DE102019126983A1 - Wärmepumpe mit Temperaturregelung und Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme durch eine Wärmepumpe - Google Patents

Wärmepumpe mit Temperaturregelung und Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme durch eine Wärmepumpe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe (100) zur Aufnahme von Wärme aus einem flüssigen Quellmedium und Abgabe an einen Wärmenutzungskreislauf (2) und ein Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme eines flüssigen Quellmediums durch eine Wärmepumpe. Die Wärmepumpe (100) hat einen Kältemittelkreislauf (1) zur Durchströmung mit einem Kältemittel, insbesondere CO2, der Folgendes umfasst: einen Verdampfer (11) zur Verdampfung des Kältemittels durch Aufnahme von Wärme aus einem Quellmediumstrom (3); einen Verdichter (12) zur Verdichtung des verdampften Kältemittels, insbesondere auf einen transkritischen Zustand; einen ersten Wärmetauscher (13) zur Wärmeübertragung von dem verdichteten Kältemittel an den Wärmenutzungskreislauf (2); und ein Expansionsorgan (15) zur Entspannung des verdichteten Kältemittels. Im ist Kältemittelkreislauf (1) stromabwärts des ersten Wärmetauschers (13) und stromaufwärts des Expansionsorgans (15) ein zweiter Wärmetauscher (14) zur Wärmeübertragung von dem verdichteten Kältemittel an einen Kühlstrom (3a, 8a) angeordnet, wobei der im zweiten Wärmetauscher (14) vom Kältemittelkreislauf (1) an den Kühlstrom (3a, 8a) übertragene Wärmestrom durch mindestens ein Regelorgan (4) regelbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zur Aufnahme von Wärme aus einem flüssigen Quellmedium und Abgabe an einen Wärmenutzungskreislauf, eine Heizungsanlage mit einer solchen Wärmepumpe sowie ein Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme eines flüssigen Quellmediums durch eine Wärmepumpe.
  • Ein häufiges Anwendungsgebiet für Wärmepumpen ist die Heizung von Gebäuden oder die Warmwasseraufbereitung. Dabei wird die in einem Quellmedium einer Wärmequelle, wie einem Gewässer, dem Grundwasser oder dem Erdreich, enthaltene Umgebungswärme durch die Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und in einem Wärmenutzungskreislauf nutzbar gemacht, beispielsweise in einer Fußbodenheizung, einem Heizkörper oder einem Warmwasserspeicher.
  • Wärmepumpen funktionieren basierend auf einem Kältekreisprozess, in dem ein Kältemittel als Arbeitsmedium einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft, der typischerweise eine Verdampfung, eine Verdichtung, eine Kondensation und eine Entspannung des Arbeitsmediums umfasst. Bei der Verdampfung wird Wärme bei niedriger Temperatur aufgenommen und bei der Kondensation bei höherer Temperatur abgegeben. Als Arbeitsmedien werden leicht siedende Flüssigkeiten wie verschiedene Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), Ammoniak (NH3), Butan oder Propan verwendet. Auch der Einsatz von CO2 als Kältemittel (R744) ist bekannt.
  • Obwohl CO2 aus ökologischen und sicherheitstechnischen Gründen ein gut geeignetes Kältemittel ist, ist seine Anwendung für Wärmepumpen technisch anspruchsvoll. Denn aufgrund der tiefen Siedetemperatur von CO2 erfordert die Umsetzung eines Kältekreisprozesses hohe Drücke. Dies hat zur Folge, dass übliche Komponenten aus der Kältetechnik wie Ventile, Verdichter oder Wärmeübertrager nicht verwendet werden können. Der kritische Punkt von CO2 liegt bei einer Temperatur von 31 °C und einem Druck von 74 bar. Oberhalb des kritischen Punktes, d.h. im transkritischen bzw. überkritischen Zustand, findet kein Phasenübergang von der gasförmigen in die flüssige Phase statt (Kondensation), sondern eine sogenannte Gaskühlung.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Wärmepumpen mit CO2 (R744) als Kältemittel haben den Nachteil, dass die Gasphase des Kältemittels nicht immer auf die optimale Temperatur abgekühlt werden kann. Dadurch ist weniger der gespeicherten Wärme nutzbar und der Kältekreisprozess läuft nicht so effizient wie möglich ab. Bei Heizungen ist sie Rücklauftemperatur des Heizkreislaufs typischerweise nicht niedrig genug, um das Kältemittel ausreichend abzukühlen, um einen möglichst effizienten Betriebspunkt der Wärmepumpe zu erreichen.
  • Ausgehend vom Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung deshalb die Aufgabe, eine Wärmepumpe sowie ein Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme durch eine Wärmepumpe bereitzustellen, die bzw. das möglichst effizient betrieben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe nach Anspruch 1, eine Heizungsanlage mit einer solchen Wärmepumpe sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
  • Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Wärmepumpe zur Aufnahme von Wärme aus einem flüssigen Quellmedium und Abgabe an einen Wärmenutzungskreislauf, insbesondere Sole/Wasser-Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe einen Kältemittelkreislauf zur Durchströmung mit einem Kältemittel, insbesondere CO2, aufweist der Folgendes umfasst:
    • - einen Verdampfer zur Verdampfung des Kältemittels durch Aufnahme von Wärme aus einem Quellmediumstrom,
    • - einen Verdichter zur Verdichtung des verdampften Kältemittels, insbesondere auf einen transkritischen Zustand,
    • - einen ersten Wärmetauscher zur Wärmeübertragung von dem verdichteten Kältemittel an den Wärmenutzungskreislauf, und
    • - ein Expansionsorgan zur Entspannung des verdichteten Kältemittels,
    wobei im Kältemittelkreislauf stromabwärts des ersten Wärmetauschers und stromaufwärts des Expansionsorgans ein zweiter Wärmetauscher zur Wärmeübertragung von dem verdichteten Kältemittel an einen Kühlstrom angeordnet ist, wobei der im zweiten Wärmetauscher vom Kältemittelkreislauf an den Kühlstrom übertragene Wärmestrom durch mindestens ein Regelorgan regelbar ist.
