DE102016204152A1

DE102016204152A1 - Wärmepumpenanlage mit Wärmetauschern, Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage und Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage

Info

Publication number: DE102016204152A1
Application number: DE102016204152.5A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kniffler; Holger Sedlak
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: VERTIV SRL, IT
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-14
Also published as: WO2017157808A1

Abstract

Eine Wärmepumpenanlage umfasst eine Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einen ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einen zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; eine erste Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und eine zweite Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, wobei die Wärmepumpenanlage eine Betriebsposition hat, wobei in der Betriebsposition die erste Pumpe (208) und die zweite Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) und des zweiten Wärmetauschers (214) angeordnet sind, und wobei die Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen zum Heizen, Kühlen oder für eine sonstige Anwendung einer Wärmepumpe.
8A und 8B stellen eine Wärmepumpe dar, wie sie in dem europäischen Patent EP 2016349 B1 beschrieben ist. Die Wärmepumpe umfasst zunächst einen Verdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 8A nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15°C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist z. B. Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Es können alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendet werden. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese ”Wasserstoffe”, die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als ”R 718” bekannt ist, ein für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R134a entspricht.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 8A mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22°C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24°C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme(-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Darüber kann, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt verwendet, werden, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strömungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie – ähnlich einer Flugzeugturbine – das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Stattdessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen die Reinheit beeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit – wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen – ohne Weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten – einer Kläranlage zugeführt werden.
Die Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems, und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen.
8B zeigt eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und den diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen, woraus sich ergibt, dass insbesondere für Wasser als Arbeitsmedium recht niedrige Drücke im Verdampfer zu wählen sind.
Die DE 4431887 A1 offenbart eine Wärmepumpenanlage mit einem leichtgewichtigen, großvolumigen Hochleistungs-Zentrifugalkompressor. Ein Dampf, der einen Kompressor einer zweiten Stufe verlässt, besitzt eine Sättigungstemperatur, die die Umgebungstemperatur oder diejenige eines verfügbaren Kühlwassers übersteigt, wodurch eine Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Der komprimierte Dampf wird von dem Kompressor der zweiten Stufe in die Kondensatoreinheit überführt, die aus einer Schüttschicht besteht, die innerhalb einer Kühlwassersprüheinrichtung an einer Oberseite, die durch eine Wasserzirkulationspumpe versorgt wird, vorgesehen ist. Der komprimierte Wasserdampf steigt in dem Kondensor durch die Schüttschicht an, wo sie in direktem Gegenstromkontakt mit dem nach unten strömenden Kühlwasser gelangt. Der Dampf kondensiert und die latente Wärme der Kondensation, die durch das Kühlwasser absorbiert wird, wird an die Atmosphäre über das Kondensat und das Kühlwasser ausgestoßen, die zusammen aus dem System entfernt werden. Der Kondensor wird kontinuierlich mit nicht kondensierbaren Gasen mittels einer Vakuumpumpe über eine Rohrleitung gespült.
Die WO 2014072239 A1 offenbart einen Verflüssiger mit einer Kondensationszone zum Kondensieren von zu kondensierendem Dampf in einer Arbeitsflüssigkeit. Die Kondensationszone ist als Volumenzone ausgebildet und hat eine seitliche Begrenzung zwischen dem oberen Ende der Kondensationszone und dem unteren Ende. Ferner umfasst der Verflüssiger eine Dampfeinleitungszone, die sich entlang des seitlichen Endes der Kondensationszone erstreckt und ausgebildet ist, um zu kondensierenden Dampf seitlich über die seitliche Begrenzung in die Kondensationszone zuzuführen. Damit wird, ohne das Volumen des Verflüssigers zu vergrößern, die tatsächliche Kondensation zu einer Volumenkondensation gemacht, weil der zu verflüssigende Dampf nicht nur frontal von einer Seite in ein Kondensationsvolumen bzw. in die Kondensationszone eingeleitet wird, sondern seitlich und vorzugsweise von allen Seiten. Damit wird nicht nur sichergestellt, dass das zur Verfügung gestellte Kondensationsvolumen bei gleichen äußeren Abmessungen im Vergleich zu einer direkten Gegenstromkondensation vergrößert wird, sondern dass gleichzeitig auch die Effizienz des Kondensators verbessert wird, weil der zu verflüssigende Dampf in der Kondensationszone eine Stromrichtung quer zu der Strömungsrichtung der Kondensationsflüssigkeit aufweist.
Bei Wärmepumpenanlagen ist insbesondere dann, wenn Wärmepumpenanlagen zum Heizen oder Kühlen eingesetzt werden sollen, zum Beispiel aber nicht ausschließlich im Bereich kleiner bzw. mittlerer Leistungen nachteilhaft, wenn die Wärmepumpenanlagen unzuverlässig laufen bzw. sehr sperrig sind. Eine solche Problematik kann auftreten, wenn die Arbeitsflüssigkeit z. B. bei relativ niedrigem Druck gehalten wird, wie es beispielsweise bei Wasser als Arbeitsflüssigkeit der Fall ist. Dann ist insbesondere bei der Verwendung von Pumpen zu beachten, dass der Druck in der Arbeitsflüssigkeit auf der Saugseite der Pumpe nicht zu gering wird. Würde dies nämlich auftreten, dann würde die Aktivität der Pumpe, nämlich wenn das Pumpenrad der Flüssigkeit Energie zuführt, dazu führen, dass in der Flüssigkeit Blasen entstehen. Diese Blasen fallen dann wieder in sich zusammen. Dieser Vorgang wird als „Kavitieren” bezeichnet. Findet ein Kavitieren überhaupt bzw. mit einer bestimmten Intensität statt, so kann diese auf die Dauer zu Beschädigungen der Pumpenräder und damit zu einer reduzierten Standzeit der Wärmepumpenanlage führen. Darüber hinaus führt ein bereits beschädigtes, jedoch noch laufendes Pumpenrad dazu, dass die Pumpeffizienz nachlässt. Wenn diese nachlassende Effizienz der Pumpe mit einer höheren Pumpleistung aufgefangen wird, führt dies zu einem Energieverbrauch, der prinzipiell nicht sein müsste und damit zu einer reduzierten Effizienz der Wärmepumpenanlage. Wird dagegen die Pumpleistung nicht kompensiert, so führt eine bereits durch zu starke Kavitation beschädigte, jedoch noch lauffähige Pumpe dazu, dass das geförderte Pumpvolumen kleiner wird, was ebenfalls in einer reduzierten Effizienz der Wärmepumpenanlage resultiert.
Weitere Aspekte einer Wärmepumpenanlage mit Wärmetauschern besteht darin, wie die Wärmepumpenanlage in Betrieb genommen werden kann, wobei bei einer ersten Inbetriebnahme oder bei einer Inbetriebnahme nach einem Wartungsstopp die Wärmetauscher zu befüllen sind. So ist prinzipiell ein Wärmetauscher auf der Kaltwasserseite und ein Wärmetauscher an der Warmwasser- oder Kühlwasserseite vorgesehen. Für diese Wärmetauscher, die typischerweise sehr schwer sind, gilt, dass sie mit Pumpen und Wärmepumpenstufen günstig gekoppelt werden sollen, und dass sie zusätzlich wartungsfreundlich sind und insbesondere auch derart installiert sind, dass eine Inbetriebnahme oder Außerbetriebnahme der Wärmepumpenanlage möglichst einfach und damit sicher und servicefreundlich stattfinden kann.
Ein weiterer Punkt, der eine erhebliche Rolle spielt, ist die Verwendung von mehreren Wärmepumpenstufen in einer Wärmepumpenanlage und die Verkopplung der Wärmepumpenstufen untereinander oder mit diversen Pumpen oder diversen Wärmetauschern, um eine optimale Wärmepumpenanlage zu schaffen, die effizient arbeitet, die eine gute Standzeit hat, oder die flexibel für diverse Betriebsbedingungen einsetzbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Wärmepumpenanlage, ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanlage nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage nach Patentanspruch 31 oder ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage nach Patentanspruch 32 gelöst.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Wärmetauscher unten in der Wärmepumpenanlage angeordnet, und zwar unterhalb der Pumpen. Eine solche Wärmepumpenanlage umfasst eine Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer und vorzugsweise mehreren Wärmepumpenstufen. Ferner ist ein erster Wärmetauscher an einer zu kühlenden Seite vorgesehen. Darüber hinaus ist ein zweiter Wärmetauscher an einer zu erwärmenden Seite vorgesehen. Ferner existiert eine erste Pumpe, die mit dem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, und eine zweite Pumpe, die mit dem zweiten Wärmetauscher gekoppelt ist. Die Wärmepumpenanlage hat eine Betriebsposition, in der die erste Pumpe und die zweite Pumpe oberhalb des ersten und des zweiten Wärmetauschers angeordnet sind. Darüber hinaus ist die Wärmepumpeneinheit mit der einen oder den mehreren Wärmepumpenstufen oberhalb der ersten und der zweiten Pumpe angeordnet.
Vorteile dieser Anordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der tiefe Schwerpunkt. Die Wärmetauscher sind typischerweise am schwersten. Oberhalb der Wärmetauscher ist bei dem Ausführungsbeispiel das Pumpenmodul angeordnet, wobei ferner gegebenenfalls bei der Verwendung mehrerer Wärmepumpenstufen ein Mischermodul wieder oberhalb des Pumpenmoduls angeordnet ist. Der eine oder die mehreren Behälter mit dem einen der den mehreren Verdichtern der Wärmepumpenstufen sind am höchsten Punkt angeordnet. Ein besonderer Vorteil bei den Anordnungen der Verdichter am höchsten Punkt besteht darin, dass sie im Aus-Zustand trocken sind. Dann läuft nämlich die Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, aufgrund der Schwerkraft nach unten ab.
Diese Anordnung mit unten vorgesehenen Wärmetauschern zeichnet sich durch einen leichten Aufbau aus. Zunächst werden die Wärmetauscher z. B. in einem Wärmepumpenanlagengestell montiert. Dann wird das Pumpenmodul, gegebenenfalls das Mischer- bzw. Wegemodul und schließlich die eine oder die mehreren Wärmepumpenstufen aufgesetzt. Vorzugsweise werden hier die Wärmetauscher liegend angeordnet. Dies führt dazu, dass beim Befüllen der Wärmepumpenanlage bei einer ersten Inbetriebnahme oder bei einer Inbetriebnahme nach einem Wartungsintervall keine Lufteinschlüsse stattfinden, dass die Wärmepumpenanlage also selbstentlüftend ist.
Darüber hinaus wird es bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt, dass sämtliche Pumpen in Fallrohren, also nicht in Steigrohren angeordnet sind. Insbesondere sind die Pumpen so angeordnet, dass die Saugseite der Pumpe im Fallrohr möglichst weit unten angeordnet ist. Damit wird bereits kinetische Energie aus der Fallhöhe der Wassersäule gewonnen und der Druck auf der Saugseite der Pumpe ist höher als in einer von unten nach oben verlaufenden Steigleitung. Damit wird die minimale Wassersäule auf der Saugseite der Pumpe kleiner als vom Pumpenhersteller gefordert. Damit kann zum einen eine Kavitation überhaupt bzw. eine zu starke Kavitation verhindert werden. Zum anderen wird eine kompakte Wärmepumpenanlage erreicht, die für einen Einsatz keinen besonders großen Raum in Anspruch nimmt. Dies liegt daran, dass die Rohrverbindungen vor der Saugseite der Pumpe kurz gemacht werden können. Damit wird die gesamte Anlage kompakter und damit weniger sperrig. Auch Gewichtseinsparungen können durch einen kompakteren Aufbau erreicht werden.
