DE19955339A1

DE19955339A1 - Heißwasserversorgungssystem

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Publication number: DE19955339A1
Application number: DE19955339A
Authority: DE
Inventors: Hisayoshi Sakakibara; Shin Nishida; Masahiko Ito; Kenichi Fujiwara; Tomoaki Kobayakawa; Kazutoshi Kusakari; Michiyuki Saikawa
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc; Denso Corp
Current assignee: Central Research Institute Of Electric Power I Jp; Denso Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: JP3227651B2; DE19955339B4; JP2000213806A; US6494051B2; US6370896B1; US20020014085A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heißwasserversorgungssystem, bei welchem ein Kühlmittelstrom auf der Hochdruckseite eines superkritischen Wärmepumpenkreislaufs (200) und ein Heißwasserstrom entgegengesetzt gerichtet sind, und wobei durch das Kühlmittel auf der Hochdruckseite erwärmtes Wasser in wärmeisolierenden Tanks (300) einer doppelten Vakuumstruktur bevorratet wird. Wasser wird mit Wärme erhitzt, die aus der Atmosphäre absorbiert wird und durch den superkritischen Wärmepumpenzyklus (200), der einen hohen Wärmetauschwirkungsgrad eta aufweist, um Energie zu verringern, die erforderlich ist, das Wasser zu erwärmen. Heißes Wasser kann dadurch selbst zur Tageszeit günstig erzeugt werden, wenn die Stromkosten relativ hoch sind, weil es nicht erforderlich ist, heißes Wasser zur Tageszeit in isolierten Tanks zu bevorraten, sind die Anforderungen an den Raum für dieses System verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heißwasserversorgungssystem.

Ein typisches Heißwasserversorgungssystem ist beispielsweise im japanischen Gebrauchsmuster Nr. Hei 6-73652 erläutert. Bei dem erläuterten System wird Wasser durch einen elektrischen Heizer erhitzt und daraufhin in einem wärmeisolierten Tank bevorratet. Da der elektrische Heizer das Wasser erhitzen muß, ist relativ viel Energie für das System erforderlich. Ein der artiges Heißwasserversorgungssystem wird deshalb vorzugsweise nachts betrieben, um heißes Wasser bei minimierten Stromkosten zu erzeugen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heißwasserversorgungssystem zu schaffen, bei welchem die zum Erzeugen des heißen Wassers erforderliche Energie reduziert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, 15 bzw. 16. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im einzelnen schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt ein Heizsystem, bei welchem ein Kühlmittelstrom bzw. -durchsatz auf der Hochdruckseite eines superkritischen Wärme pumpenkreislaufs und ein Heißwasserstrom bzw. -durchsatz ent gegengerichtet zueinander gerichtet sind. Derartiges mit dem hochdruckseitigen Kühlmittel erhitztes Wasser wird in wärme isolierenden Tanks bevorratet.

Bei der vorstehend erläuterten Anordnung wird Wasser durch Wärme erhitzt, die aus der Atmosphäre absorbiert wird, sowie durch einen superkritischen Wärmepumpenkreislauf hohen Wärme tauschwirkungsgrads, so daß die zum Erhitzen des Wassers erforderliche Energie minimiert werden kann. Dadurch ist es möglich, heißes Wasser unter Einsatz einer minimalen Strom- bzw. Energiemenge zu erzeugen, weil das heiße Wasser dann erzeugt werden kann, wenn Bedarf vorliegt, ohne daß es notwen dig ist, heißes Wasser während der Tageszeit zu bevorraten. Da keine wärmeisolierenden Tanks erforderlich sind, um das erhitzte Wasser während der Nachtzeit zum Einsatz während der Tageszeit zu bevorraten, kann ein wesentlich kleineres Heiß wasserversorgungssystem eingesetzt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel haft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungs form des erfindungsgemäßen Heißwasserversorgungs systems,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm des in Fig. 1 gezeigten Systems,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 2,

Fig. 4A-4C schematische Diagramme zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der ersten Ausführungsform,

Fig. 5A eine geschnittene Draufsicht eines Gegenstromwärmetau schers, der in der ersten Ausführungsform verwendet wird,

Fig. 5B eine Kurve der Temperaturveränderung als Funktion des Strömungsabstands in dem Gegenstromwärmetauscher,

Fig. 6 eine Kurve der Temperaturänderung in dem Wärmetauscher unter Verwendung von Freon als Kühlmittel,

Fig. 7 eine Kurvendarstellung der Temperatur T als Funktion der spezifischen Entropie S (T = f (S)), für ein im erfindungsgemäßen System verwendetes Kühlmittel

Fig. 8 eine weitere Kurvendarstellung von T = f (S),

Fig. 9 eine weitere Kurvendarstellung von T = f (S),

Fig. 10 eine weitere Kurvendarstellung von T = f (S),

Fig. 11 eine weitere Kurvendarstellung von T = f (S),

Fig. 12 eine weitere Kurvendarstellung von T = f (S),

Fig. 13 eine weitere Kurvendarstellung von T = f (S),

Fig. 14 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer zwei ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie A-A in Fig. 14,

Fig. 16 eine Kurvendarstellung des Drucks Pd als Funktion der spezifischen Enthalpie h (Pd = f (h)) für ein im erfin dungsgemäßen System verwendetes Kühlmittel,

Fig. 17 eine weitere Kurvendarstellung von Pd = f (h),

Fig. 18 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe eines modi fizierten Beispiels der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 19 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe eines modi fizierten Beispiels der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 20 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer zwei ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 21 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer drit ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 22 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer vier ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 23 eine perspektivische Ansicht eines Wasserwärmetauschers einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung,

Fig. 24 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der spe zifischen Entropie und der Temperatur in der sechsten Ausführungsform,

Fig. 25 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen einer Temperaturdifferenz ΔT_M im Bereich einer Zwischenposi tion in einem Wärmetauscher der sechsten Ausführungs form und einer optimalen Temperaturdifferenz ΔT_O,

Fig. 26 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der spe zifischen Enthalpie und des Drucks in einer siebten Ausführungsform des Heißwasserversorgungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 27 ein schematisches Diagramm der wärmeisolierenden Tanks,

Fig. 28 ein schematisches Diagramm der Positionen von Tempera tursensoren, die in einem beispielhaften wärmeisolie renden Tank angeordnet sind,

Fig. 29 ein schematisches Diagramm der Positionen von Tempera tursensoren, die in einem beispielhaften wärmeisolie renden Tank angeordnet sind,

Fig. 30 ein schematisches Diagramm des Regelungszustands von Durchsatzregulierventilen für die wärmeisolierenden Tanks,

Fig. 31 ein modifiziertes Beispiel eines wärmeisolierenden Abschnitts,

Fig. 32 ein modifiziertes Beispiel eines wärmeisolierenden Abschnitts, und

Fig. 33 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts entspre chend des Abschnitts, der in Querschnittsansicht ent lang der Linie A-A in Fig. 14 gezeigt ist.

Zunächst wird eine erste Ausführungsform der Erfindung erläu tert.

Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Heißwasserversorgungssystem 100 zum Einsatz in Haushalten, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. In Fig. 2 bezeichnet die Bezugs ziffer 200 einen superkritischen Wärmepumpenkreislauf 11 ("Wärmepumpe"), der dazu ausgelegt ist, heißes Wasser für eine Verwendung als heißes Wasser erzeugendes Fluid auf eine hohe Temperatur (von etwa 85°C) zu erhitzen. Der superkritische Wärmepumpenkreislauf ist ein Wärmepumpenkreislauf, in welchem der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite größer oder gleich einem kritischen Druck des Kühlmittels wird, und in welchem beispielsweise Kohlendioxid, Ethylen, Ethan oder Stickstoff oxid als Kühlmittel verwendet werden. Die Bezugsziffer 300 bezeichnet mehrere wärmeisolierende Tanks zum Bevorraten von Wasser, welches durch die Wärmepumpe 200 erhitzt wird. Die wärmeisolierenden Tanks 300 sind so angeordnet, daß sie sich parallel zu einer Heißwasserströmung bzw. einem Heißwasser durchsatz erstrecken.

Anhand Fig. 2 wird die Wärmepumpe 200 nunmehr im einzelnen erläutert. Ein Verdichter 210 zum Ansaugen und Verdichten eines Kühlmittels (bei der vorliegenden Ausführungsform Koh lendioxid) ist als elektrischer Verdichter gebildet, der eine einheitliche Kombination eines (nicht gezeigten) Verdichtungs mechanismus zum Ansaugen und Verdichten des Kühlmittels und einen (nicht gezeigten) Elektromotor zum Antreiben des Ver dichtermechanismus umfaßt. Ein Wasserwärmetauscher (Kühler) 220 führt einen Wärmetausch mit dem Kühlmittel durch, welches aus dem Verdichter 210 strömt und es wird ihm Wasser zuge führt. Der Wasserwärmetauscher 220 ist ein Gegenstromwärmetau scher, der derart gebildet ist, daß ein Kühlmittelstrom bzw. -durchsatz entgegengerichtet zu der Strömung des Wassers strömt.

Ein elektrisches Expansionsventil 230 entspannt das Kühlmit tel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und ein Verdampfer 240 verdampft das Kühlmittel, welches aus dem elektrischen Expansionsventil 230 ausströmt, so daß das Kühl mittel atmosphärische Wärme zu absorbieren vermag, bevor es zu einem Sammelkasten bzw. Akkumulator 250 (Ansaugseite des Ver dichters 210) übertragen wird, wie nachfolgend erläutert. Der Sammelkasten bzw. Akkumulator trennt das Kühlmittel, welches aus dem Verdampfer 240 strömt, in ein Gasphasenkühlmittel und ein Flüssigphasenkühlmittel, bevor er das Gasphasenkühlmittel zur Ansaugseite des Verdichters 210 überträgt und übermäßiges Kühlmittel in der Wärmepumpe 200 bevorratet.

Ein Gebläse 260 bläst Umgebungsluft zu dem Verdampfer 240 und ist dazu ausgelegt, einen Luftdurchsatz zu regulieren. Das Gebläse 260, der Verdichter 210 und das Expansionsventil 230 werden durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) 270 auf Grundlage ermittelter Signale von verschiedenen Sensoren gesteuert, die nachfolgend erläutert sind. Ein Kühlmitteltem peratursensor 271 ermittelt die Temperatur des Kühlmittels, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt. Ein erster Wassertemperatursensor 272 ermittelt die Temperatur des Was sers, das in den Wasserwärmetauscher strömt.

Ein Kühlmitteldrucksensor 273 ermittelt den Druck des Kühlmit tels, das aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und ein zweiter Wassertemperatursensor 274 ermittelt die Temperatur die heißen Wassers, das aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt. Die ermittelten Signale von den Sensoren 271 bis 274 werden in die ECU 270 eingegeben.

