DE19955339B4

DE19955339B4 - Heißwasserversorgungssystem

Info

Publication number: DE19955339B4
Application number: DE19955339A
Authority: DE
Inventors: Hisayoshi Kariya Sakakibara; Shin Kariya Nishida; Masahiko Kariya Ito; Kenichi Kariya 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: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: US6370896B1; US20020014085A1; US6494051B2; JP2000213806A; JP3227651B2; DE19955339A1

Abstract

Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen eines heißes Wasser erzeugenden Fluids über einen Wärmepumpenkreislauf, in welchem Kühlmittel auf seiner Hochdruckseite ein Druckniveau 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 ausgetragene 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 Kühlmittel zu veranlassen, Wärme zu absorbieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaugseite des Verdichters (210) auszutragen,
einen Temperatursensor (272) zur Erfassung einer Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids, welches in den Kühler bzw....

Description

Die Erfindung betrifft ein Heißwasserversorgungssystem.
DE 36 08 868 A1 offenbart ein Heißwasserversorgungssystem mit einem Wärmepumpenkreislauf, welcher eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer, einem Verdichter einem Verflüssiger und einem Expansionsventil umfasst. Ein Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmetausches zwischen verdichtetem Kühlmittel und in einem Tank bevorratetem Wasser ist über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung an der Wärmepumpe angeschlossen. Das Kühlmittel und das Wasser strömen dabei in entgegengesetzte Richtungen. In dem Tank ist ein Temperatursensor angeordnet, mit dem über eine Steuereinrichtung die Wärmepumpe bei einer Wassertemperatur von weniger als 50°C eingeschaltet wird. Mittels eines zweiten, in der Rücklaufleitung angeordneten Temperatursensors wird die Wärmepumpe abgeschaltet, wenn die Temperatur 43°C unterschreitet.
DE 689 08 181 zeigt einen CO₂-Kühlmittelkreislauf.
Ein weiteres Heißwasserversorgungssystem ist beispielsweise im japanischen Gebrauchsmuster JP 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 derartiges Heißwasserversorgungssystem wird deshalb vorzugsweise nachts betrieben, um heißes Wasser bei minimierten Stromkosten zu erzeugen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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, 14 bzw. 17. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Heißwasserversorgungssystem gemäß dem Anspruch 1 dient zum Erhitzen eines Fluids zur Heißwassererzeugung über einen Wärmepumpenkreislauf, in welchem Kühlmittel auf der Hochdruckseite ein Druckniveau erreicht, das höher oder gleich einem kritischen Druck des Kühlmittels ist. Das Heißwassersystem umfasst einen Verdichter, der im Betrieb Kühlmittel ansaugt und verdichtet, und einen Kühler bzw. Heizkörper als Wärmetauscher zwischen dem verdichteten Kühlmittel und dem Fluid. Der Kühler legt ferner Strömungspfade derart fest, dass das aus dem Verdichter ausgetragene Kühlmittel und das Fluid in entgegengesetzten Richtungen strömt.
Des weiteren ist ein Dekomprimierer für das aus dem Kühler strömende Kühlmittel und ein Verdampfer für das aus dem Dekomprimierer strömende Kühlmittel vorgesehen, wodurch das Kühlmittel Wärme absorbiert, und in Richtung auf die Ansaugseite des Verdichters ausgetragen wird. Desweiteren umfasst das Heißwasserversorgungssystem gemäß dem Anspruch 1 eine Steuereinrichtung zum Steuern des Kühlmitteldrucks auf der Hochdruckseite. Die Steuerung erfolgt dabei derart, dass eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Kühler strömt und dem Fluid, welches in den Kühler strömt, ein vorbestimmtes Niveau ΔT₀ erreicht. Dadurch wird die Wärmetauschrate verbessert.
Im einzelnen schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt ein Heizsystem, bei welchem ein Kühlmittelstrom bzw. -durchsatz auf der Hochdruckseite eines superkritischen Wärmepumpenkreislaufs und ein Heißwasserstrom bzw. -durchsatz entgegengerichtet zueinander gerichtet sind. Derartiges mit dem hochdruckseitigen Kühlmittel erhitztes Wasser wird in wärmeisolierenden Tanks bevorratet.
