DE102009048232A1

DE102009048232A1 - Wärmepumpensystem und Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystem

Info

Publication number: DE102009048232A1
Application number: DE102009048232A
Authority: DE
Inventors: Michael Schaumlöffel
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Es wird ein Wärmepumpensystem mit einer ersten und zweiten Betriebsart vorgesehen. Das Wärmepumpensystem weist einen ersten und zweiten Wärmetauscher (10, 20), eine Kompressions-/Entspannungseinheit (30), ein elektronisches Expansionsventil (40) und eine Speisepumpe (50) auf. Die Speisepumpe (50) kann parallel zu dem elektronischen Expansionsventil (40) angeordnet sein. In der ersten Betriebsart wird der erste Wärmetauscher (10) als Verflüssiger, die Kompressions-/Entspannungseinheit (30) als Kompressor und der zweite Wärmetauscher (20) als Verdampfer ausgestaltet. Der Kältemittelkreislauf verläuft dabei durch den ersten Wärmetauscher (10), das elektronische Expansionsventil (40), den zweiten Wärmetauscher (20) und die Kompressions-/Entspannungseinheit (30). In der zweiten Betriebsart ist der erste Wärmetauscher (10) als Verdampfer, die Kompressions-/Entspannungseinheit (30) als Entspannungsmaschine und der zweite Wärmetauscher (20) als Verflüssiger ausgestaltet. Der Kältemittelkreislauf verläuft dabei durch den ersten Wärmetauscher (10), die Kompressions-/Entspannungseinheit (30), den zweiten Wärmetauscher (20) und durch die Speisepumpe (50). In der zweiten Betriebsart kann die Kompressions-/Entspannungseinheit (30) mit einem elektrischen Generator verbunden sein und diesen antreiben, um elektrische Energie zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem und ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpe.
Es sind viele unterschiedliche Wärmepumpensysteme gezeigt, welche als Heizsystem und/oder zur Warmwasserbereitung verwendet werden. Hierbei kann auch die Wärme/Kälte von externen Wärme-/Kältequellen verwendet werden, um die Effizienz der Wärmepumpe zu steigern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Anwendungsbereich von Wärmepumpen zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems gemäß Anspruch 4 gelöst.
Somit wird ein Wärmepumpensystem mit einer ersten und zweiten Betriebsart vorgesehen. Das Wärmepumpensystem weist einen ersten und zweiten Wärmetauscher, eine Kompressions/Entspannungseinheit, ein elektronisches Expansionsventil und eine Speisepumpe auf. Die Speisepumpe kann parallel zu dem elektronischen Expansionsventil angeordnet sein. In der ersten Betriebsart wird der erste Wärmetauscher als Verflüssiger, die Kompressions/Entspannungseinheit als Kompressor und der zweite Wärmetauscher als Verdampfer ausgestaltet. Der Kältemittelkreislauf verläuft dabei durch den ersten Wärmetauscher, das elektronische Expansionsventil, den zweiten Wärmetauscher und die Kompressions/Entspannungseinheit. In der zweiten Betriebsart ist der erste Wärmetauscher als Verdampfer, die Kompressions/Entspannungseinheit als Entspannungsmaschine und der zweite Wärmetauscher als Verflüssiger ausgestaltet. Der Kältemittelkreislauf verläuft dabei durch den ersten Wärmetauscher, die Kompressions/Entspannungseinheit, den zweiten Wärmetauscher und durch die Speisepumpe. In der zweiten Betriebsart kann die Kompressions/Entspannungseinheit mit einem elektrischen Generator verbunden sein und diesen antreiben, um elektrische Energie zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der erste Wärmetauscher mit einem Sekundärkreislauf gekoppelt. In der ersten Betriebsart kann der erste Wärmetauscher Wärme an den Sekundärkreislauf abgeben. In der zweiten Betriebsart kann der erste Wärmetauscher Wärmeenergie aufnehmen, wobei die aufgenommene Wärmeenergie in der Kompressions/Entspannungseinheit in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Kompressions/Entspannungseinheit einen Scrollverdichter, insbesondere einen drehzahlgeregelten Verdichter mit einem Synchronmotor auf.