Bei dem Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite, auf den vor stehend bezug genommen ist, handelt es sich um einen Kühlmit teldruck, der in einem Kühlmitteldurchlaß vorliegt, der sich ausgehend von der Austragseite des Verdichters 210 zu einer Zuström- bzw. Einströmseite des Expansionsventils 230 erstreckt und er ist im wesentlichen gleich einem Austragdruck (Innendruck des Wasserwärmetauschers 220) des Verdichters 210. Der Kühlmitteldruck auf der Niederdruckseite liegt in einem Kühlmitteldurchlaß vor, der sich ausgehend von der Austrag seite des Expansionsventils 230 zu einer Ansaugseite des Ver dichters 210 erstreckt, und er ist im wesentlich gleich einem Ansaugdruck des Verdichters 210.

Eine elektrische Wasserpumpe 400 führt eine geregelte Heißwas sermenge dem Wasserwärmetauscher 220 zu und ein Sperrventil 410 verhindert, daß von einem (nicht gezeigten) Wasserrohr zugeführtes Leitungswasser in den Wasserwärmetauscher 220 strömt. Sowohl die Pumpe 400 wie das Absperrventil 410 werden durch die ECU 270 gesteuert.

Nunmehr werden unter bezug auf Fig. 3 die wärmeisolierenden Tanks 300 erläutert. Der in Fig. 3 gezeigte Tank hat einen Doppeltankaufbau mit äußeren und inneren Tankelementen 310, 320, die aus einem hochgradig korrosionsbeständigen Metall, wie etwa Edelstahl, hergestellt sind, und einen Hohlraum 330 zwischen dem inneren Tankelement 320, in welchem heißes Wasser bevorratet wird, und dem äußeren Tankelement 310 wird im wesentlichen luftleer gehalten.

Der wärmeisolierende Tank 300 ist an seinem unteren Abschnitt mit einer ersten Öffnung 340 versehen, in welchem Leitungswas ser strömt, oder ausgehend von welchem das kalte Wasser in dem isolierenden Tank 300 strömt oder in welchen das Wasser strömt, welches in dem Wasserwärmetauscher 220 erwärmt wird.

Die zweite Öffnung 350 ist mit einem wärmeisolierenden Abschnitt 260 versehen, um zu verhindern, daß die Wärme des heißen Wassers, welches in dem wärmeisolierenden Tank 300 bevorratet ist, aus der zweiten Öffnung 350 nach außen (in die Atmosphäre) ausgetragen wird. Der wärmeisolierende Abschnitt 360 weist einen ersten Rohrabschnitt 361 auf, welcher sich durch die zweite Öffnung 350 und in das Innere des inneren Tankelements 320 erstreckt, und einen zweiten Rohrabschnitt 362, welcher sich von dem ersten Rohrabschnitt 361 zu einem (nicht gezeigten) Rohr erstreckt, welches mit der zweiten Öff nung 350 verbunden ist. Die zwei Rohrabschnitte 361, 362 sind durch Kunstharz mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als integra ler Körper gebildet.

Zumindest einer der wärmeisolierenden Tanks 300 ist mit mehre ren Temperatursensoren 370 versehen, welche die Temperatur des heißen Wassers darin derart ermitteln, daß sie vertikal von einander beabstandet sind. Die durch diese Temperatursensoren 370 ermittelten Temperaturen werden ebenfalls in die ECU 270 eingegeben.

Die Arbeitsweise des Heißwasserversorgungssystems 100 dieser Ausführungsform wird nunmehr erläutert.

1. Heißwasserzufuhrvorgang 1-1 - In den wärmeisolierenden Tanks bevorratetes heißes Was ser wird zugeführt

Wenn unter Bezug auf Fig. 4A ein nicht gezeigter Heißwas serzufuhrhahn, der mit der Seite des Heißwasserversor gungssystems 100 (zweite Öffnungen 350 der wärmeisolieren den Tanks 300) verbunden ist, geöffnet wird, wird das Absperrventil 410 geschlossen, und Leitungswasser wird den wärmeisolierenden Tanks 300 zugeführt.

Das in den wärmeisolierenden Tanks 300 bevorratete Wasser wird dadurch durch das zugeführte Leitungswasser hinaus verdrängt, und das derart hinausverdrängte heiße Wasser wird von einem Heißwasserzufuhrhahn zugeführt.

1-2 - Die Heißwassertemperatur in den wärmeisolierenden Tanks 300 nimmt ab (das heiße Wasser wird erneut erhitzt)

Wenn, wie in Fig. 4B gezeigt, die Temperatur des heißen Wassers in den wärmeisolierenden Tanks 300 als kleiner oder gleich einem vorbestimmten Niveau unter Bezug auf die Ermittlungssignale von den Temperatursensoren 370 ermit telt wird, oder wenn das Volumen des heißen Wassers als kleiner oder gleich einer vorbestimmten Größe ermittelt wird, wird das Absperrventil 410 geöffnet, um die Pumpe 400 und die Wärmepumpe 200 zu betätigen. Folglich strömt das durch die Wärmepumpe 200 erwärmte heiße Wasser in die wärmeisolierenden Tanks 300.

1-3 - Das heiße Wasser wird erneut erhitzt, wenn das heiße Wasser zugeführt wird

Wie in Fig. 4C gezeigt, wird der Heißwasserzufuhrhahn geöffnet, um Leitungswasser den wärmeisolierenden Tanks 300 zuzuführen, während das Absperrventil 400 geöffnet wird, um die Pumpe 400 und die Wärmepumpe 200 zu betäti gen. Folglich wird heißes Wasser in den wärmeisolierenden Tanks 300 und durch die Wärmepumpe 200 erhitztes Wasser zugeführt.

2. Arbeitsweise der Wärmepumpe 200

Wenn der Verdichter 210 betätigt wird, wird das Kühlmittel in der Wärmepumpe 200 umgewälzt. Da das aus dem Verdichter 210 zu diesem Zeitpunkt ausgetragene Kühlmittel mit einem Druck grö ßer oder gleich einem kritischen Niveau unter Druck gesetzt wurde, wird es in dem Wasserwärmetauscher 220 umgewälzt, ohne mit einem Temperaturgradienten kondensiert zu werden, der all mählich ausgehend vom Kühlmitteleinlaß in Richtung auf den Kühlmittelauslaß verringert wird bzw. abnimmt.

Da der Wasserwärmetauscher 220 so gebildet ist, daß ein Kühl mittelstrom und ein Wasserstrom, die zugeführt werden sollen (heißes Wasser), entgegengesetzt gerichtet sind, wird das zu zuführende heiße Wasser in dem Wasserwärmetauscher 220 mit einem Temperaturgradienten erhitzt, der ausgehend vom Wasser einlaß in Richtung auf den Wasserauslaß allmählich zunimmt.

Das durch das Expansionsventil 230 dekomprimierte Kühlmittel absorbiert Wärme aus der Atmosphäre und wird in dem Verdampfer 240 verdampft, und das verdampfte Kühlmittel wird daraufhin in den Verdichter 210 durch den Akkumulator 250 gesaugt. In die ser Ausführungsform wird heißes Wasser mit einer Temperatur größer oder gleich 85°C durch das Heißwasserzufuhrsystem 100 (Wärmepumpe 200) zugeführt. Es ist deshalb während des Betriebs der Wärmepumpe 200 erforderlich, daß die Temperatur des Kühlmittels am Kühlmitteleinlaß des Wasserwärmetauschers 220 größer oder gleich 85°C eingestellt ist. Bei der vorlie genden Ausführungsform ist die erforderliche Kühlmitteltempe ratur bevorzugt auf etwa 100°C eingestellt. Die Temperatur des heißen Wassers, welches am Heißwasserauslaß des Wärmetauschers 200 zugeführt werden soll, kann durch die Pumpe 400 auf einen Sollpegel bzw. ein Sollniveau gesteuert werden, indem die Menge des zuzuführenden heißen Wassers reguliert wird.

Bei der vorliegenden Ausführungsform werden der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230, die Drehzahl des Verdichters 210 und der Durchsatz des Gebläses 260 derart gesteuert, daß ein Austragdruck Pd (Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite) des Verdichters 210 einen Kühlmitteldruck entsprechend der erfor derlichen Kühlmitteltemperatur am Kühlmitteleinlaß des Wasser wärmetauschers 220 erreicht.

Wenn der Austragdruck Pd niedriger als ein vorbestimmtes Niveau Po (etwa 15 MPa bei der vorliegenden Ausführungsform) ist, wird er so gesteuert, daß eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hinein strömt, ein Niveau in einem vorbestimmten Temperaturbereich erreicht, das um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT_O (etwa 10° bei die ser Ausführungsform) zentriert ist.

Wenn die Temperaturdifferenz ΔT größer als die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT_O ist, wird der Öffnungsgrad des Expan sionsventils 230 verringert. Die Drehzahl des Verdichters 210 und der Luftströmungsdurchsatz des Gebläses 260 können damit weiter erhöht werden. Die Temperaturdifferenz ΔT wird durch Erhöhen des Austragdrucks Pd in dieser Weise verringert.

Wenn der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 verringert ist, nimmt ein Strömungsdurchlaßwiderstand des Kühlmittels zu, so daß der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite, das aus dem Verdichter 210 ausgetragen wird, zunimmt. Wenn die Luftströmungsrate bzw. der Luftdurchsatz des Gebläses 260 erhöht wird, wird die Übertragung von Wärme von der Außenluft zum Kühlmittel gefördert, so daß der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite zunimmt. Folglich nimmt die Ansaugrate des Kühlmittels pro Einheitszeit des Verdichters 210 zu, um den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu veranlassen, zuzu nehmen. Das Vergrößern der Drehzahl des Verdichters 210 dient ebenfalls zur Erhöhung des Kühlmitteldrucks auf der Hochdruck seite. Wenn jedoch der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite durch Erhöhen der Drehzahl des Verdichters 210 erhöht bzw. vergrößert wird, wird der Luftdurchsatz des Gebläses 260 eben falls bevorzugt gleichzeitig erhöht.

Wenn die Drehzahl des Verdichters 210 ohne Verändern seines Luftdurchsatzes erhöht wird, nimmt eine Ansaugrate des Kühl mittels zu, während der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruck seite jedoch infolge davon abnimmt. Die bloße Erhöhung der Drehzahl des Verdichters 210 erhöht deshalb nur minimal den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite. Eine Erhöhung des Kühlmitteldrucks auf der Niedrigdruckseite durch Erhöhen des Luftdurchsatzes des Gebläses 260 erlaubt es dem Verdichter 210, das Kühlmittel dort hinein in ausreichender Weise zu sau gen, um den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu erhöhen.

