DE202005013499U1

DE202005013499U1 - Kältemittelkreislauf für eine Wärmepumpe

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Publication number: DE202005013499U1
Application number: DE202005013499U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2015-08-27

Abstract

Kältemittelkreislauf für eine Wärmepumpe bestehend aus mindestens einem Verdichter (1), einem Kondensator (4, 5, 6), einem Verdampfer (12) und einem Expansionsventil (13), die über ein Rohrsystem mit darin angeordneten Überwachungsorganen zum Kältemittelkreislauf verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf mindestens zwei Kondensatoren (4, 5, 6) angeordnet sind, wobei der erste Kondensator (4) höhere Temperatur bereitstellt und der nachfolgende Kondensator (5) niedrigere Temperatur.
Die Kondensatoren (4, 5) sind jeder für sich betrachtet nicht auf die volle Verdichter-Kondensationsleistung ausgelegt sind, gemeinsam betrachtet aber auf mehr als die volle Verdichter-Kondensationsleistung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf für eine Wärmepumpe bestehend aus einem Verdampfer 12, und einem Expansionsventil 13, einem Verdichter 1 und mindestens einem Kondensator (Verflüssiger) 4, 5, 6, die mit darin angeordneten Überwachungsorganen zum Kältemittelkreislauf verbunden sind.
Wärmepumpen stellen Heizwärme und Brauchwasserwärme für Gebäude bereit. Viele Gebäude nutzen verschiedene Heizsysteme, sind teilweise mit Fußbodenheizung, teils mit Radiatoren oder Konvektoren ausgestattet. Diese Systeme arbeiten mit unterschiedlich hohen Vorlauf-/ Wassertemperaturen.
Marktbekannt sind Systeme die die Temperatur für das höchste benötigte Niveau bereitstellen und für die niedrigeren Bedürfnisse mit Kaltwasser vermischen. Dadurch muss die Wärmepumpe die Temperatur immer auf das höchste Niveau anheben und arbeitet mit schlechterem Wirkungsgrad.
Bekannt sind auch Systeme, die beispielsweise Heiz- und Brauchwasser mit jeweils einem Kondensator und einem Enthitzer erzeugen, die parallel geschaltet sind und nach Bedarf beaufschlagt werden. Hierzu werden Ventilsteuerungen eingesetzt, die entsprechende Kosten verursachen und den Anlagenaufbau verkomplizieren. Zudem kann nur ein kleiner Teil der Wärmemenge für den höheren Temperaturbereich durch den Enthitzer abgeführt werden, üblicherweise etwa 15%. Die verbleibenden 85% stellt der Kondensator dem niedrigeren Temperaturbereich zur Verfügung. Dabei sind Enthitzer und Kondensator in der Summe so dimensioniert dass 100% der Kältemittelmenge in beiden zusammen kondensiert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die für unterschiedliche Heizsysteme nötigen Vorlauftemperaturen unter Nutzung der physikalischen Wirkungsweisen selektiv bereitszustellen ohne nachteiligen Aufwand für Regelventile und einen größeren Teil dem hohen Temperaturbereich nutzbar zu machen bzw. höhere Temperaturen zu erzielen.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass im Kältemittelkreislauf mindestens zwei Kondensatoren für unterschiedliche Heizwassertemperaturen in Reihe nacheinander angeordnet sind, wobei der erste Kondensator die höhere angeforderte Temperatur liefert, z.B. für Radiatorheizungen, der zweite die niedrigere Temperatur bereitstellt und der erste Kondensator und zweite Kondensator in Abstimmung zur VerdichterKondensationsleistung so dimensioniert sind, dass die Kältemittelmenge in einem der Kondensatoren nicht vollständig verflüssigt werden kann, beide gemeinsam betrachtet in Verhältnis zur Verdichterkondensationsleistung dagegen deutlich überdimensioniert sind. Als praktikable Auslegung kann ein Verhältnis von etwa 75% der Verdichterkondensationsleistung im ersten und etwa 75% der Verdichterkondensationsleistung im zweiten Verflüssiger angesetzt werden.
Optional kann ein Kondensator zur Warmwasserbereitung eingebunden werden, dieser wird auf 100% der Verdichterkondensationsleistung ausgelegt.
