DE102012208174B4 - Wärmepumpe und verfahren zum pumpen von wärme im freikühlungsmodus - Google Patents

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Abstract

Wärmepumpe mit folgenden Merkmalen: einem Verdampfer (10, 31) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b); einem Verdichter (32) zum Verdichten von in dem Verdampfer (10, 31) verdampfter Arbeitsflüssigkeit; und einem Verflüssiger (12, 33) zum Verflüssigen von in dem Verdichter (32) verdichteter verdampfter Arbeitsflüssigkeit, wobei der Verflüssiger (12, 33) einen Verflüssigereinlass (12a) und einen Verflüssigerauslass (12b) aufweist, wobei der Verdampfereinlass (10a) mit einem Rücklauf (16b, 17b) von einem zu wärmenden Gebiet (16) verbunden ist, und wobei der Verflüssigereinlass (12a) mit einem Rücklauf (14b, 15a) von einem zu kühlenden Gebiet (14) verbunden ist, einer Schalteinrichtung (I, II, III, IV) zum Trennen des Verdampfereinlasses (10a) von dem Rücklauf (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) und zum Verbinden des Rücklaufs (15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) mit dem Verdampfereinlass (10a) und zum Trennen des Verflüssigereinlasses (12a) von dem Rücklauf (14b, 15a) des zu kühlenden Gebiets und zum Verbinden des Rücklaufs (17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpenanwendungen und insbesondere auf Wärmepumpen, die zu einem effizienten Freikühlungsmodus geeignet sind.
  • Typische Einsatzgebiete von Wärmepumpen bestehen darin, ein zu kühlendes Gebiet zu kühlen und/oder ein zu wärmendes Gebiet zu wärmen. Eine Wärmepumpe, die typischerweise aus einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Verflüssiger besteht, umfasst zu diesem Zweck eine Verdampferseite einerseits und eine Verflüssigerseite andererseits, wie es beispielhaft anhand der Wärmepumpe 100 in 5 dargestellt ist. Die Wärmepumpe ist mit einem verdampferseitigen Wärmetauscher 102 und einem verflüssigerseitigen Wärmetauscher 104 gekoppelt. Insbesondere umfasst die Wärmepumpe 100 zu diesem Zweck einen Verdampfereinlass 101a und einen Verdampferauslass 101b. Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpe 100 einen Verflüssigereinlass 103a und einen Verflüssigerauslass 103b. Die Arbeitsflüssigkeit auf Verdampferseite wird über den Verdampfereinlass 101a in den Verdampfer der Wärmepumpe 100 eingeführt, dort abgekühlt und als kältere Arbeitsflüssigkeit aus dem Verdampferauslass 101b ausgeführt. Gleichzeitig sind der Verdampfereinlass 101a und der Verdampferauslass 101b, wie in 5 gezeigt, mit dem Wärmetauscher 102 gekoppelt, so dass in den Wärmetauscher eine wärmere Arbeitsflüssigkeit (mit der Temperatur t) eingespeist wird, die im Wärmetauscher abgekühlt wird und zu dem zu kühlenden Gebiet transportiert wird. Typische Temperaturverhältnisse sind in 5 eingezeichnet, wobei ein „Wärmetauscher-Verlust” von 1° Celsius angenommen wird. Insbesondere ist t z. B. die Solltemperatur im zu kühlenden Bereich.
  • Der Wärmetauscher 102 bzw. 104 hat eine Primärseite, die zu der Wärmepumpe hin gerichtet ist, und eine Sekundärseite, die von der Wärmepumpe weg gerichtet ist, also zu dem zu kühlenden Gebiet oder zu dem zu wärmenden Gebiet. Die Primärseite des Wärmetauschers 102 umfasst den warmen Anschluss 101a und den kalten Anschluss 101b, wobei „warm” und „kalt” als Bezeichnungen aufzufassen sind, und wobei das Medium im Anschluss 101a warmer als im Anschluss 101b ist. Entsprechend ist der warme Anschluss der Primärseite des Wärmetauschers 104 der Anschluss 103b, und ist der kalte Anschluss der Anschluss 103a. Auf der Sekundärseite der Wärmetauscher 102 bzw. 104 ist der warme Anschluss jeweils der obere Anschluss und ist der kalte Anschluss jeweils der untere Anschluss in 5
  • Auf der Verflüssigerseite der Wärmepumpe 100 ist der Verflüssigerauslass 103b mit dem „warmen” Anschluss des Wärmetauschers 104 verbunden, und ist der Verflüssigereinlass mit dem kälteren Ende des Wärmetauschers 104 verbunden. Darüber hinaus ist der Wärmetauscher auf seiner anderen Seite, die von der Wärmepumpe 100 weggerichtet ist, mit dem zu wärmenden Gebiet verbunden, in dem eine Solltemperatur T sein sollte.
  • Wird die Wärmepumpe als Kühlaggregat eingesetzt, so ist das zu kühlende Gebiet gewissermaßen die „Nutzseite”. Das zu kühlende Gebiet kann beispielsweise ein Innenraum sein, wie beispielsweise ein Rechnerraum oder ein anderer zu kühlender bzw. zu klimatisierender Raum. Dann wäre das zu wärmende Gebiet z. B. die Außenwand eines Gebäudes oder eine Dachoberseite oder ein anderes Gebiet, in das die Abwärme gebracht werden soll. Wird die Wärmepumpe 100 dagegen als Heizung eingesetzt, so ist das zu wärmende Gebiet gewissermaßen die „Nutzseite”, und das zu kühlende Gebiet wäre beispielsweise ein Erdreich, ein Grundwasser oder etwas Ähnliches.