Bei der vorstehend erläuterten Anordnung wird Wasser durch Wärme erhitzt, die aus der Atmosphäre absorbiert wird, sowie durch einen superkritischen Wärmepumpenkreislauf hohen Wärmetauschwirkungsgrads, 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 notwendig 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 Heißwasserversorgungssystem eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heißwasserversorgungssystems,
2 ein schematisches Diagramm des in 1 gezeigten Systems,
3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2,
4A–4C schematische Diagramme zur Verdeutlichung der Arbeitsweies der ersten Ausführungsform,
5A eine geschnittene Draufsicht eines Gegenstromwärmetauschers, der in der ersten Ausführungsform verwendet wird,
5B eine Kurve der Temperaturveränderung als Funktion des Strömungsabstands in dem Gegenstromwärmetauscher,
6 eine Kurve der Temperaturänderung in dem Wärmetauscher unter Verwendung von Freon als Kühlmittel,
7 eine Kurvendarstellung der Temperatur T als Funktion der spezifischen Entropie S(T = f(S)), für ein im erfindungsgemäßen System verwendetes Kühlmttel
8 eine weitere Kurvendarstellung von T = f(S),
9 eine weitere Kurvendarstellung von T = f(S),
10 eine weitere Kurvendarstellung von T = f(S),
11 eine weitere Kurvendarstellung von T = f(S),
12 eine weitere Kurvendarstellung von T = f(S),
13 eine weitere Kurvendarstellung von T = f(S),
14 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
15 eine perspektivische Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie A-A in 14,
16 eine Kurvendarstellung des Drucks Pd als Funktion der spezifischen Enthalpie h (Pd = f(h)) für ein im erfindungsgemäßen System verwendetes Kühlmittel,
17 eine weitere Kurvendarstellung von Pd = f(h),
18 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe eines modi fizierten Beispiels der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
19 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe eines modifizierten Beispiels der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
20 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
21 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
22 ein schematisches Diagramm einer Wärmepumpe einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
23 eine perspektivische Ansicht eines Wasserwärmetauschers
einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung,
24 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der spezifischen Entropie und der Temperatur in der sechsten Ausführungsform,
25 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen einer Temperaturdifferenz ΔT_M im Bereich einer Zwischenposition in einem Wärmetauscher der sechsten Ausführungsform und einer optimalen Temperaturdifferenz ΔT₀,
26 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der spezifischen Enthalpie und des Drucks in einer siebten Ausführungsform des Heißwasserversorgungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
27 ein schematisches Diagramm der wärmeisolierenden Tanks,
28 ein schematisches Diagramm der Positionen von Temperatursensoren, die in einem beispielhaften wärmeisolierenden Tank angeordnet sind,
29 ein schematisches Diagramm der Positionen von Temperatursensoren, die in einem beispielhaften wärmeisolierenden Tank angeordnet sind,
30 ein schematisches Diagramm des Regelungszustands von Durchsatzregulierventilen für die wärmeisolierenden Tanks,
31 ein modifiziertes Beispiel eines wärmeisolierenden Abschnitts,
32 ein modifiziertes Beispiel eines wärmeisolierenden Abschnitts, und
33 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts entsprechend des Abschnitts, der in Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 14 gezeigt ist.
Zunächst wird eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Heißwasserversorgungssystem 100 zum Einsatz in Haushalten, wie in 1 und 2 gezeigt. In 2 bezeichnet die Bezugsziffer 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 Stickstoffoxid 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 Heißwasserdurchsatz erstrecken.
Anhand 2 wird die Wärmepumpe 200 nunmehr im einzelnen erläutert. Ein Verdichter 210 zum Ansaugen und Verdichten eines Kühlmittels (bei der vorliegenden Ausführungsform Kohlendioxid) ist als elektrischer Verdichter gebildet, der eine einheitliche Kombination eines (nicht gezeigten) Verdichtungsmechanismus zum Ansaugen und Verdichten des Kühlmittels und einen (nicht gezeigten) Elektromotor zum Antreiben des Verdichtermechanismus umfaßt. Ein Wasserwärmetauscher (Kühler) 220 führt einen Wärmetausch mit dem Kühlmittel durch, welches aus dem Verdichter 210 strömt und es wird ihm Wasser zugeführt. Der Wasserwärmetauscher 220 ist ein Gegenstromwärmetauscher, der derart gebildet ist, daß ein Kühlmittelstrom bzw. – durchsatz entgegengerichtet zu der Strömung des Wassers strömt.
Ein elektrisches Expansionsventil 230 entspannt das Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und ein Verdampfer 240 verdampft das Kühlmittel, welches aus dem elektrischen Expansionsventil 230 ausströmt, so daß das Kühlmittel atmosphärische Wärme zu absorbieren vermag, bevor es zu einem Sammelkasten bzw. Akkumulator 250 (Ansaugseite des Verdichters 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 Kühlmitteltemperatursensor 271 ermittelt die Temperatur des Kühlmittels, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt. Ein erster Wassertemperatursensor 272 ermittelt die Temperatur des Wassers, das in den Wasserwärmetauscher strömt.
Ein Kühlmitteldrucksensor 273 ermittelt den Druck des Kühlmittels, 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 vorstehend bezug genommen ist, handelt es sich um einen Kühlmitteldruck, 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 Austragseite des Expansionsventils 230 zu einer Ansaugseite des Verdichters 210 erstreckt, und er ist im wesentlich gleich einem Ansaugdruck des Verdichters 210.
Eine elektrische Wasserpumpe 400 führt eine geregelte Heißwassermenge 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 3 die wärmeisolierenden Tanks 300 erläutert. Der in 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 Leitungswasser 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 Öffnung 350 verbunden ist. Die zwei Rohrabschnitte 361, 362 sind durch Kunstharz mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als integraler Körper gebildet.
