DE102017115903A1

DE102017115903A1 - Wärmepumpenanlage mit hydraulischem Temperaturstellglied zur Erhöhung der Last

Info

Publication number: DE102017115903A1
Application number: DE102017115903.7A
Authority: DE
Inventors: Thaddäus HINTERBERGER; Lennart Thomsen; Dominik Motschmann
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: Efficient Energy GmbH
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Wärmepumpenanlage (1) mit einem Verdichter (17), einem Verdampfer (3) mit einem Verdampfereingang (3.1) und einem Verdampferausgang (3.2), und einem Verflüssiger (4) sowie einer ersten Masche, in der eine mittels des Verflüssigers (4) erwärmte Arbeitsflüssigkeit über einen Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt zum Verflüssiger (4) rezirkuliert werden kann, und einer zweiten Masche, in der eine mittels des Verdampfers (3) abgekühlte Arbeitsflüssigkeit über einen Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt zum Verdampfer (3) rezirkuliert werden kann, wobei die Wärmepumpenanlage (1) ein hydraulisches Temperaturstellglied (HT) umfasst, an dem vom Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit ansteht und an dem vom Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit ansteht und das den Verdampfereingang (3.1) mittels der an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten mit einer Arbeitsflüssigkeit speisen kann, deren Temperatur zwischen den unterschiedlichen Temperaturen der besagten rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten liegt.

Description

GATTUNG
Die Erfindung geht von einer Kältemaschine mit einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Verflüssiger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus sowie einem entsprechenden Verfahren und der zugehörigen Verwendung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Bei Kältemaschinen wird der Verdichter auf einen gewissen Arbeitsbereich ausgelegt. Dort, wo die Kältemaschine zum Kühlen eingesetzt wird, erfolgt die Auslegung meist auf eine maximale Last bzw. Kältelast. Für einen solchen Fall typische Leistungseckdaten können sich beispielsweise so darstellen, dass die beim Abnehmer gewünschte Kaltwassertemperatur etwa 22°C beträgt, während die Rücklauftemperatur aus dem zu kühlenden Gebiet etwa 28°C beträgt.
Wird bei gleichbleibendem Temperaturhub nur eine geringe Leistung bzw. Kühlleistung abgerufen, dann mag dem innerhalb bestimmter Grenzen dadurch Rechnung getragen werden, dass man den Verdichter langsamer laufen lässt, z. B. mithilfe eines den Antrieb des Verdichters speisenden Frequenzumrichters. Der Verdichter kann aber nicht unterhalb einer bestimmten Drehzahl betrieben werden, da es sonst zu instabilen Strömungszuständen infolge mangelnder Volumendurchsätze kommen kann. Das droht insbesondere dort, wo Turboverdichter im Einsatz sind.
Das eben geschilderte Problem stellt sich unabhängig davon, ob die Maschine zum Kühlen oder Heizen eingesetzt wird. Auch wenn nachfolgend durchweg von Kältelasten gesprochen wird, gilt das Gesagte daher - jeweils sinngemäß - auch für Maschinen, denen Wärmelasten abverlangt werden. Diese Tatsache wird jeweils nicht noch einmal betont.
STAND DER TECHNIK
Eine bekannte Regelung zum Ausgleich des Überschusses der Verdichterleistung ist die sogenannte Zweipunkt- oder Ein-Aus-Regelung. Im Rahmen einer solchen Regelung wird der Verdichter intermittierend ein- und ausgeschaltet, um die Leistung bzw. Kühlleistung im Mittel zu verringern. Eine solche Zweipunktregelung hat diverse Nachteile. Allen voran sind der erhöhte Energieverbrauch durch die beim periodischen Wiederanfahren gezogene Blindleistung und das stark „sägezahnartige“ Temperatur-Zeit-Profil auf der Nutzseite zu nennen, z. B. an dem zum Kühlen genutzten Konvektor.
Daneben ist im Stand der Technik auch die sogenannte Heißgasbypass-Regelung bekannt, wie sie etwa in dem US-Patent 6 427 464 B2 beschrieben wird. Dabei ist vorgesehen, dass im Teillastbetrieb ein Teil des verdichteten Kältemittels (Heißgas) auf der Druckseite unmittelbar stromabwärts nach dem Verdichter entnommen und dann mittels eines rückwärts gerichteten Bypasses dem Verdichter stromaufwärts auf seiner Saugseite wieder zugeführt wird.
Hierdurch wird die Last bzw. Kältelast künstlich erhöht und es wird eine Erhöhung des Volumendurchsatzes erreicht. Dadurch kann der Verdichter, obwohl ihm eigentlich nur Teillast abverlangt wird, wieder an oder näher an seinem Auslegungspunkt arbeiten.
Nachteilig an dieser Art der künstlichen Erhöhung der Last ist, dass der Dampf des Kältemittels zurückgeführt werden muss. Das bedeutet, dass der Bypass so ausgelegt sein muss, dass er große Volumenströme bewältigen kann.
Besonders prekär wird das Volumenstromproblem dort, wo die als Kältemittel verwendete Arbeitsflüssigkeit - anders als die altbekannten FCKW und deren heute verwendeten Substituenten - in ihrer dampfförmigen Phase ein erheblich größeres Volumen einnimmt als in ihrer flüssigen Phase. Das ist beispielsweise bei Wasser der Fall, wo die Volumenvergrößerung beim Übergang in die dampfförmige Phase den Faktor 1.000 signifikant überschreitet.
DAS DER ERFINDUNG ZUGRUNDE LIEGENDE PROBLEM
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Wärmepumpenanlage zu schaffen, bei der sich mit einfachen Mitteln eine künstliche Erhöhung der Last bzw. Kältelast des Verdichters erreichen lässt.
DIE ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Mitteln des Anspruchs 1.
Die Erfindung setzt bei dem Gedanken an, Energie aus dem Verflüssigerkreislauf bzw. der Verflüssigermasche in den Verdampferkreislauf bzw. die Verdampfermasche zu übertragen, um dadurch die Last künstlich zu erhöhen und so z. B. beim Kühlen sicherzustellen, dass die Kälteleistung nicht zu hoch wird, obwohl der Verdichter mit einer bestimmten Mindestdrehzahl läuft, die an und für sich für den aktuellen Bedarf zu hoch ist, aber aus strömungstechnischen Gründen nicht weiter abgesenkt werden kann. Das erfolgt erfindungsgemäß mit ganz bestimmten Mitteln.
Dementsprechend wird eine Wärmepumpenanlage mit mindestens einem Verdichter, mindestens einem Verdampfer mit einem Verdampfereingang und einem Verdampferausgang sowie mit mindestens einem Verflüssiger vorgeschlagen.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage besitzt (genau oder mindestens) eine erste Masche. Diese erste Masche ist so gestaltet, dass über sie eine mittels des Verflüssigers erwärmte Arbeitsflüssigkeit mithilfe mindestens eines Wärmetauschers für das zu heizende Gebiet abgekühlt werden und dann zum Verflüssiger rezirkuliert werden kann.
