleitung 26 in den Solarwärmekreislauf 22 einerseits in dem Dreiwegeventil 25 und anderseits in Durchflussrichtung vor der Förderpumpe 15.
In dieser Ausführung ergeben sich mit dem Außenluftwärmekreislauf 11 und dem Geowärmekreislauf 18 zwei Primärwärmekreisläufe, die parallel zueinander angeordnet und alternativ nutzbar sind, und mit dem Solarwärmekreislauf 22 ein Sekundärwärmekreislauf, der bei Bedarf in jeden der beiden alternativ genutzten Primärwärmekreisläufe einkoppelbar und der bei Nichtbedarf mit dem Wärmeverteilerkreislauf 3 oder mit einem externen Wärmeverbraucher verbindbar ist. Dabei kann der Solarwärmekreislauf 22 immer dann, wenn seine Temperatur die optimale Eingangstemperatur am Kältemittelkreislauf nicht übersteigt, auch als Primärkreislauf wirken.
Zur Realisierung der dazu erforderlichen Schaltfunktionen ist ein Energie-Management-Modul 28 vorgesehen, das eingangsseitig über vier Leitungen 29 mit jeweils einem Außenlufttemperaturfühler 30, mit einem Geotemperaturfühler 31 in der zurückführenden Geowärmeleitung 19, mit einem Solartemperaturfühler 32 im Solarwärmetauscher 23 oder in der zurückführenden Solarwärmeleitung 24 und mit einem Wärmeverbrauchs fühler 33 im Wärmeverteilerkreislauf 3 verbunden ist. Das Energie-Management-Modul 28 besitzt eingangsseitig weiterhin eine Leitung 34, die zu einem Temperaturfühler 35 in der zulaufenden Luftwärmeleitung 14 und einem Temperaturfühler 36 in der zurücklaufenden Luftwärmeleitung 14 führt. Eine weitere Leitung 37 verbindet das Energie-Management-Modul 28 eingangsseitig mit einem Wärmebedarfsfühler 38, der sich in der zum verdampfenden Wärmetauscher 4 zurück führenden Luftwärmeleitung 14 befindet, und einem Wärmebedarfsfühler 38', der in der vom verdampfenden Wärmetauscher 4 weg führenden Luftwärmeleitung 14 angeordnet ist.
Ausgangsseitig ist das Energie-Management-Modul 28 über eine erste Steuerleitung 39 mit dem ersten Dreiwegeventil 17 in der Luftwärmeleitung 14 und über eine zweite Steuerleitung 40 mit der Förderpumpe 15 in der Solarwärmeleitung 24 verbunden. Eine dritte Steuerleitung 41 verbindet das Energie-Management-Modul 28 mit dem zweiten Dreiwegeventil 25 in der Solarwärmeleitung 24.
Mit der Inbetriebnahme der neuen Wärmepumpe in der ersten Ausführungsform wird zunächst die Temperatur am Wärmebedarfsfühler 38' in der vom verdampfenden Wärmetauscher 4 wegführenden Luftwärmeleitung 14 gemessen und mit den Temperaturen am Außenlufttemperaturfühler 30, am Geotemperaturfühler 31 und am Solartemperaturfühler 32 verglichen. Aus diesem Temperaturvergleich entscheidet das Energie-Management-Modul 28, dass der Wärmequellenkreislauf mit dem höchsten Wärmeangebot oder der größten Wirtschaftlichkeit in Betrieb genommen wird. Das ist z. B. der Außenluftwärmekreislauf 11. Dazu ist das erste Dreiwegeventil 17 in entsprechender Weise geschaltet, dass der Geowärmekreislauf 18 abgesperrt ist. Außerdem ist das zweite Dreiwegeventil 25 im Solarwärmekreislauf 22 so gestellt, dass der Solarwärmetauscher 23 mit dem Überschusswärmekreislauf 27 verbunden ist und der Wärmetauscher 21 im Außenluftwärmekreis 11 von dem Solarwärmetransport abgesperrt ist. Damit arbeiten der Luftwärmekreislauf 11 und der Überschusswärmekreislauf 27 unabhängig voneinander.
