DE2948930C2

DE2948930C2 - Heat pump equipment

Info

Publication number: DE2948930C2
Application number: DE2948930A
Authority: DE
Inventors: Peter 7351 Hasenkrug Koch
Original assignee: INSTITUT fur WIRTSCHAFTSANALYSE ANSTALT SCHAAN LI; Institut Fuer Wirtschaftsanalyse Anstalt Schaan
Current assignee: Institut fur Wirtschaftsanalyse Anstalt Schaan
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1982-12-23
Also published as: DE2948930A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpen-Einrichtung für den Betrieb bestehender Warmwasser-Heizungsanlagen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a heat pump device for the operation of existing hot water heating systems according to the preamble of claim 1.

In zunehmendem Maße werden bei Neubauten heute für den Betrieb der Heizungen Wärmepumpen eingesetzt. Die Heizeinrichtungen neu zu errichtender Bauten können am einfachsten dem Betrieb mit einer Wärmepumpe angepaßt werden, z. B. dadurch, daß Fußbodenheizungen oder Niedertemperatur-Heizkörper eingebaut werden, die darauf abgestellt sind, daß die Vorlauftemperatur nicht so hoch reicht wie beim Betrieb mit üblichen Heizkesseln. Dagegen reichen bisher Wärmepumpen nicht aus, um in bestehenden Warmwasser-Hei7.ungsanlagen, die mit üblichen Heizkörpern ausgestattet sind, die Kesselanlage unter allen Witterungsbedingungen voll zu ersetzen.Heat pumps are increasingly being used to operate the heating systems in new buildings. The heating systems of new buildings to be erected can most easily be operated with a Heat pump can be adapted, e.g. B. in that underfloor heating or low-temperature radiators installed, which are geared towards the fact that the flow temperature is not as high as with Operation with conventional boilers. On the other hand, heat pumps have so far not been sufficient to use in existing ones Hot water heating systems that are equipped with standard radiators, the boiler system among all Completely replace weather conditions.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpen-Einrichtung gemäß Oberbegriff so auszugestalten, daß bei einstufigen Einrichtungen für den Heizungskreis höhere Vorlauftemperaturen als bisher erreicht werden und die Wärmepumpe dadurch ^A5 für bereits installierte Warmwasser-Heizungssysteme verwendbar wird.The invention is therefore based on the object of designing a heat pump device according to the preamble so that higher flow temperatures than before can be achieved in single-stage devices for the heating circuit and the heat pump can be used as a result ^A5 for hot water heating systems already installed.

Aus der DE-PS 6 75 840 ist eine mehrstufige Wärmepumpen-Einrichtung bekannt, bei der mehrere gleiche Arbeitsmittelkreisläufe hintereinander geschal- so tet sind, wobei als Arbeitsmittel Ammoniak verwendet wird. In jeder Stufe ist jeweils ein zusätzlicher Wärmeaustauscher vorgesehen, in welchem das verflüssigte Arbeitsmittel das dampfförmige Arbeitsmittel vor dem Eintritt in den Verdichter überhitzt. Die zweistufig ausgebildeten Verdichter sind jeweils mit einem vom Heizmittel der angeschlossenen Heizanlage durchflossenen Zwischenkühler versehen, der dem zugehörigen Verflüssiger im Heizmittelstrom nachgeschaltet, dem Verflüssiger der nachfolgenden Stufe aber vorgeschaltet sind. In diesen Zwischenkühlern hat das abgegebene Medium zunächst eine verhältnismäßig hohe Temperatur von 100⁰C. Das Gesamtniveau, das mit dieser Anlage erreicht wird, und auf das der Heizungsvorlauf einzustellen ist, liegt jedoch bei etwa 50 bis 55° C, so daß trotz der komplizierten Einrichtung ein Betrieb von üblichen Warmwasser-Heizungsanlagen mit einer Vorlauftemperatur von etwa 80⁰C nicht möglich ist.From DE-PS 6 75 840 a multi-stage heat pump device is known in which several identical working medium circuits are connected one behind the other, with ammonia being used as the working medium. An additional heat exchanger is provided in each stage, in which the liquefied working medium superheats the vaporous working medium before it enters the compressor. The two-stage compressors are each provided with an intermediate cooler through which the heating medium of the connected heating system flows, which is connected downstream of the associated condenser in the heating medium flow, but is connected upstream of the condenser of the subsequent stage. In these intercoolers the dispensed medium has, however, initially a relatively high temperature of 100 ⁰ C. This is achieved with this system, the overall level, and to which the heating flow is to be set is located, at about 50 to 55 ° C, so that in spite of the complicated Establishment, an operation of conventional hot water heating systems with a flow temperature of about 80 ⁰ C is not possible.

