DE202009008007U1

DE202009008007U1 - Wärmepumpenheizung mit Kaltwasservorerwärmung

Info

Publication number: DE202009008007U1
Application number: DE202009008007U
Authority: DE
Original assignee: Gebhardt, Peter
Current assignee: CARNOTHERM WAERMELOGISTIK GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2019-06-06

Abstract

Wärmepumpenheizung (1)
a) mit einem Arbeitsmedium (2), das in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer (3), einen Kompressor (4), einen Kondensator (17a, 17b; 17) und ein Expansionsventil (5) durchströmt,
b) mit einer in einem geschlossenen Kreislauf geführten, hierbei durch einen Speichererhitzer (7) strömenden Flüssigkeit (6),
c) wobei der Kondensator (17a, 17b; 17) Energie vom Arbeitsmedium (2) an die Flüssigkeit (6) überträgt,
d) wobei die Flüssigkeit (6) im Speichererhitzer (7) eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung ausbildet, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten,
e) mit einer Warmwasserbereitungseinrichtung, die einen ersten Wärmetauscher (8) umfasst, der Wärme von der Flüssigkeit (6) auf Wasser (9a) überträgt und damit Warmwasser (10) bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
f) die Warmwasserbereitungseinrichtung zusätzlich einen zweiten Wärmetauscher (17c) umfasst,
g) der hinsichtlich des für die Warmwasserbereitung bestimmten Wassers dem ersten Wärmetauscher (8) vorgeschaltet ist, zur...

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenheizung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einer Wärmepumpe, der zentralen Energiequelle der Wärmepumpenheizung, durchströmt ein Arbeitsmedium (Kältemittel, Wärmetransport-Medium) in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer, einen Kompressor (Verdichter), einen Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil. Im Verdampfer wird das Arbeitsmedium verdampft und nimmt dabei Energie aus einer Wärmequelle, beispielsweise der Außenluft, auf. Im Kompressor wird das Arbeitsmedium komprimiert und dabei erwärmt. Im Kondensator erfolgt die Verflüssigung des unter Druck stehenden Arbeitsmediums, dabei gibt es Energie in Form von Wärme an eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ab. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmedium im Expansionsventil entspannt und gelangt bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur wieder in den Verdampfer, um den Kreislauf erneut zu durchlaufen.
Die bereits angesprochene Flüssigkeit durchströmt in einem geschlossenen Kreislauf eine Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Flüssigkeit, nachfolgend Speichererhitzer genannt.
Der Kondensator der Wärmepumpe überträgt Wärme vom Arbeitsmedium an die Flüssigkeit im Speichererhitzer. Diese Flüssigkeit erwärmt dann bei Bedarf in einer Warmwasserbereitungseinrichtung Kaltwasser aus dem Leitungsnetz und stellt dies dem Haushalt als Warmwasser zur Verfügung.
In dem Speichererhitzer bildet die Flüssigkeit eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus. Höher gelegene Flüssigkeitsschichten weisen eine größere Temperatur auf als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten.
Bekannte Wärmepumpenheizungen nutzen die im Arbeitsmedium bereitgestellte und übertragbare Energie nur unzureichend. Das Arbeitsmedium wird nach der Kondensation im Kondensator mit Temperaturen an das Expansionsventil weitergeleitet, die deutlich über der Kaltwassertemperatur des Leitungsnetzes liegen. Die Leistungszahl der Wärmepumpenheizung, der Quotient aus abgegebener Wärmeleistung und aufgenommener Leistung, vor allem zum Antrieb des Kompressors, erreicht dadurch nicht die theoretisch möglichen Werte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenheizung der vorgenannten Art zu schaffen, die sich durch eine hohe Effizienz und damit durch eine im Vergleich zu bekannten Wärmepumpenheizungen große Leistungszahl auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung umfasst ein Arbeitsmedium (Kältemittel, Wärmetransport-Medium), das in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer, einen Kompressor (Verdichter), einen Kondensator (Verflüssiger) und ein Expansionsventil durchströmt. Sie umfasst ferner eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser (es eignet sich aber auch jedes andere zum Wärmetransport geeignete Medium), die in einem geschlossenen Kreislauf einen Speichererhitzer (Vorrichtung zum Erwärmen und Speichern von Flüssigkeit) durchströmt. Der Kondensator überträgt hierbei Energie vom Arbeitsmedium an die Flüssigkeit im Speichererhitzer.
