DE2711144C2 - - Google Patents

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    • Y02B10/70Hybrid systems

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage nach dem Gat­ tungsbegriff des Patentanspruchs.

Eine Wärmepumpe wird im allgemeinen in einem thermodynamischen Kreisprozeß in der Weise betrieben, daß ein Kältemittel ver­ dichtet wird. Bei den Kältemitteln, z. B. R 22, treten bei der Verdichtung recht hohe Temperaturen in der Größenordnung bis zu 90°C auf.

Eine Wärmepumpenanlage mit zwei Wärmetauschern ähnlich der eingangs genannten Art ist in der US-PS 39 89 183 beschrieben. Danach ist ein Wärmetauscher für die mittelbare Übertragung von Wärme an Brauchwasser und ein zweiter Wärmetauscher für die Übertragung der Wärme an einen Heizungswasserstrom vor­ gesehen. Die Wärme vom ersten Wärmetauscher wird vom Hei­ zungswasser übernommen, das die Energie nicht zu Heizkörpern, sondern in einen Heizwassertank transportiert, in welchem eine Brauchwasser enthaltende Wärmetauscherschlange angeordnet ist. Während der Ruhezeiten bei geschlossenen Zapfstellen kann sich das in der Wärmetauscherschlange enthaltene Brauch­ wasser aufwärmen, sein relativ geringer Inhalt steht dem Verbraucher beim Öffnen der Zapfstellen zur Verfügung. Bei längerer Öffnung der Zapfstellen wirkt die Wärmetauscher­ schlange lediglich als kaum funktionierender Wärmetauscher, da ohne Gegenstromprinzip. Eine Speicherung des erwärmten Brauchwassers ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sowohl zur Heizung als auch zur Brauchwasserbereitung dienende Wärme­ pumpe ohne Zusatzheizung wirtschaftlicher und mit geringem baulichem Aufwand zu betreiben. Dabei soll auch bei paralle­ lem Heizbetrieb eine größere Menge Brauchwasser hoher Tempe­ ratur, beispielsweise von über 70°C ohne Verlust der Effekti­ vität abrufbereit zur Verfügung stehen. Die Lösung dieser Auf­ gabe erfolgt erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs.

Man kann im Sinne der Erfindung eine Wärmepumpe in der Weise betreiben, daß das Kältemittel nach dem Verdichten zuerst durch einen im Brauchwasserkreis liegenden Wärmetauscher und anschließend durch einen im Heizkörperkreis liegenden Wärme­ tauscher geführt wird. Hierdurch wird ein Teil der Wärmelei­ stung hoher Temperatur zur Gebrauchwasserbereitung und die restliche Wärmeleistung niedriger Temperatur für den Heiz­ körperkreis ausgenutzt.

Ein derartiger Betrieb der Wärmepumpe ergibt eine hohe Lei­ stungsziffer, wobei die unterschiedlichen Temperaturen auf der Kältemittelseite unabhängig voneinander im Wärmetauscher des Brauchwasserkreises und jenem des Heizkörperkreises gefahren wer­ den können. Im ersten Wärmetauscher kann die Überhitzungs­ wärme noch besonders ausgenutzt werden. Hierbei ist keine Steuerung im Kältekreis erforderlich, wodurch sich eine ein­ fache bauliche Anlage mit nur feststehenden Apparaten ergibt, die nicht störanfällig ist.

Ferner ist es möglich, das verdichtete Kältemittel während der Heizperiode im Wärmetauscher des Heizkörperkreises unter teilweiser Abkühlung zu verflüssigen und die restliche Wärme in einem im Brauchwasserkreis liegenden Wärmetauscher abzu­ führen. Während des Heizbetriebes ist es hierbei durch die Anordnung der Wärmetauscher möglich, daß dem im Wärmetauscher des Heizkörperkreises nicht restlos abgekühlten Kältemittel im nachgeschalteten Wärmetauscher des Brauchwasserkreises die Restwärme entzogen werden kann, wodurch sich praktisch eine kostenlose Energieausnutzung ergibt.

Der Anmeldungsgegenstand weist bei parallelem Heizbetrieb durch die Nutzung der Unterkühlungswärme bei Kaltwasserzufluß, durch die Nutzung der Überhitzungswärme und die Anpassung der Kälte­ mitteltemperatur an den jeweiligen Temperaturhub einen best­ möglichen Wirkungsgrad auf (Carnotisierung des Kreisprozesses).

Die vorrangig erforderliche Warmwassererwärmung geschieht zwangs­ läufig und ohne weitere Schalt- und Regelmaßnahmen für das ge­ samte gespeicherte Wasservolumen bis zur maximalen Erhitzungs­ temperatur.