Das vom Verdichter kommende, überhitzte Kältemittel durchströmt die beiden ersten Kondensatoren nacheinander, wobei die Energie des heißeren Anteils im ersten Kondensator abgegeben wird und der Anteil niedrigerer Temperatur im zweiten Kondensator. In Abhängigkeit des Temperaturgefälles zwischen Kältemitteltemperatur und bereitgestellter Nutztemperatur kondensiert nun das Kältemittel bedarfsgerecht in beiden Kondensatoren: Im ersten Kondensator wird dadurch eine höhere Temperatur abgefahren, im zweiten der Anteil niedrigerer Temperatur.
Die Ausbildung der Energieabgabe mit zwei Kondensatoren vereinfacht den Aufbau des Systems und führt zu einem vorteilhaften, anforderungsgerechten Selbstregeleffekt.
Die Brauchwasserbereitung kann über Temperaturfühler bedarfsgesteuert vorrangig zur Heizwasserbereitung geschaltet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der Warmwasserboiler innerhalb eines ihn ummantelnden Heizwasserspeichers und wird auf einem festen Temperaturniveau gehalten. Das umgebende Heizwasser wird durch den Warmwasserboiler mit vorgewärmt, sodass die Temperatur die der erste Kondensator an ihn abgibt zwangsläufig ansteigt und den Heizwasserspeicher auf ein besonders hohes Temperaturniveau anhebt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend näher beschrieben:
1 zeigt den Einsatz von zwei (mehreren) Kondensatoren für zwei (mehrere) unterschiedliche Verbaucher unterschiedlichen Temperaturniveaus. Ein weiterer Kondensator kann für Warmwasserbereitung im System angeordnet sein.
2 zeigt den Einsatz von drei Kondensatoren für zwei Verbaucher unterschiedlichen temperaturniveaus und Warmwassererzeugung. Der Speicher für das Warmwasser liegt hierbei innerhalb des Speichers für das Hochtemperatur-Heizsystem.
Das Kreislaufsystem nach 1 besteht aus einem Verdichter 1, dem als Sicherheitsdruckwächter ein Saugdruckpressostat 2 vorgeschaltet und ein Hochdruckpressostat 3 nachgeordnet ist.
In einem nachfolgenden Kondensator 4 wird Energieleistung des überhitzten dampfförmigen Kältemittels an einen Verbraucher 19 hohen Temperaturniveaus abgegeben. Dieser Kondensator ist auf etwa 75% Kondensationsleistung im Verhältnis zur Verdichterkondensationsleistung ausgelegt.
In einem weiteren Kondensator 5 wird weitere Energieleistung dampfförmigen Kältemittels an einen Verbraucher 23 niedrigeren Temperaturniveaus abgegeben. Dieser Kondensator ist ebenfalls auf etwa 75% Kondensationsleistung im Verhältnis zur Verdichterkondensationsleistung ausgelegt.
Das Kältemittel kann in verflüssigter Form einen weiteren Kondensator 6 passieren, der für die Heißwassererzeugung eingesetzt wird. Dieser Kondensator zur Warmwasserbereitung ist auf 100% Kondensationsleistung ausgelegt.
Das Kältemittel wird dabei enthitzt und verflüssigt.
Es gelangt über die Druckleitung 7 in den Kältemittelsammler 8 und wird hier beispielsweise in einem Sauggaswärmetauscher enthitzt. Das Kältemittel fließt durch einen Trockner 10, der eventuell noch im Kältemittel befindendes Wasser und Verunreinigungen abscheidet. Anschließend kann zur visuellen Kontrolle ein Schauglas 11 angeordnet sein. Über das steuerbare Ventil 13, beispielsweise ein Magnetventil, wird das flüssige Kältemittel in den Verdampfer 12 eingespritzt und verdampft. Das dampfförmige Kältemittel kann durch den Sauggastauscher 9 zusätzlich überhitzt werden und wird über die Saugleitung 14 vom Verdichter 1 angesaugt.
Der Lauf des Kältemittelstroms ist danach wie folgt: Im Verdichter 1, dem als Sicherheitsdruckwächter ein Saugdruckpressostat 2 vorgeschaltet und ein Hochdruckpressostat 3 nachgeordnet ist wird gasförmiges Kältemittel unter Druck verdichtet, wobei die Temperatur besipielsweise bezogen auf das Kältemittel R134a von ca. 0° C auf 90° C und der Druck von ca. 1,7 bar auf 17 bar steigt.
In dem Kondensator 4, der bezogen auf die gesamte Verdichterkondensationsleistung auf beispielsweise 75% ausgelegt ist wird ein Teil des Energiegehalts des Kältemittels an einen Verbraucher abgegeben, wobei das Kältemittel enthitzt und z.T. verflüssigt wird.