Die Flüssigkeit im Speichererhitzer bildet eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten.
Ferner umfasst die Wärmepumpenheizung eine Warmwasserbereitungseinrichtung, die einem ersten Wärmetauscher umfasst, der Wärme von der Flüssigkeit auf Wasser überträgt und damit Warmwasser bereitstellt.
Zentrales Merkmal der Erfindung ist, dass die Warmwasserbereitungseinrichtung zusätzlich einen zweiten Wärmetauscher umfasst, der hinsichtlich des für die Warmwasserbereitung bestimmten Wassers dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltet ist, zur Vorerwärmung des Kaltwassers, das dann als vorerwärmtes Kaltwasser dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird. Die Primärseite des zweiten Wärmetauschers wird vom Arbeitsmedium durchströmt, seine Sekundärseite von Kaltwasser aus dem Leitungsnetz, das anschließend zur weiteren Erwärmung durch die Sekundärseite des ersten Wärmetauschers strömt und nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers als Warmwasser bereitsteht.
Der zweite Wärmetauscher ist hinsichtlich des Arbeitsmediums zwischen Kondensator und Expansionsventil angeordnet, so dass der zweite Wärmetauscher von bereits kondensiertem, flüssigem Arbeitsmedium durchströmt wird.
Der zweite Wärmetauscher überträgt Wärme vom flüssigen Arbeitsmedium auf das Kaltwasser, wodurch sich das Arbeitsmedium abkühlt und das Kaltwasser erwärmt.
Der große Vorteil der Erfindung ist die zusätzliche Energieentnahme aus dem Arbeitsmedium nach dessen Kondensierung, wodurch die Effizienz der Wärmepumpenheizung gesteigert und dadurch höhere Leistungszahlen als bei bekannten Wärmepumpenheizungen erreicht werden. In der Regel ist das Arbeitsmedium nach dem Kondensator verflüssigt, es weist jedoch immer noch eine Temperatur auf, die in der Größenordnung der Kondensationstemperatur liegt, zumindest deutlich über der Temperatur des üblichen Kaltwassers aus dem Leitungsnetz. Dementsprechend kann durch weitere Abkühlung des bereits kondensierten Arbeitsmediums zusätzlich Energie gewonnen und einem ohnehin für die Warmwasserbereitung bestimmten Kaltwasser zugeführt werden. Dadurch wird der Energieeinsatz bei der eigentlichen Warmwasserbereitung reduziert. Der zweite Wärmetauscher der Warmwasserbereitungseinrichtung wirkt somit nicht als Verflüssiger, vielmehr wird dem in der Regel bereits flüssigen Arbeitsmedium durch Abkühlen Wärme entzogen, die dem Kaltwas ser zugeführt wird, das dadurch bereits vorerwärmt dem ersten Wärmetauscher der Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt wird. Durch den zweiten Wärmetauscher und die dadurch mögliche zusätzliche Abkühlung des Arbeitsmediums werden die Effizienz und damit auch die Leistungszahl der Wärmepumpenheizung zusätzlich gesteigert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Wärmetauscher im und/oder am Speichererhitzer angeordnet ist, und zwar im unteren Bereich des Speichererhitzers, insbesondere im unteren Drittel.
Die sich aus dieser Anordnung ergebende Durchleitung des kühlen Kaltwassers im unteren Bereich des Speichererhitzers, an und/oder nahe der Unterseite des Speichererhitzers, unterstützt die Temperaturschichtung des Speichererhitzers, ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt.
In einer Ausführungsvariante ist der Kondensator oberhalb des zweiten Wärmetauschers im und/oder am Speichererhitzer angeordnet.
Auch kann der Kondensator in einen Flüssigkeits-Wärmetauscher integriert sein, dessen Sekundärseite mit der Flüssigkeit im Speichererhitzer einen geschlossenen Kreislauf bildet.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 schematisch eine Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung, und
2 schematisch eine alternative Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung.
