DE102016204153A1 - Heat pump system with pumps, method for operating a heat pump system and method for producing a heat pump system - Google Patents
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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 die Wärmepumpenanlage eine Betriebsposition hat, wobei die Wärmepumpeneinheit in der Betriebsposition oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210) angeordnet ist, wobei in der Betriebsposition die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) an einem unteren Ende der Wärmepumpenanlage angeordnet sind, und wobei in der Betriebsposition der erste Wärmetauscher (212) und der zweite Wärmetauscher (214) ebenfalls unterhalb der Wärmepumpeneinheit an dem unteren Ende neben der ersten Pumpe (208) oder der zweiten Pumpe (210) angeordnet sind.A heat pump system comprises: a heat pump unit having at least one heat pump stage (200), the at least one heat pump stage (200) having an evaporator (202), a compressor (204) and a condenser (206); a first heat exchanger (212) on a side to be cooled; a second heat exchanger (214) on a side to be heated; a first pump (208) coupled to the first heat exchanger (212); and a second pump (210) coupled to the second heat exchanger (214), the heat pump system having an operating position, the heat pump system having an operating position, the heat pump unit being in the operating position above the first pump (208) and the second pump (210), wherein in the operating position, the first pump (208) or the second pump (210) are arranged at a lower end of the heat pump system, and wherein in the operating position of the first heat exchanger (212) and the second heat exchanger (214) are also disposed below the heat pump unit at the lower end adjacent to the first pump (208) or the second pump (210).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen zum Heizen, Kühlen oder für eine sonstige Anwendung einer Wärmepumpe.The present invention relates to heat pumps for heating, cooling or for any other application of a heat pump.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger
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.According to the invention, it is preferable to extract from the high-energy steam directly through the colder heating water the heat (energy) which is taken up by the heating water so that it heats up. The steam is so much energy withdrawn that this is liquefied and also participates in the heating circuit.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf
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.As has already been stated, it is preferred to take an open circuit, ie to evaporate the water, which is the heat source, directly without a heat exchanger. Alternatively, however, the water to be evaporated could first be heated by a heat exchanger from an external heat source. In addition, in order to avoid losses for the second heat exchanger, which has so far necessarily been present on the condenser side, the medium is also used directly there, when thinking of a house with underfloor heating, the water originating from the evaporator to circulate directly in the underfloor heating.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf
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
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. In addition, it should be noted that turbomachines have the properties that they - similar to an aircraft turbine - the compressed medium not with problematic substances, such as oil, in connection. Instead, the water vapor is compressed only by the turbine or the turbocompressor, but not associated with oil or other purity impairing medium and thus contaminated.
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.The distilled water discharged through the drain can thus - if no other regulations stand in the way - be readily returned to the groundwater. Alternatively, however, it may also be z. B. in the garden or in an open space to be seeped, or it can be supplied via the channel, if regulations dictate - a sewage treatment plant.
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.The combination of water as a working fluid with the two times better usable enthalpy difference ratio compared to R134a and because of the reduced requirements for the closed system, and due to the use of the turbomachine, by the efficient and without purity impairments required compression factors are achieved, an efficient and environmentally neutral heat pump process is created.
Die
Die
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.In heat pump systems, in particular, when heat pump systems are to be used for heating or cooling, for example, but not exclusively in the area of low or medium power disadvantageous if the heat pump systems run unreliable or very bulky. Such a problem can occur when the working fluid z. B. is maintained at a relatively low pressure, as is the case for example with water as the working fluid. Then, especially when using pumps, it must be ensured that the pressure in the working fluid on the suction side of the pump does not become too low. If this were to occur, then the activity of the pump, namely, when the pump impels energy to the fluid, would cause bubbles to form in the fluid. These bubbles then collapse again. This process is called "cavitating". If a cavitation takes place at all or with a specific intensity, this can lead in the long run to damage to the pump wheels and thus to a reduced service life of the heat pump system. In addition, an already damaged but still running impeller causes the pumping efficiency to decrease. If this decreasing efficiency of the pump is absorbed with a higher pumping power, this leads to an energy consumption, which in principle would not have to be and thus to a reduced efficiency of the Heat pump system. If, on the other hand, the pumping power is not compensated, a pump which has already been damaged by excessive cavitation but is still able to run results in the pumped volume pumped becoming smaller, which likewise results in a reduced efficiency of the heat pump system.