In dieser Schaltstellung wird der Luftwärmetauscher 12 durch den Lüfter 13 eingangsseitig mit einem warmen Luftstrom versorgt, dessen Temperatur dann ausgangsseitig auf das strömende Wasser im Außenluftwärmekreislauf 11 übertragen und zum verdampfenden Wärmetauscher 4 befördert wird. Dort überträgt sich die Temperatur auf den Kältemittelkreislauf, wo es durch die Druckerhöhung in der Verdichtereinheit 7 auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird. Diese erhöhte Wärme wird dann in den Wärmeverteilerkreislauf 3 eingespeist und zum Wärmeverbraucher 10 transportiert.
Der Außenluftwärmekreislauf 11 bleibt solange in Betrieb, wie die vom Luftwärmetauscher 12 erzeugte und am Temperaturfühler 38 ermittelte Wärme der Heizflüssigkeit einem vorgegebenen und für die Funktion des verdampfenden Wärmetauschers 4 optimalen Wert behält. Dieser Temperaturwert ist abhängig von dem verwendeten Kältemittel und liegt bei einem gebräuchlichen Kältemittel beispielsweise bei 20°C. Wird diese Temperatur unterschritten, dann vergleicht das Energie-Management-Modul 28 die gemessenen Temperaturen der Außenluft mit der Erdwärme und schaltet dann vom Außenluftwärmekreislauf 11 auf den Geowärmekreislauf 18 um, wenn die Erdwärme die Außenluftwärme übersteigt. Dazu wird in entsprechender Weise das Dreiwegeventil 17 geschaltet.
Dieser Vorgang des Umschaltens vom Luftwärmekreislauf 11 auf den Geowärmekreislauf 18 und umgekehrt wiederholt sich ständig, wobei stets der Wärmequellenkreislauf in Betrieb genommen wird, der das höchste Wärmeangebot oder den wirtschaftlichsten Betrieb aufzuweisen hat.
Stellt das Energie-Management-Modul 28 während des laufenden Betriebes fest, dass die Temperatur am Temperaturfühler 38 in der Luftwärmeleitung 14 von der optimalen Temperatur von beispielsweise 20°C abweicht, dann schaltet das Energie-Management-Modul 28 das zweite Dreiwegeventil 25 in der Solarwärmeleitung 24 in der Art um, dass die in der Regel höher temperierte Solarwärme zur Deckung des Wärmebedarfes am verdampfenden Wärmetauschers 4 in den Primärkreislauf eingespeist wird.
Dabei erfolgt die Regelung der einzuspeisenden Solarwärmemenge in den Außenluftwärmekreis 11 oder den Geowärmekreislauf 18 über die Drehzahl der Förderpumpe 15 im Solarwärmekreislauf 22 oder über einen Impulsbetrieb der Förderpumpe 15 im Solarwärmekreislauf 22. So bleibt in den Fällen, wo nur ein geringer zusätzlicher Wärmebedarf an Solarwärme zum Erreichen der Temperatur am verdampfenden Wärmetauscher von 20°C besteht, das zweite Dreiwegeventil 25 im Solarwärmekreislauf 22 für den Überschusswärmekreislauf 27 geschlossen, während die Förderpumpe 15 von dem Energie-Management-Modul 28 nur bedarfsweise angedrosselt oder impulsgesteuert wird. Dadurch wird überschüssige Solarwärme nur stoßweise und kurzzeitig über den Wärmetauscher 21 in den Außenluftwärmekreislauf 11 oder den Geowärmekreislauf 18 übertragen.
Erst bei einem vorhandenen Überangebot von Solarwärme, das die Temperatur am verdampfenden Wärmetauscher über die 20°C steigen lässt, schaltet das Dreiwegeventil 25 in der Solarwärmeleitung 24 um und leitet so die überschüssige Wärmemenge in den Überschusswärmekreislauf 27.