Bei einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wärmepumpenanlage mit Pumpen versehen, die ganz unten angeordnet sind. Daher wird alternativ zu dem beschriebenen ersten Aspekt gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung in der Betriebsposition die erste und die zweite Pumpe unterhalb der Wärmepumpeneinheit an einem unteren Ende der Wärmepumpenanlage angeordnet. Darüber hinaus sind bei dieser Anordnung in der Betriebsposition der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher ebenfalls unterhalb der Wärmepumpeneinheit am unteren Ende neben den Pumpen angeordnet. Um also einer Kavitation effizient vorzubeugen, werden die Pumpen am tiefsten Punkt der Wärmepumpenanlage angeordnet. Darüber hinaus werden die Pumpen waagerecht eingebaut, so dass der maximale Staudruck vor der Saugseite der Pumpe existiert. Damit wird effizient Kavitation vermieden und damit die Beschädigung der Pumpräder. Der nötige Staudruck vor der Saugseite der Pumpe bestimmt den kleinstmöglichen Höhenunterschied zwischen der Wärmepumpenstufe, also dem Behälter mit Verflüssiger, Verdampfer und Verdichter und der entsprechenden Pumpe. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher bei dem zweiten Aspekt aufrecht montiert, damit beim Befüllen Lufteinschlüsse vermieden werden. Darüber hinaus wird durch die stehende Lage der Wärmetauscher die nötige Rohrverbindung vom Wärmetauscher zurück in den Verdampfer bzw. in den Verflüssiger kürzer, weil der Wärmetauscher selbst, der typischerweise beträchtliche Längen haben kann, als Verbindungsleitung gewissermaßen doppelt genutzt wird.
Bei einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wärmepumpenanlage nicht mit lediglich einer einzigen Wärmepumpenstufe betrieben, sondern mit zwei oder mehreren Wärmepumpenstufen. Hierbei wird die Wärmepumpenstufe mit einem ersten Verdichter, einem ersten Verflüssiger und einem ersten Verdampfer gewissermaßen in Kette mit einer zweiten bzw. weiteren Wärmepumpenstufe mit einem zweiten Verdichter, einem zweiten Verflüssiger und einem zweiten Verdampfer geschaltet. Hierzu wird der erste Verflüssigerausgang des ersten Verflüssigers mit einem zweiten Verdampfereingang des zweiten Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe über eine Verbindungsleitung verbunden. Damit wird die wärmste Flüssigkeit der Wärmepumpenstufe in den Verdampfer, also das kälteste Gebiet der weiteren Wärmepumpenstufe eingeleitet, um dort wieder gekühlt zu werden. Die Wärmepumpenstufen werden also nicht parallel geschaltet, sondern in Kette. Je nach Implementierung kann der Eingang des Verflüssigers der ersten Wärmepumpenstufe mit dem Ausgang des Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe gekoppelt werden oder aber, wie es bei bestimmten Ausführungsbeispielen bevorzugt wird, in ein steuerbares Wegemodul geführt werden, um die Wärmepumpenanlage mit der Wärmepumpenstufe und der weiteren Wärmepumpenstufe in diversen an die Heizung bzw. Kühlungsaufgabe optimal angepassten Betriebsmodi zu betreiben.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung, der die Kettenschaltung zweier Wärmepumpenstufen betrifft, ist der erste Verflüssiger der Wärmepumpenstufe in der Betriebsposition oberhalb des zweiten Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe angeordnet, so dass die Arbeitsflüssigkeit aufgrund der Schwerkraft von dem ersten Verflüssiger in den zweiten Verdampfer in der Verbindungsleitung fließt. Damit kann hier eine Pumpe eingespart werden. Eine Zwischenkreispumpe ist lediglich nötig, um Arbeitsflüssigkeit vom Verdampfer der weiteren Wärmepumpenstufe wieder auf ein höheres Niveau bezüglich der Betriebsposition in den Verflüssiger der Wärmepumpenstufe, also der ersten Wärmepumpenstufe, zu bringen. Damit kann eine Wärmepumpenanlage mit zwei Wärmepumpenstufen effizient mit lediglich drei Pumpen betrieben werden, nämlich einer ersten Pumpe, die mit dem Eingang in den kälteseitigen Wärmetauscher gekoppelt ist, einer zweiten Pumpe, die mit dem Eingang in den wärmeseitigen Wärmetauscher gekoppelt ist, und einer Zwischenkreispumpe, die mit dem Ausgang des Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe gekoppelt ist.
Die Anordnung von weiteren Wärmepumpenstufen kann ebenfalls als Kettenschaltung stattfinden, wobei wiederum dann, wenn die jeweiligen Verflüssiger der niedrigeren Wärmepumpenstufe oberhalb des jeweiligen Verdampfers der höheren Wärmepumpenstufe angeordnet sind, auch hier wieder Pumpen eingespart werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Stufe oder weitere Stufen auch parallel oder seriell oder auf andere Weise mit den beiden in Kette geschalteten Wärmepumpen gekoppelt werden.
Der Raum, der sich unter der höher angeordneten Wärmepumpenstufe ergibt, wird vorzugsweise dafür verwendet, um ein Wegemodul unterzubringen, das steuerbar ist, um verschiedene Betriebsmodi zu implementieren. Diverse Betriebsmodi umfassen einen Hochleistungsmodus, einen Mittelleistungsmodus, einen Freikühlungsmodus oder einen Niederleistungsmodus, wobei gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Steuerung vorgesehen ist, um das steuerbare Wegemodul so einzustellen, dass wenigstens zwei dieser vier Betriebsmodi implementiert werden. Bei anderen Ausführungsformen werden drei und bei wieder anderen Ausführungsformen werden alle vier Betriebsmodi implementiert. Durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Wärmepumpenstufen können weitere Betriebsmodi, also mehr als vier Betriebsmodi implementiert werden.
Aufgrund der Anordnung der Pumpen und der Wärmetauscher gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt werden fast nur noch gerade Punkt-zu-Punkt Verbindungen erreicht, die für einen kompakten Aufbau und eine Kavitationsvermeidung günstig sind.
Durch den Höhenunterschied der beiden Behälter kann, wie es dargelegt worden ist, auf eine Pumpe zwischen dem Verflüssigerausgang des höheren Behälters und dem Verdampfereingang des niedrigeren Behälters verzichtet werden. Der durch den Höhenunterschied der beiden Behälter entstehende Platz wird für den steuerbaren Wegeumschalter eingesetzt, durch den die Wärmepumpenanlage in unterschiedliche Modi umgeschaltet werden kann, um eine optimale Anpassung an diverse Betriebsbedingungen zu erreichen.
Die Anordnung der beiden Wärmepumpenstufen und die Verschaltung der Wärmepumpenstufen gemäß einer Kettenschaltung, also durch Verbinden des Verflüssigerausgangs des Verflüssigers der ersten Stufe mit dem Verdampfereingang des Verdampfers der weiteren Stufe ermöglicht, dass in jedem Betriebsmodus die bereits vorhandene Infrastruktur eingesetzt wird. Beide Wärmepumpenstufen werden daher unabhängig davon, ob sie aktiv sind, also ob der jeweilige Verdichter läuft oder nicht, durch die Arbeitsflüssigkeit durchströmt. Es werden somit keine Bypassleitungen oder Ventile benötigt. Stattdessen werden, um von einem Betriebsmodus zu einem anderen Betriebsmodus zu kommen, die Wege in einem 2×2-Wege-Schalter-Array umgeschaltet.
Dies ermöglicht es, dass eine inaktive Wärmepumpenstufe, also eine Wärmepumpenstufe, bei der der Verdichter nicht aktiv ist, bei der also auf Verdampfer- und Verflüssigerseite der gleiche Druck herrscht, ohne weitere Maßnahmen durch Starten des Verdichters in den Betrieb genommen werden kann. Die Anlage ist somit derart ausgebildet, dass hierfür keine speziellen Anfahr- oder Evakuierungsmaßnahmen nötig sind, sondern eine Wärmepumpenstufe wird gestartet, wenn der Verdichter in Betrieb genommen wird, und wird gestoppt, wenn der Verdichter außer Betrieb genommen wird. Dennoch werden die Zuläufe für den Verdampfer und den Verflüssiger und die Abläufe aus dem Verdampfer und dem Verflüssiger einer Stufe trotz deaktiviertem Verdichter nach wie vor durchströmt. Dies stellt sicher, dass eine optimale Bereitschaft erreicht wird, ohne dass hierfür ein besonderer Energieverbrauch stattfinden muss.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine effiziente Arbeitsflüssigkeitstransporteinrichtung eingesetzt. Es hat sich herausgestellt, dass sich Arbeitsflüssigkeit im Verdampfer der niedrigeren Stufe, also der Stufe, die auf der zu erwärmenden Seite thermodynamisch angeordnet ist, ansammelt. Um hier einen Ausgleich wieder zum Verdampfer im höher liegenden Behälter zu ermöglichen, wird ein selbstregelndes System, das z. B. einen Überlauf und ein U-Rohr haben kann, eingesetzt. Das U-Rohr ist an eine Engstelle vor einer Pumpe im Verdampferkreis des höheren Behälters angeschlossen. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vor der Pumpe sinkt der Druck und Wasser aus dem U-Rohr kann aufgenommen werden. Das System ist insoweit selbstregelnd, weil sich im U-Rohr ein stabiler Wasserstand einstellt, der dem Druck vor der Pumpe in der Engstelle und im Verdampfer des niedrigeren Behälters genügt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Wärmepumpenstufe mit verschränkter Verdampfer/Kondensiereranordnung;
2A eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit unten liegenden Wärmetauschern gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2B eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit unten liegenden Pumpen gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
3A eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit in Kette geschalteter erster und weiterer Wärmepumpenstufe gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
3B eine schematische Darstellung von zwei fest in Kette geschalteten Wärmepumpenstufen;
4A eine schematische Darstellung von mit steuerbaren Wegeschaltern gekoppelten in Kette geschalteten Wärmepumpenstufen.
4B eine schematische Darstellung eines steuerbaren Wegemoduls mit drei Eingängen und drei Ausgängen;
4C eine Tabelle zur Darstellung der verschiedenen Verbindungen des steuerbaren Wegemoduls für verschiedene Betriebsmodi;
5 eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage von 4A mit zusätzlichem selbstregelndem Flüssigkeitsausgleich zwischen den Wärmepumpenstufen;
6A eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Hochleistungsmodus (HLM) betrieben wird;
6B eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Mittelleistungsmodus (MKM) betrieben wird;
6C eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Freikühlungsmodus (FKM) betrieben wird;
6D eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Niederleistungsmodus (NLM) betrieben wird;
7A eine Tabelle zur Darstellung der Betriebszustände diverser Komponenten in den verschiedenen Betriebsmodi;
7B eine Tabelle zur Darstellung der Betriebszustände der beiden gekoppelten steuerbaren 2×2-Wegeschalter;
7C eine Tabelle zur Darstellung der Temperaturbereiche für die die Betriebsmodi geeignet sind;
7D eine schematische Darstellung der Grob/Fein-Steuerung über die Betriebsmodi einerseits und die Drehzahlsteuerung andererseits;
8A eine schematische Darstellung einer bekannten Wärmepumpenanlage mit Wasser als Arbeitsmittel; und
8B eine Tabelle zur Darstellung verschiedener Druck/Temperatursituationen für Wasser als Arbeitsflüssigkeit.
