DE102017212131A1

DE102017212131A1 - Wärmepumpenanordnung mit einem steuerbaren Wärmetauscher und Verfahren zur Herstellung einer Wärmepumpenanordnung

Info

Publication number: DE102017212131A1
Application number: DE102017212131.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kniffler; Jürgen Süss
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: VERTIV SRL, IT
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17
Also published as: WO2019012146A1; EP3652490A1; US11852388B2; CN110914614B; US20200141615A1; CN110914614A

Abstract

Eine Wärmepumpenanordnung umfasst ein Wärmepumpengerät (100), eine Verdampferkreislaufschnittstelle (200) zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit (230) in das Wärmepumpengerät (100) und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit (220) aus dem Wärmepumpengerät (100), eine Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) zum Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit (330) in das Wärmepumpengerät und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit (320) aus dem Wärmepumpengerät, einen steuerbaren Wärmetauscher (700) zum steuerbaren Koppeln der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) und der Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) und eine Steuerung (400) zum Steuern des steuerbaren Wärmetauschers (700) abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur in der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) oder einer Kondensiererkreislauftemperatur in der Kondensiererkreislaufschnittstelle (300).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpenanwendungen und insbesondere auf Wärmepumpenanwendungen, die zum Kühlen, zum Heizen oder zu anderen Zwecken einsetzbar sind, bei denen Wärme von einem Niveau zu einem anderen Niveau gepumpt werden muss.
Typische Einsatzgebiete von Wärmepumpen bestehen darin, ein zu kühlendes Gebiet zu kühlen und/oder ein zu wärmendes Gebiet zu wärmen. Eine Wärmepumpe, die typischerweise aus einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einer Drossel besteht, umfasst zu diesem Zweck eine Verdampferseite einerseits und eine Verflüssigerseite andererseits. Je nach Implementierung ist eine Wärmepumpe mit einem verdampferseitigen Wärmetauscher und/oder einem verflüssigerseitigen Wärmetauscher gekoppelt.
Wird die Wärmepumpe als Kühlaggregat eingesetzt, so ist das zu kühlende Gebiet die „Nutzseite“. Das zu kühlende Gebiet kann beispielsweise ein Innenraum sein, wie z. B. ein Rechnerraum oder ein anderer zu kühlender bzw. zu klimatisierender Raum. Dann ist das zu wärmende Gebiet z. B. die Außenwand eines Gebäudes oder eine Dachoberseite und ein anderes Gebiet, in das die Abwärme gebracht werden soll. Wird die Wärmepumpe dagegen als Heizung eingesetzt, so ist das zu wärmende Gebiet gewissermaßen die „Nutzseite“ und das zu kühlende Gebiet wäre beispielsweise ein Erdreich, ein Grundwasser oder etwas Ähnliches.
Problematisch bei generellen Wärmepumpenanwendungen ist, dass die Konfiguration nicht darauf Rücksicht nimmt, dass die Umgebungstemperatur des zu wärmenden Bereichs, wenn dieser beispielsweise im Freien liegt, stark variiert. So kann es sein, dass im Winter Temperaturen von -20°C herrschen und dass im Sommer Temperaturen von über 30 °C herrschen. Wenn beispielsweise an eine Anwendung gedacht wird, bei der ein Rechnerraum klimatisiert wird, so würde eigentlich für den Fall, dass die Außentemperatur z. B. im Bereich oder unterhalb der Solltemperatur im zu kühlenden Bereich ist, es ausreichen, den Rechnerraum überhaupt nicht mehr zu klimatisieren, sondern einfach „die Fenster aufzumachen“. Dies ist allerdings problematisch, weil Rechnerräume nicht unbedingt Fenster haben, und weil gleichzeitig dann, wenn eine solche Kühlung ins Auge gefasst wird, es wieder relativ schwer zu kontrollieren ist, dass sich im Raum eine gleichmäßige Temperatur einstellt. So könnten sich beispielsweise in der Näher der Fenster, falls solche überhaupt vorhanden sind, kalte Zonen bilden, während weit von den Fenstern entfernt bzw. hinter bestimmten Rechner-Racks warme Zonen entstehen, die dann vielleicht doch nicht ausreichend gekühlt sind. Andererseits ist es problematisch, dass bei einer Wärmepumpenkonfiguration die Tatsache nicht ausgenutzt wird, dass die Außentemperaturen stark schwanken können, und oft in Bereichen liegen, bei denen normalerweise eine Kühlung nicht notwendig ist. Aus diesem Grund wird eine Konfiguration, wie sie generell eingesetzt wird, für die Worst-Case-Situation ausgelegt, also z. B. für einen sehr heißen Sommertag, obgleich ein solcher heißer Sommertag im Mittel zumindest in Deutschlang eine große Seltenheit ist und der überwiegende Anteil der Zeit innerhalb eines Jahres Temperaturen hat, bei denen die erforderlichen Kühlleistungen weit unterhalb der angenommenen Worst-Case-Situation sind.
Die DE 10 2012 208 174 B4 zeigt eine Wärmepumpe und ein Verfahren zum Pumpen von Wärme im Freikühlungsmodus. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer mit einem Verdampfereinlass und einem Verdampferauslass, einen Verdichter zum Verdichten von in dem Verdampfer verdampfter Arbeitsflüssigkeit, und einen Verflüssiger zum Verflüssigen von in dem Verdichter verdichteter verdampfter Arbeitsflüssigkeit. Ferner hat der Verflüssiger einen Verflüssigereinlass und einen Verflüssigerauslass. Im Freikühlungsmodus ist der Verdampfereinlass mit einem Rücklauf von einem zu wärmenden Gebiet verbunden. Darüber hinaus ist der Verflüssigereinlass mit einem Rücklauf von einem zu kühlenden Gebiet verbunden. Ferner ist eine Schaltereinrichtung vorgesehen, um den Verdampfereinlass von dem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet zu trennen und um den Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet mit dem Verdampfereinlass zu verbinden, und um ferner den Verflüssigereinlass von dem Rücklauf des zu kühlenden Gebiets zu trennen und um darüber hinaus den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet mit einem Verflüssigereinlass zu verbinden. Damit kann vom Freikühlungsmodus in den normalen Modus und wieder zurück in den Freikühlungsmodus umgeschaltet werden. So wird bereits effizient berücksichtigt, dass Außentemperaturen oftmals in Bereichen sind, die weit unterhalb der Maximaltemperaturen sind, wenn die Wärmepumpe nicht in der klassischen Konfiguration betrieben wird, sondern in der Konfiguration, in der der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet mit dem Verdampfereinlass verbunden ist und der Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet mit dem Verflüssigereinlass verbunden ist.
In diesem Freikühlungsmodus wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Rücklauftemperatur vom zu wärmenden Gebiet bereits in die Größenordnung der Temperatur kommt, mit der normalerweise der Verdampfer beschickt wird. Darüber hinaus wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet bereits in solchen Temperaturregionen ist, in denen der Verflüssiger der Wärmepumpe beschickt werden kann. Dies führt dazu, dass die Temperaturdifferenz, die die Wärmepumpe zwischen dem Verdampferauslass und dem Verflüssigerauslass leisten muss, im Vergleich zum normalen Modus rapide abnimmt. Da die von einer Wärmepumpe zu leistende Temperaturdifferenz quadratisch in die konsumierte Antriebsleistung für den Verdichter eingeht, führt dies zu einer Effizienzsteigerung der Wärmepumpe im Vergleich zu einer normalen Konfiguration ohne Freikühlungsmodus.
Je nach Anwendung kann es jedoch vorkommen, dass die Flexibilität des Freikühlungsmodus, bei dem tatsächlich die Verflüssigereinlässe/Auslässe umgeschaltet werden und damit sowohl der Verdampferkreislauf als auch der Kondensiererkreislauf flüssigkeitsmäßig hin- und hergeschaltet werden, reduziert ist. Darüber hinaus sind Umschaltungen vom Kondensiererkreislauf mit hohem Druck zum Verdampferkreislauf mit geringem Druck und umgekehrt nötig, die je nach Ausführungsform problematisch sein können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine flexiblere Wärmepumpenanordnung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanordnung nach Patentanspruch 1, eine Wärmepumpenanordnung nach Patentanspruch 23 oder ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanordnung nach Patentanspruch 27 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung umfasst ein Wärmepumpengerät und eine Verdampferkreislaufschnittstelle zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät. Die Wärmepumpenanordnung umfasst ferner eine Kondensiererkreislaufschnittstelle zum Einbringen zu erwärmender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät. Darüber hinaus ist ein steuerbarer Wärmetauscher vorgesehen, um die Verdampferkreislaufschnittstelle und die Kondensiererkreislaufschnittstelle steuerbar zu koppeln. Ferner ist eine Steuerung vorgesehen, um den steuerbaren Wärmetauscher abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur in der Verdampferkreislaufschnittstelle oder abhängig von einer Kondensiererkreislauftemperatur in der Kondensiererkreislaufschnittstelle zu steuern. Je nach Implementierung sind ferner ein Verdampferkreislauftemperatursensor zum Erfassen der Verdampferkreislauftemperatur oder ein Kondensiererkreislauftemperatursensor zum Erfassen der Kondensiererkreislauftemperatur oder beide Sensoren vorhanden. Im letzten Fall ist die Steuerung vorzugsweise ausgebildet, um basierend auf einer Differenz der Verdampferkreislauftemperatur und der Kondensiererkreislauftemperatur oder basierend auf einem Vergleich der Temperaturen den steuerbaren Wärmetauscher zu steuern, um gewissermaßen die Ausgangsseite, also den Kondensiererkreislauf und die Eingangsseite, also den Verdampferkreislauf steuerbar zu koppeln. Erfindungsgemäß wird jedoch keine flüssigkeitsmäßige Kopplung der Kondensiererkreislaufschnittstelle und der Verdampferkreislaufschnittstelle vorgenommen. Stattdessen wird lediglich eine thermische Kopplung der Ausgangsseite und der Eingangsseite vorgenommen und zwar über den Wärmetauscher, dahin gehend, dass die Arbeitsflüssigkeit in der Kondensiererkreislaufschnittstelle zwar thermisch mit der Arbeitsflüssigkeit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist, jedoch nicht direkt flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist.
