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 PDFInfo
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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 - D2:
DE 102 43 170 A1 - D3:
DE 92 00 824 U1 - D4:
US 2 516 093 A - D5:
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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
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 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.
Das Kältemittel der erfindungsgemäßen hocheffizienten Hochtemperatur-Luft/Wasser-Wärmepumpe für Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung wird durch einen Kältemittelverdampfer (
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 (
Außerhalb des Wärmespeichers (
Am jeweiligen Auslass der Strömungsrohre (
In
Da die entstehende zylindrische Kreisbewegung (
Die erfindungsgemäße Anordnung hat dadurch mehrere Vorteile gleichzeitig:
- 1. Es entsteht ein permanenter aktiver Wärmeübergang zwischen den Wärmetauschern
(4 +5) und dem Heizungswasser (10 ). - 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. 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. 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. 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. 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. 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.
- 1. There is a permanent active heat transfer between the heat exchangers
(4th +5) and the heating water (10 ). - 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. 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. With the help of several on the outer wall of the heat accumulator (
11 ) arranged temperature sensors (7a to7e) 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. 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. 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. 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 to7e) 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
In
Im Mittleren rechten Bereich des Wärmespeichers (
In the middle right area of the heat accumulator (
Da die erfindungsgemäße hocheffiziente Hochtemperatur-Wärmepumpe in diesem Ausführungsbeispiel als Luft/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt ist, wird im Winter der Verdampfer (
In
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102019000638.0A DE102019000638B3 (en) | 2019-01-30 | 2019-01-30 | 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. |
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Publications (1)
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DE102019000638B3 true DE102019000638B3 (en) | 2020-06-25 |
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ID=70969373
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DE102019000638.0A Active DE102019000638B3 (en) | 2019-01-30 | 2019-01-30 | 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. |
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DE (1) | DE102019000638B3 (en) |
Cited By (2)
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- 2019-01-30 DE DE102019000638.0A patent/DE102019000638B3/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |