DE102019000638B3 - Highly efficient high-temperature heat pump for heating and cooling buildings, with a combination of cylindrically arranged heat exchangers, which are located in a heat accumulator and flowed through by a liquid storage medium in such a way that a cylindrical circular movement occurs. - Google Patents

Highly efficient high-temperature heat pump for heating and cooling buildings, with a combination of cylindrically arranged heat exchangers, which are located in a heat accumulator and flowed through by a liquid storage medium in such a way that a cylindrical circular movement occurs. Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe, bestehend aus einem Expansionsventil (1b), einem Verdampfer (1c), einem Verdichter (1d) und einer Kombination von in Reihe geschalteten rohrförmigen Wärmetauschern (4+5), welche im Inneren eines Wärmespeichers (11) angeordnet sind und welche in ihrem Innern von oben nach unten mit heißem Kältemittel durchströmt werden und damit stark aufgeheizt werden. Die stark aufgeheizten Wärmetauscher (4+5) werden von außen von einem flüssigen Speichermedium (10) umströmt, wobei sich das Speichermedium (10) durch die von den Wärmetauschern (4+5) abgegebene Wärme stark aufheizt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Wärmetauscher (4+5) dabei so angeordnet ist, dass der obere vorgeschaltete Wärmetauscher = Kondensator (4) das Kältemittel vollständig enthitzt und vollständig kondensiert, während der untere nachgeschaltete Wärmetauscher = Unterkühler (5) das verflüssigte Kältemittel vollständig unterkühlt. Im Äußeren des erfindungsgemäßen Wärmespeichers (11) befindet sich mindestens eine hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13), welche das Speichermedium (10) aus dem Wärmespeicher (11) am Ansaugrohr (12) heraussaugt, über ein Verteilrohr (14) zu mehreren gebogenen Strömungsrohren (15) pumpt, welche im Innern des Wärmespeichers (11) angeordnet sind, dass das Speichermedium (10) durch die gebogenen Strömungsrohre (15) so in den Speicher (11) eingeleitet wird, dass das einströmende Speichermedium (10) tangential an die innen liegenden Wärmetauscher (4+5) strömt, so dass im Wärmespeicher (11) eine zylindrische Kreisbewegung (16) des Speichermediums (10) entsteht und somit die Wärmeübertragung zwischen den Wärmetauschern (4+5) und dem Speichermedium (10) maximiert wird. Diese erfindungsgemäße Anordnung in Verbindung mit der zylindrischen Kreisbewegung (16) des Speichermediums (10) wird vom Erfinder als „Coriolis-System“ bezeichnet.The invention relates to a highly efficient high-temperature heat pump, comprising an expansion valve (1b), an evaporator (1c), a compressor (1d) and a combination of tubular heat exchangers (4 + 5) connected in series, which are located inside a heat accumulator (11 ) are arranged and which are flowed through by hot refrigerant from the top downwards and are thus heated up strongly. The strongly heated heat exchangers (4 + 5) are flowed around from the outside by a liquid storage medium (10), the storage medium (10) being heated up strongly by the heat given off by the heat exchangers (4 + 5), characterized in that the combination of Heat exchanger (4 + 5) is arranged so that the upper upstream heat exchanger = condenser (4) completely desuperheats and condenses the refrigerant, while the lower downstream heat exchanger = subcooler (5) completely cools the liquefied refrigerant. In the exterior of the heat accumulator (11) according to the invention there is at least one highly efficient speed-controlled charge pump (13), which sucks the storage medium (10) out of the heat accumulator (11) on the intake pipe (12), via a distribution pipe (14) to several curved flow pipes (15 ) pumps, which are arranged inside the heat accumulator (11), that the storage medium (10) is introduced into the accumulator (11) through the curved flow tubes (15) in such a way that the inflowing storage medium (10) tangentially to the internal heat exchanger (4 + 5) flows so that a cylindrical circular movement (16) of the storage medium (10) arises in the heat accumulator (11) and thus the heat transfer between the heat exchangers (4 + 5) and the storage medium (10) is maximized. This arrangement according to the invention in connection with the cylindrical circular movement (16) of the storage medium (10) is referred to by the inventor as a “Coriolis system”.

Description

Hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen von Gebäuden, mit einer Kombination von zylindrisch angeordneten Wärmetauschern, welche sich in einem Wärmespeicher befinden und durch ein flüssiges Speichermedium so angeströmt werden, dass eine zylindrische Kreisbewegung entsteht.Highly efficient high-temperature heat pump for heating and cooling buildings, with a combination of cylindrically arranged heat exchangers, which are located in a heat accumulator and flowed through by a liquid storage medium in such a way that a cylindrical circular movement occurs.

Es sind verschiedene Wärmetauscher-Systeme in Wärmepumpen von verschiedenen Erfindern und Anwendern bekannt. Wärmetauscher für Wärmepumpen werden in vielen verschiedensten Varianten gebaut und auf dem Heizungsmarkt angeboten. Einige Produkte haben die Wärmetauscher ausschließlich im Inneren von Wärmespeichern angeordnet. Andere haben die Wärmetauscher sowohl im Inneren als auch im Äußeren von Wärmespeichern angeordnet und wieder andere haben sich auf die Anordnung im Äußeren der Wärmespeicher beschränkt.Various heat exchanger systems in heat pumps from various inventors and users are known. Heat exchangers for heat pumps are built in many different variants and are offered on the heating market. Some products have arranged the heat exchangers only inside heat stores. Others have arranged the heat exchangers both inside and outside of the heat accumulators and still others have restricted themselves to the arrangement outside of the heat accumulators.

Nur wenige Konstrukteure verwenden in der Praxis zwei oder mehrere Wärmetauscher. In den meisten Wärmepumpen wird aus Kostengründen nur ein Wärmetauscher verbaut. Dann ist die Wärmeleistung besonders im Winter stark vermindert und es müssen zusätzlich Elektroheizstäbe für den sogenannten monoenergetischen Betrieb zugeschaltet werden. Durch die verminderte Wärmeleistung werden oft auch zusätzliche Heizkessel im sogenannten Bivalenzbetrieb eingesetzt. Bei manchen Konstruktionen wird gänzlich auf den Einsatz von Ladepumpen verzichtet und bei einigen wird sogar ganz auf den Einsatz von Wärmespeichern oder Pufferspeichern verzichtet. Diese Wärmepumpen sind dann besonders ineffizient.In practice, only a few designers use two or more heat exchangers. In most heat pumps, only one heat exchanger is installed for cost reasons. Then the heat output is greatly reduced, especially in winter, and additional electric heating elements for so-called monoenergetic operation must be switched on. Due to the reduced heat output, additional boilers are often used in so-called bivalent operation. In some constructions, the use of charge pumps is completely dispensed with, and in some, even the use of heat stores or buffer stores is dispensed with entirely. These heat pumps are then particularly inefficient.

Im Gegensatz zu diesen genannten mangelhaften Konstruktionen, verfügt die erfindungsgemäße Wärmepumpe über eine Kombination von innen liegenden Wärmetauschern in Verbindung mit hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpen, außerhalb des Wärmespeichers liegenden Verteilrohren und innerhalb des Wärmespeichers liegenden Strömungsrohren, welche eine zylindrische Kreisbewegung des Speichermediums erzeugen und dadurch einen optimalen bzw. maximalen Wärmeübergang zwischen dem heißen Kältemittel in den Wärmetauschern und dem kühleren Speichermedium im Wärmespeicher gewährleisten und damit zu einer starken Verbesserung der Arbeitszahlen und der Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpe führen. Durch die hohe Effizienz benötigt die erfindungsgemäße Wärmepumpe im Winter keine Elektroheizstäbe und keinen Bivalenzbetrieb. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe arbeitet in allen Temperaturbereichen monovalent und kann im Sommer bei Bedarf zusätzlich auf Kühlen umgestellt werden.In contrast to these defective constructions mentioned, the heat pump according to the invention has a combination of internal heat exchangers in connection with highly efficient speed-controlled charging pumps, distribution pipes located outside the heat accumulator and flow pipes lying inside the heat accumulator, which generate a cylindrical circular movement of the storage medium and thereby an optimal or Ensure maximum heat transfer between the hot refrigerant in the heat exchangers and the cooler storage medium in the heat accumulator and thus lead to a strong improvement in the work figures and the annual work figures of the heat pump. Due to the high efficiency, the heat pump according to the invention does not require any electric heating elements or bivalence operation in winter. The heat pump according to the invention works monovalently in all temperature ranges and can also be switched to cooling in summer if required.

Zur Beurteilung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe wurden folgende Druckschriften herangezogen:

  • D1: DE 78 29 577 U1 Speicherbehälter zur Warmwasserbereitung
  • D2: DE 102 43 170 A1 Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe mit Kältemittelverflüssiger
  • D3: DE 92 00 824 U1 Kaltwassereinlaufrohr für Warmwasserspeicher
  • D4: US 2 516 093 A Heat Pump Water Heater and Method of Heat Exchange
  • D5: DE 31 32 213 A1 Anordnung zur Verbesserung der Leistung insbesondere von Wärmepumpenanlagen
The following documents were used to assess the heat pump according to the invention:
  • D1: DE 78 29 577 U1 Storage tank for water heating
  • D2: DE 102 43 170 A1 Heating system with a heat pump with a refrigerant condenser
  • D3: DE 92 00 824 U1 Cold water inlet pipe for hot water storage
  • D4: US 2,516,093 A. Heat Pump Water Heater and Method of Heat Exchange
  • D5: DE 31 32 213 A1 Arrangement to improve the performance of heat pump systems in particular

Die Erfindung betrifft eine hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a highly efficient high-temperature heat pump according to the preamble of claim 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe für die winterliche Beheizung und sommerliche Kühlung von Gebäuden zu konstruieren. Die Wärmepumpe soll sowohl für Wohngebäude als auch für Gewerbe- und Industriegebäude genutzt werden können. Wichtig dabei ist, die Wärmepumpe nicht nur in Neubauten mit Fußbodenheizung bei ca. 35°C Vorlauftemperatur einzusetzen, sondern hauptsächlich Altbauten mit Heizkörpern mit einer wesentlich höheren Vorlauftemperatur von ca. 50°C bis ca. 70°C versorgen zu können. Dabei soll im kalten Winter kein Elektroheizstab zum Einsatz kommen. Auf dem europäischen Wärmepumpenmarkt gibt es in der Praxis keine Produkte, welche über diese Eigenschaften verfügen, obwohl statistisch die meisten Gebäude Altbauten sind, welche höhere Vorlauftemperaturen benötigen und somit ein großer Markt vorhanden ist.The invention has for its object to construct a new type of highly efficient high-temperature heat pump for winter heating and summer cooling of buildings. The heat pump should be able to be used for residential buildings as well as for commercial and industrial buildings. It is important not only to use the heat pump in new buildings with underfloor heating at a flow temperature of approx. 35 ° C, but mainly to be able to supply old buildings with radiators with a significantly higher flow temperature of approx. 50 ° C to approx. 70 ° C. No electric heating element should be used in the cold winter. In practice, there are no products on the European heat pump market that have these properties, although statistically most of the buildings are old buildings that require higher flow temperatures and therefore there is a large market.

