-
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmepumpenanordnung gemäß Patentanspruch 7.
-
Die Wärmepumpenanordnung umfasst einen Kältemittelkreislauf und einen Heizkreislauf, die über einen Wärmeübertrager in Wärme übertragender Weise miteinander verbunden sind. Im Kältemittelkreislauf sind zumindest ein Außenwärmetauscher und ein Verdichter angeordnet. Im Heizkreislauf, der eine ein Wärmeträgermedium fördernde Pumpe aufweist, ist zumindest ein Wärmeverbraucher, wie beispielsweise ein Heizkörper, und/oder ein Warmwasserspeichererwärmer vorgesehen.
-
Mit einer derartigen Wärmepumpenanordnung wird im Kühlkreislauf unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur, beispielsweise der Umgebung, aufgenommen und zusammen mit einer Antriebsenergie auf den Heizkreislauf übertragen. Durch eine Umkehrung der Strömungsrichtung des Kältemittels kann über den Wärmeübertrager auch Wärme aus dem Heizkreislauf aufgenommen und über den Außenwärmetauscher abgegeben werden. Bei dieser Betriebsweise erfolgt also eine Kühlung des Heizkreislaufes.
-
Bei meisten bekannten Anlagen wird die Kühlfunktion der Wärmepumpe in der Regel nicht genutzt. Vielmehr dient die Wärmepumpenanordnung nur dazu, auf effiziente Weise Wärme bereitzustellen und an den Heizkreislauf zu übergeben, über den dann die entsprechende Wärmesenke, wie beispielsweise ein Warmwasserspeichererwärmer oder einen Wärmeverbraucher wie eine Flächenheizung, versorgt wird. Dort erfolgt eine Abgabe der Wärme beispielsweise in einen Raum, der dadurch erwärmt wird.
-
Zur Steigerung des Komforts ist häufig auch eine Raumkühlung gewünscht. Dabei ist für eine effiziente Wärmeabfuhr aus den Räumen Voraussetzung, dass große Wärmeübertragerflächen zur Verfügung stehen. Alternativ sind Gebläsekonvektoren erforderlich, die die Wärme über erzwungene Konvektion abführen. Gebläsekonvektoren haben dabei den Vorteil, dass sie dabei die Luft entfeuchten, was bei Wärmeübertragerflächen, wie beispielsweise einer Fußboden- oder Wandheizung, nicht der Fall ist.
-
Bei bestehenden Installationen erfolgt die Wärmeabgabe im Heizfall in der Regel über Radiatoren beziehungsweise Wandheizkörper, deren Fläche für den Kühlfall nicht ausreichend ist. Dementsprechend müssten für die Nachrüstung einer Kühlfunktion der Wärmepumpe zusätzliche Gebläsekonvektoren oder große Wärmeübertragerflächen nachgerüstet werden, was in der Regel wirtschaftlich nicht realisierbar ist. Bei einem Ersatz eines bestehenden Wärmeerzeugers durch eine Wärmepumpe kann daher nur ein Teil der Funktionalität, nämlich nur die Wärmeerzeugung und nicht die Kälteerzeugung, genutzt werden. Ein weiterer Nachteil bestehender Lösungen besteht häufig darin, dass im Kühlfall die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgegeben wird und nicht für eine weitere Nutzung zur Verfügung steht.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere mit geringem Aufwand die volle Funktionalität einer nachgerüsteten Wärmepumpe bereitzustellen, wobei die Nutzung der im Kühlfall aufgenommenen Wärme möglich sein soll.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmepumpenanordnung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
-
Bei einer Wärmepumpenanordnung mit einem Kältemittelkreislauf und einem Heizkreislauf mit einer ein Wärmeträgermedium fördernden Pumpe, die über einen Wärmeübertrager Wärme übertragend miteinander verbunden sind, wobei im Kältemittelkreislauf zumindest ein Außenwärmetauscher und ein Verdichter angeordnet sind und der Heizkreislauf zumindest einen Wärmeverbraucher und/oder einen Warmwasserspeicher aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein Direktverdampfer im Kältemittelkreislauf parallel zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher angeordnet ist.
-
Über den Direktverdampfer kann auch nachträglich mit relativ geringem Aufwand eine Kühlfunktion realisiert werden. Der Direktverdampfer wird dabei einfach in dem zu kühlenden Raum installiert und an den Kältekreislauf angeschlossen. Indem der Direktverdampfer parallel zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher angeordnet ist, kann die vom Direktverdampfer aufgenommene Wärme je nach Betriebsweise über den Wärmeübertrager an den Heizkreislauf übergeben werden oder über den Außenwärmetauscher an die Umgebung abgeführt werden. Damit ist es möglich, die im Kühlfall abzuführende Wärme weiter zu nutzen.
