DE2700123A1

DE2700123A1 - Klimaanlage mit waermepumpe

Info

Publication number: DE2700123A1
Application number: DE19772700123
Authority: DE
Inventors: Kjartan A Jonsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-05
Filing date: 1977-01-04
Publication date: 1977-07-14
Also published as: GB1564740A; CA1045393A; SE7614742L; US4065938A

Description

Elsa-fränCbirom-Streßo 1+3

Dipl.-Ing. Otto ELBERTZHAGEN _{Teiex: 932O53 anwlt d}

2/00123 Postscheckkonto: Han 3CWJ3-3O2

• Jj Datum: 3. 1 . 1977

Anmelder: Kjartan A. Jonsson, R.. 1, Stage Road BaIlston Lake, New York 12019 / USA

"Klimaanlage mit Wärmepumpe"

Es sind bereits mehr als 20 Jahre vergangen, seitdem die Hersteller von Klimaanlagen elektrische Kühl- und Heizsysteme für den ganzjährigen Gebrauch in Häusern und gewerblichen Gebäuden unter der jetzt üblichen Bezeichnung Wärmepumpe zu vertreiben begannen. Die ersten Wärmepumpen waren im wesentlichen übliche Klimageräte, welche für eine Umkehrwirkung so verändert waren, daß sie im Winter Wärme in das Gebäude hineinpumpen und im Sommer aus dem Gebäude herauspumpen konnten. Nach jahrelanger Entwickling sind nun Wärmepumpen erhältlich, welche über einen relativ großen Bereich von Außentemperaturen zuverlässig und wirksam sind, und zwar herunter bis zu einem Außentemperaturbereich von minus 4 Grad Celsius bis plus 2 Grad Celsius. Trotz der heutigen hohen Brennstoffpreise sind jedoch die erhältlichen Wärmepumpen gewöhnlich nicht die wirtschaftlich günstigsten Einrichtungen für das Heizen. Dies liegt insbesondere an den niedrigen Umgebungstemperaturen im Bereich von minus 12 Grad Celsius bis plus 2 Grad Celsius, wo der Wirkungsgrad der gegenwärtig erhältlichen Wärme-

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pumpen am niedrigsten liegt und der Wärmebedarf am höchsten. Aus diesem Grund sind zusätzliche konventionelle Heizquellen erforderlich, damit bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Wärmebedarf gedeckt werden kann.

Es besteht also Bedarf für eine Wärmepumpe, welche mehr Wärme in ein Gebäude oder zu einem anderen Verbraucher bei vorgegebener Einsatzenergie fördert, als dies bisher als praktisch angesehen wurde. Es ist eine Vorrichtung erforderlich, welche den Wirkungsgrad der Wärmepumpe beim Heizen steigert ohne ihn beim Kühlen zu beeinträchtigen. Darüberhinaus ist aus Gründen der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit eine Wärmepumpe erforderlich, welche keine zusätzliche Heizung benötigt, bevor nicht sehr niedrige Umgebungstemperaturen, beispielsweise unterhalb von minus 4 Grad Celsius erreicht sind.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Klimagerät mit Wärmepumpe zu schaffen, welche befriedigend ohne zusätzliche Heizung bei wesentlich niedrigeren Umgebungstemperaturen arbeitet, als dies mit den bisher vorhandenen handelsüblichen Einrichtungen möglich war.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Zusatzeinrichtung für vorhandene Wärmepumpen in Form eines Zusatzwärmeaustauschers vorzusehen, welche die Veränderung einer vorhandenen Einrichtung zum Erreichen einer höheren Leistung bei niedrigen Umgebungstemperaturen erleichtert.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist das Vorsehen einer erhöhten Leistung im Heizzustand der Klimaanlage, ohne daß deshalb der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Einrichtung beim Kühlen verringert wird.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpe mit einem Zusatzwärmeaustauscher vorzusehen, bei der die Strömung durch den Zusatzwärmeaustauscher als Funktion der

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Einlaßtemperdtur zum Kompressor gesteuert wird, damit eine Beschädigung des Kompressors während derjenigen Zeiten verhindert wird, in denen große Wärmemengen aus dem Zusatzwärmeaustauscher entnommen werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpe mit einem Zusatzwärmeaustauscher zu schaffen, der Strahlungs- und/oder Konvektionswärme der Umgebung zur Verbesserung der Leistung in der Heizphase zu der Einrichtung überträgt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpe mit einem Zusatzwärmeaustauscher zu schaffen, bei c-er der Zusatzwärmeaustauscher beim Kühlvorgang aus dem Kühlkreis entfernt werden kann, wodurch die Kompressorbelastung zur Sicherung einer ausreichenden Leistung beim Kühlen ausgeg Liehen wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpe mit Zusatzwärmeaustauscher zu schaffen, welche Vorrichtungen zum Abtauen des Zusatzwärmeaustauschers durch ein periodisches Umschalten der Kühlmittelströmung aufweist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpe mit Zusatzwärmeaustauscher zu schaffen, in der der Zusatzwärmeaustauscher beim Heizen automatisch vom Kühlmittelkreislauf abgeschaltet wird, sobald die Einlaßtemperatur des Kompressors eine vorgegebene Grenze erreicht.