  • Eine Idee der Erfindung ist es, das aus dem ersten Wärmetauscher austretende Kältemittel durch den zweiten Wärmetauscher weiter abzukühlen, um die in dem verdichteten Kältemittel gespeicherte Energie nutzbar zu machen. Die Effizienz bzw. die Leistungszahl des Kältekreisprozesses dadurch gesteigert werden. Insbesondere wird das Kältemittel im zweiten Wärmetauscher auf eine Austrittstemperatur TWT2 (Temperatur des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kältemittels) unterhalb einer Rücklauftemperatur des Wärmenutzungskreislaufs abgekühlt. Insbesondere soll durch Regeln des Wärmestroms, der im zweiten Wärmetauscher an einen Kühlstrom übertragen wird, ein bestimmter, vorzugsweise optimaler, Betriebspunkt der Wärmepumpe am Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (optimale Temperatur TWT2 nach Abkühlung der Gasphase, optimaler Hochdruck bzw. Verdichtungsenddruck pHD) einstellbar sein, in dem die Wärmepumpe möglichst effizient arbeitet. Bei Einstellung eines bestimmten (optimalen) Betriebspunktes am Austritt aus dem zweiten Gaskühler kann das Expansionsorgan zur Regelung der Überhitzung des Kältemittels nach der Verdampfung verwendet werden.
  • Das flüssige Quellmedium ist insbesondere eine Sole oder Wasser, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch. Für typische Anwendungen der erfindungsgemäßen Wärmepumpe weist das Quellmedium in der Umgebung der Wärmepumpe eine Temperatur von weniger als 20 °C auf, kann für bestimmte Anwendungen aber auch höher sein.
  • Die Wärmepumpe ist insbesondere eine Sole/Wasser-Wärmepumpe oder eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Das Medium des Kühlstroms (Kühlmedium) kann das Quellmedium oder ein anderes, vorzugsweise flüssiges, Kühlmedium sein. Der Quellmediumstrom kann in einem (geschlossenen) Wärmequellenkreislauf umgewälzt werden, oder über einen Quellmedium-Zufluss und einen Quellmedium-Abfluss mit der Umgebung ausgetauscht werden. Der Wärmenutzungskreislauf ist insbesondere ein Heizkreislauf mit mindestens einem Wärmenutzer. Das Expansionsorgan entspannt das verdichtete Kältemittel insbesondere auf einen Verdampfungsdruck, bei dem die Verdampfung (isobar) stattfindet.
  • Der erste Wärmetauscher (Wärmeübertrager) und/oder der zweite Wärmetauscher können jeweils als Gaskühler ausgebildet sein, insbesondere wenn das Kältemittel bis zu einem transkritischen Zustand verdichtet wird. Vorzugsweise wird mindestens ein Wärmetauscher, vorzugsweise der erste und der zweite Wärmetauscher, nach dem Gegenstromprinzip durchströmt.
  • Das Regelorgan ist insbesondere dazu ausgebildet, den Durchfluss, insbesondere den Massenstrom oder Volumenstrom, des Kältemittels und/oder des Kühlstroms durch den zweiten Wärmetauscher zu regeln. Es kann mindestens eine Bypassleitung für das Kältemittel oder den Kühlstrom um den zweiten Wärmetauscher vorgesehen sein, wobei durch das Regelorgan insbesondere der Durchfluss durch die Bypassleitung einstellbar ist.
  • In einer Ausführungsform der Wärmepumpe ist ein Temperatursensor zur Erfassung der Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kältemittels vorgesehen, wobei insbesondere eine Regelungseinrichtung zur Ansteuerung des Regelorgans basierend auf der erfassten Austrittstemperatur TWT2 vorgesehen ist. Die Austrittstemperatur TWT2 ist insbesondere die Regelgröße eines durch die Regelungseinrichtung durchgeführten Regelungsverfahrens. Vorzugsweise wird, insbesondere in Abhängigkeit der Prozessparameter des Kältekreislaufs, eine Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll vorbestimmt oder berechnet und insbesondere als Führungsgröße des Regelungverfahrens verwendet. Dadurch kann eine bestimmte (optimale) Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem zweiten Wärmetauscher eingestellt werden, um einen bestimmten (optimalen) Betriebspunkt der Wärmepumpe zu erreichen, an dem möglichst effizient arbeitet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Wärmepumpe ist der den zweiten Wärmetauscher durchströmende Kühlstrom, insbesondere der Massenstrom des Kühlstroms, durch das Regelorgan regelbar. Insbesondere ist der Kühlstrom, vorzugsweise der Massenstrom des Kühlstroms, in Abhängigkeit der erfassten Austrittstemperatur TWT2 regelbar. Bei einer Regelung des Kühlstroms erfolgt die Regelung auf der Sekundärseite (kalte Seite) des zweiten Wärmetauschers. Dadurch muss nicht (strukturell) in den Kältekreislauf eingegriffen werden. Insbesondere wird der Durchfluss des Kühlstroms (Massenstrom bzw. Volumenstrom des Kühlmediums) durch den zweiten Wärmetauscher durch das Regelorgan geregelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Wärmepumpe ist das Regelorgan mit einer den zweiten Wärmetauscher überbrückenden Bypassleitung und einem Kühlstrom-Zulauf oder einem Kühlstrom-Ablauf des zweiten Wärmetauschers für den Kühlstrom verbunden, wobei das Regelorgan vorzugsweise als 3-Wege-Ventil ausgeführt ist. Über ein 3-Wege-Ventil kann (variabel einstellbar) ein Teilmassenstrom oder der gesamte Massenstrom eines Kühlmediums durch den zweiten Wärmetauscher geleitet werden. Das 3-Wege-Ventil kann an einem Eingang mit einem Kühl- bzw. Quellmedium-Zufluss, an einem ersten Ausgang mit einem Quellmedium-Zulauf des zweiten Wärmetauschers und an einem zweiten Ausgang mit einer Bypassleitung um den zweiten Wärmetauscher verbunden sein. Alternativ kann das Dreiwegeventil an einem ersten Eingang mit der Bypassleitung um den zweiten Wärmetauscher, an einem zweiten Eingang mit einem Kühlstrom-Ablauf des zweiten Wärmetauschers und an einem Ausgang mit einem Kühlmedium- bzw. Quellmedium-Zulauf eines dritten Wärmetauschers bzw. des Verdampfers verbunden sein. Das 3-Wege-Ventil ist vorzugsweise thermisch oder elektronisch regelbar. Auf diese Weise kann der Kühlstrom durch den zweiten Wärmetauscher einfach geregelt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Wärmepumpe wird der zweite Wärmetauscher zur Vorwärmung des Quellmediumstroms genutzt, der dem Verdampfer zugeleitet wird. Dadurch kann die im zweiten Wärmetauscher durch die Kühlung des Kältemittels abgegebene Wärme zur Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer genutzt werden. Die Verdampfungstemperatur bzw. der Verdampfungsdruck werden auf diese Weise angehoben. Bei gleichbleibendem Verdichtungsenddruck reduziert sich die erforderliche Verdichtungsarbeit. Dadurch steigt die Effizienz der Wärmepumpe. In einer ersten Alternative kann der dem Verdampfer zugeführte Quellmediumstrom im zweiten Wärmetauscher vorgeschwärmt werden. In einer zweiten Alternative kann der dem Verdampfer zugeführte Quellmediumstrom über einen (dritten) Wärmetauscher durch den im zweiten Wärmetauscher vorgeschwärmen Kühlstrom vorgewärmt werden. Die Vorwärmung des Quellmediumstroms findet insbesondere (unmittelbar) vor Eintritt (im Gegenstrom) in den Verdampfer durch einen Quellmedium-Zulauf statt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Wärmepumpe ist der zweite Wärmetauscher dazu eingerichtet, von dem Quellmedium als Kühlstrom durchströmt zu werden, wobei insbesondere ein Quellmedium-Zufluss für den Quellmediumstrom mit dem Kühlstrom-Zufluss des zweiten Wärmetauschers verbunden ist. Vorzugsweise besteht der durch den zweiten Wärmetauscher geleitete Kühlstrom aus dem Quellmedium, wobei das Kältemittel im Kältemittelkreislauf im zweiten Wärmetauscher (im Gegenstrom) durch das Quellmedium gekühlt wird. Insofern kann der Kühlstrom-Zulauf des zweiten Wärmetauschers als ein Quellmedium-Zulauf und der Kühlstrom-Ablauf des zweiten Wärmetauschers als ein Quellmedium-Ablauf verstanden werden.