Aus der Zeitschrift »Öl- und Gasfeuerung« 5/1975, s. 262 bis 265, ist eine Wärmepumpeneinrichtung bekannt, die für den Betrieb einer Klimaanlage in besonderer Weise ausgestaltet ist Die Wärmepumpeneinrichtung ist mit mindestens einem zusätzlichen Wärmeaustauscher versehen, der dem Verdichter vorgeschaltet ist. Beide im Wärmetausch stehenden Zweige passieren außerdem einen Sammler, der für die das flüssige Medium führende Leitung stromab vom Austauscher liegt und in dem eine zusätzliche Trennung von flüssigem und gasförmigem Medium stattfindet, um eine Beschädigung des Verdichters durch Eintritt von flüssigem Medium zu verhindern. Die Klimaanlage kann durch entsprechende Schaltung wahlweise als Heizung oder als Kühlung gefahren werden. Für Heizzwecke ist die Anlage mit einem zusätzlichen E-Heizregister versehen, das bei zu niedriger Außentemperatur stufenweise zugeschaltet wird.From the magazine "Öl- und Gasfeuerung" 5/1975, see 262 to 265, a heat pump device is known which is used for the operation of an air conditioning system in The heat pump device is designed with at least one additional Provided heat exchanger, which is connected upstream of the compressor. Both are in heat exchange Branches also pass a collector, which is for the line leading the liquid medium downstream of the Exchanger is and in which an additional separation of liquid and gaseous medium takes place to to prevent damage to the compressor due to the entry of liquid medium. The air conditioning can can be operated either as heating or cooling by means of appropriate switching. For heating purposes is Provide the system with an additional electric heating register, which can be used if the outside temperature is too low is switched on in stages.

Gegenüber diesem Stand der Technik wird die vorstehend erwähnte Aufgabe für eine Wärmepumpeneinrichtung gemäß Oberbegriff dadurch gelöst, daß das Kältemittel ein Gemisch aus 75 bis 85% R 22 und 25 bis 15% R 21 ist. Vorzugsweise wird ein Kältegemisch aus etwa 80% R 22 und 20% R 21 verwendetCompared to this prior art, the above-mentioned object for a heat pump device solved according to the preamble in that the refrigerant is a mixture of 75 to 85% R 22 and 25 to 15% is R 21. A cold mixture of about 80% R 22 and 20% R 21 is preferably used

Ein solches Kältegemisch gestattet, mit einer einstufigen Wärme-Pumpen-Einrichtung Heizungsanlagen zu versorgen, die eine Vorlau'temperatur im Bereich von etwa 80° C erfordern. Die Umwälzpumpe der Heizungsanlage und die Förderpumpe für das Grundwasser und der Verdichter können bei dieser Wärmepumpeneinrichtung die gleiche Größe wie bei einer üblichen Einrichtung haben, die die gleiche Bodenfläche über Fußbodenheizung beheizen soll. Es empfiehlt sich aber, für den Verdampfer und Wärmeaustausch mit dem Heizungswasser Austauscher zu verwenden, deren Austauschleistung in der Größenordnung von 30 bis 50% größer als beim Betrieb einer üblichen Niedertemperaturheizung ist.Such a cold mixture allows heating systems with a single-stage heat-pump device to supply that has a flow temperature in Require range of about 80 ° C. The circulation pump of the heating system and the feed pump for the With this heat pump device, groundwater and the compressor can be the same size as with have a common facility that is supposed to heat the same floor area with underfloor heating. It however, it is recommended to use the heating water exchanger for the evaporator and heat exchange use whose exchange performance is on the order of 30 to 50% greater than when operating a usual low temperature heating is.