Die vorerwähnten Ziele und andere Vorteile werden mit Hilfe der nachstehend beschriebenen Erfindung erreicht. Bei einer Ausführungsform besitzt die Wärmepumpe einen Wärmeaustauscher im Inneren, einen außenliegenden Wärmeaustauscher, einen Kompressor, ein Steuerventil, die erforderlichen Leitungen für eine Betätigung sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen und die erforderlichen Steuerelemente. Ein Zusatzwärmeaustauscher, der außen in der Atmosphäre liegt, erhält im Heizzustand vom

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außenliogenden Wärmetauscher Kühlmittel od^rliegt parallel dazu. Der Zusatzwärmeaustauscher fügt dem Kühlir.itcel Zusatzwärme hinzu und liefert mehr stark überhitzten Dampf an den Kompressoreinlaß. Damit eine Beschädigung des Kompressors verhütet wird, sind Mittel zum Steuern der Kompressoreinlaßterap€_;=..tur innerhalb vorgegebener Grenzen vorgesehen.

Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Zusatzvärmeaustauscher mit einem weiteren Wärmeaustauscher verbunden sein, welcher in einem Wärmevorratsbereich angeordnet sein kann, beispielsweise in einem großen Volumen von Wasser oder im Erdboden. Hierdurch kann Zusatzwärme gespeichert werden, bis sie zu denjenigen Zeiten benötigt wird, wenn die aus der umgebenden Atmosphäre entnehmbare Wärme gering ist.

Da der Zusatzwärmeaustauscher lediglich während der Heizphase der Vorrichtung benötigt wird, sind Ventile vorgesehen, um ihn beim Kühlen zu umgehen. Hierdurch wird die Belastung des Kompressors ausgeglichen und der Gesamtwirkungsgrad im Kühlbetrieb verbessert. Für den Fall, daß die Auslaßtemperatur vom Zusatzwärmeaustauscher sich einer vorgegebenen Maximalgrenze nähert, ist erfindungsgemäß ein Ventil vorgesehen mit einem Temperaturfühler, der das Ventil zum Umgehen des Zusatzwärmeaustauschers betätigt.

Während des Heizbetriebs kann sich Kondensat als Eis auf dem Zusatzwärmeaustauscher ansammeln und hierdurch seine Wärmeübertragungskapazität verringern. Um dies zu verhindern, schlägt die Erfindung ein Steuerventil für den Zusatzwärmeaustauscher vor. Das Steuerventil erlaubt für eine kurze Zeit,nachdem die Vorrichtung zum Enteisen umgestellt worden ist, die Strömung eines relativ warmen Kühlmittels durch den Zusatzwärmeaustauscher. Sobald das Abtauen durchgeführt worden ist, wird die Vorrichtung in den Heizustand zurückgeschaltet.

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Die Erfindung beinhalte L -auch das Vorsehen eines Zusatzgeräts für existierende Wärmepurvpsnsysteme. Das Zusatzgerät umfaiih einen Zusatzwärmetauscher, einen Tempera turf ühler zurrt Überwachen der Kühlmitteltemperatur beim Kompressoreinlaß und ein Steuerventil oder Steuerventile, die in Abhängigkeit von den Temperaturfühler betätigt v/erden und im Zulauf des Wärmetauschers angeordnet sind und zum Steuern des Durchflusses durch diesen Wärmeaustauscher im Heizzustand dienen.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Wärmepumpe im Heizustand. bei der der Zusatzwärmeaustauscher hinter dem Umschaltventil angeordnet ist,

Fig. 2 ein Schema der Wärmepampe im Heizustand, bei der der Zusatzwärmetauscher vor dem Umschaltventil angeordnet ist,

Fig. 3 ein Schema der Wärmepumpe mit unterschiedlichen

Ausführungsformen eines Verdampfers und Kondensators

und mit einem Wärmespeicher.

Fig. 4 ein Schema der Wärmepumpe im Heizustand, bei der der Zusatzwärmetauscher parallel mit dem außenliegenden Verdampfer betrieben wird,

Fig. 5A

und 5B schema tische Darstellungen von Zusatzwärmetauscher!!,

die zum Einsatz bei bestehenden Wärmepumpen geeignet sind.

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Kompressor 10, beispielsweise ein hermetisch verschlossener Kompressor, pumpt ein Kühlmittel, beispielsweise Ammoniak oder

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Dichlordifluormethan durch die Vorrichtung. Auch Wärmepumpen mit anderen Kühlmitteln sind zur Durchführung der Erfindung geeignet. Die Auslaßleitung 12 vom Kompressor 10 führt zu einem Einlaß eines 4-Wege-Umkehrventils, welches das Kühlmittel im Heizzustand in die Richtung der durchgezogen gezeichneten Pfeile leitet. Das 4-Wege-Umkehrventil 14 wird durch einen Thermostaten oder ein ähnliches konventionelles Steuerglied 15 fernbetätigt, mit Hilfe beispielsv/eise einer Magnetbetätigung 16. Wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, steuert die Betätigung des 4-Wege-Umkehrventils auch die Tätigkeit des Wärmetauschers 38.