-
Vorzugsweise ist dem Außenwärmetauscher ein erstes Expansionsventil und/oder dem Direktverdampfer ein zweites Expansionsventil vorgeschaltet. Dadurch ist es relativ einfach möglich, die Kältemittelströme entsprechend zu steuern. Indem dem Wärmeübertrager ein drittes Expansionsventil nachgeschaltet ist, erweitert sich die Funktionalität weiter. Durch Expandieren des Kältemittels über das Expansionsventil kann das Temperaturniveau des Kältemittels abgesenkt werden, so dass es anschließend vermehrt Wärme aufnehmen kann. Gleichzeitig können die Expansionsventile als Schaltventil genutzt werden, um die Durchströmung des Direktverdampfer, des Außenwärmetauschers und/oder des Wärmeübertragers mit Kältemittel unterbinden zu können.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im Kältemittelkreislauf ein Vier-Wege-Umschaltventil angeordnet, an dem der Außenwärmetauscher, der Verdichter, der Wärmeübertrager und der Direktverdampfer angeschlossen sind. Dies ergibt eine sehr einfache Verschaltung und Steuerung, wobei durch das Vier-Wege-Umschaltventil die jeweilige Betriebsweise vorgegeben wird, indem die entsprechenden Elemente miteinander verbunden werden.
-
Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Vier-Wege-Umschaltventil derartig ausgebildet ist, dass das Kältemittel in einem Heizmodus mit oder ohne Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil vom Außenwärmetauscher zum Verdichter und vom Verdichter zum Wärmeübertrager geführt wird, wobei es in einem Kühlmodus ohne Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil vom Verdichter zum Außenwärmetauscher geführt wird und vom Außenwärmetauscher über den Direktverdampfer zum Verdichter gelangt. Im Kühlmodus mit einer Warmwasserbereitung wird das Kühlmittel durch das Vier-Wege-Umschaltventil vom Verdichter zum Wärmeübertrager geführt, wobei das Kältemittel vom Wärmeübertrager über den Direktverdampfer und/oder den Außenwärmetauscher zum Verdichter gelangt. Das Vier-Wege-Umschaltventil stellt also die erforderliche Funktionalität bereit. Zusätzliche Ventile sind nicht erforderlich.
-
Bevorzugterweise ist ein Drei-Wege-Schaltventil im Heizkreislauf angeordnet, über das der Wärmeverbraucher und der Warmwasserspeichererwärmer am Wärmeübertrager angeschlossen sind, wobei das Drei-Wege-Schaltventil insbesondere als Drei-Wege-Umschaltventil oder als Drei-Wege-Mischventil ausgebildet ist. Über das Drei-Wege-Schaltventil kann dann relativ einfach gesteuert werden, ob beispielsweise im Wärmeübertrager auf den Heizkreislauf übertragene Wärme im Warmwasserspeichererwärmer genutzt oder an den Wärmeverbraucher abgegeben werden soll. Bei einem Umschaltventil ist dabei nur eine der beiden Betriebsweisen möglich. Bei einer Ausgestaltung des Drei-Wege-Schaltventils als Mischventil kann dabei gleichzeitig an den Warmwasserspeichererwärmer und an den Wärmeverbraucher vom Wärmeträgermedium Wärme übertragen werden.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist vorgesehen, dass ein Direktverdampfer in einen zu klimatisierenden Raum installiert wird, wobei der Direktverdampfer parallel zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher in den Kältemittelkreislauf eingebunden wird. Dies stellt eine relativ einfache Möglichkeit dar, eine Kühlfunktion nachträglich bereitzustellen. Über den Direktverdampfer kann dabei nicht nur eine Kühlung der Raumluft erfolgen, sondern gegebenenfalls auch eine Entfeuchtung. Durch die parallele Installation des Direktverdampfers zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher ist es dabei möglich, die vom Direktverdampfer aufgenommene Wärme über den Wärmeübertrager in den Heizkreislauf zu übertragen und dort weiter zu nutzen oder aber über den Außenwärmetauscher an die Umgebung abzugeben.
-
Dabei kann in einem Heizmodus das Kältemittel vom Verdichter über ein Umschaltventil zum Wärmeübertrager geleitet werden, wobei im Wärmeübertrager Wärme auf ein Heizmedium des Heizkreislaufs übertragen wird und mindestens ein Wärmeverbraucher des Heizkreislaufs die Wärme an den zu klimatisierenden Raum abgibt. Über den Kältemittelkreislauf wird bei dieser Betriebsart Wärme über den Wärmeübertrager an den Heizkreislauf übergeben und dort zur Erwärmung des Raumes genutzt. Durch entsprechende Stellung des Umschaltventils wird dabei dafür gesorgt, dass der Direktverdampfer nicht vom Kältemittel durchströmt wird.