Die erfindungsgemäße (genau oder mindestens) eine zweite Masche ist so gestaltet, dass über sie eine mittels des Verdampfers abgekühlte Arbeitsflüssigkeit mithilfe mindestens eines Wärmetauschers für das zu kühlende Gebiet erwärmt werden und dann zum Verdampfer rezirkuliert werden kann.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein hydraulisches Temperaturstellglied umfasst. An dem hydraulischen Temperaturstellglied steht vom Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet abgekühlte und dann von dort aus rücklaufende Arbeitsflüssigkeit an. Gleichzeitig steht an dem Temperaturstellglied auch Arbeitsflüssigkeit an, die vom Wärmetauscher für das zu kühlende Gebiet erwärmt wurde und dann von dort aus zurückläuft. Das bedeutet also, dass das hydraulische Temperaturstellglied stromabwärts des jeweils mindestens einen Wärmetauschers für das zu heizende Gebiet und auch stromabwärts des mindestens einen Wärmetauschers für das zu kühlende Gebiet angeordnet ist. Das hydraulische Temperaturstellglied liegt stromaufwärts vor dem Verdampfereingang. Es liegt bevorzugt unmittelbar vor dem Verdampfereingang, ohne Zwischenschaltung weiterer für den Kälteprozess relevanter Funktionselemente, wie zusätzlicher Wärmetauscher.
Das besagte Temperaturstellglied ist so ausgestaltet, dass es den Verdampfereingang mittels der an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten mit einer Arbeitsflüssigkeit speisen kann, deren Temperatur zwischen den unterschiedlichen Temperaturen der rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten liegt.
Das Temperaturstellglied ist ein hydraulisches Temperaturstellglied, d. h. ihm liegt das Prinzip zugrunde, im Regelfall allein mithilfe der in der Wärmepumpenanlage ohnehin zur Verfügung stehenden Arbeitsflüssigkeiten die notwendige Erhöhung der Last bzw. Kältelast zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird das Rezirkulieren von Dampf vom Verdichterausgang zum Verdichtereingang obsolet.
Da in das hydraulische Temperaturstellglied ausschließlich vom Wärmetauscher her kommendes Arbeitsmedium eingespeist wird, das sich in seinem flüssigen Aggregatzustand befindet, müssen - anders als beim sog. Heißgasbypass - nur signifikant geringere Volumenströme bewältigt werden. Der Verdampfer kann daher auf einfache Art und Weise mit einer von ihm durch Abkühlung zur Kaltflüssigkeit zu machenden Arbeitsflüssigkeit gespeist werden, die mit erhöhter Temperatur in ihn eintritt und daher eine künstliche Erhöhung der Last bzw. Kältelast herbeiführt.
Das ist dort ganz besonders vorteilhaft, wo als Arbeitsflüssigkeit vorzugsweise Wasser (H₂O) eingesetzt wird.
BESONDERS VORTEILHAFTE AUSGESTALUNGSMÖGLICHKEITEN
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung dort aus, wo mindestens eine spezielle Wärmepumpe zum Einsatz kommt.
Es handelt sich dabei um eine Wärmepumpe, bei der der Verdampfer so gestaltet ist, dass in ihm aus der in ihn eingetretenen Arbeitsflüssigkeit Arbeitsdampf erzeugt wird und eine abgekühlte Restarbeitsflüssigkeit, die von ihm als nutzbare Kaltflüssigkeit ausgegeben wird.
Der Verdampfer ist dabei so konzipiert, dass die Restarbeitsflüssigkeit dadurch abgekühlt wird, dass ihr die Verdampfungsenergie entzogen wird, die für die partielle Verdampfung der eingetretenen Arbeitsflüssigkeit aufzuwenden ist.
Sodann weist die Wärmepumpenanlage einen Verdichter auf, der den Arbeitsdampf aus dem Verdampfer abzieht und in den Verflüssiger drückt.
Der Verflüssiger ist so gestaltet, dass in ihm aus dem Arbeitsdampf und der in ihn eingetretenen Kühl- bzw. Arbeitsflüssigkeit eine erwärmte, von ihm abzugebende Gesamtarbeitsflüssigkeit erzeugt wird. Die Erwärmung erfolgt durch Freisetzung der Kondensationsenergie des eingetretenen Arbeitsdampfes.
Besonders günstig ist es, wenn das erfindungsgemäße hydraulische Temperaturstellglied ein Mischer ist, in dem eine physische Mischung aus den an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten erzeugt werden kann. Diese Mischung bildet dann das Arbeitsfluid zur Speisung des Verdampfereingangs. Die Mischung zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Temperatur eine Mitteltemperatur aus der höheren und der niedrigeren Temperatur der beiden eingespeisten Arbeitsflüssigkeiten ist.
Idealerweise ist der Mischer in verschiedenen Betriebszuständen betreibbar, bei denen die eingespeisten Arbeitsflüssigkeiten in unterschiedlichen Mengenverhältnissen miteinander gemischt werden. Auf diese Art und Weise lässt sich die künstliche Erhöhung der Last bzw. Kältelast zumindest schrittweise steuern oder sogar zumindest schrittweise regeln.
Besonders günstig ist es, wenn der Mischer vorzugsweise in mindestens zwei Betriebszuständen betreibbar ist. In seinem einen Betriebszustand speist der Mischer den Verdampfereinlass nur (d. h. im Wesentlichen oder ausschließlich) mit vom Wärmetauscher für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufender Kalt- bzw. Arbeitsflüssigkeit. In seinem anderen Betriebszustand speist der Mischer den Verdampfereinlass mit der besagten Mischung. Idealerweise ist der Mischer zusätzlich in einem dritten Betriebszustand betreibbar. In diesem dritten Betriebszustand speist er den Verdampfereinlass nur (d. h. im Wesentlichen oder ausschließlich) mit vom Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufender Kühl- bzw. Arbeitsflüssigkeit.
Idealerweise ist der Mischer stufenlos verstellbar, so dass eine genaue Steuerung bzw. bevorzugt eine Regelung möglich ist.
Zu diesem Zweck ist der Mischer elektrisch, pneumatisch und/oder hydraulisch von außen ansteuerbar, um das die Strömungswege bzw. Strömungsquerschnitte bestimmende Mischerglied in eine bestimmte Position zu bewegen.
