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Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einem Gasabscheider sowie ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems.
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Derartige Wärmepumpensysteme weisen einen Primärkreis zur Führung eines Kältemittels und einen Sekundärkreis zur Führung von Wasser auf, wobei durch einen Wärmeübertrager Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser übertragen werden kann.
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Bei Verwendung von brennbaren Kältemitteln, insbesondere Kohlenwasserstoffen wie C3H8 (R290, Propan) ist jedoch die Problematik erkannt worden, dass durch einen Defekt, zum Beispiel durch einen allgemeinen Defekt, Korrosion oder einen Defekt durch gefrierendes Wasser, am Wärmeübertrager, der zum Beispiel als Plattenwärmeübertrager ausgestaltet sein kann, Kältemittel in den Sekundärkreis, insbesondere einen Heizbereich des Sekundärkreises, eintreten kann, welches anschließend über das Verteilsystem des Sekundärkreises in ein Haus, das mit dem Heizbereich geheizt wird, gelangen und dort über Automatikentlüfter oder Ablassventile austreten kann. Bei Verwendung von Propan als Kältemittel, das einem brennbaren Kältemittel entspricht, kann dann zusammen mit der Raumluft ein zündfähiges Gemisch entstehen, welches dann eine Gefahr für das Haus darstellt.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, in dem Sekundärkreis eines Wärmepumpensystems ein Ablassventil und einen Automatikentlüfter gegen Kältemitteleintritt in das Wohngebäude vorzusehen, um in den Sekundärkreis eintretendes brennbares Kältemittel sicher abzuführen, bevor es im Haus austreten kann. Insbesondere bei Propananwendungen können auch jeweils mehrere Ventile/Entlüfter vorgesehen sein, zum Beispiel in einem Vorlauf und einem Rücklauf des Sekundärkreises. In einigen Fällen wird auch ein Mikroblasenabscheider eingesetzt, der einen Automatikentlüfter umfassen kann.
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Nachteilig am Stand der Technik zeigt sich, dass trotz der verbauten Entlüfter und Ablassventile eine gefährliche Menge, das heißt über 150 g, an brennbarem Kältemittel unbemerkt in den Sekundärkreis, das heißt, den Heizbereich, gelangen kann. Des Weiteren kann durch weitere Ablassventile und offene Automatikentlüfter brennbares Kältemittel direkt in einen Wohnraum des Hauses austreten, so dass ein zündfähiges Gasgemisch im Wohnraum entstehen kann.
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Bisher wurde im Stand der Technik auf einen Automatikentlüfter und ein Ablassventil gesetzt, wobei das Ablassventil so ausgeführt ist, dass das Ablassventil im Sekundärkreis vor allen weiteren verbauten Ablassventilen anspricht (ca. 0,5 bar darunter).
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Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, die Menge an brennbarem Kältemittel, welche in den Sekundärkreis, und damit in ein Heizungssystem eines Hauses, eintreten kann, auf eine unkritische Menge durch Abscheidung aus dem Wasser zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt ein Wärmepumpensystem mit einem Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einem Sekundärkreis zur Führung von Wasser und einem Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser vorgeschlagen, wobei der Sekundärkreis einen Gasabscheider und eine erste Absperreinrichtung umfasst, wobei das Wärmepumpensystem eine Steuerung umfasst, die ausgestaltet ist, (a) einen Wert, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu überwachen, (b) ein Überschreiten des Werts, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, über einen vordefinierten Schwellwert zu erkennen, und (c) im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, die erste Absperreinrichtung zu schließen.
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Durch eine Steuerung, die ausgestaltet ist, einen Wert, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu überwachen, ein Überschreiten des Werts, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, über einen vordefinierten Schwellwert zu erkennen, und im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, die erste Absperreinrichtung zu schließen, kann verhindert werden, dass brennbares Kältemittel, das unbemerkt in den Sekundärkreis eingetreten ist, in den Heizbereich des Sekundärkreises und damit in den Wohnbereich eines Hauses gelangt. Dadurch kann die Gefahr eines Brandes in dem Wohnbereich mit dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem verringert werden. Insbesondere kann nach Erkennen eines Kältemittels durch Überschreiten eines Werts, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, ein Teil des Sekundärkreises, in dem (noch) kein Kältemittel vorhanden ist, von dem Teil des Sekundärkreises, in dem das Kältemittel erkannt, d.h. detektiert, worden ist, abgeriegelt werden, so dass dieser Teil, in dem (noch) kein Kältemittel vorhanden ist, weiterhin frei von brennbarem Kältemittel ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst der Sekundärkreis eine zweite Absperreinrichtung, wobei die Steuerung ferner ausgestaltet ist, im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, die zweite Absperreinrichtung zu schließen. Dies ermöglicht ein vollständiges Abriegeln des Wärmeübertragers von einem Heizbereich des Sekundärkreises, der in einem Wohnbereich vorgesehen sein kann.
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Besonders bevorzugt ist der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, ein Wert für einen Wasserfüllstand in dem Gasabscheider.