Die neue indirekt verdampfende Wärmepumpe kann auch in den Fällen, wo die Wärmeangebote aus der Geo und der Außenluft um einen vorbestimmten Wert unter der am Wärmebedarfsfühhler 38' in der Luftwärmeleitung 14 gemessenen Temperatur liegen und die Solarwärme gleichzeitig die funktionsbedingte 20°C-Temperatur am verdampfenden Wärmetauscher 4 nicht übersteigt, allein vom Solarwärmekreislauf 22 gespeist werden. Dazu werden die beiden Dreiwegeventile 17 und 25 so geschalten, dass der Geowärmekreislauf 18 und der Überschusswärmekreislauf 27 abgesperrt und der Lüfter 13 am Außenluftwärmetauscher 12 abgeschaltet sind. Dann erfolgt der Wärmetransport vom Solarwärmekreislauf 22 über den Wärmetauscher 21 und den Außenluftwärmekreislauf 11 auf den verdampfenden Wärmetauscher 4.
Dieser Wärmetransport kann dadurch verkürzt werden, wenn an Stelle des ersten Dreiwegeventils 17, ein Vierwegeventil eingesetzt wird, das zusätzlich direkt mit dem Wärmetauscher 21 verbunden wird.
Die Funktionalität dieser Regelvorgänge setzt voraus, dass der Luftwärmetauscher 12 des Außenluftwärmekreislaufes stets eisfrei ist, was bei Außenlufttemperaturen über etwa 5°C unproblematisch ist. Unterhalb dieser Temperaturgrenze besteht aber die Gefahr der Vereisung des Luftwärmetauschers 12, sodass dann trotzt eines ausreichenden Wärmeangebotes aus der Außenluft kein Wärmeübertrag stattfinden kann und die Wärmepumpe beim Außenluftbetrieb uneffektiv arbeiten würde. Zur Feststellung einer derartigen Vereisung werden die Wassertemperaturen in der Luftwärmeleitung 14 vor und hinter dem Luftwärmetauscher 12 ständig gemessen und miteinander verglichen. Eine zu geringe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Messpunkten signalisiert eine Vereisung am Luftwärmetauscher 12, sodass dem vereisten Luftwärmetauscher 12 zur Enteisung unverzüglich Wärme zugeführt wird. Das geschieht, in dem das Dreiwegeventil 25 so geschaltet wird, dass aus dem Solarwärmekreislauf 22 oder Geowärmekreislauf 18 kurzzeitig Wärme in den Außenluftwärmekreislauf 11 und damit zum vereisten Luftwärmetauscher 12 transportiert wird.
Dieser Enteisungsvorgang erfolgt in der Regel automatisch und unabhängig von der Funktion der Wärmepumpe. Der Enteisungsvorgang kann aber auch bedarfsgerecht erfolgen. Hierbei wird die Enteisung immer erst dann eingeleitet, bevor die Wärmepumpe wegen des größeren Wärmeangebotes in der Außenluft auf den Außenluftwärmekreislauf 11 umschalten soll.
Die indirekt verdampfende Wärmepumpe in der zweiten Ausführungsform gemäß der 2 unterscheidet sich gegenüber der ersten Ausführungsform zunächst dadurch, dass die zurückführende Geowärmeleitung 19 sowohl mit der hinführenden als auch mit der rückführenden Außenluftwärmeleitung 14 des Außenluftwärmekreislaufes 11 verbunden ist. Somit ergibt sich zwischen der hinführenden Außenluftwärmeleitung 14 und der rückführenden Außenluftwärmeleitung 14 eine Kurzschlussleitung, in der ein Absperrventil 42 eingesetzt ist. Ein weiteres Absperrventil 43 befindet sich in der Außenluftwärmeleitung 14 zwischen der Einmündung der zurückführenden Geowärmeleitung 19 und dem Luftwärmetauscher 12. Zur Betätigung der beiden Absperrventile 42, 43 führt eine vierte Steuerleitung 44 zum Energie-Management-Modul 28.
Durch diese Anordnung ist es möglich, die ursprüngliche Parallelschaltung zwischen dem Geowärmekreislauf 18 und der Außenluftwärmekreislauf 11, so wie sie in der 1 gezeigt ist, in eine Reihenschaltung umzuwandeln.