Wenn der Austragdruck Pd ein vorbestimmtes Niveau Po erreicht hat, wird der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite derart gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT ein Niveau in einem vorbestimmten Bereich um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT_O herum erreicht. Insbesondere wird der Luftdurchsatz des Gebläses verringert und die Drehzahl des Verdichters 210 kann zusätzlich erhöht werden. Der Kühlmitteldruck auf der Niedrig druckseite wird verringert.

Wenn der Luftdurchsatz des Gebläses 260 verringert wird, nimmt die Menge der Wärme, die von der Außenluft zu dem Kühlmittel übertragen wird, im Gegensatz zu dem vorstehend erläuterten Beispiel ab, so daß der Kühlmitteldruck in dem Verdampfer, d. h. der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite abnimmt. Eine Erhöhung der Drehzahl des Verdichters 210 führt auch zu der vorstehend angeführten Wirkung einer Verringerung des Kühlmitteldrucks auf der Niedrigdruckseite.

Die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nunmehr erläutert. Um die folgende Beschreibung besser verstehen zu können, wird die Wärmetauschrate η des Gegenstromwärmetau schers erläutert.

Fig. 5A zeigt ein schematisches Diagramm eines Gegenstromwär metauschers A, in welchem ein Wärmetauscherfluid und ein dem Wärmetauscher zuzuführendes Fluid entgegengesetzt gerichtete Strömungspfade besitzen. Wenn Hochtemperaturwasser a und Nied rigtemperaturwasser b in äußeren und inneren Zylindern a, b strömen, variieren die jeweiligen Temperaturen des Wassers a, b, wobei eine im wesentlichen gleiche Differenz ΔT beibehalten wird, wie in Fig. 5B gezeigt. Da die Seitenachse x von Fig. 5B eine Distanz auf Grundlage der Position eines Wassereinlasses des inneren Zylinders b darstellt, variiert die Wärmemenge Q, die von dem Wasser a zu dem Wasser b in den Wärmetauscher A übertragen wird, proportional zur Querschnittsfläche bzw. Flä che des in Fig. 5B gezeigten dreieckigen schraffierten Bereichs.

Ein durch Dividieren einer Wärmemenge Q, die zu dem einem Wär metauscher zu unterwerfenden Fluid (Wasser b) übertragen wer den soll, durch eine mittlere Temperaturdifferenz Δt zwischen dem Wärmetauscherfluid (Wasser a) und dem Fluid, das einem Wärmetausch unterworfen werden soll, ist definiert als Wärme tauschwirkungsgrad η (Q/Δt). Wie aus dieser Definition hervor geht, ist ein Wärmetauscher größeren Wärmetauschwirkungsgrads η in der Lage, eine größere Wärmetauschmenge bei kleinerer Temperaturdifferenz zu erhalten.

Der Wärmetauschwirkungsgrad η des Wasserwärmetauschers 220 wird nunmehr in Übereinstimmung mit der vorstehend genannten Definition des Wärmetauschwirkungsgrads η erläutert.

In der Wärmepumpe 200 ist der Kühlmitteldruck auf der Hoch druckseite größer oder gleich einem kritischen Niveau. In dem Wasserwärmetauscher 220 variiert deshalb die Temperatur des Kühlmittels (sie wird kleiner) alleine, ohne daß dieses eine Phasenänderung erleidet.

Die Temperatur des Kühlmittels variiert im wesentlichen linear in bezug auf die gegebene Wärmemenge, die an das Kühlmittel abgegeben oder diesem entzogen wird, und in derselben Weise wie dann, wenn das Kühlmittel sich in Gasphase oder Flüssig phase befindet. Unter der Annahme, daß die spezifische Entro pie des Kühlmittels und die Kühlmitteltemperatur im wesent lichen linear variieren, werden Temperaturvariationen bzw. -änderungen des Kühlmittels und des heißen Wassers im wesent lichen identisch zu den in Fig. 5B gezeigten Parametern.

Ein Fall, demnach die Wärmepumpe 200 mit einem Kühlmittel gefüllt ist, welches Freon umfaßt, das mit niedrigem Druck eingesetzt wird als mit einem kritischen Druck, wird nunmehr untersucht.

Das Freon zeigt eine Phasenänderung (es kondensiert) bei kon stanter Temperatur in einem Zweiphasenbereich, d. h., in einem Gas-Flüssigphasenbereich, und die spezifische Entropie und Temperatur des Freon variieren damit im wesentlichen linear in einem erwärmten bzw. erhitzten Dampfbereich und einem über kühlten Bereich.

Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Freon und dem heißen Wasser in einem Bereich erhitzten Dampfes, d. h. eine Tempera turdifferenz zwischen der Temperatur des heißen Wassers auf der Heißwasserauslaßseite des Wasserwärmetauschers 220 und der Temperatur des Freons auf der Kühlmitteleinlaßseite desselben mit Δt₁ gewählt ist, variiert die Heißwassertemperatur exponen tiell in dem Gasflüssigphasenbereich, wie in Fig. 6 gezeigt. Um den Wärmetausch zuverlässig zwischen dem Freon und dem hei ßen Wasser in dem Bereich des Wasserwärmetauschers 220 durch zuführen, ist es deshalb erforderlich, daß die Temperaturdif ferenz Δt₂ zwischen der Wassereinlaßseite und der Kühlwasser auslaßseite ausreichend hoch gewählt sind, im Vergleich zu der Temperaturdifferenz Δt₁.

Wenn eine Wärmepumpe 200, welche ein Kühlmittel enthält, das Freon umfaßt, welches mit einem Druck niedriger als einem kri tischen Druck verwendet wird, betätigt bzw. betrieben wird, nimmt der Wärmetauschwirkungsgrad η deshalb im Vergleich zu demjenigen bei der vorliegenden Ausführungsform ab, bei wel cher die Wärmepumpe 200, gefüllt mit einem Kühlmittel, wie etwa Kohlendioxid, das bei einem Druck größer oder gleich einem kritischen Niveau verwendet wird, betrieben wird.

In dem Heißwasserversorgungssystem 100 gemäß dieser Ausfüh rungsform wird Wasser mit Wärme erhitzt, die aus der Atmo sphäre absorbiert wird, und durch den superkritischen Wärme pumpenkreislauf 200 mit einem hohen Wärmetauschwirkungsgrad η, so daß die Strommenge bzw. Menge elektrischer Energie, die zum Heizen von Wasser erforderlich ist, minimiert werden kann.

Da heißes Wasser selbst während der Tageszeit, wenn die höch sten Kosten anfallen, erzeugt werden kann, ist es nicht erfor derlich, heißes Wasser zum Gebrauch bei dieser Tageszeit in großen wärmeisolierenden Tanks zu bevorraten. Das Heißwasser versorgungssystem 100 kann deshalb in kleineren Räumen als herkömmliche Heizsysteme installiert werden.

Obwohl die vorstehende Erläuterung auf der Annahme basiert, daß die spezifische Entropie und die Temperatur des Kühlmit tels linear variieren, und zwar unter Bezug auf Fig. 7, vari ieren die spezifische Entropie und die Kühlmitteltemperatur praktisch derart, daß sie nicht linear in Übereinstimmung mit einer Erhöhung der spezifischen Entropie erhöht werden. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, zeigt die Kurve der Beziehung zwischen der spezifischen Entropie des Kühlmittels und seiner Tempera tur, daß die Eigenschaft des Kühlmittels in Übereinstimmung mit seinem Druck variiert, und daß, wenn der Kühlmitteldruck zunimmt, die Beziehung zwischen der spezifischen Entropie des Kühlmittels und seiner Temperatur sich einem linear variieren den Zustand nähert.

Wie aus vorstehender Erläuterung hervorgeht, kann der Wärme tauschwirkungsgrad η erhöht werden, wenn die spezifische Entropie des Kühlmittels und seine Temperatur linear variie ren, so daß dann, wenn der Kühlmitteldruck, d. h. der Aus tragdruck Pd, erhöht wird, der Wärmetauschwirkungsgrad η erhöht werden kann.

Bei dieser Ausführungsform wird deshalb der Austragdruck Pd derart gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches ausgehend vom Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem heißen Wasser, welches dort hinein strömt, ein vorbestimmtes Niveau ΔT_O einnimmt, um den Wärmetauschwirkungs grad η zu verbessern. Die Gründe, weshalb diese Techniken ein gesetzt werden, werden nunmehr erläutert.

Die durchgezogenen Linien a-b-c-d in Fig. 7 bilden ein Wärme pumpenkreislaufdiagramm während einer Zeitperiode, in welcher die Wärmepumpe 200 unter einer bestimmten Bedingung stabil arbeitet (Austragdruck Pd = 9 MPa)
Unter Bezugnahme auf das Diagramm bezeichnet das Liniensegment a-b einen Verdichtungshub, das Liniensegment b-c bezeichnet eine Änderung im Innern des Wasserwärmetauschers, das Linien segment c-d bezeichnet einen Dekompressionshub, das Linienseg ment d-a bezeichnet einen Verdampfungshub und die durchbro chene Linie A-B bezeichnet eine Änderung des heißen Wassers in dem Wasserwärmetauscher.

Wenn der Austragdruck Pd ausgehend von 9 MPa auf 11 MPa erhöht wird, wird der Wärmetauschwirkungsgrad η verbessert, um die Wärmetauschrate in dem Wärmetauscher 220 zu erhöhen. Folglich nehmen die Temperatur und die spezifische Entropie des Kühl mittels auf der Kühlmittelauslaßseite des Wasserwärmetauschers 220 ab, wie in Fig. 8 gezeigt.

Wenn, wie deutlich aus Fig. 7 und 8 hervorgeht, der Wärme tauschwirkungsgrad η verbessert wird, um die Wärmetauschrate in dem Wasserwärmetauscher 220 zu veranlassen, zuzunehmen, wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, wel ches aus dem Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und dem Was ser, welches dort hineinströmt, klein. Bei dieser Ausführungs form wird deshalb der Wärmetauschwirkungsgrad η durch Steuern des Austragdrucks Pd derart verbessert, daß die Temperaturdif ferenz ΔT ein vorbestimmtes Niveau ΔT_O erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmepumpe 200 (Heißwasserversorgungssystem 100) verbessert wird. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT klein ist, nimmt die Wärmetauschrate in dem Wasserwärmetauscher 220 zu, so daß die Drehzahl (Zuführrate des heißen Wassers, wel ches zugeführt werden soll) der Pumpe 400 erhöht werden kann.

Wenn der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite der Wärme pumpe 200 beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Tempera tur der Außenluft zunimmt, wenn die Wärmepumpe 200 sich in dem in Fig. 7 gezeigten stabilen Zustand befindet bzw. unter sta bilen Bedingungen betrieben wird, nimmt die Temperatur des Kühlmittels, welches aus dem Verdichter 210 ausgetragen wird, ab, wie in Fig. 9 gezeigt, wenn der Austragdruck Pd identisch ist.

