DE102022123096A1 - Refrigerant separation in the heating circuit - Google Patents
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Abstract
Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält: eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel (11) betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse (9) und das Gehäuse in einem Gebäude befinden, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager (1), der mit dem brennbaren Kältemittel (11) auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser (10) auf der anderen Seite verbunden ist, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider (2), der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager (1) angeordnet ist, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil (4), welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider (2) angeordnet ist, eine Heizkreispumpe (5), welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil (4) angeordnet ist, mindestens einen Heizwärmeverbraucher (8) mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf, zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe (5) ein weiteres Sicherheitsventil (6), zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager (1) einen Wasserausgleichsbehälter (7), wobei das Sicherheitsventil (4) im Wärmepumpengehäuse (9) einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil (6) zwischen Heizkreispumpe (5) und dem Heizwärmeverbraucher (8) aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen (4, 6) eingestellt ist.Installation of a heat pump in a building, the installation comprising: a heat pump that is operated with a flammable refrigerant (11), the heat pump being in a housing (9) and the housing being in a building, in the housing (9). Heat pump an internal heat exchanger (1), which is connected to the flammable refrigerant (11) on one side and to the heating circuit water (10) on the other side, in the housing (9) of the heat pump a refrigerant/air separator (2), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the internal heat exchanger (1), in the housing (9) of the heat pump, a safety valve (4), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the refrigerant/air separator (2), a heating circuit pump (5), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the safety valve (4), at least one heating heat consumer (8) with a hot water inlet and a hot water return, between the hot water inlet and the heating circuit pump (5) a further safety valve (6), between the hot water return and the indoor heat exchanger (1) a water compensation tank (7), the safety valve (4) in the heat pump housing (9) having a lower opening pressure than in the safety valve (6) between the heating circuit pump (5) and the heating heat consumer (8) and the difference in the opening pressure being greater than the pressure difference due to the geodetic The height of the water column between the two safety valves (4, 6) is set.
Description
Die Erfindung betrifft die Abscheidung von Kältemittel, welches leckagebedingt aus einem Kältekreis einer Wärmepumpe in einen Heizungskreislauf gelangt ist. Solche Leckagen sind ausgesprochen selten, können aber schwere Folgen haben, wenn das Kältemittel brennbar ist. Seit bekannt geworden ist, dass die bisherigen Sicherheitskältemittel in höchstem Maße klimaschädlich sind, wenn sie in die Umwelt gelangen, werden als Ersatz häufig brennbare Kältemittel verwendet.The invention relates to the separation of refrigerant that has leaked from a refrigeration circuit of a heat pump into a heating circuit. Such leaks are extremely rare, but can have serious consequences if the refrigerant is flammable. Since it became known that current safety refrigerants are extremely harmful to the climate if released into the environment, flammable refrigerants have often been used as a replacement.
Diese haben sehr gute thermodynamische Eigenschaften und erlauben einen hocheffizienten Betrieb. Beispiele hierfür sind R290, R600a, R1270, R32 und R441a. Sie müssen allerdings unter höherem Arbeitsdruck betrieben werden als die bisherigen Kältemittel, was dazu führen kann, dass bei einer Undichtigkeit im Kondensator-Wärmetauscher, der die Wärme vom Kältemittel an den Heizungskreislauf überträgt, durch eine solche Undichtigkeit Kältemittel in den Heizungskreislauf eintreten kann, der regelmäßig bei einem geringeren Arbeitsdruck betrieben wird und im Wesentlichen aus Wasser besteht.These have very good thermodynamic properties and allow highly efficient operation. Examples include R290, R600a, R1270, R32 and R441a. However, they have to be operated under higher working pressure than the previous refrigerants, which can lead to a leak in the condenser heat exchanger, which transfers the heat from the refrigerant to the heating circuit, causing refrigerant to enter the heating circuit on a regular basis is operated at a lower working pressure and essentially consists of water.