Dabei wird ein Teil des Energiegehalts in Form von hoher Temperatur an einen Verbraucher 19 abgegeben. Dies ist beispielsweise ein Heizkörpernetz, wobei das Heizsystem 19 über eine etwa elektronisch druckgesteuerte Umwälzpumpe 18 Energie aus einem Speicher 17 zapft, der vom Kondensator 4 über eine Pumpe 15 mit heißem Wasser beschickt wird, bis eine vorgegebene Maximaltemperatur erreicht wird. Ein Rückschlagventil 16 verhindert das Rückströmen entgegen der Betriebsrichtung.
Die Temperatur des Kältemittels fällt je nach Anforderung auf beispielsweise 55° C.
In dem zweiten Kondensator 5, der bezogen auf die gesamte Verdichter-Kondensationsleistung ebenfalls auf beispielsweise 75% ausgelegt ist wird ein weiterer Teil des Energiegehalts des Kältemittels an einen Verbraucher abgegeben, wobei das Kältemittel enthitzt und verflüssigt wird. Dabei wird ein Teil des Energiegehalts in Form von niedriger Temperatur an einen Verbraucher 23 abgegeben. Dies ist beispielsweise ein Flächenheizungsnetz, wobei das Heizsystem 23 über eine Umwälzpumpe 21 mit Energie in Form von im Kondensator erhitzten etwa 30° C heißem Wasser beschickt wird. Ein Rückschlagventil 22 verhindert das Rückströmen entgegen der Betriebsrichtung.
Die Temperatur des Kältemittels fällt dabei bis auf 35°C.
Die Steuerung der beiden Heizsysteme kann beispielsweise witterungsgeführt über einen Temperaurfühler und Messung in einem Referenzraum erfolgen.
Im Heizbetrieb stellen sich in den beiden Kondensatoren automatisch anforderungsgerechte Bedingungen ein, da das Kältemittel in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der aktuellen Kältemitteltemperatur und der Temperatur des vorhandenen Abnahmemediums kondensiert. Deshalb wird am ersten Kondensator 4 hohe Temperatur abgegeben und am zweiten Kondensator 5 niedrige Temperatur.
Optional kann mit einem weiteren Kondensator 6 Warmwasser bereitet werden.
Während des Heizbetriebes ohne Warmwasseranforderung kann dann das bereits vollständig verflüssigte Kältemittel den Kondensator 6 durchströmen ohne den Warmwasserboiler 26 zu erwärmen.
Das Kältemittel gelangt über die Druckleitung 7, die üblicherweise als Kupferleitung ausgeführt ist in den Kältemittelsammler 8. Eine sinnvolle Option in der Ausgestaltung ist die Unterkühlung des verflüssigten Kältemittels über einen Sauggaswärmetauscher 9. Hierbei gibt das Kältemittel Wärme an die dampfförmige Seite – das Kältemittel das vom Verdampfer 12 kommt – des Kreislaufs ab.
Das flüssige Kältemittel verliert im Sauggaswärmetauscher auf der Flüssigseite dabei ca. 5° C Temperatur, die sogenannte Unterkühlung, die für eine bessere Ausnutzung der Energie am Verdampfer 12 sorgt.
Von hier aus strömt das Kältemittel ohne gasförmige Anteile durch einen Trockner 10, der eventuell noch im Kältemittel befindendes Wasser und Verunreinigungen abscheidet. Anschließend kann zur visuellen Kontrolle ein Schauglas 11 angeordnet sein, in dem der Fluss zum Verdampfer 12 beobachtet werden kann.
Das Kältemittel passiert anschließend das Ventil 13, entweder ein elektronisches oder ein thermostatisches Regelventil mit Druckausgleich oder ein sogenanntes MOP-Ventil (Maximum Operating Pressure) wird das Kältemittel dem energieaufnehmenden Verdampfer 12 eingespritzt und dabei auf ca. 1,7 bar entspannt. Durch die Entspannung von 17 bar auf ca. 1,7 bar sinkt die Temperatur des Kältemittels von ca. 30° C auf –10° C. Danach nimmt das Kältemittel bis zum Erreichen des dampfförmigen Zustandes im Verdampfer Energie auf und erwärmt sich dabei auf –5° C.