Vom 4-Wege-Umkehrventil .1 4 strömt das Kühlmittel bei hoher Temoeratur (gewöhnlich 1-1.5 Grad Celsius) urd hohem Druck (gewöhnlich

13 kp/cm ) durch ein Rohr 18 zu einem im Hausinneren liegenden Wärmetauscher ·20, der beim Heizen als Kondensator dient. Der Wärmetauscher 20 wird von einem Luftstrom überstrichen, der von einem nicht dargestellten Gebläse od.dgl. kommt. Während das Kühlmittel durch den Wärmetauscher 20 strömt, gibt er seine Hitze an das Innere des Hauses oder die andere aufzuheizende Umgebung ab und hierdurch fällt seine Temperatur. Die genaue Temperaturänderung ist von Wärmepumpe zu Wärmepume verschieden und hängt von der Kühlmitteltemperatur am Einlaß des Wärmetauschers" ab, ferner von der Größe des Wärmetauschers^:

_/von der darüber strömenden Luft, von der Temperatur im Hausinneren und von anderen damit in Bezug stehenden Faktoren. Üblicherweise beträgt jedoch die Temperaturänderung im Wärmetauscherbündel ca. 19 Grad Celsius.

Vom Wärmetauscher 20 strömt das kondensierte Kühlmittel durch die Umgehungsleitung 22 und das Rückschlagventil 22 zum Entspannungsventil 26. Beim Ausgang d^s Entspannungsventils 26 expandiert das Kühlmittel während es in einen üblichen außenliegenden Wärmetauscher eintritt. Dieser außenliegende Wärmetauscher 28 dient beim Heizen als Verdampfer. Auch der Wärme-

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tauscher 28 wird von zwangsweise geführter Luft, die von einem nicht dargestellten Gebläse od.dgl. gefördert wird, überstrichen. Während das flüssige Kühlmittel durch den Wärmetauscher 2 8 hindurchfließt, nimmt es die Wärme der außerhalb des Gebäudes befindlichen Umgebung auf und verändert seine Phase von flüssig zu Sattdampf. Da mehr Wärme aufgenommen wird, als zur Verdampfung erforderlich ist, steigt die Temperatur des Kühlmittels. Die Temperaturänderung ist, ähnlich wie beim Wärmetauscherbündel 20, unterschiedlich. Typisch ist jedoch eine Temperaturdifferenz von angenähert 19 Grad Celsius. Vom Wärmetauscher 2 8 strömt der gesättigte oder geringfügig überhitzte Kühlmitteldampf durch das 4-Wege-Umkehrventil Ί4 in das Rohr 30. Bei einer handelsüblichen Wärmepumpe würde nun das Kühlmittel direkt zum Einlaß oder zur Ansaugöffnung des Kompressors 10 zurückgeführt. Im Kompressor 10 würden nun die Temperatur und der Druck des Kühlmittels wieder angehoben, bevor der vorbeschriebene Zyklus wiederholt würde.

Wenn das Kühlmittel den Wärmetauscher 28 durchströmt, verursacht die von der äußeren Umgebung aufgenommene Wärme unterschiedliche Veränderungen in dem Kühlmittel. Zunächst wird ein gewisser Betrag der Wärme absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung des flüssigen Kühlmittels. Eine weitere Wärmemenge wird aufgenommen und führt das Kühlmittel von seiner flüssigen Phase in den Dampfzustand über, ohne daß eine weitere Temperaturerhöhung erfolgt. Die restliche absorbierte Wärme dient zur Erhöhung der Dampftemperatur, der auf diese Weise geringfügig überhitzt wird.

Bei konventionellen Wärmepumpensystemen ist der Anteil der hinzugefügten Überschußwärme üblicherweise relativ gering oder er fehlt völlig, wobei die Ansaugtemperatur des Kompressors üblicherweise ca. 2 Grad Celsius bei einer Umgebungstemperatur von 7 Grad Celsius beträgt. Da die üblicherweise verwendeten Kompressoren typischerweise eine maximale Ansaugtemperatur von ca. 30 Grad Celsius besitzen, könnte ein erheblich höherer Grad an Überhitzungwärme mit den existierenden Systemen erreichbar sein. Eine höhere Überhitzung würde sicherstellen, daß eine höhere Netto-Wärmemenga auf das Innere des Gebäudes übertragen

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werden könnte, vorausgesetzt, daß eine wirksame Methode zur Beschaffung der zusätzlichen Überschußwärme verfügbar wäre.