1 zeigt eine Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer zum Verdampfen von Arbeitsflüssigkeit in einem Verdampferraum 102. Die Wärmepumpe umfasst ferner einen Kondensator zum Verflüssigen von verdampfter Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensatorraum 104, der von einem Kondensatorboden 106 begrenzt ist. Wie es in 1 gezeigt ist, die als Schnittdarstellung oder als Seitenansicht angesehen werden kann, ist der Verdampferraum 102 zumindest teilweise von dem Kondensatorraum 104 umgeben. Ferner ist der Verdampferraum 102 durch den Kondensatorboden 106 von dem Kondensatorraum 104 getrennt. Darüber hinaus ist der Kondensatorboden mit einem Verdampferboden 108 verbunden, um den Verdampferraum 102 zu definieren. In einer Implementierung ist oberhalb am Verdampferraum 102 oder an anderer Stelle ein Kompressor 110 vorgesehen, der in 1 nicht näher ausgeführt ist, der jedoch prinzipiell ausgebildet ist, um verdampfte Arbeitsflüssigkeit zu komprimieren und als komprimierten Dampf 112 in den Kondensatorraum 104 zu leiten. Der Kondensatorraum ist ferner nach außen hin durch eine Kondensatorwand 114 begrenzt. Die Kondensatorwand 114 ist ebenfalls wie der Kondensatorboden 106 an dem Verdampferboden 108 befestigt. Insbesondere ist die Dimensionierung des Kondensatorbodens 106 in dem Bereich, der die Schnittstelle zum Verdampferboden 108 bildet, so, dass der Kondensatorboden bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig von der Kondensatorraumwand 114 umgeben ist. Dies bedeutet, dass sich der Kondensatorraum, wie es in 1 gezeigt ist, bis zum Verdampferboden erstreckt, und dass sich der Verdampferraum gleichzeitig sehr weit nach oben, typischerweise nahezu durch fast den gesamten Kondensatorraum 104 erstreckt.
Diese ”verschränkte” oder ineinandergreifende Anordnung von Kondensator und Verdampfer, die sich dadurch auszeichnet, dass der Kondensatorboden mit dem Verdampferboden verbunden ist, liefert eine besonders hohe Wärmepumpeneffizienz und erlaubt daher eine besonders kompakte Bauform einer Wärmepumpe. Größenordnungsmäßig ist die Dimensionierung der Wärmepumpe z. B. in einer zylindrischen Form so, dass die Kondensatorwand 114 einen Zylinder mit einem Durchmesser zwischen 30 und 90 cm und einer Höhe zwischen 40 und 100 cm darstellt. Die Dimensionierung kann jedoch je nach erforderliche Leistungsklasse der Wärmepumpe gewählt werden, findet jedoch vorzugsweise in den genannten Dimensionen statt. Damit wird eine sehr kompakte Bauform erreicht, die zudem einfach und günstig herstellbar ist, weil die Anzahl der Schnittstellen, insbesondere für den fast unter Vakuum stehenden Verdampferraum ohne weiteres reduziert werden kann, wenn der Verdampferboden gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dahin gehend ausgeführt wird, dass er sämtliche Flüssigkeits-Zu- und Ableitungen umfasst und damit keine Flüssigkeits-Zu- und Ableitungen von der Seite oder von oben nötig sind.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Betriebsrichtung der Wärmepumpe so ist, wie sie in 1 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass der Verdampferboden im Betrieb den unteren Abschnitt der Wärmepumpe definiert, jedoch abgesehen von Verbindungsleitungen mit anderen Wärmepumpen oder zu entsprechenden Pumpeneinheiten. Dies bedeutet, dass im Betrieb der im Verdampferraum erzeugte Dampf nach oben steigt und durch den Motor umgelenkt wird und von oben nach unten in den Kondensatorraum eingespeist wird, und dass die Kondensatorflüssigkeit von unten nach oben geführt wird, und dann von oben in den Kondensatorraum zugeführt wird und dann im Kondensatorraum von oben nach unten fließt, wie beispielsweise durch einzelne Tröpfchen oder durch kleine Flüssigkeitsströme, um mit dem vorzugsweise quer zugeführten komprimierten Dampf zu Zwecken einer Kondensation zu reagieren.
Diese ineinander ”verschränkte” Anordnung, dahin gehend, dass der Verdampfer fast vollständig oder sogar vollständig innerhalb des Kondensators angeordnet ist, ermöglicht eine sehr effiziente Ausführung der Wärmepumpe mit optimaler Platzausnutzung. Nachdem der Kondensatorraum sich bis zum Verdampferboden hin erstreckt, ist der Kondensatorraum innerhalb der gesamten ”Höhe” der Wärmepumpe oder zumindest innerhalb eines wesentlichen Abschnitts der Wärmepumpe ausgebildet. Gleichzeitig ist jedoch auch der Verdampferraum so groß als möglich, weil er sich ebenfalls nahezu fast über die gesamte Höhe der Wärmepumpe erstreckt. Durch die ineinander verschränkte Anordnung im Gegensatz zu einer Anordnung, bei der der Verdampfer unterhalb des Kondensators angeordnet ist, wird der Raum optimal genutzt. Dies ermöglicht zum einen einen besonders effizienten Betrieb der Wärmepumpe und zum anderen einen besonders platzsparenden und kompakten Aufbau, weil sowohl der Verdampfer als auch der Verflüssiger sich über die gesamte Höhe erstrecken. Damit geht zwar die ”Dicke” des Verdampferraums und auch des Verflüssigerraums zurück. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Reduktion der ”Dicke” des Verdampferraums, der sich innerhalb des Kondensators verjüngt, unproblematisch ist, weil die Hauptverdampfung im unteren Bereich stattfindet, wo der Verdampferraum nahezu das gesamte Volumen, das zur Verfügung steht, ausfüllt. Andererseits ist die Reduktion der Dicke des Kondensatorraums besonders im unteren Bereich, also dort wo der Verdampferraum nahezu den gesamten zur Verfügung stehenden Bereich ausfüllt, unkritisch, weil die Hauptkondensation oben stattfindet, also dort, wo der Verdampferraum bereits relativ dünn ist und damit ausreichend Platz für den Kondensatorraum zurücklässt. Die ineinander verschränkte Anordnung ist somit optimal dahin gehend, dass jedem Funktionsraum dort das große Volumen gegeben wird, wo dieser Funktionsraum das große Volumen auch benötigt. Der Verdampferraum hat unten das große Volumen, während der Kondensatorraum oben das große Volumen hat. Dennoch trägt auch das entsprechende kleine Volumen, das für den jeweiligen Funktionsraum dort verbleibt, wo der andere Funktionsraum das große Volumen hat, zu einer Effizienzsteigerung bei im Vergleich zu einer Wärmepumpe, bei der die beiden Funktionselemente übereinander angeordnet sind, wie es z. B. in der WO 2014072239 A1 der Fall ist.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Kompressor derart an der Oberseite des Kondensatorraums angeordnet, dass der komprimierte Dampf durch den Kompressor einerseits umgelenkt und gleichzeitig in einen Randspalt des Kondensatorraums eingespeist wird. Damit wird eine Kondensation mit besonders hoher Effizienz erreicht, weil eine Querstromrichtung des Dampfes zu einer herabfließenden Kondensationsflüssigkeit erreicht wird. Diese Kondensation mit Querströmung ist besonders im oberen Bereich, wo der Verdampferraum groß ist, wirksam und benötigt im unteren Bereich, wo der Kondensatorraum zugunsten des Verdampferraums klein ist, keinen besonders großen Bereich mehr, um dennoch eine Kondensation von bis zu diesem Bereich vorgedrungenen Dampfpartikeln zu erlauben.
Ein Verdampferboden, der mit dem Kondensatorboden verbunden ist, ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er den Kondensator-Zu- und Ablauf und den Verdampfer-Zu- und Ablauf in sich aufnimmt, wobei zusätzlich noch bestimmte Durchführungen für Sensoren in den Verdampfer bzw. in den Kondensator vorhanden sein können. Damit wird erreicht, dass keine Durchführungen von Leitungen für den Kondensator-Zu- und Ablauf durch den nahezu unter Vakuum stehenden Verdampfer nötig sind. Dadurch wird die die gesamte Wärmepumpe weniger fehleranfällig, weil jede Durchführung durch den Verdampfer eine Möglichkeit für ein Leck darstellen würde. Dazu ist der Kondensatorboden an den Stellen, an denen die Kondensator-Zu- und Abläufe sind, mit einer jeweiligen Aussparung versehen, dahin gehend, dass in dem Verdampferraum, der durch den Kondensatorboden definiert wird, keine Kondensator-Zu/Abführungen verlaufen.
Der Kondensatorraum wird durch eine Kondensatorwand begrenzt, die ebenfalls an dem Verdampferboden anbringbar ist. Der Verdampferboden hat somit eine Schnittstelle sowohl für die Kondensatorwand als auch den Kondensatorboden und hat zusätzlich sämtliche Flüssigkeits-Zuführungen sowohl für den Verdampfer als auch den Verflüssiger.
Bei bestimmten Ausführungen ist der Verdampferboden ausgebildet, um Anschlussstutzen für die einzelnen Zuführungen zu haben, die einen Querschnitt haben, der sich von einem Querschnitt der Öffnung auf der anderen Seite des Verdampferbodens unterscheidet. Die Form der einzelnen Anschlussstutzen ist dann so ausgebildet, dass sich die Form bzw. Querschnittsform über der Länge des Anschlussstutzens verändert, jedoch der Rohrdurchmesser, der für die Strömungsgeschwindigkeit eine Rolle spielt, in einer Toleranz von ±10% nahezu gleich ist. Damit wird verhindert, dass durch den Anschlussstutzen fließendes Wasser zu kavitieren beginnt. Damit wird aufgrund der guten durch die Formung der Anschlussstutzen erhaltenen Strömungsverhältnisse sichergestellt, dass die entsprechenden Rohre/Leitungen so kurz wie möglich gemacht werden können, was wiederum zu einer kompakten Bauform der gesamten Wärmepumpe beiträgt.
Bei einer speziellen Implementierung des Verdampferbodens wird der Kondensatorzulauf nahezu in Form einer ”Brille” in einen zwei- oder mehrteiligen Strom aufgeteilt. Damit ist es möglich, die Kondensatorflüssigkeit im Kondensator an seinem oberen Abschnitt an zwei oder mehreren Punkten gleichzeitig einzuspeisen. Damit wird eine starke und gleichzeitig besonders gleichmäßige Kondensatorströmung von oben nach unten erreicht, die es ermöglicht, dass eine hocheffiziente Kondensation des ebenfalls von oben in den Kondensator eingeführten Dampfes erreicht wird.
Eine weitere kleiner dimensionierte Zuführung im Verdampferboden für Kondensatorwasser kann ebenfalls vorgesehen sein, um damit einen Schlauch zu verbinden, der dem Kompressormotor der Wärmepumpe Kühlflüssigkeit zuführt, wobei zur Kühlung nicht die kalte, dem Verdampfer zugeführte Flüssigkeit verwendet wird, sondern die wärmere, dem Kondensator zugeführte Flüssigkeit, die jedoch immer noch bei typischen Betriebssituationen kühl genug ist, um den Motor der Wärmepumpe zu kühlen.
