DE102017107451A1 - Heat pump system and method for defrosting an evaporator of the heat pump system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage zur Temperierung und/oder Belüftung von Räumen und/oder Gebäuden, mit einer Lüftungseinheit, die einen Luft/Luft-Wärmeübertrager (200) und damit verbunden einen Abluftkanal (210), einen Zuluftkanal (220), einen Fortluftkanal (250) und einen Außenluftkanal (280) aufweist, und einer Wärmepumpeneinheit mit einem Kältemittelkreislauf (100) und einem Verdampfer (160), wobei dem Verdampfer (160) über eine Öffnung Außenluft zuführbar ist sowie ein zugehöriges Verfahren. Der Fortluftkanal (250) bildet einen Luftkanal zu dem Verdampfer (160), der derart eingerichtet ist, dass durch den Fortluftkanal (250) strömende Fortluft über den Verdampfer (160) geführt wird. Damit wird ein Abtauen des Verdampfers (160) unterstützt.The present invention relates to a heat pump system for temperature control and / or ventilation of rooms and / or buildings, with a ventilation unit, the air / air heat exchanger (200) and an associated exhaust duct (210), a supply air duct (220), an exhaust duct (250) and an outside air channel (280), and a heat pump unit with a refrigerant circuit (100) and an evaporator (160), wherein the evaporator (160) can be supplied with external air via an opening and an associated method. The exhaust air duct (250) forms an air duct to the evaporator (160), which is set up such that exhaust air flowing through the exhaust air duct (250) is guided via the evaporator (160). This helps to defrost the evaporator (160).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage zur Temperierung und/oder Belüftung von Räumen und/oder Gebäuden sowie ein Verfahren zum Abtauen eines Verdampfers einer Wärmepumpeneinheit einer solchen Wärmepumpenanlage.The present invention relates to a heat pump system for temperature control and / or ventilation of rooms and / or buildings and a method for defrosting an evaporator of a heat pump unit of such a heat pump system.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Wärmepumpenanlage mit einer Lüftungseinheit, die einen Luft/Luft-Wärmeübertrager und damit verbunden einen Abluftkanal, einen Zuluftkanal, einen Fortluftkanal und einen Außenluftkanal aufweist, und einer Wärmepumpeneinheit mit einem Kältemittelkreislauf und einem Verdampfer, wobei dem Verdampfer über eine Öffnung Außenluft zuführbar ist.In particular, the present invention relates to a heat pump system with a ventilation unit having an air / air heat exchanger and an associated exhaust duct, a supply air duct, an exhaust air duct and an outside air duct, and a heat pump unit with a refrigerant circuit and an evaporator, wherein the evaporator via an opening Outside air can be supplied.
Die Lüftungseinheit dient dazu, ein Wärmeniveau der Frischluft, die über den Außenluftkanal in Räume bzw. Gebäude einströmt, und der Abluft, die aus den Räumen bzw. Gebäuden ausströmt, anzugleichen, um die mit der Lüftung verbundenen Energieverluste zu reduzieren. Dadurch ist die Temperatur der Fortluft weniger weit von der Temperatur der Außenluft entfernt, beispielsweise im Bereich weniger K.The ventilation unit serves to equalize a heat level of the fresh air flowing into rooms or buildings via the outside air duct and the exhaust air flowing out of the rooms or buildings, in order to reduce the energy losses associated with the ventilation. As a result, the temperature of the exhaust air is less far removed from the temperature of the outside air, for example in the range less K.
Es ist bekannt, die zur Belüftung der Räume bzw. Gebäude verwendete Außenluft nach Durchströmen des Luft/Luft-Wärmeübertragers durch Energie, die mittels der Wärmepumpeneinheit gefördert wurde, weiter zu erwärmen bzw. in anderen Fällen abzukühlen, um die Zuluft auf die für die Belüftung gewünschte Temperatur zu bringen. Hierbei kann es, wie dies für den Einsatz von Wärmepumpeneinheiten bekannt ist, zu einer Vereisung des Verdampfers der Wärmepumpeneinheit kommen.It is known to further heat the outside air used for ventilation of the rooms or buildings after flowing through the air / air heat exchanger by energy that has been promoted by the heat pump unit or cooling in other cases, the supply air to the for the ventilation to bring desired temperature. In this case, as is known for the use of heat pump units, icing of the evaporator of the heat pump unit may occur.