Das kann lange unbemerkt geschehen, wenn die Leckage klein ist. In einem solchen Fall macht sich der Verlust an Kältemittel im Kältemittelkreislauf kaum bemerkbar und ein Druckanstieg im Heizungskreislauf ist auch kaum zu beobachten. Auffällig wird eine solche Leckage am Luftabscheider des Heizungskreislaufs, der in solchen Fällen oft über eine Trenneinrichtung für Luft und gasförmiges Kältemittel verfügt und als Entlüftungsventil ausgeführt ist. Hierfür existieren eine Reihe geeigneter Bauarten im Stand der Technik, auf die der Fachmann Zugriff hat.This can go unnoticed for a long time if the leak is small. In such a case, the loss of refrigerant in the refrigerant circuit is hardly noticeable and an increase in pressure in the heating circuit is also hardly noticeable. Such a leak becomes noticeable in the air separator of the heating circuit, which in such cases often has a separation device for air and gaseous refrigerant and is designed as a vent valve. For this purpose, there are a number of suitable designs in the prior art that the expert has access to.
Wenn bei einer Leckage Kältemittel in den Heizkreis eintritt, aber nicht vollständig am Entlüftungsventil des Kältemittel/Luft-Abscheiders abgegeben werden kann, sammelt sich das Kältemittel im Heizkreis an. Dabei verdrängt die entstehende Kältemittelansammlung in der Konsequenz Heizungswasser.If refrigerant enters the heating circuit in the event of a leak but cannot be completely released at the vent valve of the refrigerant/air separator, the refrigerant accumulates in the heating circuit. The resulting accumulation of refrigerant consequently displaces heating water.
Wenn die Wärmepumpe oben im zu beheizenden Gebäude aufgestellt ist, also oberhalb der Heizkreisinstallationen, bilden der Kältemittel/Luft-Abscheider und das Sicherheitsventil in der Wärmepumpe den höchsten Punkt der Gebäudeheizkreisinstallation. Der geodätische Druckunterschied zwischen dem Sicherheitsventil in der Wärmepumpe und weiteren Sicherheitsventilen in der Gebäudeheizkreisinstallation wird durch die Kältemittelansammlung reduziert.If the heat pump is installed at the top of the building to be heated, i.e. above the heating circuit installations, the refrigerant/air separator and the safety valve in the heat pump form the highest point of the building heating circuit installation. The geodetic pressure difference between the safety valve in the heat pump and other safety valves in the building heating circuit installation is reduced by the accumulation of refrigerant.
Um zu verhindern, dass Kältemittel mit dem Heizungswasser in die Heizkreishydraulik transportiert wird, muss der Umlauf des Heizungswassers in einem solchen Fall unterbunden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Heizungspumpe in Strömungsrichtung direkt hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider und dem Sicherheitsventil angeordnet wird. Wenn die Kältemittelansammlung die Pumpe erreicht und das Pumpengehäuse gasförmig füllt, ist keine Förderung von Heizungswasser mehr möglich, da Heizungspumpen Kreiselpumpen sind und kein Gas fördern können.In order to prevent refrigerant from being transported into the heating circuit hydraulics with the heating water, the circulation of the heating water must be stopped in such a case. This is achieved according to the invention in that the heating pump is arranged directly behind the refrigerant/air separator and the safety valve in the direction of flow. If the accumulation of refrigerant reaches the pump and fills the pump housing in gaseous form, pumping heating water is no longer possible because heating pumps are centrifugal pumps and cannot pump gas.
Die Kältemittelansammlung des gasförmigen Kältemittels dehnt sich in der Folge weiter aus und verdrängt das Heizungswasser zwischen den Sicherheitsventilen der Wärmepumpe und dem Gebäudeheizkreis. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe ist dabei geringer, als der Öffnungsdruck der anderen Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis. Wenn es im Gebäudeheizkreis mehrere Wärmeerzeuger gibt, sind weitere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis erforderlich. Der geodätische Druckunterschied zwischen den Positionen der Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis und in der Wärmepumpe wird dadurch aufgehoben. Das verdrängte Wasser wird in ein in einem Heizsystem immer vorhandenes Ausdehnungsgefäß gedrückt.The refrigerant accumulation of the gaseous refrigerant subsequently expands further and displaces the heating water between the safety valves of the heat pump and the building heating circuit. The opening pressure of the safety valve in the heat pump is lower than the opening pressure of the other safety valves in the building heating circuit. If there are several heat generators in the building heating circuit, additional safety valves are required in the building heating circuit. This eliminates the geodetic pressure difference between the positions of the safety valves in the building heating circuit and in the heat pump. The displaced water is forced into an expansion tank that is always present in a heating system.