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In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst der Gasabscheider eine Detektionseinrichtung, die ausgestaltet ist, das Überschreiten des Werts, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, über den vordefinierten Schwellwert zu erkennen. Vorteilhafterweise ist die Detektionseinrichtung ausgestaltet, einen relativen Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu detektieren. Das ermöglicht, dass nicht durchgehend ein absoluter Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, detektiert werden muss, sondern lediglich detektiert wird, wenn der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, einen vordefinierten Schwellwert überschreitet. Bevorzugt umfasst die Detektionseinrichtung einen Füllstandsgrenzgeber. Zusätzlich oder alternativ kann der Gasabscheider, insbesondere die Detektionseinrichtung, einen Sensor umfassen, wobei der Sensor ausgestaltet ist, einen Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu ermitteln, wobei die Steuerung ausgestaltet ist, den ermittelten Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, mit dem vordefinierten Schwellwert zu vergleichen. Der Sensor ist bevorzugt ein Füllstandssensor, der ausgestaltet ist, einen Wert für einen Wasserfüllstand in dem Gasabscheider zu ermitteln bzw. zu messen.
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Vorteilhafterweise ist die erste Absperreinrichtung in Strömungsrichtung des Wassers nach dem Gasabscheider angeordnet. Dies ermöglicht ein Erkennen von Kältemittel an einem Punkt in Strömungsrichtung des Wassers vor der ersten Absperreinrichtung, so dass die erste Absperreinrichtung verhindert, dass Kältemittel in den Bereich des Sekundärkreises hinter der ersten Absperreinrichtung eintritt.
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Besonders bevorzugt umfasst der Sekundärkreis einen Vorlaufbereich, einen Heizbereich und einen Rücklaufbereich, wobei der Gasabscheider in einem Vorlaufbereich vorgesehen ist und wobei der Heizbereich einer Heizungsanlage in einem Haus entsprechen kann. Dann ist vorteilhaft, dass die erste Absperreinrichtung in einem Vorlaufbereich angeordnet ist. Im Fall, dass der Sekundärkreis eine zweite Absperreinrichtung umfasst, ist bevorzugt, dass die zweite Absperreinrichtung in dem Rücklaufbereich angeordnet ist.
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In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst die erste Absperreinrichtung ein Ventil. Beispielsweise kann das Ventil ein Magnetventil sein, wobei die Magnetisierung bevorzugt in Antwort auf das Erkennen erfolgt, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Abscheider korreliert, den Schwellwert überschritten hat. Alternativ kann das Ventil ein druckgesteuertes Absperrventil sein, wobei die Drucksteuerung bevorzugt in Antwort auf das Erkennen erfolgt, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Abscheider korreliert, den Schwellwert überschritten hat. Alternativ kann ein druckgesteuertes Ventil direkt auf eine Druckänderung im Gasabscheider oder eine Gasmenge, die abgeschieden wird, reagieren.
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Besonders bevorzugt ist im Fall einer zweiten Absperreinrichtung, insbesondere einer zweiten Absperreinrichtung, die nicht von der Steuerung angesteuert wird, die zweite Absperreinrichtung ein Rückschlagventil, das verhindert, dass Wasser, insbesondere ein Wasser-Kältemittelgemisch, durch die zweite Absperreinrichtung gegen die Strömungsrichtung des Wassers durch die zweite Absperreinrichtung fließt.
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In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst der Gasabscheider einen Entlüfter, der ausgestaltet ist, ein Kältemittel und/oder Luft, das in den Gasabscheider gelangt, abzuführen. Insbesondere in Kombination mit der ersten Absperreinrichtung und ggf. der zweiten Absperreinrichtung kann, nachdem auf Basis des Erkennens, dass ein Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschritten hat, die erste Absperreinrichtung und ggf. die zweite Absperreinrichtung geschlossen werden und das Kältemittel und/oder Luft, das in den Sekundärkreis, insbesondere den Gasabscheider, gelangt ist, abgeführt werden. So kann das Kältemittel nicht in den Sekundärkreis, insbesondere den Heizbereich des Sekundärkreises, der in einem Wohnbereich eines Hauses angeordnet sein kann, gelangen.
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Besonders bevorzugt umfasst der Gasabscheider ein Ablassventil, das bei einem vordefinierten Druck öffnet und Gas, insbesondere Kältemittel, in eine Umgebung ablässt.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante der oberen Ausgestaltungen ist die Steuerung ausgestaltet, nach vollständiger Abführung des Kältemittels und/oder Luft aus dem Gasabscheider, zum Beispiel durch den Entlüfter oder das Ablassventil, die erste Absperreinrichtung und ggf. die zweite Absperreinrichtung zu öffnen. Dies ermöglicht einen kürzest möglichen Stillstand des Wassers in dem Heizbereich des Sekundärkreises nach Schließen der ersten Absperreinrichtung und ggf. der zweiten Absperreinrichtung aufgrund des Defektes, durch den ein Kältemittel in den Sekundärkreis gelangt ist, und ein Zurückkehren, schnellstmöglich, in den Normalbetrieb des Wärmepumpensystems.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst das Wärmepumpensystem im Fall, dass der Sekundärkreis eine erste Absperreinrichtung und eine zweite Absperreinrichtung umfasst, ein Sicherheitsüberdruckventil zwischen der ersten Absperreinrichtung und der zweiten Absperreinrichtung. Dadurch kann beim Schließen der ersten Absperreinrichtung und der zweiten Absperreinrichtung ein zu großer Druckanstieg im Sekundärkreis, insbesondere im Heizbereich des Sekundärkreises, verhindert werden.
