DE102009024305B4 - Wärmepumpenheizung mit mehrteiligem Kondensator - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenheizung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- In einer Wärmepumpe, der zentralen Energiequelle der Wärmepumpenheizung, durchströmt ein Arbeitsmedium (Kältemittel, Wärmettansport-Medium) in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer, einen Kompressor (Verdichter), einen Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil. Im Verdampfer wird das Arbeitsmedium verdampft und nimmt dabei Energie aus einer Wärmequelle, beispielsweise der Außenluft, auf. Im Kompressor wird das Arbeitsmedium komprimiert und dabei erwärmt. Im Kondensator erfolgt die Verflüssigung des unter Druck stehenden Arbeitsmediums, dabei gibt es Energie in Form von Wärme an eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ab. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmedium im Expansionsventil entspannt und gelangt bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur wieder in den Verdampfer, um den Kreislauf erneut zu durchlaufen.
- Die bereits angesprochene Flüssigkeit durchströmt in einem geschlossenen Kreislauf eine Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Flüssigkeit, nachfolgend Speichererhitzer genannt, sowie eine oder mehrere Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungseinrichtungen, beispielsweise Heizkörper, Fußbodenheizung, Warmwasserbereiter, Durchlauferhitzer, usw.
- In dem Speichererhitzer überträgt der Kondensator der Wärmepumpe Wärme vom Arbeitsmedium an die Flüssigkeit im Speichererhitzer. Diese Flüssigkeit erwärmt dann bei Bedarf die Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungseinrichtungen bzw. gibt dort die zugeführte Wärme zumindest teilweise wieder ab.
- Den Ausgangspunkt für die Erfindung bildet ein Speichererhitzer, in dem die Flüssigkeit eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung ausbildet. Hoher gelegene Flüssigkeitsschichten weisen eine größere Temperatur auf als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten. Für einen möglichst effizienten Betrieb des Speichererhitzers und damit der Wärmepumpenheizung insgesamt ist es erforderlich, dass die Temperaturschichtung möglichst konstant aufrechterhalten wird. Dieser Idealzustand wird in der Praxis, gerade bei hoher Heizlast durch die erforderliche Umwälzung der Flüssigkeit beeinträchtigt, was dazu führen kann, dass die Wärmeübertragung vom Kondensator auf die Flüssigkeit nicht unter optimalen Bedingungen erfolgt.
- Ein Problem hierbei ist, dass das Arbeitsmedium im Kondensator an der Wärmeübertragungswand zur Flüssigkeit hin bei Flüssigkeitstemperaturen unterhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums einen Kondensatfilm bildet, der eine Isolationsschicht zwischen dem übrigen gasförmige Arbeitsmedium im Kondensator und der Flüssigkeit ausbildet. Dies unterbindet bzw. reduziert die gewünschte Energieübertragung vom Arbeitsmedium auf die Flüssigkeit. Die Leistungszahl der Wärmepumpenheizung, der Quotient aus abgegebener Wärmeleistung und aufgenommener Leistung, vor allem zum Antrieb des Kompressors, erreicht dadurch nicht die theoretisch möglichen Werte.
- Wärmepumpenheizungen mit einem Speichererhitzer sind aus
DE 102 43 170 A1 ,DE 28 51 511 A1 undWO 2006/101405 A2 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenheizung der vorgenannten Art zu schaffen, die sich durch eine hohe Effizienz und damit durch eine im Vergleich zu bekannten Wärmepumpenheizungen große Leistungszahl auszeichnet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Die Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung umfasst ein Arbeitsmedium (Kältemittel, Wärmetransport-Medium), das in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer, einen Kompressor (Verdichter), einen Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil durchströmt. Sie umfasst ferner eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser (es eignet sich aber auch jedes andere zum Wärmetransport geeignete Medium), die in einem geschlossenen Kreislauf einen Speichererhitzer (Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Flüssigkeit) und eine oder mehrere Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungseinrichtungen (beispielsweise Heizkörper, Fußbodenheizung, Warmwasserbereiter, Durchlauferhitzer) durchströmt. Der Kondensator überträgt hierbei Energie vom Arbeitsmedium an die Flüssigkeit im Speichererhitzer. Typischerweise wird in der oberen Hälfte des Speichererhitzers, insbesondere an oder nahe der Oberseite des Speichererhitzers, warme Flüssigkeit entnommen und durch eine Heizungseinrichtung und/oder eine Warmwasserbereitungseinrichtung zurück zum Speichererhitzer geführt. Dort tritt die abgekühlte Flüssigkeit dann in der unteren Hälfte des Speichererhitzers, insbesondere am oder nahe der Unterseite des Speichererhitzers, wieder in den Speichererhitzer ein. Die erwärmte Flüssigkeit wird insbesondere zu Heizzwecken oder zur Warmwasserbereitung genutzt, gegebenenfalls können auch zwei getrennt Kreisläufe an den Speichererhitzer angeschlossen sein.
- Die Flüssigkeit im Speichererhitzer bildet eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten.