Zumindest einer der wärmeisolierenden Tanks 300 ist mit mehreren Temperatursensoren 370 versehen, welche die Temperatur des heißen Wassers darin derart ermitteln, daß sie vertikal voneinander 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 Wasser wird zugeführt: Wenn unter Bezug auf 4A ein nicht gezeigter Heißwasserzufuhrhahn, der mit der Seite des Heißwasserversorgungssystems 100 (zweite Öffnungen 350 der wärmeisolierenden Tanks 300) verbunden ist, geöffent 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 hinausverdrängt, 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 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 ermittelt 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 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 betätigen. 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 größer oder gleich einem kritischen Niveau unter Druck gesetzt wurde, wird es in dem Wasserwärmetauscher 220 umgewälzt, ohne mit einem Temperaturgradienten kondensiert zu werden, der allmählich ausgehend vom Kühlmitteleinlaß in Richtung auf den Kühlmittelauslaß verringert wird bzw. abnimmt.

Da der Wasserwärmetauscher 220 so gebildet ist, daß ein Kühlmittelstrom und ein Wasserstrom, die zugeführt werden sollen (heißes Wasser), entgegengesetzt gerichtet sind, wird das zuzuführende heiße Wasser in dem Wasserwärmetauscher 220 mit einem Temperaturgradienten erhitzt, der ausgehend vom Wassereinlaß 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 dieser 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 vorliegenden Ausführungsform ist die erforderliche Kühlmitteltemperatur 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 erforderlichen Kühlmitteltemperatur am Kühlmitteleinlaß des Wasserwärmetauschers 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 ΔT₀ (etwa 10° bei dieser Ausführungsform) zentriert ist.
Wenn die Temperaturdifferenz ΔT größer als die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 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, zuzunehmen. Das Vergrößern der Drehzahl des Verdichters 210 dient ebenfalls zur Erhöhung des Kühlmitteldrucks auf der Hochdruckseite. Wenn jedoch der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite durch Erhöhen der Drehzahl des Verdichters 210 erhöht bzw. vergrößert wird, wird der Luftdurchsatz des Gebläses 260 ebenfalls bevorzugt gleichzeitig erhöht.
Wenn die Drehzahl des Verdichters 210 ohne Verändern seines Luftdurchsatzes erhöht wird, nimmt eine Ansaugrate des Kühlmittels zu, während der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite 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 saugen, 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 ΔT₀ herum erreicht. Insbesondere wird der Luftdurchsatz des Gebläses verringert und die Drehzahl des Verdichters 210 kann zusätzlich erhöht werden. Der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite 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 Gegenstromwärmetauschers erläutert.
5A zeigt ein schematisches Diagramm eines Gegenstromwärmetauschers A, in welchem ein Wärmetauscherfluid und ein dem Wärmetauscher zuzuführendes Fluid entgegengesetzt gerichtete Strömungspfade besitzen. Wenn Hochtemperaturwasser a und Niedrigtemperaturwasser 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 5B gezeigt. Da die Seitenachse x von 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. Fläche des in 5B gezeigten dreieckigen schraffierten Bereichs.
Ein durch Dividieren einer Wärmemenge Q, die zu dem einem Wärmetauscher zu unterwerfenden Fluid (Wasser b) übertragen werden soll, durch eine mittlere Temperaturdifferenz Δt zwischen dem Wärmetauscherfluid (Wasser a) und dem Fluid, das einem Wärmetausch unterworfen werden soll, ist definiert als Wärmetauschwirkungsgrad η (Q/Δt). Wie aus dieser Definition hervorgeht, 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 Hochdruckseite 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 Flüssigphase befindet. Unter der Annahme, daß die spezifische Entro pie des Kühlmittels und die Kühlmitteltemperatur im wesentlichen linear variieren, werden Temperaturvariationen bzw. – änderungen des Kühlmittels und des heißen Wassers im wesentlichen identisch zu den in 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 konstanter 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 überkühlten Bereich.
Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Freon und dem heißen Wasser in einem Bereich erhitzten Dampfes, d.h. eine Temperaturdifferenz 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 exponentiell in dem Gasflüssigphasenbereich, wie in 6 gezeigt. Um den Wärmetausch zuverlässig zwischen dem Freon und dem heißen Wasser in dem Bereich des Wasserwärmetauschers 220 durchzuführen, ist es deshalb erforderlich, daß die Temperaturdifferenz Δt₂ zwischen der Wassereinlaßseite und der Kühlwasserauslaßseite 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 kritischen Druck verwendet wird, betätigt bzw. betrieben wird, nimmt der Wärmetauschwirkungsgrad η deshalb im Vergleich zu demjenigen bei der vorliegenden Ausführungsform ab, bei welcher 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 Ausführungsform wird Wasser mit Wärme erhitzt, die aus der Atmosphäre absorbiert wird, und durch den superkritischen Wärmepumpenkreislauf 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 höchsten Kosten anfallen, erzeugt werden kann, ist es nicht erforderlich, heißes Wasser zum Gebrauch bei dieser Tageszeit in großen wärmeisolierenden Tanks zu bevorraten. Das Heißwasserversorgungssystem 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 Kühlmittels linear variieren, und zwar unter Bezug auf 7, variieren die spezifische Entropie und die Kühlmitteltemperatur praktisch derart, daß sie nicht linear in Übereinstimmung mit einer Erhöhung der spezifischen Entropie erhöht werden. Wie aus 7 hervorgeht, zeigt die Kurve der Beziehung zwischen der spezifischen Entropie des Kühlmittels und seiner Temperatur, 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 variierenden Zustand nähert.