Eine Möglichkeit zum Erhöhen der Ansaugtemperatur des Kompressors im Heizustand könnte darin bestehen, daß man einfach den außenliegenden Wärmetauscher vergrößert, so daß er mehr Wärme aus der über ihn streichenden Luft entnehmen kann. Diese Methode ist aus verschiedenen Grüßen unbefriedigend. Einerseits würde ein größerer Wärmetauscher sehr große Wärmemengen bei höheren Umgebungstemperaturen erzeugen, mit der Folge, daß die maximal akzeptable Ansaugtemperatur des Kompressors im Heizzustand schnell überschritten wäre. Außerdem würde eine höhere Gebläseenergie erforderlich, damit die Luft über einen größeren Wärmetauscher -geblasen werden, könnte" und die Gesamtgröße der Einrichtung würde* erheblich 'anwachsen. Andererseits - und dies _." ist noch wesentlicher - würde die Vorrichtung im Kühlzustand nur unzureichend wirken, wenn der Wärmetauscher 28 zur Verbesserung der Leistung im Heizustand vergrößert würde. Dies wäre deshalb der Fall, weil die Kondensationstemperatur und der Druck äußerst stark reduziert wurden. Hierdurch würde die Ansaugtemperatur und der Ansaugdruck reduziert und zwar infolge der größeren Wärniemenge, welche von dem Wärmetauscher 28 im Kühl zustand zurückgeführt würde. Diese Verringerungen führten zu niedrigen Durchflußraten durch den Wärmetauscher 20. Bei den üblicherweise verwendeten hermetisch abgeschlossenen Kompressoren oder bei anderen Kompressoren, welche Kühlmittel zum Kühlen verwenden, müßten die hieraus resultierenden niedrigen Durchflußmengen zu hohen Kompressormotortemperaturen und den daraus resultierenden Belastungen oder Beschädigungen der Motoren führen. Darüberhinaus würde die Temperatur im Wärmetauscher 20 soweit absinken, daß die Feuchtigkeit aus der Innenluft darauf kondensieren und frieren würde. Dies würde zu schwerwiegenden Verlusten an Kühlkapazität und sehr wahrscheinlich zu einer Beschädigung des KomDressors führen.

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Bei der vorgeschlagenen Wärmepumpe ist ein Zusatzwärmeaustauscher für die äußere Umgebung vorgesehen, welcher Wärme durch Konvektion oder Strahlung oder durch beides von der äußeren Umgebung aufnimmt, ohne hierzu die Verwendung von zwangsgeführter Luft für eine ausreichende Wärmeübertragung zu benötigen.

In Figur 1 ist ein 3-Wege-Magnetventil in die Leitung 30 eingebunden. Wenn im Heizzustand das 3-Wege-Magnetventil betätigt wird, strömt Kühlmitteldampf von der Leitung 30 zur Leitung 36, welche zu einem Zusatzwärmetauscher 38 führt. Vom Zusatzwärmetauscher 38 strömt das Kühlmittel durch ein offenes Magnetventil 40 zum Einlaß 32 des Kompressors weiter. Beim Kühlbetrieb wird das Magnetventil 40 geschlossen, um eir\e umgekehrte Strömung durch den Zusatzwärmetauscher 38 zu verhindern. Ein j Betätigungsorgan 42 stellt das Magnetventil 40 ein. . . _:

Der Zusatzwärmetauscher 38 ist ein konventioneller Schlangenwärmetauscher und besitzt schlangenförmig gebogene Kupferrohre mit Wärmetauscherrippen aus Aluminium oder Kupfer. Der Zusatzwärmetauscher ist in der äußeren Umgebung des heizenden Gebäudes angeordnet, und zwar in derjenigen Position, in der er während der Wintermonate der Sonnenstrahlung und der Umgebungsluft am meisten ausgesetzt ist. Beispielsweise könnte der Wärmetauscher in südlicher Richtung an einer Wand, einem Dach oder einem anderen Träger zweckmäßig sein. Bei einer Umgebungstemperatur von ca. 7 Grad Celsius wird ein Wärmetauscher mit einer Austauschfläche von ca. 0,56 qm die Einlaßtemperatur zum Kompressor 10 auf etwa 13 Grad Celsius erhöhen. Dies bedeutet eine Erhöhung von ca. 11 Grad Celsius über die Ansaugtemperatur eines typischen konventionellen Wärmepumpensystems, wie us vorstehend beschrieben wurde. Demzufolge wird die zur übertragung durch den Wärmetauscher 20 zur Verfügung stehende Wärme ganz erheblich erhöht. Bei höheren äußeren Umgebungstemperaturen kann die Auslaßtemperatur vom Zusatzwärmetauscher 38 an die maximal zulässige Einlaßtemperatur des Kompressors herankommen

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oder kann diese sogar noch überschreiten. Unter diesen Bedingungen wird der Zusatzwärmetauscher 38 nicht weiter für ein kostengünstiges Heizen benötigt. Dementsprechend ist beim Anmaldungsgegenstand hinter dem Magnetventil 40 ein Temperaturfühler 44 vorgesehen. Sobald die Temperatur des Kühlmittels die maximal zulässige Temperatur des Kompressors 10 erreicht, beispielsweise 30 Grad Celsius, wird ein Thermostatregler 46 vom Temperaturfühler 44 betätigt und schließt die Magnetventile 34 und 40 mittels der Betätigungsorgane *8 bzw. 42. Sobald die Temperatur beim Temperaturfühler 44 bis in die Nähe der maximalen Auslaßtemperatur abgesunken ist, welche vom Wärmetauscher 28 erwartet wird, beispielsweise bis 2 Grad Celsius, öffnet der Thermostatregler 46 die Magnetventile 34 und 40 wieder, so daß der Zusatzwärmetauscher. 38 wieder in den "Strömungskreis eingeschaltet wird. Es-ikann; in, -einigen^:. Fällen möglich sein.f daß der Kühlmitteldruck am Einlaß des Kompressors 10 über dem maximal zulässigen Einlaßdruck liegt, wenn der Zusatzwärmetauscher 38 in Betrieb ist. Um in diesen Fällen eine Beschädigung des Kompressors zu verhindern, ist ein druckgesteuertes Drosselventil oder ein Druckregulator für das Kurbelgehäuse vorgesehen.