- Zentrales Merkmal der Erfindung ist, dass der Kondensator mindestens zweiteilig ausgebildet ist. Der Kondensator umfasst einen ersten Kondensatorteil und einem zweiten Kondensatorteil, die nacheinander vom Arbeitsmedium durchströmt werden, wobei der erste Kondensatorteil hinsichtlich des Arbeitsmediums stromaufwärts zum zweiten Kondensatorteil angeordnet ist.
- Der erste Kondensatorteil und der zweiten Kondensatorteil sind räumlich voneinander getrennt im und/oder am Speichererhitzer angeordnet, wobei der erste Kondensatorteil oberhalb des zweiten Kondensatorteils angeordnet ist (in Schwerkraftrichtung gesehen).
- Sowohl der erste Kondensatorteil als auch der zweite Kondensatorteil bildet für sich einen Wärmetauscher, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium und dessen Sekundärseite von der Flüssigkeit durchströmt wird. Das weitere zentrale Merkmal der Erfindung neben der Zweiteilung des Kondensators ist das Vorsehen einer Vorrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit, die in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils einströmt, zwischen erstem Kondensatorteil und zweitem Kondensatorteil. Diese Vorrichtung ist dazu vorgesehen und ausgebildet, die Zulauftemperatur der Flüssigkeit in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs oberhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums zu halten.
- Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Einstellung bzw. Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit zur Sekundärseite des ersten Kondensators auf ein Niveau oberhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums sichergestellt ist, dass auch die Temperatur an der Wärmeübertragungswand zwischen Arbeitsmedium und Flüssigkeit im ersten Kondensatorteil oberhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums liegt und sich somit kein Kondensationsfilm und damit auch keine Isolationsschicht an der Wärmeübertragungswand ausbildet. Das heiße Arbeitsmedium kann somit seine Wärme im ersten Kondensatorteil unbehindert von der von einer Kondensationsschicht ausgehenden Isolationswirkung auf die Flüssigkeit übertragen und wird dadurch abgekühlt. Seine Temperatur liegt hierbei jedoch immer oberhalb der Kondensationstemperatur, d. h. im ersten Kondensatorteil erfolgt keine Verflüssigung des Arbeitsmediums. Vielmehr tritt das Arbeitsmedium am Ausgang der Primärseite des ersten Kondensatorteils weiterhin gasförmig, jedoch mit im Vergleich zur Eingangstemperatur reduzierter Temperatur aus. Die Verflüssigung mit der dazugehörigen Energieübertragung auf die Flüssigkeit erfolgt im zweiten Kondensatorteil. Auf diese Weise ist eine effiziente Wärmeübertragung vom Arbeitsmedium auf die Flüssigkeit im ersten Kondensatorteil und auch im zweiten Kondensatorteil sichergestellt. Dies führt insgesamt zu einer effizienten Energieübertragung. Insbesondere lässt sich die Energie eines sehr stark erhitzen Arbeitsmediums besonders wirkungsvoll auf die Flüssigkeit übertragen. Insgesamt gibt die Erfindung damit eine Wärmepumpenheizung an, die sehr effizient arbeitet und die sich durch eine im Vergleich zu bekannten Wärmepumpenheizungen große Leistungszahl auszeichnet.
- Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit ein Mischventil, insbesondere ein motorgesteuertes Mischventil, mit mindestens drei Anschlüssen (Wegen), d. h. bei dem Mischventil handelt es sich um mindestens ein Drei-Wege-Ventil. Der erste Anschluss des Mischventils ist über eine erste Flüssigkeitsleitung mit dem Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils verbunden. Der zweite Anschluss des Mischventils endet über eine am gegenüberliegenden Ende offene zweite Flüssigkeitsleitung in einer ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers, die oberhalb des Mischventils, insbesondere oberhalb des Ablaufs der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils liegt. Der dritte Anschluss des Mischventils ist über eine dritte Flüssigkeitsleitung mit dem Flüssigkeitszulauf (Eingang) der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils verbunden. Das Mischventil führt Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsleitung und/oder aus der zweiten Flüssigkeitsleitung der dritten Flüssigkeitsleitung zu. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Mischventils steuert bzw. regelt das Mischverhältnis zwischen der Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsleitung und der Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeitsleitung und damit die Temperatur der Flüssigkeit in der dritten Flüssigkeitsleitung und damit wiederum die Zulauftemperatur der Flüssigkeit, die in den Sekundärteil des ersten Kondensatorteils einströmt. Je nach Einstellung des Mischventils strömt somit eine Mischung der Flüssigkeiten aus erster und zweiter Flüssigkeitsleitung, d. h. aus Flüssigkeit, die aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils austritt, und aus Flüssigkeit, die aus der ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers angesaugt wird, in die dritte Flüssigkeitsleitung und damit in den Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils. Das Mischventils ermöglicht stufenlos oder auch abgestuft Einstellungen zwischen den Extremfällen, dass nur Flüssigkeit aus der ersten bzw. nur Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeitsleitung zugeführt wird.
