DE102015221345A1

DE102015221345A1 - Wärmepumpe und verfahren zum pumpen von wärme mit einem überbrückungsmodus

Info

Publication number: DE102015221345A1
Application number: DE102015221345.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Sedlak; Oliver Kniffler
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: VERTIV SRL, IT
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-05-04
Also published as: WO2017072321A1; EP3368838A1

Abstract

Eine Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer (10) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b), einen Verflüssiger (12) mit einem Verflüssigereinlass (12a) und einem Verflüssigerauslass (12b), und eine Umschalteinrichtung (24, 26, 27, 28, 94, 96) zum Betreiben der Wärmepumpe in einem ersten Betriebsmodus oder einem zweiten Betriebsmodus, wobei die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus einen Rücklauf (15a) des zu kühlenden Gebietes (14) mit einem Hinlauf (17a) eines zu wärmenden Gebietes (16) zu verbinden, und um einen Rücklauf (17b) des zu wärmenden Gebietes mit einem Hinlauf (15a) des zu kühlenden Gebietes (14) zu verbinden, und wobei die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, um in einem zweiten Betriebsmodus den Rücklauf (15a, 15c) des zu kühlenden Gebietes (14) mit dem Verdampfereinlass (10a) oder dem Verflüssigereinlass (12a) zu verbinden, und den Rücklauf (17b, 17d) des zu wärmenden Gebietes (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a) oder dem Verdampfereinlass (10a) zu verbinden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpenanwendungen und insbesondere auf Wärmepumpen mit einer Betriebsmodusumschaltung.
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 Verflüssigen 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 z. B. die Soll-Temperatur 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 wärmer 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 Soll-Temperatur 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 Soll-Temperatur 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 10 2012 208 174 A1 offenbart eine Wärmepumpe mit einem Freikühlungsmodus. Im Freikühlungsmodus ist der Verdampfereinlass mit einem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet verbunden. Ferner ist der Verflüssigereinlass mit einem Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet verbunden. Durch den Freikühlungsmodus wird bereits eine erhebliche Effizienzsteigerung erreicht, und zwar insbesondere für Außentemperaturen kleiner als z. B. 22° Celsius.
Allerdings wird auch durch den Freikühlungsmodus nicht das maximale Energieeinsparungspotential erreicht.
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 17 oder ein Wärmepumpensystem nach Patentanspruch 18 gelöst.
Eine Wärmepumpe gemäß einem Aspekt umfasst einen Verdampfer mit einem Verdampfereinlass und einem Verdampferauslass sowie einen Verflüssiger mit einem Verflüssigereinlass und einem Verflüssigerauslass. Darüber hinaus ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, um die Wärmepumpe in einem ersten Betriebsmodus oder einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben. In dem ersten Betriebsmodus wird die Wärmepumpe komplett überbrückt, dahin gehend, dass der Rücklauf des zu kühlenden Gebietes direkt mit dem Hinlauf des zu wärmenden Gebietes verbunden wird. Darüber hinaus wird in diesem Überbrückungsmodus der Rücklauf des zu wärmenden Gebietes mit dem Hinlauf des zu kühlenden Gebietes verbunden. Typischerweise ist der Verdampfer dem zu kühlenden Gebiet zugeordnet und ist der Verflüssiger dem zu wärmenden Gebiet zugeordnet.
In dem ersten Betriebsmodus oder Überbrückungsmodus wird der Verdampfer jedoch nicht mit dem zu kühlenden Gebiet verbunden und wird ferner auch der Verflüssiger nicht mit dem zu kühlenden Gebiet verbunden, sondern beide Gebiete werden gewissermaßen „kurzgeschlossen”. In dem zweiten alternativen Betriebsmodus wird dagegen die Wärmepumpe nicht überbrückt, sondern, bei noch relativ niedrigen Temperaturen typischerweise im Freikühlungsmodus betrieben, oder aber im Normalmodus. Im Freikühlungsmodus ist die Umschalteinrichtung ausgebildet, um einen Rücklauf des zu kühlenden Gebietes mit dem Verflüssigereinlass zu verbinden und um einen Rücklauf des wärmenden Gebietes mit dem Verdampfereinlass zu verbinden. Dagegen ist die Umschalteinrichtung im Normalmodus ausgebildet, um den Rücklauf des zu kühlenden Gebietes mit dem Verdampfereinlass zu verbinden und den Rücklauf des zu wärmenden Gebietes mit dem Verflüssigereinlass zu verbinden.
Je nach Ausführungsform kann am Ausgang der Wärmepumpe, also verflüssigerseitig, oder am Eingang der Wärmepumpe, also verdampferseitig, ein Wärmetauscher vorgesehen sein, um den inneren Wärmepumpenkreislauf von dem äußeren Kreislauf flüssigkeitsmäßig zu entkoppeln. In diesem Fall stellt der Verdampfereinlass den Einlass des Wärmetauschers dar, der mit dem Verdampfer gekoppelt ist. Darüber hinaus stellt in diesem Fall der Verdampferauslass den Auslass des Wärmetauchers dar, welcher wiederum mit dem Verdampfer festgekoppelt ist.
Analog hierzu ist auf Verflüssigerseite der Verflüssigerauslass ein Wärmetauscherauslass und ist der Verflüssigereinlass ein Wärmetauschereinlass, und zwar auf der Seite des Wärmetauschers, die nicht mit dem tatsächlichen Verflüssiger festgekoppelt ist.
Alternativ kann jedoch die Wärmepumpe ohne eingangsseitigen oder ausgangsseitigen Wärmetauscher betrieben werden. Dann könnte z. B. am Eingang in das zu kühlende Gebiet oder am Eingang in das zu wärmende Gebiet jeweils ein Wärmetauscher vorgesehen sein, welcher dann den Rücklauf bzw. Hinlauf zu dem kühlenden Gebiet oder zu dem zu wärmenden Gebiet umfasst.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Wärmepumpe zum Kühlen eingesetzt, so dass das zu kühlende Gebiet beispielsweise ein in den Raum eines Gebäudes, ein Rechnerraum oder allgemein ein Kühlraum ist, während das zu wärmende Gebiet z. B. ein Dach eines Gebäudes oder eine ähnliche Stelle ist, an der ein Wärmeabgabegerät platziert werden kann, um Wärme an die Umgebung abzugeben.
Wird die Wärmepumpe jedoch alternativ hierzu zum Heizen verwendet, so ist das zu kühlende Gebiet die Umwelt, aus der Energie entzogen werden soll und das zu wärmende Gebiet die „Nutzanwendung”, also beispielsweise das Innere eines Gebäudes, eines Hauses oder eines zu temperierenden Raumes.
Die Wärmepumpe gemäß dem ersten Aspekt ist somit in der Lage, von dem Überbrückungsmodus entweder in den Freikühlungsmodus oder, falls ein solcher Freikühlungsmodus nicht ausgebildet ist, in den Normalmodus umzuschalten.
Generell ist die Wärmepumpe gemäß dem ersten Aspekt dahingehend vorteilhaft, dass sie besonders effizient wird, wenn Außentemperaturen vorliegen, die z. B. kleiner als 16 Grad Celsius sind, was zumindest in der nördlichen und südlichen Hemisphäre entfernet vom Äquator häufig der Fall ist.
Damit wird erreicht, dass zu Außentemperaturen, bei denen eine direkte Kühlung möglich ist, die Wärmepumpe komplett außer Betrieb genommen werden kann. Im Falle einer Wärmepumpe mit einem Radialkompressor als Temperaturanheber zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger kann das Radialrad gestoppt werden, und es muss in die Wärmepumpe keine Energie mehr gesteckt werden. Alternativ kann die Wärmepumpe jedoch noch in einem Bereitschaftsmodus oder etwas Ähnlichem laufen, der jedoch, da er nur ein Bereitschaftsmodus ist, nur einen geringen Stromverbrauch mit sich bringt. Insbesondere bei ventillosen Wärmepumpen, wie sie vorzugsweise eingesetzt werden, kann durch komplette Überbrückung der Wärmepumpe im Gegensatz zum Freikühlungsmodus ein Wärmekurzschluss vermieden werden.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Umschalteinrichtung im ersten Betriebsmodus, also im Überbrückungsmodus den Rücklauf des zu kühlenden Gebietes oder den Hinlauf des zu kühlenden Gebietes von dem Verdampfer komplett trennt, so dass keine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einlass bzw. Auslass des Verdampfers und dem zu kühlenden Gebiet mehr existiert. Diese komplette Trennung wird ebenfalls auf der Verflüssigerseite vorteilhaft sein.