Alternativ zum physischen Vermischen der Arbeitsflüssigkeiten ist vorgesehen, dass das hydraulische Temperaturstellglied eine Wärmetauschereinrichtung ist. Diese umfasst mindestens einen Wärmetauscher. An dem Wärmetauscher steht rücklaufende Arbeitsflüssigkeit an, die zuvor an dem Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet abgekühlt wurde und nun dem Kälteprozess erneut zuzuführen ist. Physisch getrennt davon, steht rücklaufende Arbeitsflüssigkeit an, die zuvor vom Wärmetauscher für das zu kühlende Gebiet erwärmt wurde und nun dem Kälteprozess erneut zuzuführen ist. Der Wärmetauscher speist unter Zuhilfenahme der an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten den Verdampfereingang mit einer Arbeitsflüssigkeit, deren Temperatur zwischen den unterschiedlichen Temperaturen der rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten liegt.
Bevorzugt sind der mindestens eine Wärmetauscher und ein Sperrventil parallel geschaltet. Dadurch kann über eine entsprechende Einstellung des Sperrventils bestimmt werden, wie groß der Volumenstrom durch den Wärmetauscher ist. Somit können die Arbeitsflüssigkeiten an dieser Stelle physisch getrennt gehalten werden, ohne auf den erfindungsgemäßen Effekt zu verzichten.
Wenn das Sperrventil stufenlos verstellbar gestaltet ist und daher über das Sperrventil der durch das Sperrventil hindurchtretende Volumenstrom vorgegeben werden kann, ist unter Umständen trotz der naturgemäßen thermischen Trägheit des eingesetzten Wärmetauschers eine feinfühlige Steuerung oder sogar eine Regelung möglich: Mittels des Sperrventils kann ohne Totzeit vorgegeben werden, welcher Teil des Gesamtvolumenstroms durch den Wärmetauscher fließt und welcher Teil des Gesamtvolumenstroms über das Sperrventil an dem Wärmetauscher vorbeigeleitet wird - um sich stromabwärts des Sperrventils wieder mit dem Teilvolumenstrom aus dem Wärmetauscher zu mischen, so dass der Gesamtvolumenstrom eine bestimmte Temperatur aufweist.
Alternativ zum Sperrventil kann auch im Abzweig zum Wärmetauscher oder im Abzweig vom Wärmetauscher kommend ein Wege- und vorzugsweise ein Dreiwegeventil verbaut werden. Auch über diese Stelleinrichtungen kann der Volumenstrom über den Wärmetauscher angepasst werden.
Schutz wird auch für die entsprechenden Verfahren zum Betreiben der geschilderten Wärmepumpenanlagen beansprucht.
Schutz wird zudem auch für die Verwendung einer Mischung aus ihren Wärmetauschern rücklaufender Arbeitsflüssigkeiten zum Zwecke der Speisung des Verdampfers einer der geschilderten Wärmepumpenanlagen mit Arbeitsflüssigkeit beansprucht, die eine Mitteltemperatur besitzt.
Figurenliste

Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt einer Kaskaden-Wärmepumpenanlage mit vorzugsweise zwei Wärmepumpen, bei der ein Mischer als Temperaturstellglied eingesetzt wird.
Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt einer Kaskaden-Wärmepumpenanlage entsprechend 1, bei der eine Wärmetauscheranordnung als Temperaturstellglied eingesetzt wird.
Die 2a zeigt eine erste Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Wege- bzw. Dreiwegeventil den Abzweig zum Wärmetauscher kontrolliert.
Die 2b zeigt eine zweite, alternative Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Wege- bzw. Dreiwegeventil den Abzweig bzw. Rücklauf vom Wärmetauscher kontrolliert.
Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt einer Ein-Wärmepumpenanlage, bei der ein Mischer als Temperaturstellglied eingesetzt wird.
Die 4 zeigt den Energiestrom im Betrieb mit auslegungsgemäßer Last bzw. Kältelast.
Die 5 zeigt den Energiestrom im Betrieb mit der erfindungsgemäß künstlich erhöhten Last bzw. Kältelast.
Die 6 zeigt die Bauart und Funktion eines für die Erfindung besonders bevorzugt zum Einsatz kommenden Wärmepumpentyps am Beispiel der Wärmepumpe 2, aber nicht beschränkt hierauf.

ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
GRUNDLEGENDER AUFBAU DER ERFINDUNGSGEMÄSSEN WÄRMEPUMPENANLAGE
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage 1.
Die Wärmepumpenanlage umfasst hier eine erste Wärmepumpe 2. Diese besitzt einen Verdampfer 3 mit einem Verdampfereingang 3.1 und einem Verdampferausgang 3.2. Die erste Wärmepumpe besitzt ferner einen Verflüssiger 4 mit einem Verflüssigereingang 4.1 und einem Verflüssigerausgang 4.2.
Der bevorzugte interne Aufbau und die damit einhergehende bevorzugte Arbeitsweise einer solchen, hier als Modul dargestellten Wärmepumpe werden an späterer Stelle noch näher beschrieben.
Zu der Wärmepumpenanlage 1 gehört darüber hinaus eine zweite Wärmepumpe 5, die kaskadierend mit der ersten Wärmepumpe zusammenarbeiten kann. Diese zweite Wärmepumpe 5 besitzt einen Verdampfer 6 mit einem Verdampfereingang 6.1 und einem Verdampferausgang 6.2. Darüber hinaus besitzt diese zweite Wärmepumpe 5 einen Verflüssiger 7 mit einem Verflüssigereingang 7.1 und einem Verflüssigerausgang 7.2.
Je nach Klimatisierungs- bzw. Heizbedarf kann die Wärmepumpenanlage auch weitere Wärmepumpen (bevorzugt gleicher Bauart) aufweisen und dann drei- oder mehrstufig kaskadierend aufgebaut sein. Das ist hier allerdings nicht figürlich dargestellt.
Zu der Anlage gehören hier ein Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet und ein Wärmetauscher 9 für das zu erwärmende Gebiet. Ein solcher Wärmetauscher kann ein Wärmetauscher an einer Anlagenschnittstelle zwischen der eingehausten Wärmepumpenanlage und deren Umgebung sein, oder ein Wärmetauscher vor Ort. Letzterenfalls kann der Wärmetauscher auf der Kaltseite mindestens ein Konvektor oder Gebläsekonvektor im zu kühlenden Gebäudeteil sein. Auf der Warmseite kann der Wärmetauscher in diesem Fall mindestens ein Konvektor bzw. Gebläsekonvektor zur Wärmeabgabe auf dem Dach oder an der Fassade sein.
Wird die Wärmepumpenanlage stattdessen zum Heizen verwendet, kann der Wärmetauscher auf der Warmseite z. B. eine Fußbodenheizung sein und der Konvektor auf der Kaltseite ein Luftkonvektor oder ein Grundwasser- oder Erdspeicherwärmetauscher.