Wie aus vorstehender Erläuterung hervorgeht, kann der Wärmetauschwirkungsgrad η erhöht werden, wenn die spezifische Entropie des Kühlmittels und seine Temperatur linear variieren, so daß dann, wenn der Kühlmitteldruck, d.h. der Austragdruck 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 ΔT₀ einnimmt, um den Wärmetauschwirkungsgrad η zu verbessern. Die Gründe, weshalb diese Techniken eingesetzt werden, werden nunmehr erläutert.
Die durchgezogenen Linien a-b-c-d in 7 bilden ein Wärmepumpenkreislaufdiagramm 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 Liniensegment c-d bezeichnet einen Dekompressionshub, das Liniensegment 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 Kühlmittels auf der Kühlmittelauslaßseite des Wasserwärmetauschers 220 ab, wie in 8 gezeigt.
Wenn, wie deutlich aus 7 und 8 hervorgeht, der Wärmetauschwirkungsgrad η verbessert wird, um die Wärmetauschrate in dem Wasserwärmetauscher 220 zu veranlassen, zuzunehmen, wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, klein. Bei dieser Ausführungsform wird deshalb der Wärmetauschwirkungsgrad η durch Steuern des Austragdrucks Pd derart verbessert, daß die Temperaturdifferenz ΔT ein vorbestimmtes Niveau ΔT₀ 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, welches zugeführt werden soll) der Pumpe 400 erhöht werden kann.
Wenn der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite der Wärmepumpe 200 beispielsweise aufgrund einer Erhöhung der Temperatur der Außenluft zunimmt, wenn die Wärmepumpe 200 sich in dem in 7 gezeigten stabilen Zustand befindet bzw. unter stabilen Bedingungen betrieben wird, nimmt die Temperatur des Kühlmittels, welches aus dem Verdichter 210 ausgetragen wird, ab, wie in 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 10 gezeigt. Dieser übermäßige Druck kann deshalb (gegebenenfalls) die Druckwiderstandsfestigkeit des Verdichters 210 und des Wasserwärmetauschers 220 übersteigen. Obwohl die Druckbeständigkeit bzw. Druckwiderstandsfestigkeit des Verdichters 210 und des Wasserwärmetauschers 220 erhöht werden können, um dieses Problem zu überwinden, würden damit die Herstellungskosten für das Heißwasserversorgungssystem 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 vorbestimmtes Niveau ΔT₀ erreicht. Wenn der Austragdruck Pd das vorbestimmte Niveau P₀ erreicht, wird der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite so gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT das vorbestimmte Niveau ΔT₀ erreicht, wobei die Kühlmitteltemperatur auf einem Niveau größer oder gleich einem erforderlichen Niveau gehalten wird. Infolge davon kann eine übermäßige Erhöhung des Austragdrucks Pd verhindert werden, wie in 11 gezeigt. Wenn der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite 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 Wasserwärmetauschers 220 zu erhöhen, kann das Heißwasserversorgungssystem 100 (die Wärmepumpe 200) wirksam betrieben werden, während gleichzeitig die Herstellungskosten minimiert sind.
Wie aus vorstehender Erläuterung hervorgeht, muß die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ 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 Bedingungen verändert werden kann.
Da die zweiten Öffnungen 350, in welche hinein und aus welchen heraus heißes Hochtemperaturwasser strömt, die wärmeisolierenden Tanks 300 mit den wärmeisolierenden Abschnitten 360 abgedeckt sind, die ein Kunstharzmaterial niedriger Wärmeleitfähigkeit 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 Atmosphäre) minimiert werden. Dies erlaubt es, daß die Wärmeisolierfähigkeit der wärmeisolierten Tanks 300 verbessert ist.
Da die Tempeatursensoren 370 zum Ermitteln der Temperatur des heißen Wassers in den wärmeisolierenden Tanks 300 voneinander vertikal beabstandet sind, können die Temperatur und das Volumen 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 vorgesehen. 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 Temperatursensor 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 Wasserwärmetauscher ausströmt, niedrig, wie in 12 gezeigt. Wenn das Expansionsventil 230 und der Verdichter 210 derart gesteuert werden, daß die Temperaturdifferenz ΔT kleiner als oder gleich dem vorbestimmten Niveau ΔT₀ wird, nimmt der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite zu, wie in 13 gezeigt. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe 200 kann deshalb verbessert werden, indem der Wärmetauschwirkungsgrad n erhöht wird, während heißes 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 erläutert.
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 derart gesteuert, daß der Austragdruck Pd das vorbestimmte Niveau Po nicht überschreitet. Bei der zweiten Ausführungsform wird der Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel zwischen dem Kühlmitteleinlaß und -auslaß eines Wasserwärmetauschers 220 und dem Kühlmittel durchgeführt, welches in den Verdichter 210 gesaugt wird.
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 vorhanden ist, und dem Kühlmittel durch, welches in den Verdichter 210 gesaugt wird.
15 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schnitts, der entlang der Linie A-A in 14 gelegt ist. Der Wasserwärmetauscher 220 umfaßt demnach ein kühlmittelseitiges Rohr 222, das mit mehreren Löchern 221 versehen ist, durch welches Kühlmittel 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 perforierten Rohre 222, 224 und der Kühlmittelwärmetauscher 280 sind geformt, indem Aluminium einem Spritzguß- oder Ziehprozeß unterworfen wird.