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.Other aspects of a heat pump system with heat exchangers is how the heat pump system can be put into operation, which are to be filled at a first commissioning or commissioning after a maintenance stop, the heat exchanger. Thus, in principle, a heat exchanger on the cold water side and a heat exchanger on the hot water or cooling water side is provided. For these heat exchangers, which are typically very heavy, it is important that they are coupled with pumps and heat pump stages, and that they are additionally easy to maintain and in particular also installed such that commissioning or decommissioning of the heat pump system as simple and therefore safe and easy to service can take place.
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.Another point that plays a significant role is the use of several heat pump stages in a heat pump plant and the coupling of the heat pump stages with each other or with various pumps or various heat exchangers to create an optimal heat pump system that works efficiently, which has a good life, or which can be used flexibly for various operating conditions.
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.The object of the present invention is to provide an improved heat pump system, a method for manufacturing a heat pump system and a method for operating a heat pump system.
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.This object is achieved by a heat pump system according to
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.In one aspect of the present invention, the heat exchangers are located at the bottom of the heat pump system, below the pumps. Such a heat pump system comprises a heat pump unit with at least one and preferably several heat pump stages. Furthermore, a first heat exchanger is provided on a side to be cooled. In addition, a second heat exchanger is provided on a side to be heated. Further, there is a first pump coupled to the first heat exchanger and a second pump coupled to the second heat exchanger. The heat pump system has an operating position in which the first pump and the second pump are arranged above the first and second heat exchangers. In addition, the heat pump unit is disposed with the one or more heat pump stages above the first and second pumps.
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.Advantages of this arrangement according to one aspect of the invention is the low center of gravity. The heat exchangers are typically the heaviest. Above the heat exchangers, the pump module is arranged in the exemplary embodiment, wherein, optionally, when using a plurality of heat pump stages, a mixer module is again arranged above the pump module. The one or more containers with the one of the plurality of compressors of the heat pump stages are arranged at the highest point. A particular advantage with the arrangements of the compressors at the highest point is that they are dry in the off-state. Then, namely, the working fluid, such as water, runs downwards due to gravity.
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.This arrangement with below provided heat exchangers is characterized by a lightweight construction. First, the heat exchanger z. B. mounted in a heat pump system frame. Then the pump module, optionally the mixer or Wegemodul and finally the one or more heat pump stages is placed. Preferably, the heat exchangers are arranged lying here. This means that when filling the heat pump system at a first startup or commissioning after a maintenance interval no air bubbles take place, so that the heat pump system is self-venting.
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.In addition, it is preferred in this embodiment that all pumps are arranged in downpipes, not in risers. In particular, the pumps are arranged so that the suction side of the pump is arranged as far down in the downpipe. Thus, kinetic energy is already obtained from the head of the water column and the pressure on the suction side of the pump is higher than in a bottom-up riser. Thus, the minimum water column on the suction side of the pump is smaller than required by the pump manufacturer. On the one hand cavitation at all or excessive cavitation can be prevented. On the other hand, a compact heat pump system is achieved, which does not require a particularly large space for use. This is because the pipe connections in front of the suction side of the pump can be made short. This makes the entire system more compact and thus less bulky. Also Weight savings can be achieved through a more compact design.
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.In a second aspect of the present invention, the heat pump system is provided with pumps located at the bottom. Therefore, alternatively to the described first aspect according to the second aspect of the present invention, in the operating position, the first and second pumps are disposed below the heat pump unit at a lower end of the heat pump unit. Moreover, in this arrangement, in the operating position, the first heat exchanger and the second heat exchanger are also disposed below the heat pump unit at the lower end adjacent to the pumps. In order to efficiently prevent cavitation, the pumps are arranged at the lowest point of the heat pump system. In addition, the pumps are installed horizontally, so that the maximum back pressure exists in front of the suction side of the pump. This avoids cavitation efficiently and thus damaging the pump wheels. The necessary dynamic pressure upstream of the suction side of the pump determines the smallest possible height difference between the heat pump stage, ie the container with condenser, evaporator and compressor and the corresponding pump. Preferably, the heat exchanger is mounted upright in the second aspect, so that air pockets are avoided during filling. In addition, due to the vertical position of the heat exchanger, the necessary pipe connection from the heat exchanger back into the evaporator or in the condenser shorter, because the heat exchanger itself, which may typically have considerable lengths, is effectively used as a double connection line.