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Im Fall, dass der Gasabscheider eine Detektionseinrichtung, zum Beispiel einen Füllstandsgrenzgeber, umfasst, ist bevorzugt die erste Absperreinrichtung und/oder die zweite Absperreinrichtung direkt elektrisch mit der Detektionseinrichtung, zum Beispiel dem Füllstandsgrenzgeber, verbunden. Dies sorgt für ein verzögerungsfreies und sicheres Schlie-ßen der ersten Absperreinrichtung und/oder der zweiten Absperreinrichtung nach, d.h. in Antwort auf das, Erkennen eines Übertretens eines vordefinierten Schwellwerts. Insbesondere führt das Vorsehen einer direkten elektrischen Verbindung zu einer sichereren Lösung, als wenn ein Regler mit einer Software vorgesehen ist.
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Die erfindungsgemäße Steuerung kann in eine Regelung des Sekundärkreises des Wärmepumpensystems und/oder eine Regelung des Primärkreises des Wärmepumpensystems eingebettet sein.
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Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystems vorgesehen, wobei das Wärmepumpensystem einen Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einen Sekundärkreis zur Führung von Wasser, und einen Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser umfasst, wobei das Verfahren zumindest die Schritte umfasst: (a) Überwachen eines Wertes, der mit der Gasmenge in einem Gasabscheider in dem Sekundärkreis korreliert, (b) Vergleichen des Wertes, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, mit einem vordefinierten Schwellwert, und (c) im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, Schließen einer ersten Absperreinrichtung in dem Sekundärkreis.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt eines Schließens einer zweiten Absperreinrichtung in dem Sekundärkreis im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet.
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Erfindungsgemäß wird nach einem dritten Aspekt ein Wärmepumpensystem mit einem Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einem Sekundärkreis zur Führung von Wasser und einem Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser vorgeschlagen, wobei der Sekundärkreis einen Gasabscheider mit einem Ablassventil und bevorzugt eine erste Absperreinrichtung und/oder eine zweite Absperreinrichtung umfasst, wobei das Wärmepumpensystem eine Steuerung umfasst, die ausgestaltet ist, (a) einen Wert, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu überwachen, (b) ein Überschreiten des Wertes, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, über einen vordefinierten Schwellwert zu erkennen, und (c) im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, das Ablassventil in dem Gasabscheider zu öffnen und bevorzugt die erste Absperreinrichtung und/oder die zweite Absperreinrichtung zu schließen.
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Das Ablassventil ist ausgestaltet, ein Kältemittel und/oder Luft, das in den Gasabscheider gelangt, abzuführen.
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Bevorzugt ist der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, ein Wert für einen Wasserfüllstand in dem Gasabscheider. Alternativ kann ein Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, auch mit einem konduktiven Messverfahren, einem induktiven Messverfahren, einem kapazitiven Messverfahren, einem optischen Messverfahren, einem hydrostatischen Messverfahren, einem viskodynamischen Messverfahren, zum Beispiel über eine Schwinggabel, einem radarbasiertem Messverfahren, einem schwimmerbasierten Messverfahren, zum Beispiel über einen Schwimmerschalter, einem ultraschallbasierten Messverfahren und/oder einem thermischen Messverfahren, zum Beispiel über eine Wärmekapazität ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt umfasst der Gasabscheider einen Füllstandsgrenzgeber oder Füllstandssensor, der ausgestaltet ist, das Überschreiten des Werts für einen Wasserfüllstand unter den vordefinierten Schwellwert für einen unteren Wasserfüllstand zu erkennen. Zusätzlich oder alternativ kann der Gasabscheider einen Sensor umfassen, wobei der Sensor ausgestaltet ist, einen Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu überwachen, wobei die Steuerung ausgestaltet ist, den Wert mit einem vordefinierten Schwellwert zu vergleichen. Der Begriff Überschreiten wird hierbei unabhängig davon verwendet, ob der Schwellwert größer oder kleiner als der Ausgangswert ist.
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Weiter ist bevorzugt, dass der Sekundärkreis einen Vorlaufbereich, einen Heizbereich und einen Rücklaufbereich umfasst, wobei die erste Absperreinrichtung bevorzugt in dem Vorlaufbereich und die zweite Absperreinrichtung bevorzugt in dem Rücklaufbereich des Sekundärkreises angeordnet ist. Vorteilhafterweise umfasst die zweite Absperreinrichtung ein Rückschlagventil. Ein Rückschlagventil kann beispielsweise durch eine Rückströmung von Wasser geschlossen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung umfasst der Gasabscheider einen Entlüfter, der ausgestaltet ist, ein Kältemittel und/oder Luft, das in den Gasabscheider gelangt, abzuführen.
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Weiter ist die Steuerung bevorzugt ausgestaltet, nach vollständiger Abführung des Kältemittels und/oder Luft die erste Absperreinrichtung und/oder die zweite Absperreinrichtung zu öffnen.
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Zudem kann in dem Sekundärkreis in Strömungsrichtung des Wassers zwischen der ersten Absperreinrichtung und der zweiten Absperreinrichtung ein Sicherheitsüberdruckventil vorgesehen sein, um einen möglichen Überdruck, der durch ein Schließen der ersten Absperreinrichtung und/oder zweiten Absperreinrichtung entstehen kann, abzulassen.
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Im Fall, dass der Abscheider einen Füllstandsgrenzgeber umfasst, ist der Füllstandsgrenzgeber bevorzugt mit der ersten Absperreinrichtung und/oder der zweiten Absperreinrichtung direkt elektrisch verbunden.
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Auch die Steuerung des Wärmepumpensystems nach dem dritten Aspekt der Erfindung kann in eine Regelung des Sekundärkreises und/oder eine Regelung des Primärkreises des Wärmepumpensystems eingebettet sein.
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Erfindungsgemäß wird nach einem vierten Aspekt ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmepumpensystem vorgeschlagen, wobei das Wärmepumpensystem einen Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einen Sekundärkreis zur Führung von Wasser und einen Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser umfasst, wobei das Verfahren zumindest die Schritte umfasst: (a) Überwachen eines Werts, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, (b) Erkennen eines Überschreitens des Wertes, der mit der Gasmenge in einem Gasabscheider korreliert, über einen vordefinierten Schwellwert, und (c) im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, Öffnen eines Ablassventils in dem Gasabscheider und vorzugsweise Schließen einer ersten Absperreinrichtung und/oder zweiten Absperreinrichtung.
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Erfindungsgemäß wird nach einem fünften Aspekt ein Wärmepumpensystem mit einem Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einem Sekundärkreis zur Führung von Wasser und einem Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser vorgeschlagen, wobei der Sekundärkreis einen Gasabscheider mit einem Schnellentlüfter und eine erste Absperreinrichtung umfasst, wobei das Wärmepumpensystem eine Steuerung umfasst, die ausgestaltet ist, (a) einen Wert für eine Gasströmung in dem Schnellentlüfter zu überwachen, (b) ein Überschreiten des Werts für die Gasströmung über einen vordefinierten Schwellwert für die Gasströmung zu erkennen, und (c) im Fall, dass der Wert für die Gasströmung den vordefinierten Schwellwert für die Gasströmung überschreitet, die erste Absperreinrichtung zu schließen.
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Der Wert einer Gasströmung in dem Schnellentlüfter kann als ein Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, verstanden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des fünften Aspekts der Erfindung umfasst der Sekundärkreis weiter eine zweite Absperreinrichtung und die Steuerung ist ferner ausgestaltet, im Fall, dass der Wert für die Gasströmung den vordefinierten Schwellwert für die Gasströmung überschreitet, die zweite Absperreinrichtung zu schließen.
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Bei dem Wärmepumpensystem nach dem fünften Aspekt der Erfindung ist die erste Absperreinrichtung bevorzugt in Strömungsrichtung des Wassers nach dem Gasabscheider angeordnet. Insbesondere umfasst der Sekundärkreis einen Vorlaufbereich, einen Heizbereich und einen Rücklaufbereich und die erste Absperreinrichtung ist bevorzugt in dem Vorlaufbereich angeordnet. Weiter ist bevorzugt, dass im Fall einer zweiten Absperreinrichtung die zweite Absperreinrichtung in einem Rücklaufbereich angeordnet ist. Weiter ist die zweite Absperreinrichtung bevorzugt ein Rückschlagventil.
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Die erste Absperreinrichtung umfasst vorteilhafterweise ein Ventil, wobei das Ventil bevorzugt ein Magnetventil oder ein druckgesteuertes Absperrventil ist. Insbesondere, wenn das Ventil ein druckgesteuertes Absperrventil ist, kann die Drucksteuerung direkt in Antwort auf das Abführen des Kältemittels und/oder Luft durch den Schnellentlüfter erfolgen.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Steuerung nach dem fünften Aspekt der Erfindung ausgestaltet ist, nach vollständiger Abführung des Kältemittels und/oder Luft, insbesondere durch den Schnellentlüfter, die erste Absperreinrichtung und ggf. die zweite Absperreinrichtung zu öffnen. Im Fall einer zweiten Absperreinrichtung ist vorteilhafterweise zwischen der ersten Absperreinrichtung und der zweiten Absperreinrichtung ein Sicherheitsüberdruckventil vorgesehen.
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Zusätzlich kann der Gasabscheider ein Ablassventil umfassen, das ausgestaltet ist, ein Kältemittel und/oder Luft, das in den Gasabscheider gelangt, abzuführen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des fünften Aspekts der Erfindung ist der Schnellentlüfter mit der ersten Absperreinrichtung und/oder der zweiten Absperreinrichtung direkt elektrisch verbunden.
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Die Steuerung nach dem fünften Aspekt der Erfindung kann in eine Regelung des Sekundärkreises und/oder eine Regelung des Primärkreises eingebettet sein.
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Erfindungsgemäß wird nach einem sechsten Aspekt ein Verfahren zur Steuerung des Wärmepumpensystems vorgeschlagen, wobei das Wärmepumpensystem einen Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einen Sekundärkreis zur Führung von Wasser und einen Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser umfasst, wobei das Verfahren zumindest die Schritte umfasst: (a) Überwachen eines Werts für eine Gasströmung in einem Schnellentlüfter an einem Gasabscheider, (b) Erkennen eines Überschreitens des Werts für eine Gasströmung über einen vordefinierten Schwellwert für die Gasströmung, und (c) im Fall, dass der Wert für die Gasströmung den vordefinierten Schwellwert für die Gasströmung überschreitet, Schließen einer ersten Absperreinrichtung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des sechsten Aspekts der Erfindung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt eines Schließens einer zweiten Absperreinrichtung im Fall, dass der Wert für die Gasströmung den vordefinierten Schwellwert für die Gasströmung überschreitet.
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Erfindungsgemäß wird nach einem weiteren Aspekt ein Computerprogramm mit Programmmitteln vorgeschlagen, die eine Steuerung eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems dazu veranlassen, die Schritte des entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm auf der Steuerung des Wärmepumpensystems ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem geeigneten Speichermedium, etwa einem optischen Speichermedium oder einem nicht flüchtigen elektronischen Speichermedium, vorgesehen, gespeichert und/oder vertrieben werden. Es kann auch zusammen mit oder als Teil einer Hardwarekomponente bereitgestellt werden. Das Computerprogramm kann auch auf andere Weise bereitgestellt werden, etwa über das Internet oder über drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationsmittel.
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Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterungen und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems,
- 2 eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems,
- 3 eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Abscheiders zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem,
- 4 eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Abscheiders zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem, und
- 5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Wärmepumpensystems, wie es zum Beispiel in 1 dargestellt ist.
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In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - so weit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.
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1 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmepumpensystems. Das Wärmepumpensystem 100 umfasst einen Primärkreis 110 zur Führung eines Kältemittels und einen Sekundärkreis 120 zur Führung von Wasser.
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Der Primärkreis 110 umfasst einen Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager 111, zum Beispiel in Form eines Verdampfers, einen Verdichter 112, einen Kältemittel/Wasser-Wärmeübertrager 113, zum Beispiel in Form eines Verflüssigers, eine Expansionseinrichtung 114, zum Beispiel in Form eines Drosselorgans, und eine Kältekreisumkehreinrichtung 115. Über den Wärmeübertrager 113 ist der Primärkreis 110 mit dem Sekundärkreis 120 thermisch verbunden, wobei der Wärmeübertrager 113 zum Beispiel ein Plattenwärmeüberträger sein kann.
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Der Sekundärkreis 120 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Gasabscheider 121, eine erste Absperreinrichtung 122, die zum Beispiel als elektrisch gesteuertes Ventil ausgestaltet sein kann, eine zweite Absperreinrichtung 123 und eine Umwälzpumpe 124. Der Gasabscheider 121 umfasst ein Ablassventil 125 und eine Detektionseinrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Detektionseinrichtung einen Füllstandsgrenzgeber 126 auf. Das Ablassventil 125 kann bei Überschreiten eines vordefinierten Schwellwertdrucks geöffnet werden. Über den Füllstandsgrenzgeber 126 wird ein Wert für einen Wasserfüllstand in dem Gasabscheider 121 überwacht. Der Wert für den Wasserfüllstand in dem Gasabscheider 121 kann beispielhaft als ein Wert verstanden werden, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider 121 korreliert. Insbesondere ist der Füllstandsgrenzgeber 126 ausgestaltet, das Überschreiten des Werts für den Wasserfüllstand über einen unteren vordefinierten Schwellwert für den Wasserfüllstand zu erkennen. Im Fall, dass der Wert für den Wasserfüllstand den unteren vordefinierten Schwellwert für den Wasserfüllstand überschreitet, wird die erste Absperreinrichtung 122 und die zweite Absperreinrichtung 123 geschlossen. Der Sekundärkreis umfasst einen Vorlaufbereich, einen Heizbereich 128 und einen Rücklaufbereich, wobei der Gasabscheider 121 und die erste Absperreinrichtung 122 in dem Vorlaufbereich und die erste Absperreinrichtung 122 in Strömungsrichtung des Wassers nach dem Gasabscheider 121 angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist die erste Absperreinrichtung 122 ein Ventil, zum Beispiel ein Magnetventil, das auf Basis des Werts für einen Wasserfüllstand in dem Gasabscheider 121 geschaltet, insbesondere geschlossen, wird. Die zweite Absperreinrichtung 123 ist in dem Rücklaufbereich des Sekundärkreises 120 angeordnet. Besonders vorteilhaft ist die zweite Absperreinrichtung 123 ein Rückschlagventil.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Gasabscheider 121 einen Entlüfter 127, der ausgestaltet ist, ein Kältemittel und/oder Luft, das in den Gasabscheider 121 gelangt, abzuführen. Bevorzugt werden die erste Absperreinrichtung 122 und die zweite Absperreinrichtung 123 derart angesteuert, dass nach vollständiger Abführung des Kältemittels und/oder Luft die erste Absperreinrichtung 122 und die zweite Absperreinrichtung 123 geöffnet werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Absperreinrichtung 122 direkt elektrisch mit dem Füllstandsgrenzgeber 126 verbunden. Zusätzlich oder alternativ kann auch die zweite Absperreinrichtung 123 direkt elektrisch mit dem Füllstandsgrenzgeber 126 verbunden sein.
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Alternativ zu einem Füllstandsgrenzgeber 126 kann auch eine andere Detektionseinrichtung zur Detektion eines Wertes verwendet werden, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider 121 korreliert. Beispielsweise kann der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, auch mit einem konduktiven Messverfahren, einem induktiven Messverfahren, einem kapazitiven Messverfahren, einem optischen Messverfahren, einem hydrostatischen Messverfahren, einem viskodynamischen Messverfahren, zum Beispiel über eine Schwinggabel, einem radarbasiertem Messverfahren, einem schwimmerbasierten Messverfahren, zum Beispiel über einen Schwimmerschalter, einem ultraschallbasierten Messverfahren und/oder einem thermischen Messverfahren, zum Beispiel über eine Wärmekapazität, ermittelt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems. Das Wärmepumpensystem 200 umfasst einen Primärkreis 210 zur Führung eines Kältemittels und einen Sekundärkreis 220 zur Führung von Wasser.
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Der Primärkreis 210 umfasst einen Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager 211, zum Beispiel in Form eines Verdampfers, einen Verdichter 212, einen Kältemittel/Wasser-Wärmeübertrager 213, zum Beispiel in Form eines Verflüssigers, eine Expansionseinrichtung 214, zum Beispiel in Form eines Drosselorgans, und eine Kältekreisumkehreinrichtung 215. Über den Wärmeübertrager 213 ist der Primärkreis 210 mit dem Sekundärkreis 220 thermisch verbunden, wobei der Wärmeübertrager 213 zum Beispiel ein Plattenwärmeübertrager sein kann.
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Der Sekundärkreis 220 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Gasabscheider 221, eine zweite Absperreinrichtung 223 und eine Umwälzpumpe 224.
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Der Gasabscheider 221 der zweiten Ausführungsform umfasst als Beispiel einer Detektionseinrichtung einen Füllstandsgrenzgeber 226. Der Füllstandsgrenzgeber 226 ist ausgestaltet, als Wert, der mit einer Gasmenge im Gasabscheider 221 korreliert, einen Füllstand des Wassers zu überwachen. Der Gasabscheider 221 umfasst zudem ein Ablassventil 225, das vorzugsweise als Magnetventil ausgestaltet ist, und auf, das heißt oben an, dem Gasabscheider 221 vorgesehen ist. Das Wärmepumpensystem 200 umfasst eine Steuerung, die ausgestaltet ist, einen Wert für einen Wasserfüllstand mithilfe des Füllstandsgrenzgebers 226 im Gasabscheider 221 zu überwachen, ein Überschreiten des Werts für den Wasserfüllstand über einen unteren vordefinierten Schwellwert für den Wasserfüllstand zu erkennen und im Fall, dass der Wert für den Wasserfüllstand den unteren vordefinierten Schwellwert für den Wasserfüllstand überschreitet, das Ablassventil 225 oben an dem Gasabscheider 221 zu öffnen und ggf. die zweite Absperreinrichtung 223 zu schließen. Die Ansteuerung der zweiten Absperreinrichtung 223 kann besonders bevorzugt über eine direkte elektrische Verbindung zu dem Füllstandsgrenzgeber 226 erfolgen.
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Im Fall, dass der Wert für den Wasserfüllstand unter einen Schwellwert sinkt, d.h. diesen überschreitet, wird das Ablassventil 225 geöffnet, so dass das Kältemittel, das in den Abscheider 221 gelangt, in die Umgebung entweicht. Insbesondere kann bevorzugt das Ablassventil 225 im Gasabscheider 221 bei einem Überdruck im Gasabscheider 221 öffnen.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuerung des Wärmepumpensystems 200 weiter ausgestaltet, die zweite Absperreinrichtung 223 nach vollständiger Abführung des Kältemittels und/oder Luft durch das Ablassventil 225 zu öffnen. Die Ansteuerung der zweiten Absperreinrichtung 223 kann besonders bevorzugt über eine direkte elektrische Verbindung zu dem Füllstandsgrenzgeber 226 erfolgen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein Wärmepumpensystem mit einer zweiten Absperreinrichtung bzw. einer Ansteuerung der zweiten Absperreinrichtung, beschränkt.