  • In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform der Wärmepumpe ist der Quellmedium-Zulauf des Verdampfers mit dem Kühlstrom-Ablauf des zweiten Wärmetauschers, insbesondere mit dem Kühlstrom-Ablauf des zweiten Wärmetauschers und der den zweiten Wärmetauscher überbrückenden Bypassleitung, verbunden. Auf diese Weise kann die erste beschriebene Alternative zur Vorwärmung des Quellmediumstroms umgesetzt werden. In einer Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem Verdampfer können weitere Komponenten zwischengeschaltet sein, wobei auch eine direkte Verbindungsleitung vorgesehen sein kann. Insbesondere besteht zwischen einem Ausgang des Regelorgans (3-Wege-Ventil) und dem Quellmedium-Zulauf des Verdampfers eine (direkte) Verbindungsleitung.
  • In einer insbesondere alternativen Ausführungsform der Wärmepumpe ist ein dritter Wärmetauscher zur Vorwärmung des dem Verdampfer zugeleiteten Quellmediumstroms vorgesehen, wobei der dritte Wärmetauscher insbesondere einen Quellmedium-Ablauf aufweist, der mit dem Quellmedium-Zulauf des Verdampfers verbunden ist und insbesondere ein Zulauf des dritten Wärmetauschers mit dem Kühlstrom-Abfluss des zweiten Wärmetauschers verbunden ist. Der dritte Wärmetauscher ist insbesondere zur Wärmeübertragung (im Gegenstrom) von dem im zweiten Wärmetauscher erwärmten Kühlstrom an den Quellmediumstrom vorgesehen. Auf diese Weise kann die erste beschriebene Alternative zur Vorwärmung des Quellmediumstroms umgesetzt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Wärmepumpe ist der erste Wärmetauscher, insbesondere der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher, zur Durchströmung mit dem Kältemittel in einem transkritischen Zustand eingerichtet. Vorzugsweise sind der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher als Gaskühler, insbesondere als Hochdruck-Gaskühler, ausgeführt.
  • Außerdem wird die genannte Aufgabe insbesondere gelöst durch eine Heizungsanlage umfassend einen Wärmenutzungskreislauf und eine erfindungsgemäße Wärmepumpe zur Aufnahme von Wärme aus einem flüssigen Quellmedium und Abgabe an den Wärmenutzungskreislauf. Der Wärmenutzungskreislauf weist insbesondere eine Rücklauftemperatur zwischen von 20 °C bis 60 °C, vorzugsweise zwischen 30 °C und 50 °C, weiter vorzugsweise zwischen 35 °C und 45 °C besonders bevorzugt von ungefähr 40 °C auf. Die Heizungsanlage kann insbesondere zur Gebäudeheizung und/oder zur Warmwasseraufbereitung eingesetzt werden.
  • Die genannte Aufgabe wird außerdem insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme eines flüssigen Quellmediums durch eine Wärmepumpe mit einem von einem Kältemittel, insbesondere CO2, durchströmten Kältemittelkreislauf, insbesondere durch eine erfindungsgemäße Wärmepumpe oder durch eine erfindungsgemäße Heizungsanlage, umfassend die folgenden Schritte:
    • - Verdampfen des Kältemittels durch Aufnahme von Wärme aus einem Quellmediumstrom in einem Verdampfer;
    • - Verdichten des verdampften Kältemittels in einem Verdichter, insbesondere auf einen transkritischen Zustand;
    • - Übertragen von Wärme von dem verdichteten Kältemittel an den Wärmenutzungskreislauf in einem ersten Wärmetauscher, insbesondere in einem transkritischen Zustand des Kältemittels;
    • - Übertragen von Wärme von dem verdichteten Kältemittel an einen Kühlstrom in einem zweiten Wärmetauscher, der im Kältemittelkreislauf stromabwärts des ersten Wärmetauschers und stromaufwärts des Expansionsorgans angeordnet ist, insbesondere in einem transkritischen Zustand des Kältemittels, wobei der im zweiten Wärmetauscher vom Kältemittelkreislauf an den Kühlstrom übertragene Wärmestrom durch ein Regelorgan geregelt wird,
    • - Entspannen des verdichteten Kältemittels durch ein Expansionsorgan und Zuleiten des entspannten Kältemittels zum Verdampfer.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat ähnliche Vorteile, wie diese bereits in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpe beschrieben wurden. Das Verfahren kann von der beschriebenen Wärmepumpe umgesetzt werden. Insbesondere kann das Verfahren einige oder alle im Zusammenhang mit der Wärmepumpe oder dem Heizkreislauf beschriebenen verfahrenstechnischen Merkmale umsetzen.
  • Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch ein weiteres Abkühlen des (transkritischen) Kältemittels nach dem ersten Wärmetauscher (Gaskühler) durch einen zusätzlichen (zweiten) Wärmetauscher (Gaskühler) aus. Es hat den Vorteil, dass das Kältemittel gegenüber der Temperatur beim Austritt aus dem ersten Wärmetauscher auf eine tiefere Temperatur beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher abgekühlt werden kann. Dadurch vergrößert sich die im Kältekreisprozess nutzbare Energie und die Effizienz bzw. die Leistungszahl des Kältekreisprozesses steigt. Durch die Regelung des im zweiten Wärmetauscher an den Kühlstrom abgegebenen Wärmestroms, insbesondere durch Regelung des Massenstroms des durch den zweiten Wärmetauscher strömenden Kühlstroms, kann eine Austrittstemperatur des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher eingestellt bzw. geregelt werden. Insbesondere wird der Kühlstrom, vorzugsweise der Massenstrom des Kühlstroms, durch den zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit der erfassten Austrittstemperatur TWT2 geregelt. Dadurch kann die Wärmepumpe in einem (optimalen) Betriebspunkt so effizient wie möglich arbeiten.
  • Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Erfassen der Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kältemittels durch einen Temperatursensor und insbesondere das Regeln des Massenstroms des Kühlstroms durch den zweiten Wärmetauscher basierend auf der erfassten Austrittstemperatur TWT2 durch eine Regelungseinrichtung, insbesondere durch Ansteuern des Regelorgans, das vorzugsweise als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Durch die Regelung des Massenstroms des Kühlmediums (Quellmediums) durch den zweiten Wärmetauscher kann eine bestimmte Betriebstemperatur der Wärmepumpe, insbesondere eine optimale Austrittstemperatur TWT2 des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher eingestellt bzw. eingeregelt werden.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bestimmen einer, vorzugsweise optimalen, Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher basierend auf einem, vorzugsweise durch einen Drucksensor erfassten, Verdichtungsenddruck des Kältemittels beim Austritt aus dem Verdichter durch die Regelungseinrichtung. Die Bestimmung, insbesondere Berechnung, der Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll kann auf weiteren Prozessparametern des Kälteprozesses oder Betriebsparametern Wärmepumpe basieren. Insbesondere dient die (erfasste) Austrittstemperatur TWT2 als Regelgröße und die Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll als Führungsgröße und eines Regelungsverfahrens, das vorzugsweise von der Regelungsvorrichtung implementiert wird.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Ansteuern des Regelorgans derart, dass der zweite Wärmetauscher von einem Kühlstrom durchströmt wird oder der Kühlstrom erhöht wird, falls eine Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kältemittels höher ist als eine bestimmte Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher und/oder das Ansteuern des Regelorgans derart, dass kein oder ein geringerer Kühlstrom durch den zweiten Wärmetauscher strömt, falls eine Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kältemittels niedriger ist als eine bestimmte Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahren umfasst das Vorwärmen des in den Verdampfer eintretenden Quellmediumstroms durch den im zweiten Wärmetauscher erwärmten Kühlstrom, insbesondere durch Durchleiten mindestens eines Teils des Quellmediumstroms durch den zweiten Wärmetauscher als Kühlstrom und insbesondere anschießendes Durchleiten des durch den zweiten Wärmetauscher erwärmten Quellmediumstroms durch den Verdampfer. Alternativ kann der Quellmediumstrom auch über einen dritten Wärmetauscher durch den zweiten Wärmetauscher erwärmten Kühlstrom vorgenommen werden. Die Vorwärmung des in den Verdampfer eintretenden Quellmediumstroms hat den Vorteil, dass der Verdampfungsdruck (Verdampfungstemperatur) angehoben wird, wodurch die durch den Verdichter zu leistende Verdichterarbeit zur Erreichung eines bestimmten Verdichtungsenddrucks (Hochdrucks) reduziert werden kann. Dies wirkt sich positiv auf die Gesamteffizienz des Kälteprozesses und somit der Wärmepumpe aus.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Expansionsorgan, insbesondere basierend auf einer optimalen Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher austretenden Kältemittels bzw. einem optimalen Betriebspunkt, zur Regelung der Überhitzung des Kältemittels nach der Verdampfung verwendet. Diese Verwendung des Expansionsorgans ist ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung. Denn bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpe, d. h. ohne einen zweiten Wärmetauscher und die beschriebene Temperaturregelung, würde das Expansionsorgan im überkritischen Betrieb typischerweise verwendet werden, um den Verdichtungsenddruck pHD (Hochdruck) zu regeln.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe als Teil einer Heizungsanlage, wobei das Quellmedium zur Kühlung des Kältemittels genutzt wird;
    • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe als Teil einer Heizungsanlage, wobei ein dritter Wärmetauscher zur Vorwärmung des Quellmediumstroms genutzt wird;
    • 3 Graphische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem log p, h-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm) in einer Ausführungsform.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Die 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe 100 als Teil einer Heizungsanlage 200 mit einem Wärmenutzungskreislauf 2. Die nachfolgend beschriebenen in den 1 und 2 dargestellten Wärmepumpen 100 funktionieren nach demselben Prinzip und haben ähnliche Vorteile. Auf Unterschiede zwischen den Ausführungsformen wird nachfolgend hingewiesen.