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.In a third aspect of the present invention, the heat pump system is not operated with only a single heat pump stage, but with two or more heat pump stages. Here, the heat pump stage is connected with a first compressor, a first condenser and a first evaporator in a sense in chain with a second or further heat pump stage with a second compressor, a second condenser and a second evaporator. For this purpose, the first condenser outlet of the first condenser is connected to a second evaporator inlet of the second evaporator of the further heat pump stage via a connecting line. Thus, the warmest liquid of the heat pump stage is introduced into the evaporator, so the coldest area of the further heat pump stage to be cooled there again. The heat pump stages are therefore not connected in parallel, but in chain. Depending on the implementation of the input of the condenser of the first heat pump stage can be coupled to the output of the evaporator of the other heat pump stage or, as is preferred in certain embodiments, be guided in a controllable path module to the heat pump system with the heat pump stage and the other heat pump stage in to operate various operating modes optimally adapted to the heating or cooling task.
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.In preferred embodiments of the third aspect of the present invention, which relates to the derailleur of two heat pump stages, the first condenser of the heat pump stage is arranged in the operating position above the second evaporator of the further heat pump stage, so that the working fluid due to gravity from the first condenser into the second evaporator flows in the connecting line. This can be saved here a pump. A DC link pump is only necessary to bring working fluid from the evaporator of the further heat pump stage back to a higher level with respect to the operating position in the condenser of the heat pump stage, ie the first heat pump stage. Thus, a heat pump system with two heat pump stages can be operated efficiently with only three pumps, namely a first pump coupled to the input to the cold side heat exchanger, a second pump coupled to the input to the heat side heat exchanger, and a DC link pump. which is coupled to the outlet of the evaporator of the further heat pump stage.
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.The arrangement of further heat pump stages can also take place as a chain circuit, in turn, when the respective condenser of the lower heat pump stage above the respective evaporator of the higher heat pump stage are arranged, again pumps can be saved. Alternatively or additionally, the third stage or further stages can also be coupled in parallel or in series or in another way with the two heat pumps connected in chain.
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.The space that results below the higher level heat pump stage is preferably used to accommodate a path module that is controllable to implement various modes of operation. Various modes of operation include a high power mode, a mid power mode, a free cooling mode or a low power mode, and according to the third aspect of the present invention, a controller is provided to set the controllable path module to implement at least two of these four modes of operation. In other embodiments, three and in still other embodiments, all four modes of operation are implemented. By using a larger number of heat pump stages can Further operating modes, so more than four operating modes are implemented.
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.Due to the arrangement of the pumps and the heat exchangers according to the first or the second aspect almost only point-to-point connections are achieved, which are favorable for a compact construction and a Kavitationsvermeidung.
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.Due to the difference in height of the two containers, it can be dispensed with a pump between the condenser outlet of the higher container and the evaporator inlet of the lower container, as has been explained. The resulting from the difference in height of the two containers space is used for the controllable way switch, through which the heat pump system can be switched to different modes to achieve optimum adaptation to various operating conditions.
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.The arrangement of the two heat pump stages and the interconnection of the heat pump stages according to a chain circuit, ie by connecting the condenser outlet of the first stage condenser with the evaporator inlet of the further stage allows the existing infrastructure to be used in each operating mode. Both heat pump stages are therefore regardless of whether they are active, so whether the respective compressor is running or not, flows through the working fluid. Thus, no bypass lines or valves are needed. Instead, to get from one mode of operation to another mode of operation, the paths are switched in a 2 × 2-way switch array.