Der Verdampfer muss in diesen Fällen abgetaut werden, beispielsweise durch Umkehrung des Kältemittelkreises oder durch Einsatz elektrischer Heizleistung. Sämtliche Verfahren zum aktiven Abtauen des Verdampfers kosten Energie und reduzieren die Leistungszahl der Wärmepumpenanlage, was unerwünscht ist und den Wunsch nach einer Vermeidung derartiger Abtauvorgänge begründet.The evaporator must be defrosted in these cases, for example by reversing the refrigerant circuit or by using electrical heating power. All of the active defrosting methods of the evaporator cost energy and reduce the coefficient of performance of the heat pump system, which is undesirable and justifies the desire to avoid such defrosting operations.
Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, eine Vereisung des Verdampfers der Wärmepumpeneinheit einer eingangs genannten Wärmepumpenanlage zu vermeiden oder zumindest zu verzögern.The present invention was therefore based on the object to avoid icing of the evaporator of the heat pump unit of a heat pump system mentioned above or at least delay.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Wärmepumpenanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Fortluftkanal einen Luftkanal zu dem Verdampfer bildet, der derart eingerichtet ist, dass durch den Fortluftkanal strömende Fortluft über den Verdampfer geführt wird.According to the invention the object is achieved in a heat pump system of the type mentioned above in that the exhaust air duct forms an air channel to the evaporator, which is set up so that exhaust air flowing through the exhaust duct is passed through the evaporator.
Der Abluftstrom wird in dem Luft/Luft-Wärmeübertrager vorzugsweise in dem Fall des Heizbetriebes auf eine Temperatur abgekühlt, die unterhalb der Raum/Gebäudetemperatur liegt. Dennoch wird diese dann den Luft/Luft-Wärmeübertrager als Fortluft verlassende Luft eine Temperatur haben, die über der Temperatur der Außenluft, beispielsweise ca. 2 K bis 7 K über der Temperatur der Außenluft bzw. der Luft liegt, die dem Luft/Luft-Wärmeübertrager zugeführt wird. Damit hat die Fortluft gegenüber der Außenluft eine höhere Energie, was durch die erfindungsgemäße Anordnung in vorteilhafter Weise dazu führt, dass höherenergetische Luft über den Verdampfer geführt wird. Die höherenergetische Luft unterstützt ein Abtauen des Verdampfers, zumindest dadurch, dass die Vereisungsgeschwindigkeit herabgesetzt ist. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad dadurch, dass nicht die energiereichere Abluft sondern die Fortluft nach Durchströmen des Luft/Luft-Wärmeübertragers über den Verdampfer geführt wird, weiter erhöht.The exhaust air flow is preferably cooled in the air / air heat exchanger in the case of heating operation to a temperature which is below the room / building temperature. Nevertheless, this will then have the air / air heat exchanger leaving the exhaust air leaving a temperature which is above the temperature of the outside air, for example about 2 K to 7 K above the temperature of the outside air or the air, the air / air heat exchanger. Heat exchanger is supplied. Thus, the exhaust air over the outside air has a higher energy, which advantageously results in the arrangement according to the invention that higher-energy air is passed through the evaporator. The higher energy air helps to defrost the evaporator, at least by reducing the rate of icing. At the same time, the efficiency is further increased by the fact that not the more energetic exhaust air but the exhaust air is passed through the evaporator after flowing through the air / air heat exchanger.
In einer Ausführungsform ist die Lüftungseinheit derart eingerichtet, dass durch den Fortluftkanal strömende Fortluft eine Temperatur von wenigstens 3 °C aufweist. Vorzugsweise kann dadurch sichergestellt werden, dass die durch den Verdampfer geführte Fortluft eine vorteilhafte Wirkung für das Abtauen des Verdampfers zeigt.In one embodiment, the ventilation unit is set up such that exhaust air flowing through the exhaust air duct has a temperature of at least 3 ° C. Preferably, this can be ensured that the exhaust air passed through the evaporator shows a beneficial effect for the defrosting of the evaporator.