Um diese Anforderungen erfüllen zu können, verfügt die erfindungsgemäße hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe über ein regelbares Expansionsventil, einen Verdampfer, einen Verdichter oder Kompressor und einem erfindungsgemäßen Wärmespeicher. In diesem Wärmespeicher befinden sich mindestens zwei schraubenförmig übereinander angeordnete Wärmetauscher. Der Querschnitt der Wärmetauscher ist rohrförmig rund oder oval.In order to be able to meet these requirements, the highly efficient high-temperature heat pump according to the invention has a controllable expansion valve, an evaporator, a compressor or compressor and a heat accumulator according to the invention. At least two helically arranged heat exchangers are located in this heat accumulator. The cross section of the heat exchanger is tubular, round or oval.

Die Aufgabe besteht nun darin, die Wärmetauscher für das Wärme abgebende Kältemittel und das die Wärme aufnehmende flüssige Speichermedium so anzuordnen und zu gestalten, dass der obere vorgeschaltete erste Wärmetauscher = Kondensator die Heißgasphase des Kältemittels vollständig enthitzen und gleichzeitig das Kältemittel vollständig verflüssigen kann, während der untere nachgeschaltete zweite Wärmetauscher = Unterkühler das verflüssigte Kältemittel vollständig abkühlen und vollständig unterkühlen kann. Der Unterkühlungsprozess soll dabei maximiert werden um die Effizienz der Wärmepumpe zu steigern bzw. ebenfalls zu maximieren.The task now is to arrange and design the heat exchangers for the heat-emitting refrigerant and the heat-absorbing liquid storage medium so that the upper upstream first heat exchanger = condenser completely heat up the hot gas phase of the refrigerant and at the same time can completely liquefy the refrigerant during the lower downstream second heat exchanger = subcooler can cool the liquefied refrigerant completely and subcool it completely. The supercooling process should be maximized in order to increase or also maximize the efficiency of the heat pump.

Die erfindungsgemäß angeordneten Wärmetauscher befinden sich nicht außerhalb, wie bei vielen anderen Wärmepumpen, sondern innerhalb eines geschlossenen Wärmespeichers, damit keine Wärmeverluste durch Strahlungswärme entstehen können.The heat exchangers arranged according to the invention are not located outside, as is the case with many other heat pumps, but within a closed heat accumulator, so that no heat losses due to radiant heat can arise.

Das Ziel ist es, mit den nahezu verlustfrei angeordneten Wärmetauschern das in der Heißgasleitung von oben einströmende Kältemittel so weit zu enthitzen, zu kondensieren und zu unterkühlen, dass sich ein nahezu vollständiger Temperaturausgleich zwischen dem Speichermedium und dem ausströmenden Kältemittel in der Kondensatleitung einstellt. In diesem idealen Zustand liegt die Wärmeübertragung der beiden Wärmetauscher Kondensator und Unterkühler bei nahezu 100 Prozent.The goal is to use the heat exchangers, which are arranged almost without loss, to heat, condense and supercool the refrigerant flowing in from the top of the hot gas line to such an extent that there is almost complete temperature compensation between the storage medium and the outflowing refrigerant in the condensate line. In this ideal state, the heat transfer from the two heat exchangers, the condenser and the subcooler, is almost 100 percent.

Außerhalb des Wärmespeichers befinden sich erfindungsgemäß eine oder mehrere drehzahlgeregelte hocheffiziente Ladepumpen, welche durch die Ansaugrohre das Speichermedium aus dem Wärmespeicher ansaugen und über die Verteilrohre zu den Strömungsrohren befördern. An den Verteilrohren, welche sich sowohl innerhalb als auch außerhalb des Wärmespeichers befinden können, sind mehrere Strömungsrohre erfindungsgemäß so angeordnet, dass sich möglichst gleichmäßige Strömungen durch die Strömungsrohre einstellen, wobei die Strömungsrohre so geformt oder gebogen sind, dass die Einströmungsrichtung tangential zu den innen liegenden Wärmetauschern gerichtet ist, um möglichst die Wärmetauscher direkt anzuströmen und dabei partiell eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit an den Oberflächen der schraubenförmig angeordneten Wärmetauschen zu erreichen.According to the invention, one or more speed-controlled, highly efficient charge pumps are located outside the heat store, which suck the storage medium out of the heat store through the intake pipes and convey them to the flow pipes via the distribution pipes. According to the invention, a plurality of flow tubes are arranged on the distribution tubes, which can be located both inside and outside the heat store, in such a way that the flow through the flow tubes is as uniform as possible, the flow tubes being shaped or bent in such a way that the inflow direction is tangential to the interior Is directed to heat exchangers in order to flow as directly as possible to the heat exchangers and thereby partially achieve the highest possible flow velocity on the surfaces of the helically arranged heat exchangers.

Es entstehen dabei partiell turbulente Oberflächenströmungen im Bereich der auf den Wärmetauschern auftreffenden Strömung. Die Einströmung des Speichermediums am Ende der Strömungsrohre führt beim tangentialen Auftreffen auf die Wärmetauscher zu einer stark erhöhten Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden Kältemittel in den Wärmetauschern, hin zum wärmeaufnehmenden Speichermedium.This creates partially turbulent surface flows in the area of the flow impinging on the heat exchangers. The inflow of the storage medium at the end of the flow tubes leads to a greatly increased heat transfer from the heat-emitting refrigerant in the heat exchangers to the heat-absorbing storage medium when it hits the heat exchanger tangentially.

Nachdem das tangential eingeströmte Speichermedium an den Wärmetauschern vorbeigeströmt ist, kommt es automatisch zu einer zylindrischen Kreisbewegung des Speichermediums um die Wärmetauscher herum. Die Drehrichtung wird durch die Anordnung der Strömungsrohre vorgegeben. Die Strömungsrichtung kann wahlweise im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgen. Im unten dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Drehrichtung gegen den Urzeigersinn. Es ergeben sich durch diese Zwangsdrehung automatisch übereinander bzw. untereinander drehende Schichten mit gleicher Temperatur (Isothermen). Der Erfinder nennt diesen Effekt „Coriolis-Effekt“, ähnlich der entstehenden Strömungswirbel von Hoch- und Tiefdruckgebieten auf der Erde.After the tangentially flowing storage medium flows past the heat exchangers, there is automatically a cylindrical circular movement of the storage medium around the heat exchangers. The direction of rotation is determined by the arrangement of the flow tubes. The flow direction can be either clockwise or counterclockwise. In the exemplary embodiment shown below, the direction of rotation is counterclockwise. This forced rotation automatically results in layers rotating at the same temperature (isotherms). The inventor calls this effect the "Coriolis effect", similar to the resulting eddies of high and low pressure areas on earth.

Da die entstehende zylindrische Kreisbewegung innerhalb der horizontalen Schichten im Wärmespeicher durch die drehzahlgeregelten Ladepumpen permanent angetrieben wird, kommt es zu einer kontinuierlichen, laminaren, zylindrischen Kreisbewegung des Speichermediums im gesamten Wärmespeicher, wobei die verschiedenen Schichten durchaus etwas unterschiedliche Geschwindigkeiten haben können. Die Schichten in Höhe der Strömungsrohre sind dabei am schnellsten, während die daneben liegenden Schichten etwas langsamer drehen. Diese unterschiedlichen Geschwindigkeiten sind vom Erfinder durchaus gewollt und im Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme der 3 genau beschrieben.Since the resulting cylindrical circular movement within the horizontal layers in the heat accumulator is permanently driven by the speed-controlled charge pumps, there is a continuous, laminar, cylindrical circular movement of the storage medium in the entire heat accumulator, although the different layers can have somewhat different speeds. The layers at the level of the flow tubes are the fastest, while the layers next to them rotate a little slower. These different speeds are quite desired by the inventor and in the exemplary embodiment with reference to the 3rd described in detail.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Wärmetauscher und der Strömungsrohre hat mehrere Vorteile:

  • Durch die permanente zylindrische Drehbewegung des Speichermediums, kommt es zu einem permanenten aktiven Wärmeübergang zwischen den Wärmetauschern und dem Speichermedium.
The arrangement of the heat exchangers and the flow tubes according to the invention has several advantages:
  • The permanent cylindrical rotation of the storage medium results in permanent active heat transfer between the heat exchangers and the storage medium.

Eine Temperaturschichtung im Wärmespeicher, - oben heiß - in der Mitte warm - unten kühl, bleibt trotz der permanenten zylindrischen Kreisbewegung erhalten.A temperature stratification in the heat accumulator - hot on top - warm in the middle - cool on the bottom - is retained despite the permanent cylindrical circular movement.

Durch die hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpen lässt sich die zylindrische Kreisbewegung nahezu beliebig beschleunigen oder verlangsamen.Thanks to the highly efficient speed-controlled charge pumps, the cylindrical circular movement can be accelerated or slowed down almost as desired.

