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Wärmepumpe mit mehrstufiger Verdichtuna
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit mehrstufiger Verdichtung,
insbesondere für die Raumheizung eines Wohnhauses, mit einem Verdampfer, mehreren
Verdichtern, einem Kondensator, jeweils einem Mitteldruckbehälter, die zwischen
zwei benachbarten Verdichtern angeordnet sind und von denen jeweils zwei benachbarte
über einen Druckregler miteinander verbunden sind, einem Expansionsventil, das zwischen
dem Verdampfer und dem vorgeschalteten Mitteldruckbehälter angeordnet ist und mit
einem Hochdruckregler, der zwischen dem Kondensator und dem nachfolgenden Mitteldruckbehälter
angeordnet ist.
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Das Betriebsverhalten einer Heizanlage ist von einer vielzahl von
Einflußgrößen abhängig. Ihre Auslegung erfolgt auf Grund der Berechnung des Wärmebedarfs
für ein Gebäude. Die Wärmepumpe entnimmt einen großen Teil der Nutzwärme aus der
Umgebung und ist somit von der Witterung abhängig. Bei niedrigen Außentemperaturen
sind entsprechend der Heizkurve hohe Vorlauftemperaturen erforderlich. Bei ansteigender
Außentemperatur nimmt der Wärmebedarf eines Hauses ab und die abgegebene Nutzwärme
der Wärmepumpe steigt erheblich an.
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Die überwiegende Anzahl der Luft/Wasser-Wärmepumpen werden bivalent
eingesetzt, d. h., sie ergänzen einen schon bestehenden oder neu zu errichtenden
Wärmeerzeuger. Üblicherweise werden diese Wärmepumpen auf beispielsweise 50 % des
maximalen Wärmebedarfs ausgelegt, so daß sie bis zu einer vorbestimmten Außentemperatur,
abhängig von der jeweiligen Klimazone, den Wärmebedarf
eines Gebäudes
allein decken können. Die unter dieser Außentemperatur notwendige Umschaltung von
der Wärmepumpe auf den Ergänzungswärmeerzeuger erfolgt automatisch und ist hinsichtlich
der zu wählenden Außentemperatur einstellbar.
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Es i.st eine zweistufige Verdichter-Kältemaschine bekannt, die im
Vergleich mit einer einstufigen Kältemaschine einen zusätzlichen Apparat, nämlich
den Mitteldruckbehälter enthält in dem einmal der Drossel dampf der Hochdruckstufe
von der Flüssigkeit getrennt und zum anderen der von der Niederdruckstufe kommende
Dampf kondensiert wird.
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Der Niederdruckverdichter fördert den aus Verdampfer bei dem Verdampferdruck
abgesaugten Dampf in den Mitteldruckbehälter, in dem ein Zwischendruck herrscht.
Hier mischt sich dieser Dampf mit dem Dampf/Flüssigkeitsgemisch, das aus dem Hochdruckkreislauf
stammt. Der Hochdruckverdichter saugt aus dem Mitteldruckbehälter Sattdampf an und
verdichtet ihn auf den Verflüssigungsdruck. Der verflüssigte Arbeitsstoff wird über
ein Expansionsventil in den Mitteldruckbehälter eingespritzt, wo er teilweise verdampft.
Ein weiteres Expansionsventil senkt den Druck des flüssigen Arbeitsstoffes schließlich
auf den Verdampfungsdruck ab. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß unzulässige
und unwirtschaftliche Druckverhältnisse oder die zulässige Druckdifferenz z. B.
bei tiefen Verdampfungstemperaturen überschritten werden (Lehrbuch der Kältetechnik,
Verlag C.F. Müller Karlsruhe 1975, Seiten 183 und 184).
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Ferner ist bekannt, daß eine zweistufige Wärmepumpe mit Mitteldruckbehälter
eine Verbesserung der Effektivität des Prozesses bringt, wenn die Verdampfungs-
und die Verflüssigungstemperaturen der Wärmepumpe weit außeinander liegen. Bei einer
monovalenten Luft/Wasser-Wärmepum-
pe zur Raumheizung mit einem
Nutzwärmestrom am kältesten Tag von beispielsweise 100 kW bei einer Umgebungstemperatur
von -15°C verbessert sich die Leistungszahl und der exergetische Wirkungsgrad einer
zweistufigen Wärmepumpe gegenüber einer einstufigen Wärmepumpe um etwa 17 % (Herbert
Kirn, Wärmepumpen, Band 1: Grundlagen der Wärmepumpentechnik, 6. neubearbeitete
Auflage 1983, Seiten 67 bis 75).