Damit wird sichergestellt, dass Steuerelemente, die im steuerbaren Wärmetauscher vorzugsweise zusätzlich zu einem üblichen Wärmetauscher mit zwei getrennten Flüssigkeitswegen vorhanden sind, immer nur im selben Druckgebiet schalten müssen, also immer nur in der Kondensiererkreislaufschnittstelle oder der Verdampferkreislaufschnittstelle wirken, jedoch keinen flüssigkeitsmäßigen Kurzschluss zwischen den beiden Schnittstellen herstellen.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Steuerelement ausgebildet, um abhängig von einer Einstellung des Steuerelements einen Durchfluss durch einen der Wege zu bewirken, zu reduzieren oder zu unterdrücken. Im Falle des Bewirkens des Durchflusses oder des Unterdrückens des Durchflusses ist das Steuerelement als Zwei-Wege-Steuerelement ausgebildet, das einen eingeschalteten und einen ausgeschalteten Zustand hat. Im Falle des Reduzierens des Durchflusses durch einen der beiden Wege ist das Steuerelement vorzugsweise als Mischer ausgebildet, um je nach Implementierung einen Teil über den steuerbaren Wärmetauscher zu leiten und einen anderen Teil der Arbeitsflüssigkeit an dem steuerbaren Wärmetauscher vorbeizuleiten.
Vorzugsweise wird der steuerbare Wärmetauscher so eingebaut, dass ein Weg des steuerbaren Wärmetauschers unabhängig von der Steuerung durchgehend durchflossen ist und dass der andere Weg an- oder abschaltbar oder im Falle der Verwendung eines Mischers drosselbar bezüglich eines Ein-Zustandes ist. Je nach Implementierung wird aufgrund der Tatsache, dass der steuerbare Wärmetauscher immer von wenigstens einer Seite durchflossen wird, eine zu kühlende Leistungselektronik auf dem steuerbaren Wärmetauscher oder in zumindest thermischem Wirkungskontakt angeordnet. Vorzugsweise ist bei dieser Implementierung, bei der der steuerbare Wärmetauscher gleichzeitig als Wärmesenke, also als Kühlung für nötige Elektronikteile, wie beispielsweise für einen Frequenzumrichter des Verdichtermotors eingesetzt wird, so gekoppelt, dass die Kondensiererkreislaufschnittstelle einen Weg des steuerbaren Wärmetauschers durchgehend durchfließt. Damit wird die Abwärme der Elektronikkomponenten direkt in die typischerweise für die Wärmepumpenanordnung vorgesehene Wärmeabgabeeinrichtung, wie beispielsweise einen Rückkühler auf dem Dach oder an einer Schattenseite des Gebäudes transportiert, selbst wenn die freie Kühlung nicht aktiviert ist und der andere Weg der Wärmetauschereinheit nicht durchflossen wird.
Die vorliegende Erfindung ist dahin gehend vorteilhaft, dass die Eingangsseite und die Ausgangsseite, also der Verdampferkreislauf und der Kondensiererkreislauf zwar durch den steuerbaren Wärmetauscher thermisch koppelbar sind, jedoch nicht flüssigkeitsmäßig gekoppelt werden. Damit wird erreicht, dass unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten im Kondensiererkreislauf einerseits und im Verdampferkreislauf andererseits eingesetzt werden können. Darüber hinaus sind die Anforderungen an das Steuerelement des steuerbaren Wärmetauschers reduziert im Vergleich zu einer Schaltung von Flüssigkeiten bezüglich der Eingangsseite und der Ausgangsseite, weil immer die gleichen Drücke vorhanden sind und die Druckdifferenz von der Eingangsseite der Wärmepumpenanordnung, also des Verdampferkreislaufs und der Ausgangsseite der Wärmepumpenanordnung, also des Kondensiererkreislaufs nicht an ein und dasselbe Schalterelement gelangen können.
Darüber hinaus liefert die Kopplung der beiden Schnittstellen mit dem steuerbaren Wärmetauscher eine weitere Flexibilität dahin gehend, dass nicht nur ein Freikühlungsmodus implementierbar ist, bei dem die rückfließende Arbeitsflüssigkeit vom Rückkühler eingesetzt wird, um die zu kühlende Flüssigkeit direkt zu kühlen, sondern dass umgekehrt auch ein gesteuerter Kurzschluss der Wärmepumpenanordnung erreicht werden kann, welcher dann von Nutzen sein kann, wenn ohne die Wärmepumpe ein zu starkes Takten mit Ein- und Ausschaltereignissen stattfinden würde. Eine solche Situation kann beispielsweise auftreten, wenn die Anlage im Teillastbetrieb ist. Wird bei einer geringen Kälteleistung eine hohe Drucksteigerung von der Anlage gefordert, was zum Beispiel bei einer Teilleistung im Rechenzentrum und bei hohen Umwelttemperaturen der Fall sein kann, so würde das einen zu großen Volumenstrom und damit einen zu großen Massestrom hervorrufen. Dies würde zu einem Takten der Wärmepumpenanordnung mit abwechselnden An-Aus-An-Zuständen führen. Durch Implementieren des steuerbaren Wärmetauschers mittels eines steuerbaren Mischers kann nun ein regelbarer Leistungskurzschluss zwischen Kalt- und Kühlwasser geschaffen werden, der das Teillastverhalten verbessert und ein Takten effektiv verhindert.
Die Wärmepumpenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung hat also zum einen eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Verbindung unterschiedlicher Flüssigkeiten im Kondensiererkreislauf einerseits und Verdampferkreislauf andererseits. Darüber hinaus ermöglicht die thermische Kopplung statt der tatsächlichen flüssigkeitsmäßigen Kopplung der beiden Seiten eine Verwendung einfacherer und preisgünstigerer Steuerelemente. Schließlich kann durch die thermische Kopplung nicht nur ein Freikühlungsmodus für eine Effizienzsteigerung der Wärmepumpe eingesetzt werden, sondern es kann gleichzeitig auch ein steuerbarer Leistungskurzschluss eingesetzt werden, um das Teillastverhalten der Anlage zu verbessern oder aber andere Modi der Anlage, wie beispielsweise Service-Modi zu implementieren.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer Wärmepumpenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine Wärmepumpenanordnung mit einem Zwei-Wege-Schalter, der mit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist;
2b eine Implementierung ähnlich der Implementierung von 2a, jedoch mit aktiviertem Wärmetauscherdurchfluss;
2c eine ähnliche Implementierung wie in 2b, jedoch mit ausgeschaltetem Verdichter;
3a eine Implementierung der Wärmepumpenanordnung mit einem Zwei-Wege-Schalter, der mit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist und einen aktivierten Durchfluss durch den Wärmetauscher zeigt;
3b eine Implementierung ähnlich zu 3a, jedoch mit deaktiviertem Durchfluss durch den Wärmetauscher;
4a eine Implementierung der Wärmepumpenanordnung mit einem Steuerelement, das mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle gekoppelt ist und einen aktivierten Durchfluss durch den steuerbaren Wärmetauscher zeigt;
4b eine Implementierung ähnlich 4a, jedoch mit deaktiviertem Durchfluss durch den Wärmetauscher zum Koppeln der Verdampferkreislaufschnittstelle und der Kondensiererkreislaufschn ittstelle;
5a ein Ausführungsbeispiele der Wärmepumpenanordnung mit einem Zwei-Wege-Schalter, der mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle gekoppelt ist und einen aktivierten Durchfluss durch den Wärmetauscher zeigt;
5b eine Wärmepumpenanordnung ähnlich 5a, jedoch mit deaktiviertem Durchfluss durch den steuerbaren Wärmetauscher, also in einem Modus, der nicht der Freikühlungsmodus ist;
6 eine schematische Darstellung des steuerbaren Wärmetauschers als steuerbarer Mischer gekoppelt mit einem Zwei-Wege-Wärmetauscher;
7 eine tabellarische Übersicht über verschiedene Modi der Wärmepumpenanordnung; und
8 eine schematische Darstellung des Wärmepumpengeräts mit zugeordnetem steuerbaren Wärmetauscher als Kühlung für die Steuerelektronik.