Dies führt zu einem Druckanstieg im gesamten Gebäudeheizkreis, bis der niedrigere Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe erreicht ist und dieses Sicherheitsventil öffnet. Das Kältemittel tritt dann an einer definierten Position in der Wärmepumpe aus dem Heizsystem aus und kann wie beschrieben sicher abgeleitet oder aufgefangen werden. Es kann dabei durchaus sein, dass ein anderes Sicherheitsventil im Gebäudeheizkreis zuerst öffnet, dort wird dann Heizungswasser abgegeben, wodurch der geodätische Druckunterschied weiter verringert wird. Sofern andere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis öffnen, kann aus denen kein Kältemittel austreten, sondern nur Heizungswasser.This leads to a pressure increase in the entire building heating circuit until the lower opening pressure of the safety valve in the heat pump is reached and this safety valve opens. The refrigerant then exits the heating system at a defined position in the heat pump and can be safely drained or collected as described. It may well be that another safety valve in the building heating circuit opens first, and heating water is then released there, which further reduces the geodetic pressure difference. If other safety valves open in the building heating circuit, no refrigerant can escape from them, only heating water.
Wenn also mehrere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis innerhalb eines Gebäudes vorhanden sind, muss gewährleistet werden, dass dasjenige Sicherheitsventil öffnet, welches sich im Gehäuse der Wärmepumpe befindet und welches über einen Abscheider von gasförmigem Kältemittel verfügt. Dies geschieht in der oben beschriebenen Weise.If there are several safety valves in the building heating circuit within a building, it must be ensured that the safety valve that is located in the heat pump housing and that has a separator for gaseous refrigerant opens. This is done in the manner described above.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält
- - eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse und das Gehäuse in einem Gebäude befinden,
- - im Gehäuse der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager, der mit dem brennbaren Kältemittel auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser auf der anderen Seite verbunden ist,
- - im Gehäuse der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider, der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager angeordnet ist,
- - im Gehäuse der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil, welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider angeordnet ist,
- - eine Heizkreispumpe, welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil angeordnet ist,
- - mindestens einen Heizwärmeverbraucher mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf,
- - zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe ein weiteres Sicherheitsventil,
- - zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager einen Wasserausgleichsbehälter,
- - wobei das Sicherheitsventil im Wärmepumpengehäuse einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil zwischen Heizkreispumpe und dem Heizwärmeverbraucher aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen ist.
- - a heat pump that is operated with a flammable refrigerant, the heat pump being in a housing and the housing being in a building,
- - an internal heat exchanger in the heat pump housing, which is connected to the flammable refrigerant on one side and to the heating circuit water on the other side,
- - a refrigerant/air separator in the housing of the heat pump, which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the indoor heat exchanger,
- - a safety valve in the heat pump housing, which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the refrigerant/air separator,
- - a heating circuit pump, which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the safety valve,
- - at least one heating consumer with a hot water inlet and a hot water return,
- - another safety valve between the hot water inlet and the heating circuit pump,
- - a water compensation tank between the hot water return and the indoor heat exchanger,
- - whereby the safety valve in the heat pump housing has a lower opening pressure than in the safety valve between the heating circuit pump and the heating heat consumer and the difference in the opening pressure is greater than the pressure difference due to the geodetic height of the water column between the two safety valves.
Die Installation eignet sich besonders für außen aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpen, diese werden oft auf dem Dach eines Gebäudes oder eines Anbaus, etwa einer Garage installiert. Die Heizkreispumpe sollte direkt nach dem Sicherheitsventil und dem Kältemittel/Luft-Abscheider angeordnet sein, idealerweise auch im Gehäuse der Wärmepumpe. Hierbei ist klar, dass in Systemen mit mehreren Gebäudeheizkreisen jeder der Heizkreise eine Heizkreispumpe hat, wobei das oben Beschriebene sinngemäß analog gilt.The installation is particularly suitable for air/water heat pumps installed outside; these are often installed on the roof of a building or an extension, such as a garage. The heating circuit pump should be located directly after the safety valve and the refrigerant/air separator, ideally also in the heat pump housing. It is clear that in systems with several building heating circuits, each of the heating circuits has a heating circuit pump, whereby what is described above applies analogously.
Sofern im Heizungskreislauf mehrere Sicherheitsventile zum Einsatz kommen, gilt der oben beschriebene Zusammenhang zwischen den Öffnungsdrucken paarweise für den Öffnungsdruck des Sicherheitsventils im Wärmepumpengehäuse und dem jeweiligen Sicherheitsventil im Heizungskreislauf.If several safety valves are used in the heating circuit, the relationship described above between the opening pressures applies in pairs to the opening pressure of the safety valve in the heat pump housing and the respective safety valve in the heating circuit.