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Der Wärmebedarf eines Wohnhauses ändert sich im allgemeinen täglich
und während einer Heizperiode im Jahr. Er ist etwa proportional der Temperaturdifferenz
zwischen den Außentemperaturen und der Raumtemperatur des Wohnhauses. Der Verflüssiger-Wärmestrom
der Wärmepumpe kann somit alle Werte zwischen Null und Vollast annehmen. Dem muß
sich ein Verdichter anpassen. Diese Verdichter lassen sich nur im Ein-Aus-Verfahren,
dem Zweipunktverfahren steuern. Für Wärmepumpenanlagen eignet sich dieses Verfahren
schlecht, da während der Übergangszeit oder bei durchschnittlicher Winteraußentemperatur
der Verdichter oder die mehrstufig angeordneten Verdichter je Regelspiel vergleichsweise
kurz ein- und lange ausschalten, um die mittlere Wärmeabgabe dem Wärmebedarf des
Wohnhauses anzupassen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe mit
mehrstufiger Verdichtung anzugeben, bei der die Heizleistung der Wärmepumpe an den
Wärmebedarf eines Wohnhauses durch mehrere Leistungsstufen angepaßt wird.
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Außerdem soll die Leistungszahl der Wärmepumpe erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß den Stufen jeweils ein Dreiwegventil zugeordnet
ist, das ei-
nerseits jeweils ein Mitteldruckbehälter mit jeweils
dem nachfolgenden Verdichter und andererseits diesen nachfolgenden Verdichter mit
dem Verdampfer über eine Leitung verbindet und daß jeweils der Hochdruckeingang
der Druckregler und des Hochdruckreglers über eine Umgehungsleitung, die mit einem
Magnetventil versehen ist, jeweils mit dem Eingang des Expansionsventils verbunden
ist, kann man einzelne Stufen dieser Wärmepumpenanlage abschalten und erreicht dadurch
eine stufenweise Anpassung der Heizleistung der Wärmepumpe an den Wärmebedarf des
Wohnhauses.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Wärmepumpe ist
der Hochdruckeingang des Druckreglers, der dem Kondensator nachgeschaltet ist, über
die Umgehungsleitung mit dem Eingang des Mitteldruckbehälters verbunden, der dem
Expansionsventil vorgeschaltet ist.
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Durch diese Gestaltung wird dieser Mitteldruckbehälter als Flüssigkeitssammler
verwendet. Somit ist die Wärmeaustauschfläche im Kondensator ausschließlich für
die Kondensation vorgesehen und wird nicht durch bereits kondensierte Flüssigkeit
verkleinert. Dadurch erhält man einen besseren Wärmeaustausch im Kondensator und
einen höheren Wirkungsgrad.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Wärmepumpe ist
der Ausgang des Kondensators über eine Leitung, die mit einem Rückschlagventil und
mit einem Expansionsventil versehen ist, mit dem Eingang des Verdampfers verbunden.
Mit Hilfe des Umschaltventils, das zwischen dem Kondensator und dem vorgeschalteten
Verdichter vorgesehen ist, kann man den Kreislauf der Wärmepumpe umkehren. Durch
dieses Kreislaufumkehrverfahren erfolgt das Abtauen des Verdampfers. Der komprimierte
Heißdampf wird dann von der obersten Stufe zum Verdampfer
geführt
und kondensiert, wobei das Eis abtaut. Das Kondensat wird zum Expansionsventil geführt,
im Kondensator verdampft und wieder vom nachfolgenden Verdichter abgesaugt. Das
Abtauen erfolgt damit in einstufigem Betrieb nur mit dem Verdichter der höchsten
Stufe.
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Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in
der ein Ausführungsbeispiel einer Wärmepumpe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht
ist.
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Fig. 1 zeigt eine dreistufige Wärmepumpe gemäß der Erfindung und in
Fig. 2 ist das Kennlinienfeld der dreistufigen Wärmepumpe dargestellt.
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In der Ausführungsform nach der Fig. 1 enthält eine drei.-stufige
Wärmepumpe 2 einen Verdampfer 4, mehrere Verdichter 6 und einen Kondensator 8. Zwischen
zwei benachbarten Verdichtern 6 ist jeweils ein Mitteldruckbehälter 10 angeordnet.
Jeweils zwei benachbarte Mitteldruckbehälter 10 sind über ei.nen Druckregler 12
miteinander verbunden.