Einander entsprechende Teile und Komponenten in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Wärmepumpenheizung 1 gemäß der Erfindung. Die Wärmepumpenheizung 1 weist ein Arbeitsmedium 2 auf, das in einem geschlossenen Kreislauf (gestrichelte Linie) einen Verdampfer 3 (in dem das flüssige Arbeitsmedium durch die Wärme der Außenluft verdampft wird), einen Kompressor 4 (in dem das gasförmige Arbeitsmedium komprimiert wird), einen Kondensator (in dem das gasförmige Arbeitsmedium verflüssigt wird) und ein Expansionsventil 5 (durch das das flüssige Arbeitsmedium entspannt wird) durchströmt. An diesen Kreislauf ist über Absperrventile 12 ein Klimaanlagenkreislauf 11 angekoppelt, der gegebenenfalls alternativ zu dem für die Erfindung relevanten, hier beschriebenen und in der Figur dargestellten Wärmepumpenkreislauf betrieben werden kann. Hierzu ist auch der Wärmepumpenkreislauf mit Absperrventilen 13 versehen.
Die Wärmepumpenheizung 1 weist ferner eine Flüssigkeit 6, insbesondere Wasser, auf, die in einem geschlossenen Kreislauf einen Speichererhitzer 7 und einen ersten Wärmetauscher 8 einer Warmwasserbereitungseinrichtung auf dessen Primärseite durchströmt. Die Sekundärseite dieses Wärmetauschers 8 wird von bereits vorerwärmtem Kaltwasser 9a aus dem Leitungsnetz (siehe untenstehende Erläuterungen) durchströmt und steht nach dem Wärmetauscher 8 als Warmwasser 10 dem Haushalt zur Verfügung. Der Speichererhitzer 7 weist in seinem oberen Bereich 7a (in seinem oberen Drittel) einen Flüssigkeitsablauf 14 für im Speichererhitzer 7 erwärmte Flüssigkeit 6 und in seinem unteren Bereich 7b (in seinem unteren Drittel) einen Flüssigkeitszulauf 15 für im Wärmetauscher 8 abgekühlte Flüssigkeit 6. Die Flüssigkeit 6 wird durch eine Umwälzpumpe 16, die außerhalb des Speichererhitzers angeordnet ist, im Kreislauf geführt. Die Strömungsrichtung der Flüssigkeit 6 ist durch Pfeile angegeben.
Im Speichererhitzer 7 bildet die Flüssigkeit 6 eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten, d. h. eine horizontale Flüssigkeitsschicht im oberen Bereich 7a des Speichererhitzers 7 ist wärmer als eine horizontale Flüssigkeitsschicht im unteren Bereich 7b des Speichererhitzers 7.
Der bereits angesprochene Kondensator ist zweiteilig ausgebildet, er umfasst einen ersten Kondensatorteil 17a und einen zweiten Kondensatorteil 17b. Beide Kondensatorteile 17a, 17b sind im Speichererhitzer 7 angeordnet. Der erste Kondensatorteil 17a ist räumlich getrennt über dem zweiten Kondensatorteil 17b angeordnet.
Kern der Erfindung ist ein zweiter Wärmetauscher 17c, der auch als dritter Kondensatorteil des Kondensators, neben dem ersten Kondensatorteil 17a und dem zweiten Kondensatorteil 17b, angesehen werden kann. Dieser zweite Wärmetauscher 17c ist räumlich getrennt vom ersten Kondensatorteil 17a und vom zweiten Kondensatorteil 17b unterhalb des zweiten Kondensatorteils 17b angeordnet. Die Kondensatorteile 17a, 17b und die Primärseite des zweite Wärmetauscher 17c werden zwischen Kompressor 4 und Expansionsventil 5 nacheinander vom Arbeitsmedium 2 durchströmt, zunächst der ersten Kondensatorteil 17a, dann der zweite Kondensatorteil 17b und schließlich der zweite Wärmetauscher 17c.
Der erste Kondensatorteil 17a und der zweite Kondensatorteil 17b sind ein Wärmetauscher, dessen Primärseite vom Arbeitsmedium 2 und dessen Sekundärseite von der Flüssigkeit 6 durchströmt wird. Konkret handelt es sich beim ersten Kondensatorteil 17a und beim zweiten Kondensatorteil 17b um ein koaxiales Rohrsystem, konkret um eine Rohrspirale, in der das Arbeitsmedium 2 und die Flüssigkeit 6 im Gegenstrom zueinander und räumlich durch eine Wärmeübertragungswand (nicht dargestellt) voneinander getrennt geführt werden. Die Führung des Arbeitsmediums 2 im Gegenstrom zur Flüssigkeit 6 ist in 1 durch eine gestrichelte Linie symbolisiert, auch der Eintritt des Arbeitsmediums in den jeweiligen Kondensatorteil 17a, 17b und der Austritt ist durch die gestrichelte Linie schematisch dargestellt.