  • Die Wärmepumpe 100 arbeitet als Kompressionswärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf 1, in dem ein Kältemittel, hier CO2, zirkuliert. Im Verdampfer 11 wird bei der (isobaren) Verdampfung des Kältemittels Wärme auf niedrigem Temperaturniveau aus dem Quellmediumstrom 3 aufgenommen. Das verdampfte Kältemittel wird durch die im Verdichter 12 aufgebrachte mechanische Arbeit auf einen Verdichtungsenddruck pHD verdichtet. Bei Verwendung von CO2 als Kältemittel wird das Kältemittel vorzugsweise auf einen trans- bzw. überkritischen Zustand oberhalb des kritischen Punktes verdichtet, sodass der Verdichtungsenddruck pHD oberhalb des kritischen Drucks von 74 bar und die Verdichtungsendtemperatur (Druckgastemperatur) oberhalb der kritischen Temperatur von 31 °C liegt. Im ersten Wärmetauscher 13 wird Wärme durch eine (isobare) Wärmeübertragung auf einem höheren Temperaturniveau an das im Wärmenutzungskreislauf 2 zirkulierende Medium, hier Wasser, abgegeben. Durch den transkritischen Zustand des Kältemediums sinkt die Temperatur des Kältemittels mit zunehmendem Wärmeentzug. Der erste Wärmetauscher 13 ist als Gaskühler ausgeführt und wird im Gegenstrom durchströmt. Das verdichtete (und heiße) Kältemittel wird im ersten Wärmetauscher, der auch als Hauptkühler bezeichnet werden kann, auf eine erreichbare Austrittstemperatur abgekühlt. Dieses Temperaturniveau hängt von den Systemtemperaturen auf der Seite des Quellmediums sowie von dem an den Wärmenutzungskreislauf 2 abgegebenen Wärmestrom ab. Durch das Expansionsorgan 15 wird das verdichtete Kältemittel in das Nassdampfgebiet des Kältemittels auf den Verdampfungsdruck entspannt. Der Verdampfer 11 ist vorzugsweise als Plattenwärmeübertrager ausgeführt. Der Verdichter 12 kann insbesondere als Rollkolben-, Scroll- oder Hubkolben-Verdichter ausgebildet, insbesondere zwei- oder mehrstufig. Das Expansionsorgan 15 ist vorzugsweise als elektronisch regelbares Expansionsventil ausgeführt, könnte aber auch thermisch geregelt oder als Ejektor ausgeführt sein. Der Kältekreislauf 1 kann zusätzliche Komponenten wie einen Trockner, einen Filter, weitere Expansionsorgane, einen Kältemittelsammler, einen Kältemittelabscheider, Kältemittelseparatoren und/oder einen Zwischenwärmeübertrager aufweisen.
  • Das Quellmedium ist eine Sole, kann aber auch Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch sein, und hat typischerweise eine Eintrittstemperatur von weniger als 20 °C. Der Quellmediumstrom 3 wird der Wärmepumpe 100 durch einen Quellmedium-Zufluss 31 zugeführt, durch eine Umwälzpumpe 30 gefördert und über einen Quellmedium-Ablauf 32 abgeleitet. Über einen Quellmedium-Zulauf 33 tritt der Quellmediumstrom 3 in den Verdampfer 11 ein, wird im Verdampfer 11 abgekühlt und strömt durch den Quellmedium-Ablauf 34 zum Quellmedium-Abfluss 32 aus. Der Quellmedium-Abfluss 32 und der Quellmedium-Zufluss 31 können als geschlossener Wärmequellenkreislauf miteinander verbunden sein, wobei ein Erdwärmetauscher, eine Erdwärmesonde oder ein Kollektor im Erdreich vorgesehen sein können. Ebenso kann der Quellmedium-Zufluss 31 mit einem Förderbrunnen und der Quellmedium-Abfluss 32 mit einem Schluckbrunnen verbunden sein. Der Wärmenutzungskreislauf 2 ist als Heizkreislauf mit Wasser als zirkulierendem Medium. Zwischen einem Rücklauf 21 und einem Vorlauf 22 wird im ersten Wärmetauscher 13 Wärme von dem Kältemittelkreislauf 1 an den Wärmenutzungskreislauf 2 übertragen und an mindestens einen Wärmenutzer 20, beispielsweise eine Fußbodenheizung oder einen Warmwasserbehälter abgegeben. Eine vorgesehene Warmwasser-Umwälzpumpe ist nicht gezeigt. Die Wärmepumpe 100 ist als Sole/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt, könnte aber auch eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe mit Wasser als Quellmedium sein, dass beispielsweise aus einem Gewässer oder dem Grundwasser entnommen wird.
  • Es hat sich gezeigt, dass bei bekannten Wärmepumpen die bei der Gaskühlung im ersten Wärmetauscher (Hauptkühler) erreichbare (minimale) Austrittstemperatur des Kältemittels nicht ausreichend niedrig ist, um einen Kältekreisprozess möglichst effizient zu betreiben. Die Austrittstemperatur aus dem ersten Wärmetauscher ist insbesondere durch die Rücklauftemperatur aus dem Wärmenutzungskreislauf 2 in Rücklauf 21 nach unten begrenzt. Dadurch ist die durch den Kältekreisprozess nutzbare Energie des Kältemittels und somit die Effizienz bzw. die Leistungszahl (COP) der Wärmepumpe beschränkt.
  • Die Erfindung schlägt deshalb vor, stromabwärts des ersten Wärmetauschers 13 und stromaufwärts des Expansionsorgans 15 einen zweiten Wärmetauscher 14 vorzusehen. Der zweite Wärmetauscher 14 ist dem ersten Wärmetauscher 13 nachgeschaltet. Über den zweiten Wärmetauscher 14 kann das verdichtete und im ersten Wärmetauscher 13 bereits abgekühlte Kältemittel durch Wärmeübertragung an einen Kühlstrom 3a, 8a weiter abgekühlt werden. Der Kühlstrom 3a, 8a wird in den Ausführungsformen nach 1 (Kühlstrom 3a) und nach 2 (Kühlstrom 8a) unterschiedlich bezeichnet. In beiden Ausführungsformen hat der Kühlstrom 3a, 8a aber die Funktion, das Kältemittel weiter abzukühlen, insbesondere unter eine Rücklauftemperatur des Wärmenutzungskreislaufs 2 im Rücklauf 21. Außerdem ist der im zweiten Wärmetauscher 14 vom Kältemittelkreislauf 1 an den Kühlstrom 3a, 8a übertragene Wärmestrom durch das Regelorgan 4 regelbar. Das Regelorgan 4 ist als elektronisch regelbares 3-Wege-Ventil ausgeführt. Durch das Regelorgan 4 wird der Massenstrom des den zweiten Wärmetauscher 14 durchströmenden Kühlstroms 3a, 8a geregelt. Über das Regelorgan 4 ist die Aufteilung des Gesamtstroms in den Kühlstrom 3a, 8a durch den zweiten Wärmetauscher 14 und den Bypassstrom 3b, 8b durch die Bypassleitung 39 (stufenlos) variabel einstellbar. Durch Variation der Durchflussmenge bzw. des Massenstroms über das Regelorgan 4 kann der an den Kühlstrom 3a, 8a übertragene Wärmestrom variiert werden. Der zweite Wärmetauscher 14 weist einen Kühlstrom-Zulauf 35, 37 und einen Kühlstrom-Ablauf 36, 38 auf und wird im Gegenstromprinzip durchströmt. Da der zweite Wärmetauscher 14 vorzugsweise im transkritischen Zustand des Kältemittels durchströmt wird, ist er als Gaskühler ausgeführt, d.h. er ist insbesondere als ein zusätzlicher Gaskühler zum ersten Gaskühler (erster Wärmetauscher 13 als Hauptkühler) vorgesehen. Das als 3-Wege-Ventil ausgeführte Regelorgan 4 ist in den 1 und 2 jeweils mit der Bypassleitung 39 und dem Kühlstrom-Ablauf 36, 38 des zweiten Wärmetauschers 14 verbunden. Alternativ könnte das 3-Wege-Ventil auch am Verzweigungspunkt des Quellmedium-Zuflusses 31 bzw. des Quellmedium-Zuflusses 81 in die Bypassleitung 39 und die Kühlstromleitung zum Kühlstrom-Zulauf 35, 37 angeordnet sein.
