DE19620399A1 - Verfahren zum Heizen mit einer Wärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen mit einer Wärmepumpe sowie mit einem Wärmequellen- und einem Verbraucherkreislauf, die mit einer wäßrigen Wärmeträger-Flüssigkeit (z. B. Wasser/Glykol-Gemisch) gefüllt sind, zwischen denen ein in sich geschlossener Wärmepumpenkreislauf angeordnet ist, wobei die Wärmequellen- und Verbraucherkreisläufe jeweils eine Umwälzpumpe aufweisen.

In der DE-OS 26 20 133 ist eine Einrichtung zum Beheizen oder Kühlen von Räumen gezeigt, bei der - über eine Wärmepumpe getrennt - ein separater Wärmequellenkreislauf sowie ein separater Verbraucherkreislauf vorhanden ist. Wärmequellen- und auch Verbraucherkreislauf sind mit einer wäßrigen Lösung gefüllt, ggf. unter Zugabe eines Antifrostmittels. Die Wärme wird vom Wärmequellenkreislauf zum Verbraucherkreislauf über einen Wärmepumpenkreislauf transportiert, der in sich geschlossen ist und der ein Kältemittel enthält, das sich von dem Wärmeträger der beiden anderen Kreisläufe unterscheidet. Bei dieser bekannten Einrichtung wird die Energie der Wärmequelle auf den Verdampfer, und unter Zuhilfenahme eines Kompressors auf den Kondensator des Wärmepumpenkreislaufes übertragen, von dem aus wiederum über den geschlossenen Verbraucherkreislauf z. B. ein Konvektor zum Heizen von Räumen versorgt wird.

In dem Verbraucherkreislauf ist bei dieser bekannten Einrichtung ein zusätzlicher Wärmeaustauscher angeordnet, mit dem Wärme aus dem Verbraucherkreislauf auf den Wärmequellenkreislauf geschaltet werden kann, z. B. dann, wenn ein Abtauprozeß im Wärmequellenkreislauf erforderlich ist. Dieser Wärmequellenkreislauf entnimmt bei bestimmungsgemäßem Betrieb seine Energie der Umgebung, wobei hier Luft, Gewässer oder Erdreich erwähnt ist.

Der Kühlprozeß bei dieser bekannten Einrichtung ergibt sich aus der dort gezeigten Fig. 3 und sieht vor, die Kreisläufe hinsichtlich ihrer Zuschaltung auf die Wärmeaustauscher des Wärmepumpenkreislaufes zu vertauschen. Es handelt sich hier an sich um den klassischen Umschaltprozeß, d. h. hier wird der Verdampfer der Wärmepumpe zum Kondensator, und der Kondensator zum Verdampfer umfunktioniert.

Aus der US-PS 1,981,730 ist es im übrigen bekannt, das Erdreich zum Kühlen städtischen Brauchwassers einzusetzen. Das Kühlen unter Zuhilfenahme der in der o.g. DE-OS 26 20 133 beschriebenen Einrichtung ist sehr aufwendig, da hier die Strömungskreisläufe getrennt über Vor- und Rücklauf untereinander vertauscht werden müssen. Es hat sich gezeigt, daß auch in den Sommermonaten das Wärmeangebot innerhalb tiefer gelegenen Schichten des Erdreiches nahezu konstant bei etwa 8°C liegt. Diese Tatsache ist durch die o.g. US-PS bereits zum Kühlen ausgenutzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der für das Heizen notwendigen Komponenten ein Kühlen mit deutlich vermindertem regelungstechnischen Aufwand zu realisieren.

Dies löst die Erfindung mit den Maßnahmen, wie sie im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben sind. Die Zeichnung dient der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Eine Heizungsanlage (1) weist einen Wärmepumpenkreislauf (2) auf, in dem ein Kompressor (3), ein erster Kondensator-Wärmeaustauscher (4) und ein zweiter Kondensator-Wärmeaustauscher (5) angeordnet sind. Hinter den Wärmeaustauscher (5) ist ein Expansionsventil (6) geschaltet das dazu dient, flüssiges Kältemittel zu entspannen, welches innerhalb des Verdampfer-Wärmeaustauschers (7) durch Wärmeaufnahme wieder verdampft, um danach dem Kompressor (3) erneut zugeführt zu werden. An den Wärmeaustauschern (4, 5) gibt das unter hohem Druck befindliche Kältemittel Wärme ab.