  • Problematisch bei solchen Wärmepumpenanwendungen, wie sie in 5 gezeigt sind, ist, dass die Konfiguration nicht darauf Rücksicht nimmt, dass die Umgebungstemperatur des zu wärmenden Bereichs, wenn dieser beispielsweise im Freien liegt, stark variiert. So kann es sein, dass im Winter Temperaturen von –20° Celsius herrschen und dass im Sommer Temperaturen von über 30° Celsius herrschen. Wenn beispielsweise an eine Anwendung gedacht wird, bei der ein Rechnerraum klimatisiert wird, so würde eigentlich für den Fall dass die Außentemperatur z. B. im Bereich oder unterhalb der Solltemperatur im zu kühlenden Bereich ist, es ausreichen, den Rechnerraum überhaupt nicht mehr zu klimatisieren, sondern einfach „die Fenster aufzumachen”. Dies ist jedoch deswegen problematisch, weil Rechnerräume nicht unbedingt Fenster haben, und weil gleichzeitig dann, wenn eine solche Kühlung ins Auge gefasst wird, es wieder relativ schwer zu kontrollieren ist, dass sich im Raum eine gleichmäßige Temperatur einstellt, dahin gehend, dass womöglich in der Näher der Fenster, falls solche überhaupt angebracht sind, sich besonders kalte Zonen ausbilden, während weit von den Fenstern entfernt bzw. hinter bestimmten Racks warme Zonen entstehen, die vielleicht doch nicht ausreichend gekühlt sind. Andererseits ist es insofern problematisch, dass bei einer Wärmepumpenkonfiguration, wie sie in 5 dargestellt ist, die Tatsache nicht nutzbringend ausgenutzt wird, dass die Außentemperaturen stark schwanken können, und insbesondere oft in Bereichen liegen, bei denen normalerweise eine Kühlung nicht notwendig ist. Aus diesem Grund wird eine Konfiguration, wie sie in 5 dargestellt ist, für die Worst-Case-Situation ausgelegt, also z. B. für einen sehr heißen Sommertag, obgleich ein solcher heißer Sommertag im Mittel zumindest in Deutschland eine große Seltenheit ist und der überwiegende Anteil der Zeit innerhalb eines Jahres Temperaturen hat, bei denen die erforderlichen Kühlleistungen weit unterhalb der geforderten Worst-Case-Situation sind.
  • Die DE 195 02 153 A1 offenbart ein Verfahren zur Klimatisierung von Raumluft und ein Klimagerät zur Durchführung des Verfahrens. Das Klimagerät verfügt über einen Luftkühler, einen Rückkühler, motorisch betriebene Ventile, Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmedium sowie einen Kompressor mit angeschlossenem Verdampfer und Verflüssiger. Bei einer Energiesparfunktion wird der konstruktive Aufwand minimiert und die Effizienz des Klimagerätes gesteigert, indem der Luftkühler sowohl vom Kühlmedium des Rückkühlers als auch vom Kühlmedium der mechanischen Kühlung durchströmt wird.
  • Die EP 2 016 349 B1 offenbart eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit, um einen Arbeitsdampf zu erzeugen, wobei die Verdampfung bei einem Verdampfungsdruck von weniger als 20 hPa stattfindet. Der Arbeitsdampf wird von einer Strömungsmaschine auf einen Arbeitsdruck von wenigstens 25 hPa verdichtet, um dann in einem Verflüssiger durch direkten Kontakt mit Verflüssiger-Wasser verflüssigt zu werden.
  • Die DE 196 22 609 A1 offenbart eine Wärmepumpenanlage. Die Temperaturniveaus vom Verdampfer- und Kondensatorkreislauf der Wärmepumpenanlage werden je nach Temperaturniveau der gewünschten Nutzwärme so beeinflusst, dass der Unterschied der Temperaturniveaus möglichst klein ist. Dazu kann beispielsweise durch Sonnenenergie der kältere Kreislauf erwärmt werden oder Verdampfer- und Kondensatorkreislauf werden kurzfristig miteinander verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine Annäherung der Kreislauftemperaturen und dadurch eine Steigerung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe. Der übliche Wirkungsgrad von drei wird durch dieses Verfahren etwa verdoppelt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres Wärmepumpenkonzept zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Pumpen von Wärme nach Patentanspruch 13 oder ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe nach Patentanspruch 14 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Tatsache dann effizient berücksichtigt wird, dass Außentemperaturen oftmals in Bereichen sind, die weit unterhalb der Maximaltemperaturen sind, wenn die Wärmepumpe nicht in der klassischen Konfiguration betrieben wird, sondern in einer Konfiguration, in der der Rücklauf vom zu wärmenden Gebiet mit dem Verdampfereinlass verbunden ist und der der Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet mit dem Verflüssigereinlass verbunden ist. In diesem sogenannten „Free-Cooling-Modus” oder Freikühlungsmodus wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Rücklauftemperatur vom zu wärmenden Gebiet bereits in die Größenordnungen der Temperatur kommt, mit der normalerweise der Verdampfer „beschickt” wird. Darüber hinaus wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet bereits in solchen Temperaturregionen ist, in denen der Verflüssiger der Wärmepumpe „beschickt” werden kann. Dies führt dazu, dass die Temperaturdifferenz, die die Wärmepumpe zwischen dem Verdampferauslass und dem Verflüssigerauslass leisten