Vorzugsweise kommt dies zur Anwendung, wenn die Wärmepumpe oben im Gebäude oder auf dem Gebäude angeordnet wird, etwa auf einem Dachboden oder einem Flachdach im Rahmen einer Nachrüstungsmaßnahme, und somit oberhalb der Verbraucher, etwa Fußbodenheizungen in darunterliegenden Stockwerken. Die Erfindung ist aber auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt. Sie ist auch anwendbar, wenn die Wärmepumpe über eine Sommerumschaltung auf Kühlwasser verfügt, welches anstatt von Warmwasser durch die Rohrleitungen der Fußbodenheizung geführt wird oder in Kühldecken zum Einsatz kommt.This is preferably used when the heat pump is arranged at the top of the building or on the building, for example in an attic or a flat roof as part of a retrofitting measure, and thus above the consumers, for example underfloor heating on floors below. However, the invention is not limited to this application. It can also be used if the heat pump has a summer switchover to cooling water, which is fed through the underfloor heating pipes instead of hot water or is used in cooling ceilings.
Die Erfindung wird anhand von
- -
1 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeninstallation, - -
2 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeninstallation mit einem zweiten Wärmeerzeuger, - - Tabelle 1 einen Vergleich der sich einstellenden Drücke.
- -
1 a schematic representation of a heat pump installation, - -
2 a schematic representation of a heat pump installation with a second heat generator, - - Table 1 shows a comparison of the resulting pressures.
Nachfolgend strömt das Heizkreiswasser am Sicherheitsventil 4 in der Wärmepumpe vorbei. Nicht gezeigt ist die weitere Behandlung der entlüfteten Gase und der im Sicherheitsventil 4 gegebenenfalls angefallenen Stoffe, diese Behandlung erfolgt je nach Aufstellung, Umgebung und Bauart der Wärmepumpe unterschiedlich und ist hier nicht Gegenstand. Sowohl das Entlüftungsventil als auch das Sicherheitsventil befinden sich dabei im Gehäuse 9 der Wärmepumpe. Die nachfolgende Heizkreispumpe 5 kann sich ebenfalls innerhalb des Gehäuses 9 der Wärmepumpe befinden, wie hier gezeigt, sie kann aber auch an einer anderen Stelle vor den Wärmenutzern platziert werden. Vorteilhaft ist hierbei, wenn im Falle einer Leckage das gasförmige Kältemittel möglichst schnell das Pumpengehäuse füllt und dann keine Förderung von Heizungswasser mehr möglich ist.The heating circuit water then flows past the
Zwischen der Heizkreispumpe 5 und dem Wärmeübertrager des Heizwärmeverbrauchers 8 des Heizkreises befindet sich das Sicherheitsventil 6, welches die nachfolgenden Wärmeübertrager, meistens Fußbodenheizungen, vor einer Drucküberlastung schützt. Bevor das Heizkreiswasser wieder zum Innenwärmeübertrager 1 zurückgeführt wird, findet im Ausgleichsbehälter 7 der Mengenausgleich aufgrund der Wärmeausdehnung des Heizkreiswassers statt.The safety valve is located between the heating circuit pump 5 and the heat exchanger of the
Tabelle 1 zeigt die Druckverläufe im Wasser des Heizkreislaufs für das in
Die Leckage setzt in diesem Fall den gesamten Heizkreislauf unter Druck, wobei dieser Druck von den Verhältnissen im Innenwärmetauscher und der Temperatur des brennbaren Kältemittels abhängt, er könnte auch höher werden. Das gasförmige Kältemittel bewirkt dabei, dass Heizkreiswasser in das Ausgleichsgefäß 7 gedrückt wird, bis ein erstes Sicherheitsventil öffnet. Eine Förderung durch die Heizkreispumpe 5 findet nicht mehr statt, sobald das gasförmige Kältemittel die Heizkreispumpe 5 erreicht hat. Bevor es dann in die Heizwärmeverbraucher 8 des Heizkreises gelangen kann, muss das Sicherheitsventil 4 öffnen, das Sicherheitsventil 6 darf jedoch erst öffnen, wenn der geodätische Druckausgleich erfolgt ist. Dies wird erreicht, indem das Sicherheitsventil 4 bei einem geringeren Druck öffnen muss als das Sicherheitsventil 6.In this case, the leak puts the entire heating circuit under pressure, although this pressure depends on the conditions in the internal heat exchanger and the temperature of the flammable refrigerant; it could also be higher. The gaseous refrigerant causes heating circuit water to be pressed into the