Ist die Wärmeübertragung an den Wärmetauschern beispielsweise zu gering, werden die Ladepumpen beschleunigt, so dass es durch eine schnellere Ausströmung an den Strömungsrohren zu einer schnelleren zylindrischen Kreisbewegung kommt und somit die Wärmeübertragung gesteigert werden kann.If the heat transfer to the heat exchangers is too low, for example, the charge pumps are accelerated, so that a faster cylindrical circular movement occurs as a result of a faster outflow at the flow tubes and thus the heat transfer can be increased.

Ist die Wärmeübertragung beispielsweise ausreichend, können die Ladepumpen verlangsamt werden, damit die heiß=oben, warm=Mitte und kühl=unten Schichtung im Wärmespeicher gesteigert wird und somit die Temperaturspreizung im gesamten Wärmespeicher vergrößert wird.If the heat transfer is sufficient, for example, the charge pumps can be slowed down so that the hot = top, warm = middle and cool = bottom stratification in the heat accumulator is increased and thus the temperature spread in the entire heat accumulator is increased.

Wird beispielsweise das Speichermedium im oberen Bereich des Wärmespeichers zu heiß, können die drehzahlgeregelten Ladepumpen beschleunigt oder auf maximale Drehzahl gebracht werden. Die hohe Drehzahl führt dann zu einer Verminderung der ungewollt hohen Temperatur im obersten Bereich des Wärmespeichers, weil die starke zylindrische Kreisbewegung für etwas mehr Durchmischung des Speichermediums sorgt. If, for example, the storage medium in the upper area of the heat accumulator becomes too hot, the speed-controlled charge pumps can be accelerated or brought to maximum speed. The high speed then leads to a reduction in the unintentionally high temperature in the uppermost area of the heat store, because the strong cylindrical circular movement ensures that the storage medium is mixed a little more.

Mit Hilfe von mehreren an der Außenwand des Wärmespeichers angeordneten Temperaturfühlern und mit Hilfe einer elektronischen Steuerung, kann permanent die momentane Temperaturverteilung - oben heiß - in der Mitte warm - unten kühl - des Speichermediums gemessen und ausgewertet werden und die Drehzahl der drehzahlgeregelten Ladepumpen entsprechend des Betriebszustandes bzw. des Ladezustands des Wärmespeichers angepasst werden.With the help of several temperature sensors arranged on the outer wall of the heat accumulator and with the help of an electronic control, the current temperature distribution - hot at the top - warm in the middle - cool at the bottom - of the storage medium can be measured and evaluated and the speed of the speed-controlled charge pumps according to the operating state or the state of charge of the heat accumulator.

Durch die elektronische Steuerung kann auch die Drehzahl des Verdichters oder Kompressors gezielt verändert werden. Ist beispielsweise die Wärmeerzeugung an den Wärmetauschern zu hoch, kann die Drehzahl des Verdichters vermindert werden. Ist beispielsweise die Wärmeerzeugung an den Wärmetauschern zu niedrig, kann die Drehzahl des Verdichters erhöht werden. Ist beispielsweise die Temperatur im obersten Bereich des Wärmespeichers zu hoch, kann die Drehzahl des Verdichters vermindert werden.The speed of the compressor or compressor can also be specifically changed using the electronic control. If, for example, the heat generation at the heat exchangers is too high, the speed of the compressor can be reduced. If, for example, the heat generation at the heat exchangers is too low, the speed of the compressor can be increased. If, for example, the temperature in the uppermost area of the heat accumulator is too high, the speed of the compressor can be reduced.

Durch die gezielte Beeinflussung sowohl der drehzahlgeregelten Ladepumpen, als auch des drehzahlgeregelten Verdichters mittels der elektronischen Steuerung, kann der Ladezustand des Wärmespeichers bzw. die Temperaturschichtung des Speichermediums sehr präzise eingestellt und gehalten werden. Ist beispielsweise eine Temperaturschichtung von oben 55°C, Mitte 45°C und unten 35°C erwünscht, kann durch dieses Regelsystem mit Hilfe der elektronischen Steuerung dieses Temperaturniveau nicht nur erreicht sondern auch gehalten werden.By specifically influencing both the speed-controlled charge pumps and the speed-controlled compressor by means of the electronic control, the state of charge of the heat accumulator or the temperature stratification of the storage medium can be set and maintained very precisely. If, for example, temperature stratification from above 55 ° C, middle 45 ° C and below 35 ° C is desired, this control system can not only achieve this temperature level with the help of the electronic control but also maintain it.

Die elektronische Steuerung hat zu diesem Zweck mehrere PID Regler integriert, welche proportional, integral und differential regeln können. Eine entsprechend programmierte Software entscheidet je nach Betriebszustand des Speichermediums, welche regeltechnische Maßnahme in der jeweiligen Situation benötigt wird.For this purpose, the electronic control has integrated several PID controllers, which can regulate proportionally, integrally and differential. Depending on the operating state of the storage medium, appropriately programmed software decides which control measures are required in the respective situation.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann zusätzlich über einen weiteren innen liegenden rohrförmigen Wärmetauscher verfügen, in welchem Brauchwasser erwärmt wird und nach der Erwärmung den Zapfstellen im Gebäude zugeführt werden kann. Dieser Wärmetauscher wird in der Praxis als Edelstahl-Wellrohr-Wärmetauscher ausgeführt werden, wobei dessen Zulauf im Wärmespeicher auf direktem Wege von ganz oben nach ganz unten geführt wird und anschließend schraubenförmig wieder von ganz unten nach ganz oben zum Auslauf geführt wird. Das hat den Vorteil, dass sich das kalte Brauchwasser langsam von unten nach oben erwärmen kann und sogar zur gewünschten Temperaturschichtung im Wärmespeicher positiv beitragen kann. Wird sehr viel Brauchwasser gezapft, kann zur Unterstützung der Wärmeübertragung die drehzahlgeregelte Ladepumpe zugeschaltet werden.The heat accumulator according to the invention can additionally have a further tubular heat exchanger located inside, in which process water is heated and can be supplied to the taps in the building after the heating. In practice, this heat exchanger will be designed as a stainless steel corrugated tube heat exchanger, with its inlet in the heat accumulator being led directly from the top to the bottom and then helically from the bottom to the top to the outlet. This has the advantage that the cold process water can slowly heat up from bottom to top and can even make a positive contribution to the desired temperature stratification in the heat storage. If a lot of domestic water is drawn, the speed-controlled charge pump can be switched on to support the heat transfer.

Sollte die erfindungsgemäße hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe als Luft/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt werden, so wird im Winter der Verdampfer, welcher sich im Freien befindet, vereisen. Dies ist ein natürlicher Vorgang, da das Kältemittel während des Betriebes der Wärmepumpe immer wesentlich kälter als die Außenluft sein muss, um Umweltwärme aus der Luft aufnehmen zu können. Da der Verdampfer im Laufe der Zeit immer mehr Eis ansetzt, muss dieses Eis von Zeit zu Zeit wieder abgetaut werden. Dazu wird ein Vier-Wege-Ventil, welches sich im Kältemittelkreislauf befindet, so umgestellt, dass in diesem Betriebszustand des Abtauens Wärme aus dem Wärmespeicher entnommen wird und dem Verdampfer als Abtauwärme zur Verfügung steht. Ist der Verdampfer wieder eisfrei, kann das Vier-Wege-Ventil wieder auf Heizen umschalten und die Wärmeerzeugung kann fortgesetzt werden. Der Vorteil bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist, dass während des Abtauprozesses die elektronisch geregelte Ladepumpe auf 100% Leistung gestellt werden kann. Dies bewirkt, dass die Wärmetauscher im Inneren des Wärmespeichers in diesem Moment viel Wärme aufnehmen können und das stark erwärmte Kältemittel den vereisten Verdampfer sehr schnell wieder abtauen kann. Somit kann der Abtauprozess gegenüber handelsüblichen Wärmepumpen stark verkürzt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass sich das kalte Kältemittel während des Abtauprozesses im Wärmespeicher von unten nach oben erwärmt und dabei die Temperaturschichtung im Wärmespeicher nicht abgebaut oder zerstört wird, sondern sogar erhöht wird, da es besonders im unteren Teil des Wärmespeichers kühler wird.If the highly efficient high-temperature heat pump according to the invention is designed as an air / water heat pump, the evaporator, which is located outdoors, will ice up in winter. This is a natural process since the refrigerant must always be significantly colder than the outside air while the heat pump is operating in order to be able to absorb environmental heat from the air. As the evaporator builds up more and more ice over time, this ice has to be defrosted from time to time. For this purpose, a four-way valve, which is located in the refrigerant circuit, is converted so that in this operating state of defrosting, heat is removed from the heat store and is available to the evaporator as defrosting heat. If the evaporator is ice-free again, the four-way valve can switch back to heating and the heat generation can continue. The advantage of the heat pump according to the invention is that the electronically controlled charge pump can be set to 100% output during the defrosting process. This means that the heat exchangers inside the heat accumulator can absorb a lot of heat at this moment and the strongly heated refrigerant can defrost the iced-up evaporator very quickly. This means that the defrosting process can be greatly shortened compared to conventional heat pumps. Another advantage results from the fact that the cold refrigerant heats up from bottom to top during the defrosting process in the heat accumulator and the temperature stratification in the heat accumulator is not reduced or destroyed, but is even increased, since it is cooler, especially in the lower part of the heat accumulator becomes.

Am erfindungsgemäßen Wärmespeicher können eine oder mehrere Heizungsumwälzpumpen angeschlossen werden. Diese können je nach Funktion mit oder ohne Heizungsmischer ausgerüstet werden. An die Heizungsumwälzpumpen, welche in verschiedenen Höhen am Wärmespeicher angeschlossen sind, können alle denkbaren Wasserheizungssysteme wie Heizkörper, Fußbodenheizungen, Wandheizungen, Deckenheizungen, Heizgebläse usw. angeschlossen werden. Die Höhe des Anschlusses am Wärmespeicher hängt vom gewünschten Temperaturniveau des Heizsystems ab. Beispielsweise wird man ein Heizkörpersystem weiter oben und ein Fußbodenheizungssystem weiter unten an Wärmespeicher anschließen, um die gewünschte Temperatur der Temperaturschichtung anzuzapfen, welche der Vorlauftemperatur des Heizsystems entspricht.One or more heating circulation pumps can be connected to the heat accumulator according to the invention. Depending on their function, these can be equipped with or without a heating mixer. All conceivable water heating systems such as radiators, underfloor heating, wall heating, ceiling heating, heating fans, etc. can be connected to the heating circulation pumps, which are connected to the heat accumulator at different heights. The height of the connection to the heat accumulator depends on desired temperature level of the heating system. For example, one will connect a radiator system further up and a floor heating system further down to heat accumulators in order to tap the desired temperature of the temperature stratification, which corresponds to the flow temperature of the heating system.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe kann im Sommer auf Kühlen umgestellt werden. Dazu wird durch die elektronische Steuerung zunächst das bereits oben erwähnte Vier-Wege-Ventil auf Abtauen bzw. Kühlen umgestellt. Abtauen im Winter ist sowohl technisch als auch thermodynamisch die gleiche Funktion wie Kühlen im Sommer. Zusätzlich werden noch zwei Drei-Wege-Ventile so umgestellt, dass kaltes Kältemittel durch einen zusätzlichen externen Wärmetauscher fließt, wobei das kalte Kältemittel das Speichermedium in diesem Wärmetauscher abkühlt und in diesem Betriebszustand das Speichermedium zum Kühlmedium wird. In diesem Betriebszustand wird der Wärmespeicher vollständig umgangen, damit das heiße Speichermedium im Wärmespeicher nicht abkühlt und im Sommer während des Kühlvorgangs jederzeit heißes Brauchwasser zum Duschen und Baden aus dem Wärmespeicher entnommen werden kann. Der externe Wärmetauscher wird in der Regel ein Plattenwärmetauscher sein, welcher im Gegenstromprinzip angefahren wird.The heat pump according to the invention can be switched to cooling in summer. To do this, the electronic control first switches the four-way valve mentioned above to defrosting or cooling. Defrosting in winter is technically and thermodynamically the same function as cooling in summer. In addition, two three-way valves are converted so that cold refrigerant flows through an additional external heat exchanger, the cold refrigerant cooling the storage medium in this heat exchanger and in this operating state the storage medium becoming the cooling medium. In this operating state, the heat accumulator is completely bypassed, so that the hot storage medium in the heat accumulator does not cool down and hot hot water for showering and bathing can be removed from the heat accumulator at any time during the cooling process in summer. The external heat exchanger will usually be a plate heat exchanger, which is started up in the counterflow principle.

Die elektronische Steuerung ist in diesem Betriebszustand auf Brauchwasservorrang gestellt. Dies bedeutet, dass vorrangig immer der Wärmespeicher im Heizbetrieb erwärmt wird und nachrangig das Gebäude im Kühlbetrieb betrieben wird. Dadurch, dass das Gebäude selbst ein großes Speichermedium darstellt, bemerken die Bewohner die Umstellung von Heizen auf Kühlen und umgekehrt nicht. In this operating state, the electronic control is set to hot water priority. This means that the heat storage is always heated in heating mode and the building is operated in cooling mode. Because the building itself is a large storage medium, the residents do not notice the switch from heating to cooling and vice versa.

Ausführungsbeispiel:Design example:

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen und der Bezugszeichenliste näher erläutert.The invention is also explained in more detail below with regard to further features and advantages on the basis of the description of an exemplary embodiment and with reference to the attached schematic drawings and the list of reference symbols.

2a und 3 der anhängenden Zeichnungen zeigen schematisch eine hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung, welche in diesem Beispiel als Luft/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt ist, mit den entsprechenden Anordnungen der erfindungsgemäßen Bauteile. 2a and 3rd The attached drawings schematically show a highly efficient high-temperature heat pump heater according to the invention, which in this example is designed as an air / water heat pump, with the corresponding arrangements of the components according to the invention.

Das Kältemittel der erfindungsgemäßen hocheffizienten Hochtemperatur-Luft/Wasser-Wärmepumpe für Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung wird durch einen Kältemittelverdampfer (1c) unter zu Hilfenahme eines Ventilators (1f) erhitzt, durch einen drehzahlgeregelten Verdichter bzw. Kältemittelkompressor (1d) komprimiert und dabei so stark erhitzt, dass das Kältemittel im Winter über 100°C heiß werden kann. Anschließend wird das heiße Kältemittel mittels der Heißgasleitung (1e) in den Wärmespeicher (11) geleitet, um sogleich in den Primärkreis des oben angeordneten Wärmetauschers = Kondensator (4), welcher aus einem blanken Kupferrohr besteht, gepumpt zu werden. Das Kältemittel strömt als gasförmiges Heißgas in den sehr groß ausgelegten Kondensator (4) von oben hinein, durchströmt den von oben nach unten schraubenförmig angeordneten Kondensator (4), wird dabei enthitzt und sogleich verflüssigt, wobei sich das Kältemittel so stark abkühlt, dass es den Kondensator (4) als vollkommen verflüssigtes Kältemittel mit ca. 55°C wieder verlässt. Das den Kondensator (4) umgebende flüssige Speichermedium (10) hat dabei die abgegebene Kondensationswärme nahezu vollständig und nahezu verlustfrei aufgenommen. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in den unterhalb des Kondensators (4) liegenden zweiten Wärmetauscher = Unterkühler (5) gepumpt. Der zweite Wärmetauscher = Unterkühler (5) besteht in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einem blanken Kupferrohr, welches jedoch einen geringeren Durchmesser als das Kupferrohr des Kondensators (4) aufweist. Der ebenfalls sehr groß ausgelegte Unterkühler (5) kühlt das bereits verflüssigte Kältemittel weiter ab und unterkühlt es. Dabei wird die Restwärme aus der flüssigen Phase des Kältemittels entnommen. Das den Unterkühler (5) umgebende Speichermedium (10) hat dabei die abgegebene Wärme nahezu vollständig und nahezu verlustfrei aufgenommen. Jetzt wird das Kältemittel über die Kondensatleitung (1a) zum regelbaren Expansionsventil (1b) gepumpt. Da das flüssige Kältemittel bereits in einem stark unterkühlten Zustand von beispielsweise +30°C zum regelbaren Expansionsventil (1b) gelangt, kann das regelbare Expansionsventil (1b) auch im Winter relativ weit öffnen und relativ viel Kältemittel hindurchlassen. Der Vorteil der starken Unterkühlung des Kältemittels im Unterkühler (5) liegt darin, dass das Kältemittel im kalten Winter nach dem Expansionsventil (1b) bis auf -30°C oder darunter abgekühlt werden kann. Dadurch benötigt diese erfindungsgemäße hocheffiziente Hochtemperatur-Luft/Wasser-Wärmepumpe im kalten Winter keinen zusätzlichen Elektroheizstab, sondern kann monovalent betrieben werden. Nach dem Expansionsventil (1b) gelangt das kalte Kältemittel wieder in den Kältemittelverdampfer (1c), worin es erneut viel Wärme aus der Luft aufnehmen kann. Anschließend gelangt das Kältemittel wieder zum drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (1d), welcher das Kältemittel wieder stark komprimiert und dabei stark erhitzt und der kältetechnische Kreisprozess beginnt von neuem.The refrigerant of the highly efficient high-temperature air / water heat pump for building heating and domestic water heating according to the invention is removed by a refrigerant evaporator ( 1c) with the help of a fan ( 1f) heated, by a speed-controlled compressor or refrigerant compressor ( 1d) compressed and heated to such an extent that the refrigerant can reach over 100 ° C in winter. The hot refrigerant is then removed using the hot gas line ( 1e ) in the heat accumulator ( 11 ) passed to the primary circuit of the heat exchanger = condenser ( 4th ), which consists of a bare copper tube, to be pumped. The refrigerant flows as a gaseous hot gas into the very large condenser ( 4th ) from above, flows through the helically arranged condenser from top to bottom ( 4th ), is heated and liquefied immediately, whereby the refrigerant cools down so much that it condenses the condenser ( 4th ) as a completely liquefied refrigerant at approx. 55 ° C. That the capacitor ( 4th ) surrounding liquid storage medium ( 10 ) has absorbed the heat of condensation almost completely and almost without loss. The liquefied refrigerant is then in the below the condenser ( 4th ) lying second heat exchanger = subcooler ( 5 ) pumped. The second heat exchanger = subcooler ( 5 ) also consists in this embodiment of a bare copper tube, which, however, has a smaller diameter than the copper tube of the capacitor ( 4th ) having. The also very large designed subcooler ( 5 ) cools down the already liquefied refrigerant and subcools it. The residual heat is extracted from the liquid phase of the refrigerant. That the subcooler ( 5 ) surrounding storage medium ( 10 ) has absorbed the heat almost completely and almost without loss. Now the refrigerant is fed through the condensate line ( 1a ) to the adjustable expansion valve ( 1b ) pumped. Since the liquid refrigerant is already in a strongly supercooled state, e.g. + 30 ° C to the adjustable expansion valve ( 1b) the adjustable expansion valve ( 1b ) Open relatively wide even in winter and let in a lot of refrigerant. The advantage of the strong subcooling of the refrigerant in the subcooler ( 5 ) is that the refrigerant in the cold winter after the expansion valve ( 1b ) can be cooled down to -30 ° C or below. As a result, this highly efficient high-temperature air / water heat pump according to the invention does not require an additional electric heating element in the cold winter, but can be operated monovalently. After the expansion valve ( 1b ) the cold refrigerant gets back into the refrigerant evaporator ( 1c ), in which it can again absorb a lot of heat from the air. The refrigerant then returns to the speed-controlled refrigerant compressor ( 1d ), which compresses the refrigerant again strongly and heats it up a lot and the refrigeration cycle starts again.

Die Durchmesser und die Längen der schraubenförmig gewickelten blanken Kupferrohre der Wärmetauscher (4+5) richten sich nach der erforderlichen Wärmeleistung der Wärmepumpe (Modulgröße) bzw. nach der vorher berechneten Heizlast des zu beheizenden Gebäudes. The diameters and lengths of the helically wound bare copper tubes of the heat exchangers (4 + 5) depend on the required heat output of the heat pump (module size) or on the previously calculated heating load of the building to be heated.