Zu der Anlage gehören darüber hinaus vorzugsweise verschiedene Pumpen PK, PZ und PV, deren Funktion später noch näher erläutert wird.
Darüber hinaus gehört vorzugsweise ein meist als 4-Wege-Ventil ausgestaltetes Wege-Ventil 10 zu der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage 1.
Idealerweise ist die Wärmepumpenanlage mit einem Mischer 11 ausgerüstet, um den Kernaspekt der Erfindung umzusetzen. Bevorzugt ist der Mischer 11 als 4-Wege-Mischer ausgeführt.
BEVORZUGT ZUM EINSATZ KOMMENDER WÄRMEPUMPENTYP
Die 6 veranschaulicht den Aufbau und das Funktionsprinzip des für die erfindungsgemäße Anlage bevorzugt zum Einsatz kommenden Wärmepumpentyps, hier am Beispiel der Wärmepumpe 2 mit ihrem Verdampfer 3 und ihrem Verflüssiger 4 und den zugehörigen Verdampferein- und -ausgängen 3.1 bzw. 3.2 sowie den zugehörigen Verflüssigerein- und -ausgängen 4.1 bzw. 4.2.
Es handelt sich um ein bis an die Wärmetauscher, die die Systemgrenze des eingehausten Systems bilden mögen, vakuumdichtes System. Dieses wird vorzugsweise mit reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit betrieben, sowohl auf Seiten der Kühlflüssigkeit als auch auf Seiten der Kaltflüssigkeit.
Die Kaltflüssigkeit tritt über den Verdampfereingang 3.1 in den Verdampfer 3 der Wärmepumpe 2 ein.
Etwa 1 % der eingetretenen Kaltflüssigkeit verdampft im dort herrschenden Vakuum. Die hierfür benötigte Verdampfungsenergie wird dem restlichen Kaltflüssigkeitsstrom KW entzogen, der sich dadurch um ca. 6°C abkühlt.
Der bei der Verdampfung entstandene Dampf W wird von dem Turboverdichter 17 mit vorzugsweise mehr als 25.000 Umdrehungen pro Minute auf maximal ein Drittel seines Ausgangsvolumens verdichtet, wobei sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen. Er wird dabei in den Verflüssiger 4 gedrückt.
Der erhitzte Dampf W kondensiert im Verflüssiger 4 direkt in den umlaufenden Kühlflüssigkeitsstrom K, die dabei abgegebene Kondensationswärme erwärmt diesen dabei ebenfalls um ca. 6°C.
Geschlossen wird der Kreislauf über ein selbstregelndes Expansionsorgan 18.
Bemerkenswert ist, dass die Verdampfung und Rekondensation vollständig innerhalb der jeweiligen Wärmepumpe abläuft, d. h. innerhalb des Moduls, das die Wärmepumpe gegenüber ihrer Umgebung kapselt. Die Verdampfung und Rekondensation erfolgen nicht in den Wärmetauschern, die in dem zu heizenden oder zu kühlenden Raum angebracht sind und/oder zum Zwecke der Nutzwärmeaufnahme bzw. der Abwärmeabgabe gebäudeaußenseitig.
BETRIEBSMODI DER ERFINDUNGSGEMÄSSEN ANLAGE
Die erfindungsgemäße Anlage lässt sich vorzugweise in unterschiedlichen Modi betreiben, je nachdem, welche Temperaturen an der Wärmesenke und Wärmequelle bereitgestellt werden.
Nachfolgend werden die einzelnen Betriebsmodi am Beispiel einer Kühlanlage erläutert, die mit einer Kühlflüssigkeit und einer Kaltflüssigkeit arbeitet.
Diese Kühlanlage kann als sogenannter „Kaltwassersatz“ konzipiert sein und wird dann mit Wasser betrieben, wie exemplarisch im Rahmen dieses figürlich dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Ein solcher Kaltwassersatz kann zur Kühlung eines fensterlosen Serverraums eingesetzt sein. Der Wärmetauscher bzw. Konvektor, der den Serverraum kühlt, soll mit einer Vorlauftemperatur von ca. 22° C gespeist werden und mag dabei eine Rücklauftemperatur von ca. 28° C aufweisen. Diese Temperaturangabe ist wie alle folgenden Temperaturangaben beispielhaft, es wird lediglich ein besonders bevorzugter Bereich genannt.
Der Vollständigkeit halber sei festgehalten, dass sich das anhand der Ausführungsbeispiele Geschilderte sinngemäß auch auf eine Heizanlage übertragen lässt, die sich von einer Kühlanlage nur dadurch unterscheidet, dass die Kühlflüssigkeit genutzt wird anstatt der Kaltflüssigkeit. Daher gilt das Beschriebene für eine solche Anlage entsprechend.
Dabei werden zunächst die vier Grundmodi erläutert, sodann wird beschrieben, wie sich bevorzugt zumindest zwei dieser Grundmodi mithilfe der Erfindung noch feiner steuern bzw. regeln lassen.
DER SOGENANNTE S2-MODUS
An besonders heißen Tagen mag die Temperatur der im Rücklauf aus dem Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet anstehenden Kühlflüssigkeit zwischen 30°C und 45°C liegen. Um im Vorlauf der Kaltflüssigkeit die benötigte Temperatur von ca. 22°C zu erreichen, wird der maximale Temperaturhub benötigt. Daher sind beide Wärmepumpen 2 und 5 in Betrieb und laufen mit oder im Nahbereich ihrer Nennleistung. Sie sind dann als Kaskade verschaltet. Jede der Wärmepumpen bewältigt, zumindest im Wesentlichen, den halben Temperaturhub, d. h. die Hälfte der benötigten Temperaturdifferenz zwischen dem Rücklauf der Kühlflüssigkeit und dem Vorlauf der Kaltflüssigkeit.
Das Wege-Ventil 10 (das hier, wie jeweils im Folgenden auch bevorzugt als 4-Wege-Ventil ausgestaltet ist, was nicht jeweils nochmal extra hervorgehoben wird) und der Mischer 11 sind daher bei dem von 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im S2-Modus so geschaltet, dass sich folgende fluidische Verbindungen ergeben:
Der Verdampferausgang 3.2 des Verdampfers 3 ist mit dem Verdampfereingang 3.1 fluidisch verbunden. Die Verbindung erfolgt, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise über die Masche aus dem Pfad 3a und den Pfaden 3b und 3c. In dieser Masche liegt der Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet. In dieser Masche und vorzugsweise im Pfad 3a liegt eine Pumpe PV, die außerhalb des Verdampfers 3 eine Zirkulationsströmung in Richtung vom Verdampferausgang 3.2 zum Verdampfereingang 3.1 treibt.
Der Mischer 11 ist dabei entsprechend eingestellt, vorzugsweise so, dass er die Pfade 3b und 3c exklusiv miteinander verbindet.