Die Eigenschaften dieser Ausführungsform werden nunmehr erläutert. 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 erforderlich, daß der Austragdruck Pd in Übereinstimmung mit einer Erhöhung des Kühlmitteldrucks auf der Niedrigdruckseite erhöht wird, wie in 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 Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Wasserwärmetauschers 220 vorhanden ist, nimmt die Temperatur des angesaugten Kühlmittels zu, wie in 16 durch A-B-C-D gezeigt, so daß die Kühlmitteltemperatur auf der Austragseite des Verdichters 210 erhöht werden kann, ohne daß der Austragdruck Pd veranlaßt wird, zuzunehmen. Es ist deshalb nicht erforderlich, die Druckfestigkeit des Verdichters 210 und des Wasserwärmetauschers 220 zu erhöhen, so daß eine Erhöhung der Kosten bei der Herstellung 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 Wasserwärmetauscher 220 einem Wärmetausch unterworfen wird, ist damit möglich.
In der Wärmepumpe 200 wird das Kühlmittel in dem Wasserwärmetauscher 220 jedoch derart umgewälzt, daß ein Temperaturgradient bereitgestellt wird, demnach die Temperatur allmählich vom Kühlmitteleinlaß in Richtung auf den Kühlmittelauslaß abnimmt, wie vorstehend erwähnt, so daß eine Temperaturdifferenz zwischen dem Austragkühlmittel bzw. dem ausgetragenen Kühlmittel und dem heißen Wasser, welches in den Wasserwärmetauscher 220 strömt, klein ist.
Da die Temperatur der Außenluft hoch ist, wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel (Ansaugkühlmittel bzw. angesaugtes Kühlmittel) in dem Verdampfer 240 und der Außenluft 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 eingesetzt 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 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 18 gezeigt, kann diese Ausführungsform auch so gebildet sein, daß das durch den Wasserwärmetauscher 220 umgewälzte Kühlmittel während des Umwälzvorgangs aus diesem entnommen und einem Wärmetausch mit dem Ansaugkühlmittel unterworfen wird.
Wie in 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 elektromagnetischen Ventil 291 zu stoppen.
19 zeigt ein Beispiel, demnach ein Umgehungsdurchlaß 290 in derselben Pumpe 200 wie in 14 gezeigt, vorgesehen ist, und 20 zeigt ein Beispiel, demnach eine Umgehung 290 in derselben Pumpe 200, wie in 18 gezeigt, vorgesehen ist.
In der in 18 gezeigten Wärmepumpe 200 können ein Umgehungsdurchlaß 290 und ein elektromagnetisches Ventil 291 in dem Kühlmitteldurchlaß vorgesehen sein, der sich von dem Wasserwärmetauscher 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 erläutert.
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 21 gezeigt, sind ein Kühlmitteldurchlaß 281 zum Einleiten eines Flüssigphasenkühlmittels, das in einem Bodenabschnitt des Akkumulators 250 gesammelt wird, in das Kühlmittel, welches aus diesem ausströmt, 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 Temperatursensor 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 erläutert. In der zweiten Ausführungsform wird ein Wärmeaustausch in dem Kühlmittelwärmetauscher 280 zwischen dem Kühlmittel, zwischen dem Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Wasserwärmetauschers 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 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 Temperatur höher als ein vorbestimmtes Niveau (etwa 100°C, wenn heißes Wasser von 85°C erzeugt wird) ist, wird der Öffnungsgrad des Durchflußregulierventils 282 vergrößert, um die Zufuhrrate des Flüssigphasenkühlmittels zu erhöhen, welches von dem Akkumulator 250 zu dem Kühlmittelwärmetauscher 280 übertragen wird, um dadurch zu verhindern, daß der Erwärmungsgrad des Ansaugkühlmittels 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 Temperatur 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 Ausführungform der vorliegenden Erfindung erläutert.
In der dritten Ausführungsform wird eine Erhöhung der Temperatur des Austragkühlmittels auf ein Niveau höher als erforderlich elektronisch durch den Temperatursensor 283 und das Durchsatzregulierventil 282 verhindert. Insbesondere unter bezug auf 22 verhindert die vierte Ausführungsform mechanisch, 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 Wärmepumpenkreislauf 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 reguliert, dass der Heizgrad zwischen der Auslaßseite des Kühlmittelwärmetauschers 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 Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und dem Wasser, welches in ihn hineinströmt, durch Variieren des Öffnungsgrads des Expansionsventils 230 gesteuert. Die Temperatur des heißen Wassers am Heißwasserauslaß des Wasserwärmetauschers 220 wird durch Regulieren 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 Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, auf ein vorbestimmtes Niveau ΔT₀ 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 nunmehr erläutert.
Zunächst wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, 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 (ΔT₀ ± α) befindet, der um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ zentriert bzw. gelegen ist. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT sich im vorbestimmten Temperaturbereich befindet, wird der Durchsatz des heißen Wassers, reguliert durch die Pumpe 400, konstant gehalten. Wenn sie sich nicht in dem vorbestimmten Temperaturbereich befindet, 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 ΔT₀, 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 Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in den Temperaturbereich gelangt, der um die vorbestimmte Temperaturdifferenz ΔT₀ zentriert ist, aufgrund der Abnahme der Temperatur des Kühlmittels, hält die Pumpe 400 den Durchsatz des heißen Wassers zu diesem Zeitpunkt aufrecht.