Das Speichermedium (10) im Wärmespeicher (11) ist in diesem Ausführungsbeispiel enthärtetes Heizungswasser, welchem zusätzlich ein spezielles Korrosionsschutzmittel und ein spezielles Schmiermittel für die Pumpenschmierung zugesetzt wurde.The storage medium ( 10 ) in the heat storage ( 11 ) is softened heating water in this embodiment, to which a special anti-corrosion agent and a special lubricant for pump lubrication have been added.

Außerhalb des Wärmespeichers (11) befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel von 3 nur eine hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13), welche durch das Ansaugrohr (12) das Heizungswasser (10) aus dem Wärmespeicher (11) ansaugt und über das Verteilrohr (14) zu den Strömungsrohren (15) befördern. An dem Verteilrohr (14), welches sich außerhalb des Wärmespeichers (11) befindet, sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht vier sondern sechs Strömungsrohre (15) so angeordnet, dass sich möglichst gleichmäßige Volumenströme durch die Strömungsrohre (15) einstellen, wobei die Strömungsrohre (15) so geformt oder gebogen sind, dass die Einströmungsrichtung tangential zum innen liegenden Wärmetauscher (5) gerichtet ist, um möglichst den Wärmetauscher (5) direkt anzuströmen und dabei partiell eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche des schraubenförmig angeordneten Wärmetausches (5) zu erreichen.Outside the heat storage ( 11 ) is in this embodiment of 3rd only a highly efficient speed-controlled charge pump ( 13 ), which through the intake pipe ( 12th ) the heating water ( 10 ) from the heat storage ( 11 ) sucks in and over the distribution pipe ( 14 ) to the flow pipes ( 15 ) convey. On the distribution pipe ( 14 ), which is outside the heat storage ( 11 ) is not four but six flow tubes in this embodiment ( 15 ) arranged so that volume flows through the flow tubes are as uniform as possible ( 15 ) adjust, whereby the flow tubes ( 15 ) are shaped or bent so that the direction of inflow is tangential to the internal heat exchanger ( 5 ) is directed to the heat exchanger ( 5 ) to flow directly and in doing so partially as high a flow rate as possible on the surface of the helically arranged heat exchange ( 5 ) to reach.

Am jeweiligen Auslass der Strömungsrohre (15), entstehen turbulente Strömungen, welche an dieser Stelle gewollt sind. Die Einströmung des Heizungswassers (10) am Ende der Strömungsrohre (15) führt beim tangentialen Auftreffen auf den Wärmetauscher (5) zu einer stark erhöhten Wärmeübertragung vom wärmeren Kältemittel im Wärmetauscher (5), hin zum kühleren Heizungswasser (10). Nachdem das tangential eingeströmte Heizungswasser (10) an dem Wärmetauscher (5) vorbeigeströmt ist, kommt es automatisch zu einer zylindrischen Kreisbewegung des Speichermediums (10) um den Wärmetauscher (5) herum. Die Drehrichtung wird durch die Anordnung der Strömungsrohre (15) vorgegeben. Die Strömungsrichtung wurde in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2a gegen den Uhrzeigersinn gewählt. Es ergeben sich durch diese Zwangsdrehung automatisch übereinander bzw. untereinander drehende Schichten mit gleicher Temperatur (Isothermen). Der Erfinder nennt diesen Effekt „Coriolis-Effekt“, ähnlich der entstehenden Strömungswirbel von Hoch- und Tiefdruckgebieten auf der Erde.At the respective outlet of the flow tubes ( 15 ), turbulent flows arise, which are wanted at this point. The inflow of the heating water ( 10 ) at the end of the flow tubes ( 15 ) leads to the heat exchanger when it hits tangentially ( 5 ) to a greatly increased heat transfer from the warmer refrigerant in the heat exchanger ( 5 ), to the cooler heating water ( 10 ). After the heating water has flowed in tangentially ( 10 ) on the heat exchanger ( 5 ) has flowed past, there is automatically a cylindrical circular movement of the storage medium ( 10 ) around the heat exchanger ( 5 ) around. The direction of rotation is determined by the arrangement of the flow tubes ( 15 ) specified. The direction of flow was in accordance with this exemplary embodiment 2a selected anti-clockwise. This forced rotation automatically results in layers rotating at the same temperature (isotherms). The inventor calls this effect the "Coriolis effect", similar to the resulting eddies of high and low pressure areas on earth.

In 2b erkennt man, dass hier die Strömungsrichtung im Uhrzeigersinn gewählt wurde. Physikalisch macht die Drehrichtung prinzipiell keinen Unterschied. Wichtig ist aber, dass das Kältemittel, welches in den Wärmetauschern (4+5) im Wärmespeicher (11) schraubenförmig von oben nach unten fließt, immer in Gegenstromrichtung zur gewählten Strömungsrichtung (16) des Heizungswassers (10) fließt. Das Gegenstromprinzip erhöht den Wirkungsgrad der Wärmetauscher (4+5).In 2 B you can see that the flow direction has been selected clockwise. In principle, the direction of rotation makes no physical difference. However, it is important that the refrigerant in the heat exchangers ( 4th +5) in the heat storage ( 11 ) flows helically from top to bottom, always in the counterflow direction to the selected flow direction ( 16 ) of the heating water ( 10 ) flows. The counterflow principle increases the efficiency of the heat exchangers (4 + 5).

Da die entstehende zylindrische Kreisbewegung (16) innerhalb der horizontalen Schichten im Wärmespeicher (11) durch die drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) permanent angetrieben wird, kommt es zu einer kontinuierlichen und größtenteils laminaren, linksdrehenden, zylindrischen Kreisbewegung des Heizungswassers (10) im gesamten Wärmespeicher (11), wobei die verschiedenen Schichten durchaus etwas unterschiedliche Geschwindigkeiten haben können. Im unteren Teil des Wärmespeichers (11) ist die Kreisbewegung logischerweise schneller, während sie im oberen Teil des Wärmespeichers (11) immer langsamer wird. Das ist erfindungsgemäß so gewollt, damit sich eine besonders hohe Temperaturspreizung im Wärmespeicher (11) einstellen kann.Since the resulting cylindrical circular movement ( 16 ) within the horizontal layers in the heat accumulator ( 11 ) by the speed-controlled charge pump ( 13 ) is permanently driven, there is a continuous and largely laminar, left-turning, cylindrical circular movement of the heating water ( 10 ) in the entire heat storage ( 11 ), whereby the different layers can have somewhat different speeds. In the lower part of the heat storage ( 11 ) the circular movement is logically faster, while it is in the upper part of the heat storage ( 11 ) is getting slower. According to the invention, this is so intended that a particularly high temperature spread in the heat store ( 11 ) can adjust.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat dadurch mehrere Vorteile gleichzeitig:

  1. 1. Es entsteht ein permanenter aktiver Wärmeübergang zwischen den Wärmetauschern (4+5) und dem Heizungswasser (10).
  2. 2. Eine Temperaturschichtung im Wärmespeicher (11), oben heiß, in der Mitte warm und unten kühl bleibt trotz der permanenten zylindrischen Kreisbewegung (16) erhalten, da das Heizungswasser in unterschiedlichen Höhen unterschiedliche Dichten aufweist.
  3. 3. Durch die drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) lässt sich die zylindrische Kreisbewegung (16) stufenlos beschleunigen oder verlangsamen. Ist die Wärmeübertragung am Wärmetauscher (5) beispielsweise zu gering, wird die drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) beschleunigt. Dadurch steigt sowohl die Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungsrohren (15), als auch die Austrittsgeschwindigkeit am Ende der Strömungsrohre (15) stark an. Durch die starke Strömung wird dem Wärmetauscher (5) mehr Wärme entzogen und die Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Heizungswasser (10) verbessert sich sofort. Ist die Wärmeübertragung anschließend wieder ausreichend, kann die Ladepumpe (13) wieder etwas verlangsamt werden, damit die heiß=oben, warm=Mitte und kühl=unten Schichtung im Wärmespeicher (11) nicht abgebaut wird. Wird beispielsweise das Speichermedium (10) im oberen Bereich des Wärmespeichers (11) mit über 60°C zu heiß und es besteht die Gefahr, dass bei über 60°C vermehrt Kalk im Inneren des Wärmetauschers zur Warmwasserbereitung (20) angelagert wird, kann die drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) beschleunigt oder sogar auf die maximale Drehzahl gebracht werden. Die hohe Drehzahl führt dann zu einem maximalen Volumenstrom an den Strömungsrohren (15), zu einer maximalen zylindrischen Kreisbewegung (16) im Wärmespeicher (11), zu einer in dieser Situation gewollten kurzfristigen Vermischung der horizontalen Schichten und somit zu einer Verminderung der ungewollt hohen Temperatur im obersten Bereich des Wärmespeichers (11).
  4. 4. Mit Hilfe von mehreren an der Außenwand des Wärmespeichers (11) angeordneten Temperaturfühlern (7a bis 7e) und mit Hilfe einer elektronischen Steuerung (3), kann permanent die momentane Temperaturverteilung des Speichermediums (10) oben heiß, in der Mitte warm und unten kühl ermittelt und ausgewertet werden und die Drehzahl der drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) entsprechend des Betriebszustandes bzw. des Ladezustands des Wärmespeichers (11) bedarfsgerecht verändert werden.
  5. 5. Durch die elektronische Steuerung (3) kann auch die Drehzahl des Verdichters (1d) gezielt verändert werden. Ist beispielsweise die Wärmeerzeugung an den Wärmetauschern (4+5) zu hoch, kann die Drehzahl des Verdichters (1d) vermindert werden. Ist beispielsweise die Wärmeerzeugung an den Wärmetauschern (4+5) zu niedrig, kann die Drehzahl des Verdichters (1d) erhöht werden. Ist beispielsweise die Temperatur im obersten Bereich des Wärmespeichers (11) zu hoch, kann die Drehzahl des Verdichters (1d) vermindert werden.
  6. 6. Durch die gezielte Beeinflussung sowohl der Drehzahl der drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) als auch die gezielte Beeinflussung der Drehzahl des Verdichters (1d), kann der Ladezustand des Wärmespeichers (11) bzw. die Temperaturschichtung des Heizungswassers (10) präzise eingestellt werden. Ist beispielsweise eine Temperaturschichtung von oben 55°C, Mitte 45°C und unten 35°C erwünscht, kann durch dieses Regelsystem mit Hilfe der elektronischen Steuerung (3) dieses Temperaturniveau nicht nur erreicht, sondern auch gehalten werden. Die elektronische Steuerung (3) hat zu diesem Zweck mehrere PID Regler integriert, welche proportional, integral und differential regeln können. Eine entsprechend programmierte Software entscheidet je nach Betriebszustand des Heizungswassers (10), welche regeltechnische Maßnahme in der jeweiligen Situation benötigt wird.
  7. 7. Es wird in der Praxis versucht, möglichst häufig einen idealen Betriebszustand zu erreichen. Dieser ideale Betriebszustand besteht darin, mit möglichst wenig elektrischer Antriebsleistung des Verdichters (1d) möglichst gut die gewünschte Temperaturschichtung im Wärmespeicher (11), gemessen an den Temperaturfühlern (7a bis 7e), zu erreichen und beizubehalten. Während dieses Betriebszustandes hat die erfindungsgemäße Wärmepumpe im Gegensatz zu handelsüblichen Wärmepumpen Arbeitszahlen zwischen 5 und 9. Dies bedeutet, dass beispielsweise mit einem Kilowatt elektrischer Leistung, zwischen 5 und 9 Kilowatt Wärmeleistung erzeugt werden können.
The arrangement according to the invention thus has several advantages at the same time:
  1. 1. There is a permanent active heat transfer between the heat exchangers (4th +5) and the heating water ( 10 ).
  2. 2. A temperature stratification in the heat storage ( 11 ), hot at the top, warm in the middle and cool at the bottom despite the permanent cylindrical circular movement ( 16 ) because the heating water has different densities at different heights.
  3. 3. Through the speed-controlled charge pump ( 13 ) the cylindrical circular movement ( 16 ) accelerate or slow down continuously. Is the heat transfer at the heat exchanger ( 5 ) too low, for example, the speed-controlled charge pump ( 13 ) accelerated. This increases both the flow velocity in the flow tubes ( 15 ), as well as the exit velocity at the end of the flow tubes ( 15 ) strongly. Due to the strong flow, the heat exchanger ( 5 ) more heat is removed and the heat transfer from the refrigerant to the heating water ( 10 ) improves immediately. If the heat transfer is then sufficient again, the charge pump ( 13 ) are slowed down a bit so that the hot = top, warm = middle and cool = bottom stratification in the heat accumulator ( 11 ) is not broken down. For example, if the storage medium ( 10 ) in the upper area of the heat accumulator ( 11 ) too hot with over 60 ° C and it there is a risk that at more than 60 ° C there will be more lime inside the heat exchanger for hot water preparation ( 20 ) is attached, the speed-controlled charge pump ( 13 ) accelerated or even brought to the maximum speed. The high speed then leads to a maximum volume flow at the flow tubes ( 15 ), to a maximum cylindrical circular movement ( 16 ) in the heat storage ( 11 ), for a short-term mixing of the horizontal layers in this situation and thus for a reduction in the undesirably high temperature in the top area of the heat accumulator ( 11 ).
  4. 4. With the help of several on the outer wall of the heat accumulator ( 11 ) arranged temperature sensors ( 7a to 7e) and with the help of an electronic control ( 3rd ), the current temperature distribution of the storage medium ( 10 ) hot at the top, warm in the middle and cool at the bottom and evaluated and the speed of the speed-controlled charge pump ( 13 ) according to the operating state or the state of charge of the heat accumulator ( 11 ) are changed as required.
  5. 5. Through the electronic control ( 3rd ) the speed of the compressor ( 1d ) be changed in a targeted manner. For example, is the heat generation on the heat exchangers ( 4th +5) too high, the speed of the compressor ( 1d ) can be reduced. If, for example, the heat generation at the heat exchangers (4 + 5) is too low, the speed of the compressor ( 1d ) increase. For example, if the temperature in the top area of the heat storage ( 11 ) too high, the speed of the compressor ( 1d ) can be reduced.
  6. 6. By deliberately influencing both the speed of the speed-controlled charge pump ( 13 ) as well as the targeted influencing of the speed of the compressor ( 1d ), the state of charge of the heat accumulator ( 11 ) or the temperature stratification of the heating water ( 10 ) can be set precisely. If, for example, a temperature stratification from above 55 ° C, middle 45 ° C and below 35 ° C is desired, this control system with the help of the electronic control ( 3rd ) this temperature level is not only reached, but also maintained. The electronic control ( 3rd ) has integrated several PID controllers for this purpose, which can control proportional, integral and differential. Appropriately programmed software decides depending on the operating state of the heating water ( 10 ) which control measures are required in the respective situation.
  7. 7. In practice, attempts are made to achieve an ideal operating state as often as possible. This ideal operating state consists of using as little electrical drive power as possible for the compressor ( 1d ) the desired temperature stratification in the heat storage ( 11 ), measured on the temperature sensors ( 7a to 7e) to achieve and maintain. In contrast to commercially available heat pumps, the heat pump according to the invention has working numbers between 5 and 9 during this operating state. This means that, for example, with one kilowatt of electrical power, between 5 and 9 kilowatts of heat power can be generated.

In 3 erkennt man einen weiteren innen liegenden rohrförmigen Wärmetauscher (20), in welchem kaltes Brauchwasser erwärmt wird. Dieser Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung (20) wird in der Regel als Edelstahl-Wellrohr ausgeführt, wobei dieses zunächst im Wärmespeicher (11) durch das Rohr (22) von ganz oben nach ganz unten geführt wird und dann schraubenförmig wieder nach ganz oben geführt wird. Das hat den Vorteil, dass sich das kalte Brauchwasser von unten nach oben erwärmt und durch seine Abkühlung, welche von unten nach oben verläuft, zur Temperaturschichtung im Wärmespeicher (11) positiv beiträgt. Das erwärmte Brauchwasser verlässt den Wärmespeicher (11) durch das Rohr (21) und gelangt anschließend zu den jeweiligen Warmwasser Zapfstellen im Gebäude. Dieser Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung (20) ist mit circa 25 Metern Länge relativ lang, so dass das erwärmte Brauchwasser den Wärmespeicher (11) am Rohr (21) mit nahezu der gleichen Temperatur verlässt, welche am Temperaturfühler (7a) gemessen werden kann. Da der Wärmespeicher (11) mit beispielsweise 500 Liter oder 800 Liter Inhalt relativ groß ausgelegt ist, kann durch den Wärmetauscher (20) eine relativ große Menge Brauchwasser erzeugt werden, bis das Heizungswasser (10) im Wärmespeicher (11) soweit abgekühlt oder erschöpft ist, dass die Wärmepumpe wieder einschalten muss, um wieder heißes Heizungswasser (10) zu erzeugen und im Wärmespeicher (11) einzuschichten. Wird sehr viel heißes Brauchwasser in kurzer Zeit benötigt, kann zusätzlich die drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) kurzfristig eingeschaltet und mit voller Drehzahl betrieben werden, damit die Wärmeübertragung zwischen dem Heizungswasser (10) und dem Brauchwasser im Wärmetauscher (20) nochmals erhöht werden kann.In 3rd you can see another inside tubular heat exchanger ( 20 ), in which cold water is heated. This heat exchanger for domestic water heating ( 20 ) is usually designed as a corrugated stainless steel tube, which is initially stored in the heat store ( 11 ) through the pipe ( 22 ) is led from the top to the bottom and then screwed back up to the top. This has the advantage that the cold process water heats up from the bottom up and through its cooling, which runs from the bottom up, to the temperature stratification in the heat storage ( 11 ) contributes positively. The heated domestic water leaves the heat storage ( 11 ) through the pipe ( 21st ) and then arrives at the respective hot water taps in the building. This heat exchanger for domestic water heating ( 20 ) is relatively long with a length of around 25 meters, so that the heated process water is used to store the heat ( 11 ) on the pipe ( 21st ) leaves at almost the same temperature as the temperature sensor ( 7a ) can be measured. Since the heat storage ( 11 ) with a capacity of 500 liters or 800 liters, for example, can be made relatively large by using the heat exchanger ( 20 ) a relatively large amount of hot water is generated until the heating water ( 10 ) in the heat storage ( 11 ) has cooled down or is exhausted so that the heat pump has to switch on again in order to 10 ) to generate and in the heat storage ( 11 ) to layer. If a lot of hot water is needed in a short time, the speed-controlled charge pump ( 13 ) switched on for a short time and operated at full speed so that the heat transfer between the heating water ( 10 ) and the process water in the heat exchanger ( 20 ) can be increased again.