muss, im Vergleich zum normalen Modus rapide abnimmt. Da die von einer Wärmepumpe zu leistende Temperaturdifferenz quadratisch in die konsumierte Antriebsleistung insbesondere für den Verdichter eingeht, führt dies zu einer erheblichen Effizienzsteigerung der Wärmepumpe, die mit der Standardkonfiguration, wie sie in 5 dargestellt ist, nicht erreichbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird daher in Abweichung von einer Standardkonfiguration, in der der Verdampfereinlass mit dem Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet verbunden ist, und in der der Verflüssigereinlass mit dem Rücklauf vom zu wärmenden Gebiet verbunden ist, die alternative Konfiguration eingesetzt, so dass der Wasserkreislauf vom Rücklauf des zu wärmenden Gebiets über den Verdampfer zum zu kühlenden Gebiet fließt, von dort zurückläuft und über den Verflüssiger in das zu wärmende Gebiet fließt.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen ferner eine Umschalteinrichtung, durch die die Wärmepumpe je nach Steuerinstruktion in dem Freikühlungsmodus oder dem Normalarbeitsmodus betrieben werden kann, also in der Normalkonfiguration. Bevorzugterweise wird eine Umschaltung dann vorgenommen, wenn die Außentemperaturen so hoch werden, dass die Kühlungsleistung der Wärmepumpe im Freikühlungsmodus nicht mehr ausreichend ist, dass also der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet so hoch ist, dass der Verdampfer damit nicht mehr „beschickt” werden kann bzw. dass der Verdampfer die durch die normale Wärmepumpe zu leistende Abkühlung für den Wärmetauscher des zu kühlenden Gebiets bzw. für die Zuleitung zum zu kühlenden Gebiet nicht mehr leisten kann. Eine Umschaltung kann auch manuell oder zeitlich gesteuert oder durch eine Kombination der genannten Maßnahmen erfolgen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geschieht die Steuerung für die Schalteinrichtung z. B. mittels eines Temperatursensors in dem zu wärmenden Gebiet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung als vier Umschalter ausgebildet, um die Rückleitungen der beiden Gebiete, also des zu kühlenden Gebiets und des zu wärmenden Gebiets entsprechend umzukonfigurieren.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild eines Wärmepumpensystems in einer Konfiguration, die für den Freikühlungsmodus geeignet ist;
  • 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Wärmepumpensystems mit Umschalteinrichtung;
  • 3 eine Darstellung eines inneren Aufbaus der Wärmepumpe von 1 oder 2;
  • 4a eine schematische Darstellung des Leistungsverbrauchs im Freikühlungsmodus;
  • 4b eine schematische Darstellung der „Frankfurter Tabelle” im Kontext des Freikühlungsbereichs;
  • 5 eine Anordnung eines Wärmepumpensystems zwischen zwei Wärmetauschern;
  • 6 eine Konfiguration der Wärmepumpe von 2 im Normalbetriebsmodus; und
  • 7 eine Parallelschaltung zweier Wärmepumpenstufen zur beispielhaften Implementierung der Wärmepumpe von 1 oder 2.
  • 1 zeigt ein Wärmepumpensystem mit einer Wärmepumpe und einen zu wärmenden Gebiet und einem zu kühlenden Gebiet und insbesondere mit Hinleitungen zu den Gebieten und Rückleitungen von den Gebieten. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer 10 mit einem Verdampfereinlass 10a und einem Verdampferauslass 10b. Ferner umfasst die Wärmepumpe einen Verflüssiger 12 mit einem Verflüssigereinlass 12a und einem Verflüssigerauslass 12b. Ferner umfasst die Wärmepumpe typischerweise einen Verdichter zum Verdichten von in dem Verdampfer verdampfter Arbeitsflüssigkeit, wobei der Verflüssiger 12 ausgebildet ist, um die in dem Verdichter verdichtete verdampfte Arbeitsflüssigkeit zu verdichten. Der Verdichter ist vorzugsweise als Turboverdichter mit einem typischerweise schnell drehenden Radialrad ausgebildet, um die nötige Verdichterleistung zu bewältigen.
  • Eine beispielhafte Wärmepumpe ist in der EP 2016349 B1 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpenkonfiguration in 1 Hin- und Rückleitungen, wobei insbesondere eine Hinleitung zu einem zu kühlenden Gebiet 14 mit 14a bezeichnet ist, und wobei eine Rückleitung von dem zu kühlenden Gebiet 14 mit 14b bezeichnet ist. Der Wärmepumpe ist ferner ein zu wärmendes Gebiet 16 zugeordnet, das wiederum eine Hinleitung 16a und eine Rückleitung 16b aufweist. Darüber hinaus ist bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dem zu kühlenden Gebiet 14 ein Wärmetauscher 15 zugeordnet, und ist dem zu wärmenden Gebiet ein Wärmetauscher 17 zugeordnet. Beide Wärmetauscher 15, 17 haben jeweils wieder eine Primärseite, die zu der Wärmepumpe hin gerichtet ist, und eine Sekundärseite, die von der Wärmepumpe weg gerichtet ist, also zu dem zu kühlenden Gebiet im Falle des Wärmetauschers 15 und dem zu wärmenden Gebiet im Falle des Wärmetauschers 17. Die Primärseite des Wärmetauschers 15 umfasst den warmen Anschluss 15a, der mit dem Rücklauf 14b gekoppelt ist, und umfasst den kalten Anschluss 15b, der mit dem Hinlauf 14a gekoppelt ist. Auf der Sekundärseite umfasst der Wärmetauscher ferner einen warmen Anschluss 15c und einen kalten Anschluss 15d.