Hierbei ist der Unterschied der geodätischen Höhe der beiden Sicherheitsventile in Rechnung zu stellen. Im Normalbetrieb steht außer dem dynamischen Druckunterschied aufgrund der Strömungsdruckverluste und dem Ausgleich durch die Heizkreispumpe auch der jeweilige statische Druck der Wassersäule als Druck am Sicherheitsventil an. Im vorliegenden Fall ist das der Druckunterschied zwischen den Drücken p5 und p6 bzw. p1 und p5, hier als 0,5 bis 0,6 bar, was ungefähr zwei Stockwerken entspricht. Würde man beide Sicherheitsventile auf denselben Druck einstellen, würde stets das tiefer gelegene Ventil zuerst ansprechen und öffnen.The difference in the geodetic height of the two safety valves must be taken into account. In normal operation, in addition to the dynamic pressure difference due to the flow pressure losses and the compensation by the heating circuit pump, the respective static pressure of the water column is also present as pressure at the safety valve. In the present case this is the pressure difference between the pressures p5 and p6 or p1 and p5, here as 0.5 to 0.6 bar, which corresponds approximately to two floors. If both safety valves were set to the same pressure, the lower valve would always respond and open first.
Da dies hier nicht erwünscht sein kann, muss die Druckdifferenz aufgrund der geodätischen Höhe bei der Wahl der Sicherheitsventile und ihres Öffnungsdrucks berücksichtigt werden. Daher müssen sich die beiden Sicherheitsventile auch im Normalbetrieb unterscheiden. Im vorliegenden Beispielfall ist das Sicherheitsventil 4 auf einen Öffnungsdruck zwischen 2 und 2,4 barü und das Sicherheitsventil 6 auf einen Öffnungsdruck von 3 barü einzustellen, also um mindestens ein Δp von 0,6 bar höher als das Sicherheitsventil in der Wärmepumpe. Diese Bedingung soll durch die Installation aufgehoben werden. Damit können Höhenunterschiede bis zu 15 Metern verwirklicht werden, wobei an der Heizungspumpe ein Mindestdruck zur Vermeidung von Kavitation eingehalten werden muss. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe wird möglichst hoch, aber unter Berücksichtigung von Toleranzen geringer gewählt als der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils im Gebäudeheizkreis. Das ermöglicht es, baugleiche Geräte auch in anderen Installationen zu verwenden, in denen die Wärmepumpe den niedrigsten Punkt im Heizsystem bildet.Since this may not be desirable here, the pressure difference due to the geodetic height must be taken into account when selecting the safety valves and their opening pressure. Therefore, the two safety valves must also differ in normal operation. In the present example, the
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- InnenwärmeübertragerIndoor heat exchanger
- 22
- Kältemittel/Luft-AbscheiderRefrigerant/air separator
- 33
- Entlüftungsventil des Kältemittel/Luft-AbscheidersRefrigerant/air separator vent valve
- 44
- Sicherheitsventil in der WärmepumpeSafety valve in the heat pump
- 55
- HeizkreispumpeHeating circuit pump
- 66
- Sicherheitsventil im HeizkreisSafety valve in the heating circuit
- 77
- Ausdehnungsgefäßexpansion tank
- 88th
- HeizwärmeverbraucherHeating heat consumer
- 99
- WärmepumpengehäuseHeat pump housing
- 1010
- HeizkreiswasserHeating circuit water
- 1111
- KältemittelRefrigerant
- 1212
- Elektrischer ZusatzheizerElectric additional heater
- p1p1
- Druck am Kältemittel/Luft-AbscheiderPressure at the refrigerant/air separator
- p2p2
- Druck am Sicherheitsventil in der WärmepumpePressure at the safety valve in the heat pump
- p3p3
- Druck nach HeizkreispumpePressure after heating circuit pump
- p4p4
- Druck am Sicherheitsventil im HeizkreisPressure at the safety valve in the heating circuit
- p5p5
- Druck am AusdehnungsgefäßPressure at the expansion vessel
- p6p6
- Druck am Eintritt des InnenwärmeübertragersPressure at the inlet of the indoor heat exchanger
- ΔpΔp
-
Differenzdruck der Sicherheitsventile 4 und 6Differential pressure of
safety valves 4 and 6
Claims (1)
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