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems. Das Wärmepumpensystem weist einen ersten und zweiten Wärmetauscher, eine Kompressions/Entspannungseinheit, ein elektronisches Expansionsventil und eine Speisepumpe auf. In der ersten Betriebsart wird der erste Wärmetauscher als Verflüssiger, die Kompressions/Entspannungseinheit als Kompressor und der zweite Wärmetauscher als Verdampfer betrieben. Der Kältemittelkreislauf verläuft dabei durch den ersten Wärmetauscher, das elektronische Expansionsventil, durch den zweiten Wärmetauscher und die Kompressions/Entspannungseinheit. In der zweiten Betriebsart wird der erste Wärmetauscher als Verdampfer, die Kompressions/Entspannungseinheit als Entspannungsmaschine und der zweite Wärmetauscher als Verflüssiger betrieben. Der Kältemittelkreislauf verläuft dabei durch den ersten Wärmetauscher, die Kompressions/Entspannungseinheit, den zweiten Wärmetauscher und die Speisepumpe. In der zweiten Betriebsart kann die Kompressions/Entspannungseinheit einen elektrischen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie antreiben.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, ein Organic Rankine Cycle ORC in ein Wärmepumpensystem zu integrieren. Hierbei kann Arbeit aus (externen) Wärmequellen in einem Sekundärkreislauf mittels eines Generators in Strom umgewandelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Kompressoreinheit in einer Betriebsart als Entspannungsmaschine verwendet wird und über einen Generator Strom erzeugen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem kann sowohl ein Wärmepumpenprozess als auch ein ORC-Prozess in einem Wärmepumpensystem integriert werden. Dazu kann ein Wärmepumpensystem mit einem ersten und zweiten Wärmetauscher, einer Kompressions/Entspannungseinheit, einem elektronischen Expansionsventil sowie einer Speisepumpe vorgesehen sein. Der erste Wärmetauscher kann mit einem Sekundärkreislauf gekoppelt sein. In einer ersten Betriebsart wird das Wärmepumpensystem als Wärmepumpe verwendet. Dabei ist der erste Wärmetauscher ein Verflüssiger und der zweite Wärmetauscher ein Verdampfer. Die Kompressions/Entspannungseinheit arbeitet in dieser ersten Betriebsart als ein Kompressor. In der ersten Betriebsart fließt der Kühlkreislauf durch den ersten Wärmetauscher (Verflüssiger), das elektronische Expansionsventil, den zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) und den Kompressor. Somit ist die Speisepumpe nicht Bestandteil des Kältemittelkreislaufes. In der zweiten Betriebsart wird der erste Wärmetauscher als Verdampfer, der zweite Wärmetauscher als Verflüssiger und die Kompressions/Entspannungseinheit als Entspannungsmaschine verwendet. Des Weiteren ist die Speisepumpe Teil des Kältemittelkreislaufes, und das elektronische Expansionsventil ist nicht Teil des Kältemittelkreislaufes.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Wärmepumpensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist einen ersten Wärmetauscher 10 und einen zweiten Wärmetauscher 20, eine als Kompressionseinheit 30 ausgestaltete Kompressions/Entspannungseinheit und ein elektronisches Expansionsventil 40 auf. Durch diese vier Elemente fließt der Kältemittelkreislauf. Der erste Wärmetauscher 10 ist als Verflüssiger und der zweite Wärmetauscher 20 ist als Verdampfer implementiert. Parallel zu dem elektronischen Expansionsventil 40 ist ein Zweig des Kältemittelkreislaufes mit einer Speisepumpe 50 vorgesehen. Der erste Wärmetauscher 10 kann mit einem Sekundärkreislauf 60 gekoppelt sein. Der Sekundärkreislauf 60 kann hierbei über einen Wärmetauscher 61 mit einer (externen) Wärmequelle 70 (Solar, Biomasse, Gas, Öl) gekoppelt sein. Der Sekundärkreislauf 60 kann ferner ein Dreiwegeventil 62, eine Wärmenutzungseinheit 63 wie beispielsweise eine Heizung, eine Warmwasseraufbereitung, ein Schwimmbad oder dergleichen aufweisen. In dem Sekundärkreislauf kann ferner eine Umwälzpumpe 64 vorgesehen sein.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Wärmepumpensystem in einer ersten Betriebsart (Wärmepumpenmodus) betrieben, d. h. das Kältemittel fließt im Gegenuhrzeigersinn durch den Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf wird durch den Kompressor 30, den Verflüssiger 10, das elektronische Expansionsventil 40 und den Verdampfer 20 gebildet. Durch das elektronische Expansionsventil wird der eingangsseitige hohe Druck in einen ausgangsseitigen niedrigen Druck umgewandelt. Durch den Kompressor wird der Druck in dem Kältemittelkreislauf wieder erhöht.