  • Über den Temperatursensor 6, der (unmittelbar) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 14 angeordnet ist, wird die Austrittstemperatur TWT2 des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher erfasst. Die Regelungseinrichtung 5 ist über eine Signalleitung 40 mit dem Regelorgan 4 und über eine Signalleitung 60 mit dem Temperatursensor 6 verbunden. Basierend auf der erfassten Austrittstemperatur TWT2 wird das Regelorgan 4 angesteuert, um den Kühlstrom 3a, 8a zu regeln. Außerdem ist ein Drucksensor 7 zur Erfassung des Verdichtungsenddrucks pHD am Auslass des Verdichter 12 vorgesehen, der über eine Signalleitung 70 mit der Regelungseinrichtung 5 verbunden ist. Die Regelungseinrichtung 5 bestimmt, vorzugsweise durch Berechnung basierend auf den Systemparametern des Kältemittelkreislaufs 1, insbesondere des Verdichtungsenddrucks pHD, eine Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher 14. Die Regelungseinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, das Regelorgan 4 so anzusteuern, dass der zweite Wärmetauscher 14 von einem Kühlstrom 3a, 8a durchströmt wird, wenn die Austrittstemperatur TWT2 höher ist als die Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll. Ein bereits fließender Kühlstrom 3a, 8a kann durch das Regelorgan 4 auch erhöht werden, um die Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll zum Beispiel schneller zu erreichen. Falls die Austrittstemperatur TWT2 niedriger ist als die Soll-Austrittstemperatur TWT2,Soll, wird das Regelorgan 4 so angesteuert, dass kein oder ein geringerer Kühlstrom 3a, 8a durch den zweiten Wärmetauscher 14 fließt. Insbesondere wird das 3-Wege-Ventil so lange geöffnet, bis der Massenstrom des Kühlstroms ausreichend groß ist, um eine optimale Austrittstemperatur TWT2 zu erreichen. Falls die Austrittstemperatur TWT2 unter einen optimalen Wert fällt, wird das 3-Wege-Ventil wieder geschlossen. Durch die beschriebene Regelung der Austrittstemperatur TWT2 wird eine vorbestimmte, insbesondere eine optimale, Austrittstemperatur des Kältemittels erreicht, die niedriger ist als die Austrittstemperatur des Kältemittels nach dem ersten Wärmetauscher 13. Dadurch kann die Wärmepumpe 100 in einem optimalen Betriebspunkt möglichst effizient betrieben werden. Auch das Expansionsorgan 15, hier ein regelbares Expansionsventil, ist über eine Signalleitung 90 mit der Regelungseinrichtung 5 verbunden. Das Expansionsorgan 15 regelt die Einspritzung des Kältemittels in den Verdampfer 11 und stellt sicher, dass kein flüssiges Kältemittel aus dem Verdampfer 11 austritt. Da durch den zweiten Wärmetauscher ein optimaler Betriebspunkt einstellbar ist, kann das Expansionsorgan 15 dazu genutzt werden, die Überhitzung nach dem Verdampfer 11 zu regeln. Die Signalleitungen 40, 50, 70 und/oder 90 können durch drahtlose Verbindungen ersetzt werden.
  • Der zweite Wärmetauscher 14, insbesondere der erwärmte Kühlstrom 3a, 8a kann erfindungsgemäß zur Vorwärmung des Quellmediumstroms 3 genutzt werden, bevor dieser in den Verdampfer 11 eintritt. Dadurch wird die Quellmedium-Eintrittstemperatur in den Verdampfer 11 und somit die Verdampfungstemperatur bzw. der Verdampfungsdruck angehoben. Die von dem Verdichter 11 aufzubringende Verdichtungsarbeit, um die erforderliche Druckdifferenz aufzubringen, insbesondere einen bestimmten Verdichtungsenddruck pHD zu erreichen, wird dadurch reduziert. Dies wirkt sich positiv auf die Gesamteffizienz der Wärmepumpe 100 insbesondere deren Leistungszahl aus.
  • In einer ersten Ausführungsform nach 1 wird das Quellmedium als Kühlstrom 3a zur Kühlung des Kältemittels im zweiten Wärmetauscher 14 verwendet. Der Quellmedium-Zufluss 31 ist mit dem Kühlstrom-Zulauf 35 des zweiten Wärmetauschers 14 verbunden. Das Quellmedium als Kühlstrom 3a kann - bei entsprechender Ansteuerung des Regelorgans 4 - über die Umwälzpumpe 30 (direkt) zum Quellmedium-Zulauf 33 des Verdampfers 11 strömen. Der erwärmte Kühlstrom 3a bewirkt eine Vorwärmung des Quellmediumstroms 3. Durch die Bypassleitung 39 kann der Quellmedium Strom 3 an dem zweiten Wärmetauscher 14 vorbei geleitet werden, sodass keine Kühlung des Kältemittels und keine Vorwärmung des Quellmediumstroms 3 stattfindet. Falls der gesamte durch den Quellmedium-Zufluss 31 eintretende Quellmediumstrom 3 durch den zweiten Wärmetauscher 2 geleitet wird, ist die Kühlwirkung für das Kältemittel und die Vorwärmwirkung im Verdampfer 11 maximal.