Der Verflüssigerausgang 4.2 der ersten Wärmepumpe 2 ist extern mit dem Verflüssigereingang 4.1 fluidisch verbunden. Die Verbindung erfolgt, wie in 1 gezeigt, vorzugsweise über eine Masche aus dem Pfad 6c, der in den Verdampfereingang 6.1 der zweiten Wärmepumpe 5 mündet, aus dem internen Pfad des Verflüssigers 4, aus dem am Verdampferausgang 6.2 beginnenden Pfad 6a und dem Pfad 6b. In dieser Masche und vorzugsweise im Pfad 6a liegt eine Pumpe PZ, die außerhalb des Verflüssigers 4 eine Zirkulationsströmung in Richtung vom Verflüssigerausgang 4.2 zum Verflüssigereingang 4.1 treibt.
Das Wege-Ventil 10 ist dabei entsprechend eingestellt, vorzugsweise so, dass es die Pfade 6a und 6b exklusiv miteinander verbindet.
Der Verflüssigerausgang 7.2 der zweiten Wärmepumpe 5 ist extern mit dem Verflüssigereingang 7.1 der zweiten Wärmepumpe 5 fluidisch verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise über eine Masche aus dem Pfad 7a, dem Pfad 7b, dem Pfad 7c und dem sich anschließenden Pfad 7d. In der Masche, die den Verflüssigerausgang 7.2 mit dem Verflüssigereingang 7.1 verbindet, liegt der Wärmetauscher 9 für das zu heizende Gebiet. In dieser Masche, vorzugsweise im Pfad 7a, liegt eine Pumpe PK. Die Pumpe PK treibt außerhalb des Verflüssigers 7 eine Zirkulationsströmung in Richtung vom Verflüssigerausgang 7.2 zum Verflüssigereingang 7.1.
Der Mischer 11 ist dabei entsprechend eingestellt, vorzugsweise so, dass er die Pfade 7b und 7c exklusiv miteinander verbindet.
Zugleich ist das Wege-Ventil 10 entsprechend so eingestellt, vorzugsweise so, dass es die Pfade 7c und 7d exklusiv miteinander verbindet.
Auf diese Art und Weise wird der Verdampfer der zweiten Wärmepumpe 5 mit dem erwärmten Fluid aus dem Verflüssiger der ersten Wärmepumpe 2 gespeist. Dadurch hat jede der beiden Wärmepumpen nur die Hälfte der zwischen dem Verdampferausgang der ersten Wärmepumpe 2 und dem Verflüssigerausgang der zweiten Wärmepumpe 5 zu erreichenden Temperaturdifferenz zu bewältigen.
DER SOGENANNTE S1-Modus
An weniger heißen Tagen ist ggf. die gleiche Wärmeleistung aus dem hier als Beispiel dienenden, fensterlosen Serverraum abzuführen, aber unter günstigeren Randbedingungen. An diesen Tagen mag die Temperatur der im Rücklauf aus dem Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet anstehenden Kühlflüssigkeit zwischen 24°C und 30°C liegen. Um im Vorlauf der Kaltflüssigkeit die benötigte Temperatur von ca. 22°C zu erreichen, wird nur ein geringerer Temperaturhub als im S2-Modus benötigt. Daher wird eine Wärmepumpe abgeschaltet, vorzugsweise ist das die zweite Wärmepumpe 5. Die erste Wärmepumpe 2 erzeugt den erforderlichen Temperaturhub allein. Sie kann dadurch mit oder im Nahbereich ihrer Nennleistung betrieben werden.
Das Wege-Ventil 10 und der Mischer 11 sind daher bei dem von 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im S1-Modus so geschaltet, dass sich folgende fluidische Verbindungen ergeben:
Der Verdampferausgang 3.2 des Verdampfers 3 ist über die Masche aus dem Pfad 3a und den Pfaden 3b und 3c, in der der Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet liegt, mit dem Verdampfereingang 3.1 verbunden. Die gesamte Masche ist vorzugsweise so beschaffen, wie oben bereits für den S2-Modus beschrieben.
Die zweite, abgeschaltete Wärmepumpe 5 ist nun nur noch als passiver Strömungspfad beteiligt, wie folgt.
Der Verflüssigerausgang 4.2 der ersten, aktiven Wärmepumpe 2 ist über die Masche aus dem Pfad 6c, dem internen Pfad des Verdampfers 6, dem Pfad 6a, dem Pfad 7d, dem internen Pfad des Verdampfers 7, dem Pfad 7a, dem Pfad durch den Wärmetauscher 9 für das zu heizende Gebiet, dem Pfad 7b, dem Pfad 7c und dem Pfad 6b mit dem Verflüssigereingang 4.1 der ersten Wärmepumpe 2 verbunden.
Der Mischer 11 ist dabei genauso, wie im S2-Modus eingestellt.
Zugleich ist das Wege-Ventil 10 dabei nun entsprechend eingestellt, vorzugsweise so, dass es die Pfade 7c und 6b und die Pfade 6a und 7d jeweils exklusiv miteinander verbindet.
Im Ergebnis kann man sagen, dass im S1-Modus der Verflüssigerausgang 4.2 und der Verflüssigereingang 4.1 unmittelbar, ohne wirkmäßige Zwischenschaltung der Wärmepumpe, mit dem Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet verbunden sind.
DER SOGENANNTE FC⁺ MODUS
An Tagen, an denen die Außentemperatur sehr gemäßigt ist, mag die Temperatur der im Rücklauf aus dem Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet anstehenden Kühlflüssigkeit zwischen 18° C bis 24° C liegen - sie liegt damit niedriger als die Temperatur von ca. 28° im Rücklauf aus dem Wärmetauscher für das zu kühlende Gebiet. Sie liegt aber noch nicht so niedrig, dass sie direkt, ohne ergänzenden Temperaturhub, mit einer Temperatur von 22° C als Kaltflüssigkeit in den Vorlauf des Wärmetauschers des zu kühlenden Gebiets eingespeist werden könnte.
In dieser Situation macht es energetisch keinen Sinn, die erwärmte Kaltflüssigkeit wieder in den Verdampfer der in Betrieb befindlichen Wärmepumpe einzuspeisen. Stattdessen wird nun die niedriger temperierte Kühlflüssigkeit aus dem Rücklauf vom Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet in den Verdampfer eingespeist, um hier zur Kaltflüssigkeit aufbereitet zu werden. Die erwärmte Kaltflüssigkeit wird ihrerseits in den Verflüssiger der Wärmepumpe eingespeist und dient nun hier als Kühlflüssigkeit.