In 3 erkennt man eine am Wärmespeicher (11) rechts oben angeordnete Heizungsumwälzpumpe für Heizkörper (25). Diese versorgt verschiedene Heizkörper, welche sich in den Räumen des zu beheizenden Gebäudes befinden. Die Heizungsumwälzpumpe (25) verfügt in der Regel zusätzlich über einen nicht dargestellten Heizungsmischer. Durch diesen kann die gewünschte Vorlauftemperatur zu den Heizkörpern eingestellt werden.
Im Mittleren rechten Bereich des Wärmespeichers (11) erkennt man eine Heizungsumwälzpumpe für Fußbodenheizung (27). Diese versorgt verschiedene Zonen einer Fußbodenheizung, welche sich in den Räumen des zu beheizenden Gebäudes befinden. Die Heizungsumwälzpumpe (27) verfügt in der Regel zusätzlich über einen nicht dargestellten Heizungsmischer. Durch diesen kann die gewünschte Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung eingestellt werden. Die gewünschten Vorlauftemperaturen werden an der elektronischen Steuerung (3) mittels einer Heizkurve, z. B. 1,0 für Heizkörper und z. B. 0,5 für Fußbodenheizungen eingestellt. Dazu wird die Außentemperatur am Temperaturfühler (7f) gemessen und entsprechend der eingestellten Heizkurve die gewünschte Vorlauftemperatur von der elektronischen Steuerung (3) berechnet.
In 3rd you can recognize one by the heat storage ( 11 ) Heating circulating pump for radiators (top right) ( 25th ). This supplies various radiators, which are located in the rooms of the building to be heated. The heating circulation pump ( 25th ) usually also has a heating mixer, not shown. This can be used to set the desired flow temperature to the radiators.
In the middle right area of the heat accumulator ( 11 ) you can see a heating circulation pump for underfloor heating ( 27 ). This supplies various zones of underfloor heating, which are located in the rooms of the building to be heated. The heating circulation pump ( 27 ) usually also has a heating mixer, not shown. This can be used to set the desired underfloor heating flow temperature. The desired flow temperatures are shown on the electronic control ( 3rd ) by means of a heating curve, e.g. B. 1.0 for radiators and z. B. 0.5 set for floor heating. For this purpose, the outside temperature at the temperature sensor ( 7f ) and the desired flow temperature is measured by the electronic control according to the set heating curve ( 3rd ) calculated.

Da die erfindungsgemäße hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe in diesem Ausführungsbeispiel als Luft/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt ist, wird im Winter der Verdampfer (1c), welcher sich im Freien außerhalb des Gebäudes befindet, vereisen. Dies ist ein natürlicher Vorgang, da das Kältemittel im Verdampfer (1c) während des Betriebes der Wärmepumpe immer wesentlich kälter als die Außenluft ist, um Umweltwärme aus der Luft aufnehmen zu können. Da der Verdampfer (1c) im Laufe des Betriebes immer mehr Eis ansetzen wird, muss dieses Eis von Zeit zu Zeit wieder abgetaut werden. Dazu wird ein Vier-Wege-Ventil, welches sich im Kältemittelkreislauf des Außengerätes befindet und hier nicht explizit dargestellt ist, so umgestellt, dass in diesem Betriebszustand des Abtauens, Wärme aus dem Wärmespeicher (11) entnommen wird und dem Verdampfer (1c) als Abtauwärme zur Verfügung steht. Ist der Verdampfer (1c) wieder eisfrei, kann das Vier-Wege-Ventil wieder auf Heizen umschalten und die Wärmeerzeugung kann fortgesetzt werden. Der Vorteil bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist, dass während des Abtauprozesses die elektronisch geregelte Ladepumpe (13) auf 100% Leistung gestellt werden kann. Dies bewirkt, dass die Wärmetauscher (4+5) im inneren des Wärmespeichers in diesem Moment viel Wärme aus dem Heizungswasser (10) aufnehmen können und das dadurch stark erwärmte Kältemittel den vereisten Verdampfer (1c) sehr schnell wieder abtauen kann. Somit kann der Abtauprozess gegenüber handelsüblichen Wärmepumpen stark verkürzt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass sich das kalte Kältemittel während des Abtauprozesses im Wärmespeicher (11) bzw. in den Wärmetauschern (5+4) von unten nach oben erwärmt und dabei die Temperaturschichtung im Wärmespeicher (11) nicht abgebaut oder zerstört wird, sondern sogar erhöht wird, da es besonders im unteren Teil des Wärmespeichers (11) kühler wird.Since the highly efficient high-temperature heat pump according to the invention is designed as an air / water heat pump in this exemplary embodiment, the evaporator ( 1c ), which is outdoors outside the building. This is a natural process because the refrigerant in the evaporator ( 1c ) is always significantly colder than the outside air during operation of the heat pump in order to be able to absorb environmental heat from the air. Since the evaporator ( 1c ) if more and more ice accumulates in the course of operation, this ice must be defrosted from time to time. For this purpose, a four-way valve, which is located in the refrigerant circuit of the outdoor unit and is not explicitly shown here, is converted so that in this defrost operating state, heat from the heat accumulator ( 11 ) is removed and the evaporator ( 1c ) is available as defrost heat. Is the evaporator ( 1c ) again ice-free, the four-way valve can switch back to heating and the heat generation can continue. The advantage of the heat pump according to the invention is that during the defrosting process, the electronically controlled charge pump ( 13 ) can be set to 100% performance. This causes the heat exchangers (4 + 5) inside the heat accumulator to generate a lot of heat from the heating water ( 10 ) and the strongly heated refrigerant can freeze the iced-up evaporator ( 1c) can defrost very quickly. This means that the defrosting process can be greatly shortened compared to conventional heat pumps. Another advantage arises from the fact that the cold refrigerant is stored in the heat accumulator during the defrosting process ( 11 ) or in the heat exchangers (5 + 4) heated from bottom to top and the temperature stratification in the heat accumulator ( 11 ) is not broken down or destroyed, but is even increased, as it is particularly in the lower part of the heat store ( 11 ) becomes cooler.

In 4 erkennt man das Drei-Wege-Ventil (1h), das Drei-Wege-Ventil (1g) und den außerhalb des Wärmespeichers (11) befindlichen Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher (1i). Soll die Wärmepumpe im Sommer auf Kühlen umgestellt werden, schaltet die elektronische Steuerung (3) zunächst ein nicht abgebildetes 4-Wege-Ventil, welches sich im Außengerät der Luft/Wasser-Wärmepumpe befindet auf Kühlen um. Dadurch läuft das Kältemittel in der Gegenrichtung durch die Wärmepumpe. Gleichzeitig werden durch die elektronische Steuerung (3) die Ventile (1h) und (1g) so umgestellt, dass das Kältemittel jetzt nicht mehr durch die Wärmetauscher (4) und (5) fließt, sondern durch den externen Wärmetauscher (1i) strömt, welcher in diesem Betriebszustand durch das ankommende kalte Kältemittel primärseitig gekühlt wird (siehe Strömungspfeile). Auf der Sekundärseite wird der Wärmetauscher (1i) von Heizungswasser durchflossen, welches durch das kalte Kältemittel abgekühlt wird und anschließend zu Kühlzwecken beispielsweise durch eine Fußbodenheizung, Wandheizung, Deckenheizung oder durch ein Kühlgebläse gepumpt wird. Dazu benötigt man sekundärseitig eine zusätzliche nicht abgebildete Heizungsumwälzpumpe. Das abgekühlte Heizungswasser nimmt in den Räumen des Gebäudes Wärme auf und befördert es zum Wärmetauscher (1i), wo die aufgenommene Wärme an das kalte Kältemittel wieder abgegeben wird. Somit ist der Kühlkreislauf wieder geschlossen.In 4th you can see the three-way valve ( 1h ), the three-way valve ( 1g ) and the outside of the heat storage ( 11 ) located refrigerant-water heat exchanger ( 1i ). If the heat pump is to be switched to cooling in summer, the electronic control switches ( 3rd ) First a 4-way valve, not shown, which is located in the outdoor unit of the air / water heat pump for cooling. As a result, the refrigerant runs through the heat pump in the opposite direction. At the same time, the electronic control ( 3rd ) the valves ( 1h) and ( 1g ) so that the refrigerant no longer passes through the heat exchanger ( 4th ) and ( 5 ) flows, but through the external heat exchanger ( 1i) flows, which is cooled in this operating state by the incoming cold refrigerant on the primary side (see flow arrows). On the secondary side, the heat exchanger ( 1i) flowed through heating water, which is cooled by the cold refrigerant and then pumped for cooling purposes, for example by underfloor heating, wall heating, ceiling heating or by a cooling fan. This requires an additional heating circulation pump, not shown, on the secondary side. The cooled heating water absorbs heat in the rooms of the building and conveys it to the heat exchanger ( 1i) where the absorbed heat is released to the cold refrigerant. The cooling circuit is thus closed again.

BezugszeichenlisteReference list

1a1a
KondensatleitungCondensate line
1b1b
ExpansionsventilExpansion valve
1c1c
VerdampferEvaporator
1d1d
Verdichter = KältemittelkompressorCompressor = refrigerant compressor
1e1e
HeißgasleitungHot gas pipe
1f1f
Ventilatorfan
1g1g
Drei-Wege-VentilThree-way valve
1h1h
Drei-Wege-VentilThree-way valve
1i1i
Kältemittel-Wasser-WärmetauscherRefrigerant-water heat exchanger
33rd
Elektronische SteuerungElectronic control
44th
Erster Wärmetauscher = KondensatorFirst heat exchanger = condenser
55
Zweiter Wärmetauscher = UnterkühlerSecond heat exchanger = subcooler
7a bis 7e7a to 7e
TemperaturfühlerTemperature sensor
1010th
SpeichermediumStorage medium
1111
WärmespeicherHeat storage
1212th
AnsaugrohrIntake pipe
1313
elektronisch geregelte Ladepumpeelectronically controlled charge pump
1414
VerteilrohrManifold
1515
StrömungsrohreFlow pipes
1616
zylindrische Kreisbewegung (in Pfeilrichtung)cylindrical circular movement (in the direction of the arrow)
2020
Wärmetauscher zur WarmwasserbereitungHeat exchanger for water heating
2121
Ausgang WarmwasserHot water output
2222
Eingang KaltwasserCold water entrance
2525th
Heizungsumwälzpumpe für HeizkörperHeating circulation pump for radiators
2727
Heizungsumwälzpumpe für FußbodenheizungHeating circulation pump for underfloor heating

Claims (8)