Der Flüssigkeitsausgang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 19a gibt Flüssigkeit 6 an eine dritte Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers 7 ab. Der Flüssigkeitszulauf der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 19b entnimmt Flüssigkeit 6 aus einer vierten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers. Die vierte Flüssigkeitsschicht ist im unteren Bereich 7b des Speichererhitzers 7 angeordnet, die dritten Flüssigkeitsschicht im oberen Bereich 7a des Speichererhitzer 7.
Die Wärmepumpenheizung umfasst eine Vorrichtung 18 zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6, die in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a einströmt, d. h. der Zulauftemperatur am Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a. Konkret ist diese Vorrichtung 18 dazu ausgebildet, die Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6 innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs oberhalb der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums zu halten, beispielsweise in einem Bereich von bis zu 5°C über der Kondensationstemperatur oder in einem Bereich zwischen 2°C und 5°C über der Kondensationstemperatur. Hierzu umfasst die Vorrichtung 18 ein Mischventil 19, beispielsweise ein Mischventil 19, bei dem das Mischungsverhältnis über einen Stellmotor einstellbar ist. Um seine Funktion erfüllen zu können muss das Mischventil 19 mindestens drei Anschlüsse 19a, 19b, 19c aufweisen, zwei zulaufende Anschlüsse 19a, 19b und einen ablaufenden Anschluss 19c. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist ferner einen vierten Anschluss 19d, ein ablaufender Anschluss, auf.
Der erste Anschluss 19a ist über eine erste Flüssigkeitsleitung mit dem Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 17b verbunden. Der zweite Anschluss 19b endet über eine am gegenüberliegenden Ende offene zweite Flüssigkeitsleitung in einer ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers 7. Die erste Flüssigkeitsschicht liegt oberhalb des Mischventils 19, insbesondere oberhalb des Ausgangs der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a. Der dritte Anschluss 19c ist über eine dritte Flüssigkeitsleitung mit dem Flüssigkeitszulauf der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a verbunden. Der vierte Anschluss 19d endet über eine am gegenüberliegenden Ende offene vierte Flüssigkeitsleitung in einer zweiten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers 7, die unterhalb der ersten Flüssigkeitsschicht liegt.
In die dritte Flüssigkeitsleitung zwischen dem dritten Anschluss 19c und dem Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a ist eine Umwälzpumpe 20 zur Förderung der Flüssigkeit 6 durch das Mischventil 19 angeordnet. Durch diese Umwälzpumpe 20 wird Flüssigkeit 6 aus der ersten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss 19a und/oder aus der zweiten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss 19b über das Mischventil 19 der dritten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss 19c zuführt. Eine Steuer- und/oder Regeleinrich tung des Mischventils 19 steuert bzw. regelt das Mischverhältnis zwischen der Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsleitung und der Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeitsleitung und damit die Temperatur der Flüssigkeit in der dritten Flüssigkeitsleitung und damit wiederum die Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6, die in den Sekundärteil des ersten Kondensatorteils 17a einströmt. Die Steuerung bzw. Regelung erfolgt auf Basis von Temperaturdaten, die von Temperatursensoren ermittelt werden. Ein Temperatursensor ist zur Ermittlung der Temperatur der Flüssigkeit 6 in der ersten Flüssigkeitsleitung oder am Ausgang der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 17b vorgesehen und entsprechend angeordnet (nicht dargestellt). Ein weiterer Temperatursensor ist zur Ermittlung der Temperatur in der ersten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers 7 vorgesehen und entsprechend auf Höhe dieser Schicht im Speichererhitzer angeordnet (nicht dargestellt).
Neben diesen Temperatursensoren umfasst die Vorrichtung 18 zur Einstellung und/oder Regelung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6 mindestens einen Sensor zur Ermittlung des Drucks des Arbeitsmediums in der Primärseite des ersten Kondensatorteils 17a. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermittelt aus den gemessenen Druckwerten die aktuelle Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums.
Aus den vorgenannten Temperaturwerten und der Kondensationstemperatur ermittelt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die erforderliche Mischeinstellung des Mischventils 19, so dass die Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6 am Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs oberhalb der Kondensationstemperatur liegt. Gegebenenfalls kann diese Temperatur durch einen weiteren Temperatursensor gemessen werden, gegebenenfalls kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die Mischeinstellung des Mischventils 19 korrigieren.