Wenn der Austragdruck Pd zu diesem Zeitpunkt erhöht wird, um die Temperatur des Kühlmittels zu erhöhen, welches aus dem Verdichter 210 ausgetragen wird, nimmt der Austragdruck Pd übermäßig zu, wie in Fig. 10 gezeigt. Dieser übermäßige Druck kann deshalb (gegebenenfalls) die Druckwiderstandsfestigkeit des Verdichters 210 und des Wasserwärmetauschers 220 überstei gen. Obwohl die Druckbeständigkeit bzw. Druckwiderstands festigkeit des Verdichters 210 und des Wasserwärmetauschers 220 erhöht werden können, um dieses Problem zu überwinden, würden damit die Herstellungskosten für das Heißwasserversor gungssystem 100 unvermeidlich erhöht werden.

Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform der Austragdruck Pd niedriger als ein vorbestimmtes Niveau P₀ ist, wird der Druck Pd so gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT ein vorbe stimmtes Niveau ΔT_O erreicht. Wenn der Austragdruck Pd das vor bestimmte Niveau P₀ erreicht, wird der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite so gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT das vorbestimmte Niveau ΔT_O erreicht, wobei die Kühlmitteltem peratur auf einem Niveau größer oder gleich einem erforder lichen Niveau gehalten wird. Infolge davon kann eine über mäßige Erhöhung des Austragdrucks Pd verhindert werden, wie in Fig. 11 gezeigt. Wenn der Kühlmitteldruck auf der Niedrig druckseite verringert wird, kann die Kühlmitteltemperatur auf ein Niveau größer als oder gleich einem vorbestimmten Niveau erhöht werden, ohne den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu veranlassen, übermäßig hoch zu werden.

Da es deshalb bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich ist, die Druckfestigkeit des Verdichters 210 und des Wasser wärmetauschers 220 zu erhöhen, kann das Heißwasserversorgungs system 100 (die Wärmepumpe 200) wirksam betrieben werden, wäh rend gleichzeitig die Herstellungskosten minimiert sind.

Wie aus vorstehender Erläuterung hervorgeht, muß die vorbe stimmte Temperaturdifferenz ΔT_O nicht notwendigerweise ein feststehender Wert sein, vielmehr kann sie abhängig von der Heizkapazität und dem Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite derart variieren, daß sie in Übereinstimmung mit diesen Bedin gungen verändert werden kann.

Da die zweiten Öffnungen 350, in welche hinein und aus welchen heraus heißes Hochtemperaturwasser strömt, die wärmeisolieren den Tanks 300 mit den wärmeisolierenden Abschnitten 360 abge deckt sind, die ein Kunstharzmaterial niedriger Wärmeleit fähigkeit umfassen, wird die Abstrahlung von Wärme vom heißen Wasser, welches in den wärmeisolierenden Tanks 300 bevorratet ist, aus den zweiten Öffnungen 350 nach außen (in die Atmo sphäre) minimiert werden. Dies erlaubt es, daß die Wärmeiso lierfähigkeit der wärmeisolierten Tanks 300 verbessert ist.

Da die Temperatursensoren 370 zum Ermitteln der Temperatur des heißen Wassers in den wärmeisolierenden Tanks 300 voneinander vertikal beabstandet sind, können die Temperatur und das Volu men des heißen Wassers in den wärmeisolierenden Tanks 300 exakt ermittelt werden. Der Betrieb der Wärmepumpe 200 kann dadurch exakt gesteuert werden.

Bei dieser Ausführungsform sind die wärmeisolierenden Tanks 300 parallel zu der Heißwasserströmung angeordnet, und die Bedingung (Temperatur und Volumen des heißen Wassers) von jedem wärmeisolierenden Tank 300 kann als im wesentlichen identisch angesehen werden. Die Temperatursensoren 370 sind deshalb nicht in jedem der mehreren wärmeisolierenden Tanks 300 sondern lediglich in einem wärmeisolierenden Tank 300 vor gesehen. Die Wärmepumpe 200 wird deshalb auf Grundlage der Bedingung bzw. des Zustands des wärmeisolierenden Tanks 300 gesteuert, der mit den Temperatursensoren 370 bestückt ist.

Bei dieser Ausführungsform wird die Drehzahl der Pumpe 400 auf Grundlage der Temperatur gesteuert, welche durch den Tempera tursensor 274 ermittelt wird. Die Drehzahl (Zuführrate von heißem Wasser zu dem Wasserwärmetauscher 220) der Pumpe 400 kann deshalb auf eine konstante Rate ohne die Notwendigkeit eingestellt werden, von dem Betriebszustand der Wärmepumpe 200 abzuhängen.

Wenn die Temperaturdifferenz ΔT unmittelbar nach Starten der Wärmepumpe 200 groß ist, ist der Austragdruck Pd sowie die Temperatur des heißen Wassers, welches aus dem Wasserwärmetau scher ausströmt, niedrig, wie in Fig. 12 gezeigt. Wenn das Expansionsventil 230 und der Verdichter 210 derart gesteuert werden, daß die Temperaturdifferenz ΔT kleiner als oder gleich dem vorbestimmten Niveau ΔT_O wird, nimmt der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu, wie in Fig. 13 gezeigt. Der Wir kungsgrad der Wärmepumpe 200 kann deshalb verbessert werden, indem der Wärmetauschwirkungsgrad η erhöht wird, während hei ßes Hochtemperaturwasser erhalten wird.

Es ist auch möglich, die Drehzahl der Pumpe 400 feststehend zu wählen und eine Drossel bereitzustellen, deren Öffnungsgrad regulierbar ist, und zwar in dem Pumpenströmungsdurchlaß zur Steuerung des Durchsatzes des heißen Wassers.

Nunmehr wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläu tert.

Bei der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform wird der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite der Wärmepumpe 200 verringert, wenn er zunimmt, und zwar aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Außenluft, und die Wärmepumpe 200 wird der art gesteuert, daß der Austragdruck Pd das vorbestimmte Niveau P₀ nicht überschreitet. Bei der zweiten Ausführungsform wird der Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel zwischen dem Kühlmit teleinlaß und -auslaß eines Wasserwärmetauschers 220 und dem Kühlmittel durchgeführt, welches in den Verdichter 210 gesaugt wird.

Fig. 14 zeigt ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe 200 allein in einem Heißwasserversorgungssystem 100 gemäß dieser Ausführungsform. Ein Kühlmittelwärmetauscher 280 führt einen Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel, welches zwischen dem Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Wasserwärmetauschers 220 vor handen ist, und dem Kühlmittel durch, welches in den Verdich ter 210 gesaugt wird.

Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schnitts, der entlang der Linie A-A in Fig. 14 gelegt ist. Der Wasserwärme tauscher 220 umfaßt demnach ein kühlmittelseitiges Rohr 222, das mit mehreren Löchern 221 versehen ist, durch welches Kühl mittel umgewälzt wird, und ein Rohr 224, das mit mehreren Löchern 223 versehen ist, durch welche das heiße Wasser strömt. Der Kühlmittelwärmetauscher 280 besitzt denselben Auf bau wie das kühlmittelseitige Mehrlochrohr 222 und ist mit diesem verbunden. Die zwei Mehrlochrohre bzw. mehrfach perfo rierten Rohre 222, 224 und der Kühlmittelwärmetauscher 280 sind geformt, indem Aluminium einem Spritzguß- oder Ziehprozeß unterworfen wird.

Die Eigenschaften dieser Ausführungsform werden nunmehr erläu tert. Wenn die Temperatur der Außenluft im Sommer hoch ist, nimmt der Druck auf der Niedrigdruckseite der Wärmepumpe 200 zu. Um heißes Wasser einer Temperatur größer oder gleich einem vorbestimmten Niveau (85°C) zu erhalten, ist es deshalb erfor derlich, daß der Austragdruck Pd in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Kühlmitteldrucks auf der Niedrigdruckseite erhöht wird, wie in Fig. 16 durch a-b-c-d gezeigt.

Wenn der Wärmetausch, wie vorstehend ausgeführt, zwischen dem Kühlmittel, welches in den Verdichter 210 gesaugt wird, und dem Kühlmittel durchgeführt wird, welches zwischen dem Kühl mitteleinlaß und -auslaß des Wasserwärmetauschers 220 vorhan den ist, nimmt die Temperatur des angesaugten Kühlmittels zu, wie in Fig. 16 durch A-B-C-D gezeigt, so daß die Kühlmittel temperatur auf der Austragseite des Verdichters 210 erhöht werden kann, ohne daß der Austragdruck Pd veranlaßt wird, zuzunehmen. Es ist deshalb nicht erforderlich, die Druck festigkeit des Verdichters 210 und des Wasserwärmetauschers 220 zu erhöhen, so daß eine Erhöhung der Kosten bei der Her stellung des Heißwasserversorgungssystems 100 minimiert werden kann.

Bei dieser Ausführungsform wird die Austragtemperatur erhöht, wenn eine Erhöhung des Austragdrucks Pd verhindert wird, indem die Temperatur des angesaugten Kühlmittels erhöht wird. Ein Erhöhen der Temperatur des angesaugten Kühlmittels, indem das angesaugte Kühlmittel und das Kühlmittel aus dem Wasserwärme tauscher 220 einem Wärmetausch unterworfen wird, ist damit möglich.

In der Wärmepumpe 200 wird das Kühlmittel in dem Wasserwärme tauscher 220 jedoch derart umgewälzt, daß ein Temperaturgra dient bereitgestellt wird, demnach die Temperatur allmählich vom Kühlmitteleinlaß in Richtung auf den Kühlmittelauslaß abnimmt, wie vorstehend erwähnt, so daß eine Temperaturdiffe renz zwischen dem Austragkühlmittel bzw. dem ausgetragenen Kühlmittel und dem heißen Wasser, welches in den Wasserwärme tauscher 220 strömt, klein ist.

Da die Temperatur der Außenluft hoch ist, wird eine Tempera turdifferenz zwischen dem Kühlmittel (Ansaugkühlmittel bzw. angesaugtes Kühlmittel) in dem Verdampfer 240 und der Außen luft ebenfalls klein.

Die Vorrichtung zum Durchführen des Wärmetausches zwischen dem Austragkühlmittel und dem Ansaugkühlmittel vermag deshalb die Temperatur des Ansaugkühlmittels nicht ausreichend zu erhöhen, wodurch der Austragdruck Pd übermäßig anwächst.

Eine Erhöhung der Temperatur des Ansaugkühlmittels durch das Kühlmittel, welches in den Wasserwärmetauscher 220 strömt, und des Kühlmittels ist möglich; wenn eine derartige Vorrichtung verwendet wird, nimmt jedoch die Temperatur des Kühlmittels, welches in den Wasserwärmetauscher 220 strömt, ab, und heißes Wasser mit einer vorbestimmten Temperatur kann nicht erhalten werden.