1 zeigt eine Wärmepumpenanordnung mit einem Wärmepumpengerät 100. Das Wärmepumpengerät 100 umfasst ferner eine Verdampferkreislaufschnittstelle 200 zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit 230 in das Wärmepumpengerät 100 und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit 220 aus dem Wärmepumpengerät 100. Das Wärmepumpengerät 100 umfasst ferner eine Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 zum Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit 330 in das Wärmepumpengerät 100 und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit 320 aus dem Wärmepumpengerät 100. Darüber hinaus ist ein steuerbarer Wärmetauscher 700 vorgesehen, um die Verdampferkreislaufschnittstelle 200 und die Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 steuerbar zu koppeln. Bei bestimmten Implementierungen ist ferner ein Verdampferkreislauftemperatursensor 210 (VTS) zum Erfassen einer Verdampferkreislauftemperatur vorgesehen. Darüber hinaus ist auch ein Kondensiererkreislauftemperatursensor 310 (KTS) vorgesehen, um eine Kondensiererkreislauftemperatur zu erfassen. Darüber hinaus ist die Wärmepumpenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Steuerung 400 zum Steuern des steuerbaren Wärmetauschers 700 versehen, wobei diese Steuerung abhängig von der Verdampferkreislauftemperatur, die auch als TWK bezeichnet wird, oder abhängig von der Kondensiererkreislauftemperatur, die auch als TWW bezeichnet wird, arbeitet. Die Steuerung kann entweder unter Verwendung lediglich einer einzigen Temperatur, also entweder der Kondensiererkreislauftemperatur TWW oder der Verdampferkreislauftemperatur TWK arbeiten. Es wird jedoch bevorzugt, dass beide Temperaturen eingesetzt werden, dass also zwei verschiedene Temperatursensoren vorhanden sind, um basierend auf einem Vergleich bzw. basierend auf einer Differenz der beiden Temperaturen den steuerbaren Wärmetauscher über die Steuerleitung 410 anzusteuern.
6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des steuerbaren Wärmetauschers, der zum einen eine Wärmetauschereinheit 710 und zum anderen ein Steuerelement zeigt, das in 6 mit 760 bezeichnet ist, das jedoch in den 2a bis 5b mit 720, 730, 740, 750 bezeichnet ist. So umfasst die Wärmetauschereinheit vier Eingänge 711, 712, 713, 714, wobei die Eingänge 711, 712 einen ersten Weg durch die Wärmetauschereinheit 710 definieren, und wobei die Eingänge 713, 714 bzw. Anschlüsse 713, 714 einen zweiten Weg durch die Wärmetauschereinheit 710 definieren. Die beiden Wege, also der erste Weg und der zweite Weg sind thermisch gekoppelt, wie es für Wärmetauscher üblich ist, sind jedoch flüssigkeitsmäßig voneinander getrennt, so dass keine Flüssigkeit in der Wärmetauschereinheit von dem ersten Weg in den zweiten Weg übergehen kann, wenn die Wärmetauschereinheit voll funktionsfähig ist. Jeder der Anschlüsse 711, 712, 713, 714 kann ein Eingang sein, wobei dann der jeweils andere Anschluss des Weges einen Ausgang darstellt, wobei die Eigenschaft eines Anschlusses, ob er ein Eingang oder ein Ausgang ist, durch die Flussrichtung der durchfließenden Arbeitsflüssigkeit festlegbar ist. Der Anschluss, über den die Arbeitsflüssigkeit in einen Weg der Wärmetauschereinheit 710 hineinfließt, ist der Eingang und der Anschluss, aus dem die Flüssigkeit herausfließt, ist der Ausgang.
Je nach Implementierung umfasst der steuerbare Wärmetauscher somit eine Wärmetauschereinheit mit vier Anschlüssen und zwei flüssigkeitsmäßig getrennten Wegen, wobei wenigstens ein Anschluss mit einem Steuerelement, wie beispielsweise einem Zwei-Wege-Steuerelement gekoppelt ist und abhängig von einer Einstellung des Steuerelements ein Durchfluss durch einen der Wege bewirkt wird, reduziert wird oder unterdrückt wird.
So ist das Steuerelement, wie beispielsweise 720, 730, 740, 750, 760 ausgebildet, um einen Durchfluss durch einen Weg zu bewirken, wenn die Kondensiererkreislauftemperatur in einem vorbestimmten Verhältnis zur Verdampferkreislauftemperatur ist oder kleiner ist als ein vorbestimmter Kondensiererkreislaufschwellenwert.
Je nach Implementierung ist der steuerbare Wärmetauscher 700 so ausgebildet, dass ein Weg des steuerbaren Wärmetauschers unabhängig von der Steuerung durchgehend durchflossen wird und ein anderer Weg des steuerbaren Wärmetauschers durch die Steuerung an- oder abschaltbar oder drosselbar bezüglich eines Ein-Zustandes ist.
Je nach Implementierung, wie es nachfolgend dargelegt wird, umfasst der steuerbare Wärmetauscher 700 eine Wärmetauschereinheit, nämlich die Wärmetauschereinheit 710 von 6 beispielsweise und den 2a bis 5b. Dabei ist das Steuerelement des steuerbaren Wärmetauschers, nämlich z. B. das Element 720 bis 760 mit einem ersten Weg des Wärmetauscherelements flüssigkeitsmäßig gekoppelt, wobei ferner das Steuerelement ferner mit der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist.
Darüber hinaus ist die Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 mit einem zweite Weg des Wärmetauscherelements gekoppelt, so dass die zu erwärmende Flüssigkeit aus dem zweiten Weg austritt und die erwärmte Flüssigkeit nach Abkühlung in einer Wärmesenke in den zweiten Weg eintritt.
Eine entsprechende Implementierung, bei der das steuerbare Element mit dem ersten Weg der Wärmetauschereinheit 710 gekoppelt ist, ist in den 2a, 2b, 2c, 3a, 3b dargestellt.
Hier zeigt 2a eine bevorzugte Ausführungsform der Wärmepumpenanordnung, bei der das Wärmepumpengerät 100 mit der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 gekoppelt ist, wie es durch die Leitungen 220, 230 in 2a dargestellt ist. Die Verdampferkreislaufschnittstelle 200 umfasst ferner eine Verdampferpumpe PV, die ausgebildet ist, um von dem Wärmepumpengerät 100 ausgegebene gekühlte Flüssigkeit in ein zu kühlendes Gebiet 600, das beispielsweise ein Rechenzentrum ist, zu pumpen. Diese Flüssigkeit hat bei dem in 2a gezeigten Beispiel eine Temperatur von 16 °C und wird durch das zu kühlende Gebiet 600 z. B. auf eine Temperatur von 22 °C aufgewärmt, wie es durch den Verdampfertemperatursensor 210 gezeigt ist, der die Temperatur TWK ermittelt. Hierauf tritt die erwärmte Flüssigkeit in das Steuerelement 720 ein, das zusammen mit dem Wärmetauscher 710 den steuerbaren Wärmetauscher 700 bildet. Bei dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Freikühlung nicht aktiviert. Stattdessen wird die zu kühlende Flüssigkeit in der Leitung 230 an dem Wärmetauscher 710 vorbei in das Wärmepumpengerät 100 eingebracht. Dies ist der Fall, weil die von einem zu wärmenden Gebiet, nämlich beispielsweise dem Rückkühler 500, der eine Abwärme z. B. auf einem Dach eines Gebäudes oder auf einer Schattenseite eines Gebäudes liefert, höher ist. Hier beträgt die Temperatur nach der Rückkühlung noch bei dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel 26 °C, wie es durch den Kondensiererkreislauftemperatursensor 310 gemessen wird, der das Temperatursignal TWW ausgibt. Da die Temperatur des rückgekühlten Arbeitsmediums 26 °C beträgt, also oberhalb der von dem zu kühlenden Gebiet zurückgelieferten Flüssigkeit-Temperaturniveau von 22 °C liegt, würde ein Freikühlungsmodus keinen Vorteil bringen. Stattdessen wird der Freikühlungsmodus deaktiviert, dahin gehend, dass der erste Weg der Wärmetauschereinheit 710 nicht mit Flüssigkeit beschickt wird, wie es durch die in 2a gezeigte Stellung des Zwei-Wege-Schalters als Beispiel für ein Steuerelement dargestellt ist.
Es sei ferner noch darauf hingewiesen, dass auch die Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 in 2a eine Pumpe 340 aufweist, die ausgebildet ist, um die erwärmte Flüssigkeit 320, die beispielsweise eine Temperatur von 32 °C hat, zum Rückkühler 500 bzw. in das zu wärmende Gebiet zu bringen.
2b zeigt wieder die Implementierung von 2a, wobei nun jedoch das Steuerelement 720 umgeschaltet ist, nämlich in den Freikühlungsmodus bzw. den Modus „freie Kühlung Plus“, da nunmehr die Temperatur am Ausgang des Rückkühlers, wie sie durch den Temperatursensor 310 gemessen wird, 18 °C beträgt, also kleiner ist als die Temperatur, die vom Rechenzentrum zurückgeliefert wird. Daher wird nunmehr der Zwei-Wege-Schalter in 2b so geschaltet, dass der erste Weg des Wärmetauscherelements 710 mit der Flüssigkeit versehen wird, so dass eine Wärmetauscherwirkung in der Wärmetauschereinheit 710 stattfindet. Es wird, wie es beispielsweise in 2b dargestellt ist, die Temperatur der Flüssigkeit, die aus dem zu kühlenden Gebiet kommt, von 22 °C auf 19 °C abgekühlt. Damit muss das Wärmepumpengerät 100 wesentlich weniger leisten als im Vergleichsbeispiel von 2a. Die kühlere Außentemperatur (die Luft hat in 2b lediglich eine Temperatur von 13 °C) wurde also effektiv dazu genutzt, die von dem Wärmepumpengerät 100 geforderte Leistung zu reduzieren.