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.This makes it possible for an inactive heat pump stage, ie a heat pump stage, in which the compressor is not active, ie where the same pressure prevails on the evaporator and condenser side, to be put into operation without further measures by starting the compressor. The system is thus designed so that no special start-up or evacuation measures are necessary, but a heat pump stage is started when the compressor is put into operation, and is stopped when the compressor is taken out of service. Nevertheless, the feeds for the evaporator and the condenser and the processes from the evaporator and the condenser of a stage are still flowed through despite disabled compressor. This ensures that optimum readiness is achieved without the need for special energy consumption.
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.In another embodiment, an efficient working fluid transport device is used. It has been found that working fluid accumulates in the evaporator of the lower stage, ie the stage which is thermodynamically arranged on the side to be heated. To allow compensation here again to the evaporator in the higher-lying container, a self-regulating system, the z. B. may have an overflow and a U-tube used. The U-tube is connected to a bottleneck in front of a pump in the evaporator circuit of the higher tank. Due to the increased flow speed in front of the pump, the pressure drops and water from the U-tube can be absorbed. The system is self-regulating insofar as a stable water level is established in the U-tube, which is sufficient for the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
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
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Betriebsrichtung der Wärmepumpe so ist, wie sie in
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
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.In preferred embodiments, the compressor is arranged at the top of the condenser space such that the compressed steam is deflected by the compressor on the one hand and at the same time fed into an edge gap of the condenser space. Thus, a condensation is achieved with a particularly high efficiency, because a cross-flow direction of the steam is achieved to a downflowing condensation liquid. This cross-flow condensation is particularly effective in the upper area where the evaporator space is large, and does not require a particularly large area in the lower area where the condenser space is small in favor of the evaporator space, yet still allows condensation of vapor particles penetrated up to this area allow.
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.An evaporator bottom, which is connected to the condenser bottom, is preferably designed so that it receives the condenser inlet and outlet and the evaporator inlet and outlet in which, in addition to certain bushings for sensors in the evaporator or in the Capacitor can be present. This ensures that no feedthroughs of lines for the condenser inlet and outlet are required by the near-vacuum evaporator. This will make the entire heat pump less prone to failure because any passage through the evaporator would be a potential leak. For this purpose, the condenser bottom is at the points where the condenser feeds and outlets are provided with a respective recess, going to the extent that in the evaporator space, which is defined by the condenser bottom, no capacitor to / discharges.
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.The condenser space is limited by a condenser wall, which is also attachable to the evaporator bottom. The evaporator bottom thus has an interface for both the condenser wall and the condenser bottom and additionally has all liquid feeds for both the evaporator and the condenser.
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.In certain embodiments, the evaporator bottom is configured to have spigots for the individual feeders that have a cross section that is different from a cross section of the opening on the other side of the evaporator bottom. The shape of the individual connecting pieces is then designed so that the shape or cross-sectional shape changes over the length of the connecting piece, but the pipe diameter, which plays a role for the flow velocity, is almost equal within a tolerance of ± 10%. This prevents water flowing through the connection pipe from cavitating. This ensures due to the good obtained by the formation of the connecting pieces flow conditions that the corresponding pipes / lines can be made as short as possible, which in turn contributes to a compact design of the entire heat pump.
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. In a specific implementation of the evaporator bottom of the condenser feed is almost divided in the form of a "glasses" in a two- or multi-part flow. Thus, it is possible to simultaneously feed the capacitor liquid in the condenser at its upper portion at two or more points. Thus, a strong and at the same time particularly uniform condenser flow is achieved from top to bottom, which makes it possible that a highly efficient condensation of the steam also introduced from above into the condenser is achieved.
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.Another smaller dimensioned feed in the evaporator bottom for condenser water may also be provided to connect a hose which supplies cooling fluid to the compressor motor of the heat pump, not the cold, the liquid supplied to the evaporator is used for cooling, but the warmer, the condenser supplied Liquid, which is still cool enough in typical operating situations to cool the heat pump motor.
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.The evaporator bottom is characterized by the fact that it has a combination functionality. On the one hand, it ensures that no capacitor feed lines have to be passed through the evaporator, which is under very low pressure. On the other hand, it represents an interface to the outside, which preferably has a circular shape, as in a circular shape as much evaporator surface remains. All inlets and outlets pass through one evaporator base and from there into either the evaporator space or the condenser space. In particular, a production of the evaporator bottom of plastic injection molding is particularly advantageous because the advantageous relatively complicated shapes of the inlet / outlet nozzles in plastic injection molding can be performed easily and inexpensively. On the other hand, it is due to the execution of the evaporator bottom as easily accessible workpiece readily possible to produce the evaporator bottom with sufficient structural stability, so that he can withstand the low evaporator pressure in particular without further ado.