Die Temperatur Twh des heißen Wassers am Heißwasserauslaß des Wasserwärmetauschers 220 wird daraufhin ermittelt, und es wird ermittelt, ob diese Temperatur Twh einer Solltemperatur Tw₀ entspricht. Wenn die Temperatur Twh des Heißwassers der Solltemperatur Tw₀ entspricht, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 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 Temperatur des Kühlmittels zu erhöhen, welches in den Wasserwärmetauscher 220 strömt. Wenn der Austragdruck Pd ein vorbestimmtes 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 Kühlmittels, 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 ΔT₀ zentriert ist, und zwar nach einem Kühlmitteldrucksteuervorgang, wird die vorstehend genannte Durchsatzsteuerung der Pumpe 400 erneut durchgeführt. Schließlich wird das Heißwasserversorgungssystem 100 in denjenigen Zustand versetzt, in welchem die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in einen Temperaturbereich 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 Steuervorgang bezeichnet werden, bei welchem zumindest der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite und derjenige auf der Niedrigdruckseite so gesteuert werden, daß die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 ausströmt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, ein Niveau in einem das vorbestimmte Niveaus ΔT₀ umfassenden Bereich erreicht.
Nunmehr wird eine sechste Ausführungsform erläutert.
Bei der ersten Ausführungsform wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 derart gesteuert, daß die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, 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 Wärmetauschwirkungsgrad des Wasserwärmetauschers 220 zu verbessern. Ein optimales Niveau der Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser variiert abhängig von der Heizkapazität des Wärmepumpenkreislaufs und des Durchsatzes des heißen Wassers.
Bei der sechsten Ausführungsform wird eine optimale Temperaturdifferenz ΔT_A zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser berechnet, und eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, welches dort hineinströmt, wird derart gesteuert, daß sie ein Niveau innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs erreicht, der um diese optimale Temperaturdifferenz ΔT_A zentriert ist.
Ein Verfahren zum Berechnen der optimalen Temperaturdifferenz ΔT_A wird nunmehr erläutert.
Wie in 23 gezeigt, ist der Wasserwärmetauscher 220 gemäß der sechsten Ausführungsform gebildet, indem eine heißwasserseitige 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 umgewälzt wird. Die heißwasserseitigen und kühlwasserseitigen mehrfach perforierten Platten 501, 502 werden im wesentlichen in ihren Zwischenabschnitten in der Strömungsrichtung des heißen 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 werden.
In Übereinstimmung mit einem in 24 gezeigten Temperaturgradienten in der kühlmittelseitigen Mehrlochplatte 502, konvergieren die Kühlmitteltemperatur und die Heißwassertemperatur im Bereich ihres Zwischenabschnitts aufeinander zu. Insbesondere hat die Temperaturdifferenz ΔT_M zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in einer Position im Bereich des Zwischenabschnitts des Wasserwärmetauschers 220 einen Wert, der im wesentlichen die Heizkapazität des Wasserwärmetauschers 220 wiedergibt.
Wenn deshalb ein Zielwert bzw. Sollwert für die Temperaturdifferenz ΔT₀ zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 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 eingestellt 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 25 gezeigte Korrelation, und die optimale Temperaturdifferenz ΔT_A wird deshalb auf Grundlage einer ermittelten Temperaturdifferenz ΔT_M in bezug auf die in 25 gezeigte Beziehung ermittelt. Wenn die tatsächlich 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 Wasserwärmetauscher 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 Temperatur (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 optimale Temperaturdifferenz ΔT_A neigt außerdem dazu, groß zu werden, wenn die Temperatur des heißen Wassers, das aus dem Wasserwärmetauscher 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 Expansionsventils 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 Temperaturdifferenz 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 verringern.
Wie in 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 Wärmemenge, 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 Verringerung/Erhöhung des Öffnungsgrads eines Expansionsventils 230 kleingroß wird, und sie ermittelt, ob der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 in Übereinstimmung mit einer tatsächlichen Temperaturdifferenz ΔT zunimmt oder abnimmt.
Insbesondere wenn die Temperaturdifferenz ΔT höher als das vorbestimmte Temperaturniveau ΔT₀ ist, wenn die Temperaturdifferenz ΔT groß wird in bezug auf eine Verringerung des Öffnungsgrads 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 verringert.
Wenn die Temperaturdifferenz ΔT niedriger als das vorbestimmte Niveau ΔT₀ im selben Fall ist, wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 ebenfalls vergrößert.
Infolge der vorstehend angeführten Steuerung kann die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 220 strömt, und dem Wasser, das dort hineinströmt, 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 wärmeisolierenden Tanks 300 benachbart zur Wärmepumpe angeordnet, wie in 1 gezeigt. Die wärmeisolierenden Tanks 300 können jedoch auch unter dem Boden eines Gehäuses vorgesehen sein, wie in 27 gezeigt.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind die Temperatursensoren 370 im Inneren des inneren Tankelements 320 vorgesehen. Die Sensoren können jedoch auch auf der Aussenseite des inneren Tankelements 320 vorgesehen sein, wie in 28 gezeigt.