  • In der zweiten Ausführungsform nach 2 kann das Quellmedium oder ein anderes Kühlmedium als Kühlstrom 8a des Kältemittels im zweiten Wärmetauscher 14 verwendet werden. Insbesondere können der Kühlmedium-Abfluss 82 und der Kühlmedium-Zufluss 81 zu einem (geschlossenen) Kühlkreislauf miteinander verbunden sein. Zur Vorwärmung des in den Verdampfer 11 eintretenden Quellmediumstroms 3 ist ein dritter Wärmetauscher 80 vorgesehen, der auf der einen (warmen) Seite einen Kühlmedium-Zulauf 83 und einen Quellmedium-Ablauf 84 sowie auf der anderen (kalten) Seite einen Quellmedium-Zulauf 85 und einen Quellmedium-Ablauf 86 aufweist. Der Quellmedium-Ablauf 86 ist mit dem Quellmedium-Zulauf 33 des Verdampfers 11 verbunden. Das durch den Quellmedium-Zufluss 81 eintretende Kühlmedium sollte nicht kälter sein als das durch den Quellmedium Medium-Zufluss 31 eintretende Quellmedium, um - insbesondere wenn der gesamte Kühlmediumstrom durch die Bypassleitung 8b strömt - dem Quellmediumstrom 3 im dritten Wärmetauscher 80 keine Wärme zu entziehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere durch die beschriebene Wärmepumpe 100 bzw. Heizungsanlage 200 umgesetzt.
  • 3 zeigt eine graphische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des in der Wärmepumpe 100 durchlaufenden Kältekreisprozesses mit dem Kältemittel CO2 (R744) in einem log p, h-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm) in einer beispielhaften Ausführungsform. In diesem Beispiel beträgt das niedrige Druckniveau vor der Verdichtung (Verdampfungsdruck) pND 31 bar und das hohe Druckniveau nach der Verdichtung (Verdichtungsenddruck, Hochdruck) pHD 90 bar. Die Temperatur vor der Verdichtung liegt bei -5 °C und die Verdichtungsendtemperatur bei 90 °C. Die Vorlauftemperatur des Wärmenutzungskreislauf 2 (Heizkreis) im Vorlauf 22 beträgt 45 °C, während die Rücklauftemperatur im Rücklauf 21 40 °C beträgt. Die optimale Soll-Austrittstemperatur TWT2,Soll beträgt in diesem Fall durch die Wärmeübertragung von dem Kältemittel auf den Heizkreis 1 beispielhaft 35 °C. Wärmetauscher 13 kann das Kältemittel theoretisch bis auf 40 °C ausgekühlt werden. Im ersten Wärmetauscher 13 ist nur die mit „wt1“ gekennzeichnete Enthalpie nutzbar. Die übrige mit „wt2“ nutzbare Enthalpie ist nur durch eine zusätzliche Abkühlung unter die Rücklauftemperatur des Heizkreises im zweiten Wärmetauscher 14 nutzbar. Die im ersten Wärmetauscher 13 bedingt durch die Systemtemperaturen auf der Seite des Wärmenutzungskreislauf 2 (Sekundärseite) nicht nutzbare Energie wird im zweiten Wärmetauscher 14 entzogen und anschließend über den Kühlstrom 3a, 8a dem Quellmediumstrom 3 zugeführt. Der Kältekreisprozess wird im log p, h-Diagramm betrachtet sozusagen „nach links verbreitert“. Die durch den Kältekreisprozess nutzbare Energie wird durch den zweiten Wärmetauscher 14 vergrößert. Dadurch kann die Wärmepumpe 100 in einem optimalen Betriebspunkt arbeiten. Die Erfindung schlägt zur Verbesserung der Effizienz einer Wärmepumpe eine Einstellung des optimalen Betriebspunktes eines CO2-Kälteprozesses durch eine zusätzliche Kühlung der Gasphase im transkritischen Bereich der Wärmepumpe 100, die hier als CO2-Sole/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt ist, und ein entsprechendes Verfahren vor.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kältemittelkreislauf
    2
    Wärmenutzungskreislauf
    3
    Quellmediumstrom
    3a, 8a
    Kühlstrom
    3b, 8b
    Bypassstrom
    4
    Regelorgan
    5
    Regelungseinrichtung
    6
    Temperatursensor
    7
    Drucksensor
    8
    Kühlmediumstrom
    11
    Verdampfer
    12
    Verdichter
    13
    erster Wärmetauscher
    14
    zweiter Wärmetauscher
    15
    Expansionsorgan
    20
    Wärmenutzer
    21
    Rücklauf
    22
    Vorlauf
    30
    Umwälzpumpe
    31
    Quellmedium-Zufluss
    32
    Quellmedium-Abfluss
    33
    Quellmedium-Zulauf
    34
    Quellmedium-Ablauf
    35, 37
    Kühlstrom-Zulauf
    36, 38
    Kühlstrom-Ablauf
    39
    Bypassleitung
    40, 60, 70
    Signalleitung
    80
    dritter Wärmetauscher
    81
    Kühlmedium-Zufluss
    82
    Kühlmedium-Abfluss
    83
    Kühlmedium-Zulauf
    84
    Kühlmedium-Ablauf
    85
    Quellmedium-Zulauf
    86
    Quellmedium-Ablauf
    90
    Signalleitung
    100
    Wärmepumpe
    200
    Heizungsanlage

Claims (15)

  1. Wärmepumpe (100) zur Aufnahme von Wärme aus einem flüssigen Quellmedium und Abgabe an einen Wärmenutzungskreislauf (2), wobei die Wärmepumpe (100) einen Kältemittelkreislauf (1) zur Durchströmung mit einem Kältemittel, insbesondere CO2, aufweist der Folgendes umfasst: - einen Verdampfer (11) zur Verdampfung des Kältemittels durch Aufnahme von Wärme aus einem Quellmediumstrom (3), - einen Verdichter (12) zur Verdichtung des verdampften Kältemittels, insbesondere auf einen transkritischen Zustand, - einen ersten Wärmetauscher (13) zur Wärmeübertragung von dem verdichteten Kältemittel an den Wärmenutzungskreislauf (2), und - ein Expansionsorgan (15) zur Entspannung des verdichteten Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf (1) stromabwärts des ersten Wärmetauschers (13) und stromaufwärts des Expansionsorgans (15) ein zweiter Wärmetauscher (14) zur Wärmeübertragung von dem verdichteten Kältemittel an einen Kühlstrom (3a, 8a) angeordnet ist, wobei der im zweiten Wärmetauscher (14) vom Kältemittelkreislauf (1) an den Kühlstrom (3a, 8a) übertragene Wärmestrom durch mindestens ein Regelorgan (4) regelbar ist.