- Ferner ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit Temperatursensoren aufweist, deren Signale die Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Mischventils zur Steuerung und/oder Regelung der Zulauftemperatur verwendet. Mindestens einen Temperatursensor ist zur Ermittlung der Temperatur der Flüssigkeit in der ersten Flüssigkeitsleitung oder am Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils vorgesehen, und mindestens ein Temperatursensor ist zur Ermittlung der Temperatur in der ersten Flüssigkeitsschicht vorgesehen. Auf Basis dieser Werte lässt sich dann das Mischventil zur Erzielung des gewünschten Temperaturwertes in der dritten Flüssigkeitsleitung einstellen.
- Ferner ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit mindestens einen Sensor zur Ermittlung des Drucks des Arbeitsmediums in der Primärseite des ersten Kondensatorteils aufweist, und dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, aus dem Druckwert die aktuelle Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums zu ermitteln, was problemlos anhand hinterlegter Kennlinien und/oder Kennwerte des Arbeitsmediums möglich ist. Die so ermittelte Kondensationstemperatur findet dann Eingang in die Regelung bzw. Steuerung des Mischventils. Der genannte Drucksensor muss nicht direkt in der Primärseite des ersten Kondensatorteils angeordnet sein, eine Anordnung in Leitungsabschnitten des Arbeitsmediums, die den gleichen Druck aufweisen, ist ausreichend, beispielsweise strömungstechnisch nach dem Kompressor oder vor dem Expansionsventil.
- Zweckmäßig ist ferner auch, wenn die dritte Flüssigkeitsleitung und/oder der Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils eine erste Umwälzpumpe zur Förderung der Flüssigkeit durch das Mischventil aufweist. Dadurch wird ferner die Flüssigkeit durch den ersten Kondensatorteil gefördert und, bei entsprechender Stellung des Mischventils, auch durch den zweiten Kondensatorteil.
- Für den unwahrscheinlichen Fall, dass das Mischventil die erforderliche Temperatur der Flüssigkeit nicht bereitstellen kann, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, in die dritte Flüssigkeitsleitung eine Erwärmungseinrichtung, insbesondere eine elektrische Erwärmungseinrichtung, zur Erwärmung der durchströmenden Flüssigkeit vorzusehen. Diese Erwärmungseinrichtung ist dann Bestandteil der Vorrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur. Bei Bedarf wird sie unterstützend eingesetzt, um die Flüssigkeit auf die erforderliche Temperatur zu bringen.
- Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Mischventil einen vierten Anschluss aufweist, d. h. das Mischventil ist ein Vier-Wege-Ventil. Der zusätzliche vierte Anschluss endet über eine am gegenüberliegenden Ende offene vierte Flüssigkeitsleitung in einer zweiten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers, die unterhalb der ersten Flüssigkeitsschicht liegt. Die vierte Flüssigkeitsleitung dient dazu, nicht für die Zuführung zur dritten Flüssigkeitsleitung benötigte Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsleitung über das Mischventil der vierten Flüssigkeitsschicht zuzuführen.
- Zweckmäßig ist ferner eine Ausbildung der Erfindung, bei der der Flüssigkeitsausgang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils Flüssigkeit an eine dritte Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers abgibt und der Flüssigkeitszulauf (Eingang) der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils Flüssigkeit aus einer vierten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers entnimmt, wobei die vierte Flüssigkeitsschicht mit Abstand unterhalb der dritten Flüssigkeitsschicht im Speichererhitzer angeordnet ist.
- Bei dem ersten Kondensatorteil und/oder dem zweiten Kondensatorteil handelt es sich vorzugsweise um ein koaxiales Rohrsystem, insbesondere um eine koaxiale Rohrspirale. Das Rohr ist hierbei als Doppelrohr aufgebaut, wobei ein inneres Rohr (üblicherweise für die Flüssigkeit) von einem äußeren Rohr (üblicherweise für das Arbeitsmedium) vollständig umgeben ist. Inneres und äußeres Rohr erstrecken sich parallel zueinander entlang einer gemeinsamen Rohrachse. Sowohl die Flüssigkeit als auch das Arbeitsmedium können das Rohr somit durchströmen, sie sind räumlich jedoch durch eine im Querschnitt üblicherweise kreisförmige Trennwand voneinander getrennt. Flüssigkeit und Arbeitsmedium strömen hierbei im Gegenstrom durch das Rohr, der Energieübertrag erfolgt über die Trennwand.
- Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kondensator einen dritten Kondensatorteil umfasst, der hinsichtlich des Arbeitsmediums stromabwärts zum zweiten Kondensatorteil angeordnet ist. Der dritte Kondensatorteil ist räumlich getrennt vom ersten und zweiten Kondensatorteil im und/oder am Speichererhitzer angeordnet, und zwar unterhalb des zweiten Kondensatorteils. Auch der dritte Kondensatorteil ist ein Wärmetauscher, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium und dessen Sekundärseite von Kaltwasser, das anschließend einer Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt wird, durchströmt wird, d. h. die Sekundärseite wird nicht von der Flüssigkeit des Speichererhitzers durchströmt.
- Diese Weiterbildung bringt mehrere Vorteile mit sich. In der Regel ist das Arbeitsmedium nach dem zweiten Kondensatorteil verflüssigt, es weist jedoch immer noch eine Temperatur auf, die in der Größenordnung der Kondensationstemperatur liegt, zumindest deutlich über der Temperatur des üblichen Kaltwassers aus dem Leitungsnetz. Dementsprechend kann durch weitere Abkühlung des bereits kondensierten Arbeitsmediums zusätzlich Energie gewonnen und einem ohnehin für die Warmwasserbereitung bestimmten Kaltwasser zugeführt werden. Dadurch wird der Energieeinsatz bei der eigentlichen Warmwasserbereitung reduziert. Der dritte Kondensatorteil wirkt somit nicht als Verflüssiger, vielmehr wird dem in der Regel bereits flüssigen Arbeitsmedium durch Abkühlen Wärme entzogen, die dem Kaltwasser zugeführt wird, das dadurch bereits vorerwärmt der Warmwasserbereitung zugeführt wird. Durch den dritten Kondensatorteil und die dadurch mögliche zusätzliche Abkühlung des Arbeitsmediums werden die Effizienz und damit auch die Leistungszahl der Wärmepumpenheizung zusätzlich gesteigert.
- Zum anderen unterstützt die Durchleitung des kühlen Kaltwassers im unteren Bereich des Speichererhitzers, an und/oder nahe der Unterseite des Speichererhitzers, die Temperaturschichtung des Speichererhitzers, ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt.
- Der Speichererhitzer weist zweckmäßigerweise in seinem unteren Drittel einen Flüssigkeitszulauf und in seinem oberen Drittel einen Flüssigkeitsablauf zur Kreislaufführung der Flüssigkeit auf. Hierzu weist der Flüssigkeitskreislauf außerhalb des Speichererhitzers eine Umwälzpumpe für die Flüssigkeit auf. Ferner wird die Flüssigkeit außerhalb des Speichererhitzers zur Wärmeabgabe durch Heizeinrichtungen geführt und/oder durch die Primärseite eines Wärmetauscher einer Warmwasserbereitungseinrichtung, durch dessen Sekundärseite zu erwärmendes Kaltwasser (Frischwasser) strömt, das gegebenenfalls bereits entsprechend den vorstehenden Erläuterungen vorerwärmt ist. Es ist auch möglich, dass zwei oder mehrere derartige Flüssigkeitskreisläufe an dem Speichererhitzer angeschlossen ist.
- Ergänzend ist es auch möglich, dass eine Zusatzheizung zur Erwärmung der Flüssigkeit in den Speichererhitzer eingebaut wird, vorzugsweise im Bereich des zweiten Wärmetauschers. Bei der Zusatzheizung kann es sich beispielsweise um eine Solaranlage handeln. Dadurch kann gerade in Zeiten hoher Außentemperatur, beispielsweise im Sommer, wenn die Einrichtungen der Wärmepumpe für den Betrieb einer Klimaanlage benötigt werden, ebenfalls durch umweltfreundliche Energie die Warmwasserbereitung mittels des Speichererhitzers weiter betrieben werden. Wärmepumpenheizung und Solaranlage stellen somit eine äußerst vorteilhafte und zweckmäßige Ergänzung dar, die sich sinnvoll in einer Anlage, insbesondere in einem Speichererhitzer, kombinieren lassen.
- Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende, schematische Zeichnung näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch eine Wärmepumpenheizung1 gemäß der Erfindung. Die Wärmepumpenheizung1 weist ein Arbeitsmedium2 auf, das in einem geschlossenen Kreislauf (gestrichelte Linie) einen Verdampfer3 (in dem das flüssige Arbeitsmedium durch die Wärme der Außenluft verdampft wird), einen Kompressor4 (in dem das gasförmige Arbeitsmedium komprimiert wird), einen Kondensator (in dem das gasförmige Arbeitsmedium verflüssigt wird) und ein Expansionsventil5 (durch das das flüssige Arbeitsmedium entspannt wird) durchströmt. An diesen Kreislauf ist über Absperrventile12 ein Klimaanlagenkreislauf11 angekoppelt, der gegebenenfalls alternativ zu dem für die Erfindung relevanten, hier beschriebenen und in der Figur dargestellten Wärmepumpenkreislauf betrieben werden kann. Hierzu ist auch der Wärmepumpenkreislauf mit Absperrventilen13 versehen. - Die Wärmepumpenheizung
1 weist ferner eine Flüssigkeit6 , insbesondere Wasser, auf, die in einem geschlossenen Kreislauf einen Speichererhitzer7 und einen Wärmetauscher8 als Warmwasserbereitungseinrichtung (hier als Durchlauferhitzer) auf dessen Primärseite durchströmt. Die Sekundärseite dieses Wärmetauschers8 wird von Kaltwasser9 aus dem Leitungsnetz, im dargestellten Fall von bereits vorerwärmtem Kaltwasser9a (siehe untenstehende Erläuterungen) durchströmt und steht nach dem Wärmetauscher8 als Warmwasser10 dem Haushalt zur Verfügung. Der Speichererhitzer7 weist in seinem oberen Bereich7a (in seinem oberen Drittel) einen Flüssigkeitsablauf14 für im Speichererhitzer7 erwärmte Flüssigkeit6 und in seinem unteren Bereich7b (in seinem unteren Drittel) einen Flüssigkeitszulauf15 für im Wärmetauscher8 abgekühlte Flüssigkeit6 . Die Flüssigkeit6 wird durch eine Umwälzpumpe16 , die außerhalb des Speichererhitzers angeordnet ist, im Kreislauf geführt. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit6 ist durch Pfeile angegeben. - Im Speichererhitzer
