DE102022205345A1

DE102022205345A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Klimatisierung eines Gebäudes

Info

Publication number: DE102022205345A1
Application number: DE102022205345.1A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hilzinger; Olaf Ohlhafer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur Klimatisierung eines Gebäudes, insbesondere in Form einer Wärmepumpe (101), mit einem einen Eintritt (13) und einen Austritt (14) für ein Medium aufweisenden Verdichter 10), mit einem ersten, einem Innenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher (18) für das Medium, der einen ersten Eintrittsbereich (26) und einen ersten Austrittsbereich (28) aufweist, mit einem zweiten, einem Außenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher (20) für das Medium, der einen zweiten Eintrittsbereich (29) und einen zweiten Austrittsbereich (31) aufweist, wobei die beiden Wärmetauscher (18, 20) mittels einer Verbindungsleitung (24) in Reihenschaltung zueinander angeordnet sind, und mit einer insbesondere als Ventileinrichtung ausgebildeten Umschalteinrichtung (15) zur Verbindung des Austritts (14) des Verdichters (10) mit dem ersten Wärmetauscher (18) oder dem zweiten Wärmetauscher (20).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Klimatisierung eines Gebäudes mittels einer Wärmepumpe, bei dem mit relativ geringem vorrichtungstechnischem Aufwand bzw. unter Verwendung relativ einfach aufgebauter Komponenten ein Umkehrbetrieb an Wärmetauschern der Wärmepumpe ermöglicht wird.
Stand der Technik
Eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Gebäudes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Form einer Wärmepumpe ist aus der Praxis bereits bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen ersten Wärmetauscher auf, der einem Innenbereich des Gebäudes zugeordnet ist, sowie einen zweiten Wärmetauscher, der über eine Verbindungsleitung und unter Zwischenschaltung eines Expansionsventils mit dem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, wobei der zweite Wärmetauscher einem Außenbereich des Gebäudes zugeordnet und typischerweise in einem Gehäuse angeordnet ist.
Bei bestimmten Wetterbedingen kann es zu einer teilweisen oder kompletten Vereisung des zweiten Wärmetauschers (im Außenbereich) bei der Kondensation kommen, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Vorrichtung bzw. der Wärmepumpe auswirkt. Daher muss der zweite Wärmetauscher bei Vereisung in bestimmten Abständen abgetaut werden.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klimatisierung eines Gebäudes, insbesondere in Form einer Wärmepumpe, mit einem einen Eintritt und einen Austritt für ein Medium aufweisenden Verdichter, mit einem ersten, einem Innenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher für das Medium, der einen ersten Eintrittsbereich und einen ersten Austrittsbereich aufweist, mit einem zweiten, einem Außenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher für das Medium, der einen zweiten Eintrittsbereich und einen zweiten Austrittsbereich aufweist, wobei die beiden Wärmetauscher mittels einer Verbindungsleitung in Reihenschaltung zueinander angeordnet sind, und mit einer insbesondere als Ventileinrichtung ausgebildeten Umschalteinrichtung zur Verbindung des Austritts des Verdichters mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher, wobei der Austritt des Verdichters in einer ersten Stellung der Umschalteinrichtung mit dem ersten Wärmetauscher und in einer zweiten Stellung zur Realisierung eines Umkehrbetriebs mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die dazu verwendeten Komponenten ausschließlich dazu ausgebildet sein können, in einer einzigen Richtung durchströmt zu werden. Dies vereinfacht die Komponentenauswahl und erhöht den Wirkungsgrad der Vorrichtung. Darüber hinaus wird gegebenenfalls die Anzahl der zum Betrieb benötigten Komponenten der Vorrichtung reduziert.
Es ist daher bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Gebäudes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, dass die beiden Wärmetauscher bei beiden Stellungen der Umschalteinrichtung jeweils in der gleichen Richtung durchströmbar sind, wobei in beiden Stellungen der Umschalteinrichtung der jeweilige Wärmetauscher jeweils von seinem Eintrittsbereich in Richtung seines Austrittsbereichs durchströmbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Gebäudes sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Eine erste konstruktive Umsetzung des allgemeinen Erfindungsgedankens sieht vor, dass die Umschalteinrichtung vier 3/2-Wegeventile umfasst, wobei ein erstes 3/2-Wegeventil dem Verdichter bzw. Kompressor, ein zweites 3/2-Wegeventil dem ersten Wärmetauscher, ein drittes 3/2-Wegeventil der Verbindungsleitung zwischen den beiden Wärmetauschern und ein viertes 3/2-Wegeventil dem zweiten Wärmetauscher zugeordnet ist.