In dem Verdampfer 20 wird das Kältemittel durch Zufuhr von Wärmeenergie auf einem niedrigen Temperaturniveau verdampft. In der Kompressoreinheit 30 wird das Kältemittel auf ein höheres Druckniveau mittels Zuführung von mechanischer Energie verdichtet. In dem Verflüssiger 10 wird das Kältemittel unter Wärmeabgabe an den Sekundärkreislauf verflüssigt. Durch das elektronische Expansionsventil 40 erfolgt eine entsprechende Entspannung. Die erzeugte Nutzwärme des Wärmepumpensystems kann beispielsweise an die Wärmenutzungseinheit 63 abgegeben werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmepumpensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hierbei entspricht das Wärmepumpensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem Wärmepumpensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Während das Wärmepumpensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Betriebsart betrieben wird, wird das Wärmepumpensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer zweiten Betriebsart, nämlich dem ORC-Modus betrieben. Hierbei fließt das Kältemittel im Uhrzeigersinn durch den Kältemittelkreislauf. Der erste Wärmetauscher 10 ist als Verdampfer und der zweite Wärmetauscher 20 ist als Verflüssiger implementiert. Die Kompressions/Entspannungseinheit 30 wird in der zweiten Betriebsart als eine Entspannungsmaschine betrieben. Ferner fließt das Kältemittel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht durch das elektronische Expansionsventil 40, sondern durch den parallelen Zweig mit der Speisepumpe 50 und dem Magnetventil 80. Die Speisepumpe 50 dient dazu, das Kältemittel auf ein höheres Druckniveau zu bringen. Das im Ausführungsbeispiel verwendete Magnetventil 80 hat insbesondere die Funktion eines Rückschlagventils und kann auch als ein einfaches Rückschlagventil ausgestaltet sein. Es öffnet insbesondere wenn die Speisepumpe 50 in Betrieb ist.
Die Kompressions/Entspannungseinheit 30 ist in der zweiten Betriebsart so geschaltet, dass sich das Kältemittel in der Entspannungsmaschine entspannt und somit die Entspannungsmaschine antreibt. Die Entspannungsmaschine kann mit einem Generator verbunden sein, so dass durch die Rotation der Entspannungsmaschine elektrischer Strom bzw. Spannung in dem Generator erzeugt werden kann. In dem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger in dem zweiten Ausführungsbeispiel) wird das gasförmige Kältemittel verflüssigt. Hierbei kann Wärme an die Umgebung bzw. an Brauchwasser abgegeben werden. Der erste Wärmetauscher (Verdampfer gemäß der zweiten Betriebsart) kann Wärme aus dem Sekundärkreislauf entnehmen. Diese Wärmeenergie kann in der Entspannungsmaschine 30 dazu verwendet werden, Strom mittels des Generators zu erzeugen.
Durch den ORC-Prozess kann durch eine Bereitstellung von Arbeit aus Wärmequellen Energie erzeugt werden. Mit anderen Worten, aus Wärmeenergie wird elektrischer Strom erzeugt. Gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird Wärme aus dem Sekundärkreislauf mit Hilfe des ersten Wärmetauschers entzogen und in elektrische Energie durch eine Kombination der Entspannungsmaschine 30 und einem elektrischen Generator erzeugt.
Wenn das Wärmepumpensystem sich in der ersten Betriebsart (Wärmepumpenmodus) befindet, dann nimmt sie elektrische Energie beispielsweise für den Kompressor auf, um Wärmeenergie an den Sekundärkreislauf abzugeben. In dem Sekundärkreislauf kann diese Wärme beispielsweise für eine Heizung, für eine Warmwasserbereitung oder für ein Schwimmbad verwendet werden. In der zweiten Betriebsart (ORC-Modus) wird Wärme aus dem Sekundärkreislauf durch den ersten Wärmetauscher entnommen, und diese Wärmeenergie wird durch die Entspannungsmaschine in elektrische Energie umgewandelt. Hierbei kann die elektrische Maschine der Entspannungsmaschine in einem Generatorbetrieb betrieben werden, während sie in der ersten Betriebsart als Elektromotor betrieben wird, um eine Kompression des Kältemittels zu bewirken.
Gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die Kompressions/Entspannungseinheit 30 als ein Scrollverdichter ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da ein Scrollverdichter nicht nur als Verdichter bzw. Kompressor, sondern gleichzeitig als eine gute Entspannungsmaschine verwendet werden kann. Ferner kann die Kompressions/Entspannungseinheit als ein drehzahlgeregelter Verdichter implementiert werden, bei welchem ein Synchronmotor mit Permanentmagnet verwendet werden kann. Dieser drehzahlgeregelte Synchronmotor kann ebenfalls als ein Synchrongenerator betrieben werden, um elektrische Energie zu erzeugen.
In der zweiten Betriebsart (ORC-Modus) kann das Kältemittel durch Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Sekundärkreislauf in den ersten Wärmetauscher 10 verdampft werden, so dass der Druck des Kältemittels erhöht wird. Das unter Druck stehende Kältemittel treibt die Entspannungsmaschine 30 an, durch welche ein Generator angetrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen. In dem zweiten Wärmetauscher 20 wird das Arbeitsmedium bzw. das Kältemittel verflüssigt, wobei Wärme abgegeben wird. Die Speisepumpe 50 dient dazu, den Druck des flüssigen Kältemittels auf den Verdampferdruck zu erhöhen und fördert das Kältemittel somit auf die Hochdruckseite.

Claims

Wärmepumpensystem mit einer ersten und zweiten Betriebsart, mit einem ersten und zweiten Wärmetauscher (10, 20), einer Kompressions/Entspannungseinheit (30), einem elektronischen Expansionsventil (40) und einer Speisepumpe (50), welche parallel zu dem elektronischen Expansionsventil (40) angeordnet ist, wobei in der ersten Betriebsart der erste Wärmetauscher (10) als Verflüssiger, die Kompressions/Entspannungseinheit (30) als Kompressor und der zweite Wärmetauscher (20) als Verdampfer ausgestaltet ist und der Kältemittelkreislauf verläuft durch den ersten Wärmetauscher (10), das elektronische Expansionsventil (40), den zweiten Wärmetauscher (20) und die Kompressions/Entspannungseinheit (30), wobei in der zweiten Betriebsart der erste Wärmetauscher (10) als Verdampfer, die Kompressions/Entspannungseinheit (30) als Entspannungsmaschine und der zweite Wärmetauscher (20) als Verflüssiger ausgestaltet ist, wobei der Kältemittelkreislauf durch den ersten Wärmetauscher (10), die Kompressions/Entspannungseinheit (30), den zweiten Wärmetauscher (20) und durch die Speisepumpe (50) verläuft, wobei die Kompressions/Entspannungseinheit (30) in der zweiten Betriebsart einen elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Wärmetauscher (10) mit einem Sekundärkreislauf gekoppelt ist, wobei in der ersten Betriebsart der erste Wärmetauscher Wärme an den Sekundärkreislauf abgeben kann und in einer zweiten Betriebsart Wärmeenergie aufnehmen kann, wobei die aufgenommene Wärmeenergie in der Kompressions/Entspannungseinheit (30) in elektrische Energie umgewandelt wird.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompressions/Entspannungseinheit (30) einen Scrollverdichter, insbesondere einen drehzahlgeregelten Verdichter mit einem Synchronmotor, aufweist.
Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems mit einer ersten und zweiten Betriebsart, wobei das Wärmepumpensystem einen ersten und zweiten Wärmetauscher (10, 20), eine Kompressions/Entspannungseinheit (30), ein elektronisches Expansionsventil (40) und eine parallel zu dem elektronischen Expansionsventil angeordnete Speisepumpe (50) aufweist, mit den Schritten: in der ersten Betriebsart Betreiben des ersten Wärmetauschers als Verflüssiger, der Kompressions/Entspannungseinheit als Kompressor und des zweiten Wärmetauschers als Verdampfer, wobei der Kältemittelkreislauf durch den ersten Wärmetauscher (10), das elektronische Expansionsventil (40), den zweiten Wärmetauscher (20) und die Kompressions/Entspannungseinheit (30) verläuft, in der zweiten Betriebsart Betreiben des ersten Wärmetauschers als Verdampfer, der Kompressions/Entspannungseinheit als Entspannungsmaschine und des zweiten Wärmetauschers als Verflüssiger, wobei der Kältemittelkreislauf durch den ersten Wärmetauscher (10), die Kompressions/Entspannungseinheit (30), den zweiten Wärmetauscher (20) und die Speisepumpe (50) verläuft, und Erzeugen von elektrischer Energie in der zweiten Betriebsart mittels der Kompressions/Entspannungseinheit, welche einen elektrischen Generator antreibt.