7 bildet die Flüssigkeit6 eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten, d. h. eine horizontale Flüssigkeitsschicht im oberen Bereich7a des Speichererhitzers7 ist wärmer als eine horizontale Flüssigkeitsschicht im unteren Bereich7b des Speichererhitzers7 . - Kern der Erfindung ist die mindestens zweiteilig Ausbildung des bereits angesprochenen Kondensators. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kondensator drei Teile auf: einen ersten Kondensatorteil
17a , einen zweiten Kondensatorteil17b und einen dritten Kondensatorteil17c . Alle drei Kondensatorteile17a ,17b ,17c sind im Speichererhitzer7 angeordnet. Der erste Kondensatorteil17a ist räumlich getrennt über dem zweiten Kondensatorteil17b angeordnet, der zweite Kondensatorteil17b wiederum ist ebenfalls räumlich getrennt über dem dritten Kondensatorteil17c angeordnet. Die Kondensatorteile17a ,17b ,17c werden zwischen Kompressor4 und Expansionsventil5 nacheinander vom Arbeitsmedium2 durchströmt, zunächst der ersten Kondensatorteil17a , dann der zweite Kondensatorteil17b und schließlich der dritte Kondensatorteil17c . - Der erste Kondensatorteil
17a und der zweite Kondensatorteil17b sind ein Wärmetauscher, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium2 und dessen Sekundärseite von der Flüssigkeit6 durchströmt wird. Konkret handelt es sich beim ersten Kondensatorteil17a und beim zweiten Kondensatorteil17b um ein koaxiales Rohrsystem, konkret um eine Rohrspirale, in der das Arbeitsmedium2 und die Flüssigkeit6 im Gegenstrom zueinander und räumlich durch eine Wärmeübertragungswand (nicht dargestellt) voneinander getrennt geführt werden. Die Führung des Arbeitsmediums2 im Gegenstrom zur Flüssigkeit6 ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie symbolisiert, auch der Eintritt des Arbeitsmediums in den jeweiligen Kondensatorteil17a ,17b und der Austritt ist durch die gestrichelte Linie schematisch dargestellt. - Der Flüssigkeitsausgang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils
17a gibt Flüssigkeit6 an eine dritte Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers7 ab. Der Flüssigkeitszulauf der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b entnimmt Flüssigkeit6 aus einer vierten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers. Die vierte Flüssigkeitsschicht ist im unteren Bereich7b des Speichererhitzers7 angeordnet, die dritten Flüssigkeitsschicht im oberen Bereich7a des Speichererhitzer7 . - Weiterer Kernaspekt der Erfindung ist neben der Aufteilung des Kondensators das Vorsehen einer Vorrichtung
18 zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit6 , die in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a einströmt, d. h. der Zulauftemperatur am Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a . Konkret ist diese Vorrichtung18 dazu ausgebildet, die Zulauftemperatur der Flüssigkeit6 innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs oberhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums zu halten, beispielsweise in einem Bereich von bis zu 5°C über der Kondensationstemperatur oder in einem Bereich zwischen 2°C und 5°C über der Kondensationstemperatur. Hierzu umfasst die Vorrichtung18 ein Mischventil19 , beispielsweise ein Mischventil19 , bei dem das Mischungsverhältnis über einen Stellmotor einstellbar ist. Um seine Funktion erfüllen zu können muss das Mischventil19 mindestens drei Anschlüsse19a ,19b ,19c aufweisen, zwei zulaufende Anschlüsse19a ,19b und einen ablaufenden Anschluss19c . Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist ferner einen vierten Anschluss19d , ein ablaufender Anschluss, auf. - Der erste Anschluss
19a ist über eine erste Flüssigkeitsleitung mit dem Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b verbunden. Der zweite Anschluss19b endet über eine am gegenüberliegenden Ende offene zweite Flüssigkeitsleitung in einer ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers7 . Die erste Flüssigkeitsschicht liegt oberhalb des Mischventils19 , insbesondere oberhalb des Ausgangs der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a . Der dritte Anschluss19c ist über eine dritte Flüssigkeitsleitung mit dem Flüssigkeitszulauf der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a verbunden. Der vierte Anschluss19d endet über eine am gegenüberliegenden Ende offene vierte Flüssigkeitsleitung in einer zweiten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers7 , die unterhalb der ersten Flüssigkeitsschicht liegt. - In die dritte Flüssigkeitsleitung zwischen dem dritten Anschluss