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Zwischen dem Verdampfer 4 und dem vorgeschalteten Mitteldruckbehälter
10 ist ein Expansionsventil 14 angeordnet.
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Außerdem ist zwischen dem Kondensator 8 und dem nachfolgenden Mitteldruckbehälter
10 ein Hochdruckregler 16 vorgesehen. Den Stufen der Wärmepumpe 2 ist jeweils ein
Dreiwegventil 18 zugeordnet, das einerseits jeweils einen Mitteldruckbehälter 10
mit jeweils dem nachfolgenden Verdichter 6 und andererseits diesen nachfolgenden
Verdichter 6 über eine Leitung 20 mit dem Verdampfer 4 verbindet. Die Verdichter
6 der dreistufigen Wärmepumpe 2 sind jeweils über eine Leitung 22, die mit einem
Rückschlagventil 24 versehen ist, mit seinem zugeordneten Mitteldruckbehälter 10
verbunden. Der Hochdruckeingang 26 des Druckreglers 12 und des Hochdruckreglers
16 i.st
jeweils über eine Umgehungsleitung 28, die mit einem Magnetventil
30 versehen ist, mit dem Eingang 32 des Expansionsventils 14 verbunden. Weiterhin
ist zwischen dem Kondensator 8 und dem vorgeschalteten Verdichter 6 ein Umschaltventil
34 vorgesehen. Außerdem ist der Ausgang 36 des Kondensators 8 über eine Leitung
38, die mit einem Rückschlagventil 42 und mit einem Expansionsventil 44 versehen
ist, mit dem Eingang 40 des Verdampfers 4 verbunden. Ferner ist zwischen dem Hochdruckeingang
26 des Hochdruckreglers 16 und dem Ausgang 36 des Kondensators 8 ein Rückschlagventil
46 vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, den Hochdruckeingang 26
des Hochdruckreglers 16, der dem Kondensator 8 nachgeschaltet ist, über eine, in
der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutete, Umgehungsleitung mit dem Eingang
48 des Mitteldruckbehälters 10, der dem Expansionsventil 14 vorgeschaltet ist, zu
verbinden.
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Im Kennli.nienfeld nach Fig. 2 ist die Leistung P der dreistufigen
Wärmepumpe 2 über der Außentemperatur T aufgetragen. Eine Gerade a mit einer negativen
Steigung stellt den Wärmebedarf eines Wohnhauses über einen Temperaturbereich von
beispielsweise -15°C bis 15"C dar. Im Auslegungspunkt BV der Wärmepumpe 2 schneidet
eine Gerade b mi.t positiver Steigung die Gerade a. Dieser Auslegungspunkt BV ist
beispielsweise bei 0°C festgelegt. Diese Gerade b stellt die Heizleistung der Wärmepumpe
2 im dreistufigen Betrieb dar. Bei einer Umschalttemperatur UT1 von beispielsweise
5"C schneidet eine Gerade c mit positiver Steigung die Gerade a. Diese Gerade c
veranschaulicht die Heizleistung der Wärmepumpe 2 im zweistufigen Betrieb. Ferner
wird die Gerade a bei einer Umschalttemperatur UT2 von beispielsweise 10°C von einer
Geraden d mit positiver Steigung geschnitten, welche die
Heizleistung
der Wärmepumpe 2 im einstufigen Betrieb darstellt.
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Bei Außentemperaturen, die tiefer sind als die Umschalttemperatur
UT1 wird die Wärmepumpe 2 dreistufig betrieben. Dazu befinden sich die Dreiwegventile
18 in den Stellungen A-B und die Magnetventile 30 sind geschlossen. Der Verdichter
6, der dem Verdampfer 4 nachgeschaltet ist, saugt den Kältemitteldampf bei einem
Verdampfungsdruck pO aus dem Verdampfer 4 ab und verdichtet den Dampf auf einen
mittleren Druck Pz1, der sich zwischen dem Verdampfungsdruck pO der ersten Stufe
und einem Druck p der zweiten Stufe befindet. Der Mitteldruckdampf kondensiert im
Mitteldruckbehälter 10. Der nachfolgende Verdichter 6 saugt aus dem Mitteldruckbehälter
10 Kältemitteldampf ab und verdichtet diesen Dampf auf einen Druck Pz2, der sich
zwischen dem mittleren Druck und und einem Kondensationsdruck p c befindet. Im Kondensator
8 wird der Dampf unter Abgabe von Wärme an das Heizungssystem eines Wohnhauses verflüssigt,
durch das Hochdruckventil 16 auf den Druck Pz2 entspannt und in den nachgeschalteten
Mitteldruckbehälter 10 befördert.