-
In einem Kühlmodus kann vom Direktverdampfer Wärme aus dem zu klimatisierenden Raum aufgenommen und an das Kältemittel übertragen werden, wobei die Wärme über den Außenwärmetauscher und/oder über den Wärmeübertrager vom Kältemittel abgegeben wird. Es besteht also die Möglichkeit, im Kühlfall die aufgenommene Wärme weiter zu verwenden. Dies ergibt eine energetisch sehr effiziente Betriebsweise.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird über den Außenwärmetauscher zusätzliche Wärme auf das Kältemittel übertragen, die im Wärmeübertrager an das Heizmedium abgegeben wird. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn im Heizkreislauf, beispielsweise durch den Warmwasserspeichererwärmer, mehr Wärme gefordert ist, als sie über den Direktverdampfer in die Wärmepumpenanordnung eingebracht wird. Auch damit ist eine sehr effiziente Erwärmung erreichbar.
-
Es kann vorgesehen werden, dass im Kühlmodus durch den Direktverdampfer aufgenommene Wärme zur Beheizung mindestens einer weiteren Heizeinrichtung, insbesondere eines Warmwasserspeichers verwendet wird. Beispielsweise kann diese zusätzliche Heizeinrichtung zur Erwärmung eines Pools oder Ähnlichem dienen, also eine Einrichtung, der auch im Kühlfall beziehungsweise bei warmen Außentemperaturen noch zusätzliche Wärme zugeführt werden soll.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Hierin zeigen in schematischer Ansicht:
-
1 ein Schaltbild einer Wärmepumpenanordnung im Heizbetrieb,
-
2 die Wärmeanordnung bei Betrieb eines Warmwasserspeichererwärmers,
-
3 die Wärmepumpenanordnung im Kühlbetrieb,
-
4 die Wärmepumpenanordnung im Kühlbetrieb bei gleichzeitiger Wärmeversorgung des Warmwasserspeichererwärmers und
-
5 die Wärmepumpenanordnung im Kühlbetrieb bei Betrieb des Warmwasserspeichererwärmers und zusätzlicher Wärmezufuhr.
-
In 1 ist eine Wärmepumpenanordnung 1 dargestellt, die einen Kältemittelkreislauf 2 und einen Heizkreislauf 3 aufweist. Im Kältemittelkreislauf 2, der die eigentliche Wärmepumpe darstellt, ist ein Außenwärmetauscher 4, ein Verdichter 5, ein Vier-Wege-Umschaltventil 6 und ein Wärmeübertrager 7 angeordnet. Dem Außenwärmetauscher 4 ist ein erstes Expansionsventil 8 vorgeschaltet. Dem Wärmeübertrager 7 ist ein entsprechendes Expansionsventil 9 nachgeschaltet. Ein weiteres Expansionsventil 10 verhindert im Heizmodus das Eindringen von Kältemittel in einen parallel zum Wärmeübertrager 7 und dem Außenwärmetauscher 4 verlaufenden Strang des Kältemittelkreislaufs 2, in dem ein in 1 und 2 nicht dargestellter Direktverdampfer angeordnet ist.
-
Im Heizkreislauf 3, der durch den Wärmeübertrager 7 wärmeübertragend mit dem Kältemittelkreislauf 2 verbunden ist, befindet sich eine ein Wärmeträgermedium fördernde Pumpe 11 sowie ein Wärmeverbraucher 12, der in diesem Fall als Wandheizkörper ausgebildet ist. Über ein Drei-Wege-Schaltventil 13 kann ein in 1 nicht dargestellter, weil funktionsloser, Warmwasserspeichererwärmer in den Heizkreislauf 3 eingebunden werden.
-
Durch Pfeile ist im Kältemittelkreislauf 2 die Bewegungsrichtung des Kältemittels dargestellt. Das Kältemittel, das im Expansionsventil 8 vor dem Außenwärmetauscher 8 expandiert, nimmt über den Außenwärmetauscher 4 Wärme aus der Umgebung auf, wobei das Kältemittel verdampft. Anschließend wird das Kältemittels mittels des Verdichters 5 verdichtet und damit dessen Temperaturniveau weiter angehoben. Schließlich wird die Wärme vom Kältemittel über den Wärmeübertrager 7 an das Wärmeträgermedium des Heizkreislaufs 3 übertragen und dort verteilt. Der Wärmeübertrager 7 kann dabei als Platten-Wärmetauscher ausgebildet sein und wird vorzugsweise im Gegenstrom betrieben. Das Temperaturniveau des Kältemittels wird durch Expandieren mit Hilfe des Expansionsventils 8 abgesenkt, so dass es neue Wärme über den Außenwärmetauscher 4 aus der Umgebung aufnehmen kann.