Der Verdampferboden zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Kombinationsfunktionalität hat. Zum einen stellt er sicher, dass keine Kondensatorzuleitungen durch den unter sehr geringem Druck stehenden Verdampfer hindurchgeführt werden müssen. Andererseits stellt er eine Schnittstelle nach außen dar, die vorzugsweise eine kreisrunde Form hat, da bei einer kreisrunden Form möglichst viel Verdampferfläche verbleibt. Alle Zu- und Ableitungen führen durch den einen Verdampferboden und laufen von dort in entweder den Verdampferraum oder den Kondensatorraum. Insbesondere eine Herstellung des Verdampferbodens aus Kunststoffspritzguss ist besonders vorteilhaft, weil die vorteilhaften relativ komplizierten Formgebungen der Zu/Ablaufstutzen in Kunststoffspritzguss ohne weiteres und preisgünstig ausgeführt werden können. Andererseits ist es aufgrund der Ausführung des Verdampferbodens als gut zugängliches Werkstück ohne weiteres möglich, den Verdampferboden mit ausreichender struktureller Stabilität herzustellen, damit er insbesondere dem niedrigen Verdampferdruck ohne weiteres standhalten kann.
In der vorliegenden Anmeldung betreffen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente, wobei nicht alle Bezugszeichen in allen Zeichnungen, sofern sie sich wiederholen, erneut dargelegt werden.
2A zeigt eine Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpeneinheit, die wenigstens eine Wärmepumpenstufe 200 umfasst, wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe 200 einen Verdampfer 202, einen Verdichter 204 und einen Verflüssiger 206 aufweist. Ferner ist ein erster Wärmetauscher 212 an einer zu kühlenden Seite vorgesehen. Darüber hinaus ist ein zweiter Wärmetauscher 214 an einer zu erwärmenden Seite vorgesehen. Die Wärmepumpenanlage umfasst darüber hinaus eine erste Pumpe 208, die mit dem ersten Wärmetauscher 212 gekoppelt ist, und eine zweite Pumpe 210, die mit dem zweiten Wärmetauscher 214 gekoppelt ist. Die Wärmepumpenanlage hat eine Betriebsposition, also eine Position, in der sie normal betrieben wird. Diese Betriebsposition ist so, wie sie in 2A dargestellt ist. In der Betriebsposition sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 oberhalb des ersten Wärmetauschers 212 und des zweiten Wärmetauschers 214 angeordnet. Darüber hinaus ist die Wärmepumpeneinheit, die die wenigstens eine Wärmepumpenstufe 200 umfasst, oberhalb der ersten Pumpe 208 und der zweiten Pumpe 210 angeordnet.
Der erste Wärmetauscher 212 umfasst einen Zulauf 240 und einen Ablauf 241. Der Zulauf 240 und der Ablauf 241 sind mit der Wärmepumpeneinheit gekoppelt. Bei der Implementierung, bei der die Wärmepumpeneinheit lediglich eine einzige Wärmepumpenstufe hat, wie sie beispielhaft in 2A bei 200 dargestellt ist, ist der Zulauf 240 in den Wärmetauscher 212 über die Pumpe 208 mit einem Verdampferablauf 220 über eine Rohrleitung 208 vor der Pumpe 208 und eine Rohrleitung 230 nach der Pumpe 208 gekoppelt. Darüber hinaus ist der Ablauf 241 aus dem Wärmetauscher 212 mit dem Verdampferzulauf 222 des Verdampfers 202 über eine Rohrleitung 234 gekoppelt. Darüber hinaus ist ein Kondensiererablauf 224 des Kondensierers bzw. Verflüssigers 206 über die Pumpe 210 und ein Rohr 236 mit einem Zulauf 242 in den zweiten Wärmetauscher 214 gekoppelt. Außerdem ist ein Ablauf 243 des zweiten Wärmetauschers 214 über ein Rohr mit einem Kondensierer bzw. Verflüssigerzulauf 226 des Verflüssigers 206 gekoppelt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Rohre 228, 232, 234, 238 auch mit anderen Elementen gekoppelt sein können, insbesondere dann, wenn die Wärmepumpeneinheit nicht nur die eine Stufe 208, sondern zwei Stufen aufweist, wie es beispielhaft in den 3A, 3B, 4A, 5, 6A bis 6D gezeigt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Wärmepumpeneinheit eine beliebige Anzahl von Stufen, also beispielsweise außer zwei Stufen auch drei Stufen, vier, fünf, etc. Stufen umfassen kann.
Bei dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Zulauf und der Ablauf des ersten Wärmetauschers in der Betriebsposition senkrecht oder wenigsten in einem Winkel kleiner als 45° zu einer Senkrechten angeordnet. Ferner ist eine Saugseite der Pumpe 208 über das Rohr 228 mit der Wärmepumpeneinheit und hier beispielhaft mit dem Verdampferablauf 220 gekoppelt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass in der Leitung 228 genauso wie in der Leitung 234, wie es durch die Pfeile dargestellt ist, in Betrieb eine Strömung an Arbeitsflüssigkeit von oben nach unten fließt. Entsprechend sind auch der Zulauf 242 in den zweiten Wärmetauscher und der Ablauf 243 aus dem zweiten Wärmetauscher mit Rohren 234, 236, 238 verbunden, und zwar mit der dazwischengeschalteten Pumpe 208 bzw. 210 Auch diese Rohre sind soweit als möglich senkrecht und auf jeden Fall in einem Winkel kleiner als 45° angeordnet. Damit wird eine optimale Ausrichtung der Wärmepumpenanlage und insbesondere der einzelnen Komponenten der Wärmepumpenanlage erreicht, weil besonders die Saugseiten der Pumpen 208, 210 jeweils in einem möglichst senkrechten Fallrohr 228 bzw. 234 angeordnet sind. Damit ist vor der jeweiligen Pumpe ein optimaler Staudruck vorhanden, dahingehend, dass die Pumpen 208, 210 ohne oder nur mit einer sehr geringen Kavitation arbeiten.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Wärmetauscher 212, 214 liegend angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass beim Befüllen der Anlage keine Lufteinschlüsse im Wärmetauscher stattfinden, dass die Wärmetauscher also selbstentlüftend sind. Liegend bedeutet ferner, dass die Wärmetauscher quaderförmig sind, und damit eine Grundfläche haben, die flächenausdehnungsmäßig kleiner als die Seitenfläche ist. Der Wärmetauscher 212 und der Wärmetauscher 214 haben somit eine längliche Form, wobei die längere Seite des Quaders liegend, also horizontal bzw. in einem Winkel kleiner als 45° bezüglich der Horizontalen angeordnet ist.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die beiden Pumpen 208, 210 näher an dem ersten Wärmetauscher bzw. dem zweiten Wärmetauscher 214 angeordnet sind als an einem Anschlusspunkt an der Wärmepumpeneinheit. Dies bedeutet, dass das Rohr 228 länger als das Rohr 230 ist, und dass auch das Rohr 234 länger als das Rohr 236 ist.
Ferner ist die Wärmepumpeneinheit so ausgebildet, dass wenigstens ein Einlass oder ein Auslass eines Verdampfers oder Verflüssigers einer Wärmepumpenstufe, der mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, so angeordnet ist, dass er aus der Wärmepumpenstufe in Betriebsposition senkrecht nach unten oder in einem Winkel kleiner als 45° von einer Vertikalen aus der Wärmepumpenstufe austritt. Die Auslässe 220, 234 bzw. die Einlässe 222, 226 sind senkrecht gezeichnet, wobei diese Position bevorzugt wird. Darüber hinaus ist die Wärmepumpenstufe 200 vorzugsweise in der verschränkten Anordnung ausgebildet, wie sie auch anhand von 1 beschrieben worden ist, dass sich nämlich ein Dampfzuführungskanal 250, durch den Dampf vom Verdampfer 202 zum Verdichter 204 geleitet wird, in dem entsprechenden Kondensierer erstreckt. Darüber hinaus ist die Wärmepumpenstufe 200 vorzugsweise in der verschränkten Anordnung ausgebildet, wie sie auch anhand von 1 beschrieben worden ist, dass sich nämlich ein Dampfzuführungskanal 250, durch den Dampf vom Verdampfer 202 zum Verdichter 204 geleitet wird, durch den Verflüssiger 206 erstreckt. Darüber hinaus ist der Dampfzuführungskanal zwischen dem Verdichter 204 und dem Kondensierer 206, der bei 251 gezeichnet ist, oberhalb des Verflüssigers 206 angebracht.
Außerdem ist der Verflüssiger 204, wie es in 2A gezeigt ist, ebenfalls so angeordnet, dass er sich oberhalb des Verflüssigers 206 erstreckt, so dass in einem Aus-Zustand Arbeitsflüssigkeit von dem Verdichter weg aufgrund der Schwerkraft läuft. Der Verdichter ist also in einem trockenen Zustand, wenn die Wärmepumpenstufe 200 deaktiviert ist, was dadurch geschieht, dass der Verdichtermotor 204 ausgeschaltet wird.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass vorzugsweise als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe ausgebildet ist, um einen Druck zu halten, bei dem das Wasser bei Temperaturen unter 50°C verdampfen kann. Insbesondere bei der zweistufigen Anordnung, auf die noch Bezug nehmend auf 3A, 3B, 4A, 6A bis 6D und 5 hingewiesen wird, wird die Verdampfung in die erste Wärmepumpenstufe beispielsweise bei Temperaturen von 20°C bis 30°C stattfinden und wird die Verdampfung in der zweiten Wärmepumpenstufe z. B. bei Temperaturen zwischen 40°C und 50°C stattfinden. Je nach Implementierung können die Temperaturen jedoch niedriger sein, wie es beispielhaft anhand von 8 oder 7C dargestellt ist.
Vorzugsweise ist die gesamte Wärmepumpenanlage an einem Trägergestell montiert, das nicht gezeigt ist. Insbesondere sind der erste und der zweite Wärmetauscher 212, 214 unten an dem Trägergestell befestigt. Darüber hinaus sind die erste Pumpe und die zweite Pumpe durch einen Pumpenhalter miteinander verbunden und sind als Pumpenmodul an dem Trägergestell oberhalb des ersten und des zweiten Wärmetauschers 212, 214 befestigt. Die wenigstens eine Wärmepumpenstufe ist dann oberhalb des Pumpenträgers angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen ausgebildet und hat eine Höhe, die kleiner als 2,50 m ist, eine Breite, die kleiner als 2 m ist und eine Tiefe, die kleiner als 1 m ist.
2A zeigt den ersten Aspekt, bei dem die Wärmepumpenanlage an einem unteren Ende angeordnet die Wärmetauscher aufweist.
Dagegen zeigt 2B den zweiten Aspekt, bei dem die Pumpen ganz unten angeordnet sind und bei bevorzugten Implementierungen des zweiten Aspekts die Wärmetauscher 212, 214 stehend und/oder neben den Pumpen angeordnet sind. Insbesondere ist gemäß dem zweiten Aspekt in 2B einen Wärmepumpenanlage gezeigt, die die Wärmepumpenstufe 200 mit dem ersten Verdichter 204, dem ersten Verflüssiger 206 und dem ersten Verdampfer 202 aufweist. Darüber hinaus ist, wie es auch in 2A gezeigt ist, ein Expansionsorgan 207 vorgesehen, um den Flüssigkeitsausgleich zwischen dem Verflüssiger 206 und dem Verdampfer 202 zu schaffen. Darüber hinaus sind der erste Wärmetauscher 212 und der zweite Wärmetauscher 214 einer zu kühlenden Seite bzw. einer zu erwärmenden Seite zugeordnet. Darüber hinaus ist die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 vorgesehen, wobei die erste Pumpe 208 mit dem ersten Wärmetauscher 212 gekoppelt ist, und wobei die zweite Pumpe 210 mit dem zweiten Wärmetauscher 214 gekoppelt ist. Wieder hat die Wärmepumpenanlage eine Betriebsposition, die so ist, wie sie schematisch in 2B dargestellt ist.