Die erfindungsgemäße hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe verfügt über ein Expansionsventil (1b), einen Verdampfer (1c), einen Verdichter (1d), mindestens einen rohrförmigen Kondensator (4) und mindestens einen rohrförmigen Unterkühler (5), wobei alle diese Bauteile von Kältemittel durchflossen werden und wobei a) der vorgeschaltete rohrförmige Kondensator (4) über dem nachgeschalteten rohrförmigen Unterkühler (5) angeordnet ist und beide Wärmetauscher (4+5) schraubenförmig innerhalb des Wärmespeichers (11) in zylindrischer Form so befestigt sind, dass sie von einem flüssigen Speichermedium (10) vollständig umflossen werden können, b) wobei eine oder mehrere drehzahlgeregelte Ladepumpen (13), welche sich im Äußeren des Wärmespeichers (11) befinden, das Speichermedium (10) über die Ansaugrohre (12) ansaugen und über die Verteilrohre (14) und die Strömungsrohre (15) wieder in den Wärmespeicher (11) hinein strömen lassen, c) wobei das Speichermedium (10) von den Strömungsrohren (15) tangential direkt zu den rohrförmigen Wärmetauschern (4+5) gelenkt wird, d) wobei an der Oberfläche der Wärmetauscher (4+5) turbulente Strömungen entstehen, welche den Wärmeübergang von den heißeren Wärmetauschern (4+5) zum kühleren Speichermedium (10) stark verbessern, e) wobei sich nach der tangentialen Einströmung eine zylindrische Kreisbewegung (16) des Speichermediums (10) innerhalb des Wärmespeichers (11) einstellt, f) wobei sich darüber hinaus im gesamten Wärmespeicher (11), bedingt durch die gerichtete Einströmung des Speichermediums (10), unterschiedliche Wärmeschichten des Speichermediums (10) bilden, welche sowohl unterschiedlich schnelle Kreisbewegungen vollziehen, als auch unterschiedliche Temperaturen aufweisen, g) wobei die drehzahlgeregelten Ladepumpen (13) durch eine elektronische Steuerung (3) in ihrer Drehzahl so angesteuert werden können, dass sowohl die Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungsrohren (15), die Ausströmungsgeschwindigkeit am Ende der Strömungsrohre (15) und somit die geschichteten zylindrischen Kreisbewegungen (16) beschleunigt oder verlangsamt werden können, h) wobei durch die Temperaturfühler (7a) bis (7e), welche von oben nach unten am Wärmespeicher (11) befestigt sind, die Temperaturschichtung von oben nach unten im Wärmespeicher (11) permanent gemessen werden kann und die elektronische Steuerung (3) mittels mehrerer PID Reglern und einer für diesen Zweck programmierten Software entscheiden kann, i) ob zum Zweck der optimalen Wärmeübertragung zwischen den Wärmetauschern (4+5) und dem Speichermedium (10), die drehzahlgeregelten Ladepumpen (13) schneller oder langsamer laufen sollen, j) ob zum Zweck der Maximierung der Arbeitszahl der Wärmepumpe, der Verdichter (1d) langsamer laufen kann, k) ob zur Begrenzung der Temperatur im oberen Bereich des Wärmespeichers (11), die drehzahlgeregelten Ladepumpen (13) schneller und gleichzeitig der Verdichter (1d) langsamer laufen kann, I) ob nach Erreichen einer einstellbaren Abschalttemperatur im Wärmespeicher (11) die Wärmepumpe gestoppt werden soll, m) ob nach einer Abkühlungsphase des Wärmespeichers (11) und nach Unterschreiten einer einstellbaren Einschalttemperatur die Wärmepumpe wieder gestartet werden soll, n) ob entsprechend der Außentemperatur, welche außerhalb des zu beheizenden Gebäudes durch einen weiteren Temperaturfühler (7f) gemessen wird, der Verdichter (1d) je nach Jahreszeit und aktueller Außentemperatur im Sommerhalbjahr langsamer und im Winterhalbjahr schneller laufen soll. The highly efficient high-temperature heat pump according to the invention has an expansion valve (1b), an evaporator (1c), a compressor (1d), at least one tubular condenser (4) and at least one tubular subcooler (5), with all of these components having refrigerant flowing through them and where a) the upstream tubular condenser (4) is arranged above the downstream tubular subcooler (5) and both heat exchangers (4 + 5) are attached helically within the heat accumulator (11) in a cylindrical shape so that they are separated from a liquid storage medium (10) can be completely flowed around b) wherein one or more speed-controlled charge pumps (13), which are located in the exterior of the heat accumulator (11), suck in the storage medium (10) via the intake pipes (12) and in via the distribution pipes (14) and the flow pipes (15) let the heat accumulator (11) flow in, c) the storage medium (10) being directed tangentially directly from the flow tubes (15) to the tubular heat exchangers (4 + 5), d) where turbulent flows arise on the surface of the heat exchangers (4 + 5), which greatly improve the heat transfer from the hotter heat exchangers (4 + 5) to the cooler storage medium (10), e) a cylindrical circular movement (16) of the storage medium (10) occurring within the heat store (11) after the tangential inflow, f) in addition, due to the directional inflow of the storage medium (10), different heat layers of the storage medium (10) form in the entire heat store (11), which both perform circular movements at different speeds and have different temperatures, g) wherein the speed-controlled charge pumps (13) can be controlled in their speed by an electronic control (3) so that both the flow velocity in the flow tubes (15), the outflow velocity at the end of the flow tubes (15) and thus the layered cylindrical circular movements (16) can be accelerated or slowed down, h) whereby by the temperature sensors (7a) to (7e), which are attached from top to bottom of the heat accumulator (11), the temperature stratification from top to bottom in the heat accumulator (11) can be measured continuously and by means of the electronic control (3) several PID controllers and software programmed for this purpose, i) whether for the purpose of optimal heat transfer between the heat exchangers (4 + 5) and the storage medium (10), the speed-controlled charge pumps (13) should run faster or slower, j) whether the compressor (1d) can run slower for the purpose of maximizing the heat pump's performance, k) whether to limit the temperature in the upper region of the heat accumulator (11), the speed-controlled charge pumps (13) can run faster and at the same time the compressor (1d) can run slower, I) whether the heat pump should be stopped after reaching an adjustable shutdown temperature in the heat accumulator (11), m) whether the heat pump should be started again after a cooling phase of the heat accumulator (11) and after falling below an adjustable switch-on temperature, n) depending on the outside temperature, which is measured outside the building to be heated by a further temperature sensor (7f), the compressor (1d) should run slower in the summer and in the winter depending on the season and the current outside temperature. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrohre (15) sowohl von oben gesehen nach rechts gebogen werden können und sich somit eine zylindrische Kreisbewegung (16) gegen den Uhrzeigersinn ergibt, als auch von oben gesehen nach links gebogen werden können und sich somit eine zylindrische Kreisbewegung (16) im Uhrzeigersinn ergibt.Heat pump after Claim 1 , characterized in that the flow tubes (15) can both be bent to the right as seen from above and thus result in a cylindrical circular movement (16) counterclockwise, and can also be bent to the left as seen from above and thus result in a cylindrical circular movement ( 16) clockwise. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) mit einem Ansaugrohr (12), einem Verteilrohr (14) und beliebig vielen Strömungsrohren (15) zur Anwendung kommen. Heat pump after Claim 1 , characterized in that only a speed-controlled charge pump (13) with an intake pipe (12), a distribution pipe (14) and any number of flow pipes (15) are used. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verteilrohren (14) eine geradzahlige Anzahl von Strömungsrohren (15) zur Anwendung kommt.Heat pump after Claim 1 , characterized in that an even number of flow tubes (15) is used on the distribution tubes (14). Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (10) mittig in die Verteilrohre (14) eingeleitet wird, so dass sich die gleiche Anzahl von Strömungsrohren (15) oberhalb und die gleiche Anzahl von Strömungsrohren (15) unterhalb der Ladepumpe (13) befinden und somit sowohl die Anordnung als auch die Einströmung symmetrisch ist.Heat pump after Claim 1 , characterized in that the storage medium (10) is introduced centrally into the distribution pipes (14), so that the same number of flow pipes (15) are above and the same number of flow pipes (15) below the charging pump (13) and thus both the arrangement and the inflow is symmetrical. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Wärmespeichers (11) eine Heizungsumwälzpumpe (25) für Heizkörper und / oder eine Heizungsumwälzpumpe (27) für Fußbodenheizung mit einem Rücklaufrohr (26) zur Anwendung kommen.Heat pump after Claim 1 , characterized in that outside the heat accumulator (11) a heating circulation pump (25) for radiators and / or a heating circulation pump (27) for underfloor heating with a return pipe (26) are used. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Wärmespeichers (11) ein zusätzlicher rohrförmiger Wärmetauscher (20) mit einem Eingang für Kaltwasser (22) und einem Ausgang für Warmwasser (21) eingebaut ist und mit Hilfe der Wärmetauscher (4+5) und dem stark erwärmten Speichermedium (10) heißes Brauchwasser erzeugt und für die Bewohner des Gebäudes bereit gestellt werden kann.Heat pump after Claim 1 , characterized in that an additional tubular heat exchanger (20) with an inlet for cold water (22) and an outlet for hot water (21) is installed in the interior of the heat accumulator (11) and with the help of the heat exchanger (4 + 5) and the strong heated storage medium (10) hot hot water can be generated and made available to the residents of the building. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umschalten des Drei-Wege-Ventils (1h) und des Drei-Wege-Ventils (1g) die Wärmepumpe auf Kühlen umgestellt wird und der für Kühlzwecke zusätzlich eingebaute Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher (1i) primärseitig mit kaltem Kältemittel durchströmt wird, so dass sekundärseitig das durch diesen Vorgang abgekühlte Speichermedium (10) durch das Gebäude gepumpt werden kann, um überschüssige Wärme aus dem Gebäude aufzunehmen und diese über den Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher (1i) der Wärmepumpe zuzuleiten, so dass diese die abzuführende Wärme mit Hilfe des Verdampfers (1c) und des Ventilators (1f), an die Umwelt abgeben kann.Heat pump after Claim 1 , characterized in that by switching the three-way valve (1h) and the three-way valve (1g) the heat pump is switched to cooling and the additional refrigerant-water heat exchanger (1i) installed for cooling purposes with cold Refrigerant is flowed through so that the storage medium (10) cooled by this process can be pumped through the building on the secondary side in order to absorb excess heat from the building and to feed this to the heat pump via the refrigerant-water heat exchanger (1i), so that the heat pump heat to be dissipated to the environment with the help of the evaporator (1c) and the fan (1f).
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