In konstruktiver Ausgestaltung des zuletzt genannten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die 3/2-Wegeventile, in Strömungsrichtung des Mediums bzw. Kältemittels betrachtet, dem Ausgang des Verdichters bzw. Kompressors, der Verbindung in Richtung zum zweiten Wärmetauscher und den Austrittsbereichen der beiden Wärmetauscher zugeordnet sind.
In alternativer Ausgestaltung der Verwendung von vier 3/2-Wegeventilen kann es auch vorgesehen sein, die Umschalteinrichtung unter Verwendung von zwei 4/2-Wegeventilen auszubilden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die vier 3/2-Wegeventile oder die zwei 4/2-Wegeventile in einem gemeinsamen Ventilblock zusammengefasst angeordnet sind und mittels eines gemeinsamen Umschaltelements bzw. Aktuators zwischen den beiden (Betriebs-) Stellungen verstellbar sind. Eine derartige Anordnung der Wegeventile in einem gemeinsamen Ventilblock und der Verwendung eines gemeinsamen Umschaltelements ermöglicht einen besonders kompakten und einfachen Aufbau der Umschalteinrichtung.
In Weiterbildung eines derartigen Ventilblocks ist dieser in Form eines Schiebeventils ausgebildet.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Wärmetauschern wenigstens eine weitere Strömungskomponente, insbesondere ein Expansionsventil, angeordnet ist.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Klimatisierung eines Gebäudes, insbesondere mittels einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei ein einem Innenbereich eines Gebäudes zugeordneter erster Wärmetauscher und ein einem Außenbereich des Gebäudes zugeordneter zweiter Wärmetauscher mittels einer Umschalteinrichtung, die mit einem Austritt eines Kompressor zusammenwirkt, mittels zweier Stellungen der Umschalteinrichtung in zwei unterschiedliche Reihenfolgen der beiden Wärmetauscher durchströmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass unabhängig von der Reihenfolge des Durchströmens der beiden Wärmetauscher diese jeweils in der gleichen Richtung durchströmt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung des allgemeinen Verfahrensgedankens sieht vor, dass zusätzlich wenigstens eine Strömungskomponente, insbesondere ein Expansionsventil, in einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Wärmetauschern angeordnet ist, und dass die wenigstens eine zusätzliche Strömungskomponente ebenfalls stets in der gleichen Richtung durchströmt wird.
Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Umschalteinrichtung zur Realisierung seiner beiden Schaltstellungen mittels eines einzigen Aktuators verstellt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Gebäudes, bei der eine erste Betriebsart und eine zweite Betriebsart in Form eines Umkehrbetriebs realisiert werden, wobei zwei Wärmetauscher der Vorrichtung in derselben Richtung durchströmt werden,
2 und 3 eine technische Umsetzung einer in der 1 vereinfacht dargestellten Schalteinrichtung zur Realisierung der beiden Betriebsarten unter Verwendung von vier 3/2-Wegeventilen,
4 eine technische Umsetzung der Konfiguration gemäß der 2 und 3 in Form eines Schiebeventils in einer ersten Schaltstellung,
5 das Schiebeventil gemäß 4 in einer zweiten Schaltstellung,
6 eine technische Umsetzung der Lösung in Analogie zu den 2 und 3 in Form zweier 4/2-Wegeventile in unterschiedlichen Schaltstellungen und
7 eine schematische Darstellung der Anordnung gemäß der 6 in Form eines Ventilblocks.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 sind die wesentlichen Komponenten einer Vorrichtung 100 in Form einer Wärmepumpe 101 zur Klimatisierung eines nicht dargestellten Gebäudes, insbesondere eines Wohngebäudes, dargestellt. Die Vorrichtung 100 weist einen Verdichter 10, insbesondere in Form eines Kompressors 12, für ein Medium, insbesondere ein Kältemittel, auf. Der Kompressor 12 hat einen Kompressoreintritt 13 und einen Kompressoraustritt 14. Der Kompressoreintritt 13 und der Kompressoraustritt 14 sind mit einer Umschalteinrichtung 15 verbunden. Die Umschalteinrichtung 15 wirkt darüber hinaus mit einem ersten, einem Innenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher 18, einem zweiten Wärmetauscher 20, der einem Außenbereich des Gebäudes zugeordnet ist, und einer weiteren Strömungskomponente 22 in Form eines Expansionsventils 23 zusammen. Dabei ist der erste Wärmetauscher 18 über eine Verbindungsleitung 24 mit dem Expansionsventil 23 verbunden, welches wiederum über die Verbindungsleitung 24 mit dem zweiten Wärmetauscher 20 verbunden ist.