-
Das Wärmeträgermedium wird im Heizkreislauf 3 über die Pumpe 11 umgewälzt, die an unterschiedlichen Stellen des Heizkreislaufes 3 positioniert sein kann. Dadurch erfolgt ein Wärmetransport zu den jeweiligen Wärmesenken.
-
In 2 ist ein Betriebsfall dargestellt, bei dem die auf den Heizkreislauf 3 übertragene Wärme nicht über den Wärmeverbrauch 12, sondern über einen Warmwasserspeichererwärmer 14 aufgenommen und dort auf das gespeicherte Wasser übertragen wird. Es erfolgt also eine Trinkwasser- oder Brauchwassererwärmung, wobei das von der Pumpe 11 umgewälzte Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, über das Drei-Wege-Ventil 13 anstatt zum Wärmeverbraucher 12 zum Warmwasserspeichererwärmer 14 geführt wird. Im Übrigen entspricht der Aufbau der Wärmepumpenanordnung 1 den im 1 gezeigten Aufbau. Falls ein gleichzeitigen Heiz- und Warmwasserbetrieb gewünscht wird, ist dabei das Drei-Wege-Ventil 13 als Mischventil auszubilden.
-
In 3 ist die Wärmepumpenanordnung 1 in einem reinen Kühlmodus gezeigt. Das Kältemittel im Kältemittelkreislauf gelangt nach einer Expansion im Expansionsventil 10 zu einem Direktverdampfer 15, der parallel zum Wärmeübertrager 7 und dem Außenwärmetauscher 4 in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist und Wärme aus dem Raum aufnimmt und an das Kältemittel überträgt. Ein Strömen des Kältemittel zum Wärmeübertrager 7 wird dabei durch Verschließen des Expansionsventils 9 verhindert. Es erfolgt also keine Wärmeübertragung an den Heizkreislauf 3. Anstelle eines einzigen Direktverdampfers 15 können dabei auch mehrere Direktverdampfer 15 parallel geschaltet werden.
-
In dem gezeigten Kühlfall ist das Vier-Wege-Umschaltventil 6 so geschaltet, dass das Kältemittel nach dem Direktverdampfer 15 zum Verdichter 5 und anschließend zum Außenwärmetauscher 4 geführt wird. Nach dort erfolgender Wärmeabgabe und weiterer Temperaturabsenkung mittels des Expansionsventils 10 gelangt das Kältemittel dann mit niedrigem Temperaturniveau wieder zum Direktverdampfer 15 und kann erneut Wärme aus dem Raum aufnehmen.
-
In 4 ist die Wärmepumpenanordnung 1 im Kühlmodus mit zusätzlicher Versorgung des Warmwasserspeichererwärmers 14 mit Wärme dargestellt. Dafür wird die im Direktverdampfer 15 aufgenommene Wärme aus der Raumluft nicht wie bei dem Beispiel gemäß 3 an den Außenwärmetauscher 4 übertragen, sondern an den Wärmeübertrager 7 und von dort über den Heizkreislauf 3 zum Warmwasserspeichererwärmer 14 gefördert. Dadurch ist es möglich, die während des Kühlens aufgenommene Wärme weiter zu verwenden. Die entsprechende Führung des Kältemittels wird dabei durch die entsprechende Stellung des Vier-Wege-Ventils 6 erreicht. Durch eine derartige Vorgehensweise erhöht sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpenanordnung um ca. 30%.
-
Sollte die beim Kühlen aufgenommene Wärme nicht ausreichen, den Wärmebedarf des Warmwasserspeichererwärmers zu decken, ist es möglich, zusätzliche Wärme über den Wärmetauscher in den Kältemittelkreislauf 2 einzubringen und über den Wärmeübertrager 7 in den Heizkreislauf 3 zu übertragen. Dies ist in 5 dargestellt.
-
Durch die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung kann Wärme über ein wasserbasiertes Wärmeverteilsystem im Heizfall zugeführt werden, wobei im Kühlfall die Wärme aus dem Raum an den Direktverdampfer 15 abgeführt wird. Dadurch ist es zum einen möglich, diese Wärmepumpenanordnung in bestehende Anlagen nachzurüsten, zum anderen kann die im Kühlmodus aufgenommene Wärme genutzt werden. Dabei ist auch ein Kühlen mit gleichzeitiger Wärmeversorgung des Heizkreislaufes 3 unter Ausnutzung der aus dem zu kühlenden Raum aufgenommenen Wärme möglich.