Das 3-Wege-Magnetventil 34 wird von einem magnetischen Betätigungsorgan 48 verstellt, welches gleichzeitig mit den Magnetbetätigungen 16 und 42 über die Leitungen 52 und 54 beaufschlagt wird, wenn die Vorrichtung vom Kühlbetrieb zum Heizbetrieb umgeschaltet wird. Dies bedeutet, daß eine Strömung durch den Zusatzwärmetauscher 38 verhindert wird, sobald die Vorrichtung durch den Thermostat 15 auf Kühlbetrieb eingestellt ist, so daß die Temperatur des Kompressormotors, die Strömungsmenge und die Temperatur des Kühlmittels nicht von den Werten abweichen, welche für einen zufriedenstellenden Betrieb im Kühlbetrieb erforderlich sind.

Während des Heizbetriebs besteht die wesentliche Wirkung des Zusatzwärmetauschers 38 darin, daß er die Ansaugtemperatur und den Druck des Kompressors 10 auf Werten hält, welche erheblich höher liegen, als diejenigen, die mit konventionellen Wärmepumpen

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erreichbar sind. Der Erfolg ist, daß die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels und die Wärme im Kühlmittel, welche für einen Transport vom Wärmetauscher 20 auf das Hausinnere verfügbar ist, stark anwachsen, ohne daß die Leistung despebläses beeinträchtigt wird und ohne daß die Leistung des Kompressors, der zur Betätigung der Anlage erforderlich ist, merklich, beeinträchtigt wird. Auf der Basis von Computer-Modellrechnungen wird geschätzt, daß die Wärmepumpen, welche nach der Erfindung aufgebaut sird, im Heizzustand einen 40% bis 55% höheren Wirkungsgrad haben, als konventionelle Wärmepumpen.

Da die erfindungsgemäßen Wärmepumpen ein besseren Wirkungsgrad als übliche Einrichtungen haben, ist eine günstige Beheizung möglich, auch wenn die äußeren Umgebungstemperaturen erheblich niedriger liegen, als dies init konventionellen Geräten- möglich war. Sofern nicht das Gebäude allzu hohe Wärmeverluste aufweist, ist eine zusätzliche Heizung in den meisten Fällen nicht nötig, und zwar bis herunter an eine Temperatur von minus 12 Grad Celsius bis minus 7 Grad Celsius. Die meisten konventionellen Wärmepumpen benötigen eine Zusatzheizung,wenn sie unterhalb plus 2 Grad Celsius arbeiten. Dies ist eine Temperatur, die häufig in verschiedenen Teilen der Vereinigten Staaten von Amerika vorkommt. In vielen Regionen der Vereinigten Staaten von Amerika wird die erfindungsgernäße Wärmepumpe dazu in der Lage sein, die gesamte erforderlichs Heizungskapazität zu schaffen. Auch wenn jedoch eine zusätzliche Heizung für sehr niedrige Umgebungstemperaturen, beispielsweise unterhalb minus 9 Grad Celsius erforderlich ist, bewirkt die erfindungsgemäße Wärmepumpe ein günstigeres Heizen über einen weiteren Bereich der Umgebungstemperaturen als dies bisher bei bekannten Anlagen der Fall war.

Wenn die Vorrichtung gemäß Figur 1 im Keizbetrieb arbeitet, besteht eine Tendenz zum Kondensieren der Feuchtigkeit und zum Frieren auf dem Wärmetauscher 28 und dem Zusatzwärmetauscher 38. Ein solches überfrieren reduziert die Wärmeübertragungsr

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kapazität dieser Elemte . Demzufolge kann es notwendig sein, daß di<2 Vorrichtung von Zeit zu Zeit auf Abtaubetrieb umgeschaltet wird. Dabei läuft warmes Kühlmittel in Gegenrichtung zur Durchflußrichtung bei Kühlbetrieb durch den Wärmetauscher 28 und den Zusatzwärmetauscher 38. Üblicherweise reichen 5 Minuten oder weniger eines solchen Umkehrbetriebs aus zum Abtauen des außeniiegenden Wärmetauschers. Das Kühlmittel ist jedoch wesentlich kühler wenn es den Zusatzwärmetauscher erreicht hat, so daß für dessen Abtauen gewöhnlich mehr Zeit erforderlich ist, insbesondere dann, wenn die äußeren Umgebungstemperaturen sehr niedrig liegen, beispielsweise um ca. minus 12 Grad Celsius.

Aus diesem Grund weist eine Ausführungsform der Erfindung eine Widerstandsheizung 56 auf,, welche von einem-Abtaurelais 5ß zur Beschleunigung des. Abtauens des Zusatzwärmetausche^ .betätigt

Da die Magnetventile 34 und 40 normalerweise geschlossen ist, wenn die Strömung durch den Thermostat zum .Kühlbetrieb umgekehrt wird, hält das Abtaurelais beide Ventile offen, wenn es das Urakehrventil 14 zum Abtauen schaltet- Alternativ kann das Abtaurelais 58 auch durch einen Zeitverzögerer 60 ersetzt werden, der betätigt wird, wenn das Umkehrventil zum Abtauen auf Kühlbetrieb umgeschaltet wird. Der Zeitverzögerer 60 speist die Betätigungseinrichtungen 42 und 48 und hält den Energiezufluß zur Widerstandsheizung 56 für diejenige Zeit aufrecht, welche zum Abtauen des Zusatzwärmetauschers 38 erforderlich ist. Wenn die Wärmetauscher 28 und 38 ausreichend abgetaut sind, wird das Umkehrventil entweder durch das Abtaurelais 58 oder den Zeitverzögerungsmechanismus 60 auf Heizbetrieb zurückgestellt und der Betrieb wird fortgesetzt. Es können auch separate Zeitgeber vorgesehen sein, welche dazu dienen, das Umkehrventil 14 von Zeit zu Zeit periodisch umzuschalten um eine auf den außenliegenden Wärmetauschern vorhandene Eisschicht zu entfernen.