Die Mischeinstellung des Mischventils kann dabei zwischen folgenden Extremfällen eingestellt werden:

Erster Extremfall: Die Temperaturverhältnisse erlauben keine Zumischung von Flüssigkeit 6 aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 17b. In diesem Fall wir ausschließlich Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsschicht und der zweiten Flüssigkeitsleitung über den Anschluss 19b in die dritte Flüssigkeitsleitung gefördert. Die Flüssigkeit 6 aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 17b und aus der ersten Flüssigkeitsleitung wird über den Anschluss 19d der vierten Flüssigkeitsleitung und hierüber der zweiten Flüssigkeitsschicht des Speichererhitzers 7 zugeführt.
Zweiter Extremfall: Die Temperatur der Flüssigkeit 6 aus der Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 17b ist bereits ausreichend. In diesem Fall wird diese Flüssigkeit direkt über die erste Flüssigkeitsleitung, den ersten Anschluss 19a, den Anschluss 19c und die dritte Flüssigkeitszuleitung dem Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a zugeführt. Die Anschlüsse 19b und 19d bleiben verschlossen.

Sollte keine Mischungseinstellung des Mischventils 19 eine ausreichende Temperatur der Flüssigkeit 6 bereitstellen können, so ist an der dritten Flüssigkeitsleitung zwischen dem dritten Anschluss 19c und dem Eingang der Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a eine elektrische Erwärmungseinrichtung 21 vorgesehen, die die durchströmende Flüssigkeit 6 erwärmt und dadurch die Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6 in den gewünschten Temperaturbereich anhebt. Hierzu ist die Erwärmungseinrichtung mit einer entsprechenden Steuer- bzw. Regeleinrichtung ausgestattet.
Wie bereits angesprochen, wir die Primärseite des zweiten Wärmetauschers 19c der Warmwasserbereitungseinrichtung vom Arbeitsmedium 2 durchströmt. Die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers 19c wird von Kaltwasser 9, das anschließend als vorerwärmtes Kaltwasser 9a dem ersten Wärmetauscher 8 der Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt wird, durchströmt.
In 1 ist noch eine Zusatzheizung 22 als strichpunktierte Linie im unteren Bereich 7b des Speichererhitzers 7 eingezeichnet. Bei dieser Zusatzheizung 22 kann es sich beispielsweise um eine Solaranlage handeln, das von der Sonne erwärmte Wasser wird durch den Speichererhitzer gefördert, wodurch sich im Speichererhitzer die Flüssigkeit erwärmt. Diese sinnvolle Ergänzung ermöglicht in warmen Sommermonaten eine Warmwasserversorgung des Haushalts mittels des Speichererhitzers, so dass die Wärmepumpe abgeschaltet und die vorhandenen Einrichtungen als Klimaanlage eingesetzt werden können, durch Ankopplung des Klimaanlagenkreislaufs 11.
In der Primärseite des ersten Kondensatorteils 17a wird das vom Kompressor 4 kommende, erhitze, komprimierte, gasförmige Arbeitsmedium 2 abgekühlt, ohne bereits zu kondensieren. Die Temperatur des Arbeitsmediums bleibt oberhalb der Kondensationstemperatur. Die Wärme wird an die Flüssigkeit 6, die im Gegenstrom durch die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a strömt, abgegeben. Die Flüssigkeit 6 erwärmt sich dadurch und tritt am Ausgang der Sekundärseite des ersten Kondensationsteils 17a erwärmt aus.
Das weiterhin gasförmige, jedoch bereits gegenüber der Temperatur nach dem Kompressor 4 deutlich abgekühlte Arbeitsmedium 2 wird nach dem Austritt aus der Primärseite des ersten Kondensatorteils 17a der Primärseite des zweiten Kondensatorteils 17b zugeführt. Im zweiten Kondensatorteil 17b kondensiert das Arbeitsmedium 2 und gibt die dabei freiwerdende Energie an die Flüssigkeit 6, die im Gegenstrom durch die Sekundärseite des zweiten Kondensatorteils 17b strömt, ab. Die Flüssigkeit 6 wird dadurch erwärmt.