Die erste und die zweite Pumpe sind in der Betriebsposition unterhalb der Wärmepumpeneinheit 200 an einem unteren Ende der Wärmepumpenanlage angeordnet. Darüber hinaus sind in der Betriebsposition der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher ebenfalls unterhalb der Wärmepumpeneinheit an dem unteren Ende neben den Pumpen 208, 210 angeordnet, wie es schematisch in 2B gezeigt ist. Insbesondere sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 so angeordnet, dass eine Pumprichtung der jeweiligen Pumpe in der Betriebsposition waagrecht verläuft oder um höchstens ±45° von der Waagrechten abweicht. Darüber hinaus sind die beiden Wärmetauscher 212, 214 bzw. wenigstens einer der beiden Wärmetauscher 212, 214 stehend angeordnet, wobei der erste Anschluss 240, 242 des ersten bzw. zweiten Wärmetauschers 212, 214 mit einer Pumpseite der jeweiligen Pumpe 208, 210 gekoppelt ist, und wobei der zweite Anschluss 241, 243 des ersten bzw. zweiten Wärmetauschers 212 bzw. 214 oberhalb des jeweiligen ersten Anschlusses 240, 242 des entsprechenden Wärmetauschers angeordnet ist. In anderen Worten ist der Wärmetauscher 212 so angeordnet, dass der zweite Anschluss 241, der den Ablauf von dem ersten Wärmetauscher 212 darstellt, in der Betriebsrichtung oberhalb des ersten Anschlusses 240 angeordnet ist, der den Zulauf darstellt. Entsprechend ist bei dem zweiten Wärmetauscher 214 der Ablauf, also der zweite Anschluss 243 in Betriebsposition oberhalb des Zulaufs 242 bzw. des ersten Anschlusses 242 des zweiten Wärmetauschers 214 angeordnet. Die stehende Anordnung ist von Vorteil, weil damit beim Befüllen der Wärmetauscher Lufteinschlüsse vermieden werden. Darüber hinaus wird durch die stehende Lage des Wärmetauschers die Rohrverbindung, und insbesondere das Rohr 232 bzw. 238 kürzer im Vergleich zu einer liegenden Anordnung. Dies liegt daran, dass die Erstreckung des Wärmetauschers gewissermaßen bereits als Verbindungsrohr eingesetzt wird. Der Wärmetauscher wird also nicht nur als Wärmetauscherelement, sondern auch als Verbindungsleitung benutzt.
Darüber hinaus sind die Pumpen soweit als möglich unten angeordnet, und zwar vorzugsweise waagrecht, so dass der nötige Staudruck vor der Saugseite der Pumpe durch ein maximal langes vertikales Rohr vor der Pumpe bei vorgegebener Höhe der gesamten Wärmepumpenanlage ohne Weiteres erreicht wird, um eine Pumpenkavitation zu vermeiden. Ferner umfasst das erste Rohr 228, durch das der Verdampferausgang 220 mit der Saugseite der Pumpe 208 gekoppelt ist, eine Krümmung, wobei es bevorzugt wird, dass die Krümmung näher an der Saugseite der Pumpe 208 als an dem Verdampferausgang 220 angeordnet ist. Entsprechend ist auch die Krümmung in dem zweiten Rohr 234 von dem Kondensiererausgang 224 zur Saugseite der Pumpe 210 näher an der Pumpe als an dem Kondensiererausgang 224 angeordnet, um eine möglichst lange senkrechte Strecke zu haben, durch die der nötige Staudruck erreicht wird, durch die also bereits das herabstürzende Arbeitsmedium einen guten Schub an kinetischer Energie erhält.
3A zeigt einen dritten Aspekt einer Wärmepumpenanlage, wobei die Wärmepumpenanlage der dritten Stufe eine beliebige Anordnung an Pumpen oder Wärmetauschern aufweisen kann, wobei jedoch, wie es noch anhand der 3B, 4A, 5 dargelegt wird, bevorzugt wird, die Anordnung gemäß dem ersten Aspekt zu verwenden. Alternativ kann jedoch auch die Anordnung gemäß dem zweiten Aspekt, also mit soweit als möglich unten angeordneten Pumpen und vorzugsweise stehenden Wärmetauschern eingesetzt werden.
Insbesondere umfasst eine Wärmepumpenanlage, wie sie in 3A gezeigt ist, eine Wärmepumpenstufe 200, d. h. die Stufe n + 1 mit einem ersten Verdampfer 202, einem ersten Verdichter 204 und einem ersten Verflüssiger 206, wobei der Verdampfer 202 über dem Dampfkanal 250 mit dem Verdichter 204 gekoppelt ist, und sobald der Verdichter 204 über den Dampfkanal 251 mit dem Verflüssiger 206 gekoppelt ist. Es wird bevorzugt, wieder die verschränkte Anordnung zu verwenden, es können jedoch auch beliebige Anordnungen in der Wärmepumpenstufe 200 eingesetzt werden. Der Eingang 222 in den Verdampfer 202 und der Ausgang 220 aus dem Verdampfer 202 sind je nach Implementierung entweder mit einem zu kühlenden Gebiet oder mit einem Wärmetauscher, wie beispielsweise dem Wärmetauscher 212 zu dem zu kühlenden Gebiet oder mit einer weiteren vorher angeordneten Wärmepumpenstufe, nämlich beispielsweise der Wärmepumpenstufe n verbunden, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich Null ist.
Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpenanlage in 3A eine weitere Wärmepumpenstufe 300, d. h. die Stufe n + 2, mit einem zweiten Verdampfer 302, einem zweiten Verdichter 304 und einem zweiten Verflüssiger 306. Insbesondere ist der Ausgang 224 des ersten Verflüssigers mit einem Verdampfereingang 322 des zweiten Verdampfers 320 über eine Verbindungsleitung 332 verbunden. Der Ausgang 320 des Verdampfers 302 der weiteren Wärmepumpenstufe 300 kann je nach Implementierung mit dem Einlass in den Verflüssiger 206 der ersten Wärmepumpenstufe 200 verbunden sein, wie es durch eine gestrichelte Verbindungsleitung 334 gezeigt ist. Der Ausgang 320 des Verdampfers 302 kann jedoch auch, wie es noch anhand der 4A, 6A bis 6D und 5 dargestellt ist, mit einem steuerbaren Wegemodul verbunden sein, um alternative Implementierungen zu erreichen. Generell ist jedoch aufgrund der festen Verbindung des Verflüssigerausgangs 224 der ersten Wärmepumpenstufe mit dem Verdampfereingang 322 der weiteren Wärmepumpenstufe eine Kettenschaltung erreicht.
Diese Kettenschaltung stellt sicher, dass jede Wärmepumpenstufe mit einer möglichst geringen Temperaturspreizung arbeiten muss, also mit einer möglichst geringen Differenz zwischen der erwärmten Arbeitsflüssigkeit und der gekühlten Arbeitsflüssigkeit. Durch Hintereinanderschalten, also durch eine Kettenschaltung solcher Wärmepumpenstufen wird damit erreicht, dass dennoch eine ausreichend große Gesamtspreizung erreicht wird. Die Gesamtspreizung wird somit in mehrere Einzelspreizungen aufgeteilt. Die Kettenschaltung ist insbesondere deswegen von besonderem Vorteil, weil damit wesentlich effizienter gearbeitet werden kann. Der Verbrauch an Verdichterleistung für zwei Stufen, die jeweils eine kleinere Temperaturspreizung bewältigen müssen, ist kleiner als die Verdichterleistung für eine einzige Wärmepumpenstufe, die eine große Temperaturspreizung erreichen muss. Außerdem sind die Anforderungen an die einzelnen Komponenten bei zwei in Kette geschalteten Stufen in technischer Hinsicht entspannter.
Wie es in 3A gezeigt ist, kann der Verflüssigerausgang 324 des Verflüssigers 306 der weiteren Wärmepumpenstufe 300 mit dem zu wärmenden Gebiet gekoppelten, wie es z. B. Bezug nehmend auf 3B anhand des Wärmetauschers 214 dargestellt ist. Alternativ kann jedoch auch der Ausgang 324 des Verflüssigers 306 der zweiten Wärmepumpenstufe wieder über ein Verbindungsrohr mit einem Verdampfer einer weiteren Wärmepumpenstufe, also der (n + 3)-Wärmepumpenstufe gekoppelt sein. 3A zeigt somit je nach Implementierung eine Kettenschaltung von z. B. vier Wärmepumpenstufen, wenn n = 1 genommen wird. Wenn jedoch n beliebig genommen wird, zeigt 3A eine Kettenschaltung von beliebig vielen Wärmepumpenstufen, wobei insbesondere die Kettenschaltung der Wärmepumpenstufe (n + 1), die mit 200 bezeichnet ist, und der weiteren Wärmepumpenstufe 300, die mit (n + 2) bezeichnet ist, detaillierter ausgeführt ist und die n-Wärmepumpenstufe genauso wie die (n + 3)-Wärmepumpenstufe auch nicht als Wärmepumpenstufe, sondern jeweils als Wärmetauscher oder als zu kühlendes bzw. zu erwärmendes Gebiet ausgeführt sein kann.
Vorzugsweise ist, wie es z. B. in 3B gezeigt ist, der Verflüssiger der ersten Wärmepumpenstufe 200 oberhalb des Verdampfers 302 der zweiten Wärmepumpenstufe angeordnet, so dass die Arbeitsflüssigkeit durch die Verbindungsleitung 332 aufgrund der Schwerkraft fließt. Insbesondere bei der in 3B gezeigten speziellen Implementierung der einzelnen Wärmepumpenstufen ist der Verflüssiger ohnehin oberhalb des Verdampfers angeordnet. Diese Implementierung ist besonders günstig, weil selbst bei miteinander ausgerichteten Wärmepumpenstufen die Flüssigkeit bereits aus dem Verflüssiger der ersten Stufe in den Verdampfer der zweiten Stufe durch die Verbindungsleitung 332 fließt. Zusätzlich wird es jedoch bevorzugt, einen Höhenunterschied zu erreichen, der wenigstens 5 cm zwischen der Oberkante der ersten Stufe und der Oberkante der zweiten Stufe umfasst. Diese Abmessung, die bei 340 in 3B gezeigt ist, beträgt jedoch vorzugsweise 20 cm, da dann für die beschriebene Implementierung eine optimale Wasserleitung von der ersten Stufe 200 zu der zweiten Stufe 300 über die Verbindungsleitung 332 stattfindet. Dadurch wird ferner erreicht, dass in der Verbindungsleitung 332 keine spezielle Pumpe benötigt wird. Diese Pumpe wird daher eingespart. Es wird lediglich die Zwischenkreispumpe 330 benötigt, um von dem Ausgang 320 des Verdampfers der zweiten Stufe 300, die niedriger als die erste Stufe angeordnet ist, die Arbeitsflüssigkeit zurück in den Kondensierer der ersten Stufe, also in den Eingang 226 zu bringen. Hierzu ist der Ausgang 320 über die Rohrleitung 334 mit der Saugseite der Pumpe 330 verbunden. Die Pumpseite der Pumpe 330 ist über das Rohr 336 mit dem Eingang 226 des Kondensierers verbunden. Die in 3B gezeigte Kettenschaltung der beiden Stufen entspricht 3A mit der Verbindung 334. Vorzugsweise ist die Zwischenkreispumpe 330 ebenfalls wie die beiden anderen Pumpen 208 und 210 unten angeordnet, da dann auch in der Zwischenkreisleitung 334 eine Kavitation verhindert werden kann, weil aufgrund der Platzierung der Zwischenkreispumpe 330 im Fallrohr 334 ein ausreichender Staudruck der Pumpe erreicht wird.