Bei Implementierungen ist eine Temperatursensoreinrichtung vorgesehen, die eine erste Temperatur bezüglich des Verdampfers oder eine zweite Temperatur bezüglich des Verflüssigers erfasst. Ferner hat die Wärmepumpe eine Steuerung, die mit der Temperatursensoreinrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um abhängig von einer oder mehreren in der Wärmepumpe erfassten Temperaturen die Umschalteinrichtung zu steuern, so dass die Umschalteinrichtung von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus oder umgekehrt umschaltet. Die Implementierung der Umschalteinrichtung kann durch einen Eingangs-Schalter und einen Ausgangs-Schalter implementiert werden, welche jeweils vier Eingänge und vier Ausgänge aufweisen und je nach Modus schaltbar sind. Alternativ kann die Umschalteinrichtung jedoch auch durch mehrere einzelne kaskadiert angeordnete Umschalter implementiert werden, die jeweils einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen.
Ferner kann als Kopplungselement zum Koppeln der Überbrückungsleitung mit dem Hinlauf in das zu wärmende Gebiet oder der Koppler zum Koppeln der Überbrückungsleitung mit dem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet als einfache Drei-Anschluss-Kombination ausgebildet sein, also als ein Flüssigkeitsaddierer. Bei Implementierungen wird jedoch bevorzugt, um eine optimale Entkopplung zu haben, die Koppler ebenfalls als Umschalter bzw. in dem Eingangs-Schalter bzw. Ausgangs-Schalter integriert auszuführen.
Darüber hinaus wird als spezieller Temperatursensor ein erster Temperatursensor auf Verdampferseite verwendet und wird als zweiter Temperatursensor ein zweiter Temperatursensor auf Verflüssigerseite verwendet, wobei eine umso direktere Messung bevorzugt wird. Die verdampferseitige Messung wird insbesondere dazu verwendet, um eine Drehzahlsteuerung des Temperaturanhebers also z. B. eines Kompressors, vorzunehmen, während die verflüssigerseitige Messung oder aber auch eine Umgebungstemperaturmessung eingesetzt wird, um eine Modussteuerung durchzuführen, also um die Wärmepumpe z. B. von dem Überbrückungsmodus in den Freikühlungsmodus umzuschalten, wenn eine Temperatur nicht mehr im sehr kalten Temperaturbereich liegt, sondern im mittelkalten Temperaturbereich. Liegt die Temperatur jedoch weiter oben, also in einem warmen Temperaturbereich, so wird die Umschalteinrichtung die Wärmepumpe in einen Normalmodus bringen.
Bei einer zweistufigen Wärmepumpe wird bei diesem Normalmodus jedoch lediglich eine erste Stufe aktiv sein, während die zweite Stufe noch inaktiv ist, also nicht mit Strom versorgt wird und daher keine Energie benötigt. Erst wenn die Temperatur weiter ansteigt, und zwar in einen sehr warmen Bereich, dann wird zusätzlich zur ersten Wärmepumpenstufe bzw. zusätzlich zur ersten Druckstufe eine zweite Druckstufe aktiviert, welche wiederum einen Verdampfer, einen Temperaturanheber typischerweise in Form eines Radialkompressors und einen Verflüssiger aufweist. Die zweite Druckstufe kann seriell oder parallel oder seriell/parallel mit der ersten Druckstufe verschaltet sein.
Um sicherzustellen, dass im Überbrückungsmodus, also wenn die Außentemperaturen bereits relativ kalt sind, die Kälte von außen nicht komplett in das Wärmepumpensystem und darüber hinaus in den zu kühlenden Raum eindringt, also den zu kühlenden Raum noch kälter macht, als er eigentlich sein sollte, wird es bevorzugt, anhand eines Sensorsignals am Hinlauf in das zu kühlende Gebiet oder am Rücklauf des zu kühlenden Gebiets ein Steuersignal zu liefern, das von einem außerhalb der Wärmepumpe angebrachten Wärmeabgabegerät verwendet werden kann, um die Wärmeabgabe zu steuern, d. h. dann, wenn die Temperaturen zu kalt werden, zu reduzieren. Das Wärmeabgabegerät ist beispielsweise ein Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher, mit einer Pumpe zum Umwälzen der in das zu wärmende Gebiet gebrachten Flüssigkeit. Ferner kann das Wärmeabgabegerät einen Ventilator aufweisen, um Luft in den Luftwärmetauscher zu transportieren. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Drei-Wege-Mischer vorgesehen sein, um den Luftwärmetauscher teilweise oder ganz kurzzuschließen. Abhängig von dem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet, der in diesem Überbrückungsmodus jedoch nicht mit dem Verdampferauslass, sondern mit dem Rücklauf aus dem zu wärmenden Gebiet verbunden ist, wird das Wärmeabgabegerät, also beispielsweise die Pumpe, der Ventilator oder der Drei-Wege-Mischer gesteuert, um die Wärmeabgabe immer weiter zu reduzieren, damit ein Temperaturniveau beibehalten wird, und zwar in dem Wärmepumpensystem und in dem zu kühlenden Bereich, das in diesem Fall oberhalb des Außentemperaturniveaus liegen kann. Damit kann die Abwärme sogar zum Heizen des „zu kühlenden” Raums verwendet werden, wenn die Außentemperaturen zu kalt sind.
Bei einem weiteren Aspekt wird eine gesamte Steuerung der Wärmepumpe so vorgenommen, dass abhängig von einem Temperatursensorausgangssignal eines Temperatursensors auf Verdampferseite eine „Feinsteuerung” der Wärmepumpe vorgenommen wird, also eine Drehzahlsteuerung in den verschiedenen Modi, also z. B. dem Freikühlungsmodus, dem Normalmodus mit erster Stufe und dem Normalmodus mit zweiter Stufe und auch eine Steuerung des Wärmeabgabegeräts im Überbrückungsmodus, während eine Modusumschaltung anhand eines Temperatursensorausgangssignals eines Temperatursensors auf Verflüssigerseite vorgenommen wird. Damit wird also lediglich aufgrund eines verflüssigerseitigen Temperatursensors eine Betriebsmodusumschaltung vom Überbrückungsmodus in den Freikühlungsmodus und/oder in den Normalmodus vorgenommen, wobei zur Entscheidung, ob eine Umschaltung stattfindet, das verdampferseitige Temperaturausgangssignal nicht genommen wird. Allerdings wird für die Drehzahlsteuerung des Radialverdichters bzw. für die Steuerung der Wärmeabgabegeräte wiederum lediglich das verdampferseitige Temperaturausgangssignal verwendet, nicht jedoch das verflüssigerseitige Sensorausgangssignal.
Es sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung, einerseits die Verwendung des Überbrückungsmodus, andererseits die Ansteuerung des Wärmeabgabegeräts in dem Überbrückungsmodus oder Freikühlungsmodus und die Ansteuerung des Radialverdichters in dem Freikühlungsmodus oder dem normalen Betriebsmodus andererseits oder aber der dritte Aspekt der Verwendung von zwei Sensoren, wobei ein Sensor zur Betriebsmodusumschaltung und der andere Sensor zur Feinsteuerung eingesetzt wird, unabhängig voneinander eingesetzt werden können. Allerdings können diese Aspekte jedoch auch in Paaren oder auch zusammen kombiniert werden.
Vorteile des ersten Aspekts liegen darin, dass dann, wenn die Außentemperaturen kalt genug sind, die Wärmepumpe komplett überbrückt werden kann und damit auch keine Energie mehr verbrauchen muss. Um eine Sicherung dahin gehend zu erreichen, dass das gesamte System und insbesondere der zu kühlende Bereich nicht zu kalt werden, wird das Wärmeabgabegerät gesteuert, um gewissermaßen eine „Isolierung” von der zu kalten Außenwelt zu erreichen.