Es ist an sich bekannt, daß Kältemittel R 22 und Mittel mit gleichen physikalischen Daten zum Betrieb von Wärmepumpen-Einrichtungen verwendet werden, soweit die Temperatur der Abgabeseite auf etwa 50 bis 55° C beschränkt ist Für höhere Temperaturen wäre da^c. Kältemittel nicht geeignet, da es unannehmbar hohe Arbeitsdrücke bedingen würde. Nach den bisher bekannten Eigenschaften von R 21 ist dieses Kältemittel zum Betrieb von Wärmepumpenanlagen, die Wärme aus der Umgebung entnehmen, nicht verwendbar, weil es erst bei +21⁰C verdampft.It is known per se that refrigerant R 22 and agents with the same physical data are used to operate heat pumps, provided the temperature on the delivery side is limited to around 50 to 55 ° C. For higher temperatures, ^c . Refrigerant not suitable as it would result in unacceptably high working pressures. According to the previously known properties of R 21, this refrigerant cannot be used for the operation of heat pump systems that ^draw heat from the environment, because it only evaporates at +21 ° C.

Es ist deshalb überraschend, wenn nach der Erfindung ein Gemisch aus den erwähnten Kältemitteln einen Betrieb der Wärmepumpen-Einrichtung bis auf 80 bis 85° C an der Abgabeseite gestattet, obwohl die eine Komponente bislang für den oberen Temperaturbereich wegen unannehmbar hoher Drücke und die andere Komponente für den unteren Bereich wegen des zu hohen Verdampfungspunktes als nicht brauchbar bekannt gewesen ist. Mit einer Versuchsanlage ist nachgewiesen, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Gemisch die Endtemperatur von etwa 80°C bei technisch beherrschbaren Drücken erreichen läßt.It is therefore surprising if, according to the invention, a mixture of the refrigerants mentioned is one Operation of the heat pump device up to 80 to 85 ° C on the delivery side is permitted, although one Component so far for the upper temperature range because of unacceptably high pressures and the other Component for the lower range cannot be used because of the too high evaporation point has been known. With a test facility it has been demonstrated that with the inventive Mixture can reach the final temperature of about 80 ° C at technically controllable pressures.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Die Zeichnungsfigur zeigt schematisch eine Wärmepumpeneinrichtung 10. Über den Vorlauf 14 geht das im Austauscher 12 angewärmte Heizungswasser in die Ansaugseite einer üblichen Umwälzpumpe, die das aufgeheizte Wasser weiterfördert und dadurch denThe drawing figure shows schematically a heat pump device 10. This is done via the flow line 14 Exchanger 12 warmed heating water in the suction side of a conventional circulating pump, which further pumps heated water and thereby the

Heizkörpern zuführt. Aus den Heizkörpern fließt das abgekühlte Wasser durch die Rücklaufleitung 16 wieder zurück in den Wärmeaustauscher 12.Supplies radiators. It flows from the radiators Cooled water back into the heat exchanger 12 through the return line 16.

Die im Wärmeaustauscher 12 an den Heizungswasserkreislauf abgegebene Wärmemenge wird einem Kältemittelkreislauf entnommen. Dieser Kältemittelkreislauf weist einen Verdampfer 2G auf, der ebenfalls ein Wärmeaustauscher ähnlicher Konstruktion wie der Wärmeaustauscher 12 ist In den Verdampfer 20 wird über eine Leitung 22 Grundwasser eingeführt, das einen Teil seiner Wärme im Verdampfer 20 an das Kältemittel abgibt, das. als abgekühlte Flüssigkeit in den Verdampfer eintritt und durch die Wärmeaufnahme verdampft Als Dampf fließt es über die Leitung 26 weiter.The in the heat exchanger 12 to the heating water circuit The amount of heat given off is taken from a refrigerant circuit. This refrigerant circuit has an evaporator 2G, which is also a heat exchanger of similar construction as the Heat exchanger 12 is in the evaporator 20 is introduced via a line 22 groundwater, the one Part of its heat in the evaporator 20 gives off to the refrigerant, which. As a cooled liquid in the evaporator enters and evaporates due to the absorption of heat. It flows on as steam via line 26.