Obgleich in 3B die Konfiguration gemäß dem ersten Aspekt gezeigt ist, dass also die Wärmetauscher 212, 214 unterhalb der Pumpen 208, 210 und 330 angeordnet sind, kann auch die Anordnung der Pumpen 208, 210 neben den Wärmetauschern 212, 214 verwendet werden, wie es gemäß dem zweiten Aspekt dargelegt worden ist.
Wie es in 3B gezeigt ist, umfasst die erste Stufe das Expansionselement 207 und die zweite Stufe ein Expansionselement 307. Da jedoch über die Verbindungsleitung 332 ohnehin Arbeitsflüssigkeit aus dem Verflüssiger 206 der ersten Stufe austritt, ist das Expansionselement 207 entbehrlich. Dagegen wird das Expansionselement 307 in der unteren Stufe vorzugsweise verwendet. So kann bei einem Ausführungsbeispiel die erste Stufe ohne Expansionselement gebaut werden, und es wird lediglich ein Expansionselement 307 in der zweiten Stufe vorgesehen. Da es jedoch bevorzugt wird, alle Stufen gleich zu bauen, ist auch in der Wärmepumpenstufe 200 das Expansionselement 207 vorgesehen. Wenn dasselbe implementiert ist, um eine Blasensiedung zu unterstützen, ist das Expansionselement 207 trotz der Tatsache, dass es unter Umständen keine verflüssigte Arbeitsflüssigkeit in den Verdampfer leitet, sondern lediglich erwärmten Dampf, ebenfalls hilfreich.
Dennoch hat sich herausgestellt, dass sich bei der in 3B gezeigten Anordnung Arbeitsflüssigkeit in dem Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 ansammelt. Es wird daher, wie es in 5 dargestellt ist, eine Maßnahme vorgenommen, um Arbeitsflüssigkeit aus dem Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 in den Verdampferkreis der ersten Stufe 200 zu bringen. Hierfür ist eine Überlaufanordnung 502 in dem zweiten Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe angeordnet, um ab einem vordefinierten maximalen Arbeitsflüssigkeitspegel in dem zweiten Verdampfer 302 Arbeitsflüssigkeit wegzuführen. Ferner ist eine Flüssigkeitsleitung 504, 506, 508 vorgesehen, die einerseits mit der Überlaufanordnung 502 gekoppelt ist, und die andererseits mit einer Saugseite der ersten Pumpe 208 an einer Koppelstelle 512 gekoppelt ist. An der Koppelstelle 512 ist ein Druckminderer 510 vorhanden, der vorzugsweise als Druckminderer nach Bernoulli, also als eine Rohr- oder Schlauchengstelle ausgebildet ist. Die Flüssigkeitsleitung umfasst einen ersten Verbindungsabschnitt 504, einen U-förmigen Abschnitt 506 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 508. Vorzugsweise hat der U-förmige Abschnitt 506 eine vertikale Höhe in der Betriebsposition, die wenigstens gleich 5 cm und vorzugsweise 15 cm ist. Damit wird ein selbstregelndes System erhalten, das ohne Pumpe arbeitet. Bei zu hohem Wasserstand in dem Verdampfer 302 des unteren Behälters 300 läuft Arbeitsflüssigkeit über die Verbindungsleitung 504 in das U-Rohr 506. Das U-Rohr ist über die Verbindungsleitung 508 an der Koppelstelle 512 an dem Druckminderer mit der Saugseite der Pumpe 208 gekoppelt. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vor der Pumpe aufgrund der Engstelle 510 sinkt der Druck und Wasser aus dem U-Rohr 506 kann aufgenommen werden. Im U-Rohr stellt sich ein stabiler Wasserstand ein, der dem Druck vor der Pumpe in der Engstelle und im Verdampfer des niedrigeren Behälters genügt. Gleichzeitig stellt das U-Rohr 506 jedoch eine Dampfbarriere dar, dahingehend, dass kein Dampf aus dem Verdampfer 302 in die Saugseite der Pumpe 208 gelangen kann. Die Expansionsorgane 207 bzw. 307 sind vorzugsweise ebenfalls als Überlaufanordnungen ausgebildet, um bei Überschreiten eines vorbestimmten Pegels in einem jeweiligen Verflüssiger Arbeitsflüssigkeit in den jeweiligen Verdampfer zu bringen. Damit werden die Füllstände sämtlicher Behälter, also sämtlicher Verflüssiger und Verdampfer in beiden Wärmepumpenstufen automatisch, ohne Aufwand und ohne Pumpen aber selbstregelnd eingestellt.
Dies ist insbesondere von Vorteil, weil damit Wärmepumpenstufen je nach Betriebsmodus in Betrieb oder außer Betrieb genommen werden können.
4A und 5 zeigen bereits eine detaillierte Darstellung eines steuerbaren Wegemoduls aufgrund des oberen 2×2-Wege-Schalters 421 und des unteren 2×2-Wege-Schalters 422. 4B zeigt eine allgemeine Implementierung des steuerbaren Wegemoduls 420, das durch die beiden seriell geschalteten 2×2-Wege-Schalter 421 und 422 implementiert werden kann, das jedoch auch alternativ implementiert werden. kann.
Das steuerbare Wegemodul 420 von 4B ist mit einer Steuerung 430 gekoppelt, um von dieser über eine Steuerleitung 431 angesteuert zu werden. Die Steuerung empfängt als Eingangssignale Sensorsignale 432 und liefert ausgangsseitig Pumpensteuersignale 436 und/oder Verdichtermotorensteuersignale 434. Die Verdichtermotorensteuersignale 434 führen zu den Verdichtermotoren 204, 304, wie sie beispielsweise in 4A gezeigt sind, und die Pumpensteuersignale 436 führen zu den Pumpen 208, 210, 330. Je nach Implementierung können die Pumpen 208, 210 jedoch fest, also ungesteuert ausgeführt werden, weil sie ohnehin in jedem der anhand der 7A, 7B beschriebenen Betriebsmodi laufen. Lediglich die Zwischenkreispumpe 330 könnte daher durch ein Pumpensteuersignal 436 gesteuert werden.
Das steuerbare Wegemodul 420 umfasst einen ersten Eingang 401, einen zweiten Eingang 402 und einen dritten Eingang 403. Wie es beispielsweise in 4A gezeigt ist, ist der erste Eingang 401 mit dem Ablauf 241 des ersten Wärmetauschers 212 verbunden. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 des steuerbaren Wegemoduls mit dem Rücklauf bzw. Ablauf 243 des zweiten Wärmetauschers 214 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 des steuerbaren Wegemoduls 420 mit einer Pumpseite der Zwischenkreispumpe 330 verbunden.
Ein erster Ausgang 411 des steuerbaren Wegemoduls 420 ist mit einem Eingang 222 in die erste Wärmepumpenstufe 200 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang 412 des steuerbaren Wegemoduls 420 ist mit einem Eingang 226 in den Verflüssiger 206 der ersten Wärmepumpenstufe verbunden. Darüber hinaus ist ein dritter Ausgang 413 des steuerbaren Wegemoduls 420 mit dem Eingang 326 in den Verflüssiger 306 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 verbunden.
Die verschiedenen Eingang/Ausgang-Verbindungen, die durch das steuerbare Wegemodul 420 erreicht werden, sind in 4C dargestellt.
In einem Modus, dem Hochleistungsmodus (HLM) ist der erste Eingang 401 mit dem ersten Ausgang 411 verbunden. Ferner ist der zweite Eingang 402 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden, wie es in der Zeile 451 von 4C dargestellt ist.
Im Mittelleistungsmodus (MLM), in dem lediglich die erste Stufe aktiv ist und die zweite Stufe inaktiv ist, also der Verdichtermotor 304 der zweiten Stufe 300 abgeschaltet ist, ist der erste Eingang 401 mit dem ersten Ausgang 411 verbunden. Ferner ist der zweite Eingang 402 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden, wie es in Zeile 452 dargestellt ist. Zeile 453 zeigt den Freikühlungsmodus, in dem der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist, also der Eingang 401 mit dem Ausgang 412. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 mit dem ersten Ausgang 411 verbunden. Schließlich ist der dritte Eingang 403 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden.
Im Niederleistungsmodus (NLM), der in Zeile 454 dargestellt ist, ist der erste Eingang 401 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 mit dem ersten Ausgang 411 verbunden. Schließlich ist der dritte Eingang 403 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden.
Es wird bevorzugt, das steuerbare Wegemodul durch die zwei seriell angeordneten 2-Wege-Schalter 421 und 422 zu implementieren, wie sie z. B. in 4A dargestellt sind, oder wie sie auch in den 6A bis 6D dargestellt sind. Hierbei hat der erste 2-Wege-Schalter 421 den ersten Eingang 401, den zweiten Eingang 402, den ersten Ausgang 411 und einen zweiten Ausgang 414, der über eine Zwischenverbindung 406 mit einem Eingang 404 des zweiten 2-Wege-Schalters 422 gekoppelt ist. Der 2-Wege-Schalter hat den dritten Eingang 403 als zusätzlichen Eingang und den zweiten Ausgang 412 als Ausgang und den dritten Ausgang 413 ebenfalls als Ausgang.
Die Stellungen der beiden 2×2-Wege-Schalter 421 sind in 7B tabellarisch dargestellt. 6A zeigt die beiden Stellungen der Schalter 421, 422 im Hochleistungsmodus (HLM). Dies entspricht der ersten Zeile in 7B. 6B zeigt die Stellung der beiden Schalter im Mittelleistungsmodus. Der obere Schalter 421 ist im Mittelleistungsmodus genau gleich wie im Hochleistungsmodus. Lediglich der untere Schalter 422 ist umgeschaltet worden. Im Freikühlungsmodus, der in 6C dargestellt ist, ist der untere Schalter gleich wie im Mittelleistungsmodus. Lediglich der obere Schalter ist umgeschaltet worden. Im Niederleistungsmodus schließlich ist der untere Schalter 422 im Vergleich zum Freikühlungsmodus umgeschaltet, während der obere Schalter im Niederleistungsmodus gleich seiner Stellung im Freikühlungsmodus ist. Damit wird sichergestellt, dass von einem benachbarten Modus zum nächsten Modus immer nur ein Schalter umgeschaltet werden muss, während der andere Schalter auf seiner Position verharren kann. Dies vereinfacht die gesamte Umschaltmaßnahme von einem Betriebsmodus zum nächsten.
7A zeigt die Aktivitäten der einzelnen Verdichtermotoren und Pumpen in den verschiedenen Modi. In allen Modi sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 aktiv. Die Zwischenkreispumpe ist in dem Hochleistungsmodus, dem Mittelleistungsmodus und dem Freikühlungsmodus aktiv, jedoch ist im Niederleistungsmodus deaktiviert.
Der Verdichtermotor 204 der ersten Stufe ist im Hochleistungsmodus, im Mittelleistungsmodus und im Freikühlungsmodus aktiv, und ist im Niederleistungsmodus deaktiviert. Darüber hinaus ist der Verdichtermotor der zweiten Stufe lediglich im Hochleistungsmodus aktiv, jedoch im Mittelleistungsmodus, im Freikühlungsmodus und im Niederleistungsmodus deaktiviert.
Es sei darauf hingewiesen, dass 4A den Niederleistungsmodus darstellt, in dem die beiden Motoren 204, 304 deaktiviert sind, und in dem auch die Zwischenkreispumpe 330 aktiviert ist. Dagegen zeigt 3B den gewissermaßen festgekoppelten Hochleistungsmodus, bei dem beide Motoren und alle Pumpen aktiv sind. 5 zeigt wiederum den Hochleistungsmodus, bei dem die Schalterstellungen so sind, dass genau die Konfiguration gemäß 3B erhalten wird.