Das Wege-Ventil 10 und der Mischer 11 sind bei dem von 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im FC⁺ Modus daher so geschaltet, dass sich folgende fluidische Verbindungen ergeben:
Der Verdampferausgang 3.2 der ersten Wärmepumpe ist über eine Masche mit dem Verflüssigereingang 4.1 der ersten Wärmepumpe verbunden. In dieser Masche liegt der Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet. Die Masche besteht vorzugsweise aus den Pfaden 3a, 3b, 7c, und 6b.
Der Mischer 11 wird entsprechend eingestellt, nämlich bevorzugt so, dass er die Pfade 3b und 7c exklusiv miteinander verbindet.
Zugleich ist das Wege-Ventil 10 dabei ebenfalls entsprechend eingestellt, vorzugsweise nun so, dass es die Pfade 7c und 6b exklusiv miteinander verbindet.
Gleichzeitig ist der Verflüssigerausgang 4.2 der ersten Wärmepumpe 2 über eine Masche mit dem Verdampfereingang 3.1 der ersten Wärmepumpe 2 verbunden. In dieser Masche liegt der Wärmetauscher 9 für das zu heizende Gebiet. Die Masche besteht vorzugsweise aus dem Pfad 6c, dem internen Pfad des Verdampfers 6 der ausgeschalteten zweiten Wärmepumpe, dem Pfad 6a, dem Pfad 7d, dem internen Pfad des Verflüssigers 7, dem Pfad 7a, dem Pfad 7b und dem Pfad 3c.
Der Mischer 11 ist entsprechend eingestellt, nämlich bevorzugt so, dass er die Pfade 7b und 3c exklusiv miteinander verbindet.
Zugleich ist das Wege-Ventil 10 dabei ebenfalls entsprechend eingestellt, vorzugsweise nun so, dass es die Pfade 6a und 7d exklusiv miteinander verbindet.
DER SOGENANNTE FC MODUS
Wenn die Wärmequelle auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmesenke liegt, kann die Betriebsart vorzugsweise erneut umgeschaltet werden. In diesem FC bzw. Free Cooling Modus sind beide Wärmepumpen 2, 5 abgeschaltet. Sie liegen nun nur noch als rein passive Strömungsleiter im Fluidweg. Es zirkuliert direkt Arbeitsflüssigkeit zwischen dem Wärmetauscher 8 des zu kühlenden Gebiets und dem Wärmetauscher 9 des zu heizenden Gebiets - ohne dass die Arbeitsflüssigkeit unterwegs einen Verdichtungsvorgang erfahren hat.
Das Wege-Ventil 10 und der Mischer 11 sind bei dem von 1 gezeigten Ausführungsbeispiel im FC Modus so geschaltet, dass sich folgende fluidische Verbindungen ergeben, die nichts anderes als eine „große Masche“ darstellen, die eine Zirkulation zwischen den beiden Wärmetauschern ermöglicht:
Der Ausgang des Wärmetauschers 8 ist vorzugsweise über die Pfade 3b, 7c, 7d, über den internen Pfad des Verflüssigers der zweiten Wärmepumpe und weiter über den Pfad 7a fluidisch mit dem Eingang des Wärmetauschers 9 verbunden. Die besagte eine große Masche wird vorzugsweise dadurch geschlossen, dass der Ausgang des Wärmetauschers 9 über die Pfade 7b, 3c, den internen Pfad des Verdampfers 3 der ersten Wärmepumpe und den Pfad 3a mit dem Eingang des Wärmetauschers 8 fluidisch verbunden wird.
Der Mischer 11 ist entsprechend eingestellt, nämlich bevorzugt so, dass er in diesem Modus die Pfade 3b und 7c exklusiv miteinander verbindet und dass er die Pfade 7b und 3c exklusiv miteinander verbindet.
Zugleich ist das Wege-Ventil 10 dabei ebenfalls entsprechend eingestellt, vorzugsweise nun so, dass es die Pfade 7c und 7d exklusiv miteinander verbindet.
GRUNDPROBLEM BEI TEILLASTBETRIEB
Wenn die Wärmepumpenanlage im vorgehend beschriebenen S2- oder S1-Modus betrieben wird und weniger Kühlleistung am Wärmetauscher des zu kühlenden Gebiets abgerufen wird als im betreffenden Modus zur Verfügung steht, müssen Maßnahmen getroffen werden, um den Überschuss an Kühlleistung auszugleichen. Denn es gilt zu verhindern, dass die Temperatur der Kaltflüssigkeit im Rücklauf zu stark absinkt. Denn dann würde im Verdampfer der aktiven Wärmepumpe zu wenig Dampf erzeugt. Das führte in jedem Fall dazu, dass der Verdichter der Wärmepumpe weitab von seinem Auslegungspunkt und damit ausgesprochen ineffizient arbeiten würde, ggf. könnte es sogar zu instabilen Strömungszuständen infolge mangelnden Dampfdurchsatzes kommen.
Auch bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage kann dies unter Mitbeteiligung einer Zweipunktregelung erfolgen, d. h. dadurch, dass die oder eine der aktiven Wärmepumpen intermittierend ein- und ausgeschaltet werden.
Auch bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage kann dies unter Mitbeteiligung eines Frequenzumrichters erfolgen, der z. B. mittels eines Frequenzumrichters die Verdichterdrehzahl absenkt.
BEHERRSCHUNG DES TEILLASTBETRIEBES DURCH MISCHEN
Erfindungsgemäß wird der Teillastbetrieb aber ausschließlich oder zumindest auch dadurch beherrscht, dass die Wärmepumpenanlage ein Temperaturstellglied HT aufweist, das bevorzugt in Gestalt des bereits oben wiederholt angesprochenen Mischers 11 ausgeführt ist.
An diesem Mischer 11 steht bei dem von 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über den Pfad 7b vom Wärmetauscher 9 für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit bzw. Kühlflüssigkeit an. Zusätzlich steht an diesem Mischer 11 - im Ausführungsbeispiel gem. 1 über den Pfad 3b - vom Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit bzw. Kaltflüssigkeit an. Der Mischer 11 ist im Regelfall extern ansteuerbar und mittels eines entsprechenden Servomotors elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch extern verstellbar. Er kann bevorzugt unterschiedliche Mischungen erzeugen, die in dem Ausführungsbeispiel gem. 1 über den Pfad 3c über den Verdampfereingang 3.1 in den Verdampfer eingespeist werden. Die Temperatur der jeweiligen Mischung liegt über der Temperatur, die die vom zu kühlenden Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit bzw. Kaltflüssigkeit aufweist. Auf diese Art und Weise wird die Wärmelast der Wärmepumpe 2 erhöht, der Dampfdurchsatz steigt an, die Wärmepumpe bzw. deren Verdichter können in dem oder jedenfalls näher an dem Arbeitsbereich betrieben werden, für die sie bzw. er ausgelegt sind.