Das nunmehr kondensierte, aber im Vergleich zu Kaltwasser 9 aus dem Leitungsnetz wärmere Arbeitmedium 2 wird nach dem Austritt aus der Primärseite des zweiten Kondensatorteils 17b der Primärseite des zweiten Wärmetauschers 17c der Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt und dort abgekühlt. Seine Wärme gibt es dabei insbesondere an das Kaltwasser 9 ab, das dadurch erwärmt wird und anschließend als vorerwärmtes Kaltwasser 9a dem ersten Wärmetauscher 8 der Warmwasserbereitungseinrichtung zugeführt wird. Das flüssige, abgekühlte Arbeitsmedium 2 wird nunmehr dem Expansionsventil 5 und dem Verdampfer 3 zur erneuten Wärmeaufnahme aus der Außenluft zugeführt, dann durchläuft es erneut über den Kompressor 4 den Kreislauf.
Die Wärmepumpenheizung 1 gemäß der Erfindung arbeitet somit äußerst effizient, sie erreicht bessere Leistungszahlen als Wärmepumpenheizungen gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine alternative Wärmepumpenheizung 1 gemäß der Erfindung. Diese unterscheidet sich lediglich in der Ausgestaltung des Speichererhitzers 7 und des Kondensators 17 von dem anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass hinsichtlich der identischen Komponenten, insbesondere hinsichtlich der Warmwasserbereitstellungseinrichtung und der Wärmepumpenkomponenten außerhalb des Speichererhitzers auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
In 2 ist der Speichererhitzer 7 zweiteilig aufgebaut, in eine Speicherkomponente 7c und eine Wärmetauscherkomponente 7d, die nebeneinander angeordnet sind. Beide Komponenten 7c, 7d sind mit Flüssigkeit 6, insbesondere Wasser gefüllt. Die Komponenten 7c, 7d sind am oberen und unteren Ende der Wärmetauscherkomponente 7d fluidisch miteinander verbunden, so dass die Flüssigkeit 6 in einem geschlossenen Kreislauf, angetrieben beispielsweise durch Konvektion, durch beide Komponenten strömen kann.
In beiden Komponenten 7c, 7d des Speichererhitzers 7 bildet die Flüssigkeit 6 eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten, d. h. eine horizontale Flüssigkeitsschicht im oberen Bereich 7a des Speichererhitzers 7 ist wärmer als eine horizontale Flüssigkeitsschicht im unteren Bereich 7b des Speichererhitzers 7. Die Flüssigkeitsschichtung ist in 2 durch gestrichelte waagrechte Linien angedeutet.
Der Kondensator 17 ist in 2 in der Wärmetauscherkomponente 7d des Speichererhitzers 7 angeordnet. Er wird vom Arbeitsmedium 6 durchströmt und bildet die Primärseite des Wärmetauschers, die Sekundärseite bildet die Flüssigkeit 6 in der Wärmetauscherkomponente. Das Arbeitsmedium 6 gibt Energie an die Flüssigkeit 6 ab und kondensiert dabei. Die erwärmte Flüssigkeit 6 steigt in der Wärmetauscherkomponente 7d auf, wodurch der geschlossene Konvektionskreislauf der Flüssigkeit 6 durch die beiden Komponenten 7c, 7d des Speichererhitzers 7 entsteht.
Das Prinzip der Warmwasserbereitung mit erstem Wärmetauscher 8 und zweitem Wärmetauscher 17c wurde bereits anhand von 1 beschrieben. In 2 ist der zweite Wärmetauscher der Warmwasserbereitungseinrichtung ebenfalls im unteren Bereich 7b des Speichererhitzers 7, und zwar in der Speicherkomponente 7c, angeordnet, das dort durchströmende Kaltwasser wirkt sich auch hier vorteilhaft auf die Schichtung der Flüssigkeit im gesamten Speichererhitzer 7 aus.
Der zweite Wärmetauscher 17c wird an seiner Primärseite durchströmt von dem bereits im Kondensator 17 kondensierten, flüssigen Arbeitsmedium 2. Seine Temperatur liegt über der Temperatur des Kaltwassers aus dem Leitungsnetz, so dass das Kaltwasser 9 sich im zweiten Wärmetauscher 17c erwärmt und das Arbeitsmedium 2 dabei abgekühlt wird.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 trägt somit der zweite Wärmetauscher 17c mit der Vorerwärmung des Kaltwassers zur Effizienzsteigerung der Wärmepumpenheizung insgesamt bei, diese erreicht bessere Leistungszahlen als Wärmepumpenheizungen gemäß dem Stand der Technik.