6A und 6C zeigen ferner verschiedene Temperatursensoren. Ein Sensor 602 misst die Temperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers 212, also am Rücklauf von der zu kühlenden Seite. Ein zweiter Sensor 604 misst die Temperatur am Rücklauf der zu wärmenden Seite, also vom zweiten Wärmetauscher 214. Ferner misst ein weiterer Temperatursensor 606 die Temperatur am Ausgang 220 des Verdampfers der ersten Stufe, wobei diese Temperatur typischerweise die kälteste Temperatur ist. Darüber hinaus ist ein weiterer Temperatursensor 608 vorgesehen, der die Temperatur in der Verbindungsleitung 332 misst, also am Ausgang des Kondensierers der ersten Stufe, der in anderen Figuren mit 224 bezeichnet ist. Darüber hinaus misst der Temperatursensor 610 die Temperatur am Ausgang des Verdampfers der zweiten Stufe 300, also am Ausgang 320 von 3B beispielsweise.
Schließlich misst der Temperatursensor 612 die Temperatur am Ausgang 324 des Verflüssigers 306 der zweiten Stufe 300, wobei diese Temperatur im Vollleistungsmodus die wärmste Temperatur im System ist.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 7C und 7D auf die verschiedenen Stufen bzw. Betriebsmodi der Wärmepumpenanlage, wie sie beispielsweise anhand der 6A bis 6D dargestellt ist, und auch anhand der anderen Figuren dargestellt ist, eingegangen.
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°C.
Dieser Freikühlungsmodus oder (FKM) ist in Zeile 453 in 4C dargestellt und ist insbesondere in 6C dargestellt. So ist insbesondere der Ausgang des kälteseitigen Wärmetauschers mit dem Eingang in den Kondensierer der ersten Stufe verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgang aus dem wärmeseitigen Wärmetauscher 214 mit dem Verdampfereingang der ersten Stufe gekoppelt, und ist der Eingang in den wärmeseitigen Wärmetauscher 214 mit dem Kondensiererablauf der zweiten Stufe 300 verbunden. Die zweite Stufe ist jedoch deaktiviert, so das der Kondensiererablauf 338 von 6C beispielsweise dieselbe Temperatur wie der Kondensierereinlauf 413 hat. Darüber hinaus hat auch der Verdampferablauf 334 der zweiten Stufe dieselbe Temperatur wie der Kondensierereinlauf 413 der zweiten Stufe, so dass die zweite Stufe 300 thermodynamisch gewissermaßen „kurzgeschlossen” ist. Diese Stufe wird jedoch, obgleich der Verdichtermotor deaktiviert ist, von Arbeitsflüssigkeit durchströmt. Die zweite Stufe wird daher nach wie vor als Infrastruktur verwendet, ist jedoch aufgrund des abgeschalteten Verdichtermotors deaktiviert.
Soll nun z. B. vom Mittelleistungsmodus in den Hochleistungsmodus umgeschaltet werden, also von einem Modus, in dem die zweite Stufe deaktiviert ist und die erste Stufe aktiv ist, in einen Modus, in dem beide Stufen aktiv sind, so wird es bevorzugt, zunächst einmal den Verdichtermotor eine bestimmte Zeit, die beispielsweise größer als eine Minute ist und vorzugsweise 5 Minuten beträgt, laufenzulassen, bevor dann der Schalter 422 von der in 6B gezeigten Schalterstellung in die in 6A gezeigte Schalterstellung umgeschaltet wird.
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 Betriebsmodus oder einem anderen Betriebsmodus zu betreiben. In dem einen Betriebsmodus, dem Niederieistungsmodus wird die Wärmepumpe komplett überbrückt, dahingehend, dass der Rücklauf des zu kühlenden Gebietes direkt mit dem Hinlauf des zu wärmenden Gebietes verbunden wird. Darüber hinaus wird in diesem Überbrückungsmodus oder Niederieistungsmodus 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 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 mit einer oder zwei Stufen. 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 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 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 dahingehend vorteilhaft, dass sie besonders effizient wird, wenn Außentemperaturen vorliegen, die z. B. kleiner als 16°C 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 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 Niederleistungs- oder 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 der ersten und/oder zweiten Stufe, 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 mit erste aktiver Stufe oder mit zwei aktiven Stufen bringen.
Bei einer zweistufigen Wärmepumpe wird bei diesem Normalmodus, der dem Mittelleistungsmodus entspricht, 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 als Grobsteuerung vorgenommen wird. Damit wird also lediglich aufgrund eines verflüssigerseitigen Temperatursensors eine Betriebsmodusumschaltung vom Überbrückungsmodus (oder NLM) in den Freikühlungsmodus (oder FKM) und/oder in den Normalmodus (MLM oder HLM) 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 bezüglich der Anordnung und der Zweistufigkeit, sowie bezüglich der Verwendung des Überbrückungsmodus, der Ansteuerung des Wärmeabgabegeräts in dem Überbrückungsmodus oder Freikühlungsmodus und die Ansteuerung des Radialverdichters in dem Freikühlungsmodus oder dem normalen Betriebsmodus oder bezüglich 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 in größeren Gruppen oder auch zusammen kombiniert werden.
7A bis 7D zeigen 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, in dem 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, in dem 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.
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 7C 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.
Dies ist in 7D tabellarisch dargestellt. Ist die Verflüssigertemperatur in einem sehr kalten Temperaturbereich, wird als Reaktion von der Steuerung 430 der erste Betriebsmodus eingestellt. Wird in diesem Modus festgestellt, dass die Verdampfertemperatur kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wird durch ein Steuersignal beim Wärmeabgabegerät 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 430 zu erwarten, wie es durch die Leitungen 431 und 434 dargestellt ist. 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 434. Wird wiederum festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf die erste Stufe in den Normalbetrieb genommen, was durch ein Signal auf der Leitung 434 geschieht. 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 auf der Leitung 434. Wird schließlich festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem sehr warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf eine zweite Stufe im Normalbetrieb zugeschaltet, was wiederum durch ein Signal auf der Leitung 434 geschieht. Je nachdem, ob die Verdampfertemperatur größer oder kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wie es durch Signale auf der Leitung 432 signalisiert wird, wird dann eine Steuerung der ersten und/oder der zweiten Stufe vorgenommen, um auf eine veränderte Situation zu reagieren.
Somit wird 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, dahingehend, 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.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw. „Feinsteuerung” eines Radialverdichters innerhalb des Verdichtermotors 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.
Bei einer Modusumschaltung ist die Steuerung 430 ausgebildet ist, um eine Bedingung für einen Übergang von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodul zu erfassen. Dann wird der Verdichter 304 in der weiteren Wärmepumpenstufe 300 gestartet. Erst nach Versteichen einer vorbestimmten Zeit, die größer als eine Minute ist und vorzugsweise sogar größer als vier oder sogar fünf Minuten ist, wird das steuerbare Wegemodul von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodus umzuschalten. Damit wird erreicht, dass einfach aus dem Stand umgeschaltet werden kann, wobei das Laufenlassen des Verdichtermotors vor der Umschaltung sicherstellt, dass der Druck im Verdampfer kleiner wird als der Druck im Verdichter.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche in 7C variiert werden können. Insbesondere sind die Schwellentemperaturen, zwischen einer sehr kalten Temperatur und einer mittelkalten Temperatur, also der Wert 16°C in 7C sowie zwischen der mittelkalten Temperatur und der warmen Temperatur, also der Wert 22°C in 7C und der Wert zwischen der warmen und der sehr warmen Temperatur, also der Wert 28°C in 7C lediglich beispielhaft. Vorzugsweise ist die Schwellentemperatur zwischen warm und sehr warm, in der eine Umschaltung vom Mittelleistungsmodus zum Hochleistungsmodus stattfindet, zwischen 25 und 30°C. Ferner ist die Schwellentemperatur zwischen warm und mittelkalt, wenn also zwischen dem Freikühlungsmodus und dem Mittelleistungsmodus umgeschaltet wird, in einem Temperaturbereich zwischen 18 und 24°C. Schließlich ist die Schwellentemperatur, bei der zwischen dem mittelkalten Modus und dem sehr kalten Modus umgeschaltet wird, in einem Bereich zwischen 12 und 20°C, wobei die Werte vorzugsweise so gewählt sind, wie sie in der Tabelle in 7C gezeigt sind, jedoch, wie gesagt, in den genannten Bereichen unterschiedlich eingestellt werden können.
Je nach Implementierung und Anforderungsprofil kann die Wärmepumpenanlage jedoch auch in vier Betriebsmodi betrieben werden, die sich ebenfalls unterscheiden, jedoch alle auf einem anderen absoluten Niveau sind, so dass die Bezeichnungen „sehr kalt”, „mittelkalt”, „warm”, „sehr warm” lediglich relativ zueinander zu verstehen sind, jedoch keine absoluten Temperaturwerte darstellen sollen.