Die vorliegende Ausführungsform kann nicht nur im Sommer ein gesetzt werden, während die Temperatur der Außenluft hoch ist, sondern auch im Frühling, im Herbst und im Winter, wenn die Temperatur der Außenluft nicht stark zunimmt (siehe Fig. 7).

Bei dieser Ausführungsform wird das Ansaugkühlmittel mit dem Kühlmittel erhitzt, welches durch den Wasserwärmetauscher 220 umgewälzt wird, indem der Kühlmittelwärmetauscher 220 in direkten Kontakt mit der Kühlmittelseite des Mehrlochrohrs 222 gebracht wird. Wie in Fig. 18 gezeigt, kann diese Ausführungs form auch so gebildet sein, daß das durch den Wasserwärmetau scher 220 umgewälzte Kühlmittel während des Umwälzvorgangs aus diesem entnommen und einem Wärmetausch mit dem Ansaugkühlmit tel unterworfen wird.

Wie in Fig. 19 und 20 gezeigt, können ein Umgehungsdurchlaß 290 zum Einleiten des Kühlmittels, welches aus dem Akkumulator 250 ausströmt, in die Ansaugseite des Verdichters 210 auf einem langen Weg um den Kühlmittelwärmetauscher 280 und ein elektromagnetisches Ventil 221 vorgesehen sein, um diesen Umgehungsdurchlaß 290 zu verschließen.

Wenn die Temperatur der Außenluft im Sommer hoch ist, wird das Ansaugkühlmittel bei geschlossenem elektromagnetischen Ventil 291 erwärmt. Wenn die Temperatur der Außenluft im Frühling, im Herbst und im Winter nicht hoch ist, ist es bevorzugt, das Heizen des Ansaugkühlmittels bei geöffnetem elektromagneti schen Ventil 291 zu stoppen.

Fig. 19 zeigt ein Beispiel, demnach ein Umgehungsdurchlaß 290 in derselben Pumpe 200 wie in Fig. 14 gezeigt, vorgesehen ist, und Fig. 20 zeigt ein Beispiel, demnach eine Umgehung 290 in derselben Pumpe 200, wie in Fig. 18 gezeigt, vorgesehen ist.

In der in Fig. 18 gezeigten Wärmepumpe 200 können ein Umge hungsdurchlaß 290 und ein elektromagnetisches Ventil 291 in dem Kühlmitteldurchlaß vorgesehen sein, der sich von dem Was serwärmetauscher 220 zu dem Kühlmittelwärmetauscher 280 erstreckt, um die Arbeitsweise zu steuern, um zu ermitteln, ob das Ansaugkühlmittel geheizt werden sollte.

Nunmehr wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläu tert.

In der zweiten Ausführungsform wird der Wärmeaustausch in dem Kühlmittelwärmetauscher 280 zwischen dem Kühlmittel, zwischen Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Wasserwärmetauschers und dem Kühlmittel durchgeführt, das in den Verdichter 210 gesaugt wird. In der dritten Ausführungsform wird eine Wärmetauschrate in dem Kühlmittelwärmetauscher 280 auf Grundlage des Zustands des Kühlmittels auf der Austragseite des Verdichters 210 gesteuert.

In dieser Ausführungsform und wie in Fig. 21 gezeigt, sind ein Kühlmitteldurchlaß 281 zum Einleiten eines Flüssigphasenkühl mittels, das in einem Bodenabschnitt des Akkumulators 250 gesammelt wird, in das Kühlmittel, welches aus diesem aus strömt, und ein Ventil 282 zum Regeln bzw. Regulieren der elektrischen Durchflußrate bzw. des Durchsatzes zum Regeln des Verbindungszustands des Kühlmitteldurchlasses 281 vorgesehen.

Der Verdichter 210 ist auf seiner Austragseite mit einem Tem peratursensor 283 zum Ermitteln der Temperatur des Austrag kühlmittels versehen und eine Ermittlungstemperatur wird in die elektronische Steuereinheit (ECU) 285 eingegeben, die dazu ausgelegt ist, das Durchflußregulierventil 282 zu steuern.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird nunmehr erläu tert. In der zweiten Ausführungsform wird ein Wärmeaustausch in dem Kühlmittelwärmetauscher 280 zwischen dem Kühlmittel, zwischen dem Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Wasserwärmetau schers 220 und demjenigen durchgeführt, das in den Verdichter 210 gesaugt wird, so daß eine Wärmetauschrate auf Grundlage der Kapazität des Kühlmittelwärmetauschers 280 ermittelt wird.

Wenn die Kapazität des Kühlmittelwärmetauschers 280 ermittelt wird, wenn beispielsweise Sommertemperaturen dazu führen, daß die Außenlufttemperatur hoch ist, ist deshalb der Grad, auf welchen das Ansaugkühlmittel erwärmt wird, während niedriger Wintertemperatur hoch (siehe Fig. 16 und 17) im Vergleich zu einer Zeitperiode, in welcher die Temperatur der Außenluft hoch ist, so daß die Temperatur des Austragkühlmittels höher als erforderlich wird.

Wenn eine durch einen Temperatursensor 283 ermittelte Tempera tur höher als ein vorbestimmtes Niveau (etwa 100°C, wenn hei ßes Wasser von 85°C erzeugt wird) ist, wird der Öffnungsgrad des Durchflußregulierventils 282 vergrößert, um die Zufuhrrate des Flüssigphasenkühlmittels zu erhöhen, welches von dem Akku mulator 250 zu dem Kühlmittelwärmetauscher 280 übertragen wird, um dadurch zu verhindern, daß der Erwärmungsgrad des An saugkühlmittels höher als erforderlich wird.

Wenn die durch den Temperatursensor 283 ermittelte Temperatur niedriger als oder gleich einem vorbestimmten Niveau ist, wird der Öffnungsgrad des Durchsatzregulierventils 282 verringert, um die Zufuhrrate des Flüssigphasenkühlmittels zu verringern, das vom Akkumulator 250 zu dem Kühlmittelwärmetauscher 280 übertragen wird, um dadurch zu verhindern, daß der Heizgrad für das Ansaugkühlmittel niedriger als erforderlich wird.

Da es der vorstehend genannte Betrieb erlaubt, daß die Tempe ratur des Austragkühlmittels bei einem vorbestimmten Niveau unabhängig von der Temperatur der Außenluft beibehalten werden kann, kann heißes Wasser einer vorbestimmten Temperatur in stabiler Weise zugeführt werden, da eine übermäßige Erhöhung des Austragdrucks Pd verhindert wird.

Nunmehr wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.

In der dritten Ausführungsform wird eine Erhöhung der Tempera tur des Austragkühlmittels auf ein Niveau höher als erforder lich elektronisch durch den Temperatursensor 283 und das Durchsatzregulierventil 282 verhindert. Insbesondere unter bezug auf Fig. 22 verhindert die vierte Ausführungsform mecha nisch, daß die Temperatur des Austragkühlmittels auf ein Niveau höher als erforderlich erhöht wird, auf Grundlage der Tatsache, daß die Isoentropiekurven im wesentlichen parallel auf einer Gasphasenbereichsseite einer Luftsättigungslinie bzw. gesättigten Luftlinie werden.

Diese Ausführungsform umfasst ein Durchsatzregulierventil 282, wie etwa ein bekanntes Temperaturexpansionsventil mit einem Temperaturerfassungszylinder 282a, das in einem Wärmepumpen kreislauf verwendet wird, der Freon als Kühlmittel nutzt. Die Zufuhrrate des Flüssigphasenkühlmittels, welches ausgehend vom Akkumulator 250 zu dem Kühlmittelwärmetauscher übertragen wird, wird durch das Durchsatzregulierventil 282 derart regu liert, dass der Heizgrad zwischen der Auslaßseite des Kühlmit telwärmetauschers 280 und der Einlaßseite eines Verdichters 210 ein vorbestimmtes Niveau erreicht.

Der Aufbau der vierten Ausführungsform ermöglicht damit, daß die Herstellungskosten verringert werden, und erlaubt es, daß heißes Wasser einer vorbestimmten Temperatur in stabiler Weise zugeführt wird, während verhindert wird, daß der Austragdruck Pd übermäßig zunimmt.

Nunmehr wird eine fünfte Ausführungsform erläutert.

Bei der ersten Ausführungsform wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches von bzw. aus dem Wasserwärme tauscher 220 ausströmt, und dem Wasser, welches in ihn hinein strömt, durch Variieren des Öffnungsgrads des Expansionsven tils 230 gesteuert. Die Temperatur des heißen Wassers am Heiß wasserauslaß des Wasserwärmetauschers 220 wird durch Regulie ren der Durchsatzrate des heißen Wassers durch die Pumpe 400 gesteuert.

Bei der fünften Ausführungsform wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen einem Kühlmittel, welches von bzw. aus einem Was serwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hin einströmt, auf ein vorbestimmtes Niveau ΔT_O durch Regulieren eines Durchsatzes des heißen Wassers durch eine Pumpe 400 gesteuert. Die Temperatur des heißen Wassers wird durch Regeln des Öffnungsgrads eines Expansionsventils 230 gesteuert.

Die zu dieser Ausführungsform gehörende Arbeitsweise wird nun mehr erläutert.

Zunächst wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmit tel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem heißen Wasser, welches in diesen strömt, ermittelt, und es wird ermittelt, ob diese Temperaturdifferenz ΔT sich in einem vorbestimmten Temperaturbereich (ΔT_O ± α) befindet, der um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT_O zentriert bzw. gelegen ist. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT sich im vorbestimmten Temperaturbereich befindet, wird der Durchsatz des heißen Was sers, reguliert durch die Pumpe 400, konstant gehalten. Wenn sie sich nicht in dem vorbestimmten Temperaturbereich befin det, d. h., wenn die Temperatur des Kühlmittels, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, höher ist als diejenige des Wassers, welches dort hineinströmt, und zwar um ein Niveau höher entsprechend der vorbestimmten Temperaturdifferenz ΔT_O, wird der Durchsatz des heißen Wassers durch die Pumpe 400 erhöht, um die Temperatur des Kühlmittels abzusenken bzw. zu verringern. Infolge davon wird die Übertragung von Wärme von dem Kühlmittel zu dem heißen Wasser in dem Wasserwärmetauscher 220 gefördert, und die Temperatur des Kühlmittels, das aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, nimmt ab. Wenn die Temperatur differenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in den Temperaturbereich gelangt, der um die vorbestimmte Temperatur differenz ΔT_O zentriert ist, aufgrund der Abnahme der Tempera tur des Kühlmittels, hält die Pumpe 400 den Durchsatz des hei ßen Wassers zu diesem Zeitpunkt aufrecht.