Wie in 29 gezeigt, können sowohl die ersten wie die zweiten Öffnungen 340, 350, konzentrisch auf den Unterseiten derart vorgesehen sein, dass die Temperatursensoren 370 auf einem Rohr 351 fest angebracht werden können, die sich in Aufwärtsrichtung durch die zweite Öffnung 340 erstrecken.
Wie in 30 gezeigt, können Durchsatzregulierventile 380 auf der Seite der ersten Öffnung 340 so vorgesehen sein, dass die Durchsätze von Leitungswasser, welches in die wärmeisolierten Tanks 300 zuströmt, im wesentlichen gleich werden.
Derartige Anordnungen können eine große Differenz zwischen Bedingungen in dem wärmeisolierendem Tank, in welchem die Temperatursensoren 370 vorgesehen sind und in den wärmeisolierenden Tanks, in denen keine Sensoren vorgesehen sind, verhindern, so dass eine exakte Steuerung der Wärmepumpe 200 durchgeführt werden kann.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist der wärmeisolierende 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 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 Niedertemperaturwasser befindet sich in einem unteren Teil davon. Die Länge des Durchlasses 351 ist damit vergrößert und außerdem tritt eine natürliche Konvektion im Durchlass 351 so gut wie nicht auf, wodurch die wärmeisolierende Eigenschaft der wärmeisolierenden Tanks 300 verbessert wird.
Wie in 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 32 gezeigt, ist eine erste Ventilplatte 381 aus einem (Kunst)Harz zum Verschließen der zweiten Öffnung 350 mit einem Durchlass 362 versehen, der sich durch diese Klappe hindurch 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 Ventilplatte 361 geöffnet, wenn das heiße Wasser aus dem wärmeisolierenden Tank 300 ausströmt und die zweite Ventilplatte 364 wird geöffnet, wenn das durch die Wärmepumpe 200 erwärmte Wasser 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 Wasserwärmetauscher 220 wie der Kühlmittelwärmetauscher 280 als Wärmetauscher mit drei Zylindern gebildet sein, wie in 33 gezeigt.
Bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform wird Wasser durch die Wärmepumpe 200 erhitzt. Die Verwendung der Wärmepumpe 200 ist nicht auf diejenige beschränkt, die in den beiden 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 Wärmepumpenkreislauf 200 geheizt und in den wärmeisolierenden Tanks 300 bevorratet wird.
Die vorstehend erläuterten Wärmepumpenkreisläufe 200 können auch auf Heißwasserversorgungssyteme angewendet werden, die sich von den vorstehend erläuterten Arten unterscheiden. Beispielsweise kann ein System verwendet werden, bei welchem ein wärmespeicherndes Kühlmittel als Heißwasser erzeugendes Fluid durch den Wärmepumpenkreislauf 200 erhitzt wird, resultierende Wärme durch Sammeln von Kühlmittel in einem wärmeisolierenden Tank oder einem Heißwasserbevorratungstank bevorratet wird, der zur Atmosphäre hin offen ist, und Wasser durch Ausführen eines Wärmeaustauschs zwischen diesem und der resultie renden Wärmeaufnahmekühlmittel erhitzt wird. Bei einem derartigen Heißwasserversorgungssystem vom Wärmetauschtyp muss das heiße Wasser nicht bevorratet werden, so dass dieses Heißwasserversorgungssystem ausgesprochen gesundheitszuträglich ist. Anstelle von Leitungswasser wird Wärmeaufnahmekühlmittel verwendet, an welches kein Druck angelegt ist, die Heißwasserbevorratungstanks zum Bevorraten des Wärmeaufnahmekühlmittels müssen nicht mit der ansonsten erforderlichen Festigkeit ausgelegt werden, die erforderlich ist, wenn erhitztes Leitungswasser genutzt wird. Die Kosten für die Herstellung der Heißwasserbevorratungstanks können dadurch minimiert werden.