Der Wärmeaustauscher (4) gibt seine Wärme auf einen Wärmeträgerkreislauf (8) ab, der einen Warmwasserspeicher (9) aufheizt. Der Wärmeaustauscher (5) steht mit einem Verbraucherkreislauf (10) in Verbindung, in dem eine Umwälzpumpe (11) für die Umwälzung des Wärmeträgermediums sorgt, das hier aus einer wäßrigen Lösung besteht. In den Verbraucherkreislauf (10) ist ein 3-Wegeventil (12) eingeschaltet, von dem aus eine Leitung (13) auf einen Wärmequellenkreislauf (14) geschaltet ist.

Der Wärmequellenkreislauf (14) führt zu dem Verdampfer-Wärmeaustauscher (7), und in den Wärmequellenkreislauf (14) ist ein weiteres 3-Wege-Ventil (15) geschaltet, von dem aus eine Leitung (16) auf den Verbraucherkreislauf (10) geführt ist. Auch im Wärmequellenkreislauf (14) befindet sich eine wäßrige Wärmeträgerflüssigkeit, die unter Zuhilfenahme einer Umwälzpumpe (17) umgewälzt wird.

Mit dieser so aufgebauten Heizungsanlage lassen sich durch eine einfache Regelung die Betriebszustände Heizen, Kühlen, sowie Kühlen mit Warmwasserbereitung erreichen.

Im Heizbetrieb sind die 3-Wege-Ventile (12, 15) so geschaltet, daß der Verbraucherkreislauf (10) auf den Wärmeaustauscher (5), und der Wärmequellenkreislauf (14) auf den Wärmeaustauscher (7) des Wärmepumpenkreislaufes (2) geschaltet ist. Dabei sind die Umwälzpumpen (11, 17) eingeschaltet. Auch der Wärmepumpenkreislauf (2), d. h. der Kompressor (3) ist eingeschaltet. Das verdichtete Kältemittel gibt am Kondensator (4) und/oder Kondensator (5) Wärme ab, die unter Zuhilfenahme der Umwälzpumpe (11) auf einen Verbraucher, z. B. einen Radiator (18) transportiert wird. Nach Entspannung am Expansionsventil (6) wird das Kältemittel am Verdampfer-Wärmeaustauscher (7) durch Wärmeaufnahme z. B. aus dem Erdreich aus dem Wärmequellenkreislauf (14) verdampft, vom Kompressor (3) angesaugt und dort erneut verdichtet.

Im Kühlbetrieb erfolgt eine Umschaltung des 3-Wege-Ventils (15) so, daß das Wärmeträgermedium im Wärmequellenkreislauf (14) über die Leitung (16) auf den Verbraucherkreislauf (10) geschaltet wird, von wo aus das wäßrige Wärmeträgermedium über das jetzt ebenfalls umgeschaltete 3-Wege-Ventil (12) auf die Leitung (13) geführt wird, um von dort auf den Wärmequellenkreislauf (14) zurückgeschaltet zu werden. Hierbei tritt das etwa 8-10°C betragende Wärmeträgermedium in den Radiator (18) ein, kühlt diesen und damit den Raum ab, erwärmt sich also dabei, wobei dieses erwärmte Wärmeträgermedium durch Zurückführen in das Erdreich erneut abgekühlt wird.

Vorzugsweise sollte der Radiator (18) ein großflächiger Radiator sein, oder aber ein solcher, der mittels eines Lüfters seine Wärme bzw. in diesem Fall Kälte zügig abgibt. Während dieses Kühlvorgangs wird der Wärmepumpenkreislauf (2) abgeschaltet, und es wird weiterhin auch die Umwälzpumpe (11) abgeschaltet, da infolge der Stellung des 3-Wege-Ventils (12) kein Fluidstrom über den Wärmeaustauscher (5) erfolgen soll.

Im Falle des Kühlens mit gleichzeitigem Aufheizen des Brauchwasserspeichers (9) ist das 3-Wege-Ventil (12) des Verbraucherkreislaufes (10) wie im zuvor geschilderten Kühlbetrieb geschaltet, auch ist die Umwälzpumpe (11) ausgeschaltet. Der Wärmepumpenkreislauf (2) ist eingeschaltet, und das 3-Wege-Ventil (15) ist so geschaltet, daß ein Teilvolumenstrom des Wärmequellenkreislaufes (14) auf den Verdampfer-Wärmeaustauscher (7), und ein weiterer Teilvolumenstrom über die Leitung (16) auf den Verbraucherkreislauf (10) geschaltet ist. Die Umwälzpumpe (17) des Wärmequellenkreislaufes (14) ist dabei eingeschaltet.