Der zweite Aspekt ist dahin gehend vorteilhaft, dass eben diese Isolierung von der Außenwelt erreicht wird, unabhängig davon, ob die Wärmepumpe im Überbrückungsmodus oder im Freikühlungsmodus läuft, wenn also beispielsweise nur der Freikühlungsmodus und der Normalmodus implementiert sind, jedoch nicht der Überbrückungsmodus. Dann kann typischerweise bei geringer Drehzahl der Wärmepumpe, die jedoch nicht komplett ausgeschaltet werden sollte, um einen Kurzschluss innerhalb der Wärmepumpe zu vermeiden, dennoch eine Unterkühlung des Systems und des zu kühlenden Bereichs vermieden werden.
Der dritte Aspekt ist dahin gehend vorteilhaft, dass eine transparente und effiziente Steuerung erreicht wird, die zum einen eine „Grobabstimmung” aufgrund der Modusumschaltung und zum anderen eine „Feinabstimmung” aufgrund der temperaturabhängigen Drehzahleinstellung erreicht, dahin gehend, dass immer nur so viel Energie verbraucht werden muss, wie gerade tatsächlich benötigt wird. Diese Vorgehensweise, bei der es auch nicht zu ständigen An- Abschaltungen in einer Wärmepumpe kommt, wie beispielsweise bei bekannten Wärmepumpen mit Hysterese stellt auch sicher, dass aufgrund des kontinuierlichen Betriebs keine Anlaufverluste entstehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 eine Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel mit gemeinsamer Implementierung aller drei Aspekte;
2 eine Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Ausführung der Umschalteinrichtung mit einzelne Umschaltern;
3 eine Darstellung eines inneren Aufbaus der Wärmepumpe von 1 oder 2;
4 eine Übersichtsdarstellung der verschiedenen Betriebsmodi mit Temperaturbereichen und Beispieltemperaturen;
5 eine Anordnung eines Wärmepumpensystems zwischen zwei Wärmetauschern;
6 eine Konfiguration der Wärmepumpe von 1 oder 2 im Normalbetriebsmodus;
7 eine Parallelschaltung zweier Wärmepumpenstufen zur beispielhaften Implementierung der Wärmepumpe von 1 oder 2;
8A eine Ausführungsform einer Wärmepumpe zum zweiten Aspekt;
8B eine detaillierte Darstellung des Wärmeabgabegeräts und der Wärmepumpe von 8A;
9A eine Ausführungsform einer Wärmepumpe mit einer Implementierung von drei Aspekten und ein Eingangs/Ausgangs-Schalten;
9B eine Darstellung der Modussteuerungen gemäß dem dritten Aspekt aufgrund der verflüssigerseitigen Temperatur und der verdampferseitigen Temperatur; und
9C eine Darstellung des Eingangs-Schalters und des Ausgangs-Schalters von
9A und eine Tabelle für die Schaltzustände für die unterschiedlichen Betriebsmodi.
1 zeigt eine Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Verdampfer 10, der einen Verdampfereinlass 10a und einen Verdampferauslass 10b aufweist. Die Wärmepumpe umfasst ferner einen Verflüssiger 12 mit einem Verflüssigereinlass 12a und einem Verflüssigerauslass 12b. Abgesehen von der Umschalteinrichtung, die durch Elemente 24, 26, 27, 28 ausgeführt sein kann, ist der Verdampfereinlass 10a mit einem Rücklauf von einem zu kühlenden Gebiet 14 verbunden. Darüber hinaus ist, abgesehen von dem Koppler 27 der Verdampferauslass 10b mit einem Hinlauf 14a in das zu kühlende Gebiet verbunden.
Auf Verflüssigerseite ist der Verflüssigerauslass 12b mit einem Hinlauf 16a, wieder abgesehen von dem Koppler 28 mit einem zu wärmenden Gebiet 16 verbunden. Darüber hinaus ist das zu wärmende Gebiet 16, und insbesondere dessen Rücklauf 16b wiederum abgesehen von dem Umschalter 26 mit dem Verflüssigereinlass 12a verbunden. Die Wärmepumpe umfasst daher eine Umschalteinrichtung, die vorzugsweise durch die Elemente 24, 26, 27, 28 implementiert ist, die ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus einen Rücklauf, nämlich den Rücklauf 14b des zu kühlenden Gebietes mit dem Hinlauf 16a des zu wärmenden Gebietes über eine erste Überbrückungsleitung 20 zu verbinden, und um einen Rücklauf 16b des zu wärmenden Gebietes 16 über eine weitere Überbrückungsleitung 22 mit dem Hinlauf 14a des zu kühlenden Gebietes 14 zu verbinden. Ferner ist die Wärmepumpeneinrichtung ausgebildet, um in einem zweiten Betriebsmodus den Rücklauf 14b des zu kühlenden Gebietes mit dem Verdampfereinlass 10a (in dem Normalmodus) oder dem Verflüssigereinlass 12a (im Freikühlungsmodus) zu verbinden, und um den Rücklauf 16b des zu wärmenden Gebietes 16 mit dem Verflüssigereinlass 12a (im Normalbetrieb) oder dem Verdampfereinlass 10a (im Freikühlungsmodus) zu verbinden.
Bei Ausführungsbeispielen ist die Umschalteinrichtung ausgebildet, um in dem ersten Betriebsmodus den Rücklauf 14b des zu kühlenden Gebietes 14 oder den Hinlauf 14a des zu kühlenden Gebietes von dem Verdampfer 10, bzw. dessen Einlass 10a und Auslass 10b zu trennen, so dass keine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Hinlauf 14a und dem Rücklauf 14b des zu kühlenden Gebietes und dem Verdampfer 10 existiert. Auf Verflüssigerseite ist die Umschalteinrichtung ebenfalls vorzugsweise ausgebildet, um den Verflüssigerauslass 12b von dem Hinlauf 16a in das zu wärmende Gebiet im Überbrückungsmodus komplett zu trennen, und um ferner auch den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet, also die Leitung 16b in dem Überbrückungsmodus von dem Verflüssigereinlass 12a komplett zu trennen. Diese komplette Trennung wird beispielsweise durch die Umschalter 24, 26 in 1 erreicht, die über eine Steuerleitung 26a bzw. 24a angesteuert werden. Der Koppler 28 auf Verflüssigerseite bzw. der Koppler 27 auf Verdampferseite müssen jedoch nicht unbedingt für eine komplette Trennung ausgelegt sein, sondern können einfach eine Leitungskopplung sein, also eine Leitungskopplung mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Wie gesagt wird jedoch die komplette Trennung bevorzugt, so dass die Koppler 27, 28 ebenfalls von einer Steuerung 29 für die Umschalteinrichtung angesteuert werden.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen umfasst die Wärmepumpe neben dem Verdampfer und dem Verflüssiger auch einen Temperaturanheber 34 zum Anheben der Temperatur in der verdampften Arbeitsflüssigkeit. Der Temperaturanheber ist vorzugsweise als Radialkompressor mit Radialrad ausgebildet, kann jedoch auch als beliebig anderer Temperaturanheber, wie beispielsweise irgendein anderer Kompressor ausgeführt sein. Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpe eine Rückschlusseinrichtung 35, wenn die Wärmepumpe als geschlossene Wärmepumpe ausgebildet ist. Ist die Wärmepumpe jedoch als offene Wärmepumpe ausgebildet, so ist die Rückschlusseinrichtung R nicht unbedingt nötig.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass in 1 keine weiteren Wärmetauscher dargestellt sind, wie sie z. B. am Verdampfereingang, am Verflüssigerausgang, am Eingang in das zu kühlende Gebiet oder am Eingang in das zu wärmende Gebiet eingesetzt werden können, wobei Wärmetauscher beispielsweise in 2 bei 15 oder 17 dargestellt sind.