Die Temperatur Twh des heißen Wassers am Heißwasserauslaß des Wasserwärmetauschers 220 wird daraufhin ermittelt, und es wird ermittelt, ob diene Temperatur Twh einer Solltemperatur Tw₀ entspricht. Wenn die Temperatur Twh des Heißwassers der Soll temperatur Tw₀ entspricht, wird der Öffnungsgrad des Expan sionsventils 230 aufrechterhalten. Wenn die Temperatur Twh des heißen Wassers nicht höher als die Solltemperatur Tw₀ ist, wird der Austragdruck Pd des Verdichters 210 durch Verringern des Öffnungsgrads des Expansionsventils 230 erhöht, um die Tempe ratur des Kühlmittels zu erhöhen, welches in den Wasserwärme tauscher 220 strömt. Wenn der Austragdruck Pd ein vorbestimm tes Niveau P₀ (beispielsweise 15 MPa) während dieser Zeit erreicht, wird der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite verringert, indem die Drehzahl des Verdichters 210 erhöht wird, und/oder durch Verringern des Luftdurchsatzes eines Gebläses 260. Dies erlaubt es, daß die Temperatur des Kühlmit tels, welches aus dem Verdichter 210 ausgetragen wird, zunimmt, ohne daß der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite übermäßig zunehmen würde.

Wenn die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser nicht in den Temperaturbereich fällt, der um die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT_O zentriert ist, und zwar nach einem Kühlmitteldrucksteuervorgang, wird die vorstehend genannte Durchsatzsteuerung der Pumpe 400 erneut durchgeführt. Schließlich wird das Heißwasserversorgungssystem 100 in den jenigen Zustand versetzt, in welchem die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in einen Temperatur bereich fällt, der um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ zentriert ist, wobei die Temperatur Twh des heißen Wassers, das zugeführt wird, einem Sollniveau Tw₀ entspricht.

Bei dieser Ausführungsform wird der Druck Pd des Kühlmittels, welches aus dem Verdichter 210 ausgetragen wird, durch Regu lieren des Öffnungsgrads des Expansionsventils 230 derart gesteuert, daß die Temperatur Twh des heißen Wassers, das zugeführt wird, ein Sollniveau Tw₀ erreicht. Wenn hingegen die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser größer als die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ ist, wird der Durchsatz des heißen Wassers durch Betätigen der Pumpe 400 erhöht. Die Temperatur Twh des heißen Wassers nimmt deshalb ab, um schließlich den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu erhöhen oder den Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite zu erniedrigen.

Der Steuervorgang gemäß dieser Ausführungsform kann als Steu ervorgang bezeichnet werden, bei welchem zumindest der Kühl mitteldruck auf der Hochdruckseite und derjenige auf der Nied rigdruckseite so gesteuert werden, daß die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetau scher 220 ausströmt, und dem Wasser, welches dort hinein strömt, ein Niveau in einem das vorbestimmte Niveaus ΔT₀ umfas senden Bereich erreicht.

Nunmehr wird eine sechste Ausführungsform erläutert.

Bei der ersten Ausführungsform wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 derart gesteuert, daß die Temperaturdif ferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwär metauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hinein strömt, das vorbestimmte Niveau ΔT₀ erreicht.

Wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform erläutert, ist es erforderlich, daß die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, auf ein vorbestimmtes Niveau ΔT₀ erhöht wird, um den Wärmetauschwir kungsgrad des Wasserwärmetauschers 220 zu verbessern. Ein optimales Niveau der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühl mittel und dem Wasser variiert abhängig von der Heizkapazität des Wärmepumpenkreislaufs und des Durchsatzes des heißen Was sers.

Bei der sechsten Ausführungsform wird eine optimale Tempera turdifferenz ΔT_A zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser berech net, und eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Was ser, welches dort hineinströmt, wird derart gesteuert, daß sie ein Niveau innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs erreicht, der um diese optimale Temperaturdifferenz ΔT_A zen triert ist.

Ein Verfahren zum Berechnen der optimalen Temperaturdifferenz ΔT_A wird nunmehr erläutert.

Wie in Fig. 23 gezeigt, ist der Wasserwärmetauscher 220 gemäß der sechsten Ausführungsform gebildet, indem eine heißwasser seitige Mehrlochplatte bzw. mehrfach perforierte Platte 501, die mit mehreren Löchern versehen ist, durch welche heißes Wasser strömt, mit einer kühlmittelseitigen Mehrlochplatte bzw. mehrfach perforierten Platte 502 verklebt wird, die mit mehreren Löchern versehen ist, durch welche Kühlmittel umge wälzt wird. Die heißwasserseitigen und kühlwasserseitigen mehrfach perforierten Platten 501, 502 werden im wesentlichen in ihren Zwischenabschnitten in der Strömungsrichtung des hei ßen Wassers und des Kühlwassers mit Temperatursensoren 511, 512 versehen, die dazu ausgelegt sind, die Temperaturen des heißen Wassers und des Kühlmittels zu ermitteln, die in dem Zwischenabschnitt des Wasserwärmetauschers 220 strömen. Eine Temperaturdifferenz ΔT_M zwischen dem heißen Wasser und dem Kühlmittel in dem Zwischenabschnitt des Wasserwärmetauschers 220 kann ermittelt werden, indem eine Differenz zwischen der Heißwassertemperatur und der Kühlmitteltemperatur berechnet wird, die durch die Temperatursensoren 511, 512 ermittelt wer den.

In Übereinstimmung mit einem in Fig. 24 gezeigten Temperatur gradienten in der kühlmittelseitigen Mehrlochplatte 502, kon vergieren die Kühlmitteltemperatur und die Heißwassertempera tur im Bereich ihres Zwischenabschnitts aufeinander zu. Insbe sondere hat die Temperaturdifferenz ΔT_M zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in einer Position im Bereich des Zwischen abschnitts des Wasserwärmetauschers 220 einen Wert, der im wesentlichen die Heizkapazität des Wasserwärmetauschers 220 wiedergibt.

Wenn deshalb ein Zielwert bzw. Sollwert für die Temperaturdif ferenz ΔT_O zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwär metauscher 220 strömt, und dem heißen Wasser, welches dort hineinströmt, auf Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Wasser und dem Kühlmittel in einer Position im Bereich des Zwischenabschnitts des Wasserwärmetauschers einge stellt wird, kann eine optimale Temperaturdifferenz ΔT_A als Zielwert gewählt bzw. eingestellt werden.

Die Temperaturdifferenz ΔT_M in einer Position im Bereich des Zwischenabschnitts des Wasserwärmetauschers und eine optimale Temperaturdifferenz ΔT_A zeigen die in Fig. 25 gezeigte Korrela tion, und die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A wird deshalb auf Grundlage einer ermittelten Temperaturdifferenz ΔT_M in bezug auf die in Fig. 25 gezeigte Beziehung ermittelt. Wenn die tat sächlich ermittelte Temperaturdifferenz ΔT₀ größer als die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A ist, werden der Öffnungsgrad eines Expansionsventils 230, der Luftdurchsatz eines Gebläses 260 und die Drehzahl eines Verdichters 210 geändert, um den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu erhöhen oder den Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite zu verringern. Infolge davon nimmt der Wärmetauschwirkungsgrad in dem Wasser wärmetauscher 220 derart zu, daß die Temperaturdifferenz ΔT₀ sich der optimalen Temperaturdifferenz ΔT_A nähert. Wenn die tatsächlich ermittelte Temperaturdifferenz ΔT₀ kleiner als die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A ist, wird ein wirksamer Betriebszustand nicht erzielt und die Arbeitsweise bzw. der Betrieb des Wärmepumpenkreislaufs 200 wird geändert, um den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu verringern oder den Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite zu erhöhen.

Es ist bevorzugt, daß die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A nicht nur im Hinblick auf die Temperaturdifferenz ΔT_M im Bereich des Zwischenabschnitts des Wasserwärmetauschers 220 gewählt wird, sondern auch im Hinblick auf die Temperatur des Wassers, das in den Wasserwärmetauscher 220 strömt, die Tempe ratur (Temperatur des zugeführten heißen Wassers) des Wassers, das aus ihm ausströmt, und die Temperatur des Kühlmittels auf der Niedrigdruckseite. Die sechste Ausführungsform ist deshalb mit einem Temperatursensor zum Ermitteln der Temperatur des Kühlmittels auf der Niedrigdruckseite zusätzlich zu derjenigen Struktur versehen, die identisch zu derjenigen gemäß der ersten Ausführungsform ist.

Es besteht die Neigung, daß die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A groß wird, wenn beispielsweise die Temperatur des Wassers, das in den Wasserwärmetauscher 220 strömt, zunimmt. Die opti male Temperaturdifferenz ΔT_A neigt außerdem dazu, groß zu wer den, wenn die Temperatur des heißen Wassers, das aus dem Was serwärmetauscher 220 strömt, zunimmt, und wenn die Temperatur des Kühlmittels auf der Niedrigdruckseite zunimmt. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird der Wärmepumpenkreislauf 200 notwendigerweise in einem ineffizienten Bereich betrieben, so daß der Wärmetauschwirkungsgrad abnimmt, wodurch die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A veranlaßt wird, zuzunehmen. Wenn diese Parameter berücksichtigt werden, kann deshalb die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A exakt eingestellt bzw. gewählt werden.

Nunmehr wird eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.

In der ersten Ausführungsform wird der Öffnungsgrad des Expan sionsventils 230 so gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, das vorbestimmte Niveau ΔT₀ erreicht. Wenn insbesondere die Tempe raturdifferenz ΔT größer als die Temperaturdifferenz ΔT₀ wird, nimmt der Wärmetauschwirkungsgrad des Wasserwärmetauschers 220 zu, indem der Kühlmitteldruck (Austragdruck Pd des Verdichters 210) erhöht wird, wodurch ein Steuerungsvorgang ausgeführt wird, die Temperaturdifferenz ΔT auf das Niveau ΔT₀ zu verrin gern.

Wie in Fig. 26 mittels einer strichlierten Linie X gezeigt, nimmt diese Temperaturdifferenz ΔT in einem bestimmten Bereich ab, wenn der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite erhöht wird. Daraufhin nimmt sie jedoch zu, wenn der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite weiterhin zunimmt. Die Gründe, warum dieses Phänomen auftritt, werden im folgenden erläutert.

Da eine Wärmeübertragungsrate α in dem Wasserwärmetauscher 220 im Bereich von Sättigungskurven hoch ist, nimmt die Wärme menge, die von dem Kühlmittel auf das heiße Wasser übertragen wird, zu, und die Temperaturdifferenz ΔT nimmt ab, wenn der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zunimmt. In einem Bereich entfernt von den Sättigungskurven nimmt jedoch die Wärmeübertragungsrate α ab, so daß, ungeachtet wie stark der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zunimmt, die Wärme hiervon nicht wirksam zu dem heißen Wasser übertragen wird.