Wenn die Vorrichtung auf Kühlbetrieb lauft_f ist das Umkehrventil 14 vox Thermostaten 15 und die Magnetbetätigung 16 in die Lage

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gestallt, welche in Figur 1 durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet ist. Der Zeitverzögerungsmechanismus 60 hält, wenn er benutzt worden ist, das 3-Wege-Magnetventil 34 kurz offen, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Der Kühlmitteidampf verläßt den Kompressor 10 und strömt durch den außenliegenden Wärmetauscher 28, in dem die Wärme an die Umgebungsatmosphäre abgegeben wird, um das Kühlmittel zu kondensieren. Dann strömt das Kühlmittel durch die Rückschlagklappe 6 2 und das thermostatische Expansionsventil 64. Während das Kühlmittel durch den innenliegenden Wärmetauscher 20 strömt, absorbiert es die Hitze von der inneren umgebenden Atmosphäre und kühlt diese dabei ab. Da Kühlmittel strömt dann über das Rohr 18, das Umkehrventil 14 und das Entsparinungsventil oder Kurbelgehäusedruckregulatorventil 50 -eum Kompressor zurück. Da der_.Zusatz"-· ■■ ■wärmetauscher 38 von dem/beschriebenen System abgesperrt-ist, . arbeitet die Vorrichtung bei Kühlbetrieb in der üblichen Art.

Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Zusatzwärmetauscher bei Heizbetrieb stromaufwärts vor -dem "4-Wege-Umkehrventil 14 angeordnet ist. Die entsprechend numerierten Teile arbeiten identisch wie die im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Teile. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung entspricht derjenigen der Vorrichtung von Figur 1, lediglich mit der Ausnahme, daß beim Abtauen die Richtung des Kühlmittelstroms durch den Zusatzwärmetauscher reversiert ist. Obwohl auch in Figur 2 eine Widerstandsheizung dargestellt ist, wird diese bei dieser Ausführungsform nicht benötigt, da sowohl der Zusatzwärmetauscher 38 als auch der Wärmetauscher 28 auf der Auslaßseite des Kompressors angeordnet sind, wo die Kühlmitteltemperatur ausreichend hoch ist, um beide Wärmetauscher schnell abzutauen.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Alternativen Typen von Wärmeaustauschern und einer Wärraespeichermöglichkeit. Die mit gleichen Nummern versehenen Teile arbeiten

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identisch wie die in Figur 2 gezeichneten entsprechenden Teile. Bei dieser Ausführungsform sind die Wärmeaustauscher 20 und 2S. bei denen der Wärmeaustausch zwischen Luft einerseits und Kühlmittel andererseits erfolgt, durch Wärmetauscher 66 und 68 ersetzt, bei denen der Wärmeübergang von Kühlmittel an Flüssigkeit bzw. umgekehrt erfolgt. Bei tlaiz- und Kühlbetrieb können die Auslässe für warme oder kalte Flüssigkeit vom wärmetauscher 68 über Röhren mit geeigneten Wärmeaustauschern (nicht dargestellt) in dem zu klimatisierenden Gebäude verbunden v/erden. Vorzugsweise wird jedoch die wärme oder kalte Flüssigkeit aus der. Wärmetauscher 66 über eine Leitung 70 von einer Pumpe 72 abgeführt, welche die warme oder kalte Flüssigkeit in einen großen isolierten Speichertank 74 führt, der innerhalb oder benachbart zu dem Gebäude angeordnet ist. Wenn Kühlung oder Heizung innerhalb des Gebäudes benötigt wird, kann wärme oder .Jcarftef-Flüssigkeit aus dem Speichertank durch die Leitung;>7£ von einer Pumpe 78 abgeführt werden, welche die Flüssigkeit in ortsfeste Wärmetauscher fördert, wie sie mit 80 bezeichnet sind und im Gebäude verteilt sind. Bei dieser Ausführungsform kann .überschüssige Wärme- oder Kühikapazität im Speichertank 74-während derjenigen Zeiträume gespeichert werden, in denen" die Leistung des Systems mehr als ausreichend dafür ist, um die geforderte Heiz- oder Kühlleistung für das Gebäude zu erbringen. Hierdurch steigt der Gesamtwirkungsgrad dex Vorrichtung.

In ähnlicher Weise kann der Wärmetauscher 6 8 mit jeder üblichen Kühlwasserspeisung verbunden v/erden um ein ausreichendes Kondensieren während des Kühlbetriebs sicherzustellen. Die während des Kühlbetriebs abgegebene Wärme könnte in einem Unrergrund-Wassertank gespeichert werden, in einem Geröllbett oder im Boden selbst und später bei kaltem Wetter wiedergewonnen. Ebenso könnte der Wärmetauscher 68 parallel mit einem konventioneller Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher (nicht dargestellt) geschaltet v/erden und zum Vorheizen von v/armem Brauchwasser für das Haus verwendet werden.