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Von diesem Mitteldruckbehälter 10 gelangt die Kühlflüssigkeit vom
Druck Pz2 über das Druckventil 12 auf den Druck p z1 und in den nachfolgenden Mitteldruckbehälter
10. Die Kühlflüssigkeit dieses Mitteldruckbehälters 10 wird über das Expansionsventil
14 auf den Verdampfungsdruck pO entspannt und in den Verdampfer 4 eingespritzt.
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Sobald die Außentemperatur gemäß Fig. 2 die erste Umschalttemperatur
UT1 erreicht, wird die erste Stufe der dreistufigen Wärmepumpe abgeschaltet, indem
das erste Dreiwegventil 18 in die Stellung B-C geschaltet wird und der erste Mitteldruckbehälter
10 mit Hilfe der Umgehungsleitung 28 überbrückt wird, indem das Magnetventil 30
geöffnet
wird. Dieser zweistufige Betrieb wird aufrechterhalten, bis die Außentemperatur
die zweiten Umschalttemperatur UT2 erreicht. Bei dieser Umschalttemperatur UT2 wird
das zweite Dreiwegventil 18 in die Stellung B-C gebracht und die beiden Mitteldruckbehälter
10 werden mit Hilfe der Umgehungsleitung 28 überbrückt, indem das Magnetventil 30
in dieser Umgehungsleitung 28 geöffnet wird.
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Durch diese Gestaltung der mehrstufigen Wärmepumpe 2 wird ihre Heizleistung
stufenweise dem Wärmebedarf des Wohnhauses angepaßt. Außerdem erreicht man, daß
die Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen der Wärmepumpe 2 auf Grund der
dann kleineren Temperaturdifferenzen im Verdampfer und Kondensator näher beieinander
liegen.
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Aus der Fig. 2 kann man entnehmen, daß beispielsweise bei einer Außentemperatur
von 11°C die Wärmepumpe 2 eine Heizleistung von beispielsweise etwa 2,5 kW mit der
dritten Stufe liefert, aber der Wärmebedarf des Wohnhauses bei dieser Außentemperatur
nur etwa 2 kW beträgt.
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Bei einer einstufigen Wärmepumpe würde die Heizleistung beispielsweise
10 kW betragen. D. h., bei einer einstufigen Wärmepumpe müßte diese gelieferte Heizleistung
mit Hilfe der Zweipunktsteuerung auf dem Wärmebedarf des Wohnhauses gemittelt werden.
Außerdem ist diese Leistungsdifferenz zwischen Heizleistung und Wärmebedarf des
Hauses proportional der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator.
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Ferner kann man bei dieser mehrstufigen Wärmepumpe 2 durch ein Kreislaufumkehrverfahren
automatisch den Verdampfer 4 im einstufigen Betrieb abtauen. Dazu wird das Umschaltventil
34 von der Normalstellung S-I/D-II in die
Stellung S-II/D-I geschaltet.
Außerdem ist jenes Dreiwegventil 18 in der Stellung B-C, das in der höchsten Stufe
der Wärmepumpe 2 angeordnet ist. Der komprimierte Heißdampf wird dann von der obersten
Stufe zum Verdampfer 4 geführt und kondensiert, wobei das Eis abtaut.
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Dieses Kondensat wird dann über die Leitung 38 zum Expansionsventil
44 geführt, im Kondensator 8 wieder verdampft und vom Verdichter 6, der dem Kondensator
8 nachgeschaltet ist, wieder abgesaugt. Ist der Abtauvorgang beendet, wird das Umschaltventil
34 wieder in die Normalstellung S-I/D-II und das Dreiwegventil 18 der höchsten Stufe
der Wärmepumpe 2 in die Stellung A-B geschaltet. Wegen der niedrigen Kondensationstemperatur
beim Abtauen, ist die Abtauleistung entsprechend hoch und man benötigt nur einen
einzigen Verdichter. Im allgemeinen vereisen die Verdampfer von Wärmepumpen bei
Außentemperaturen von beispielsweise 0°C bis 5"C. In diesem Temperaturbereich wird
diese Wärmepumpe 2 dreistufig gefahren, d. h. beim automatischen Abtauen wird nicht
nur der Kreislauf der Wärmepumpe 2 umgekehrt, sondern auch vom Dreistufenbetrieb
auf Einstufenbetrieb umgeschaltet.
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5 Patentansprüche 2 Figuren