In der siebten Ausführungsform ermittelt deshalb eine ECU 270, ob die Temperaturdifferenz ΔT in bezug auf eine Verringe rung/Erhöhung des Öffnungsgrads eines Expansionsventils 230 klein/groß wird, und sie ermittelt, ob der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 in Übereinstimmung mit einer tatsäch lichen Temperaturdifferenz ΔT zunimmt oder abnimmt.

Insbesondere wenn die Temperaturdifferenz ΔT höher als das vorbestimmte Temperaturniveau ΔT₀ ist, wenn die Temperaturdif ferenz ΔT groß wird in bezug auf eine Verringerung des Öff nungsgrads des Expansionsventils 230, oder wenn ΔT in bezug auf eine Vergrößerung des Öffnungsgrads des Expansionsventils klein wird, wird sein Öffnungsgrad vergrößert. Wenn die Tempe raturdifferenz ΔT niedriger als das vorbestimmte Niveau ΔT₀ im selben Fall ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils verringert.

Wenn andererseits die Temperaturdifferenz ΔT höher als das vorbestimmte Niveau ΔT₀ ist, wenn die Temperaturdifferenz ΔT klein wird in bezug auf eine Verringerung des Öffnungsgrads des Expansionsventils 230, oder wenn die Temperaturdifferenz ΔT groß wird in bezug auf eine Vergrößerung des Öffnungsgrads des Expansionsventils 230, wird dessen Öffnungsgrad verrin gert.

Wenn die Temperaturdifferenz ΔT niedriger als das vorbestimmte Niveau ΔT₀ im selben Fall ist, wird der Öffnungsgrad des Expan sionsventils 230 ebenfalls vergrößert.

Infolge der vorstehend angeführten Steuerung kann die Tempera turdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Was serwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, das dort hinein strömt, stets auf das Niveau bzw. auf dem Niveau ΔT₀ gesteuert bzw. eingestellt werden.

Nunmehr werden weitere Ausführungsformen erläutert.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind die wär meisolierenden Tanks 300 benachbart zur Wärmepumpe angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt. Die wärmeisolierenden Tanks 300 können jedoch auch unter dem Boden eines Gehäuses vorgesehen sein, wie in Fig. 27 gezeigt.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind die Tem peratursensoren 370 im Inneren des inneren Tankelements 320 vorgesehen. Die Sensoren können jedoch auch auf der Aussen seite des inneren Tankelements 320 vorgesehen sein, wie in Fig. 28 gezeigt.

Wie in Fig. 29 gezeigt, können sowohl die ersten wie die zwei ten Öffnungen 340, 350, konzentrisch auf den Unterseiten der art vorgesehen sein, dass die Temperatursensoren 370 auf einem Rohr 351 fest angebracht werden können, die sich in Auf wärtsrichtung durch die zweite Öffnung 340 erstrecken.

Wie in Fig. 30 gezeigt, können Durchsatzregulierventile 380 auf der Seite der ersten Öffnung 340 so vorgesehen sein, dass die Durchsätze von Leitungswasser, welches in die wärmeiso lierten Tanks 300 zuströmt, im wesentlichen gleich werden.

Derartige Anordnungen können eine große Differenz zwischen Bedingungen in dem wärmeisolierendem Tank, in welchem die Tem peratursensoren 370 vorgesehen sind und in den wärmeisolieren den Tanks, in denen keine Sensoren vorgesehen sind, verhin dern, so dass eine exakte Steuerung der Wärmepumpe 200 durch geführt werden kann.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist der wär meisolierende Abschnitt 360 durch ein (Kunst)Harz gebildet. Der wärmeisolierende Abschnitt 360 kann auch durch vertikales Biegen eines Durchlasses 351 in einer zweiten Öffnung 350 in eine labyrinthartige Struktur gebildet sein, wie in Fig. 31 gezeigt.

Da der Durchlass 351 bei dieser Struktur vertikal gebogen ist, befindet sich das heiße Hochtemperaturwasser in einem oberen Teil eines Abschnitts A des Durchlasses 351 und heißes Nieder temperaturwasser befindet sich in einem unteren Teil davon. Die Länge des Durchlasses 351 ist damit vergrößert und außer dem tritt eine natürliche Konvektion im Durchlass 351 so gut wie nicht auf, wodurch die wärmeisolierende Eigenschaft der wärmeisolierenden Tanks 300 verbessert wird.

Wie in Fig. 32 gezeigt, kann ein Ventil zum Verschließen der zweiten Öffnung 350, wenn heißes Wasser durch diese nicht umgewälzt wird, durch ein Material mit stark wärmeisolierenden Eigenschaften wie etwa einem (Kunst)Harz gebildet sein.

Wie in Fig. 32 gezeigt, ist eine erste Ventilplatte 381 auf einem (Kunst)Harz zum Verschließen der zweiten Öffnung 350 mit einem Durchlass 362 versehen, der sich durch diese Klappe hin durch erstreckt.

Eine erste Schraubenfeder 363 legt eine elastische Kraft, die gerichtet ist, die erste Öffnung 350 zu schließen, an einer Innenseite des wärmeisolierenden Tanks 300 an. Eine zweite Ventilplatte 364 aus einem Kunst(Harz) ist in einem Teil des Durchlasses 362 auf einer Innenseite des wärmeisolierenden Tanks 300 vorgesehen und verschließt bzw. öffnet den Durchlass 362. Eine zweite Schraubenfeder belegt eine elastische Kraft, die gerichtet ist, den Durchlass 362 zu verschließen, an die zweite Ventilplatte 364 an.

Durch die vorstehend erläuterte Struktur wird die erste Ven tilplatte 361 geöffnet, wenn das heiße Wasser aus dem wärmei solierenden Tank 300 ausströmt und die zweite Ventilplatte 364 wird geöffnet, wenn das durch die Wärmepumpe 200 erwärmte Was ser dort hinein strömt. Sowohl die Ventilplatte 361 als auch die Ventilplatte 364 werden geschlossen, wenn das heiße Wasser nicht umgewälzt wird.

Bei der zweiten Ausführungsform können sowohl der Wasserwärme tauscher 220 wie der Kühlmittelwärmetauscher 280 als Wärmetau scher mit drei Zylindern gebildet sein, wie in Fig. 33 gezeigt.

Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform wird Wasser durch die Wärmepumpe 200 erhitzt. Die Verwendung der Wärme pumpe 200 ist nicht auf diejenige beschränkt, die in den bei den vorstehend angeführten Ausführungsformen erläutert ist; d. h., die Wärmepumpe 200 kann auch verwendet werden, um Luft und andere Arten von Fluiden zu erwärmen.

Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen beziehen sich auf Beispiele, bei welchen das Wasser durch den Wärmepumpenkreis lauf 200 geheizt und in den wärmeisolierenden Tanks 300 bevor ratet wird.

Die vorstehend erläuterten Wärmepumpenkreisläufe 200 können auch auf Heißwasserversorgungssysteme angewendet werden, die sich von den vorstehend erläuterten Arten unterscheiden. Bei spielsweise kann ein System verwendet werden, bei welchem ein wärmespeicherndes Kühlmittel als Heißwasser erzeugendes Fluid durch den Wärmepumpenkreislauf 200 erhitzt wird, resultie rende Wärme durch Sammeln von Kühlmittel in einem wärmeisolie renden Tank oder einem Heißwasserbevorratungstank bevorratet wird, der zur Atmosphäre hin offen ist, und Wasser durch Aus führen eines Wärmeaustauschs zwischen diesem und der resultie renden Wärmeaufnahmekühlmittel erhitzt wird. Bei einem der artigen Heißwasserversorgungssystem vom Wärmetauschtyp muss das heiße Wasser nicht bevorratet werden, so dass dieses Heiß wasserversorgungssystem ausgesprochen gesundheitszuträglich ist. Anstelle von Leitungswasser wird Wärmeaufnahmekühlmittel verwendet, an welches kein Druck angelegt ist, die Heißwasser bevorratungstanks zum Bevorraten des Wärmeaufnahmekühlmittels müssen nicht mit der ansonsten erforderlichen Festigkeit aus gelegt werden, die erforderlich ist, wenn erhitztes Leitungs wasser genutzt wird. Die Kosten für die Herstellung der Heiß wasserbevorratungstanks können dadurch minimiert werden.

Während vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegen den Erfindung erläutert sind, wird bemerkt, dass diese nicht hierauf beschränkt, ist, sondern zahlreichen Modifikationen und Abwandlungen zugänglich ist, die sämtliche im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, die durch die anliegenden Ansprüche abgedeckt ist.

Claims

1. Heißwasserversorgungssystem, aufweisend:
einen Wärmepumpenkreislauf (200), um Kühlmittel auf seiner Hochdruckseite zu veranlassen, ein Druckniveau einzuneh men, das größer oder gleich einem kritischen Druck des Kühlmittels ist, und um Kühlmittel auf einer Niedrigdruck seite zu veranlassen, Wärme aus der Atmosphäre zu absor bieren, wobei der Wärmepumpenkreislauf einen Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmetausches zwischen dem Kühlmit tel auf der Hochdruckseite und einem heißes Wasser erzeu genden Fluid aufweist, und
einen wärmeisolierenden Tank (300), der ein äußeres Tank element (310) und ein inneres Tankelement (320) aufweist, das in dem äußeren Tankelement (310) vorgesehen ist, wobei ein im wesentlichen luftleerer Raum zwischen den inneren und äußeren Tankelementen (310, 320) vorgesehen ist,
wobei das heißes Wasser erzeugende Fluid und das erhitzte Kühlmittel in dem Wärmepumpenkreislauf (200) in dem Wärme tauscher in entgegengesetzten Richtungen strömen, wobei durch das Kühlmittel auf der Hochdruckseite erwärmtes Was ser in den wärmeisolierenden Tanks 300 bevorratet wird.

2. System nach Anspruch 1, wobei der wärmeisolierende Tank (300) mehrere Tanks aufweist, die parallel zu einem Strom des heiße Wasser erzeugenden Fluids verlaufen.

3. Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen eines heißes Was ser erzeugenden Fluids über einen Wärmepumpenkreislauf, in welchem Kühlmittel auf seiner Hochdruckseite ein Druck niveau erreicht, das höher oder gleich einem kritischen Druck des Kühlmittels ist, aufweisend:
einen Verdichter (210) zum Ansaugen und Verdichten eines Kühlmittels,
einen Kühler bzw. Heizkörper (220) zum Durchführen eines Wärmetausches zwischen dem verdichteten Kühlmittel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid und zum Festlegen von Strömungspfaden derart, dass das aus dem Verdichter ausge tragene Kühlmittel und das heißes Wasser erzeugende Fluid in entgegengesetzten Richtungen strömen, einen Dekomprimierer (230) zum Dekomprimieren des Kühlmittels, welches aus dem Kühler (220) strömt,
einen Verdampfer (240) zum Verdampfen des Kühlmittels, welches aus dem Dekomprimierer (230) strömt, um das Kühl mittel zu veranlassen, Wärme zu absorbieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaugseite des Verdichters (210) auszutragen, und
eine Steuereinrichtung (270) zum Steuern des Kühlmittel drucks auf der Hochdruckseite derart, dass eine Tempera turdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Kühler (220) strömt und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid, welches in den Kühler strömt, ein vorbestimmtes Niveau ΔT₀ erreicht.

4. System nach Anspruch 3, wobei dann, wenn der Kühlmittel druck auf der Hochdruckseite höher als ein vorbestimmtes Niveau ist, die Steuereinrichtung (270) den Kühlmittel druck auf der Niedrigdruckseite derart steuert, dass die Temperaturdifferenz ΔT das vorbestimmte Niveau ΔT₀ erreicht.

5. System nach Anspruch 3, außerdem aufweisend eine Pumpe (400) zum Steuern des Durchsatzes des heißes Wasser erzeu genden Fluids zu dem Kühler (230), wobei die Steuerein richtung den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite derart steuert, dass die Temperaturdifferenz ΔT das vorbestimmte Niveau ΔT₀ durch Variieren des Betriebs des Dekomprimie rers (230) erreicht und wobei die Steuereinrichtung eine Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids am Auslass des Kühlers (230) durch Variieren des Betriebs der Pumpe (400) steuert.

6. System nach Anspruch 3, außerdem aufweisend eine Pumpe (400) zum Steuern des Durchsatz des heißes Wasser erzeu genden Fluids zu dem Kühler (230), wobei die Steuerein richtung (270) den Durchsatz des heißes Wasser erzeugenden Fluids derart steuert, dass die Temperaturdifferenz ΔT das vorbestimmte Niveau ΔT₀ erreicht und eine Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids am Auslass des Kühlers (220) durch Variieren des Betriebs des Dekomprimierers (230) steuert.

7. System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (270) zumindest entweder den Kühlmitteldruck auf der Hochdruck seite oder den Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite derart steuert, dass die Temperaturdifferenz ΔT das vorbe stimmte Niveau ΔT₀ erreicht.

8. System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (270) die Drehzahl des Verdichters (210) steuert, um den Aus tragdruck des aus dem Verdichter (210) ausgetragenen Kühl mittels zu steuern.

9. System nach Anspruch 3, außerdem aufweisend eine Einrich tung (260) zum Regulieren des Durchsatzes von Luft, die zu dem Verdampfer (240) übertragen wird, wobei der Kühlmit teldruck auf der Niedrigdruckseite durch Variieren des Durchsatzes der zu dem Verdampfer (240) über die Durch flussreguliereinrichtung (260) zugeführte Luft gesteuert wird.

10. System nach Anspruch 9, wobei die Durchsatzregulierein richtung ein Gebläse (260) umfasst.

11. System nach Anspruch 3, wobei der Durchsatz des durch den Kühler (220) umgewälzten Kühlmittels derart reguliert wird, dass die Temperatur des Kühlmittels, das aus dem Kühler (220) ausströmt, ein Niveau größer oder gleich eines vorbestimmten Niveaus erreicht.

12. System nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (270) den Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) reguliert und der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite durch Variieren des Öffnungsgrads des Dekomprimierers (230) gesteuert wird.

13. Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 12, wobei:
dann, wenn die Temperaturdifferenz ΔT durch Verringerung des Öffnungsgrads des Dekomprimierers (230) erhöht wird, oder die Temperaturdifferenz ΔT durch Erhöhung des Öff nungsgrads des Dekomprimierers (230) verringert wird, der Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) vergrößert wird, wenn die Temperaturdifferenz ΔT größer als die vorbe stimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ ist, und der Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) verringert wird, wenn die Tempe raturdifferenz ΔT kleiner als die vorbestimmte Temperatur differenz ΔT₀ ist, und
dann, wenn die Temperaturdifferenz ΔT durch Verringerung des Öffnungsgrads des Dekomprimierers (230) verringert wird oder die Temperaturdifferenz ΔT durch Vergrößerung des Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) vergrößert wird, der Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) verrin gert wird, wenn die Temperaturdifferenz ΔT größer als die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ ist, und der Öff nungsgrad des Dekomprimierers (230) vergrößert wird, wenn die Temperaturdifferenz ΔT kleiner als die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ ist.

14. System nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Druckdiffe renz auf Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid im Bereich eines Zwischenabschnitts des Kühlers (220) einge stellt wird.

15. System nach Anspruch 14, wobei die vorbestimmte Tempera turdifferenz, die basierend auf der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid im Bereich des Zwischenabschnitts des Kühlers (220) eingestellt ist, auf Grundlage von zumindest entweder der Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids, das in den Kühler (220) strömt, der Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids, das aus dem Kühler (220) strömt oder der Kühlmitteltemperatur auf der Niedrigdruckseite korri giert wird.

16. Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen eines heißes Was ser erzeugenden Fluids durch einen Wärmekreislauf, durch welchen Kühlmitteldruck auf einer Hochdruckseite ein Niveau größer oder gleich einem kritischen Druck eines Kühlmittels erreicht, aufweisend:
einen Verdichter (210) zum Ansaugen und Komprimieren eines Kühlmittels,
einen Kühler (220) zum Durchführen eines Wärmetauschs zwi schen dem von dem Verdichter (210) ausgetragenen Kühlmit tel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid,
einen Dekomprimierer (230) zum Dekomprimieren des Kühlmit tels, welches aus dem Kühler (220) strömt, und
einen Verdampfer (240) zum Verdampfen des Kühlmittels, welches aus dem Dekomprimierer (230) strömt, um das Kühl mittel zu veranlassen, die Wärme zu absorbieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaugseite des Ver dichters (210) zu übertragen,
wobei ein Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel, das sich zwischen dem Kühlmitteleinlass und -auslass des Kühlers (220) befindet, und dem Kühlmittel durchgeführt wird, das in den Verdichter (210) gesaugt wird.

17. Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen von heißes Wasser erzeugendem Fluid durch einen Wärmepumpenkreislauf, in welchem Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite ein Niveau größer oder gleich einem kritischen Druck eines Kühlmit tels erreicht, aufweisend:
einen Verdichter (210) zum Ansaugen und Verdichten eines Kühlmittels,
einen Kühler (220) zum Durchführen eines Wärmeaustausches zwischen dem Kühlmittel, das aus dem Verdichter (210) aus getragen wird, und dort hindurch strömendem, das heiße Wasser erzeugendem Fluid,
einen Dekomprimierer (230) zum Dekomprimieren des Kühlmit tels, welches aus dem Kühler (220) strömt,
einen Verdampfer (240) zum Verdampfen des Kühlmittels, welches aus der Austragseite des Dekomprimierers (230) strömt, um das Kühlmittel zu veranlassen, Wärme zu absor bieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaug seite des Verdichters (210) zu übertragen,
einen Akkumulator (250) zum Trennen des Kühlmittels, wel ches aus dem Verdampfer (240) strömt, in ein Flüssigpha senkühlmittel und ein Gasphasenkühlmittel und zum Übertra gen des Gasphasenkühlmittels in Richtung auf die Ansaug seite des Verdichters (210),
einen Kühlmittelwärmetauscher (280) zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen dem Kühlmittel, das zwischen dem Kühlmitteleinlass und -auslass des Kühlers (210) vorliegt und dem Kühlmittel, welches aus dem Akkumulator (250) strömt,
einen Kühlmitteldurchlass (281) zum Führen des Flüssigpha senkühlmittels in dem Akkumulator zu dem Kühlmittelwärme tauscher (280), und
eine Reguliereinrichtung (282, 282a, 283) zum Regulieren der Verbindung des Kühlmitteldurchlasses (281),
wobei die Reguliereinrichtung derart gesteuert ist, dass die Kühlmitteltemperatur auf der Austragseite des Verdich ters (210) ein vorbestimmtes Niveau erreicht.

18. System nach Anspruch 17, wobei die Reguliereinrichtung eine elektronische Steuereinrichtung (282, 283) umfasst.

19. System nach Anspruch 18, wobei die elektronische Steuer einrichtung eine Kombination aus einem elektronisch gesteuerten Ventil (282) und einem Sensor (283) umfasst.

20. System nach Anspruch 17, wobei die Reguliereinrichtung eine mechanische Steuereinrichtung (282a) umfasst.

21. System nach Anspruch 20, wobei die mechanische Steuerein richtung ein mechanisches Sensorventil (282a) umfasst.

22. Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen von heißes Wasser erzeugendem Fluid durch einen Wärmepumpenkreislauf in wel chem ein Kühlmitteldruck auf seiner Hochdruckseite ein Niveau größer oder gleich einem kritischen Druck eines Kühlmittels erreicht, aufweisend:
einen Verdichter (210) zum Ansaugen und Verdichten eines Kühlmittels,
einen Kühler (220) zum Durchführen eines Wärmetauschs zwi schen dem aus dem Verdichter (210) ausgetragenen Kühlmit tel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid, welches dort hindurch strömt,
einen Dekomprimierer (230) zum Dekomprimieren des Kühlmit tels, welches aus dem Kühler (220) strömt,
einen Verdampfer (240) zum Verdampfen des Kühlmittels wel ches aus der Austragseite des Dekomprimierers (230) strömt, um das Kühlmittel zu veranlassen, Wärme zu absor bieren und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaug seite des Verdichters (210) zu übertragen,
einen Akkumulator (250) zum Trennen des Kühlmittels, wel ches aus dem Verdampfer (240) strömt in ein Flüssigphasen kühlmittel und ein Gasphasenkühlmittel und zum Übertragen des Gasphasenkühlmittels in Richtung auf eine Ansaugseite des Verdichters (210),
einen Kühlmittelwärmetauscher (280) zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen dem Kühlmittel, das zwischen dem Kühlmitteleinlass und -auslass des Kühlers (220) vorliegt und dem Kühlmittel, welches aus dem Akkumulator (250) strömt,
einen Kühlmitteldurchlass (281) zum Führen des Flüssigpha senkühlmittels in dem Akkumulator (250) zu dem Kühlmittel wärmetauscher (280), und
eine Reguliereinrichtung (282, 282a, 283) um die Verbin dung des Kühlmitteldurchlasses (281) zu regulieren, und die so gesteuert ist, dass eine Kühlmitteltemperatur auf einer Austragseite des Verdichters (210) ein vorbestimmtes Niveau erreicht.