  • Entsprechend umfasst der Wärmetauscher 17, der dem zu wärmenden Gebiet zugeordnet ist, wiederum einen warmen Anschluss 17a, der mit dem Hinlauf 16a verbunden ist, und einen kalten Anschluss 17b, der mit dem Rücklauf 16b verbunden ist. Auf der Sekundärseite umfasst der Wärmetauscher 17 wiederum einen warmen Anschluss 17c und einen kalten Anschluss 17d. Es sei darauf hingewiesen, dass die Wärmetauscher nicht unbedingt nötig sind. Stattdessen kann die Arbeitsflüssigkeit auch direkt in das zu wärmende Gebiet bzw. in das zu kühlende Gebiet geführt werden, wobei es jedoch immer einen Hinlauf und einen Rücklauf in das zu wärmende bzw. das zu kühlende Gebiet geben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen „warm” und „kalt” eben als Bezeichnungen aufzufassen sind, wobei jedoch darauf hingewiesen sei, dass die Flüssigkeit in dem warmen Anschluss wärmer als in dem kalten Anschluss ist. Daher ist der warme Anschluss der Primärseite des Wärmetauschers 15 der Anschluss 15a und ist der kalte Anschluss der Anschluss 15b.
  • 1 zeigt ferner diverse Temperaturangaben an den entsprechenden Anschlüssen. So wird bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass die Temperaturen des Wärmetauschers 17 bzw. dessen Sekundärseite, also beispielsweise 23° Celsius und 17° Celsius dadurch erreicht werden, wenn die Luft z. B. eine Temperatur von 13° Celsius hat. Hier könnte beispielsweise der Sekundärkreis mit den Anschlüssen 17c, 17d des Wärmetauschers 17 mit einem Ventilator verbunden sein, der die Umgebungsluft, die beispielsweise 13° Celsius hat, durch einen Radiator bläst, wodurch die Flüssigkeit von 23° Celsius auf 17° Celsius abgekühlt wird. Auf der Primärseite des Wärmetauschers 17 bedeutet dies, dass der Hinlauf eine Temperatur von 24° Celsius hat und der Rücklauf eine Temperatur von 18° Celsius hat. Nachdem die Temperatur von 18° Celsius bereits in der Größenordnung ist, in der normalerweise der Verdampfer „beschickt” wird, wird erfindungsgemäß nun der Rücklauf des Wärmetauschers 17 bzw. der Rücklauf vom zu wärmenden Gebiet in den Verdampfereinlass eingespeist. Der Verdampfer erreicht eine Abkühlung um 3° Celsius am Verdampferauslass und erhält somit eine Temperatur von 15° Celsius, die günstig dafür geeignet ist, in dem zu kühlenden Gebiet eine entsprechende Solltemperatur zu erreichen, die beispielsweise 22° Celsius ist. Diese Temperatur findet sich am warmen Anschluss der Sekundärseite des Wärmetauschers 15, der dem zu kühlenden Gebiet zugeordnet ist und reflektiert die Situation, bei der das zu kühlende Objekt so viel Energie an das Medium abgegeben hat, dass das Kühlmittel sich von 16° Celsius auf 22° Celsius erwärmt hat. Aufgrund des Wärmetauschers bedeutet dies, dass der warme Anschluss des Wärmetauschers von dem zu kühlenden Gebiet eine Temperatur von 21° Celsius hat. Im Gegensatz zur Standardkonfiguration, wo der Rücklauf mit dem Verdampfer gekoppelt wird, wird der Rücklauf nun jedoch mit dem Verflüssigereinlass 12a gekoppelt, und das Wasser, das vorzugsweise als Kühlmittel benutzt wird, wird in dem Verflüssiger aufgrund der Wärmepumpenoperation auf 24° Celsius erwärmt, und diese Energie wird dann über das zu wärmende Gebiet bzw. den Wärmetauscher 17 abgegeben. Entscheidend ist, dass die Temperaturdifferenz, die zwischen dem Verdampferauslass 10b und dem Verflüssigerauslass 12b herrscht, nunmehr lediglich noch 9° Celsius beträgt. Dies ist eine geringe Temperaturdifferenz im Vergleich zum Normalbetrieb, der in 6 skizziert ist und dort z. B. 31° Celsius beträgt. Erfindungsgemäß wird daher die niedrigere Außentemperatur durch die spezielle Beschaltung derart ausgenutzt, dass dadurch eine niedrige Temperaturdifferenz für die Wärmepumpe erreicht wird. Da die Temperaturdifferenz im Gegensatz zum Durchfluss quadratisch in die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe eingeht (der Durchfluss geht nur linear ein), führt jede Reduktion der von der Wärmepumpe zu leistenden Temperaturdifferenz zu einer erheblichen Leistungseinsparung und daher zu einer Effizienzsteigerung.