In einer Ausführungsform ist die durch den Fortluftkanal strömende Fortluft dazu eingerichtet, ein Abtauen des Verdampfers zu unterstützen. Dies ist das Ergebnis der vorteilhaften Kombination aus der Anordnung des Fortluftkanals derart, dass Fortluft über den Verdampfer geführt wird, sowie dem Energiegehalt der Fortluft, der aufgrund des Luft/Luft-Wärmetauschers regelmäßig über dem Energiegehalt der Außenluft liegt, mit der die über den Verdampfer geführte Luft vorzugsweise vermischt wird.In one embodiment, the exhaust air flowing through the exhaust duct is configured to assist in defrosting the evaporator. This is the result of the advantageous combination of the arrangement of the exhaust air duct so that exhaust air is passed through the evaporator, as well as the energy content of the exhaust air, which is due to the air / air heat exchanger regularly above the energy content of the outside air, with the via the evaporator Guided air is preferably mixed.
In einer Ausführungsform ist der Luft/Luft-Wärmeübertrager als Kreuzgegenstromwärmetauscher ausgestaltet. Dies ermöglicht einen besonders effektiven Wärmeübertrag zwischen Außenluft bzw. Zuluft in dem einen Strom und Abluft bzw. Fortluft in dem Gegenstrom. Natürlich sind auch andere geeignete Wärmeaustauscher bzw. Wärmeübertrager entsprechend anwendbar.In one embodiment, the air / air heat exchanger is designed as a cross countercurrent heat exchanger. This allows a particularly effective heat transfer between outside air or supply air in the one stream and exhaust air or exhaust air in the countercurrent. Of course, other suitable heat exchangers or heat exchangers are applicable accordingly.
In einer Ausführungsform weist der Außenluftkanal einen Vorheizer auf, der dazu eingerichtet ist, durch den Außenluftkanal strömende Außenluft auf einen Wert von mindestens -5 °C, vorzugsweise auf einen Wert zwischen -5 °C und +1 °C und besonders bevorzugt auf einen Wert von etwa -3 °C, zu erwärmen. Damit wird sichergestellt, dass die Temperatur der Fortluft einen bevorzugten Mindestwert, beispielsweise 3 °C, nicht unterschreitet. Gleichzeitig wird das Risiko verringert, dass in dem Luft/Luft-Wärmeübertrager ausfallendes Kondensat gefriert.In one embodiment, the outside air duct has a preheater, which is set up, outside air flowing through the outside air duct to a value of at least -5 ° C, preferably to a value between -5 ° C and +1 ° C, and particularly preferably to a value from about -3 ° C, to warm. This will ensure that the Temperature of the exhaust air a preferred minimum value, for example 3 ° C, does not fall below. At the same time, the risk is reduced that condensate freezing in the air / air heat exchanger freezes.
In einer Ausführungsform weist die Wärmepumpenanlage weiter eine Heizungspuffereinheit zur Bereitstellung eines Wärmepuffers zur Temperierung und/oder Belüftung von Räumen, wobei die Heizungspuffereinheit einen Pufferspeicher aufweist, der als Schichtspeicher ausgestaltet ist, und einen Ladekreislauf auf, der einen Strömungskreis für ein Wärmeübertragermedium bereitstellt. Der Ladekreislauf weist einen ersten Wärmeaustauscher zur Aufnahme von Wärme von der Wärmepumpeneinheit und einen primären Strömungspfad zu der Heizungspuffereinheit auf. Die Lüftungseinheit weist im Zuluftkanal einen Lufterhitzer auf, wobei der Lufterhitzer mit der Heizungspuffereinheit gekoppelt ist.In one embodiment, the heat pump system further comprises a heater buffer unit for providing a heat buffer for temperature control and / or ventilation of rooms, the heater buffer unit having a buffer memory configured as stratified storage and a charging circuit providing a flow circuit for a heat transfer medium. The charging circuit includes a first heat exchanger for receiving heat from the heat pump unit and a primary flow path to the heater buffer unit. The ventilation unit has an air heater in the supply air duct, wherein the air heater is coupled to the heating buffer unit.