Dazu wird zunächst wieder die Temperatur am Wärmebedarfsfühler 38' in der vom verdampfenden Wärmetauscher 4 wegführenden Luftwärmeleitung 14 gemessen und mit den Temperaturen am Außenlufttemperaturfühler 30, am Geotemperaturfühler 31 und am Solartemperaturfühler 32 verglichen. Der oder die Wärmequellenkreisläufe 11, 18, die um einen bestimmten Betrag unter der am Wärmebedarfsfühler 38' gemessenen Temperatur liegen, werden vom Wärmepumpenbetrieb abgesperrt. So wird beispielsweise durch eine entsprechende Schaltstellung des Dreiwegeventils 17 der Geowärmekreislauf 18 abgesperrt und durch die entsprechenden Schaltstellungen der beiden Absperrventile 42, 43 der Außenluftwärmekreislauf 11 mit dem verdampfenden Wärmetauscher 4 verbunden.
Für den Fall, dass beide Wärmequellenkreisläufe 11, 18 jeweils ein um einen vorgegebenen Mindestbetrag höheres Wärmeangebot aufweisen, als am Wärmebedarfsfühler 38' gemessenen wurde, werden die beiden Wärmequellenkreisläufe 11, 18 in Reihe geschaltet. Dazu wird durch eine Betätigung des Dreiwegeventils 17 der Geowärmekreislauf 18 frei geschaltet, während das Absperrventil 42 in der Kurzschlussleitung gesperrt und das Absperrventil 43 in der Luftwärmeleitung 14 geöffnet wird.
Dadurch fördert die Förderpumpe 15 im Außenluftwärmekreislauf 11 das Wasser zunächst in den Geowärmekreislauf 18, wo es die Geowärme aufnimmt, und dann über das geöffnete Absperrventil 43 zum Luftwärmetauscher 12, wo die Temperatur des Wassers auf die Temperatur der Außenluft angehoben wird. Das so vorgewärmte Wasser wird dann dem verdampfenden Wärmetauscher 4 zugeführt, wobei im Bedarfsfall dieses Temperaturniveau durch die Einspeisung von Solarwärme oder einer anders erzeugte Wärme über den Wärmetauscher 21 weiter auf die optimale Temperatur von beispielsweise 20°C angehoben wird. Der wesentliche Vorteil dieser Reihenschaltung liegt darin, dass die vorhandene Geowärme auch dann genutzt wird, wenn die Außenluft eine höhere Temperatur aufweist. Dadurch kann der Lüfter 13 am Luftwärmetauscher 12 unter Umständen gedrosselt oder abgeschaltet werden, was elektrische Energie spart und den Wirkungsgrad der Wärmepumpe erhöht.
Mit der Reihenschaltung kann auch die Geowärme zur eventuellen Enteisung des Luftwärmetauschers 12 genutzt werden.

1: Kältemittelkreislauf
2: Wärmequellenkreislauf
3: Wärmeverteilerkreislauf
4: verdampfender Wärmetauscher
5: verflüssigender Wärmetauscher
6: Kältemittelleitung
7: Verdichtereinheit
8: Expansionsventil
9: Verteilerleitung
10: Wärmeverbraucher
11: Außenluftwärmekreislauf
12: Luftwärmetauscher
13: Lüfter
14: Luftwärmeleitung
15: Förderpumpe
16: Elektromotor
17: erstes Dreiwegeventil
18: Geowärmekreislauf
19: Geowärmeleitung
20: Geowärmetauscher
21: Wärmetauscher
22: Solarwärmekreislauf
23: Solarwärmetauscher
24: Solarwärmeleitung
25: zweites Dreiwegeventil
26: Überschusswärmeleitung
27: Überschusswärmekreislauf
28: Energie-Management-Modul
29: Leitung
30: Außenlufttemperaturfühler
31: Geotemperaturfühler
32: Solartemperaturfühler
33: Wärmeverbrauchsfühler
34: Leitung
35: Temperaturfühler
36: Temperaturfühler
37: Leitung
38 38': Wärmebedarfsfühler
39: erste Steuerleitung
40: zweite Steuerleitung
41: dritte Steuerleitung
42: Absperrventil
43: Absperrventil
44: vierte Steuerleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0288724 A1 [0011]
- WO 96/00874 [0011]

Claims

Indirekt verdampfende Wärmepumpe, bestehend aus einem Kältemittelkreislauf (1), einem Wärmeverteilerkreislauf (3) und einem Wärmequellenkreislauf (2), die über einen verdampfenden Wärmetauscher (4) und einem verflüssigenden Wärmetauscher (5) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmequellenkreislauf (2) mindestens zwei Wärmekreisläufe (11, 18, 22) mit unterschiedlichen Energiequellen besitzt, die jeweils untereinander und mit dem Kältemittelkreislauf (1) verbindbar sind.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellenkreisläufe (11, 18) parallel oder in Reihe schaltbar sind.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmequellenkreislauf (22) eine erhöhte Temperatur besitzt, um die reale Temperatur des aktiven Wärmequellenkreislaufes (11, 18) an die optimale Eingangstemperatur am Kältemittelkreislauf (1) anzupassen.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmequellenkreislauf mit einer erhöhten Temperatur ein Solarwärmekreislauf (22) ist.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Solarwärmekreislauf (22) mit einem Überschusswärmekreislauf (27) verbindbar ist, der mit dem Wärmeverteilerkreislauf (3) oder mit einem externen Verbraucher verbunden ist.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Wärmequellenkreisläufe (11, 18) mit den Solarwärmekreislauf (22) über einen Wärmetauscher (21), die Verbindung der Wärmequellenkreisläufe (11, 18) untereinander über mindestens ein Wegeventil (17, 42, 43) und die Verbindung des Solarwärmekreislaufes (22) mit dem Überschusswärmekreislauf (27) über mindestens ein Wegeventil (25) erfolgen.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der verschiedensten Temperaturen und zur Temperatur abhängigen Betätigung der Sperr- und Wegeventile (17, 25, 42, 43) und/oder der Förderpumpe (15) in dem Solarwärmekreislauf (22) ein Energie-Management-Modul (28) vorgesehen ist.
Indirekt verdampfende Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energie-Management-Modul (28) zur Überwachung der Vereisung des Luftwärmetauschers (12) und zur Einleitung der Enteisung des Luftwärmetauschers (12) über die zur Verfügung stehenden Wärmequellen ausgelegt ist.
Verfahren zur Optimierung der Eingangstemperatur der indirekt verdampfenden Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmequellenkreisläufe (11, 18, 22) mit unterschiedlichen Energiequellen verwendet werden, wobei die Temperaturen der Energiequellen ermittelt und miteinander und mit anderen Temperaturwerten in der Wärmepumpe verglichen werden und der Wärmequellenkreislauf (11, 18, 22) mit der der optimalen Eingangstemperatur der Wärmepumpe am nächsten kommenden Temperatur ausgewählt und aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie des Wärmequellenkreislaufes (11, 18) mit der geringeren Temperatur in den ausgewählten aktiven Wärmequellenkreislauf (11, 18) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmequellenkreislauf (22) mit einer gegenüber der optimalen Eingangstemperatur der Wärmepumpe überhöhten Temperatur verwendet wird und aus diesem Wärmequellenkreislauf (22) soviel Wärmemenge in den aktiven Wärmequellenkreislauf (11, 18) eingespeist wird, bis sich die Temperatur des aktiven Wärmequellenkreislauf (11, 18) an die optimale Eingangstemperatur am verdampfenden Wärmetauscher (4) des Kältemittelkreislaufes (1) angenähert hat.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmequellenkreislauf (22) mit der gegenüber der optimalen Eingangstemperatur der Wärmepumpe überhöhten Temperatur ein Solarwärmekreislauf (22) ist, der die nicht zur Temperaturanpassung benötigte Wärmeenergie in einen Überschusswärmekreislauf (27) oder in einen weiteren Verbraucher oder Wärmespeicher einspeist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturen vor und hinter dem Luftwärmetauscher (12) gemessen und verglichen werden und die Auswahl des Wärmekreislaufes (11, 18) mit der der optimalen Eingangstemperatur am nächsten kommenden Temperatur unter Berücksichtigung einer Vereisung des Luftwärmetauschers (12) im Außenluftwärmekreislauf (11) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine festgestellte Vereisung des Luftwärmetauscher (12) durch Zuführung von Wärme aus einem der vorhandenen Wärmequellenkreisläufe (11, 18, 22) beseitigt wird.