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 stellen beispielsweise die in den 6A bis 6D beschriebenen Blockschaltbilder gleichermaßen Flussdiagramme eines entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steuerung beispielsweise durch das Element 430 in 4B als Software oder Hardware implementiert werden kann, wobei dies auch für die Tabellen in den 4C, 4D, oder 7A, 7B, 7C, 7D gilt. 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

EP 2016349 B1 [0002]
DE 4431887 A1 [0014]
WO 2014072239 A1 [0015, 0058]
DE 102012208174 A1 [0107]

Claims

Wärmepumpenanlage mit folgenden Merkmalen: einer Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einem ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einem zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; einer ersten Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und einer zweiten Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, wobei die Wärmepumpenanlage eine Betriebsposition hat, wobei in der Betriebsposition die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) oder des zweiten Wärmetauschers (214) angeordnet sind, und wobei die Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210) angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, bei der der erste Wärmetauscher (212) einen Zulauf (240) und einen Ablauf (241) aufweist, wobei der Zulauf (240) und der Ablauf (241) mit der Wärmepumpeneinheit gekoppelt sind, wobei der Zulauf (240) senkrecht oder wenigstens in einem Winkel kleiner als 45° zu einer Senkrechten angeordnet ist, wobei eine Saugseite der ersten Pumpe (208) in dem Zulauf (228, 230, 240) angeordnet ist, und wobei im Betrieb der Wärmepumpe eine Strömung an Arbeitsflüssigkeit von oben nach unten durch den Zulauf (228, 230, 240) fließt.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Wärmetauscher (214) einen Zulauf (242, 236, 234) und einen Ablauf (243, 238) aufweist, wobei der Zulauf (234, 236, 242) oder der Ablauf (238, 243) mit der Wärmepumpeneinheit gekoppelt ist, wobei der Ablauf oder der Zulauf senkrecht oder wenigstens in einem Winkel kleiner als 45° zu einer Senkrechten angeordnet ist, wobei eine Saugseite der zweiten Pumpe (210) in dem Zulauf (234, 236, 242) angeordnet ist, und wobei im Betrieb eine Strömung an Arbeitsflüssigkeit von oben nach unten durch den Zulauf fließt.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Wärmetauscher (212) oder der zweite Wärmetauscher (214) liegend angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) näher an dem ersten Wärmetauscher (212) oder bzw. an dem zweiten Wärmetauscher (214) angeordnet sind als einem Anschlusspunkt an der Wärmepumpeneinheit.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpeneinheit so ausgebildet ist, dass wenigstens ein Auslass eines Verdampfers oder Verflüssigers einer Wärmepumpenstufe, der mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, so angeordnet ist, dass er aus der Wärmepumpenstufe in Betriebsposition senkrecht nach unten oder in einem Winkel kleiner als 45° von einer Vertikalen aus der Wärmepumpenstufe austritt.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpeneinheit so ausgebildet ist, dass wenigstens ein Einlass (222, 226) eines Verdampfers oder Verflüssigers einer Wärmepumpenstufe, der mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, so ausgebildet ist, dass er aus der Wärmepumpenstufe in Betriebsposition senkrecht nach unten oder in einem Winkel kleiner als 45° von einer Vertikalen aus der Wärmepumpenstufe austritt.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpenstufe so ausgebildet ist, dass sich ein Dampfansaugkanal (250) durch den Verflüssiger erstreckt.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpenstufe so ausgebildet ist, dass sich der Verdichter (204) oberhalb des Verflüssigers (206) erstreckt, so dass in einem Aus-Zustand des Verdichters (204) Flüssigkeit von dem Verdichter weg aufgrund der Schwerkraft läuft.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgebildet ist, um als Arbeitsmedium Wasser zu verwenden, wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe ausgebildet ist, um eine Druck zu halten, bei dem das Wasser bei Temperaturen unter 60°C verdampfen kann.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgende Merkmale aufweist: ein Trägergestell, wobei der erste Wärmetauscher (212) und der zweite Wärmetauscher (214) unten an dem Trägergestell befestigt sind, wobei die erste Pumpe (208) und die zweite Pumpe (210) durch einen Pumpenhalter miteinander befestigt sind, und wobei der Pumpenhalter an dem Trägergestell oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) und des zweiten Wärmetauschers (214) befestigt ist, und wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe oberhalb des Pumpenhalters angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpeneinheit die Wärmepumpenstufe (200) sowie eine weitere Wärmepumpenstufe (300) aufweist.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Verdampferausgang (220) der Wärmepumpenstufe über ein erstes Fallrohr (228) mit einer Saugseite der ersten Pumpe (208) verbunden ist, wobei das Fallrohr in Betriebsposition senkrecht ist oder einen Winkel von höchstens 45° zu einer Vertikalen hat.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 12 oder 13, bei der ein Verflüssigerausgang (224) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) über ein zweites Fallrohr (338) mit einer Saugseite der zweiten Pumpe (210) verbunden ist, wobei das Fallrohr (338) in Betriebsposition senkrecht ist oder einen Winkel von höchstens 45° zu einer Vertikalen hat.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Verflüssigerausgang (224) der Wärmepumpenstufe (200) mit einem Verdampfereingang (322) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) durch ein Zwischenkreisrohr (332) verbunden ist, wobei in dem Zwischenkreisrohr (332) keine Pumpe angeordnet ist, und wobei die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) so ausgebildet und angeordnet sind, dass im Betrieb ein Verflüssigerarbeitsflüssigkeitspegel der Wärmepumpenstufe höher als ein Verdampferarbeitsflüssigkeitspegel in der weitere Wärmepumpenstufe (300) ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, die ferner eine Zwischenkreispumpe (330) aufweist, die unterhalb der Wärmepumpenstufe (200) und der weiteren Wärmepumpenstufe (300) angeordnet ist und mit einem Verdampferausgang (320) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) über ein Fallrohr (334) verbunden ist, das mit einer Saugseite der Zwischenkreispumpe (330) verbunden ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei der die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) jeweils einen Verdichter (204, 304) haben, der oberhalb eines jeweiligen Kondensierers (206, 306) angeordnet ist, und wobei die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) so zueinander angeordnet sind, dass ein Radialrad des zweiten Verdichters um wenigstens 5 cm tiefer als ein Radialrad des ersten Verdichters (204) angeordnet ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei der die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) eine äußere Gehäuseabmessung haben, die innerhalb einer Toleranz von 5 cm gleich ist, wobei das Gehäuse der Wärmepumpenstufe (200) höher als das Gehäuse der weiteren Wärmepumpenstufe (300) angeordnet ist, so dass eine Unterseite des Gehäuses der Wärmepumpenstufe (200) höher als eine Unterseite des Gehäuses der weiteren Wärmepumpenstufe (300) ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 18, bei der unterhalb der Wärmepumpenstufe (200) und oberhalb der ersten Pumpe (208), der zweiten Pumpe (210) oder der Zwischenkreispumpe (330) ein steuerbares Wegemodul (420) angeordnet ist, um wenigstens zwei Eingänge in das Wegemodul mit wenigstens zwei Ausgängen aus dem Wegemodul zu verbinden.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 19, bei der das steuerbare Wegemodul (420) folgende Anschlüsse aufweist: einen Rücklauf von dem ersten Wärmetauscher (212) als ersten Eingang (404); einen Rücklauf von dem zweiten Wärmetauscher (214) als zweiten Eingang (402); eine Pumpseite einer Zwischenkreispumpe (330) als dritten Eingang (403); einen Zulauf in den Verdampfer (204) der Wärmepumpenstufe (200) als ersten Ausgang (411); einen Zulauf in den Verflüssiger (206) der Wärmepumpenstufe (200) als zweiten Ausgang (412); und einen Zulauf in den Verflüssiger (306) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) als dritten Ausgang (413), und wobei das steuerbare Wegemodul (420) ausgebildet ist, um abhängig von einem Steuersignal (431) einen oder mehrere Eingänge mit einem oder mehreren Ausgängen zu verbinden.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 19 oder 20, die ferner eine Steuerung (430) aufweist, um die Wärmepumpeneinheit und das steuerbare Wegemodul (420) anzusteuern, um die Wärmepumpenanlage in einem von wenigsten zwei unterschiedlichen Modi zu betreiben, wobei die Wärmepumpenanlage ausgebildet ist, um wenigstens zwei Modi auszuführen, die aus einer Gruppe von Modi ausgewählt sind, die folgende Modi aufweist: einen Hochleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (100) und die weitere Wärmepumpenstufe (200) aktiv sind; einen Mittelleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist; einen Freikühlungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist und der zweite Wärmetauscher (214) mit einem Verdampfereinlass (222) der Wärmepumpenstufe (200) gekoppelt ist; und einen Niederleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv sind.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 21, bei der die Wärmepumpenstufe (200) oder die weitere Wärmepumpenstufe (300) dann inaktiv ist, wenn ein Verdichtermotor (204, 304) der entsprechenden Wärmepumpenstufe abgeschaltet ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 21 oder 22, bei der im Hochleistungsmodus und im Mittelleistungsmodus und im Freikühlungsmodus die erste Pumpe (208), die zweite Pumpe (210) und die Zwischenkreispumpe (330) aktiv sind, und bei der im Niederleistungsmodus die erste Pumpe und die zweite Pumpe aktiv sind, und die Zwischenkreispumpe (330) inaktiv ist.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei der das steuerbare Wegemodul (420) ausgebildet ist, um in einem Hochleistungsmodus den ersten Eingang (401) mit dem ersten Ausgang (411) zu verbinden, um den zweiten Eingang (402) mit einem dritten Ausgang (413) zu verbinden, und um den dritten Eingang (403) mit dem dritten Ausgang zu verbinden, um in einem Mittelleistungsmodus den ersten Eingang (401) mit dem ersten Ausgang (411) zu verbinden, den zweiten Eingang (402) mit dem zweiten Ausgang (412) zu verbinden, und den dritten Eingang (403) mit dem dritten Ausgang (413) zu verbinden, um in einem Freikühlungsmodus den ersten Eingang (401) mit dem zweiten Ausgang zu verbinden, den zweiten Eingang (402) mit dem ersten Ausgang zu verbinden, und den dritten Eingang (403) mit dem dritten Ausgang zu verbinden, und um in einem Niederleistungsmodus den ersten Eingang (401) mit dem dritten Ausgang zu verbinden, den zweiten Eingang (402) mit dem ersten Ausgang zu verbinden, und den dritten Eingang (403) mit dem zweiten Ausgang (412) zu verbinden.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei der das steuerbare Wegemodul (420) einen ersten Umschalter (421) mit zwei Schalterpositionen und einen zweiten Umschalter (422) mit zwei Schalterpositionen aufweist, wobei ein Ausgang (14) des ersten Schalters mit einem Eingang (404) des zweiten Schalters verbunden ist (406).
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 25, bei der die jeweils zwei Schalterpositionen vier Betriebsmodi mit unterschiedlichen Leistungsstufen definieren, wobei bei einer Umschaltung von einer Leistungsstufe zu einer nächsthöheren oder nächstniedrigeren Leistungsstufe immer nur ein Umschalter umgeschaltet wird und der andere Umschalter auf seiner Position bleibt.
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei der der steuerbare Wegeschalter (420) einen ersten Umschalter (421) und einen zweiten Umschalter (422) mit jeweils zwei Schalterpositionen aufweist, wobei der erste Umschalter folgende Merkmale aufweist: einen ersten Umschaltereingang, der mit dem ersten Eingang (401) verbunden ist, einen zweiten Umschaltereingang, der mit dem zweiten Eingang (402) gekoppelt ist, einen ersten Umschalterausgang, der mit dem ersten Ausgang (411) gekoppelt ist, und einen zweiten Umschalterausgang, wobei der zweite Umschalter (422) folgende Merkmale aufweist: einen ersten Umschaltereingang, der mit dem zweiten Umschalterausgang des ersten Umschalters gekoppelt ist, einen zweiten Umschaltereingang, der mit dem dritten Eingang (413) gekoppelt ist, einen ersten Umschalterausgang, der mit dem zweiten Ausgang (412) gekoppelt ist, und einen zweiten Umschalterausgang, der mit dem dritten Ausgang (413) gekoppelt ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 27, bei der der erste Umschalter ausgebildet ist, um in einer ersten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden und den zweiten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um in einer zweiten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um den zweiten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden, oder wobei der zweite Umschalter (422) ausgebildet ist, um in einer ersten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden, und um den zweiten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um in einer zweiten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um den zweiten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 28, bei der das steuerbare Wegemodul (420) ausgebildet ist, um in einem Hochleistungsmodus den ersten Umschalter in der ersten Schalterposition zu betreiben, und um den zweiten Umschalter (422) in der ersten Umschalterposition zu betreiben, oder um in einem Mittelleistungsmodus den ersten Umschalter (421) in der ersten Umschalterposition und den zweiten Umschalter (422) in der zweiten Umschalterposition zu betreiben, oder um in einem Freikühlungsmodus den ersten Umschalter (421) in der zweiten Umschalterposition und den zweiten Umschalter (422) in der ersten Umschalterposition zu betreiben, oder um in einem Niederleistungsmodus den ersten Umschalter (421) in der zweiten Umschalterposition zu betreiben, und um den zweiten Umschalter (422) in der zweiten Umschalterposition zu betreiben.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine Höhe der Wärmepumpenanlage kleiner als 2,50 m ist, bei der eine Breite der Wärmepumpenanlage kleiner als 2 m ist, und bei der eine Tiefe der Wärmepumpenanlage kleiner als 1 m ist.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einem ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einem zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; einer ersten Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und einer zweiten Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, mit folgenden Schritten: Anordnen der ersten Pumpe (208) oder der zweiten Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) oder des zweiten Wärmetauschers (214), und Anordnen der Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210).
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einem ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einem zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; einer ersten Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und einer zweiten Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, mit folgenden Schritten: Bringen der Wärmepumpenanlage in eine Betriebsposition, wobei in der Betriebsposition die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) oder des zweiten Wärmetauschers (214) angeordnet sind, und wobei die Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210) angeordnet ist; und Aktivieren der Wärmepumpenstufe in der Betriebsposition.