Ein relativ kleiner Speicher dient gleichzeitig drei gewünschten Zwecken:
Das langsam erwärmte Brauchwasser wird temperaturgeschichtet gespeichert, um im nächsten Durchlauf weiter angehoben zu wer­ den. Es wird eine Entropiezunahme durch Vermischung von warmem und kaltem Wasser vermieden.
Auch eine Erhöhung der Brauchwassertemperatur auf beispielsweise 60°C und höher ist bei niedriger Kältemitteltemperatur für zum Beispiel 40°C Heizungswasservorlauf ohne Absenkung der Leistungs­ ziffer möglich, so daß nach einem Nachtstrombetrieb eine große Energiemenge in Form sehr warmen Brauchwassers zur Verfügung steht, was eine erhöhte Speicherkapazität bedeutet.

Außerdem dient der Speicher zum Abfangen hoher Stoßbelastungen, wobei nahezu das volle Volumen genutzt werden kann. Der Speicher kann also als Schichtspeicher, Hochtemperaturspeicher und Pufferspeicher dienen.

Durch eine Nutzung der gleitenden Temperaturregelung des Kälte­ mittels heutiger Wärmepumpen über den Druck ist eine Absonderung der Überhitzungswärme für das Brauchwasser ohne eine zusätzliche Durchflußmengensteuerung möglich. Folgende aus dem Stand der Technik bekannten Hilfsaggregate sind entbehrlich: Vorwärm­ stufen, Überhitzungs-Wärmetauscher, Zusatzverflüssiger, Hilfs­ wärmeträger, Kaskaden, Zusatzspeicher, Zwischenüberträger sowie Sekundärkreisläufe.

Für die Wärmeabgabe an zwei zeitlich unabhängige Nutzwärmeströme mit differierenden Temperatur- und Mengenanforderungen sind neben der Wärmepumpe nur noch zwei Wärmetauscher, zwei Umwälz­ anlagen und ein Schichtspeicher erforderlich.

Durch die selbsttätige Einhaltung der jeweils physikalisch günstigsten und bedarfsmäßig erforderlichen Betriebspunkte ent­ fallen alle weiteren Regelorgane, die über das normale Maß bei Heizungs- und Warmwasseranlagen hinausgehen.

Eine Zusatzheizung ist weder aus Temperatur- noch aus Energie­ mengengründen erforderlich.

Jeder Nutzwärmestrom kann auch allein betrieben werden. Beim Sommerbetrieb ohne Heizung entfällt dann natürlich die Neben­ benutzung der Überhitzungswärme, so daß die Wärmepumpe ab einer gewissen Temperaturaufstockung mit einem entsprechend höheren Druck zu fahren ist.

Eine Erhöhung der Wärmepumpenleistung wegen zusätzlicher Warm­ wasserbereitung ist nur im sehr knappen Auslegungsfall erforder­ lich; somit können Wärmepumpenaggregate auch nachträglich bei normalen Haushaltsverhältnissen einfach mit Hilfe eines zu­ sätzlichen Speichers, Wärmetauschers und einer Umwälzpumpe zur gleichzeitigen Nutzung für die Warmwasserbereitung erwei­ tert werden.

Eine erhöhte Warmwassertemperatur kann auch bei niedriger Vor­ lauftemperatur des Kältemittels für Heizzwecke nebenbei er­ reicht werden:
Die erforderliche Warmwasserleistung verhält sich zur Heiz­ leistung zwar wie ca. 3 : 1 (möglich durch die Wirkung des Speichers als Pufferspeicher); das Energieverhältnis des Warm­ wassers zur Heizung beträgt aber etwa 1 : 6. Zur Aufstockung auf das erhöhte Temperaturniveau für das Warmwasser würden je­ doch beispielsweise (60-40) : (60-10) = 2/5 Anteile der Warmwasserenergie genügen, so daß der erforderliche Über­ hitzungsanteil 2/5 × 1/6 = 1/15 beträgt, was auch dem Energie­ anteil der Überhitzungswärme in Wärmepumpen entspricht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Zeich­ nungen erläutert werden, in denen mehrere Ausführungsbei­ spiele in vereinfachter, schematischer Darstellung veran­ schaulicht sind.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Wärmepumpe mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter 1 vor­ gesehen, in dem ein Kältemittel bei der Verdichtung über­ hitzt wird. Bei Verwendung eines Kältemittels R 22 tritt hierbei eine Temperatur von 80 bis 90°C auf. Die Druckseite des Verdichters 1 ist an einen Wärmetauscher 3 angeschlossen. Diesem Wärmetauscher 3 ist ein zweiter Wärmetauscher 4 nach­ geschaltet, der über eine Leitung 5 und ein Reduzierventil 2 a an einen Verdampfer 2 angeschlossen ist, der mit der Saugsei­ te des Verdichters 1 verbunden ist. Einem den Wärmetauscher 3 enthaltenden Behälter 6 wird durch eine Rohrleitung 7 Brauch­ wasser zugeführt, das mit einer Temperatur von etwa 10°C zufließt. In dem Wärmetauscher 3 wird das Wasser bis auf etwa 70°C erhitzt und durch eine Rohrleitung 9 und ein Sicher­ heitsventil 10 in einen Brauchwasserspeicher 11 geleitet, aus dem das erwärmte Brauchwasser durch eine Leitung 12 den Zapfstellen des Verbraucherkreises zugeführt wird.