Der aus dem Verdampfer 20 kommende Kältemitteldampf wird bei üblichen Wärmepumpeneinrichtungen unmittelbar in einen Verdichter 30 eingespeist, der den Dampf unter gleichzeitiger Temperaturerhöhung verdichtet, und die Eingangstemperatur des Verdichters 30 ist bei den üblichen Wärmepumpen im wesentlichen gleich der Ausgangstemperatur des Kältemittels am Verdampfer 20. Bei der hier beschriebenen Einrichtung ist zwischen dem Verdampfer 20 und dem Verdichter 30 ein Wärmeaustauscher 40 angeordnet, den das aus dem Verdampfer 20 kommende Kältemittel im Gegenstom mit dem dem Verdampfer 20 zufließenden Kältemittel durchströmt In der Leitung 27 zwischen dem Wärmeaustauscher 40 und dem Verdichter 30 hat das Kältemittel daher eine um etwa 20—30° höhere Temperatur als am Ausgang des Verdampfers 20 bei Eintritt in die Leitung 26. Diese Vorwärmung des Kältemitteldampfes ermöglicht, daß am Ausgang des Verdichters 30 in die Verbindungsleitung 32 zum Wärmeaustauscher 12 Kältemittel mit einer Temperatur von etwa 85° C bei einem Druck von etwa 30 Bar eintritt Durch Wärmeabgabe im Wärmeaustauscher 12 ergibt sich eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels, das über die Leitung 34 vom Wärmeaustauscher 12 weiterfließt, auf z. B. etwa 75⁰C, wenn das Heizungswasser von etwa 7O⁰C beim Eintritt aus der Rücklaufleitung 16 in den Wärmeaustauscher 12 auf etwa 8O⁰C beim Austritt aus dem Austauscher 12 in die Vorlaufleitung 14 erwärmt wird. Das Kältemittel fließt von der Leitung 34 aus weiter durch einen üblichen Filtertrockner 36 und in eine Leitung 35, die in den Wärmeaustauscher 40 einmündet Vom Wärmeaustauscher 40 führt eine Leitung 37 nach der Entspannungsvorrichtung 38, deren Ausgang durch die Leitung 28 mit dem Verdampfer 20 verbunden ist Die Temperatur in der Leitung 37 beträgt je nach der Temperatur in der Leitung 32 und der Wärmeabgabe im Austauscher 12 etwa 50° C—55° C. Das Kältemittel hat beim Austritt aus dem Verdampfer 20 eine Temperatur von minus 4° C, während z. B. das Grundwasser mit einer Temperatur von etwa 10° C durch die Leitung 22 in den Verdampfer 20 einfließt und mit etwa 5° C durch die Leitung 24 zurückfließtThe refrigerant vapor coming from the evaporator 20 is fed directly into a compressor 30 in conventional heat pump devices, which compresses the vapor with a simultaneous increase in temperature, and the inlet temperature of the compressor 30 is essentially the same as the outlet temperature of the refrigerant at the evaporator 20 in the conventional heat pumps The device described here is between the evaporator 20 and the compressor 30, a heat exchanger 40 is arranged, through which the refrigerant coming from the evaporator 20 flows in countercurrent with the refrigerant flowing to the evaporator 20. In the line 27 between the heat exchanger 40 and the compressor 30 has the refrigerant therefore a temperature about 20-30 ° higher than at the outlet of the evaporator 20 when it enters the line 26. This preheating of the refrigerant vapor enables refrigerant with a temperature v on about 85 ° C occurs at a pressure of about 30 bar. The release of heat in the heat exchanger 12 results in a temperature decrease in the refrigerant that flows on from the heat exchanger 12 via the line 34, to e.g. B. about 75 ⁰ C when the heating water is heated from about 7O ⁰ C at the entrance of the return line 16 into the heat exchanger 12 to about 8O ⁰ C at the exit from the exchanger 12 in the flow line fourteenth The refrigerant flows from the line 34 through a conventional filter dryer 36 and into a line 35 which opens into the heat exchanger 40. A line 37 leads from the heat exchanger 40 to the expansion device 38, the outlet of which is connected to the evaporator 20 by the line 28 The temperature in line 37 is about 50 ° C.-55 ° C., depending on the temperature in line 32 and the heat dissipation in exchanger 12. The refrigerant has a temperature of minus 4 ° C. when it emerges from evaporator 20, while e.g. B. the groundwater flows through the line 22 into the evaporator 20 at a temperature of about 10 ° C and flows back through the line 24 at about 5 ° C