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.In the present application, like reference numerals refer to like or equivalent elements, and not all reference numerals are repeated in all drawings as they repeat themselves.
Der erste Wärmetauscher
Bei dem in
Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Wärmetauscher
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die beiden Pumpen
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
Außerdem ist der Verflüssiger
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
Vorzugsweise ist die gesamte Wärmepumpenanlage an einem Trägergestell montiert, das nicht gezeigt ist. Insbesondere sind der erste und der zweite Wärmetauscher
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.In preferred embodiments, the heat pump system is formed with two stages and has a height that is less than 2.50 m, a width that is less than 2 m, and a depth that is less than 1 m.
Dagegen zeigt
Die erste und die zweite Pumpe sind in der Betriebsposition unterhalb der Wärmepumpeneinheit
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
Insbesondere umfasst eine Wärmepumpenanlage, wie sie in
Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpenanlage in
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.This derailleur ensures that each heat pump stage must work with the lowest possible temperature spread, so with the smallest possible difference between the heated working fluid and the cooled working fluid. By connecting in series, so by a chain circuit such heat pump stages is thus achieved that nevertheless a sufficiently large total spread is achieved. The total spread is thus divided into several individual spreads. The derailleur is particularly of particular advantage because it allows much more efficient work. The consumption of compressor power for two stages, each of which has to cope with a smaller temperature spread, is smaller than the compressor power for a single heat pump stage, which must reach a large temperature spread. In addition, the requirements for the individual components with two stages connected in chain are technically more relaxed.
Wie es in
Vorzugsweise ist, wie es z. B. in
Obgleich in
Wie es in
Dennoch hat sich herausgestellt, dass sich bei der in
Dies ist insbesondere von Vorteil, weil damit Wärmepumpenstufen je nach Betriebsmodus in Betrieb oder außer Betrieb genommen werden können.This is particularly advantageous because it allows heat pump stages to be run or shut down depending on the operating mode.
Das steuerbare Wegemodul
Das steuerbare Wegemodul
Ein erster Ausgang
Die verschiedenen Eingang/Ausgang-Verbindungen, die durch das steuerbare Wegemodul
In einem Modus, dem Hochleistungsmodus (HLM) ist der erste Eingang
Im Mittelleistungsmodus (MLM), in dem lediglich die erste Stufe aktiv ist und die zweite Stufe inaktiv ist, also der Verdichtermotor
Im Niederleistungsmodus (NLM), der in Zeile
Es wird bevorzugt, das steuerbare Wegemodul durch die zwei seriell angeordneten 2-Wege-Schalter
Die Stellungen der beiden 2 × 2-Wege-Schalter
Der Verdichtermotor
Es sei darauf hingewiesen, dass
Schließlich misst der Temperatursensor
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die
Die
Dieser Freikühlungsmodus oder (FKM) ist in Zeile
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
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 Niederleistungsmodus 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 Niederleistungsmodus 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.A heat pump according to one aspect includes an evaporator having an evaporator inlet and an evaporator outlet and a condenser having a condenser inlet and a condenser outlet. In addition, a switching device is provided to operate the heat pump in an operating mode or other operating mode. In the one operating mode, the low-power mode, the heat pump is completely bypassed, in that the return of the area to be cooled is connected directly to the trace of the area to be heated. Moreover, in this lock-up mode or low-power mode, the return of the area to be heated is connected to the trace of the area to be cooled. Typically, the evaporator is assigned to the area to be cooled and the condenser is assigned to the area to be heated.
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.However, in the bridging mode, the evaporator is not connected to the area to be cooled, nor is the condenser connected to the area to be cooled, but both areas are effectively "shorted". In the second alternative mode of operation, on the other hand, the heat pump is not bypassed, but is operated at still relatively low temperatures, typically in the free cooling mode, or in normal mode with one or two stages. In the free cooling mode, the switching means is arranged to connect a return of the area to be cooled with the condenser inlet and to connect a return of the heating area with the evaporator inlet. In contrast, the switching means is formed in the normal mode to connect the return of the area to be cooled with the evaporator inlet and to connect the return of the area to be heated with the condenser inlet.