Das Steuerelement 720 ist bei dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel als Zwei-Wege-Schalter ausgebildet, der einen Eingang und zwei Ausgänge aufweist. Ferner ist der eine Eingang des Zwei-Wege-Schalters mit einem Ausgang von dem zu kühlenden Gebiet, also beispielsweise dem Rechenzentrum 600 verbunden. Dieser Ausgang wird typischerweise ebenfalls durch die Verdampferkreislaufschnittstelle 200, wie sie schematisch in 1 gezeigt ist, bereitgestellt, und zwar durch den Eingang 201 der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 von 1. Dagegen ist der Ausgang von der Verdampferkreislaufschnittstelle in das zu kühlende Gebiet mit 202 bezeichnet. Außerdem ist der Ausgang der Pumpe 240 mit dem Ausgang 202 der Verdampferkreislaufschnittstelle zum zu kühlenden Gebiet hin verbunden. Darüber hinaus ist der erste Ausgang des Steuerelements 720 entweder mit dem ersten Eingang des ersten Weges der Wärmetauschereinheit 710 koppelbar, wie es in 2b gezeigt ist, um den Freikühlungsmodus zu erreichen, oder mit dem Eingang 230 des Wärmepumpengeräts für zu kühlende Flüssigkeit.
Darüber hinaus ist der zweite Weg der Wärmetauschereinheit ebenfalls über eine weitere Verbindungsleitung 235 mit dem Eingang 230 des Wärmepumpengeräts 100 für zu kühlende Flüssigkeit verbunden.
2c zeigt einen weiteren Betriebsmodus, bei dem die Freikühlung aufgrund der kalten Außentemperatur von beispielsweise 10 °C so leistungsfähig ist, dass das gesamte Rechenzentrum ohne Aktivitäten des Verdichters im Wärmepumpengerät 100 erreicht werden kann. Daher wird die Stellung des Steuerelements 720 in 2c so wie in 2b gewählt. Darüber hinaus wird jedoch nunmehr der Verdichter abgeschaltet. Sinkt die Außentemperatur weiter, so kann darüber hinaus die Pumpe PK 340 gedrosselt werden, damit die vom Kunden geforderte Minimaltemperatur von beispielsweise 16 °C am Ausgang der Pumpe PV eingehalten wird. Dies bedeutet, dass bei dem in 2c gezeigten Ausführungsbeispiel der Verdichter des Wärmepumpengeräts 100 zwar ausgeschaltet ist, jedoch der verdampferseitige Eingang des Wärmepumpengeräts 100 derart flüssigkeitsmäßig angeschlossen ist, dass die zu kühlende Flüssigkeit auf der Leitung 230 und die gekühlte Flüssigkeit auf der Leitung 220 dieselbe Temperatur haben, nämlich beispielsweise die Temperatur von 16 °C.
3a zeigt eine alternative Implementierung des steuerbaren Wärmetauschers mit der Wärmetauschereinheit 710 und dem Steuerelement 730. Nunmehr ist der erste Eingang des ersten Weges der Wärmetauschereinheit 710 fest mit dem Anschluss 201 der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 verbunden, und zwar über eine Verbindungsleitung 236. Darüber hinaus hat das Steuerelement 730, das ebenfalls noch lediglich mit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist, nunmehr zwei Eingänge und einen Ausgang. Der erste Eingang ist bei dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem eine Freikühlung aktiv ist, nicht mit der Leitung für die zu kühlende Flüssigkeit 230 gekoppelt, wie es durch die gepunktete Linie innerhalb des Zwei-Wege-Schalters 730 gezeigt ist. Stattdessen ist der zweite Eingang des Steuerelements mit dem Ausgang des ersten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden, derart, dass die Wärmetauschereinheit 710 von der zu kühlenden Flüssigkeit durchgehend durchflossen wird. Damit wird erreicht, dass die Temperatur von beispielsweise 22 °C in 3a auf 20 °C reduziert wird, so dass die Freikühlung aufgrund der relativen kühlen Außentemperatur im Bereich von 14 °C Lufttemperatur dem Wärmepumpengerät 100 bereits eine gewisse Menge an „Arbeit“ abgenommen wird, da nunmehr lediglich noch die Flüssigkeit von 20 °C auf 16 °C gekühlt werden muss, jedoch nicht mehr von 22 °C auf 16 °C. Das Steuerelement 730 ist in 3b in seiner anderen Stellung gezeigt. Hier wird der Wärmetauscher 710 zwar wieder durchgehend von der Kondensierer-Seite, als vom Kondensiererkreislauf durchflossen. Auf Verdampferkreislauf-Seite wird nunmehr jedoch kein Flüssigkeitsstrom durch den ersten Weg der Wärmetauschereinheit 710 ermöglicht, weil der Ausgang nicht mehr, wie in 3a, mit dem zweiten Eingang, sondern nunmehr mit dem ersten Eingang gekoppelt ist.
Wie es in 3a gezeigt ist, findet die Steuerung des Steuerelements 730, also welcher Eingang mit dem einen Ausgang verbunden ist, durch Vergleich der beiden Temperaturen TWK und TWW statt. Ist TWK größer als TWW, wie es durch die Steuerung 400 von 1 ermittelt wird, so wird die Freikühlung aktiviert, während dann, wie in 3b gezeigt, die Freikühlung deaktiviert wird, wenn TWK kleiner als TWW ist, wenn also die Rücklauftemperatur vom zu kühlenden Gebiet am Anschluss 201 der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 kleiner ist als die zurückgeführte und rückgekühlte Flüssigkeit im Kondensiererkreislauf am Ausgang des zu wärmenden Gebiets 500, das in 3b als „Rückkühler Abwärme-Dach“ bezeichnet wird.
Während die 2a, 2b, 2c, 3a, 3b eine Anordnung des Steuerelements 720, 730 in Verbindung mit der Verdampferkreislaufschnittstelle zeigen, während die Kondensiererkreislaufschnittstelle fest mit der Wärmetauschereinheit 710 gekoppelt ist, zeigen die nachfolgend dargelegten 4a, 4b, 5a, 5b eine Anordnung des Steuerelements in Kopplung mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300, wobei hier wiederum die Verdampferkreislaufschnittstelle 200 fest mit der Wärmetauschereinheit 710 gekoppelt ist, so dass die Wärmetauschereinheit 710 durchgehend von dem Rücklauf des Rechenzentrums, also des zu kühlenden Gebiets 600 durchflossen wird.
So ist bei dem in 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Weg der Wärmetauschereinheit 710 durchgehend mit der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 gekoppelt, während der zweite Weg, und dabei der Eingang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 mit dem Steuerelement gekoppelt ist, und zwar mit einem ersten Ausgang des Steuerelements, das einen Eingang und zwei Ausgänge aufweist. Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Temperatur TWK größer als die Temperatur TWW, so dass die Freikühlung aktiviert ist. Daher ist der erste Ausgang des Steuerelements mit dem Eingang gekoppelt, und die zu erwärmende Flüssigkeit fließt durch den Wärmetauscher 710, um von beispielsweise 17 °C bei dem in 4a gezeigten Beispiel auf 21 °C aufgewärmt zu werden, wodurch gleichzeitig die in das Wärmepumpengerät eingespeiste zu kühlende Flüssigkeit auf der Leitung 230 von 22 °C auf 18 °C abgekühlt wird. Hierauf wird die erwärmte Flüssigkeit am Ausgang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 über die Leitung 330 in das Wärmepumpengerät 100 eingespeist und dort z. B. auf lediglich 23 °C erwärmt, wobei an der Leitung 320 die erwärmte Flüssigkeit ausgegeben wird, und zwar aus dem Wärmepumpengerät, hinein in die Kondensiererkreislaufschnittstelle und dort in die Pumpe 340, die schließlich die Flüssigkeit zum Rückkühler bzw. zum zu wärmenden Gebiet 500 liefert, wo an die Luft derart viel Energie abgegeben wird, dass am Ausgang des Rückkühlers eine Flüssigkeit mit einer Temperatur von beispielsweise 17 °C vorliegt.
Wird dagegen festgestellt, dass die Verdampferkreislauftemperatur TWK kleiner als die Kondensiererkreislauftemperatur TWW ist, wie es durch die Sensoren 310 bzw. 210 ermittelt wird, so wird das Steuerelement umgeschaltet, und zwar in die Position von 4b, in der die freie Kühlung deaktiviert ist und der zweite Weg der Wärmetauschereinheit 710 nicht mehr mit zu erwärmender Flüssigkeit 330 durchströmt wird. Stattdessen wird die zu erwärmende Flüssigkeit an der Wärmetauschereinheit 710 vorbei in das Wärmepumpengerät 100 eingespeist. So ist der Ausgang 302 der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 mit dem Rückkühler bzw. mit dem zu wärmenden Gebiet 500 verbunden. Darüber hinaus ist der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet mit einem Eingang 303 der Kondensiererkreislaufschnittstelle verbunden. Der Kondensiererkreislauftemperatursensor 310 ist ausgebildet, um die Temperatur der Flüssigkeit in dem Anschluss 303 zu messen. Der Eingang des Steuerelements ist unabhängig von der Position des Temperatursensors 310 mit dem Eingang 303 der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 verbunden. Der erste Ausgang ist, wie es in 4a gezeigt ist, im Falle der Freikühlung mit dem Eingang verbunden, und der erste Ausgang ist ferner mit dem ersten Anschluss des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden. Dagegen ist der zweite Ausgang bei dem in 4b gezeigten Betriebsmodus mit dem Eingang 330 des Wärmepumpengeräts für die zu erwärmende Flüssigkeit verbunden.