Wie darüber hinaus anhand der 1 erkennbar ist, weist der erste Wärmetauscher 18 einen ersten Eintrittsbereich 26 und einen ersten Austrittsbereich 28 auf. Der zweite Wärmetauscher 20 weist einen zweiten Eintrittsbereich 29 und einen zweiten Austrittsbereich 31 auf.
Sowohl beim Kompressor 12, als auch beim Expansionsventil 23 und bei den beiden Wärmetauschern 18, 20 und der Umschalteinrichtung 15 sind darüber hinaus erste Strömungspfeile 32 und gestrichelt dargestellte zweite Strömungspfeile 34 eingezeichnet. Die beiden Strömungspfeile 32, 34 kennzeichnen unterschiedliche Schaltstellungen der Umschalteinrichtung 15 zur Realisierung unterschiedlicher Betriebsarten der Vorrichtung 100. In der ersten, durch die ersten Strömungspfeile 32 gekennzeichneten und einen Heizbetrieb realisierenden Richtung wird das Medium (Kältemittel) vom Kompressoraustritt 14 über die Umschalteinrichtung 15 zum ersten Eintrittsbereich 26 des ersten Wärmetauschers 18 geleitet. Vom ersten Austrittsbereich 28 des ersten Wärmetauschers 18 gelangt das Medium über die Umschalteinrichtung 15 anschließend zum Expansionsventil 23, und von dort über die Umschalteinrichtung 15 zum zweiten Eintrittsbereich 29 des zweiten Wärmetauscher 20. Vom zweiten Austrittsbereich 31 des zweiten Wärmetauschers 20 gelangt das Medium wiederum über die Umschalteinrichtung 15 zum Kompressoreintritt 13.
In der zweiten, durch die gestrichelt dargestellten Strömungspfeile 34 gekennzeichneten und einen Kühlbetrieb realisierenden Stellung der Umschalteinrichtung 15 gelangt das Medium vom Kompressoraustritt 14 über die Umschalteinrichtung 15 zunächst zum zweiten Eintrittsbereich 29 des zweiten Wärmetauschers 20. Vom zweiten Ausgangsbereich 31 des zweiten Wärmetauschers 20 gelangt das Medium anschließend über die Umschalteinrichtung 15 zum Expansionsventil 23, welche wiederum das Medium über die Umschalteinrichtung 15 in Richtung des ersten Eintrittsbereichs 26 des ersten Wärmetauschers 18 führt. Vom ersten Austrittsbereichs 28 des ersten Wärmetauschers 18 gelangt das Medium wiederum über die Umschalteinrichtung 15 zum Kompressoreintritt 13.
Wie aus den obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den Richtungen der Strömungspfeile 32 und 34 in der 1 erkennbar ist, ermöglicht es die Umschalteinrichtung 15, unabhängig von der Reihenfolge, in welcher die beiden Wärmetauscher 18, 20 von dem Medium durchströmt werden bzw. ob ein Heizbetrieb oder ein Kühlbetrieb realisiert werden soll, stets eine Durchströmungsrichtung sowohl der beiden Wärmetauscher 18, 20 als auch des Expansionsventils 23 in derselben Richtung.
In den 2 und 3 ist die Umschalteinrichtung 15 in einer ersten technischen Umsetzung dahingehend realisiert, dass die Umschalteinrichtung 15 vier 3/2-Wegeventile 35 bis 38 aufweist. Insbesondere ist anhand der 2 und 3 auch erkennbar, wie durch eine entsprechende Verstellung der 3/2-Wegeventile 35 bis 38 die entsprechenden Durchströmungsrichtungen an den beiden Wärmetauschern 18 und 20 sowie dem Expansionsventil 23 realisiert werden.
In den 4 und 5 ist die Umschalteinrichtung 15 in Form eines Ventilblocks 40 dargestellt, der in Form eines Schieberventils 42 mit einem Aktuator 44 dazu ausgebildet ist, die beiden angesprochenen Schaltstellungen der Umschalteinrichtung 15 zu realisieren. Die 4 und 5 zeigen dabei in Abhängigkeit der Stellung des Aktuators 44 die unterschiedlichen Schaltstellungen und die Verbindung mit den einzelnen Komponenten der Vorrichtung 100, wobei in der 4 der Heizbetrieb entsprechend der 2 und in der 5 der Kühlbetrieb entsprechend der 3 realisiert wird.
Anstelle der Verwendung von vier 3/2-Wegeventilen 35 bis 38 kann es auch entsprechend der Darstellung der 6, die die erste Schaltstellung gemäß der 4 darstellt, vorgesehen sein, zwei 4/2-Wegeventile 46 und 47 zu verwenden, was durch die Trennlinie 48 in dem Ventilblock 40 verdeutlicht sein soll. Die zwei 4/2-Wegeventile 46 und 47 können dabei entsprechend der schematischen Darstellung der 7 ebenfalls in Form eines Ventilblocks 50 zur raumsparenden Anordnung kombiniert werden.