  • An den Anschlüssen des Wärmetauschers 17 sind ferner weitere Temperaturen eingezeichnet. So führt z. B. eine Außentemperatur von 10° Celsius dazu, dass der kalte Anschluss der Sekundärseite des Wärmetauschers, der mit 17d bezeichnet ist, eine Temperatur von 14° Celsius hat, und der warme Anschluss eine Temperatur von 20° Celsius hat. Auf der Primärseite des Wärmetauschers 17 bedeutet dies nunmehr, dass die Temperatur dort 15° Celsius ist. Diese Temperatur, die in den Verdampfereinlass 10a eingespeist wird, ist jedoch genauso groß wie die Solltemperatur am Verdampferauslass, so dass ab einer Temperatur von 15° Celsius am Verdampfereinlass, was bei dem gezeigten Beispiel eine Außentemperatur von 10° Celsius entspricht, die Wärmepumpe komplett außer Betrieb genommen werden kann, jedoch die Zirkulation durch Verdampfer und Verflüssiger ohne Weiteres aufrechterhalten werden kann. Es wird lediglich der Verdichter abgestellt, so dass die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe auf nahe Null geht. Gleichzeitig wird jedoch sichergestellt, dass die Abwärme aus dem kühlenden Gebiet effizient in das zu wärmende Gebiet übertragen wird. Diese Situation ist beispielhaft in 4a dargestellt. So wird der Leistungsverbrauch bei einer Außentemperatur von 10° Celsius, also der Umgebungstemperatur im zu wärmenden Gebiet bei nahe 0% angenommen, und der Leistungsverbrauch steigt dann bis zu einer Außentemperatur von etwa 16° Celsius auf einen Leistungsverbrauch von 100% im Vergleich zu einer konventionellen Konfiguration. Zum Vergleich würde eine normale Wärmepumpe immer, also bei jeder Temperatur 100% Leistungsverbrauch haben, da die Darstellung in 4a bereits berücksichtigt, dass bei geringerer Außentemperatur auch bei einer normalen Wärmepumpe die Drehzahl des Kompressors reduziert werden kann, weil die insgesamte Menge an Abwärme leichter bewältigt werden kann und damit der Durchfluss sinkt. Der Durchfluss geht jedoch, im Gegensatz zur Temperaturdifferenz linear in den Leistungsverbrauch ein. Der Unterschied zwischen 10° Celsius und 16° Celsius zwischen der 0% Linie und der 100% Linie in 4a zeigt also die Effizienzsteigerung der erfindungsgemäßen Konfiguration, die in 1 dargestellt ist.
  • 4b zeigt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Temperaturen in Grad Celsius, die auch als „Frankfurter Tabelle” bekannt ist und die die Wahrscheinlichkeit darstellt, dass eine bestimmte Temperatur über das Jahr verteilt in Mitteldeutschland herrscht. Es ist deutlich zu sehen, dass die Spitze der Wahrscheinlichkeitsverteilung komplett bei Temperaturen im Frei-Kühlungs-Bereich liegt oder nahe daran anschließt. Bei der in 4a dargestellten Konfiguration beginnt der Frei-Kühlungs-Bereich bereits ab einer Außentemperatur von 16° Celsius, und diese Temperatur liegt bereits rechts des Maximums der Wahrscheinlichkeitsverteilung in 4b. Dies bedeutet, dass statistisch betrachtet durch die Konfiguration, die in 1 dargestellt worden ist, in mehr als der Hälfte der Zeit innerhalb eines Jahres eine Effizienzsteigerung im Vergleich zu einer Normalkonfiguration erreicht werden kann, die, je kleiner die Temperaturen werden, umso besser wird.
  • Bei Außentemperaturen oberhalb von z. B. 16° Celsius wird bei dem in 4a gezeigten Beispiel die Konfiguration nicht mehr ausreichend sein, um eine Kühlung im zu kühlenden Bereich aufgrund der Sollanforderungen zu erreichen. Es wird daher bei einem bevorzugten Beispiel der vorliegenden Erfindung die Konfiguration der Wärmepumpe umschaltbar ausgebildet. Hierzu wird eine Schalteinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um den Verdampfereinlass 10a von dem Rücklauf 16b von dem zu wärmenden Gebiet zu trennen, und um den Rücklauf 14b von dem zu kühlenden Gebiet mit dem Verdampfereinlass 10a zu koppeln. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese Funktionalität durch die beiden Schalter I und II erreicht. Ferner ist die Schalteinrichtung ausgebildet, um den Verflüssigereinlass 12a von dem Rücklauf 14b des zu kühlenden Gebiets zu trennen, und um den Rücklauf 16b von dem zu wärmenden Gebiet mit dem Verflüssigereinlass 12a zu koppeln. Diese Funktionalität wird bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die beiden Umschalter III und IV erreicht.
  • Die Schalterstellungen der Umschalter I, II, III, IV sind für die beiden Varianten, also den Freikühlungsmodus, wie er in 1 gezeigt ist, und den Normalbetriebsmodus, wie er in 6 gezeigt ist, dargestellt. Im Normalmodus ist der Schalter I in der Stellung 2, ist der Schalter II in der Stellung 1, ist der Schalter III in der Stellung I, und ist der Schalter IV in der Stellung 1. Dagegen ist der Schalter I im Freikühlungsmodus in der Stellung 1, ist der Schalter II im Freikühlungsmodus in der Stellung 2, ist der Schalter III im Freikühlungsmodus in der Stellung 1, und ist der Schalter IV im Freikühlungsmodus in der Stellung 2. Der Freikühlungsmodus ist im Hinblick auf die Zirkulation der Flüssigkeiten so, wie es in 1 dargestellt ist, und der Normalbetriebsmodus ist im Hinblick auf die Zirkulation so, wie es in 6 dargestellt ist. Dies bedeutet bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel anhand angenommener realistischer Umgebungstemperaturen im Sommer von 35° Celsius, dass die Flüssigkeit im kalten Anschluss 17d der Sekundärseite des Wärmtauschers für das zu wärmende Gebiet eine Temperatur von 39° Celsius hat und aufgrund der Wärmtauscherwirkung auf 45° Celsius aufgeheizt wird. Auf der Primärseite des Wärmtauschers 17 bedeutet dies, dass der Hinlauf eine Temperatur von 46° Celsius hat und der Rücklauf eine Temperatur von 40° Celsius aufweist. Auf der Verdampferseite hat dagegen, wie bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Sekundärseite des Wärmtauschers 15 dieselben Solltemperaturen wie in 2 oder 1, und hat auch die Primärseite dieselben Solltemperaturen. Dies bedeutet jedoch, dass die Wärmepumpe mit dem Verdampfer 10 und dem Verflüssiger 12 in dem Normalbetriebsmodus eine erhebliche Temperaturdifferenz überwinden muss, nämlich 31° Celsius, wenn die Außentemperatur ein angenommenes Maximum von z. B. 35° Celsius hat.
  • Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird, wie es in 2 durch die Steuerung 20 dargelegt ist, abhängig von der Temperatur in dem zu wärmenden Gebiet, also z. B. von der Außentemperatur auf einem Dach oder an einer Gebäudefassade, eine Umkonfiguration vorgenommen. Ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Außentemperatur kleiner oder gleich 18° Celsius, und insbesondere kleiner oder gleich 16° Celsius, so wird die Steuerung 20 die Schalter I, II, III, IV derart ansteuern, dass der Freikühlungsmodus von 1 aktiv wird, während dann, wenn die Temperaturen darüber liegen, der Normalmodus angesteuert wird. So kann, je nach Implementierung, der Normalmodus bereits ab 16° Celsius Außentemperatur und je nach Implementierung auch z. B. bereits ab 18° Celsius Außentemperatur aktiviert werden. Die genaue Umschalttemperatur hängt insbesondere auch von der Auslegung des Systems und auch von der Auslegung der Wärmtauscher bzw. ob überhaupt Wärmtauscher verwendet werden, ab. Ferner ist hierfür auch wesentlich, wie stark die Wärmeübertragung von der Außentemperatur in die Sekundärseite des Wärmtauschers 17 oder, wenn kein Wärmtauscher verwendet wird, in den Hin- und Rücklauf 16a, 16b stattfindet.
  • Eine Umschaltung kann auch manuell oder zeitlich gesteuert oder durch eine Kombination der genannten Maßnahmen erfolgen. Die manuell betätigte Umschaltung kann durch eine Bedienerin oder einen Bediener der Anlage erfolgen, die bzw. der z. B. durch eine irgendwie geartete Anzeige den Vorschlag erhält, umzukonfigurieren. Alternativ kann die Umschaltung zeitlich gesteuert erfolgen, z. B. dass die Anlage im Winter im Freikühlungsmodus betrieben wird, im Sommer im Normalbetriebsmodus, und im Frühling und Herbst untertags im Normalbetriebsmodus und nachts im Freikühlungsmodus. Alternativ können die zeitliche Bedingung und die Temperaturbedingung kombiniert werden, um automatisch zu steuern oder um der Bedienerin oder dem Bediener einen optimalen Vorschlag zur Konfiguration des Wärmepumpensystems zu machen.
  • Nachfolgend wird detaillierter auf die einzelnen Umschalter in 2 eingegangen. Der Umschalter I umfasst einen Eingang, der mit dem warmen Anschluss der Primärseite des ersten Wärmtauschers 15 verbunden ist. Ferner umfasst der Umschalter zwei Ausgänge, wobei der erste Ausgang mit einem ersten Eingang des Umschalters III verbunden ist, und wobei der zweite Ausgang mit einem ersten Eingang des Umschalters II verbunden ist. Durch die Steuerung 20 ist der Umschalter I dahin gehend steuerbar, dass der Eingang entweder mit dem ersten Ausgang oder mit dem zweiten Ausgang verbunden ist.
  • Der Umschalter II umfasst einen einzigen Ausgang, der mit dem Verdampfereinlass 10a verbunden ist. Darüber hinaus umfasst der Umschalter II zwei Eingänge, wobei der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang des Umschalters I verbunden ist, und wobei der zweite Eingang mit dem zweiten Ausgang des Umschalters IV verbunden ist. Erneut kann die Steuerung 20, z. B. elektrisch oder mechanisch oder auf sonstige Art und Weise den Umschalter II dahin gehend steuern, dass der Ausgang entweder mit dem ersten Eingang oder mit dem zweiten Eingang verbunden wird.
  • Der Umschalter III umfasst wiederum zwei Eingänge und einen Ausgang. Der Ausgang des Umschalters III ist mit dem Verflüssigereinlass 12a verbunden. Der erste Eingang ist mit dem ersten Ausgang des Umschalters I verbunden, und der zweite Eingang ist mit einem ersten Ausgang des Umschalters IV verbunden. Wieder ist die Steuerung 20 ausgebildet, um z. B. auf elektrische Art und Weise oder auf irgendeine Art und Weise den Umschalter III so zu betätigen, dass entweder der erste Eingang oder der zweite Eingang mit dem Ausgang des Schalters und damit mit dem Verflüssigereinlass 12a verbunden ist.
  • Der Umschalter IV umfasst einen einzigen Eingang, der mit dem kalten Anschluss 17b des Wärmetauschers 16 und insbesondere dessen Primärseite verbunden ist, während ein erster Ausgang des Umschalters IV mit einem zweiten Eingang des Umschalters III verbunden ist, und während der zweite Ausgang des Umschalters IV mit dem zweiten Eingang des Umschalters II verbunden ist. Wieder ist die Steuerung 20 ausgebildet, um den Umschalter IV z. B. elektrisch oder auf andere Art und Weise zu betätigen, dass der Eingang entweder mit dem ersten Ausgang oder mit dem zweiten Ausgang verbunden ist. Insbesondere wird es bevorzugt, die Verbindungen druckdicht und flüssigkeitsdicht auszubilden bzw. zu koppeln, wobei entsprechende Flüssigkeitsumschalter in der Technik bekannt sind und typischerweise nach außen hin jeweils drei Rohranschlüsse haben, durch die die Umschalter mit den anderen entsprechenden Anschlüssen über Rohre, vorzugsweise Kunststoffrohre druckdicht und flüssigkeitsdicht gekoppelt werden können.