  2. Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (6) zur Erfassung der Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher (14) austretenden Kältemittels vorgesehen ist, wobei insbesondere eine Regelungseinrichtung (5) zur Ansteuerung des Regelorgans (4) basierend auf der erfassten Austrittstemperatur TWT2 vorgesehen ist.
  3. Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den zweiten Wärmetauscher (14) durchströmende Kühlstrom (3a, 8a), insbesondere der Massenstrom des Kühlstroms (3a, 8a), durch das Regelorgan (4) regelbar ist.
  4. Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelorgan (4) mit einer den zweiten Wärmetauscher (14) überbrückenden Bypassleitung (39) und einem Kühlstrom-Zulauf (35, 37) oder einem Kühlstrom-Ablauf (36, 38) des zweiten Wärmetauschers (14) für den Kühlstrom (3a, 8a) verbunden ist, wobei das Regelorgan (4) vorzugsweise als 3-Wege-Ventil ausgeführt ist.
  5. Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (14) zur Vorwärmung des Quellmediumstroms (3) genutzt wird, der dem Verdampfer (11) zugeleitet wird.
  6. Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (14) dazu eingerichtet ist, von dem Quellmedium als Kühlstrom (8a) durchströmt zu werden, wobei insbesondere ein Quellmedium-Zufluss (31) für den Quellmediumstrom (3) mit dem Kühlstrom-Zufluss (35) des zweiten Wärmetauschers (14) verbunden ist.
  7. Wärmepumpe (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Quellmedium-Zulauf (33) des Verdampfers (11) mit dem Kühlstrom-Ablauf (36) des zweiten Wärmetauschers (14), insbesondere mit dem Kühlstrom-Ablauf (36) des zweiten Wärmetauschers (14) und der den zweiten Wärmetauscher (14) überbrückenden Bypassleitung (39), verbunden ist.
  8. Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Wärmetauscher (80) zur Vorwärmung des dem Verdampfer (11) zugeleiteten Quellmediumstroms (3) vorgesehen ist, wobei der dritte Wärmetauscher (80) insbesondere einen Quellmedium-Ablauf (86) aufweist, der mit dem Quellmedium-Zulauf (33) des Verdampfers (11) verbunden ist und insbesondere ein Zulauf (83) des dritten Wärmetauschers (80) mit dem Kühlstrom-Abfluss (38) des zweiten Wärmetauschers (14) verbunden ist.
  9. Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (13), insbesondere der erste Wärmetauscher (13) und der zweite Wärmetauscher (14), zur Durchströmung mit dem Kältemittel in einem transkritischen Zustand eingerichtet sind.
  10. Heizungsanlage (200) umfassend einen Wärmenutzungskreislauf (2) und eine Wärmepumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Aufnahme von Wärme aus einem flüssigen Quellmedium und Abgabe an den Wärmenutzungskreislauf (2).
  11. Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme eines flüssigen Quellmediums durch eine Wärmepumpe mit einem von einem Kältemittel, insbesondere CO2, durchströmten Kältemittelkreislauf (1), insbesondere durch eine Wärmepumpe (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 oder durch eine Heizungsanlage (200) nach Anspruch 10, umfassend die folgenden Schritte: - Verdampfen des Kältemittels durch Aufnahme von Wärme aus einem Quellmediumstrom (3) in einem Verdampfer (11); - Verdichten des verdampften Kältemittels in einem Verdichter (12), insbesondere auf einen transkritischen Zustand; - Übertragen von Wärme von dem verdichteten Kältemittel an den Wärmenutzungskreislauf (2) in einem ersten Wärmetauscher (13), insbesondere in einem transkritischen Zustand des Kältemittels; - Übertragen von Wärme von dem verdichteten Kältemittel an einen Kühlstrom (3a, 8a) in einem zweiten Wärmetauscher (14), der im Kältemittelkreislauf (1) stromabwärts des ersten Wärmetauschers (13) und stromaufwärts des Expansionsorgans (15) angeordnet ist, insbesondere in einem transkritischen Zustand des Kältemittels, wobei der im zweiten Wärmetauscher (14) vom Kältemittelkreislauf (1) an den Kühlstrom (3a, 8a) übertragene Wärmestrom durch ein Regelorgan (4) geregelt wird, - Entspannen des verdichteten Kältemittels durch ein Expansionsorgan (15) und Zuleiten des entspannten Kältemittels zum Verdampfer (11).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Erfassen der Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher (14) austretenden Kältemittels durch einen Temperatursensor (6) und insbesondere Regeln des Massenstroms des Kühlstroms (3a, 8a) durch den zweiten Wärmetauscher (14) basierend auf der erfassten Austrittstemperatur TWT2 durch eine Regelungseinrichtung (5), insbesondere durch Ansteuern des Regelorgans (4), das vorzugsweise als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch Bestimmen einer, vorzugsweise optimalen, Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (14) basierend auf einem, vorzugsweise durch einen Drucksensor (7) erfassten, Verdichtungsenddruck des Kältemittels beim Austritt aus dem Verdichter (11) durch die Regelungseinrichtung (5).
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch Ansteuern des Regelorgans (4) derart, dass der zweite Wärmetauscher (14) von einem Kühlstrom (3a, 8a) durchströmt wird oder der Kühlstrom (3a, 8a) erhöht wird, falls eine Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher (14) austretenden Kältemittels höher ist als eine bestimmte Soll-Austrittstemperatur TWT2,soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (14) und/oder Ansteuern des Regelorgans (4) derart, dass kein oder ein geringerer Kühlstrom (3a, 8a) durch den zweiten Wärmetauscher (14) strömt, falls eine Austrittstemperatur TWT2 des aus dem zweiten Wärmetauscher (14) austretenden Kältemittels niedriger ist als eine bestimmte Soll-Austrittstemperatur TWT2,Soll des Kältemittels beim Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (14).
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch Vorwärmen des in den Verdampfer (11) eintretenden Quellmediumstroms (3) durch den im zweiten Wärmetauscher (14) erwärmten Kühlstrom (3a, 8a), insbesondere durch Durchleiten mindestens eines Teils des Quellmediumstroms (3) durch den zweiten Wärmetauscher (14) als Kühlstrom (3a) und insbesondere anschießendes Durchleiten des durch den zweiten Wärmetauscher (14) erwärmten Quellmediumstroms (3) durch den Verdampfer (11).
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