19c und dem Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a ist eine Umwälzpumpe20 zur Förderung der Flüssigkeit6 durch das Mischventil19 angeordnet. Durch diese Umwälzpumpe20 wird Flüssigkeit6 aus der ersten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss19a und/oder aus der zweiten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss19b über das Mischventil19 der dritten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss19c zuführt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Mischventils19 steuert bzw. regelt das Mischverhältnis zwischen der Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsleitung und der Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeitsleitung und damit die Temperatur der Flüssigkeit in der dritten Flüssigkeitsleitung und damit wiederum die Zulauftemperatur der Flüssigkeit6 , die in den Sekundärteil des ersten Kondensatorteils17a einströmt. Die Steuerung bzw. Regelung erfolgt auf Basis von Temperaturdaten, die von Temperatursensoren ermittelt werden. Ein Temperatursensor ist zur Ermittlung der Temperatur der Flüssigkeit6 in der ersten Flüssigkeitsleitung oder am Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b vorgesehen und entsprechend angeordnet (nicht dargestellt). Ein weiterer Temperatursensor ist zur Ermittlung der Temperatur in der ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers7 vorgesehen und entsprechend auf Höhe dieser Schicht im Speichererhitzer angeordnet (nicht dargestellt). - Neben diesen Temperatursensoren umfasst die Vorrichtung
18 zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit6 mindestens einen Sensor zur Ermittlung des Drucks des Arbeitsmediums in der Primärseite des ersten Kondensatorteils17a . Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermittelt aus den gemessenen Druckwerten die aktuelle Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums. - Aus den vorgenannten Temperaturwerten und der Kondensationstemperatur ermittelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die erforderliche Mischeinstellung des Mischventils
19 , so dass die Zulauftemperatur der Flüssigkeit6 am Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs oberhalb der Kondensationstemperatur liegt. Gegebenenfalls kann diese Temperatur durch einen weiteren Temperatursensor gemessen werden, gegebenenfalls kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die Mischeinstellung des Mischventils19 korrigieren. - Die Mischeinstellung des Mischventils kann dabei zwischen folgenden Extremfällen eingestellt werden:
Erster Extremfall: Die Temperaturverhältnisse erlauben keine Zumischung von Flüssigkeit6 aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b . In diesem Fall wir ausschließlich Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsschicht und der zweiten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss19b in die dritte Flüssigkeitsleitung gefördert. Die Flüssigkeit6 aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b und aus der ersten Flüssigkeitsleitung wird über den Anschluss19d der vierten Flüssigkeitsleitung und hierüber der zweiten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers7 zugeführt.
Zweiter Extremfall: Die Temperatur der Flüssigkeit6 aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b ist bereits ausreichend. In diesem Fall wird diese Flüssigkeit direkt über die erste Flüssigkeitsleitung, den ersten Anschluss19a , den Anschluss19c und die dritte Flüssigkeitszuleitung dem Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a zugeführt. Die Anschlüsse19b und19d bleiben verschlossen. - Sollte keine Mischungseinstellung des Mischventils
19 eine ausreichende Temperatur der Flüssigkeit6 bereitstellen können, so ist an der dritten Flüssigkeitsleitung zwischen dem dritten Anschluss19c und dem Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a eine elektrische Erwärmungseinrichtung21 vorgesehen, die die durchströmende Flüssigkeit6 erwärmt und dadurch die Zulauftemperatur der Flüssigkeit6 in den gewünschten Temperaturbereich anhebt. Hierzu ist die Erwärmungseinrichtung mit einer entsprechenden Steuer- bzw. Regeleinrichtung ausgestattet. - Der dritte Kondensatorteil
17c ist ein Wärmetauscher, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium2 und dessen Sekundärseite von Kaltwasser9 , das anschließend als vorerwärmtes Kaltwasser9a dem Wärmetauscher8 der Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt wird, durchströmt wird. - In
1 ist noch eine Zusatzheizung22 als strichpunktierte Linie im unteren Bereich7b des Speichererhitzers7 eingezeichnet. Bei dieser Zusatzheizung22 kann es sich beispielsweise um eine Solaranlage handeln, das von der Sonne erwärmte Wasser wird durch den Speichererhitzer gefördert, wodurch sich im Speichererhitzer die Flüssigkeit erwärmt. Diese sinnvolle Ergänzung ermöglicht in warmen Sommermonaten eine Warmwasserversorgung des Haushalts mittels des Speichererhitzers, so dass die Wärmepumpe abgeschaltet und die vorhandenen Einrichtungen als Klimaanlage eingesetzt werden können, durch Ankopplung des Klimaanlagenkreislaufs11 . - In der Primärseite des ersten Kondensatorteils
17a wird das vom Kompressor4 kommende, erhitze, komprimierte, gasförmige Arbeitsmedium2 abgekühlt, ohne bereits zu kondensieren. Die Temperatur des Arbeitsmediums bleibt oberhalb der Kondensationstemperatur. Die Wärme wird an die Flüssigkeit6 , die im Gegenstrom durch die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a strömt, abgegeben. Die Flüssigkeit6 erwärmt sich dadurch und tritt am Ausgang der Sekundärseite des ersten Kondensationsteils17a erwärmt aus. - Das weiterhin gasförmige, jedoch bereits gegenüber der Temperatur nach dem Kompressor