Nach dem Verdampfen wird das gasförmige Kältemittel über eine Saugleitung 14 angesaugt. Als Optimierungsmöglichkeit wird das heiße Gas mittels des Sauggaswärmetauschers 9 auf ca. 0° C erwärmt, damit durch die sogenannte Überhitzung des Kältemittels im Sauggaswärmetauscher 9 kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter 1 gelangen und ihn beschädigen kann. Alternativ wäre auch eine Ausgestaltung mit Flüssigkeitsabscheider und Startregler möglich.
Schließlich wird das Kältemittel vom Verdichter 1 angesaugt. Saugdruckpressostat 2 vor und Hochdruckpressostat 3 nach dem Verdichter dienen der Sicherung der Anlage und schalten diese bei Störung ab.
Die Option der Heizwassererzeugung stellt sich wie folgt dar: Mittels eines Temperaturfühlers kann festgestellt werden wenn das Medium im Boiler 26 eine festgelegte Minimaltemperatur unterschreitet, weil heißes Wasser an den Verbraucher über eine oder mehrere Zapfstellen 28 abgegeben wird und kaltes Wasser über den Zulauf 27 nachströmt oder der Boiler Temperatur an die Umgebung verliert. Die Pumpe 24 pumpt bei Anforderung erhitztes Wasser in den Warmwasserboiler 26 nach. Ein Rückschlagventil 25 kann ein Strömen entgegen der gewünschten Flussrichtung verhindern.
Sofern zeitgleich eine Heizungsanforderung gegeben ist, werden die Pumpen 15 und 21 der Heizkreise die von den Kondensatoren 4 und 5 versorgt werden mittels elektronischer Schaltung abgestellt, sodass das Kältemittel schnell keine Kondensationsenergie mehr abgibt, sondern frei durchströmt und vollständig im Kondensator 6 verflüssigt wird. Die Heißwasserbereitung ist in diesem Beispiel vorrangig zur Heizwasserbereitstellung geregelt.
Das Kältemittel kann nun Energie an den Warmwasserboiler 26 abgeben, bis die Temperatur eine voreingestellte Maximaltemperatur erreicht hat.
Danach werden die Pumpen 15 und 21 der Heizkreise wieder aktiviert und das Kältemittel kondensiert erneut in den Kondensatoren 4 und 5.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend näher beschrieben:
2 zeigt den Einsatz von drei Kondensatoren für zwei Verbaucher unterschiedlichen Temperaturniveaus und Warmwassererzeugung. Der Boiler für das Warmwasser ist innerhalb des Speichers für das Hochtemperatur-Heizsystem angeordnet.
Die Heißwasserbereitung ist in diesem Beispiel vorrangig zur Heizwasserbereitstellung geregelt. Mittels eines Temperaturfühlers kann festgestellt werden wenn das Medium im Boiler 26 eine festgelegte Minimaltemperatur etwa 50° C unterschreitet, weil heißes Wasser an den Verbraucher über eine oder mehrere Zapfstellen 28 abgegeben wird und kaltes Wasser über den Zulauf 27 nachströmt oder der Boiler Temperatur an die Umgebung verliert. Die Pumpe 26 kann dann erhitztes Wasser in den Warmwasserboiler nachpumpen. Ein Rückschlagventil 27 verhindert ein Strömen entgegen der gewünschten Flussrichtung.
Sofern zeitgleich eine Heizungsanforderung gegeben ist, werden die Pumpen 15 und 21 der Heizkreise die von den Kondensatoren 4 und 5 versorgt werden mittels elektronischer Schaltung abgestellt, sodass das Kältemittel schnell keine Kondensationsernergie mehr abgibt, sondern frei durchströmt und vollständig im Kondensator 6 verflüssigt wird.
Das Kältemittel kann nun Energie an den Warmwasserboiler 26 abgeben, bis die Temperatur eine voreingestellte Maximaltemperatur etwa 60° C erreicht hat.
Dadurch, dass der Boiler im Wärmespeicher eingebaut ist, erfolgt eine sich immer wieder erneuernde maximale Temperaturschichtung. Bei kleinem Boilerinhalt steht besonders schnell warmes Wasser zur Verfügung. Der im Verhältnis zur großen Austauschfläche kleine Inhalt bewirkt eine vermehrte Umsetzung, was hygienisch vorteilhaft ist. Durch kurze Verweilzeiten sowie Verwirbelungen wird die Kalkausfällung minimiert.
Ist die gewünschte Temperatur im Warmwasserboiler erreicht und eine Heizungsanforderung gegeben werden die Pumpen 15 und 21 der Heizkreise wieder aktiviert werden und das Kältemittel kondensiert erneut in den Kondensatoren 4 und 5.