Mit dieser Maßnahme wird der Wärmepumpenkreislauf (2) so weit mit Wärmeenergie versorgt, daß ein wirksames Aufheizen des Brauchwasserspeichers (9) über den Wärmeträgerkreislauf (8) erfolgen kann. Zweckmäßigerweise ist in diesen Wärmeträgerkreislauf (8) eine Umwälzpumpe (19) geschaltet. Nachdem aber gleichzeitig auch ein Teilvolumenstrom des Wärmequellenkreislaufes (14) auf den Verbraucherkreislauf (10) geschaltet ist, kann auch dieser wirksam abgekühlt werden. In diesem besonderen Betriebsfall ist es zweckmäßig, den Kompressor (3) mit verminderter Leistung zu betreiben, da in diesem Fall nur eine vergleichsweise geringe Leistung zu übertragen ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Kompressor (3) zweistufig ausgebildet ist oder drehzahlgeregelt gefahren wird.

Sollte der Brauchwasserspeicher (9) mit ausreichender Temperatur geladen sein, erfolgt eine Umschaltung des 3-Wege-Ventils (15) auf Kühlbetrieb, und der Wärmepumpenkreislauf (2) wird abgeschaltet. Dies setzt natürlich voraus, daß auch ein Kühlbetrieb angefordert ist, was durch eine geeignete Raumtemperatur-Regelung steuerbar ist. Mit dieser ist dann auch die Umschaltung auf Heizbetrieb möglich.

Claims (5)

1. Verfahren zum Heizen mit einer Wärmepumpe sowie mit einem Wärmequellen- und einem Verbraucherkreislauf, die mit einer wäßrigen Wärmeträger-Flüssigkeit gefüllt sind, zwischen denen ein in sich geschlossener Wärmepumpenkreislauf angeordnet ist, wobei die Wärmequellen- und Verbraucherkreisläufe jeweils eine Umwälzpumpe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kühlen des Verbraucherkreislaufes (10) dieser unter Umgehung des Wärmepumpenkreislaufes (2) in Strömungsverbindung mit dem Wärmequellenkreislauf (14) schaltbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kühlbetriebes der Wärmepumpenkreislauf (2) ausgeschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmequellenkreislauf (14) auf den Verdampfer-Wärmeaustauscher (7), und der Verbraucherkreislauf (10) auf den Kondensator-Wärmeaustauscher (5) des Wärmepumpenkreislaufes (2) schaltbar ist, daß dem Wärmeaustauscher (5) für den Verbraucherkreislauf (10) ein weiterer Wärmeaustauscher (4) für einen Brauchwasserkreislauf (8) vorgeschaltet ist, und daß während des Kühlens des Verbraucherkreislaufes (10) eine Beheizung des Brauchwasserkreislaufes (8) dadurch erzielbar ist, daß der Wärmepumpenkreislauf (2) weiter in Betrieb ist, daß ein Teil des Wärmequellenkreislaufes (14) direkt in Strömungsverbindung mit dem Verbraucherkreislauf (10) bringbar ist, und daß ein weiterer Teil des Wärmequellenkreislaufes (14) auf den Verdampfer-Wärmeaustauscher (7) des Wärmepumpenkreislaufes (2) schaltbar ist, wobei die Umwälzpumpe (11) des Verbraucherkreislaufes (10) abgeschaltet ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wärmequellenkreislauf (14) ein 3-Wege-Ventil (15) schaltbar ist, das in der einen Stellung einen Strömungsmittelfluß auf den Verdampfer-Wärmeaustauscher (7) des Wärmepumpenkreislaufes (2), und in der anderen Stellung einen Strömungsmittelfluß auf den Verbraucherkreislauf (10) zuläßt, wobei in einer Mittelstellung ein Teilmengenfluß auf den Verdampfer-Wärmeaustauscher (7), und ein weiterer Teilmengenfluß auf den Verbraucherkreislauf (10) schaltbar ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbraucherkreislauf (10) ein 3-Wege-Ventil (12) angeordnet ist, das im Heizbetrieb den Verbraucherkreislauf (10) auf den Kondensator-Wärmeaustauscher (5) des Wärmepumpenkreislaufes (2) schaltet, und das im Kühlbetrieb den Verbraucherkreislauf (10) vom Wärmeaustauscher (5) des Wärmepumpenkreislaufes (2) trennt und ihn auf den Wärmequellenkreislauf (14) schaltet.