Die 4 und 5 zeigen der besseren Verständlichkeit halber die entsprechenden Energieströme, nämlich im Betrieb mit auslegungsgemäßer Wärmelast (4) und im Betrieb mit der erfindungsgemäß künstlich erhöhten Wärmelast (5).
Der erfindungsgemäße Mischer 11 hat den entscheidenden Vorteil, dass er nur eine zu vernachlässigende Totzeit aufweist, so dass die Wärmelast der Wärmepumpe einfach geregelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Beherrschung der Teillast durch Mischen kann sowohl im oben geschilderten S1-Modus als auch im oben geschilderten S2-Modus erfolgen.
Im letztgenannten Fall des S2-Modus arbeitet eine der Wärmepumpen mit voller Verdichterdrehzahl oder, bevorzugt, umrichtergesteuert mit verringerter Verdichterdrehzahl. Zugleich wird bei der anderen Wärmepumpe, deren Kühlleistung nur noch in einem Umfang benötigt wird, der unterhalb der umrichtergesteuert möglichen Absenkung liegt, die beschriebene künstliche Erhöhung der Last bzw. Kältelast vorgenommen. Vorzugsweise arbeitet dabei auch diese Wärmepumpe mit einer umrichtergesteuert so weit wie möglich abgesenkten Verdichterdrehzahl, um dadurch mit einer möglichst geringen künstlichen Erhöhung der Last bzw. Kältelast auszukommen und so energiesparend zu arbeiten.
Der letztgenannte Satz gilt im S1-Modus vorzugsweise für die noch aktive, nicht abgeschaltete Wärmepumpe.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Bis auf die nachfolgend geschilderten Unterschiede entspricht das zweite Ausführungsbeispiel in vollem Umfang dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass das für das erste Ausführungsbeispiel Gesagte in vollem Umfang auch hier gilt.
Erfindungsgemäß wird der Teillastbetrieb bei diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich oder zumindest auch dadurch beherrscht, dass die Wärmepumpenanlage ein Temperaturstellglied aufweist, das als Wärmetauschereinrichtung 12 ausgeführt ist, so, wie in 2 dargestellt.
Diese Wärmetauschereinrichtung 12 umfasst einen zusätzlichen Wärmetauscher 13 und ein im Regelfall extern ansteuerbares Sperrventil 14. Sobald dieses geschlossen wird, wird die vom Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit bzw. Kaltflüssigkeit über den zusätzlichen Wärmetauscher 13 umgeleitet und erst stromabwärts von diesem über den Verdampfereingang 3.1 in den Verdampfer 3 eingespeist. Wie man sieht, wird der zusätzliche Wärmetauscher 13 von der vom Wärmetauscher 9 für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufenden Arbeitsflüssigkeit bzw. Kühlflüssigkeit durchströmt. Da diese im Teillastbetrieb wärmer ist als die vom Wärmetauscher 8 für das zu kühlende Gebiet ankommende Arbeitsflüssigkeit bzw. Kaltflüssigkeit, wird letztere erwärmt und erzeugt bei ihrem Eintritt in den Verdampfer eine künstliche Last.
Anzumerken ist noch, dass bei diesem Ausführungsbeispiel an die Stelle des im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Mischers 11 bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel meist ein Wege- bzw. bevorzugt 4-Wege-Ventil 15 tritt, das dazu beiträgt, die oben für das erste Ausführungsbeispiel erläuterten Betriebsmodi zu schalten.
Wie schon oben im Zusammenhang mit der Figurenliste angedeutet, werden auch noch zwei gleichermaßen vorteilhafte Abwandlungen des zweiten Ausführungsbeispiels vorgeschlagen.
Die 2a zeigt eine erste Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels. Die nur den gegenüber der 2 modifizierten Ausschnitt darstellende 2a entspricht ansonsten vollauf der 2. Diese Abwandlung zeichnet sich dadurch aus, dass das zuvor verwendete Sperrventil 14 nun gegen ein Dreiwegeventil 14a ersetzt worden ist. Das Dreiwegeventil 14a kontrolliert den Abzweig zum Wärmetauscher 13. Optional entsprechend gestaltet, erlaubt es eine abgestufte Steuerung. Eine solche Steuerung erfolgt, indem nur ein Teil des Volumenstroms durch den Wärmetauscher 13 geschickt wird, während ein anderer Teil des Volumenstroms unter Umgehung des Wärmetauschers direkt zum Verdampfereingang 3.1 geführt wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass trotz Einsatz des in Bezug auf Temperaturänderungen recht „trägen“ Wärmetauschers eine im Wesentlichen totzeitfreie Steuerung oder Regelung der Temperatur des Volumenstroms erreicht werden kann, der zum Verdampfereingang 3.1 zurückgeführt wird.
Die ebenfalls nur den modifizierten Ausschnitt darstellende 2b entspricht vollauf der 2. Sie zeigt eine zweite Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels. Das zuvor für die erste Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels Gesagte gilt hier entsprechend. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass das Dreiwegeventil 14a den Abzweig bzw. den Rücklauf vom Wärmetauscher bzw. der Wärmetauschereinrichtung 12 kontrolliert.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, das - abgesehen von der Tatsache, dass dieses Ausführungsbeispiel nur eine einzige Wärmepumpe aufweist - in vollem Umfang dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Daher gilt das für das erste Ausführungsbeispiel Gesagte in vollem Umfang auch hier, sofern nicht bedingt durch das Fehlen der zweiten Wärmepumpe etwas Anderes gilt, z. B. insoweit, als der Betriebsmodus S2 entfällt und natürlich auch jene fluidischen Pfade entfallen, die im ersten Ausführungsbeispiel zur Einbindung der zweiten Wärmepumpe 5 erforderlich waren.
Selbstverständlich kann auch dieses Ausführungsbeispiel ein Temperaturstellglied HT in Gestalt einer Wärmetauschereinrichtung 12 aufweisen anstatt in Gestalt eines Mischers 11.