Der Wärmeaustauscher 40 ist vorzugsweise ein Doppelmantelrohr, dessen inneres Rohr zur Erhöhung der Wärmeaustauschkapazität auf der Außenseite mit Rippen, vorzugsweise mit sternförmig vorspringenden Ansätzen versehen istThe heat exchanger 40 is preferably a double-jacket tube, the inner tube of which to increase the heat exchange capacity on the outside with ribs, preferably with star-shaped protruding Approaches is provided

Während übliche Austauscher und Verdampfer eine Austauschfläche von etwa 10 m² aufweisen, sind bei der hier beschriebenen Anlage bei vergleichbarer Größe des Verdichters, der Umwälzpumpe und der Förderpumpe für das Grundwasser Austauschflächen von jeweils mindestens 14 m² vorgesehen. Dadurch erhöht sich die Austauschleistung von etwa 20 000 kcal/std auf etwa 30 000 kcal/std. Die Außenmaße des Wärmeaustauschers 12 und des Verdampfers 20 haben trotzdem die gleiche Größenordnung, wie die Austauscher kleinerer Leistung bei bekannten Anlagen, wenn ein bifilar gewickeltes Rippenrohr mit etwa 18—22 mm Bohrung aus nichtrostendem Stahl für die Kältemittelführung verwendet wird. Wegen der erheblichen Vorwärmung des Kältemittels auf dem Weg vom Verdampfer 20 nach dem Verdichter 30 genügt eine Verdichtung auf etwa 30 bar, auch hier eine Verbesserung gegenüber der üblichen Verdichtung bis auf etwa 40 bar.While conventional exchangers and evaporators have an exchange area of around 10 m ² ^{, the system described here provides exchange areas of at least 14 m 2} each with a comparable size of the compressor, the circulation pump and the feed pump for the groundwater. This increases the exchange rate from about 20,000 kcal / h to about 30,000 kcal / h. The external dimensions of the heat exchanger 12 and the evaporator 20 are nevertheless of the same order of magnitude as the exchangers of smaller capacity in known systems when a bifilar-wound finned tube with an approximately 18-22 mm bore made of stainless steel is used for the refrigerant duct. Because of the considerable preheating of the refrigerant on the way from the evaporator 20 to the compressor 30, compression to about 30 bar is sufficient, here too an improvement over the usual compression to about 40 bar.

Selbstverständlich kann anstelle des durch die Leitung 22 in den Verdampfer eingespeisten Grundwasser auch Wasser verwendet werden, das durch ein Leitungsnetz im Boden soweit erwärmt worden ist, daß ohne Schwierigkeiten im Verdampfer durch Wärmeaustausch eine Temperaturerniedrigung um etwa 5° C eintreten kann.Of course, instead of the groundwater fed into the evaporator through line 22 water can also be used that has been heated by a pipe network in the ground to such an extent that A temperature reduction of about 5 ° C through heat exchange without difficulty in the evaporator can occur.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Heat pump device for the operation of existing hot water heating systems with a Refrigerant circuit, the in series an evaporator absorbing geothermal or groundwater heat, a compressor, an exchanger to give off heat to the heating water and an expansion device whose output is connected to the vaporizer, the one from the vaporizer incoming flow of the compressor passes through a heat exchanger whose heat-emitting Side forms the line leading from the heating water exchanger to the evaporator, characterized in that the refrigerant is a mixture of 75 to 85% R 22 and 25 bis 15% is R 21.

2. Device according to claim 1, characterized by a cold mixture of about 80% R 22 and 20% R 21.