In dem Wärmetauscher 4 kondensiert das durch den vorgeschal­ teten Wärmetauscher 3 auf die Kondensationstemperatur abge­ kühlte Kältemittel. Der Wärmetauscher 4 ist in einem Behäl­ ter 14 angeordnet, der an einen Heizkörperkreis mit Rücklauf 15 und Vorlauf 16 angeschlossen ist. Das durch die Rücklauf­ leitung dem Wärmetauscher 4 zugeführte Heizungswasser hat eine Temperatur von etwa 35°C und wird in dem Behälter 14 durch den Wärmetauscher 4 auf etwa 40°C erwärmt. Diese Tem­ peratur ist beispielsweise für eine Fußbodenheizung aus­ reichend. Der Wärmetauscher 4 ist für die volle Nennleistung der Wärmepumpe bemessen. Es wird also mit dieser Anlage der Gebrauchwasser-Bereiterkreis 7, 6, 9, 11 durch die Überhitzungs­ wärme des verdichteten Kältemittels bei einer Wärmeleistung von etwa 5% auf etwa 70°C erhitzt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird der Brauchwasserkreis durch volle Kondensation des Kältemittels erwärmt. Hierbei sind die Rohrleitungen 7 und 9 des Brauchwasserkreises an einen, einen Wärmetauscher 23 enthaltenden Behälter 25 angeschlossen, dem das Brauchwasser mit einer Temperatur von 10°C zugeführt wird, das durch die Kondensationswärme des Wärmetauschers 23 auf etwa 60°C erwärmt wird.

Der zweite Wärmetauscher 24 ist an einen Behälter 26 ange­ schlossen, der mit dem Rücklauf 15 und dem Vorlauf 16 des Heizkörperkreises in Verbindung steht. Die Rücklauftempera­ tur von etwa 40°C wird durch den Wärmetauscher 24 auf etwa 45°C erhöht. Hierbei kann im ersten Wärmetauscher 23 auch die Überhitzungswärme neben der Kondensationswärme ausgenutzt wer­ den. In dem Brauchwasserkreis 7, 25, 9, 11 und dem Heizkörper­ kreis 15, 26, 16 können hierbei unterschiedliche Temperaturen gefahren werden.

Bei der Anlage nach Fig. 3 wird das Brauchwasser zunächst durch Nachenthitzung des Kältemittels bis auf die Gebrauchs­ temperatur von 60°C erwärmt, während das verdichtete Kälte­ mittel zuerst durch den im Heizkörperkreis 15, 26, 16 liegen­ den Wärmetauscher 24 und anschließend durch den im Brauch­ wasserkreis 7, 25, 9, 11 liegenden Wärmetauscher 23 geleitet wird. Hierbei wird dem im Wärmetauscher 24 während des Heizbe­ triebes nicht restlos abgekühlten Kältemittel im nachgeschal­ teten Wärmetauscher 23 die Restwärme entzogen, so daß sich hierbei eine praktisch kostenlose Energieausnutzung ergibt. Das Brauchwasser aus der Leitung 8 kann hierbei z. B. von 10°C praktisch kostenlos auf etwa 30°C erwärmt werden, im Speicher 11 zwischengespeichert und im anschließenden Verfahren von z. B. 30°C auf 60°C erwärmt werden. Durch Ausnutzung der Rest­ wärme wird hierbei eine besonders hohe Leistungsziffer er­ reicht.

Die beschriebenen verschiedenen Möglichkeiten der Ausnutzung der Überhitzungswärme, der vollen Kondensationswärme sowie der Nutzung der Restwärme können in der gleichen Anlage kom­ biniert werden.

Claims (1)

  1. Wärmepumpenanlage mit zwei Wärmetauschern zur bedarfsge­ rechten Erwärmung zweier voneinander unabhängiger Nutzwärme­ kreise unterschiedlicher Temperatur- und Mengenanforderung, wobei für den ersten Nutzwärmekreis, z. B. Brauchwarmwasser, ein erster Wärmetauscher und für die Erwärmung des zweiten Nutzwärmekreises, z. B. Heizungswasser, ein zweiter, Wärmetau­ scher vorgesehen ist, wobei jeder der beiden Wärmetauscher zur Abführung der gesamten von der Wärmepumpe geförderten Wärme ausgelegt ist und wobei in dem ersten Nutzwärmekreis ein Speicher eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (11) zum Zwischenspeichern des erwärmten Nutzwärme­ stromes, z. B. Brauchwasser, eingesetzt ist.
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