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.Depending on the embodiment, at the output of the heat pump, so the condenser side, or at the entrance of the heat pump, so the evaporator side, a heat exchanger may be provided to fluidly decouple the inner heat pump cycle from the outer circuit. In this case, the evaporator inlet is the inlet of the heat exchanger coupled to the evaporator. Moreover, in this case, the evaporator outlet constitutes the outlet of the heat exchanger, which in turn is coupled to the evaporator.
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.Similarly, at the condenser side, the condenser outlet is a heat exchanger outlet, and the condenser inlet is a heat exchanger inlet, on the side of the heat exchanger that is not coupled to the actual condenser.
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.Alternatively, however, the heat pump can be operated without input-side or output-side heat exchanger. Then z. B. at the entrance into the area to be cooled or at the entrance to the area to be heated in each case a heat exchanger may be provided, which then comprises the return or trace to the cooling area or to the area to be heated.
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.In preferred embodiments, the heat pump is used for cooling, so that the area to be cooled, for example, in the space of a building, a computer room or a refrigerator in general, while the area to be heated z. B. is a roof of a building or a similar location where a heat dissipation device can be placed to deliver heat to the environment. However, if the heat pump is alternatively used for heating, the area to be cooled is the environment from which energy is to be extracted and the area to be heated is the "utility", such as the interior of a building, a house or a room to be tempered.
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.The heat pump is thus capable of switching from the bypass mode to either the free cooling mode or, if such free cooling mode is not established, to the normal mode.
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.In general, the heat pump is advantageous in that it is particularly efficient when outside temperatures are present, the z. B. are less than 16 ° C, which is often the case, at least in the northern and southern hemisphere distant from the equator.
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.This ensures that outside temperatures, where direct cooling is possible, the heat pump can be completely taken out of service. In the case of a heat pump with a radial compressor between the evaporator and the condenser, the radial wheel can be stopped and no energy needs to be put into the heat pump. Alternatively, however, the heat pump may still be in a standby mode or the like, but since it is only a standby mode, it will consume only a small amount of power. Especially with valveless heat pumps, as they are preferably used, a thermal short circuit can be avoided by complete bridging of the heat pump in contrast to the free cooling mode.
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.Moreover, it is preferred that in the first operating mode, ie in the low-power or bypass mode, the switching device completely separates the return of the area to be cooled or the trace of the area to be cooled from the evaporator, so that no fluid connection between the inlet and outlet of the evaporator and more to the area to be cooled. This complete separation will also be beneficial on the condenser side.
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.In implementations, a temperature sensing device is provided that senses a first temperature with respect to the evaporator or a second temperature with respect to the condenser. Furthermore, the heat pump has a controller, which is coupled to the temperature sensor device and is designed to control the switching device depending on one or more temperatures detected in the heat pump, so that the switching device switches from the first to the second operating mode or vice versa. The implementation of the switching device can be implemented by an input switch and an output switch, each having four inputs and four outputs and switchable depending on the mode. Alternatively, however, the switching device can also be implemented by a plurality of individual cascaded switches, each having an input and two outputs.
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.Furthermore, as a coupling element for coupling the bridging line with the Hinlauf in the area to be heated or the coupler for coupling the bridging line with the Hinlauf in the area to be cooled as a simple three-terminal combination may be formed, ie as a liquid adder. In implementations, however, in order to have optimal decoupling, it is preferred that the couplers also be implemented as switches or integrated in the input / output switch.
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.In addition, a first temperature sensor is used on the evaporator side as a special temperature sensor and is used as a second temperature sensor, a second temperature sensor on the condenser side, with a more direct Measurement is preferred. The evaporator-side measurement is used in particular to a speed control of Temperaturanhebers so z. As a compressor of the first and / or second stage to make while the condenser-side measurement or even an ambient temperature measurement is used to perform a mode control, ie the heat pump z. B. switch from the lock-up mode in the free cooling mode when a temperature is no longer in the very cold temperature range, but in the medium-temperature temperature range. However, if the temperature is higher, ie in a warm temperature range, then the switching device will bring the heat pump into a normal mode with first active stage or with two active stages.