Die Steuerung 29 für die Umschalteinrichtung 24, 26, 28, 27 umfasst ferner eine Leistungssteuerungseinheit 29a zum Liefern einerseits eines Steuersignals 36a für den Temperaturanheber und andererseits zum Liefern eines Steuersignals 36b für ein Wärmeabgabegerät. Das Steuersignal 36b wird vorzugsweise nur im ersten Betriebsmodus, also im Überbrückungsmodus geliefert, um ein Wärmeabgabegerät im zu wärmenden Gebiet, das in 1 nicht dargestellt ist, anzusteuern.
2 zeigt ein Wärmepumpensystem mit einer Wärmepumpe und einem zu wärmenden Gebiet und einem zu kühlenden Gebiet und insbesondere mit Hinleitungen zu den Gebieten und Rückleitungen aus 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 2 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.
2 zeigt ferner diverse Temperaturangaben an den entsprechenden Anschlüssen. So wird bei dem in 2 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 Soll-Temperatur 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 Verdampfereinlass 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.
Es wird 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 2 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 2 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 Soll-Temperaturen wie in 2, und hat auch die Primärseite dieselben Soll-Temperaturen. Dies bedeutet jedoch, dass die Wärmepumpe mit dem Verdampfer 10 und dem Verflüssigen 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 2 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 1 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 1 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 11 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.
Während bisher Bezug nehmend auf 2 die Umschaltung zwischen dem Freikühlungsmodus und dem Normalmodus beschrieben worden ist, sei nunmehr auf die Umschaltung von Normalmodus oder Freikühlungsmodus in den Überbrückungsmodus eingegangen. Nachdem bisher die Schalter 24 und 26 nicht im Überbrückungsmodus waren, also die Überbrückungsleitungen 20 und 22 deaktiviert waren, sind sie nunmehr aktiv. Damit ist der Rücklauf 15b des zu kühlenden Gebietes nunmehr mit dem Einlauf 16a des zu wärmenden Gebietes direkt verbunden. Entsprechend ist ebenfalls dann die Überbrückungsleitung 22 aktiv, so dass der Rücklauf des zu wärmenden Gebietes, also 16b über die Überbrückungsleitung 22 mit dem Hinlauf 14a in das zu kühlende Gebiet verbunden ist.
Darüber hinaus sind diverse Temperatursensoren 41, 42, 43, 44, 45 eingezeichnet. Je nach Implementierung wird eine Umschaltung zwischen dem Freikühlungsmodus und dem Überbrückungsmodus, und zwar insbesondere eine Umschaltung in den Überbrückungsmodus durch die Steuerung 29 vorgenommen, wenn die Temperatur des Sensors 42, also T_14b größer als die Temperatur des Sensors 43, also T_12b ist.
Ein entsprechende Steuerung kann ebenfalls anhand der beiden Sensoren 44 und 45 vorgenommen werden, dahin gehend, dass die Temperaturausgangssignale des Sensors 45, also S_16b und des Sensors 44 also S_14a in die Steuerung 29 eingegeben werden, dort verglichen werden, und dass dann eine Umschaltung in den Überbrückungsmodus vorgenommen wird, wenn die Temperatur des Sensors 44 kleiner oder gleich der Temperatur des Sensors 45 ist.
Eine Umschaltung in den Überbrückungsmodus findet vorzugsweise dann statt, wenn entweder die eine Bedingung oder die andere Bedingung oder beide Bedingungen erfüllt sind. Die Ausgangssignale der beiden in 2 gezeigten Steuerungen 29 könnten beispielsweise durch eine ODER-Verknüpfung verknüpft werden, um durch die Steuerung 29 zu ermitteln, ob eine Umschaltung in den Überbrückungsmodus oder Kurzschlussmodus zwischen zu wärmendem Gebiet und zu kühlendem Gebiet stattzufinden hat oder nicht.
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 Verflüssigen 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 Verflüssigen 33 einen Verflüssigereinlass zum Einführen des „kalten” Arbeitsmediums und zum Ausführen des „warmen” Arbeitsmediums, wobei die Medien in den Verdampfern 31 und 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 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.
1 zeigt den Temperaturanheber 34, der von der Steuerung 29 angesteuert wird, und zwar über die Steuerungsleitung 36a. Insbesondere ist die Wärmepumpe ausgebildet, um in dem zweiten Betriebsmodus, also dem Freikühlungsmodus oder dem Normalmodus den Temperaturanheber 34 mit einer zweiten Leistung zu versorgen, und um in dem ersten Betriebsmodus, also dem Überbrückungsmodus den Temperaturanheber 34 nicht mit Leistung zu versorgen oder mit einer „Ruhe”-Leistung zu versorgen, die wenigstens kleiner als 10% der zweiten Leistung ist. Damit wird sichergestellt, dass eine optimale Effizienz bzw. Energieeinsparung erreicht wird. Insbesondere wird der Verdampfer 10, der Verflüssiger 12 und der Temperaturanheber 34 ventillos ausgeführt, um einen einfachen und wiederum effizienten Aufbau zu erreichen. Selbst wenn die Wärmepumpe im Ruhemodus arbeitet oder komplett deaktiviert wird, führt der dann stattfindende Temperaturkurzschluss nicht zu einer Störung, weil in dem ersten Betriebsmodus, wo ein solcher Temporaturkurschluss erhalten wird, die Wärmepumpe ohnehin durch die Überbrückungsleitungen 20, 22 und die Schalter 24, 26 überbrückt ist.
4 zeigt eine Übersicht über verschiedene Modi, in der die Wärmepumpe gemäß 1, 2, 8A, 9A betreibbar ist. Ist die Temperatur des zu wärmenden Gebietes sehr kalt, wie beispielsweise kleiner als 16°C, so wird die Betriebsmodusauswahl den ersten Betriebsmodus aktivieren, indem die Wärmepumpe überbrückt ist und das Steuersignal 36b für das Wärmeabgabegerät im zu wärmenden Gebiet 16 erzeugt wird. Ist die Temperatur des zu wärmenden Gebietes, also des Gebietes 16 von 1 in einem mittelkalten Temperaturbereich, also z. B. in einem Bereich zwischen 16°C und 22°C, so wird die Betriebsmodussteuerung den Freikühlungsmodus aktivieren, indem aufgrund der geringen Temperaturspreizung die erste Stufe der Wärmepumpe leistungsarm arbeiten kann. Befindet sich jedoch die Temperatur des zu wärmenden Gebietes in einem warmen Temperaturbereich, also beispielsweise zwischen 22°C und 28°C, so wird die Wärmepumpe in dem normalen Modus betrieben, jedoch in dem Normalmodus mit einer ersten Wärmepumpenstufe. Wird dagegen die Außentemperatur sehr warm sein, also in einem Temperaturbereich zwischen 28°C und 40°C, so wird eine zweite Wärmepumpenstufe aktiviert, die ebenfalls im Normalmodus arbeitet und die bereits laufend die erste Stufe unterstützt.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw. „Feinsteuerung” eines Radialverdichters innerhalb des Temperaturanhebers 34 von 1 in den Temperaturbereichen „mittelkalt”, „warm”, „sehr warm” vorgenommen, um die Wärmepumpe immer nur mit der Wärme/Kälteleistung zu betreiben, die von den tatsächlichen Voraussetzungen gerade gefordert wird.
Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verflüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt.
8 zeigt ein Wärmepumpensystem ähnlich dem System von 1 wieder mit dem zu kühlenden Gebiet 14, einer Wärmepumpe 80 mit einer Modusumschaltung, z. B. einem Überbrückungsmodus, einem Freikühlungsmodus oder einem normalen Modus und einer Temperaturerfassung.
Ferner ist das zu wärmende Gebiet 16 vorgesehen, das mit der Wärmepumpe 80 gekoppelt ist.
Die Wärmepumpe umfasst, ähnlich zur Wärmepumpe 80 in 1 den Verdampfer mit dem Verdampfereinlass 10a und dem Verdampferauslass 10b. Ferner ist ein Verflüssigen 12 mit dem Verflüssigereinlass 12a und dem Verflüssigerauslass 12b vorgesehen. Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpe den Temperaturanheber 34 zum Anheben einer Temperatur einer durch den Verflüssigen verdampften Arbeitsflüssigkeit.