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In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Gasabscheider 221 zudem einen Entlüfter 227, der ausgestaltet ist, ein Kältemittel und/oder Luft, insbesondere kleine Mengen Kältemittel und/oder Luft, das/die in den Gasabscheider 221 gelangt, abzuführen. Bevorzugt ist der Entlüfter 227 als Luftabscheider gedacht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein Wärmepumpensystem mit einem Entlüfter 227 in dem Gasabscheider 221 beschränkt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines Abscheiders 300 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems. Der Abscheider 300 ist ein Zentrifugalabscheider und umfasst einen tangentialen Einlass 310 und einen radialen Auslass 320. In einem oberen Bereich umfasst der Abscheider 300 zudem einen Schnellentlüfter 330 und ein Ablassventil 340. Zudem ist im oberen Bereich des Abscheiders ein Sensor 350 angebracht, der angepasst ist, einen Wert, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider 300 korreliert, zu überwachen. Der Gasabscheider weist an dem Auslass 320 eine erste Absperreinrichtung in Form eines Magnetventils 360 auf. Das Magnetventil 360 wird derart angesteuert, dass im Fall, dass der durch den Sensor 350 ermittelte Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider 300 korreliert, eine vordefinierten Schwellwert überschreitet, das Magnetventil 360 geschlossen wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines Abscheiders 400 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem. Der Abscheider 400 ist ebenfalls ein Zentrifugalabscheider und umfasst einen tangentialen Einlass 410 und einen radialen Auslass 420. In einem oberen Bereich umfasst der Abscheider 400 einen Schnellentlüfter 430, ein Ablassventil 440 und einen Sensor 450. Der Sensor 450 ist angepasst, einen Wert, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider 400 korreliert, zu überwachen. Das Ablassventil 440 des Gasabscheiders 400 weist ein Ventil, bevorzugt ein Magnetventil 460, auf. Das Magnetventil 460 wird derart angesteuert, dass im Fall, dass der durch den Sensor 450 überwachte Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider 400 korreliert, eine vordefinierten Schwellwert überschreitet, das Magnetventil 460 geschlossen wird.
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5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens 500. Das Verfahren ist zur Steuerung eines Wärmepumpensystems vorgesehen, wobei das Wärmepumpensystem einen Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einen Sekundärkreis zur Führung von Wasser und einen Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser umfasst, wobei das Verfahren zumindest die Schritte 510, 520 und 530 umfasst, die im Folgenden beschrieben werden.
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In Schritt 510 wird ein Wert überwacht, der mit einer Gasmenge in einem Gasabscheider in dem Sekundärkreis korreliert. In Schritt 520 wird der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, mit einem vordefinierten Schwellwert verglichen und in Schritt 530 im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, eine erste Absperreinrichtung, und vorzugsweise auch eine zweite Absperreinrichtung, in dem Sekundärkreis geschlossen.
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Das Verfahren 500 kann zum Beispiel durch ein erfindungsgemäßes Wärmepumpensystem 100, insbesondere der entsprechenden Steuerung, ausgeführt werden.
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Alternativ kann in einem Schritt 530 im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert unter- bzw. überschreitet, ein Ablassventil in dem Gasabscheider geöffnet werden und ggf. eine Absperreinrichtung, insbesondere eine erste Absperreinrichtung und/oder eine zweite Absperreinrichtung, geschlossen werden.
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Die erfindungsgemäßen Wärmepumpensysteme und die entsprechenden Verfahren ermöglichen, dass brennbares Kältemittel im Fall einer internen Leckage im Wärmeübertrager nicht über den Wasserkreislauf in den Heizbereich, der normalerweise in einem Wohnbereich eines Hauses angeordnet ist, gelangt. Dadurch kann die Sicherheit von Wohnbereichen mit den erfindungsgemäßen Wärmepumpensystemen erhöht werden.
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Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für Fachleute - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutierten Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
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Es folgen weitere erfindungsgemäße Überlegungen:
- Bei der Entwicklung einer neuen Luft-Wasser-Wärmepumpe mit R290, d.h. Propan, als Kältemittel wurde die Problematik erkannt, dass durch einen Defekt (zum Beispiel einem allgemeinen Defekt oder einem Defekt durch gefrierendes Wasser) am Wärmeübertrager, der zum Beispiel ein Plattenwärmeübertrager sein kann, Kältemittel in den Sekundärkreis, d.h. den Heizkreis der Wärmepumpe, eintreten kann, welches anschließend über das Verteilsystem in ein Haus gelangen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Menge an brennbarem Kältemittel, welche in das Verteilsystem des Hauses eintritt, auf eine unkritische Menge durch Abscheidung aus dem Wasser zu reduzieren.
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Um zu verhindern, dass Kältemittel im Fall einer internen Leckage im Kältemittel/Wasser-Wärmeübertrager über den Wasserkreislauf ins Wohngebäude gelangt, wird nach dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung beispielsweise der Wasserfüllstand im Gasabscheider überwacht. Sinkt dieser unter einen Schwellwert, wird dies über einen entsprechenden Füllstandsgrenzgeber erkannt und in weiterer Folge eine erste Absperreinrichtung in Strömungsrichtung nach dem Gasabscheider geschlossen. Im Rücklauf kann ebenfalls eine zweite Absperreinrichtung angeordnet sein, die verhindert, dass Gas ins Wohngebäude gelangt.
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Vorteilhafterweise wird durch einen Schalter oder Sensor im Gasabscheider des Sekundärkreises der Gasstand bzw. der Wasserstand ermittelt und auf Basis dieser Information der Wärmeübertrager, d.h. Plattenwärmeübertrager, durch ein Ventil (im Vorlauf) und ein Rückschlagventil (im Rücklauf) vom restlichen Heizkreis abgesperrt, und das austretende Kältemittel und/oder Luft zum Beispiel über den Entlüfter und/oder das Ablassventil am Abscheider abgeführt. Ist das Kältemittel und/oder die Luft vollständig abgeführt, wird bevorzugt die Wasserströmung wieder freigegeben. Dadurch wird sicher verhindert, dass brennbares Kältemittel ins Wohngebäude gelangt.