Bezugszeichenliste

1: Wärmepumpenanlage
2: Wärmepumpe bzw. erste Wärmepumpe, sofern mehrere verbaut
3: Verdampfer (der ersten Wärmepumpe, sofern mehrere vorhanden)
3.1: Verdampfereingang
3.2: Verdampferausgang
3a: Pfad
3b: Pfad
3c: Pfad
4: Verflüssiger (der ersten Wärmepumpe, sofern mehrere vorhanden)
4.1: Verflüssigereingang
4.2: Verflüssigerausgang
5: zweite Wärmepumpe, sofern mehrere verbaut
6: Verdampfer (der zweiten Wärmepumpe)
6.1: Verdampfereingang
6.2: Verdampferausgang
6a: Pfad
6b: Pfad
6c: Pfad
7: Verflüssiger
7.1: Verflüssigereingang
7.2: Verflüssigerausgang
7a: Pfad
7b: Pfad
7c: Pfad
7d: Pfad
8: Wärmetauscher für das zu kühlende Gebiet
9: Wärmetauscher für das zu heizende Gebiet
10: Wege-Ventil
11: Mischer
12: Wärmetauschereinrichtung bzw. Wärmetauscher
13: zusätzlicher Wärmetauscher
14: Sperrventil
14a: Wege- bzw. Dreiwegeventil als Substitut des Sperrventils 14
15: Wege-Ventil
16: vakuumdichtes System
17: Turboverdichter
18: selbstregelndes Expansionsorgan
HT: hydraulisches Temperaturstellglied
W: Wasserdampf
K: Kühlflüssigkeitsstrom
KW: Kaltflüssigkeitsstrom
PK: Pumpe
PZ: Pumpe
PV: Pumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6427464 B2 [0006]

Claims

Wärmepumpenanlage (1) mit einem Verdichter (17), einem Verdampfer (3) mit einem Verdampfereingang (3.1) und einem Verdampferausgang (3.2), und einem Verflüssiger (4) sowie einer ersten Masche, in der eine mittels des Verflüssigers (4) erwärmte Arbeitsflüssigkeit über einen Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt zum Verflüssiger (4) rezirkuliert werden kann, und einer zweiten Masche, in der eine mittels des Verdampfers (3) abgekühlte Arbeitsflüssigkeit über einen Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt zum Verdampfer (3) rezirkuliert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanlage (1) ein hydraulisches Temperaturstellglied (HT) umfasst, an dem vom Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit ansteht und an dem vom Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit ansteht und das den Verdampfereingang (3.1) mittels der an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten mit einer Arbeitsflüssigkeit speisen kann, deren Temperatur zwischen den unterschiedlichen Temperaturen der besagten rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten liegt.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (3) so gestaltet ist, dass in ihm aus der in ihn eintretenden Arbeitsflüssigkeit Arbeitsdampf und eine abgekühlte, von ihm abgegebene Restarbeitsflüssigkeit erzeugt wird, dass die Wärmepumpenanlage (1) einen Verdichter (17) aufweist, der den Arbeitsdampf aus dem Verdampfer (3) abzieht und in den Verflüssiger (4) drückt, und dass der Verflüssiger (4) so gestaltet ist, dass in ihm aus dem Arbeitsdampf und der in ihn eintretenden Arbeitsflüssigkeit eine erwärmte, von ihm abgegebene Gesamtarbeitsflüssigkeit erzeugt wird.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Temperaturstellglied (HT) ein Mischer (11) ist, in dem eine physische Mischung aus den an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten erzeugt werden kann, die ein Arbeitsfluid zur Speisung des Verdampfereingangs (3.1) bildet.
Wärmepumpenanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (11) in verschiedenen Betriebszuständen betreibbar ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (11) vorzugsweise in mindestens zwei Betriebszuständen betreibbar ist, nämlich einem Betriebszustand, in dem der Mischer (11) den Verdampfereingang (3.1) nur mit vom Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufender Arbeitsflüssigkeit speist, und einem anderen Betriebszustand, in dem der Mischer den Verdampfereingang (3.1) mit der besagten Mischung speist, wobei der Mischer (11) idealerweise zusätzlich in einem dritten Betriebszustand betreibbar ist, in dem er den Verdampfereingang (3.1) nur mit vom Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufender Arbeitsflüssigkeit speist.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (11) stufenlos verstellbar ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (11) extern ansteuerbar ist.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Temperaturstellglied (HT) eine Wärmetauschereinrichtung (12) ist, die mindestens einen Wärmetauscher (13) umfasst, an dem vom Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit ansteht und an dem, getrennt davon, vom Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit ansteht, und der den Verdampfereingang (3.1) mittels der an ihm anstehenden, rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten mit einer Arbeitsflüssigkeit speisen kann, deren Temperatur zwischen den unterschiedlichen Temperaturen der rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten liegt.
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmetauscher (13) und ein Sperrventil (14) parallel geschaltet sind, so dass der Durchfluss durch den mindestens einen Wärmetauscher (13) von der Stellung des Sperrventils abhängt (14).
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufluss zum und/oder der Rückfluss vom Wärmetauscher (13) von einem Wegeventil (14a) kontrolliert wird, das mindestens in eine erste Stellung bringbar ist, in der es den gesamten dem Verdampfereingang (3.1) zugeführten Volumenstrom zum Weg über den Wärmetauscher (13) zwingt, und das mindestens in eine zweite Stellung bringbar ist, in der es den gesamten dem Verdampfereingang (3.1) zugeführten Volumenstrom am Wärmetauscher (13) vorbeiführt (Bypass).
Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrventil 14 oder das Wegeventil 14a derart ansteuerbar sind, dass ein Teil des dem Verdampfereingang (3.1) zugeführten Volumenstroms den Weg über den Wärmetauscher (13) nimmt und dass ein Teil des dem Verdampfereingang (3.1) zugeführten Volumenstroms den Weg am Wärmetauscher (13) vorbei nimmt, so dass die Temperatur des dem Verdampfereingang (3.1) zugeführten Volumenstroms durch Mischung gesteuert oder geregelt werden kann.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen Verdampfereingang (3.1) der Wärmepumpenanlage (1) eingespeiste Flüssigkeit dadurch erzeugt wird, dass die vom Wärmetauscher (9) für das zu heizende Gebiet abgekühlt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit und die von dem vom Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufende Arbeitsflüssigkeit physisch miteinander vermischt werden.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1, 2, 8 oder 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in einen Verdampfereingang (3.1) der Wärmepumpenanlage (1) eingespeiste Flüssigkeit eine von einem Wärmetauscher (8; 9) rücklaufende Kalt- oder Kühlflüssigkeit ist, deren Temperatur vor dem Einspeisen in den Verdampfereingang (3.1) dadurch geändert wird, dass sie über mindestens eine Wärmetauschereinrichtung (12) an einer von einem Wärmetauscher (9; 8) rücklaufenden Kühl- oder Kaltflüssigkeit vorbeigeführt wird.
Verwendung einer von einem Wärmetauscher (9) für ein zu heizendes Gebiet abgekühlt rücklaufenden Arbeitsflüssigkeit und einer von einem Wärmetauscher (8) für das zu kühlende Gebiet erwärmt rücklaufenden Arbeitsflüssigkeit, um einen Verdampfereingang (3.1) einer Wärmepumpenanlage (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 durch physische Mischung und/oder Wärmetausch der besagten Arbeitsflüssigkeiten mit einer Arbeitsflüssigkeit zu speisen, deren Temperatur zwischen den unterschiedlichen Temperaturen der besagten rücklaufenden Arbeitsflüssigkeiten liegt.