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Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Zusatzwärmetauscher 38 parallel zum Wärmetauscher 23 geschaltet ist. Ob das dargestellte Entspannungsventil 26 oder ein Rohr zurr. Entspannen des Kühlmittels vor dessen Eintritt in den Wärr?.etauscher 28 benutzt wird, in jedem Fall ist es zweckmäßig, das Rohr 82 vor dem Entspannuncj'sventil 26 oder der Kapillare in die Kühlmittelleitung einzubinden, damit eine optimale Steuerung der Strömung durch beide Wärmetauscher möglich ist. Es ist jedoch auch möglich, das Rohr 82 hinter day. Expansionsventil einzubinden. Das Magnetvenc.il 84 wird vom Thermostaten 15 betätigt und gibt die Strömung durch das Rohr 82 sowie über das parallele Expansionsventil 36 zum Zusatzwärmetauscher 38 frei. Die Leitung 38 führt die Strömung vom Zusatzv.-äriiu tauscher 33 über das Magnetventil 9O, welches ebenfalls vom Thermostaten 15 betätigt wird/ in das Rohr 92, wo die _K"ühlmj.tt=I-ströme von Wärmetauscher 28 tfnd vom"Zusaifzwärmetauscher "38 zusammenfließen, bevor sie über das Umkehrventil 14 zum Kompressor 10 zurückkehren. Durch den Zusatzwärmetauscher 38 aufgenommene zusätzliche Wärme erhöht die Ansaugtemperatur des Kompressors ebenso wie bei den Ausführungsformen gemäß Figuren 1 bis 3 und hat die entsprechende Verbesserung des Wirkungsgrades zur Folge. Ebenso wie bei den vorstehend beschriebener. Ausführungsformen dienden der Temperaturfühler 44 und der Thermostatregler 46 zu~ Schließen der Ventile 84 und 90, sobald die Ansaugtemperatur des Kompressors 10 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Im Abtaubetrieb schaltet das Relais 58 das umkehrventil 14 um und hält die Ventile 84 und 90 offen, so daß eine umgekehrte Strömung durch den Wärmetauscher 28, durch das Ventil 90 , die Leitung 83, den Zusatzwärmetauscher 38, die rückschlagklappe 94, die Leitung 82 und das Ventil 84 gelangen kann, bis der Abtauvorgang abgeschlossen ist. Ebenso könnte ein Zeitverzögerungsmechanismus verwendet werden, wie er im Zusammenhang mit Figur beschrieben vnarde.

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Obwohl die Auswahl und die Bemessung der Bauteile sur Durchführung der Erfindung von jedem Durchschnittsfachmann vorgenommen werden können, nachdem die grundlegenden Prinzipien der Erfindung bekannt sind, werden die nachfolgenden Angaben für die wichtigen Teile eines Wärnepumpensysce~s /on zwei Tonnen Kapazität, welches nach der Erfindung aufgebaut ist, gegeben:

Compressor:

ca. 5.800 kcal./π Kapazität

Vorrichtung zum Bewegen der Luft: für außer.liegenden

.W=Lrme£äu^:s-cher.;: ... Gebläsekapazität ca. 4800-jn /h~"--

Gebläsemotor für Außengebläse:

Elektromotor mit ca. 1/4 PS und 1.080 U/min.

Außenllegender Wärmetauscher:

Ca. 0,46 qm Oberfläche in Schlangenform mit Kupferrohren und. Aluminiumrippen

Vorrichtung zum Bewegen der Luft

für innenliegenden

Wärmetauscher: Gebläse mit ca. 1360 m°/h Leistung

Gebläsemotor für innenliegendes Gebläse:

Elektromotor mit ca. 1/3 PS und 850 U/min.

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Innenliogender Wärmetauscher:

Zusatzwärmetauscher:

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ca. 0,32 qrn Oberfläche auf Schlangen aus Kupferrohren mit Aluminium-Rippen.

ca. 0,56 qm² Oberfläche auf Schlangen aus Kupferrohren mit Aluminium rippen.

Umschal tventi .1 :

Magnetbetätigtes Ventil mit vier Anschlüssen.

Entspannung<·>ventil: -

Kurbelgehäuse-Druck-Regulier-Ventil, *". *"

3-Wege-Ventil:

Magnetbetätigtes Ventil mit drei Abgängen,

Verbindungsleitungen:

Gasrohr aus Kupfer mit 5/8"

Flüssigkeitsleitung:

3/8"

Es sind Versuche mit einer ähnlichen Wärmepumpe von 1 1/2 t durchgeführt worden unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Teile und unter Benutzung der Prinzipien der Erfindung. Ein beschränkter Wärmeausstoß v/urde bis auf eine umgebungstemperatur von ca. minus 8 Grad Celsius aufrecht erhalten. Selbst bei nur minus 22 Grad Celsius lieferte das Testgerät noch eine wirksame Wärmemenge. Unter Zugrundelegung des verbesserten Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Systems und der gegenwärtigen Stromtarife ist anzunehmen, daß die Investionskosten für den Zusatzwärmetauscher für ein Verändern existierender

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Systeme sich durch reduzierte Betriebskosten in etwa 3 Jahre amortisiert haben.