Die soweit beschriebene Vorrichtung 100, insbesondere die Umschalteinrichtung 15, kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Vorrichtung (100) zur Klimatisierung eines Gebäudes, insbesondere in Form einer Wärmepumpe (101), mit einem einen Eintritt (13) und einen Austritt (14) für ein Medium aufweisenden Verdichter 10), mit einem ersten, einem Innenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher (18) für das Medium, der einen ersten Eintrittsbereich (26) und einen ersten Austrittsbereich (28) aufweist, mit einem zweiten, einem Außenbereich des Gebäudes zugeordneten Wärmetauscher (20) für das Medium, der einen zweiten Eintrittsbereich (29) und einen zweiten Austrittsbereich (31) aufweist, wobei die beiden Wärmetauscher (18, 20) mittels einer Verbindungsleitung (24) in Reihenschaltung zueinander angeordnet sind, und mit einer insbesondere als Ventileinrichtung ausgebildeten Umschalteinrichtung (15) zur Verbindung des Austritts (14) des Verdichters (10) mit dem ersten Wärmetauscher (18) oder dem zweiten Wärmetauscher (20), wobei der Austritt (14) des Verdichters (10) in einer ersten Stellung der Umschalteinrichtung (15) mit dem ersten Wärmetauscher (18) und in einer zweiten Stellung zur Realisierung eines Umkehrbetriebs mit dem zweiten Wärmetauscher (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (15) dazu ausgebildet ist, dass die beiden Wärmetauscher (18, 20) bei beiden Stellungen der Umschalteinrichtung (15) jeweils in der gleichen Richtung (32, 34) durchströmbar sind, wobei in beiden Stellungen der Umschalteinrichtung (15) der jeweilige Wärmetauscher (18, 20) jeweils von seinem Eintrittsbereich (26, 29) in Richtung seines Austrittsbereichs (28, 31) durchströmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (15) vier 3/2-Wegeventile (35 bis 38) aufweist, wobei ein erstes 3/2-Wegeventil (35) dem Verdichter (10), ein zweites 3/2-Wegeventil (36) dem ersten Wärmetauscher (18), ein drittes 3/2-Wegevenltil (37) der Verbindungsleitung (24) und ein viertes 3/2-Wegeventil (38) dem zweiten Wärmetauscher (20) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die 3/2-Wegeventile (35 bis 38), in Strömungsrichtung des Mediums betrachtet, dem Ausgang (14) des Verdichters (10), der Verbindungleitung in Richtung zum zweiten Wärmetauscher (20) und den Austrittsbereichen (28, 31) der beiden Wärmetauscher (18, 20) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (15) zwei 4/2-Wegeventile (46, 47) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vier 3/2-Wegeventile (35 bis 38) oder die zwei 4/2-Wegeventile (46, 47) in einem gemeinsamen Ventilblock (40; 50) zusammengefasst angeordnet sind und mittels eines gemeinsamen Aktuators (44) zwischen den beiden Stellungen verstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilblock (40; 50) in Form eines Schieberventils (42) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (24) zwischen den beiden Wärmetauschern (18, 20) wenigstens eine weitere Strömungskomponente (22), insbesondere ein Expansionsventil (23), angeordnet ist.
Verfahren zur Klimatisierung eines Gebäudes, insbesondere mittels einer Vorrichtung (100), die nach einem der Ansprüche1 bis 7 ausgebildet ist, wobei ein einem Innenbereich eines Gebäudes zugeordneter erster Wärmetauscher (18) und ein einem Außenbereich des Gebäudes zugeordneter zweiter Wärmetauscher (20) mittels einer Umschalteinrichtung (15), die mit einem Austritt (14) eines Verdichters (10) zusammenwirkt, mittels zweier Stellungen einer Umschalteinrichtung (15) in zwei unterschiedliche Reihenfolgen der beiden Wärmetauscher (18, 20) durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der Reihenfolge des Durchströmens der beiden Wärmetauscher (18, 20) diese jeweils in der gleichen Richtung (32, 34) durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens eine Strömungskomponente (22), insbesondere ein Expansionsventil (23), die in einer Verbindungsleitung (24) zwischen den beiden Wärmetauschern (18, 20) angeordnet ist, stets in der gleichen Richtung durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (15) zur Realisierung seiner beiden Stellungen mittels eines einzigen Aktuators (44) verstellt wird.