Darüber hinaus ist auch die Umschalteinrichtung, die durch die Elemente 24, 28, 26, 27 von 1 implementiert wird, oder die durch den Eingangs-Schalter 94 und den Ausgangs-Schalter 96 von 9A beispielsweise implementiert wird. Die Umschalteinrichtung ist ausgebildet, um die Wärmepumpe zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem unterschiedlichen zweiten Betriebsmodus umzuschalten, wobei der erste Betriebsmodus einen Freikühlungsmodus oder einen Überbrückungsmodus umfasst und wobei der zweite Betriebsmodus den Freikühlungsmodus oder den Normalmodus umfasst. Falls der erste Betriebsmodus der Überbrückungsmodus ist, ist der zweite Betriebsmodus der Freikühlungsmodus oder der Normalmodus. Ist der erste Betriebsmodus dagegen bereits der Freikühlungsmodus, so ist der zweite Betriebsmodus der Normalmodus.
Die Wärmepumpe 80 umfasst ferner eine Temperatursensoreinrichtung, die beispielsweise einen oder mehrere der Sensoren 41, 42, 43, 44, 45 umfassen kann, wie es in 2 gezeigt ist. Die Temperatursensoreinrichtung ist ausgebildet, um eine Temperatur an dem Verdampfer (beispielsweise die Sensoren 41, 44) zu erfassen, oder um eine Temperatur an dem Verflüssigen zu erfassen, was beispielsweise den Temperatursensoren 42, 43, 45 entsprechen würde. Darüber hinaus ist eine Steuerung vorgesehen, beispielsweise die Steuerung 29 von 1 zum Liefern eines Steuersignals, das auf der erfassten Temperatur basiert. Insbesondere ist die Steuerung ausgebildet, um in dem zweiten Betriebsmodus, also wenn die Wärmepumpe in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, das Steuersignal an den Temperaturanheber 34 zu liefern, wie es bei 36a gezeigt ist, oder was in 8A im Block 80 mit „internes Steuersignal” bezeichnet wird. Wenn dagegen die Wärmepumpe in dem ersten Betriebsmodus betrieben wird, so wird das Steuersignal, basierend auf der Temperatur an den Steuersignalausgang 36b geliefert, der in 1, aber auch in 8A gezeigt ist. Der Steuersignalausgang 36b ist mit einem Steuereingang eines Wärmeabgabegeräts verbindbar, wenn die Wärmepumpe in dem ersten Betriebsmodus betrieben wird. Ein solches Wärmeabgabegerät ist beispielsweise bei 82 in 8B gezeigt.
Das Wärmeabgabegerät 82 umfasst bei dem in 8B gezeigten Ausführungsbeispiel einen Eingangs-Wärmetauscher 90, einen Luft/Flüssigkeits/Wärmetauscher 91, eine Pumpe 92 und einen 3-Wege-Mischer bzw. ein 3-Wege-Ventil 93. Der Wärmetauscher 90 ist eingangsseitig mit der Wärmepumpe an einem Eingang 90a verbunden. Darüber hinaus ist der Wärmetauscher 90 mit einem Wärmetauscherausgang 90b versehen, der ebenfalls mit der Wärmepumpe 80 verbunden ist. Außerdem hat der Wärmetauscher 90 einen weiteren Wärmetauscherausgang 90c zu dem weiteren Wärmetauscher 91 und einen weiteren Eingang 90d von dem 3-Wege-Ventil 93.
Der Eingang 90a in das Wärmeabgabegerät 82, also in das zu wärmende Gebiet ist im ersten Modus dann, wenn der erste Betriebsmodus der Überbrückungsmodus ist, mit dem Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet über die Umschalteinrichtung der Wärmepumpe, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt ist, direkt verbunden. Wenn dagegen der erste Betriebsmodus der Freikühlungsmodus ist, dann ist der Wärmepumpenausgang 90a, der gleichzeitig der Eingang in den Wärmetauscher 90 ist, mit dem Verflüssigerausgang 12b verbunden.
Die Temperatursensoreinrichtung umfasst bei dem in 8B gezeigten Ausführungsbeispiel den Temperatursensor 41, der an derselben Stelle gezeigt ist, wie es in 2 dargestellt ist. Abhängig von dem Temperatursignal am Temperatursensor 41 liefert eine Steuerung, die in 8B mit 29 bezeichnet ist, das Steuersignal 36b, das bei dem in 8B gezeigten Ausführungsbeispiel in eine eigene Steuerung 83 für das Wärmeabgabegerät 82 eingespeist wird. Vorzugsweise wird das Steuersignal 36b jedoch durch die Steuerung 29 der Wärmepumpe 80 gerade so bereitgestellt, dass es direkt in einen Steuereingang 84 des Wärmeabgabegeräts eingespeist werden kann, welcher, obgleich es in 8B nicht gezeigt ist, mit einem Steuereingang 85 eines steuerbaren Ventilators 95 verbunden ist, der Teil des Flüssigkeits/Luft-Wärmetausches 91 ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuersignal in einen Steuereingang 85b der Pumpe 92 oder in den Steuereingang 85c des 3-Wege-Ventils eingespeist werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Pumpe 92 alternativ auch im Hinlauf, also in der Leitung 90c eingesetzt werden kann, oder dass auch in der Leitung 90c eine zusätzliche (steuerbare) Pumpe zusätzlich zur Pumpe 92 eingesetzt werden kann.
Stellt der Sensor 41 in der Wärmepumpe 80 fest, dass die Flüssigkeit im Zulauf in das zu kühlende Gebiet 14 kälter als ein Sollwert ist, so wird das Wärmeabgabegerät 82 so gesteuert, dass zumindest der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet über die Leitung 90b wärmer wird. Hierzu kann die Drehzahl der Pumpe 92 reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Drehzahl des Ventilators 95 reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch das 3-Wege-Ventil gesteuert werden, derart, dass ein größerer Anteil des in den Wärmetauscher 90 über den Eingang 90d eingespeisten Mittels direkt von dem Ausgang 90c stammt und weniger Mittel von dem Wärmetauscher 91 stammt. Es sei darauf hingewiesen, dass es ausreichend ist, dass im Wärmeabgabegerät lediglich entweder der Ventilator oder die Pumpe oder das 3-Wege-Ventil vorhanden sind bzw. gesteuert werden. Bereits ein steuerbares Element, das die Wärmeabgabe beeinflusst bzw. die Temperatur des Rücklaufs 90b des Wärmetauschers 90 beeinflusst, ist bereits ausreichend, um die erwünschte Funktionalität zu erreichen, dass nämlich dann, wenn es in dem zu wärmenden Gebiet zu kalt wird, diese Kälte nicht im Überbrückungsmodus oder im Freikühlungsmodus direkt in die Wärmepumpe und dann in das zu kühlende Gebiet eindringt. Sowohl im Überbrückungsmodus als auch gegebenenfalls im Freikühlungsmodus kann das Ausgangssignal des Sensors 41 zusätzlich dazu verwendet werden, um den Temperaturanheber zu steuern, dahin gehend, dass dann, wenn der Temperaturanheber als Radialkompressor mit einem Radialrad konstruiert ist, die Drehzahl des Radialrads nach Anforderung erhöht bzw. erniedrigt wird.
In einer Implementierung ist die Steuerung 29 ausgebildet, um eine Temperatur der Temperatursensoreinrichtung beispielsweise des Temperatursensors 41 oder aber eines Temperatursensors 43 mit einer Soll-Temperatur zu vergleichen, so dass durch das Steuersignal die Drehzahl des Radialkompressors abhängig von einer Abweichung der Temperatur von dem Sollwert erhöht wird oder erniedrigt wird. Vorzugsweise wird eine lineare stufenlose Steuerung eingesetzt, wobei jedoch Inkremente von kleiner als 5% des gesamten Drehzahlhubs ebenfalls bereits eine sehr feine Steuerung erlauben und eingesetzt werden können.