5a und 5b zeigen eine alternative Implementierung des Steuerelements 750, das nunmehr nicht wie in 4a und 4b mit dem ersten Eingang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden ist, sondern mit dem Ausgang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710. Das Steuerelement 750 hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Der erste Eingang des Steuerelements 750 ist bei dem in 5b gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Freikühlung deaktiviert ist, wobei also der normale Modus aktiv ist, mit dem Ausgang verbunden, wobei der Ausgang wiederum mit der Leitung 330 für die zu erwärmende Flüssigkeit verbunden ist, die in das Wärmepumpengerät 100 eingespeist wird. Der zweite Eingang des Steuerelements ist fest mit dem Ausgang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden und ist im Freikühlungsmodus mit dem einen Ausgang des Steuerelements 750 verbunden.
Obgleich in den 2a bis 5b das Steuerelement 720, 730, 740, 750 als Zwei-Wege-Schalter dargestellt worden ist, der entweder zwei Eingänge und einen Ausgang oder zwei Ausgänge und einen Eingang aufweist, kann stattdessen der Zwei-Wege-Schalter auch als Mischer implementiert werden oder als beliebiges anderes Steuerelement, das gesteuert von der Steuerung einen oder mehrere Flusswege beeinflussen kann. Der Mischer ist in 6 bei 760 dargestellt und hat einen Eingang und zwei Ausgänge. Durch den Mischer kann erreicht werden, dass ein Teil der Arbeitsflüssigkeit, nämlich beispielsweise 70 % der Arbeitsflüssigkeit an der Wärmetauschereinheit 710 vorbeigeleitet wird, während der andere Anteil, nämlich z. B. 30 % in den ersten Weg der Wärmetauschereinheit 710 hineingeleitet wird.
Damit wird beispielsweise eine Arbeitsflüssigkeit mit einer Temperatur von 20 °C durch die Wirkung der Wärmetauschereinheit 710 auf 24 °C erhöht. Damit ergibt sich am Verzweigungspunkt bzw. am Kombinationspunkt, wo der Ausgang 712 des erstes Weges mit der Leitung für die zu kühlende Flüssigkeit 230 verbunden ist, eine insgesamt erreichte Temperatur von 21 °C. Durch Implementierung des Steuerelements 760 als Mischer kann somit bei einer Konfiguration, wie sie in 2a gezeigt ist, die zu kühlende Temperatur angewärmt werden, um einen speziellen Betriebsmodus zu erreichen, bei dem dem Wärmepumpengerät 100 eine höhere Last als eigentlich nötig abverlangt wird, was jedoch in bestimmten Fällen, um z. B. eine Taktung des Wärmepumpengeräts 100 zu vermeiden, von besonderem Vorteil ist. Bei dem in 3 Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 730 ebenfalls durch einen Mischer ersetzt werden, der sicherstellt, dass ein bestimmter Anteil, nämlich z. B. der kleinere Anteil, in den zweiten Eingang des Steuerelements eintritt, so dass ebenfalls eine teilweise Erwärmung erreicht werden kann, wenn der Mischer an der Stelle platziert ist, wie sie in 3a und 3b für das Steuerelement 730 dargestellt ist.
Ähnliche Implementierungen für den Mischer können auch für die Steuerelemente 740, 750 der 4a bis 5b vorgenommen werden, um eine entsprechende Mischerwirkung auch zu erreichen, wenn das Steuerelement auf der Kondensiererkreislaufschnittstellen-Seite platziert ist.
8 zeigt eine spezielle Implementierung des Wärmepumpengeräts 100. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Wärmepumpengerät 100 einen Verdampfer 110. Im Verdampfer wird Arbeitsflüssigkeit verdampft. Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit wird von einem Kompressor 120, der vorzugsweise als Motor mit einem Radialrad ausgebildet ist, komprimiert und damit auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. Der komprimierte Dampf wird dann einem Verflüssiger (Kondensierer) 130 zugeführt. Um den Haushalt der Arbeitsflüssigkeit zu regeln, kann ferner je nach Implementierung eine Drossel 140 vorgesehen sein. Wird als Arbeitsmedium innerhalb des Wärmepumpengeräts Wasser eingesetzt, so kann als Drossel eine passive selbstregulierende Drossel verwendet werden. Werden dagegen so genannte chemische Kältemittel, also Kältemittel, die sich von Wasser unterscheiden, eingesetzt, so kann auch statt einer passiven selbstregulierenden Drossel in der Drossel 140 ein schaltbarer Drossel-Bypass implementiert werden.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass im Wärmepumpengerät 100 nicht nur eine solche Stufe, wie sie in 8 durch die Elemente 110 bis 140 dargestellt ist, implementiert sein kann, sondern es können auch zwei oder mehr als zwei Stufen wie auch immer kombiniert in dem Wärmepumpengerät enthalten sein. Die eine oder die mehreren Stufen werden eingangsseitig bzw. verdampferseitig mit der Verdampferkreislaufschnittstelle angeschlossen und werden ausgangsseitig bzw. kondensiererseitig mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle an die „Außenwelt“ angekoppelt.
8 zeigt ferner eine Implementierung des steuerbaren Wärmetauschers 700 mit einem Steuerelement, beispielsweise einem Steuerelement 720, 730, 740, 750, 760 und einer zugeordneten Wärmetauschereinheit 710. Vorzugweise wird ferner die Steuerelektronik oder eine elektrische Schaltungseinheit 123, die zum Beispiel eine Frequenzumrichterschaltung für die statorseitige Spulenansteuerung des Elektromotors im Kompressor 120, eine Leistungselektronik, einen Gleichrichter oder eine Steuerelektronik aufweist, auf der Wärmetauschereinheit 710 platziert. Damit wird sichergestellt, dass die Steuerelektronik immer auf der Temperatur der Wärmetauschereinheit 710 gehalten wird bzw., da sie selbst wesentlich wärmer werden würde, von der Wärmetauschereinheit 710 gekühlt wird. Alternativ kann eine Platzierung auch in einer thermischen Wechselwirkungsanordnung vorhanden sein, z. B. mittels einer speziellen Wärmeübertragungseinrichtung, so dass ebenfalls ein Kühleffekt eintritt, auch wenn sich die Steuerelektronik einerseits und die Wärmetauschereinheit 710 andererseits nicht direkt berühren. Die Wärmeübertragungseinrichtung hat vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit, die wenigstens zehn Mal höher ist als eine thermische Leitfähigkeit, die eine gleich lange Luftstrecke aufweist
Nachdem bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wärmetauschereinheit 710 immer entweder vom Kondensiererkreislauf oder vom Verdampferkreislauf durchflossen wird, findet somit immer eine Kühlung statt. Auch die Temperaturen im Kondensiererkreislauf, die über 20 °C sein können, sind als Kühltemperaturen für die Elektronikanordnung durchaus ausreichend. Daher wird es bevorzugt, die Wärmetauschereinheit 710 so an die Kondensiererkreislaufschnittstelle anzukoppeln, dass die Wärmetauschereinheit 710 bzw. der zweite Weg derselben immer vom Kondensiererkreislauf durchflossen wird. Damit geht die Abwärme der Steuerelektronik direkt in den Kondensiererkreislauf und damit in die Abwärmevorrichtung ohne dass sie zunächst vom Verdampferkreislauf in den Kondensiererkreislauf „gepumpt“ werden muss.
7 zeigt eine tabellarische Zusammenstellung verschiedener Modi, die z. B. mit einem Zwei-Wege-Schalter, wie er in den 2a bis 5b dargestellt worden ist, bewirkt werden können.
Insbesondere in einem kalten Temperaturbereich, bei dem eine Beispieltemperatur der Luft kleiner als 10 °C ist, und bei dem die Sensorwerte so sind, dass die TWK größer als TWW ist, ist die freie Kühlung aktiv. Ferner ist der steuerbare Wärmetauscher von beiden Seiten durchflossen, ist also aktiv. Darüber hinaus ist, wie es in 2c beispielhaft dargestellt ist, der Verdichter deaktiviert, also ausgeschaltet. Eine Steuerung der Temperatur kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die in der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 enthaltene kondensiererseitige Pumpe 340 geregelt wird. Wird festgestellt, dass die Temperatur der gekühlten Flüssigkeit kleiner als eine Solltemperatur wird, so kann die Pumpe 340 gedrosselt werden. Wird dagegen festgestellt, dass die Temperatur zu groß wird, kann die Pumpe 340 wieder schneller gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein typischerweise im Rückkühler 500 vorhandene Ventilator schneller oder langsamer gedreht werden, um mehr oder weniger Kühlleistung zu erreichen.
In einem mittelkalten Temperaturbereich, der beispielsweise zwischen 10 °C und 16 °C ist, ist die freie Kühlung ebenfalls aktiv. Darüber hinaus ist auch der Verdichter aktiv, und es kann eine Regelung der Temperatur, die in das Rechenzentrum, bzw. in den zu kühlenden Bereich eingespeist wird, dadurch erfolgen, dass die Drehzahl des Radialrads im Verdichter gesteuert wird. Wird eine höhere Kühlleistung benötigt, so wird die Drehzahl erhöht. Wird dagegen eine niedrigere Kühlleistung benötigt, so wird die Drehzahl des Radialrads reduziert.