  • 3 zeigt eine Implementierung einer Wärmepumpenstufe, insbesondere den Aufbau einer Wärmepumpeneinheit, von denen eine oder mehrere in einer Wärmepumpenstufe vorhanden sein können. Eine Wärmepumpeneinheit besteht aus einem Verdampfer 31, einem Verdichter 32 und einem Verflüssiger 33. Der Verdampfer 31 umfasst einen Verdampfereinlass zum Einführen des zu verdampfenden („warmen”) Arbeitsmediums und umfasst ferner einen Verdampferauslass zum Herausführen des („kalten”) Verdampfungsmediums. Entsprechend umfasst der Verflüssiger 33 einen Verflüssigereinlass zum Einführen des „kalten” Arbeitsmediums und zum Ausführen des „warmen” Arbeitsmediums, wobei die Medien in dem Verdampfer 31 und dem Verflüssiger 33 Flüssigkeiten sind. Darüber hinaus wird, über den Wärmepumpenprozess, „kalter” Dampf aus dem Verdampfer 31 durch den Verdichter 32 komprimiert und dadurch erwärmt, und der „warme” Dampf wird dann in den Verflüssiger 33 eingespeist, damit der „warme” Dampf kondensiert und die Flüssigkeit im Verflüssiger 33, die dann durch den Verflüssigerauslass herausgeführt wird, durch den „warmen” Dampf aufgrund des Kondensierprozesses erwärmt wird. Wenn eine Wärmepumpenstufe lediglich eine in 3 gezeigte Wärmepumpeneinheit aufweist, so entsprechen die in den 1 und 2 dargestellten Ein- und Auslässe den Ein- und Auslässen von 3. So kann jedoch jede Wärmepumpenstufe auch eine Zusammenschaltung einzelner Wärmepumpeneinheiten aufweisen, wie beispielsweise der beiden Wärmepumpeneinheiten 41, 42 in 7. Im Hinblick auf die Bezeichnung der Zuflüsse für den Verdampfer und Verflüssiger bzw. Abflüsse für den Verdampfer und den Verflüssiger wurde davon ausgegangen, dass die Wärmepumpe in 1 aus einer Parallelschaltung von zwei Wärmepumpeneinheiten 41, 42 aus 7 besteht.
  • Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist. So stellt beispielsweise das in den 1 bis 3, 5, 6, 7 gezeigte Blockschaltbild gleichermaßen ein Flussdiagramm eines entsprechend erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
  • Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Analysieren eines Informationssignals in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem nicht flüchtigen Speichermedium, einem digitalen oder anderen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

Claims (15)

  1. Wärmepumpe mit folgenden Merkmalen: einem Verdampfer (10, 31) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b); einem Verdichter (32) zum Verdichten von in dem Verdampfer (10, 31) verdampfter Arbeitsflüssigkeit; und einem Verflüssiger (12, 33) zum Verflüssigen von in dem Verdichter (32) verdichteter verdampfter Arbeitsflüssigkeit, wobei der Verflüssiger (12, 33) einen Verflüssigereinlass (12a) und einen Verflüssigerauslass (12b) aufweist, wobei der Verdampfereinlass (10a) mit einem Rücklauf (16b, 17b) von einem zu wärmenden Gebiet (16) verbunden ist, und wobei der Verflüssigereinlass (12a) mit einem Rücklauf (14b, 15a) von einem zu kühlenden Gebiet (14) verbunden ist, einer Schalteinrichtung (I, II, III, IV) zum Trennen des Verdampfereinlasses (10a) von dem Rücklauf (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) und zum Verbinden des Rücklaufs (15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) mit dem Verdampfereinlass (10a) und zum Trennen des Verflüssigereinlasses (12a) von dem Rücklauf (14b, 15a) des zu kühlenden Gebiets und zum Verbinden des Rücklaufs (17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a).
  2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, bei der die Schalteinrichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Umschalter (I), dessen Eingang mit dem Rücklauf (15a) des zu kühlenden Gebiets (14) gekoppelt ist; einen zweiten Umschalter (II), dessen Ausgang mit dem Verdampfereinlass (10a) gekoppelt ist; einen dritten Umschalter (III), dessen Ausgang mit dem Verflüssigereinlass (12a) gekoppelt ist, und einen vierten Umschalter (IV), dessen Eingang mit dem Rücklauf (17b) des zu wärmenden Gebiets (16) gekoppelt ist.
  3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, bei der ein erster Ausgang (1) des ersten Umschalters (I) mit einem ersten Eingang (1) des dritten Umschalters (III) gekoppelt ist, bei der ein zweiter Ausgang (2) des ersten Umschalters (I) mit einem ersten Eingang (1) des zweiten Umschalters (II) gekoppelt ist, bei der ein zweiter Eingang (2) des dritten Umschalters (III) mit einem ersten Ausgang (1) des vierten Umschalters (IV) gekoppelt ist, und bei der ein zweiter Eingang (2) des zweiten Umschalters (II) mit einem zweiten Ausgang (2) des vierten Umschalters (IV) gekoppelt ist.
  4. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Verdampferauslass (10b) mit einem Hinlauf (14a, 15b) zu dem zu kühlenden Gebiet (14) verbunden ist, und bei der der Verflüssigerauslass (12b) mit einem Hinlauf (16a, 17a) zu dem zu wärmenden Gebiet (16) gekoppelt ist.