Die Heizungspuffereinheit sorgt für eine dauerhafte Bereitstellung von Energie, wobei die Zuluft vorzugsweise durch die Energie der Heizungspuffereinheit immer auf die gewünschte Temperatur bringbar ist. Gleichzeitig sorgt die Heizungspuffereinheit im Ergebnis dann dafür, dass die den Luft/Luft-Wärmeübertrager erreichende Abluft eine bestimmte Mindestenergie aufweist, so dass auch die den Luft/Luft-Wärmeübertrager nach Wärmeabgabe verlassende Fortluft über die nötige Energie für die Unterstützung des Abtauens des Verdampfers verfügt.The heating buffer unit ensures a permanent supply of energy, wherein the supply air is preferably always brought by the energy of the heating buffer unit to the desired temperature. At the same time, the heating buffer unit then ensures that the exhaust air reaching the air / air heat exchanger has a certain minimum energy, so that the exhaust air leaving the air / air heat exchanger also has the necessary energy to support defrosting of the evaporator ,
In einer Ausführungsform ist der Lufterhitzer eingerichtet, die Zuluft auf eine von der Außenluft abhängige Temperatur zu erhitzen, insbesondere auf einen Bereich von 30 °C bis 60 °C, wobei die Zuluft für höhere Temperaturen der Außenluft auf eine niedrigere Temperatur erhitzt wird. Eine höhere nachgefragte Heizleistung, d.h. aufgrund niedriger Temperatur der Außenluft, wird durch Erhöhung der Temperatur der Zuluft umgesetzt. Gleichzeitig wird somit auch sichergestellt, dass die Temperatur der Fortluft nach Durchlaufen des Luft/Luft-Wärmeübertragers den gewünschten Wert nicht unterschreitet, d.h. vorher über eine entsprechende Energiereserve verfügen.In one embodiment, the air heater is adapted to heat the supply air to a temperature dependent on the outside air, in particular to a range of 30 ° C to 60 ° C, wherein the supply air is heated to a lower temperature for higher temperatures of the outside air. A higher demanded heating power, i. due to low temperature of the outside air, is implemented by increasing the temperature of the supply air. At the same time it is thus ensured that the temperature of the exhaust air after passing through the air / air heat exchanger does not fall below the desired value, i. previously have an appropriate energy reserve.
In einer Ausführungsform ist im Zuluftkanal ein Zuluftventilator angeordnet und im Fortluftkanal ein Fortluftlüfter angeordnet. Es ist vorteilhaft, die Zuluft und die Fortluft somit jeweils die Luft durch den Luft/Luft-Wärmeübertrager zu saugen, d.h. den jeweiligen Lüfter im Strömungspfad nach dem Luft/Luft-Wärmeübertrager anzuordnen.In one embodiment, a supply air fan is arranged in the supply air duct and arranged in the exhaust duct an exhaust fan. It is advantageous to suck the supply air and the exhaust air thus each of the air through the air / air heat exchanger, i. to arrange the respective fan in the flow path after the air / air heat exchanger.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiter durch ein Verfahren zum Abtauen eines Verdampfers einer Wärmepumpeneinheit der eingangs genannten Art gelöst. Das Verfahren umfasst ein Führen der durch den Fortluftkanal strömenden Fortluft über den Verdampfer zur Unterstützung des Abtauens des Verdampfers.The object is further achieved by a method for defrosting an evaporator of a heat pump unit of the type mentioned. The method includes passing the exhaust air flowing through the exhaust air passage over the evaporator to assist in defrosting the evaporator.
Vorteile und Ausführungsbeispiele werden im Folgenden mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 schematisch und exemplarisch eine Wärmepumpenanlage gemäß der Erfindung.
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1 schematically and exemplarily a heat pump system according to the invention.