Im Normalbetriebsmodus, der in einem warmen Temperaturbereich aktiviert wird, bei dem die Temperaturen beispielsweise größer als 16 °C sind, wird typischerweise festgestellt, dass die Temperatur TWK kleiner als die Temperatur TWW ist. Dann wird der steuerbare Wärmetauscher 710 deaktiviert, also inaktiv geschaltet, und es kann eine Kühlleistungssteuerung wieder über die Drehzahl des Radialrads erfolgen. In diesem Modus, also im warmen Temperaturbereich ist jedoch keine freie Kühlung aktiv.
Als Sondermodus, bei dem ein Mischer, wie er Bezug nehmend auf 6 beschrieben worden ist, an den Positionen eingesetzt werden kann, die durch die Elemente 720 bis 750 in den 2a bis 5b dargestellt sind, kann ein steuerbarer Kurzschluss zwischen dem Ausgang bzw. dem Kondensiererkreislauf und dem Eingang bzw. dem Verdampferkreislauf des Wärmepumpengeräts erreicht werden. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen einerseits und relativ geringen Leistungsanforderungen des Rechnerzentrums, weil dort zum Beispiel lediglich ein Teillastbetrieb vorherrscht, kann dort die Situation kommen, dass die Steuerung ohne den Sondermodus mit steuerbarem Kurzschluss zu einer Ein-Aus-Taktung übergehen würde, welche aus diversen Gründen nicht vorteilhaft ist.
Erfindungsgemäß wird daher der Sondermodus mit steuerbarem Kurzschluss aktiviert, welcher zum Beispiel durch eine bestimmte Taktungshäufigkeit detektiert wird. Wird eine zu hohe Taktungshäufigkeit festgestellt, so wird der steuerbare Kurzschluss aktiviert, so wird also ein typischerweise kleinerer Teil, also ein Teil kleiner als 50 % der Durchflussmenge in den entsprechenden ersten oder zweiten Weg der Wärmetauschereinheit eingespeist und mit dem anderen (typischerweise größeren) Anteil am Ausgang der Wärmetauschereinheit wieder kombiniert. Diese Mischerwirkung, die in 6 als 70/30 - wie schon beschriebe worden ist, kann gegebenenfalls, wie es in 7 in der letzten Zeile de Tabelle dargestellt ist, je nach Implementierung gesteuert werden, also zum Beispiel von einer 1-%/99-%-Steuerung bis zu einer 51-%/49-%-Steuerung. Auf jeden Fall wird es bevorzugt, dass der größere Teil der Strömung am Wärmetauscherelement 710 vorbeigeht und lediglich der kleinere Teil der Strömung durch das Wärmetauscherelement 710 verläuft, wobei, wie gesagt, der Anteil der kleineren Strömung von 0 bis 50 % steuerbar ist, je nach Ausführung des Mischers.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der freien Kühlung Plus werden ein Wärmetauscher und ein Drei-Wege-Schalter installiert. Der Drei-Wege-Schalter kann auf der Kaltwasserseite oder der Warmwasserseite eingebaut sein und soll den Durchfluss durch den Wärmetauscher freischalten oder sperren. Je nach Implementierung können auch die Pumpen PV 240 bzw. PK 340 nicht vorhanden sein. Darüber hinaus können auch zusätzliche Wärmetauscher eingesetzt werden, beispielsweise am Ausgang der Pumpe PV 240 oder am Ausgang der Pumpe PK 340, obgleich diese Wärmetauscher in 3a und den anderen Figuren beispielsweise nicht dargestellt sind. Wasser als Kältemittel bietet für die freie Kühlung Plus aufgrund seiner schlechten volumetrischen Kälteleistung den Vorteil, dass durch eine Drehzahl geregelten Radialverdichter der Volumenstrom und das Druckverhältnis eingestellt werden können und so ein nahezu idealer Arbeitspunkt der Anlage in einem breiten Einsatzbereich entsteht, wobei diese bereits bei kleinen Kälteleistungen unter 50 kW erreicht werden kann. Bei gezeigten Implementierungen wird Wasser von z. B. 20 °C auf 16 °C abgekühlt, obgleich auch andere Temperaturen möglich sind, wie beispielsweise eine Abkühlung auf 20 °C von einer höheren Temperatur von 26 °C. Generell wird immer erreicht, dass die Kälteleistung mit möglichst geringem Energieaufwand auf ein Temperaturniveau erreicht wird, um je nach Außentemperatur die Leistung an die Umwelt wieder abzugeben. Kommt vom Dach (Rückkühler) eine Temperatur, die es ermöglicht, dass die gesamte Kälteleistung durch den vorgeschalteten Wärmetauscher vom Kaltwasser auf das Kühlwasser übertragen werden kann, wird keine Verdichterarbeit verrichtet. Steigen die Umwelttemperaturen weiter an, dass kein 20 °C kaltes Kaltwasser ohne Verdichterarbeit entsteht, wird die Kompressionskälteanlage leistungsgeregelt zugeschaltet, um den fehlenden Teil, beispielsweise 3 °C oder 50 % Leistung bereitzustellen. Steigen die Außentemperaturen weiter an und das Kühlwasser erreicht Temperaturen von beispielsweise 25 °C und mehr, kann durch den Wärmetauscher praktisch keine Energie mehr übertragen werden. Die gesamte Kälteleistung muss jetzt von der Kompressionskältemaschine bereitgestellt werden. Steigen die Kühlwassertemperaturen weiter an, in diesem Bereich über 26 °C, muss der Drei-Wege-Schalter mindestens einseitig den Durchfluss durch den Wärmetauscher sperren, sonst müsste die Kälteanlage noch mehr Kälteleistung als von der Anwendung gefordert erbringen.
Bei speziellen alternativen Ausführungsbeispielen wird es bevorzugt, dass die Steuerung, also ob der Wärmeübertrager durchströmt wird oder nicht, lediglich von den Temperaturen TWW und TWK abhängt; nämlich dann, wenn die Temperatur TWW kleiner als TWK ist, wird die Wärmetauschereinheit durchströmt. Ist die Temperatur in dem Verdampfer größer als die Vorlauftemperatur auf Kaltwasserseite bzw. Kundenseite, muss der Verdichter arbeiten. Sind die Temperaturen im Freikühlungsmodus dagegen unter der geforderten Kundentemperatur, hier 16 °C, kann der Ventilator auf dem Dach und können schließlich die Pumpen gedrosselt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für die freie Kühlung Plus eine Drossel eingesetzt, die bereits ohne Druckunterschied oder ab einem kleinen Druckunterschied kleiner als 10 mbar bis zum maximalen Druckhub sicher arbeitet. Dann wird sichergestellt, dass der Kältemittelhaushalt vom Verflüssiger zum Verdampfer ausgeglichen wird, wenn eine entsprechende Flüssigkeitsausgleichsfunktionalität benötigt wird. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Kälteanlagen, die elektronische Drosseln haben, die erst bei Druckunterschieden mehrerer bar arbeiten.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, eine Strömungsmaschine als Verdichter einzusetzen, so dass über die Drehzahl die nötige Druckdifferenz und die Leistung, wie beispielsweise der Massestrom genau geregelt werden können. Vorzugsweise wird ferner Wasser als Kältemittel eingesetzt, wobei kleine Druckunterschiede von unter 100 mbar über den gesamten Arbeitsbereich möglich werden und wobei ferner durch die extremen Volumenunterschiede zwischen Dampf und Flüssigkeit eine selbstregelnde Drossel eingebaut werden kann. Um jedoch auch mit so genannten chemischen Kältemitteln, also anderen Kältemitteln als Wasser arbeiten zu können, wird es bevorzugt, statt der passiven selbstregelnden Drossel, wie es in 8 dargestellt ist, einen schaltbaren Drossel-Bypass zu verwenden, um ein Kältemittel von der Hochdruckseite wieder auf die Niederdruckseite zurückzubekommen.
Wie es bereits dargestellt worden ist, und anhand von 6 erläutert worden ist, wird es bevorzugt, den Drei-Wege-Schalter als Mischer auszuführen, um das Teillastverhalten der Anlage zu optimieren. Für die Verdichtung werden vorzugsweise Strömungsmaschinen eingesetzt, die einen drehzahlabhängigen Volumenstrom und eine drehzahlabhängige Drucksteigerung haben. Für die Kälteleistung ist der Massestrom entscheidend. Wird bei geringer Kälteleistung eine hohe Drucksteigerung (Teilleistung im Rechenzentrum und hohe Umwelttemperaturen) von der Anlage gefordert, ruft das einen zu großen Volumenstrom und damit einen zu großen Massestrom hervor. Dies führt zu einem Takten der Anlagen (An ... Aus ... An). Wird der Drei-Wege-Schalter durch einen Mischer ersetzt, kann ein regelbarer Leistungskurzschluss zwischen Kalt- und Kühlwasser geschaffen werden, der das Teillastverhalten verbessert und ein Takten effektiv verhindert.