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Anwendung kann die Erfindung bei allen Wärmepumpenneuentwicklungen finden, welche brennbare Kältemittel zum Betrieb des Kältekreises verwenden.
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Um beim Ansprechen der Absperreinrichtung einen zu großen Druckanstieg im Wasserkreis zu verhindern, wird bevorzugt ein Sicherheitsüberdruckventil im Wasserkreislauf zwischen der ersten Absperreinrichtung und der zweiten Absperreinrichtung angebracht. Die zweite Absperreinrichtung kann vorzugweise als Rückströmverhinderer, d.h. Rückschlagventil, ausgeführt werden. Der Füllstandsgrenzgeber kann weiter bevorzugt direkt elektrisch mit der ersten und ggf. zweiten Absperreinrichtung verbunden sein. Das elektrische Signal des Füllstandsgrenzgebers wird dann von der Regelung ausgewertet. Die Absperreinrichtung(en) ist/sind vorzugsweise als „normally closed“-Ventil(e) ausgeführt.
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Um zu verhindern, dass Kältemittel im Fall einer internen Leckage im Kältemittel/Wasser-Wärmeüberträger über den Wasserkreislauf ins Wohngebäude gelangt, wird nach einem dritten und vierten Aspekt der Erfindung der Wasserfüllstand im Gasabscheider überwacht. Sinkt der Wasserfüllstand unter einen Schwellwert, wird dies bevorzugt über einen entsprechenden Füllstandsgrenzgeber erkannt und in weiterer Folge zum Beispiel ein Magnetventil, welches auf dem Gasabscheider angebracht ist, geöffnet. Dadurch entweicht das Kältemittel in die Umgebung. Im Rücklauf ist bevorzugt ein Rückstromverhinderer, d.h. ein Rückschlagventil, angeordnet, der verhindert, dass Kältemittel ins Wohngebäude gelangt.
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Um zu verhindern, dass Kältemittel im Fall einer internen Leckage im Kältemittel/Wasser-Wärmeüberträger über den Wasserkreislauf ins Wohngebäude gelangt, wird nach einem fünften und sechsten Aspekt der Erfindung in Strömungsrichtung nach dem Gasabscheider ein druckgesteuertes Absperrventil verbaut. Die Steuerleitung wird in dieser Ausführungsform mit dem Ausgang des Schnellentlüfters verbunden. In der Steuerleitung ist ein Abgang, welcher über ein Drosselelement in die Atmosphäre führt.
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Gelangt Kältemittel über den Kältemittel/Wasser-Wärmeübertrager in den Sekundärkreis, wird dieses im Gasabscheider abgeschieden und über den Schnellentlüfter in die Steuerleitung geführt, wo es über das Drosselelement in die Atmosphäre gelangt. Je größer die Menge an Kältemittel über die Zeit, die durch das Drosselelement strömt, umso höher ist auch der Druckabfall und damit der Druck in der Steuerleitung. Wird ein bestimmter Druck überschritten, schaltet die erste Absperreinrichtung und schließt somit die Verbindung ins Wohngebäude. Im Rücklauf ist bevorzugt ebenfalls eine zweite Absperreinrichtung angeordnet, die verhindert, dass Gas ins Wohngebäude gelangt.
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Um beim Ansprechen der Absperreinrichtung einen zu großen Druckanstieg im Wasserkreis zu verhindern, wird vorzugsweise ein Sicherheitsüberdruckventil im Wasserkreislauf zwischen der ersten und zweiten Absperreinrichtung angebracht. Die zweite Absperreinrichtung wird vorzugweise als Rückströmverhinderer, d.h. Rückschlagventil, ausgeführt. Der Betätigungsdruck (Überdruck) der ersten Absperreinrichtung liegt in einem Bereich von bis zu 3 bar, bevorzugt 0,3 bis 1,2 bar, besonders bevorzugt wenigstens ca. 0,4 bar. Das Drosselelement ist vorzugsweise eine Blende oder Kapillare.
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Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einem Primärkreis zur Führung eines Kältemittels, einem Sekundärkreis zur Führung von Wasser, und einem Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wasser, wobei der Sekundärkreis einen Gasabscheider und eine erste Absperreinrichtung oder ein Ablassventil umfasst. Das Wärmepumpensystem umfasst eine Steuerung, die ausgestaltet ist, (a) einen Wert, der mit einer Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, zu überwachen, (b) ein Überschreiten des Werts, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, über einen vordefinierten Schwellwert zu erkennen, und (c) im Fall, dass der Wert, der mit der Gasmenge in dem Gasabscheider korreliert, den vordefinierten Schwellwert überschreitet, die erste Absperreinrichtung zu schließen und/oder das Ablassventil zu öffnen. Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem ermöglicht, eine Menge an brennbarem Kältemittel im Sekundärkreis auf eine unkritische Menge zu reduzieren.