Alternativ kann die Drehzahl des Radialkompressors im Temperaturanheber 34 ebenfalls von einer verflüssigerseitigen Temperatur, wie beispielsweise vom Sensor 43 in 8B gesteuert werden. Insbesondere der Sensor 41 ermöglicht somit eine zweifache Anwendung. Im Normalmodus steuert er die Drehzahl des Radialrads im Radialkompressor während er im Überbrückungsmodus, wo der Radialkompressor deaktiviert ist, das Wärmeabgabegerät 82 steuert. Im Freikühlungsmodus kann je nach Implementierung ebenfalls ausschließlich das Radialrad gesteuert werden oder aber auch, sofern es die Anforderung nötig macht, zusätzlich zur Steuerung des Radialrads auch das Wärmeabgabegerät gesteuert werden.
Die Steuerung der einzelnen Elemente im Wärmeabgabegerät 82 findet vorzugsweise ebenfalls proportional oder indirekt proportional statt, je nach Steuercharakteristik. Darüber hinaus wird eine kontinuierliche Steuerung oder wieder eine diskrete Steuerung, jedoch in Inkrementen, die jeweils kleiner als 5% des gesamten Steuerhubs sind, vorgenommen.
9A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wärmepumpe, bei der der Wärmetauscher 15 am verdampferseitigen Ende der Wärmepumpe sowie der Wärmetauscher 17 am verflüssigerseitigen Ende der Wärmepumpe Teil der Wärmepumpe sind, so dass der Rücklauf von dem zu kühlen Gebiet der Anschluss 15c des Wärmetauschers 15 ist und der Hinlauf in das zu kühlende Gebiet der Anschluss 15d des Wärmetauschers 15 ist. Darüber hinaus ist der Hinlauf in das zu wärmende Gebiet der Anschluss 17c des Wärmetauschers und der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet ist der Anschluss 17d des Wärmetauschers. Die Wärmetauscher 15 und 17 bieten daher den äußeren Anschlussbereich für die Wärmepumpe. Darüber hinaus sind Eingangs-Schalter 94, zwischen die Wärmetauscher und den eigentlichen Verdampfer bzw. den eigentlichen Verflüssiger 12 geschaltet, wie es in 9A gezeigt ist. Ferner ist die Steuerung 29 vorgesehen, um abhängig von diversen Temperatursignalen, wie beispielsweise einem Verdampfer-Temperatursignal, das durch den Sensor 41 geliefert wird, eine Feinsteuerung des Kompressors 36a bzw. des Wärmeabgabegeräts über das Steuersignal 36b im Freikühlungsmodus einerseits und im Normalmodus einerseits gegenüber dem Überbrückungsmodus andererseits vorzunehmen. Darüber hinaus erhält die Steuerung 29 ein verflüssigerseitiges Sensorsignal, beispielsweise von den Sensoren 42, 43. Der Sensor 43 ist in dem Verflüssigerauslass 12b angeordnet, während der Sensor 42 im Freikühlungsmodus den Verflüssigereinlass darstellt.
Der Eingangs-Schalter 94 und der Ausgangs-Schalter 96 erfüllen die Funktionalitäten der Überbrückungs-Elemente 24, 26, 27, 28 von 2 oder 1 sowie der Umschalter I, II, III, IV von 2, so dass die in 9A gezeigte Wärmepumpe ebenfalls im Überbrückungsmodus, im Freikühlungsmodus und im Normalmodus mit einer oder zwei Stufen laufen kann, zumal die innere Wärmepumpe, die durch den Verdampfer 10, den Kompressor 34, den Verflüssiger 12 und das Rückschlusselement 35 symbolisch dargestellt ist, aus zwei oder mehreren zuschaltbaren Stufen bestehen kann.
Dies ist in 9B tabellarisch dargestellt. Ist die Verflüssigertemperatur in einem sehr kalten Temperaturbereich, wird als Reaktion von der Steuerung 29 der erste Betriebsmodus eingestellt. Wird in diesem Modus festgestellt, dass die Verdampfertemperatur kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wird durch das Steuersignal 36b beim Wärmeabgabegerät, das in 8B gezeigt ist, eine Reduktion der Wärmeabgabe erreicht. Ist die Verflüssigertemperatur jedoch im mittelkalten Bereich, so ist als Reaktion darauf eine Umschaltung in den Freikühlungsmodus von der Steuerung 29 zu erwarten. Ist hier die Verdampfertemperatur größer als eine Soll-Temperatur, so führt dies in Reaktion zu einer Erhöhung der Drehzahl des Radialverdichters des Kompressors über die Steuerleitung 36a. Wird wiederum festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf die erste Stufe in den Normalbetrieb genommen. Wird wiederum festgestellt, dass bei einer bestimmten Drehzahl des Kompressors dennoch die Verdampfertemperatur größer als eine Soll-Temperatur ist, dann führt dies zu einer Erhöhung der Drehzahl der ersten Stufe wieder über das Steuersignal 36a. Wird schließlich festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem sehr warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf eine zweite Stufe im Normalbetrieb zugeschaltet. Je nachdem, ob die Verdampfertemperatur, also beispielsweise die Temperatur am Sensor 41 in 9A, größer oder kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wird dann eine Steuerung der ersten und/oder der zweiten Stufe vorgenommen, um auf eine veränderte Situation zu reagieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche „sehr kalt”, „mittelkalt”, „warm”, „sehr warm” für verschiedene Temperaturbereiche stehen, deren jeweils mittlere Temperatur von sehr kalt zu mittelkalt, zu warm, zu sehr warm jeweils größer wird. Die Bereiche können, wie es anhand von 4 dargestellt worden ist, direkt aneinander angrenzen. In Ausführungsformen können die Bereiche jedoch auch überlappen und auf dem genannten Temperaturniveau oder einem anderen insgesamt höheren oder niedrigeren Temperaturniveau liegen. Ferner wird die Wärmepumpe vorzugsweise mit Wasser als Arbeitsmittel betrieben. Je nach Anforderung können jedoch auch andere Mittel eingesetzt werden.
9C zeigt eine detailliertere Darstellung der Schalter 94 und 96 mit den jeweiligen Eingängen/Ausgängen, wie sie in 9A im Gesamtkontext dargestellt sind.
Die Tabelle in 9C zeigt, welche Eingänge mit welchen Ausgängen in den jeweiligen Schaltern bei den bestimmten Modi sind.
Insbesondere umfasst der Eingangs-Schalter 94 einen ersten Eingang 15a, einen zweiten Eingang 22, einen dritten Eingang 16b und einen vierten Eingang 10b. Darüber hinaus umfasst der Eingangs-Schalter auch vier Ausgänge, nämlich den ersten Ausgang 20, den zweiten Ausgang 14b, den dritten Ausgang 10a und den vierten Ausgang 15b.
Der Ausgangs-Schalter wiederum umfasst einen ersten Eingang 17b, einen zweiten Eingang 20, einen dritten Eingang 14b und einen vierten Eingang 12b und wiederum einen ersten Ausgang 22, einen zweiten Ausgang 16b, einen dritten Ausgang 12a und einen vierten Ausgang 17a.
Im Überbrückungsmodus ist der Eingangs-Schalter so geschaltet, dass der erste Eingang mit dem ersten Ausgang verbunden ist (15a-20). Ferner ist der vierte Ausgang 15b mit dem zweiten Eingang 22 verbunden (15b-22).
Bezüglich des Ausgangs-Schalter 96 ist der erste Eingang mit dem ersten Ausgang verbunden (17b-22). Ferner ist der zweite Eingang 20 mit dem vierten Ausgangs 17a verbunden (20-17a).
Im Freikühlungsmodus wiederum existieren beim Eingangs-Schalter folgende Verbindungen. Der erste Eingang ist mit dem zweiten Ausgang 14b verbunden (15a-14b), und der dritte Eingang 16b ist mit dem dritten Ausgang 10a verbunden (16b-10a). Beim Ausgangs-Schalter 96 wiederum ist der erste Eingang 17b mit dem zweiten Ausgang 16b verbunden und ferner ist der dritte Eingang 14b mit dem dritten Ausgang 12a verbunden.
Im Normalmodus wiederum ist beim Eingangs-Schalter 94 der erste Eingang mit dem dritten Ausgang verbunden (15a-10a). Darüber hinaus ist der vierte Ausgang 15b mit dem vierten Eingang 10b verbunden (15b-10b). Beim Ausgangs-Schalter 96 wiederum wird im Normalmodus der erste Eingang 17b mit dem dritten Ausgang 12a verbunden, und wird ferner der vierte Ausgang 17a mit dem vierten Eingang 12b verbunden (17a-12b).