Vorzugsweise wird die Wärmetauschereinheit im steuerbaren Wärmetauscher von einem Strang permanent durchströmt. Dadurch eignet sich der Wärmetauscher hervorragend zur Kühlung von Leistungselektronik. Wird der Mischer auf die Kaltwasserseite gebracht, leitet die Elektronik ihre Verluste direkt in die Kühlwasserseite, also in den Kondensiererkreislauf ein. Dies hat den Vorteil, dass das Wärmepumpengerät die Verlustleistung nicht erst durch Verdichterarbeit auf die Abgabeseite transportieren muss. Vorzugsweise werden daher die Gleichrichter für die Frequenzumrichterschaltungen auf der Wärmetauschereinheit angeordnet, also in thermische Wirkverbindung mit dem steuerbaren Wärmetauscher.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanordnung mit einem Wärmepumpengerät, umfasst folgende Schritte:

Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät;
Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät; und
Koppeln einer durch eine Wärmesenke abgekühlten Flüssigkeit auf steuerbare und thermische Art und Weise mit der zu kühlenden Flüssigkeit über einen steuerbaren Wärmetauscher abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur, die eine Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit oder der gekühlten Flüssigkeit aufweist, oder abhängig von einer Kondensiererkreislauftemperatur, die eine Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit oder der erwärmten Flüssigkeit oder der durch die Wärmesenke abgekühlten Flüssigkeit aufweist.

Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Steuerung, die beispielsweise durch das Element 400 in 1 bewirkt wird, als Software oder Hardware implementiert werden kann. Die Implementierung der Steuerung kann auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium, einem digitalen oder anderen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit auch als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.
Bezugszeichenliste

100: Wärmepumpengerät
110: Verdampfer
120: Kompressor
123: Steuerelektronik
125: Elektroniksteuerleitung
130: Verflüssiger
140: Drossel
200: Verdampferkreislaufschnittstelle
201: Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet
202: Hinlauf zum zu kühlenden Gebiet
210: Verdampferkreislauftemperatursensor
220: gekühlte Flüssigkeit
230: zu kühlende Flüssigkeit
235: Verbindungsleitung
240: Pumpe in der Verdampferkreislaufschnittstelle
300: Kondensiererkreislaufschnittstelle
302: Hinlauf zum zu wärmenden Gebiet
303: Rücklauf vom zu wärmenden Gebiet
310: Kondensiererkreislauftemperatursensor
340: Pumpe in der Kondensiererkreislaufschnittstelle
400: Steuerung
410: Steuerleitung
500: zu wärmendes Gebiet
600: zu kühlendes Gebiet
700: steuerbarer Wärmetauscher
710: Wärmetauschereinheit
711: Eingang erster Weg
712: Ausgang erster Weg
713: Eingang zweiter Weg
714: Ausgang zweiter Weg
720: Zwei-Wege-Schalter
730: Zwei-Wege-Schalter
740: Zwei-Wege-Schalter
750: Zwei-Wege-Schalter
760: Mischer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012208174 B4 [0005]

Claims

Wärmepumpenanordnung mit folgenden Merkmalen: einem Wärmepumpengerät (100); einer Verdampferkreislaufschnittstelle (200) zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit (230) in das Wärmepumpengerät (100) und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit (220) aus dem Wärmepumpengerät (100); einer Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) zum Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit (330) in das Wärmepumpengerät und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit (320) aus dem Wärmepumpengerät; einem steuerbaren Wärmetauscher (700) zum steuerbaren Koppeln der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) und der Kondensiererkreislaufschnittstelle (300); und einer Steuerung (400) zum Steuern des steuerbaren Wärmetauschers (700) abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur in der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) oder einer Kondensiererkreislauftemperatur in der Kondensiererkreislaufschnittstelle (300).
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, bei der der steuerbare Wärmetauscher (700) eine Wärmetauschereinheit (710) mit Anschlüssen und zwei flüssigkeitsmäßig getrennten Wegen aufweist, wobei wenigstens ein Anschluss der Wärmetauschereinheit (710) mit wenigstens einem Anschluss eines Steuerelements (720, 730, 740, 750, 760) gekoppelt ist, um abhängig von einer Einstellung des Steuerelements einen Durchfluss durch einen der Wege der Wärmetauschereinheit (710) zu bewirken, zu reduzieren oder zu unterbinden.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (400) ausgebildet ist, um das Steuerelement (720, 730, 740, 750, 760) so zu steuern, dass der Durchfluss durch den Weg bewirkt wird, wenn die Kondensiererkreislauftemperatur (TWW) in einem vorbestimmten Verhältnis zur Verdampferkreislauftemperatur (TWK) ist oder kleiner als ein vorbestimmter Kondensiererkreislauftemperaturschwellenwert ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der steuerbare Wärmetauscher (700) so ausgebildet ist, dass ein Weg des steuerbaren Wärmetauschers unabhängig von der Steuerung (400) durchgehend durchfließbar ist und ein anderer Weg des steuerbaren Wärmetauschers durch die Steuerung (400) an- oder abschaltbar oder drosselbar bezüglich eines An-Zustandes ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der steuerbare Wärmetauscher (700) eine Wärmetauschereinheit (710) mit Anschlüssen und zwei flüssigkeitsmäßig getrennten Wegen und ein Steuerelement (720, 730) aufweist, wobei das Steuerelement (720, 730) mit einem ersten Weg der Wärmetauschereinheit flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist und mit der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist, und wobei die Kondensiererkreislaufschnittstelle mit einem zweiten Weg der Wärmetauschereinheit gekoppelt ist, so dass die zu erwärmende Flüssigkeit aus dem zweiten Weg austritt und die erwärmte Flüssigkeit nach Abkühlung in eine Wärmesenke (500) in den zweiten Weg eintritt.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 5, bei der das Steuerelement (720, 730) mit dem ersten Weg und der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) so gekoppelt ist, um die zu kühlende Flüssigkeit vollständig in das Wärmepumpengerät (100) zu leiten oder vollständig in den ersten Weg oder aus dem ersten Weg zu leiten oder teilweise in den ersten Weg oder aus dem ersten Weg zu leiten und teilweise direkt in das Wärmepumpengerät (100) zu leiten.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 6, bei dem das Steuerelement (720) einen Eingang und zwei Ausgänge hat, wobei der eine Ausgang mit dem Wärmepumpengerät (100) direkt verbunden ist und der zweite Ausgang mit einem ersten Anschluss des ersten Weges der Wärmetauschereinheit direkt verbunden ist, oder wobei das Steuerelement (730) zwei Eingänge und einen Ausgang hat, wobei ein erster Eingang mit dem zweiten Anschluss des ersten Weges der Wärmetauschereinheit direkt verbunden ist und der Ausgang mit dem Wärmepumpengerät (100) direkt verbunden ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der steuerbare Wärmetauscher eine Wärmetauschereinheit (710) mit Anschlüssen und zwei flüssigkeitsmäßig getrennten Wegen und ein Steuerelement (740, 750) aufweist, wobei das Steuerelement mit einem zweiten Weg der Wärmetauschereinheit flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist und mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist, wobei die Verdampferkreislaufschnittstelle mit dem ersten Weg der Wärmetauschereinheit (710) so gekoppelt ist, dass die zu kühlende Flüssigkeit aus dem ersten Weg austritt und die gekühlte Flüssigkeit nach Erwärmung in einer Wärmequelle (600) in den ersten Weg eintritt.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 8, bei der das Steuerelement (740, 750) mit dem zweiten Weg der Wärmetauschereinheit (710) und der Kondensiererkreislaufschnittstelle gekoppelt ist, um die zu erwärmende Flüssigkeit vollständig in den zweiten Weg oder aus dem zweiten Weg zu leiten oder vollständig in das Wärmepumpengerät zu leiten oder teilweise in den zweiten Weg oder aus dem zweiten Weg zu leiten und teilweise direkt in das Wärmepumpengerät zu leiten.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 9, bei der das Steuerelement (740) einen Eingang und zwei Ausgänge hat, wobei ein erster Ausgang mit einem Ausgang des zweiten Weges und ein zweiter Ausgang mit dem Wärmepumpengerät (100) direkt gekoppelt ist, oder bei der das Steuerelement (750) einen Ausgang und zwei Eingänge hat, wobei der Ausgang mit dem Wärmepumpengerät direkt gekoppelt ist und der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit gekoppelt ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der das Wärmepumpengerät einen Kompressor (120) aufweist, wobei der Kompressor einen Elektromotor mit Spulen aufweist, die von einer Frequenzumrichterschaltung ansteuerbar sind, wobei die Frequenzumrichterschaltung (123) auf der Wärmetauschereinheit (710) befestigt ist oder mit der Wärmetauschereinheit (710) über einen thermischen Leiter verbunden ist, der eine thermische Leitfähigkeit hat, die wenigstens zehn Mal höher ist als eine thermische Leitfähigkeit, die eine Luftstrecke aufweist, oder bei der das Wärmepumpengerät einen Kompressor (120) aufweist, wobei der Kompressor einen Elektromotor aufweist, der von einer elektrischen Einheit gesteuert wird, die eine Leistungselektronik, einen Gleichrichter oder eine Steuerelektronik aufweist, wobei die Leistungselektronik, der Gleichrichter oder die Steuerelektronik auf der Wärmetauschereinheit (710) befestigt ist oder mit der Wärmetauschereinheit (710) über einen thermischen Leiter verbunden ist, der eine thermische Leitfähigkeit hat, die wenigstens zehn Mal höher ist als eine thermische Leitfähigkeit, die eine Luftstrecke aufweist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Verdampferkreislaufschnittstelle (200) einen Eingangsanschluss an das Wärmepumpengerät und einen Ausgangsanschluss an das Wärmepumpengerät, eine Schnittstelle zu einem zu kühlenden Gebiet und eine Schnittstelle zu dem steuerbaren Wärmetauscher aufweist, wobei die Verdampferkreislaufschnittstelle (200) ferner eine Verdampferkreislaufpumpe (240) aufweist, um die zu kühlende Flüssigkeit (230) oder die gekühlte Flüssigkeit (220) zu zirkulieren.