Das Kältemittel strömt beispielsweise mit einer Temperatur von etwa 90° C in den Kondensator 4, der bezogen auf die gesamte Verdichter-Kondensationsleistung auf beispielsweise 75% ausgelegt ist. Hier wird ein Teil des Energiegehalts des Kältemittels an einen Verbraucherkreis abgegeben, wobei das Kältemittel enthitzt und z.T. verflüssigt wird.
Der Kondensator 4 beschickt über eine Pumpe 15 einen Speicher 17 mit heißem Wasser, bis eine vorgegebene Maximaltemperatur erreicht wird. Ein Rückschlagventil 16 verhindert das Rückströmen entgegen der Betriebsrichtung.
Der Verbraucher ist beispielsweise ein Heizkörpernetz, wobei das Heizsystem 19 über eine etwa elektronisch druckgesteuerte Umwälzpumpe 18 Energie aus dem Speicher 17 zapft.
Bei der dargestellten Ausgestaltung in 2 liegt in dem Speicher 17 der Boiler 26 zur Warmwasserbereitung. Das Heizwasser im Speicher 17 hat durch den im Speicher 17 innen liegenden Warwasserboiler 26 bereits eine hohe Ausgangstemperatur. Somit kondensieren im ersten Kondensator 4 nur die Heißgas-Anteile, die die Temperatur des Speichers 17 überschreiten, die Temperatur im Speicher steigt also an. Es können beispielsweise Temperaturen von 70 – 80° C für den Hochtemperaturverbraucher 19 bereitgestellt werden.
In dem zweiten Kondensator 5, der bezogen auf die gesamte Verdichter-Kondensationsleistung ebenfalls auf etwa 75% ausgelegt ist wird ein weiterer Teil des Energiegehalts des Kältemittels an einen Verbraucher abgegeben, wobei das Kältemittel enthitzt und verflüssigt wird.
Dabei wird ein Teil des Energiegehalts in Form von niedrigerer Temperatur an einen Verbraucher 23 abgegeben. Dies ist beispielsweise ein Flächenheizungsnetz, wobei das Heizsystem 23 über eine Umwälzpumpe 21 mit Energie in Form von im Kondensator erhitzten beispielsweise 30° C heißem Wasser beschickt wird. Ein Rückschlagventil 22 verhindert das Rückströmen entgegen der Betriebsrichtung.
Die Temperatur des Kältemittels fällt dabei beispielsweise bis auf 35° C.
Die Steuerung der beiden Heizsysteme kann beispielsweise witterungsgeführt über einen Temperaturfühler und Messung in einem Referenzraum erfolgen.
Im Heizbetrieb stellen sich in allen Kondensatoren automatisch anforderungsgerechte Bedingungen ein, da das Kältemittel in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der aktuellen Kältemitteltemperatur und der Temperatur des vorhandenen Abnahmemediums kondensiert. Deshalb wird am ersten Kondensator 4 hohe Temperatur abgegeben und am zweiten Kondensator 5 niedrige Temperatur. Die Temperatur die für den Hochtemperaturverbraucher 19 zur Verfügung gestellt werden kann steigert sich im Betriebszustand auf ein besonders hohes Niveau.

Claims

Kältemittelkreislauf für eine Wärmepumpe bestehend aus mindestens einem Verdichter (1), einem Kondensator (4, 5, 6), einem Verdampfer (12) und einem Expansionsventil (13), die über ein Rohrsystem mit darin angeordneten Überwachungsorganen zum Kältemittelkreislauf verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf mindestens zwei Kondensatoren (4, 5, 6) angeordnet sind, wobei der erste Kondensator (4) höhere Temperatur bereitstellt und der nachfolgende Kondensator (5) niedrigere Temperatur. Die Kondensatoren (4, 5) sind jeder für sich betrachtet nicht auf die volle Verdichter-Kondensationsleistung ausgelegt sind, gemeinsam betrachtet aber auf mehr als die volle Verdichter-Kondensationsleistung.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Kondensator (6) zur Warmwassererzeugung verwendet wird.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass der Kondensator zur Warmwasserbereitung (6) auf die volle Verdichter-Kondensationsleistung ausgelegt ist.
Kältemittelkreislauf nach einem der vorgehenden Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Warmwasserboiler (26) innerhalb des Speichers (17) für den Abnehmer hoher Temperatur befindet.
Kältemittelkreislauf nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Flüssig-Kältemittelkreislauf ein weiterer Wärmetauscher (9) verwendet wird.