Figuren 5 A und 5 B zeigen erfindungsgemäße Zusatzwärreetauscher wie sie insbesondere zur Anpassung an existierende konventionelle Wärmepumpen geeignet sind. In Figur 5 A sind ein 3-Wege-Ventil 34, eine Leitung 36, ein Zusatzwärmetauscher 38, ein Venr.il 40, ein Temperaturfühler 44 mit Steuerung 46, eine Magnetbatätigung 48 und die damit verbundene Verdrahtung als Adaptereinheit vorgesehen, v/elche in Serie mit den außenliegenden Schlangen der vorhandenen Wärmepumpen geschaltet werden soll. Bei Figur 5 B sind ein Ventil 84, ein Expansionsventil 86, eine Rückschlagklappe S»4, ein Zusatzwärmetauscher 38, ein Ventil 90, ein Temperaturfühler 44 mit Temperatursteuerungsgerät 46 als Einheit;: zusammengefaßt und speziell zur Parallelschaltung * mit 4ön*'. * "" ""'. außenliegenden Schlangenwärmetauschern von vorhandenen Wärmepumpen -.vorgesehen. - - ■ "

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Claims

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Patentansprüche

Klimagerät, insbesondere Wärmepumpe mit einem ersten Wärmetauscher, der in der zu klimatisierenden Umgebung angeordnet ist, ferner mit einem zweiten■Wärmetauscher in einer Umgebung, aus der oder ir welcher Wärme absorbiert oder zurückgeschickt werden soll, ferner mit einem Kältemittelkompressor zum Pumpen eines Kühlmittels durch die Vorrichtung, wobei der Kompressor, eine Einlaßöffnung aufweist, ferner mit Rohren, welche die Wärmetauscher und den.Kompressor zum Strömen des Kühlmittels durch äie Vorrichtung verbinden, ferner mit. eine;..-. ernten Ventilen dem Rohr zum Leiten, des Xühlmj-ttels"fcl»oms .- :

durch die Vorrichtung,., d adurch gek e*n η - ζ ei c h η e t, daß ein Zusatzwärmetauscher (38) in einer. Umgebung vorgesehen ist, aus der während des Heizbetriebs der Vorrichtung Wärme absorbiert werden soll, welcher mit den Rohren in der Weise verbunden ist, daß er einen Kälte- ^: mittelstrom an einer Stelle stromaufwärts vor der Ansaugöffnung (32) des Kompressors erhält und in der Weise, daß dieser Kühlmittelstrom zu einem Bereich der Rohre geführt wird, welche zur Ansaugöffnung führen, wobei Temperaturfühler (44) zum Steuern des Kühlmittelstroms durch den Zusatzwärmetauscher in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels an der Einlaßöffnung vorgesehen sind.
2. Klimaanlage nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwärmetauscher (38) ein in der Außenatmosphäre angeordneter Wärmetauscher ist.
3. Klimaanlage nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwärmetauscher (38) in Reihe mit einem dritten Wärmetauscher geschalcet ist, der in einem Flüssigkeitsvolumen angeordnet ist.

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4. rClimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwärmetauscher (38) in Serie mit einem dritten, im Boden liegenden Wärmetauscher geschaltet i v. t.
5. Klimaanlage nach Anspruch !,dadurch gekennzeichne t, daß sie ein zweite;; Ventil (34) in der Leitung (30) zum Anschließen des Zusatzwärmetauschers (3G) auf v/eist, welcher für ein Aufnehmen des Kühlmittalstroms von der Leitung (30)ausgebildet ist, wenn das erste Ventil (14) so geschaltet ist, daß die Klimaanlage Wärme aus der Umgebung abfuhren kann.
6. Klimaanlage nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß sie Vorrichtungen zum Betätigen des zweiten Ventils aufweisen in,-der Wei-se., daß ein .Tströmungsmlttölfluß rn den Zusat^wär^aetauscher".möglich £s*t_r nachdem das erste Ventil 0 4) so geschaltet ist, daß Wärme an die Außanumgebung abgegeben wird, wodurch der Zusatzwärmetauscher

(38) abgetaut werden kann. " - "
7. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwärmetauscher (38) in Reihe mit dem zweiten Wärmetauscher (28) geschaltet ist.
8. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwärmetauscher (38) parallel zu dem zweiten Wärmetauscher (28) geschaltet ist.
9. Klimaanlage nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß sie mit den Leitungen verbundene

Wes
Einrichtungen zum Kontrollieren^ Kühlmitteldrucks am Eingang

(32) des Kompressors aufweist.
10. Kühlmittelhexzeinrichtung zur Verwendung in reversiblen Klimaanlagen oder Wärmepumpen, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zusatzwärmetauscher (38) zur

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Anordnung in einürUmgebung aufweist, aus der Wärme während des Heizbetriebs dar Klimaanlage absorbiert werden soll und daß er Temperaturfühler an dem Zusatzwärmetauscher zum Steuern der ihr. durchsetzenden Strömung aufweist, wobei die Strömung in Abhängigkeit von der Austrittsemperatur des dan Zusatzwärmetauscher verlassenden Kühlmittels gesteuert wird.

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