Im Normalmodus, in dem eine zweite Stufe aktiviert wird, sind die Verbindungen identisch, wie es in der letzten Zeile von 9C dargestellt ist.
Die jeweilige Verbindung in den Schaltern 94, 96 kann, beispielsweise wie in 2 mit einfachen Umschaltern, die kaskadiert angeordnet sind, implementiert werden, oder aber durch eine flexiblere „Schaltmatrix”, um jeweils eine nötige Flüssigkeitsverbindung von einem entsprechenden Eingang zu einem entsprechenden Ausgang zu erreichen und eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den anderen Eingängen/Ausgängen zu unterbinden.
Die in 9A gezeigte Wärmepumpe implementiert alle drei Aspekte, nämlich zum einen den Aspekt der Umschaltung zwischen dem Überbrückungsmodus und dem Freikühlungsmodus oder Normalmodus. Die Wärmepumpe in 9A implementiert auch den zweiten Aspekt, nämlich die Doppel-Verwendung des verdampferseitigen Temperatursensors einerseits, im Überbrückungsmodus, zur Wärmeabgabegeräts-Steuerung und andererseits, im Freikühlungs- und insbesondere im Normalmodus zur Kompressorsteuerung. Die Wärmepumpe in 9A implementiert auch den dritten Aspekt, nämlich die Verwendung zweier verschiedener Temperatursensoren, nämlich des „unteren” Temperatursensors in der Nähe des Verdampfers, dessen Ausgangssignal lediglich dazu verwendet wird, den Kompressor einerseits oder das Wärmeabgabegerät andererseits zu steuern, jedoch keine Modusumschaltung zu bewirken. Dagegen wird eine verflüssigerseitige Temperaturmessung, wie beispielsweise durch die Sensoren 42, 43 dazu verwendet, um eine Modusumschaltung zu erreichen, wobei jedoch durch die Ausgangssignale dieser Sensoren keine Kompressorsteuerung bzw. Wärmeabgabesteuerung im Wärmeabgabegerät erreicht wird.
Die drei genannten erfinderischen Aspekte können, wie es in 9A gezeigt wird, zusammen verwendet werden. Die Aspekte können jedoch auch einzeln oder in Paaren eingesetzt werden.
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 stellte beispielsweise das in den 1 bis 3, 5, 6, 7, 8, 9 gezeigte Blockschaltbild gleichermaßen ein Flussdiagramm eines entsprechend erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steuerung, beispielsweise die Steuerung 29 von 1, 2, 9A als Software oder Hardware implementiert werden kann, wobei die Vorschriften der Tabelle in 9B oder in 4 in Software oder Hardware ausgeführt werden können. Die Implementierung der Steuerung 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 programmbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren zum Pumpen von Wärme bzw. zum Betreiben einer Wärmepumpe ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein 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 auch als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012208174 A1 [0007]
EP 2016349 B1 [0052]

Claims

Wärmepumpe mit folgenden Merkmalen: einem Verdampfer (10) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b); einem Verflüssiger (12) mit einem Verflüssigereinlass (12a) und einem Verflüssigerauslass (12b); einer Umschalteinrichtung (24, 26, 27, 28, 94, 96) zum Betreiben der Wärmepumpe in einem ersten Betriebsmodus oder einem zweiten Betriebsmodus, wobei die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus einen Rücklauf (15a) eines zu kühlenden Gebietes (14) mit einem Hinlauf (17a) eines zu wärmenden Gebietes (16) zu verbinden, und um einen Rücklauf (17b) des zu wärmenden Gebietes mit einem Hinlauf (15a) des zu kühlenden Gebietes (14) zu verbinden, und wobei die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, um in einem zweiten Betriebsmodus den Rücklauf (15a, 15c) des zu kühlenden Gebietes (14) mit dem Verdampfereinlass (10a) oder dem Verflüssigereinlass (12a) zu verbinden, und den Rücklauf (17b, 17d) des zu wärmenden Gebietes (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a) oder dem Verdampfereinlass (10a) zu verbinden.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, bei der die Umschalteinrichtung (24, 26, 27, 28, 94, 96) ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus den Rücklauf (15c, 15a) des zu kühlenden Gebietes oder den Hinlauf (15b, 15c) des zu kühlenden Gebietes von dem Verdampfer (10) zu trennen, so dass keine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Hinlauf und dem Rücklauf einerseits und dem Verdampfereinlass (10a) und dem Verdampferauslass (10b) andererseits existiert, oder bei der die Umschalteinrichtung ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus den Hinlauf (17a, 17c) des zu wärmenden Gebietes und dem Rücklauf (17b, 17d) des zu wärmenden Gebietes von dem Verflüssiger (12) zu trennen, so dass keine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Hinlauf und dem Rücklauf einerseits und dem Verflüssigereinlass (12a) und dem Verflüssigerauslass (12b) andererseits existiert.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, die ferner einen Temperaturanheber (34) für eine von dem Verdampfer (10) verdampfte Arbeitsflüssigkeit aufweist, wobei die Wärmepumpe ausgebildet ist, um in dem zweiten Betriebsmodus den Temperaturanheber (34) mit Leistung zu versorgen, und in dem ersten Betriebsmodus den Temperaturanheber (34) nicht mit Leistung zu versorgen oder mit einer Leistung zu versorgen, die kleiner als 10% der Leistung im zweiten Betriebsmodus ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 3, bei der der Verdampfer (10), der Temperaturanheber (34) und der Verflüssiger (12) ventillos gekoppelt sind.
Wärmepumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner eine Temperatursensoreinheit (41, 42, 43) aufweist, die ausgebildet ist, um eine erste Temperatur (41) bezüglich des Verdampfers oder eine zweite Temperatur (42, 43) bezüglich des Verflüssigers zu erfassen, wobei die Wärmepumpe ferner eine Steuerung (29) aufweist, die mit der Temperatursensoreinheit gekoppelt ist und ausgebildet ist, um abhängig von einer erfassten Temperatur die Umschalteinrichtung (24, 26, 27, 28, 94, 96) zu steuern, so dass die Umschalteinrichtung von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschaltet.
Wärmepumpe nach Anspruch 5, bei der die Temperatursensoreinrichtung ausgebildet ist, um in dem zweiten Betriebsmodus die zweite Temperatur (T_12b) an dem Verflüssigerauslass (12b) zu erfassen, um eine weitere Temperatur (T_14b) an dem Verflüssigereinlass (12a) zu erfassen, wobei der Verflüssigereinlass mit dem Rücklauf des zu kühlenden Gebietes verbunden ist, und wobei die Steuerung ausgebildet ist, um von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umzuwechseln, wenn die weitere Temperatur (T_14b) größer oder gleich der zweiten Temperatur (T_12b) ist, oder bei der die Temperatursensoreinrichtung ausgebildet ist, um in dem zweiten Betriebsmodus die erste Temperatur (T_14a) an dem Verdampferauslass (10b) zu erfassen, und um eine noch weitere Temperatur (T_16b) an dem Verdampfereinlass (10a) zu erfassen, wobei der Verdampfereinlass (10a) mit dem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet verbunden ist, und wobei die Steuerung ausgebildet ist, um von dem zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus umzuwechseln, wenn die erste Temperatur (T_14a) kleiner oder gleich der noch weiteren Temperatur (T_16b) ist.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Umschalteinrichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Schalter (24), dessen Eingang mit dem Rücklauf (15b) des zu kühlenden Gebietes (14) gekoppelt ist, und dessen erster Ausgang mit einem ersten Koppler (28) gekoppelt ist, und dessen zweiter Ausgang mit dem Verdampfereinlass gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter (26), dessen Eingang mit dem Rücklauf (16b) des zu wärmenden Gebietes (16) gekoppelt ist, dessen erster Ausgang mit dem Verflüssigereinlass (12a) gekoppelt ist, und dessen zweiter Ausgang mit einem zweiten Koppler (27) gekoppelt ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 7, bei der der erste Koppler (28) oder der zweite Koppler (27) als 3-Wege-Verzweigung oder als Umschalter ausgebildet ist.
Wärmepumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Umschalteinrichtung folgende Merkmale aufweist: einen Eingangs-Schalter (94); und einen Ausgangs-Schalter (96); wobei der Eingangs-Schalter folgende Merkmale aufweist: einen ersten Eingang (15a), der mit dem Rücklauf des zu kühlenden Gebietes koppelbar ist; einen zweiten Eingang (22), der mit dem Ausgangs-Schalter (96) gekoppelt ist; einen ersten Ausgang (20), der mit dem Ausgangs-Schalter (96) gekoppelt ist; einen zweiten Ausgang (14b), der mit dem Ausgangs-Schalter oder dem Verflüssigereinlass koppelbar ist; einen dritten Ausgang (10a), der mit dem Verdampfereinlass gekoppelt ist, oder wobei der Ausgangs-Schalter folgende Merkmale aufweist: einen ersten Eingang (17b), der mit dem Rücklauf des zu wärmenden Gebietes koppelbar ist; einen zweiten Eingang (20), der mit dem Eingangs-Schalter (94) gekoppelt ist; einen ersten Ausgang (22), der mit dem Eingangs-Schalter (94) gekoppelt ist; einen zweiten Ausgang (16b), der mit dem Eingangs-Schalter oder dem Verdampfereinlass koppelbar ist; einen dritten Ausgang (12a), der mit dem Verflüssigereinlass gekoppelt ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 9, die eine Steuerung (29) aufweist, um den Eingangs-Schalter so anzusteuern, dass in dem ersten Betriebsmodus der erste Eingang (15a) des Eingangs-Schalters mit dem ersten Ausgang (20) gekoppelt ist; in dem zweiten Betriebsmodus, der ein Freikühlungsmodus ist, der erste Eingang (15a) mit dem zweiten Ausgang (14b) gekoppelt ist, und in einem dritten Betriebsmodus der erste Eingang (15a) mit dem dritten Ausgang (10a) gekoppelt ist, oder bei dem die Steuerung (29) ausgebildet ist, um den Ausgangs-Schalter so anzusteuern, dass in dem ersten Betriebsmodus der erste Eingang (17b) mit dem ersten Ausgang (22) gekoppelt ist; in dem zweiten Betriebsmodus, der ein Freikühlungsmodus ist, der erste Eingang (17b) mit dem zweiten Ausgang (16b) gekoppelt ist, und in dem dritten Betriebsmodus, der erste Eingang (17b) mit dem dritten Ausgang (12a) gekoppelt ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, bei der die Steuerung ausgebildet ist, um den Eingangs-Schalter (94) so anzusteuern, dass in dem ersten Betriebsmodus ein vierter Ausgang (15b) des Eingangs-Schalters, der mit einem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet koppelbar ist, mit dem zweiten Eingang (22) gekoppelt ist, in dem zweiten Betriebsmodus ein dritter Eingang (16b), der mit dem Ausgangs-Schalter gekoppelt ist, mit einem dritten Ausgang (10a) gekoppelt ist; in dem dritten Betriebsmodus, der vierte Ausgang mit einem vierten Eingang (10b), der mit dem Verdampferauslass gekoppelt ist, verbunden ist, oder bei dem die Steuerung (29) ausgebildet ist, um den Ausgangs-Schalter so anzusteuern, dass in dem ersten Betriebsmodus der zweite Eingang (20) mit einem vierten Ausgang (17a) verbunden ist, der mit einem Hinlauf in das zu wärmende Gebiet verbunden ist, in dem zweiten Betriebsmodus ein dritter Eingang (14b), der mit dem Eingangs-Schalter (94) verbunden ist, mit dem dritten Ausgang (12a) verbunden ist, und in dem dritten Betriebsmodus ein vierter Eingang (12b), der mit einem Rücklauf des Verflüssigers verbunden ist, mit dem vierten Ausgang verbunden ist.
Wärmepumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, die folgende Merkmale aufweist: eine Steuerungseinrichtung (29), die ausgebildet ist, um von einer Temperatursensoreinrichtung (41, 42, 43, 44) eine verflüssigerseitige erste Temperatur und eine verdampferseitige zweite Temperatur zu erfassen, wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um die Umschalteinrichtung in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn die erste Temperatur in einem ersten Temperaturbereich ist, um die Umschalteinrichtung in dem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, wenn die erste Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich liegt; um die Umschalteinrichtung in einem dritten Betriebsmodus zu betreiben, wenn die erste Temperatur in einem dritten Temperaturbereich liegt, wobei der erste Temperaturbereich Temperaturen aufweist, die niedriger sind als Temperaturen in dem zweiten Temperaturbereich, und wobei der zweite Temperaturbereich Temperaturen aufweist, die niedriger sind als Temperaturen in dem dritten Temperaturbereich.
Wärmepumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Steuerung ausgebildet ist, um basierend auf einer zweiten verdampferseitigen Temperatur in dem ersten Betriebsmodus ein Steuersignal (36b) für eine Wärmeabgabeeinrichtung (82) in dem zu wärmenden Bereich (16) zu liefern, und um in dem zweiten Betriebsmodus und einem dritten Betriebsmodus, der ein Normalmodus ist, basierend auf der verdampferseitigen Temperatur eine Drehzahlregelung eines Radialrads eines Verdichters zum Verdichten von verdampftem Arbeitsdampf zu liefern.
Wärmepumpe nach Anspruch 13, bei die Steuerung ausgebildet ist, um in dem zweiten Betriebsmodus und dem dritten Betriebsmodus eine Drehzahl des Radialrads zu erhöhen, wenn die zweite Temperatur höher als eine Soll-Temperatur ist, und um die Drehzahl des Radialrads zu erniedrigen, wenn die zweite Temperatur kleiner als eine Soll-Temperatur ist, und bei der die Steuerungseinrichtung (29) ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus einen Wert des Steuersignals proportional oder umgekehrt proportional zu einer Abweichung der zweiten Temperatur von der Soll-Temperatur zu verändern.
Wärmepumpe nach Anspruch 13 oder 14, die das Wärmeabgabegerät (82) für den zu wärmenden Bereich (16) aufweist, wobei das Wärmeabgabegerät eine steuerbare Pumpe (92), einen steuerbaren Ventilator (95) oder einen 3-Wege-Verteiler (93) zum Mischen eines Rücklaufs mit einem Hinlauf zu dem zu erwärmenden Gebiet einerseits und einem Rücklauf von dem Wärmeabgabegerät aufweist.
Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der die Temperatursensoreinrichtung ausgebildet ist, um die erste Temperatur an dem Verflüssigereinlass (12a) zu erfassen, und um die zweite Temperatur an dem Hinlauf (15a) in das zu kühlende Gebiet zu erfassen.
Verfahren zum Pumpen von Wärme mit einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer (10) mit einem Verdampfereinlass (10a) und einem Verdampferauslass (10b), und mit einem Verflüssiger (12) mit einem Verflüssigereinlass (12a) und einem Verflüssigerauslass (12b), mit folgenden Schritten: in einem ersten Betriebsmodus, Verbinden eines Rücklauf (15a) des zu kühlenden Gebietes (14) mit einem Hinlauf (17a) eines zu wärmenden Gebietes (16) und eines Rücklaufs (17b) des zu wärmenden Gebietes mit einem Hinlauf (15a) des zu kühlenden Gebietes (14), und in einem zweiten Betriebsmodus, Verbinden des Rücklaufs (15a, 15c) des zu kühlenden Gebietes (14) mit dem Verdampfereinlass (10a) oder dem Verflüssigereinlass (12a), und des Rücklaufs (17b, 17d) des zu wärmenden Gebiets (16) mit dem Verflüssigereinlass (12a) oder dem Verdampfereinlass (10a).
Wärmepumpensystem mit folgenden Merkmalen: einem zu wärmenden Gebiet (16) mit einem Rücklauf (16b) von dem zu wärmenden Gebiet (16); einem zu kühlenden Gebietes (14) mit einem Rücklauf (14b) von dem zu kühlenden Gebiet (14); und einer Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16.