1: Wärmepumpenheizung
2: Arbeitsmedium
3: Verdampfer
4: Kompressor
5: Expansionsventil
6: Flüssigkeit
7: Speichererhitzer
7a: Oberer Bereich des Speichererhitzers 7
7b: Unterer Bereich des Speichererhitzers 7
7c: Speicherkomponente
7d: Wärmeaustauscherkomponente
8: Erster Wärmetauscher der Warmwasserbereitungseinrichtung
9: Kaltwasser aus Leitungsnetz
9a: Vorerwärmtes Warmwasser aus Leitungsnetz
10: Warmwasser
11: Klimaanlagenkreislauf
12: Absperrventil
13: Absperrventil
14: Flüssigkeitsablauf
15: Flüssigkeitszulauf
16: Umwälzpumpe, zweite Umwälzpumpe
17: Kondensator
17a: Erster Kondensatorteil
17b: Zweiter Kondensatorteil
17c: Zweiter Wärmetauscher der Warmwasserbereitungseinrichtung, Dritter Kondensatorteil
18: Vorrichtung zur Einstellung der Zulauftemperatur der Flüssigkeit 6 in die Sekundärseite des ersten Kondensatorteils 17a
19: Mischventil
19a: Erster Anschluss des Mischventils 19
19b: Zweiter Anschluss des Mischventils 19
19c: Dritter Anschluss des Mischventils 19
19d: Vierter Anschluss des Mischventils 19
20: Umwälzpumpe, erste Umwälzpumpe
21: Erwärmungseinrichtung
22: Zusatzheizung

Claims

Wärmepumpenheizung (1) a) mit einem Arbeitsmedium (2), das in einem geschlossenen Kreislauf einen Verdampfer (3), einen Kompressor (4), einen Kondensator (17a, 17b; 17) und ein Expansionsventil (5) durchströmt, b) mit einer in einem geschlossenen Kreislauf geführten, hierbei durch einen Speichererhitzer (7) strömenden Flüssigkeit (6), c) wobei der Kondensator (17a, 17b; 17) Energie vom Arbeitsmedium (2) an die Flüssigkeit (6) überträgt, d) wobei die Flüssigkeit (6) im Speichererhitzer (7) eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung ausbildet, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine größere Temperatur aufweisen als in Relation hierzu niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten, e) mit einer Warmwasserbereitungseinrichtung, die einen ersten Wärmetauscher (8) umfasst, der Wärme von der Flüssigkeit (6) auf Wasser (9a) überträgt und damit Warmwasser (10) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass f) die Warmwasserbereitungseinrichtung zusätzlich einen zweiten Wärmetauscher (17c) umfasst, g) der hinsichtlich des für die Warmwasserbereitung bestimmten Wassers dem ersten Wärmetauscher (8) vorgeschaltet ist, zur Vorerwärmung des Kaltwassers (9), das dann als vorerwärmtes Kaltwasser (9a) dem ersten Wärmetauscher (8) zugeführt wird, und h) dessen Primärseite vom Arbeitsmedium (2) durchströmt wird und dessen Sekundärseite von Kaltwasser (9) aus dem Leitungsnetz durchströmt wird, das anschließend zur weiteren Erwärmung durch die Sekundärseite des ersten Wärmetauschers (8) strömt und nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers (8) als Warmwasser (10) bereitsteht, i) wobei der zweite Wärmetauscher (17c) hinsichtlich des Arbeitsmediums (2) zwischen Kondensator und Expansionsventil (5) angeordnet ist, so dass der zweite Wärmetauschers (17c) von bereits kondensiertem, flüssigem Arbeitsmedium (2) durchströmt wird, und j) wobei der zweite Wärmetauscher (17c) Wärme vom flüssigen Arbeitsmedium (2) auf das Kaltwasser (9) überträgt, wodurch sich das Arbeitsmedium (2) abkühlt und das Kaltwasser (9) erwärmt.
Wärmepumpenheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (17c) im und/oder am Speichererhitzer (7) angeordnet ist, und zwar im unteren Bereich (7b) des Speichererhitzers, insbesondere im unteren Drittel.
Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (17a, 17b; 17) oberhalb des zweiten Wärmetauschers (17c) im und/oder am Speichererhitzer (7) angeordnet ist.
Wärmepumpenheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (17) in einen Flüssigkeits-Wärmetauscher integriert ist, dessen Sekundärseite mit der Flüssigkeit im Speichererhitzer einen geschlossenen Kreislauf bildet.