Die vorgeschlagene Wärmepumpenanlage
Insbesondere eine Solaranlage
Die Wärmepumpenanlage
Die Wärmepumpenanlage
Weiterhin ist vorteilhaft ein Gaskühler
Weiterhin weist der Kältemittelkreislauf
In
Außenluft AU wird dem Luft/Luft-Wärmeübertrager
Die dem Vorheizer
Im Luft/Luft-Wärmeübertrager
Weiter strömt die dann erwärmte Außenluft AU nach dem Luft/Luft-Wärmeübertrager
Im Lufterhitzer
Die Solltemperatur des Zuluftstroms ZU wird abhängig von einer Außentemperatur tAu und/oder einer Raumtemperatur gesteuert. Entsprechend wird entweder der Massenstrom des Wärmeträgermediums durch den Lufterhitzer
Bei Außentemperaturen tAu der Luft im Bereich von -20 °C wird die Zuluft auf ca. 50 °C erwärmt. Bei Temperaturen von um die 0 °C erfolgt eine Erwärmung der Zuluft auf etwa 35 °C.At outdoor temperatures in the range of -20 ° C, the supply air is heated to approx. 50 ° C. At temperatures of around 0 ° C, the supply air warms up to around 35 ° C.
In einem Kühlfall, wenn das Gebäude gekühlt werden soll, wird die Zuluft ZU in der Temperatur gesenkt, auf einen Wert, der unter der Raumtemperatur tR liegt. Dies erfolgt solange, bis der Sollwert der Raumtemperatur tRs erreicht wird. In vielen Kühlfällen ist es erforderlich, dass die Zulufttemperatur zu Kühlzwecken längere Zeiten, insbesondere über mehrere Stunden, bei denen die Außentemperatur insbesondere über 25 °C liegt oder ein starker Wärmeeintrag durch Sonneneinstrahlung erfolgt, unter der Solltemperatur des Raumes tRs gehalten und das Wärmeträgermedium gekühlt wird. Dazu wird auch der Kältemittelkreislauf
Der Abluftstrom AB, der durch den Abluftkanal
Die so geförderte Fortluft FO wird über einen Fortluftkanal
Im Stillstand des Kältemittelkreislaufs
Im Ausführungsbeispiel weist die Wärmepumpenanlage
Das Wärmeträgermedium wird mittels der Pumpe
Das Dreiwegeventil wir vom Regler
In einem Ausführungsbeispiel ist eine Solaranlage
Ein Elektroheizer
Gemäß
Im Pufferspeicher
Im Ausführungsbeispiel ist das erste Pufferrohr
Damit ist eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten Eintritt
Der Pufferspeicher
Das erste Pufferrohr
So können in einem anderen Ausführungsbeispiel anstelle eines durchgehenden Pufferrohres
Der Pufferspeicher
Der Pufferspeicher
Der Durchmesser D kann in anderen Ausführungsbeispielen auch noch kleiner als 15 cm sein und die Höhe H kann auch noch höher sein als 200 cm. Je nachdem, wie hoch die Höhe H ausgewählt ist, kann auch der Durchmesser D größer ausfallen. Soweit die Höhe H über 200 cm ausfällt, kann der Durchmesser D auch über 25 cm sein, wobei das Verhältnis aus Durchmesser und Höhe vorzugsweise kleiner als 0,3 oder kleiner als 0,2 bleibt.The diameter D may also be smaller than 15 cm in other embodiments and the height H may be even higher than 200 cm. Depending on how high the height H is selected, the diameter D can also be larger. As far as the height H exceeds 200 cm, the diameter D may be more than 25 cm, wherein the ratio of diameter and height preferably remains smaller than 0.3 or smaller than 0.2.
Im Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser D des Pufferspeichers
Im Wärmeträgerkreislauf
Im Bereich der Wasserhydraulik des Pufferspeichers
Am Vorheizer (
Bei einem vorteilhaften Verfahrensschritt ist der Bypass (
Ein Pufferspeicher
Die Behälterwand
Vorteilhaft weist wenigstens ein Pufferrohr
Claims (9)
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2017
- 2017-04-06 DE DE102017107451.1A patent/DE102017107451A1/en active Pending
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