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) einen Eingangsanschluss an das Wärmepumpengerät (100) und einen Ausgangsanschluss an das Wärmepumpengerät und eine Schnittstelle zu einem zu wärmenden Gebiet (500) aufweist, sowie eine Schnittstelle zu dem steuerbaren Wärmetauscher (700) aufweist, wobei die Kondensiererkreislaufschnittstelle ferner eine Kondensiererkreislaufpumpe (340) aufweist, die ausgebildet ist, um eine erwärmte Flüssigkeit (320) oder eine zu erwärmende Flüssigkeit (330) zu zirkulieren.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Verdampferkreislauftemperatursensor (120) ausgebildet ist, um eine Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit zu erfassen, bevor die zu kühlende Flüssigkeit in den steuerbaren Wärmetauscher eintritt, oder bei der der Kondensiererkreislauftemperatursensor (310) ausgebildet ist, um eine Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit zu erfassen, bevor die zu erwärmende Flüssigkeit in den steuerbaren Wärmetauscher (700) eintritt.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (400) ausgebildet ist, um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit (230) durch die zu erwärmende Flüssigkeit (330) unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauschers (700) zu unterbinden, wenn eine Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit (320) größer als eine Verdampferkreislauftemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit ist, oder um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit (230) durch die zu erwärmende Flüssigkeit (330) unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauscher zu unterbinden und abhängig von einer geforderten Kühlleistung eine Drehzahlregelung eines Radialrads eines Verdichters im Wärmepumpengerät (100) vorzunehmen, wenn eine Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit (330) größer als eine Verdampferkreislauftemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit (230) ist, oder um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit (230) durch die zu erwärmende Flüssigkeit (330) unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauschers zu aktivieren, wenn eine Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit (330) kleiner als eine Verdampferkreislauftemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit (230) ist, oder um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit (230) durch die zu erwärmende Flüssigkeit (330) unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauschers zu aktivieren und abhängig von einer geforderten Kühlleistung eine Drehzahl eines Radialrads innerhalb des Verdichters des Wärmepumpengeräts zu erhöhen oder zu erniedrigen oder um einen Verdichter in dem Wärmepumpengerät zu deaktivieren, wenn eine Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit (330) kleiner als eine vorbestimmte Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit (230) oder der gekühlten Flüssigkeit (220) ist, oder um eine Zirkulationspumpe (340), die in der Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) angeordnet ist, bezüglich einer Soll-Drehzahl zu drosseln, wenn die Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit (330) gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit (230) oder der gekühlten Flüssigkeit (220) ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der steuerbare Wärmetauscher (700) ausgebildet ist, um mittels eines steuerbaren Kurzschlusses die zu kühlende Flüssigkeit (230) in der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) unter Verwendung der zu erwärmenden Flüssigkeit (330) in der Kondensiererkreislaufschnittstelle oder unter Verwendung der erwärmten Flüssigkeit (330) in der Kondensiererkreislaufschnittstelle zu erwärmen, um eine Leistungsanforderung an das Wärmepumpengerät gegenüber einer Leistungsanforderung eines zu kühlenden Gebiets (600), das mit der Verdampferkreislaufschnittstelle (200) verbunden ist, zu erhöhen.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerung (400) ausgebildet ist, um einen Zustand der Wärmepumpenanordnung oder des Wärmepumpengeräts (100) zu erfassen, bei dem ein steuerbarer Kurzschluss zu einem verbesserten Betriebsverhalten des Wärmepumpengeräts (100) führt, wobei die Steuerung (400) ausgebildet ist, um den steuerbaren Wärmetauscher (700) nur dann in den steuerbaren Kurzschluss zu bringen, wenn der Zustand der Wärmepumpenanordnung oder des Wärmepumpengeräts (100) durch die Steuerung (400) erfasst worden ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der steuerbare Wärmetauscher (700) einen Mischer (760) aufweist, der ausgebildet ist, um in dem steuerbaren Kurzschluss einen ersten Anteil einer Flüssigkeit, die in der Kondensiererkreislaufschnittstelle oder der Verdampferkreislaufschnittstelle zirkulierbar ist, in eine thermische Wirkverbindung mit einer Flüssigkeit der jeweils anderen Schnittstelle zu bringen, und um einen zweiten Anteil der Flüssigkeit nicht in eine thermische Wirkverbindung zu bringen, wobei der erste Anteil kleiner als der zweite Anteil ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 18, bei der der Mischer (760) steuerbar ist, um ein Verhältnis des ersten Anteils zu dem zweiten Anteil zu steuern, und zwar abhängig von einem Betriebsverhalten des Wärmepumpengeräts (100).
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmepumpengerät (100) einen Kompressor (120) aufweist, der ausgebildet ist, um bei Unterschreitung einer vorbestimmten Temperatur der gekühlten Flüssigkeit (220) oder bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur der erwärmten Flüssigkeit (320) abgeschaltet zu werden, und bei der die Steuerung (400) ausgebildet ist, Abschaltereignisse zu erfassen und bei einer Häufigkeit der Abschaltereignisse bezüglich einer Zeitdauer den steuerbaren Kurzschluss in dem steuerbaren Wärmetauscher (700) zu aktivieren, um eine Häufigkeit der Abschaltereignisse bezüglich der Zeitdauer zu reduzieren oder um die Abschaltereignisse komplett zu eliminieren.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verdampferkreislaufschnittstelle (200) ausgebildet ist, um direkt oder über einen Wärmetauscher mit dem zu kühlenden Gebiet (600) gekoppelt zu sein, oder bei der die Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) ausgebildet ist, um direkt oder über einen Wärmetauscher mit dem zu wärmenden Gebiet (500) gekoppelt zu sein.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verdampferkreislaufschnittstelle (200) ausgebildet ist, um eine erste Arbeitsflüssigkeit zu halten, bei der die Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) ausgebildet ist, um eine zweite Arbeitsflüssigkeit zu halten, wobei die zweite Arbeitsflüssigkeit sich von der ersten Arbeitsflüssigkeit unterscheidet, oder bei der die zweite Arbeitsflüssigkeit CO₂ ist und die erste Arbeitsflüssigkeit Wasser ist, oder bei der die erste Arbeitsflüssigkeit Wasser oder CO₂ ist und die zweite Arbeitsflüssigkeit ein Wasser-Glykol-Gemisch ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmepumpengerät (100) eine oder mehrere Stufen aufweist, wobei eine Stufe einen Verdampfer (110), einen Kompressor (120), einen Kondensierer (130) und eine Drossel (140) aufweist, wobei die Stufe ausgebildet ist, um Wasser als Arbeitsmedium zu verwenden und wobei Druckunterschiede zwischen dem Verdampfer (110) und dem Kondensierer (130) im gesamten Arbeitsbereich unter 300 mbar sind, wobei der Kompressor (120) ein Radialrad aufweist, das abhängig von einer geforderten Leistung des Wärmepumpengeräts in seiner Drehzahl steuerbar ist, und wobei die Drossel (140) eine selbstregelnde passive Drossel ist.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der das Wärmepumpengerät (100) eine oder mehrere Stufen aufweist, wobei eine Stufe einen Verdampfer (110), einen Kompressor (120), einen Kondensierer (130) und eine Drossel (140) aufweist, wobei die Stufe ausgebildet ist, um als Arbeitsmedium ein chemisches Medium zu verwenden, bei dem ein Druckunterschied zwischen dem Verdampfer (110) und dem Verflüssiger (130) größer als 5 bar ist, und wobei der Kompressor (120) ein Radialrad aufweist, das abhängig von einer geforderten Leistung des Wärmepumpengeräts in seiner Drehzahl steuerbar ist, und wobei die Drossel (140) einen schaltbaren Drossel-Bypass aufweist, um das Arbeitsmedium von dem Kondensierer (130) zurück in den Verdampfer (110) zu bringen.
Wärmepumpenanlage mit folgenden Merkmalen: einem zu kühlenden Gebiet (600); einem zu wärmenden Gebiet (500); einer Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Verdampferkreislaufschnittstelle (200) der Wärmepumpenanlage mit dem zu kühlenden Gebiet (600) gekoppelt ist, wobei die Kondensiererkreislaufschnittstelle (300) mit dem zu erwärmenden Gebiet (500) gekoppelt ist.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 25, bei der das zu kühlende Gebiet (600) ein Raum in einem Gebäude ist, oder bei der das zu wärmende Gebiet (500) ein Rückkühler an einem Dach oder an einer Außenseite des Gebäudes ist.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanordnung mit einem Wärmepumpengerät, mit folgenden Schritten: Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät; Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät; Koppeln einer durch eine Wärmesenke abgekühlten Flüssigkeit auf steuerbare und thermische Art und Weise mit der zu kühlenden Flüssigkeit über einen steuerbaren Wärmetauscher abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur, die eine Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit oder der gekühlten Flüssigkeit aufweist, oder abhängig von einer Kondensiererkreislauftemperatur, die eine Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit oder der erwärmten Flüssigkeit oder der durch die Wärmesenke abgekühlten Flüssigkeit aufweist.