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.In a two-stage heat pump, however, in this normal mode, which corresponds to the medium power mode, only a first stage will be active, while the second stage is still inactive, so is not powered and therefore requires no energy. Only when the temperature continues to rise, in a very warm area, in addition to the first heat pump stage or in addition to the first pressure stage, a second pressure stage is activated, which in turn has an evaporator, a temperature booster typically in the form of a radial compressor and a condenser. The second pressure stage can be connected in series or in parallel or serially / parallel to the first pressure stage.
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.To ensure that in the bypass mode, ie when the outside temperatures are already relatively cold, the cold from the outside does not completely penetrate the heat pump system and beyond in the room to be cooled, making the room to be cooled even colder than it should be, For example, it is preferable to provide a control signal from a sensor signal on the trace into the area to be cooled or at the return of the area to be cooled, which can be used by a heat dissipation device mounted outside the heat pump to control heat dissipation; H. then, when the temperatures get too cold, reduce. The heat dissipation device is, for example, a liquid / air heat exchanger, with a pump for circulating the liquid brought into the area to be heated. Further, the heat dissipation device may include a fan to transport air into the air heat exchanger. Additionally or alternatively, a three-way mixer may be provided to partially or completely short the air heat exchanger. Depending on the trace in the area to be cooled, which is connected in this bridging mode but not with the evaporator outlet, but with the return from the area to be heated, the heat dissipation device, so for example, the pump, the fan or the three-way mixer in order to further reduce the heat output so that a temperature level is maintained, in the heat pump system and in the area to be cooled, which in this case may be above the outside temperature level. Thus, the waste heat can even be used for heating the "room to be cooled" if the outside temperatures are too cold.
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.In a further aspect, an entire control of the heat pump is made so that a "fine control" of the heat pump is made depending on a temperature sensor output signal of a temperature sensor on the evaporator side, so a speed control in the different modes, ie z. The free-cooling mode, the first-stage normal mode and the second-stage normal mode, and also a heat release device control in the bypass mode, while a mode switching is performed based on a temperature sensor output of a condenser temperature sensor as coarse control. Thus, only on the basis of a condenser-side temperature sensor operating mode switching from the bypass mode (or NLM) in the free cooling mode (or FKM) and / or in the normal mode (MLM or HLM) made, wherein the decision whether a switch takes place, the evaporator-side temperature output signal is not taken becomes. However, only the evaporator-side temperature output signal is used for the speed control of the centrifugal compressor or for the control of the heat dissipation devices, but not the condenser-side sensor output signal.
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.It should be noted that the various aspects of the present invention regarding the arrangement and the two-stage, as well as the use of the bypass mode, the control of the heat dissipation device in the lock-up mode or free cooling mode and the control of the centrifugal compressor in the free cooling mode or the normal operating mode or with respect to Using two sensors, one sensor for operating mode switching and the other fine-tuning sensor, can be used independently. However, these aspects can also be combined in pairs, or in larger groups or together.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw. „Feinsteuerung” eines Radialverdichters innerhalb des Temperaturanhebers
Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verflüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt.Preferably, the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
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
Dies ist in
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.Thus, a transparent and efficient control is achieved, on the one hand, a "coarse tuning" due to the mode switching and on the other a "fine-tuning" due to the temperature-dependent speed adjustment, to the effect that always only as much energy must be consumed, as is actually needed , This procedure, in which there is also no permanent on-off in a heat pump, such as in known heat pumps with hysteresis also ensures that due to the continuous operation no start-up losses.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw. „Feinsteuerung” eines Radialverdichters innerhalb des Verdichtermotors von
Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verflüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt.Preferably, the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
Bei einer Modusumschaltung ist die Steuerung
Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche in
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.Depending on the implementation and requirement profile, however, the heat pump system can also operate in four operating modes, which are also different, but all are at a different absolute level, so that the terms "very cold", "medium cold", "warm", "very warm "Are to be understood only relative to each other, but are not intended to represent absolute temperature values.
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
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steuerung beispielsweise durch das Element
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