Während vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden 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

Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen eines heißes Wasser erzeugenden Fluids über einen Wärmepumpenkreislauf, in welchem Kühlmittel auf seiner Hochdruckseite ein Druckniveau 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 ausgetragene 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 Kühlmittel zu veranlassen, Wärme zu absorbieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaugseite des Verdichters (210) auszutragen, einen Temperatursensor (272) zur Erfassung einer Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids, welches in den Kühler bzw. Heizkörper (220) strömt, und eine Steuereinrichtung (270) zum Steuern des Kühlmitteldrucks auf der Hochdruckseite auf der Grundlage der durch den Temperatursensor (272) erfassten Temperatur des heißes Wasser erzeugenden Fluids derart, dass eine Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem Kühlmittel, welches aus dem Kühler (220) strömt und dem heißes Nasser erzeugenden Fluid, welches in den Kühler strömt, ein vorbestimmtes Niveau (ΔT₀) erreicht.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei dann, wenn der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite höher als ein vorbestimmtes Niveau ist, die Steuereinrichtung (270) den Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite derart steuert, dass die Temperaturdifferenz (ΔT) das vorbestimmte Niveau (ΔT₀) erreicht.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Pumpe (400) zum Steuern des Durchsatzes des heißes Wasser erzeugenden Fluids zu dem Kühler (220), wobei die Steuereinrichtung (270) den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite derart steuert, dass die Temperaturdifferenz (ΔT) das vorbestimmte Niveau (ΔT₀) durch Variieren des Betriebs des Dekomprimierers (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.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Pumpe (400) zum Steuern des Durchsatz des heißes Wasser erzeugenden Fluids zu dem Kühler (220), wobei die Steuereinrichtung (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.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (270) zumindest entweder den Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite oder den Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite derart steuert, dass die Temperaturdifferenz (ΔT) das vorbestimmte Niveau ΔT_O erreicht.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (270) die Drehzahl des Verdichters (210) steuert, um den Austragdruck des aus dem Verdichter (210) ausgetragenen Kühlmittels zu steuern.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine Einrichtung (260) zum Regulieren des Durchsatzes von Luft, die zu dem Verdampfer (240) übertragen wird, wobei der Kühlmitteldruck auf der Niedrigdruckseite durch Variieren des Durchsatzes der zu dem Verdampfer (240) über die Durchflussreguliereinrichtung (260) zugeführte Luft gesteuert wird.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 7, wobei die Durchsatzreguliereinrichtung ein Gebläse (260) umfasst.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, 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.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, 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.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 10, wobei: dann, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) durch Verringerung des Öffnungsgrads des Dekomprimierers (230) erhöht wird, oder die Temperaturdifferenz (ΔT) durch Erhöhung des Öffnungsgrads des Dekomprimierers (230) verringert wird, der Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) vergrößert wird, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) größer als die vorbestimmte Temperaturdifferenz (ΔT₀) ist, und der Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) verringert wird, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) kleiner als die vorbestimmte Temperaturdifferenz (ΔT_Q) 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) verringert wird, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) größer als die vorbestimmte Temperaturdifferenz (ΔT₀) ist, und der Öffnungsgrad des Dekomprimierers (230) vergrößert wird, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) kleiner als die vorbestimmte Temperaturdifferenz (ΔT₀) ist.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Temperaturdifferenz auf Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid im Bereich eines Zwischenabschnitts des Kühlers (220) eingestellt wird.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 12, wobei die vorbestimmte Temperaturdifferenz, 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 korrigiert wird.
Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen eines heißes Wasser erzeugenden Fluids durch einen Wärmepumpenkreislauf, durch welchen ein Kühlmitteldruck auf einer Hochdruckseite ein Niveau größer oder gleich einem kritischen Druck des Kühlmittels erreicht, aufweisend: einen Verdichter (210) zum Ansaugen und Komprimieren eines Kühlmittels, einen Kühler (220) zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen dem von dem Verdichter (210) ausgetragenen Kühlmittel und dem heißes Wasser erzeugenden Fluid, einen Dekomprimierer (230) zum Dekomprimieren des Kühlmittels, welches aus dem Kühler (220) strömt, und einen Verdampfer (240) zum Verdampfen des Kühlmittels, welches aus dem Dekomprimierer (230) strömt, um das Kühlmittel zu veranlassen, die Wärme zu absorbieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaugseite des Verdichters (210) zu übertragen, wobei ein Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel, das sich zwischen dem Kühlmitteleinlass und -auslass des Kühlers (220) befindet, und dem Kühlmittel, das in den Verdichter (210) gesaugt wird, durchgeführt wird.
Heißwasserversorgungssystem zum Erhitzen von heißes Wasser erzeugendem Fluid durch einen Wärmepumpenkreislauf, in welchem ein Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite ein Niveau größer oder gleich einem kritischen Druck eines Kühlmittels erreicht, aufweisend: einen Verdichter (210) zum Ansaugen und Verdichten des Kühlmittels, einen Kühler (220) zum Durchführen eines Wärmetausches zwischen dem Kühlmittel, das aus dem Verdichter (210) ausgetragen wird, und dort hindurch strömendem, das heiße Wasser erzeugendem Fluid, einen Dekomprimierer (230) zum Dekomprimieren des Kühlmittels, 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 absorbieren, und um das Kühlmittel in Richtung auf die Ansaugseite des Verdichters (210) zu übertragen, einen Akkumulator (250) zum Trennen des Kühlmittels, welches aus dem Verdampfer (240) strömt, in ein Flüssigphasenkühlmittel und ein Gasphasenkühlmittel und zum Übertragen des Gasphasenkühlmittels in Richtung auf die 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 Flüssigphasenkühlmittels in dem Akkumulator (250) zu dem Kühlmittelwärmetauscher (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 Verdichters (210) ein vorbestimmtes Niveau erreicht.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 15, wobei die Reguliereinrichtung (282, 282a, 283) eine elektronische Steuereinrichtung (282, 283) umfasst.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 16, wobei die elektronische Steuereinrichtung eine Kombination aus einem elektronisch gesteuerten Ventil (282) und einem Sensor (283) umfasst.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 15, wobei die Reguliereinrichtung eine mechanische Steuereinrichtung (282a) umfasst.
Heißwasserversorgungssystem nach Anspruch 18, wobei die mechanische Steuereinrichtung ein mechanisches Sensorventil (282a) umfasst.