  5. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgende Merkmale aufweist: einen ersten Wärmetauscher (15), der dem zu kühlenden Gebiet (14) zugeordnet ist, wobei der Rücklauf (141, 15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) mit einem ersten Anschluss (15a) des ersten Wärmetauschers (15) verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss (15b) des ersten Wärmetauschers (15) mit dem Verdampferauslass (10b) verbunden ist.
  6. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgende Merkmale aufweist: einen zweiten Wärmetauscher (17), der dem zu wärmenden Gebiet (16) zugeordnet ist, wobei ein erster Anschluss (17b) des zweiten Wärmetauschers (17) mit dem Rücklauf (16b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) verbunden ist, und wobei der zweite Anschluss (17a) des zweiten Wärmetauschers (17) mit dem Verflüssigerauslass (12b) verbunden ist.
  7. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine Steuerung (20) zum Umkonfigurieren der Wärmepumpe von einem Freikühlungsmodus in einen Normalarbeitsmodus, wobei die Steuerung (20) ausgebildet ist, um eine Umleitung des Rücklaufs (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) und des Rücklaufs (14b, 15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) zu veranlassen.
  8. Wärmepumpe nach Anspruch 7 und Anspruch 1, bei der die Steuerung (20) ausgebildet ist, um die Schalteinrichtung (I, II, III, IV) zu betätigen.
  9. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern einer Umgebungstemperatur des zu wärmenden Gebiets (16), wobei eine Steuerung (20) ausgebildet ist, um abhängig von der Umgebungstemperatur des zu wärmenden Gebiets (16) die Wärmepumpe von einem Freikühlungsmodus in einen Normalarbeitsmodus oder von dem Normalarbeitsmodus in den Freikühlungsmodus umzukonfigurieren.
  10. Wärmepumpe nach Anspruch 9, bei der die Steuerung (20) ausgebildet ist, um bei einer Temperatur kleiner oder gleich 20° Celsius in dem zu wärmenden Gebiet (16) die Wärmepumpe in den Freikühlungsmodus zu konfigurieren, oder bei einer Umgebungstemperatur größer oder gleich 15° Celsius die Wärmepumpe in den Normalarbeitsmodus zu konfigurieren.
  11. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Rücklauf (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) ein Rohr aufweist, das mit dem Verdampfereinlass (10a) flüssigkeitsdicht und druckdicht verbunden ist, und bei der der Rücklauf (14b, 15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) ein Rohr aufweist, das mit dem Verflüssigereinlass (12a) flüssigkeitsdicht und druckdicht verbunden ist.
  12. Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Arbeitsflüssigkeit Wasser ist und der Verdampfer (10, 31) ausgebildet ist, um einen Unterdruck aufzuweisen, damit das Wasser bei einer Temperatur kleiner als 25° Celsius verdampft.
  13. Verfahren zum Pumpen von Wärme mit einer Wärmepumpe, die einen Verdampfer (10, 31) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b), einen Verdichter (32) zum Verdichten von in dem Verdampfer (10, 31) verdampfter Arbeitsflüssigkeit, und einen Verflüssiger (12, 33) zum Verflüssigen von in dem Verdichter (32) verdichteter verdampfter Arbeitsflüssigkeit aufweist, wobei der Verflüssiger (12, 33) einen Verflüssigereinlass (12a) und einen Verflüssigerauslass (12b) aufweist, mit folgenden Schritten: Einführen von Arbeitsflüssigkeit aus einem Rücklauf (16b, 17b) von einem zu wärmenden Gebiet (16) in den Verdampfereinlass (10a); Einführen von Arbeitsflüssigkeit aus einem Rücklauf (14b, 15a) von einem zu kühlenden Gebiet (14) in den Verflüssigereinlass (12a); Trennen des Verdampfereinlasses (10a) von dem Rücklauf (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16); Verbinden des Rücklaufs (15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) mit dem Verdampfereinlass (10a); Trennen des Verflüssigereinlasses (12a) von dem Rücklauf (14b, 15a) des zu kühlenden Gebiets (14); und Verbinden des Rücklaufs (17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a).
  14. Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Verdampfers (10, 31) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b), eines Verdichters (32) zum Verdichten von in dem Verdampfer (10, 31) verdampfter Arbeitsflüssigkeit, und eines Verflüssigers (12, 33) zum Verflüssigen von in dem Verdichter (32) verdichteter verdampfter Arbeitsflüssigkeit, wobei der Verflüssiger (12, 33) einen Verflüssigereinlass (12a) und einen Verflüssigerauslass (12b) aufweist; Verbinden des Verdampfereinlasses (10a) mit einem Rücklauf (16b, 17b) von einem zu wärmenden Gebiet (16); Verbinden des Verflüssigereinlasses (12a) mit einem Rücklauf (14b, 15a) von einem zu kühlenden Gebiet (14); und Bereitstellen einer Schalteinrichtung (I, II, III, IV) zum Trennen des Verdampfereinlasses (10a) von dem Rücklauf (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) und zum Verbinden des Rücklaufs (15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14) mit dem Verdampfereinlass (10a) und zum Trennen des Verflüssigereinlasses (12a) von dem Rücklauf (14b, 15a) des zu kühlenden Gebiets (14) und zum Verbinden des Rücklaufs (17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a).
  15. Wärmepumpensystem mit folgenden Merkmalen: einem zu wärmenden Gebiet (16) mit einem Rücklauf (16b, 17b) von dem zu wärmenden Gebiet (16); einem zu kühlenden Gebiet (14) mit einem Rücklauf (14b, 15a) von dem zu kühlenden Gebiet (14); und einer Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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