4 deutlich abgekühlte Arbeitsmedium2 wird nach dem Austritt aus der Primärseite des ersten Kondensatorteils17a der Primärseite des zweiten Kondensatorteils17b zugeführt. Im zweiten Kondensatorteil17b kondensiert das Arbeitsmedium2 und gibt die dabei freiwerdende Energie an die Flüssigkeit6 , die im Gegenstrom durch die Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils17b strömt, ab. Die Flüssigkeit6 wird dadurch erwärmt. - Das nunmehr kondensierte, aber im Vergleich zu Kaltwasser
9 aus dem Leitungsnetz wärmere Arbeitmedium2 wird nach dem Austritt aus der Primärseite des zweiten Kondensatorteils17b der Primärseite des dritten Kondensatorteils17c zugeführt und dort abgekühlt. Seine Wärme gibt es dabei insbesondere an das Kaltwasser9 ab, das dadurch erwärmt wird und anschließend als vorerwärmtes Kaltwasser9a dem Wärmetauscher8 der Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt wird. Das flüssige, abgekühlte Arbeitsmedium2 wird nunmehr dem Expansionsventil5 und dem Verdampfer3 zur erneuten Wärmeaufnahme aus der Außenluft zugeführt, dann durchläuft es erneut über den Kompressor4 den Kreislauf. - Die Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung arbeitet somit äußerst effizient, sie erreicht bessere Leistungszahlen als Wärmepumpenheizungen gemäß dem Stand der Technik.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmepumpenheizung
- 2
- Arbeitsmedium
- 3
- Verdampfer
- 4
- Kompressor
- 5
- Expansionsventil
- 6
- Flüssigkeit
- 7
- Speichererhitzer
- 7a
- Oberer Bereich des Speichererhitzers
7 - 7b
- Unterer Bereich des Speichererhitzers
7 - 8
- Wärmetauscher als Warmwasserbereitungseinrichtung
- 9
- Kaltwasser aus Leitungsnetz
- 9a
- Vorerwärmtes Warmwasser aus Leitungsnetz
- 10
- Warmwasser
- 11
- Klimaanlagenkreislauf
- 12
- Absperrventil
- 13
- Absperrventil
- 14
- Flüssigkeitsablauf
- 15
- Flüssigkeitszulauf
- 16
- Umwälzpumpe, zweite Umwälzpumpe
- 17a
- Erster Kondensatorteil
- 17b
- Zweiter Kondensatorteil
- 17c
- Dritter Kondensatorteil
- 18
- Vorrichtung zur Einstellung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit
6 in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils17a - 19
- Mischventil
- 19a
- Erster Anschluss des Mischventils
19 - 19b
- Zweiter Anschluss des Mischventils
19 - 19c
- Dritter Anschluss des Mischventils
19 - 19d
- Vierter Anschluss des Mischventils
19 - 20
- Umwälzpumpe, erste Umwälzpumpe
- 21
- Erwärmungseinrichtung
- 22
- Zusatzheizung
Claims (8)
- Wärmepumpenheizung (
1 ) a) mit einem Arbeitsmedium (2 ), das in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer (3 ), einen Kompressor (4 ), einen Kondensator (17a ,17b ,17c ) und ein Expansionsventil (5 ) durchströmt, b) mit einer Flüssigkeit (6 ) die in einem geschlossenen Kreislauf einen Speichererhitzer (7 ) und eine oder mehrere Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungseinrichtungen (8 ) durchströmt, c) wobei der Kondensator (17a ,17b ,17c ) Energie vom Arbeitsmedium (2 ) an die Flüssigkeit (6 ) im Speichererhitzer (7 ) überträgt, d) wobei die Flüssigkeit (6 ) im Speichererhitzer (7 ) eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung ausbildet, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten, e) wobei der Kondensator (17a ,17b ,17c ) mindestens zweiteilig ausgebildet ist, f) mit einem ersten Kondensatorteil (17a ) und einem zweiten Kondensatorteil (17b ), die nacheinander vom Arbeitsmedium (2 ) durchströmt werden, wobei der erste Kondensatorteil (17a ) hinsichtlich des Arbeitsmediums (2 ) stromaufwärts zum zweiten Kondensatorteil (17b ) angeordnet ist, g) wobei der erste Kondensatorteil (17a ) und der zweiten Kondensatorteil (17b ) räumlich voneinander getrennt im und/oder am Speichererhitzer (7 ) angeordnet sind, wobei der erste Kondensatorteil (17a ) oberhalb des zweiten Kondensatorteils (17b ) angeordnet ist, h) wobei sowohl der erste Kondensatorteil (17a ) als auch der zweite Kondensatorteil (17b ) ein Wärmetauscher ist, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium (2 ) und dessen Sekundärseite von der Flüssigkeit (6 ) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, i) dass zwischen erstem Kondensatorteil (17a ) und zweitem Kondensatorteil (17b ) eine Vorrichtung (18 ) zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit (6 ), die in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils (17a ) einströmt, vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Zulauftemperatur der Flüssigkeit (6 ) innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs oberhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums (2 ) zu halten, so dass im ersten Kondensatorteil (17a ) keine Verflüssigung, sondern nur eine Abkühlung des Arbeitsmediums (2 ) erfolgt, j) wobei die Vorrichtung (18 ) zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit (6 ) ein Mischventil (19 ) mit mindestens drei Anschlüssen (19a ,19b ,19c ,19d ) umfasst, j1) wobei der erste Anschluss (19a ) über eine erste Flüssigkeitsleitung mit dem Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils (17b ) verbunden ist, j2) wobei der zweite Anschluss (19b ) über eine am gegenüberliegenden Ende offene zweite Flüssigkeitsleitung in einer ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers (7 ) endet, die oberhalb des Mischventils (19 ) liegt, j3) wobei der dritte Anschluss (19c ) über eine dritte Flüssigkeitsleitung mit dem Flüssigkeitszulauf der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils (17a ) verbunden ist, j4) wobei Flüssigkeit (6 ) aus der ersten Flüssigkeitsleitung und/oder aus der zweiten Flüssigkeitsleitung über das Mischventil (19 ) der dritten Flüssigkeitsleitung zugeführt wird, j5) wobei eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Mischventils (19 ) das Mischverhältnis zwischen der Flüssigkeit (6 ) aus der ersten Flüssigkeitsleitung und der Flüssigkeit (6 ) aus der zweiten Flüssigkeitsleitung und damit die Temperatur der Flüssigkeit (6 ) in der dritten Flüssigkeitsleitung und damit wiederum die Zulauftemperatur der Flüssigkeit (6 ), die in den Sekundärteil des ersten Kondensatorteils (17a ) einströmt, steuert und/oder regelt, k) wobei die Vorrichtung (18 ) zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit (6 ) Temperatursensoren aufweist, deren Signale die Steuer- und/oder Regeleinrichtung des Mischventils (19 ) zur Steuerung und/oder Regelung der Zulauftemperatur verwendet, k1) und zwar mindestens einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Flüssigkeit in der ersten Flüssigkeitsleitung oder am Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils (17b ) k2) und mindestens einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur in der ersten Flüssigkeitsschicht, l) wobei die Vorrichtung (18 ) zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit (6 ) mindestens einen Sensor zur Ermittlung des Drucks des Arbeitsmediums (2 ) in der Primärseite des ersten Kondensatorteils (17a ) aufweist, und m) wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, aus dem Druckwert die aktuelle Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums (2 ) zu ermitteln. - Wärmepumpenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Flüssigkeitsleitung und/oder der Ausgang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils (
17a ) eine erste Umwälzpumpe (20 ) zur Förderung der Flüssigkeit (6 ) durch das Mischventil (19 ) aufweist. - Wärmepumpenheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Flüssigkeitsleitung eine Erwärmungseinrichtung (
21 ) zur Erwärmung der durchströmenden Flüssigkeit (6 ) aufweist. - Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Mischventil (
19 ) einen vierten Anschluss (19d ) aufweist, b) wobei der vierte Anschluss (19d ) über eine am gegenüberliegenden Ende offene vierte Flüssigkeitsleitung in einer zweiten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers (7 ) endet, die unterhalb der ersten Flüssigkeitsschicht liegt. - Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Flüssigkeitsausgang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils (
17a ) Flüssigkeit (6 ) an eine dritte Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers (7 ) abgibt, b) der Flüssigkeitszulauf der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils (17b ) Flüssigkeit (6 ) aus einer vierten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers (7 ) entnimmt, c) wobei die vierte Flüssigkeitsschicht unterhalb der dritten Flüssigkeitsschicht im Speichererhitzer (7 ) angeordnet ist. - Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensatorteil (
17a ) und/oder der zweite Kondensatorteil (17b ) ein koaxiales Rohrsystem sind. - Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Kondensator einen dritten Kondensatorteil (
17c ) umfasst, der hinsichtlich des Arbeitsmediums (2 ) stromabwärts zum zweiten Kondensatorteil (17b ) angeordnet ist, b) wobei der dritte Kondensatorteil (17c ) räumlich getrennt vom ersten Kondensatorteil (17a ) und zweiten Kondensatorteil (17b ) im und/oder am Speichererhitzer (7 ) angeordnet ist, und zwar unterhalb des zweiten Kondensatorteils (17b ), c) wobei der dritte Kondensatorteil (17c ) ein Wärmetauscher ist, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium (2 ) und dessen Sekundärseite von Kaltwasser (9 ), das anschließend einer Warmwasserbereitungseinrichtung (8 ) zugeführt wird, durchströmt wird. - Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Speichererhitzer (
7 ) in seinem unteren Drittel (7b ) einen Flüssigkeitszulauf (15 ) und in seinem oberen Drittel (7a ) einen Flüssigkeitsablauf (14 ) zur Kreislaufführung der Flüssigkeit (6 ) aufweist, b) wobei der Flüssigkeitskreislauf außerhalb des Speichererhitzers (7 ) eine zweite Umwälzpumpe (16 ) für die Flüssigkeit (6 ) aufweist, und c) wobei die Flüssigkeit (6 ) außerhalb des Speichererhitzers (7 ) zur Wärmeabgabe durch Heizeinrichtungen geführt wird und/oder durch die Primärseite eines Wärmetauscher (8 ) einer Warmwasserbereitungseinrichtung, durch dessen Sekundärseite zu erwärmendes Kaltwasser (9 ,9a ) strömt.
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