DE3500252A1

DE3500252A1 - Waermepumpenvorrichtung

Info

Publication number: DE3500252A1
Application number: DE19853500252
Authority: DE
Inventors: Teruo Tokio/Tokyo Kinoshita
Original assignee: Misawa Homes Co Ltd
Current assignee: Misawa Homes Co Ltd
Priority date: 1984-01-06
Filing date: 1985-01-05
Publication date: 1985-07-18
Anticipated expiration: 2005-01-06
Also published as: JPH0481101B2; DE3500252C2; JPS60144576A; KR850005603A; US4545214A; KR890000352B1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung für Klimaanlagen, Warmwasserbereiter oder dgl.

Wärmepumpen zum Aufnahme von Wärme aus einem Wärmespeicher und zur Abgabe von Wärme an einen anderen Wärmespeicher werden häufig für Klimaanlagen, Warmwasserbereiter oder dgl. verwendet.

In herkömmlichen Wärmepumpensystemen sind dabei die Wärmetauscher für beide Wärmespeicher ausgelegt und miteinander durch eine Kaitemittelleitung verbunden, wobei in Abhängigkeit von der Umlaufrichtung des Kältemittels einer der Wärmetauscher als Verdampfer und der andere als Kondensator verwendet wird, um einen Kältekreislauf herzustellen. Wenn ein Wärmetauscher in einem Speicher angeordnet ist, der als Wärmemittel beispielsweise Wasser enthält, wird in diesem Speicher Warmwasser gesammelt, wenn der Wärmetauscher ein Kondensator ist, während kaltes Wasser gespeichert wird, wenn der Wärmetauscher ein Verdampfer ist.

Beim bisherigen Stand der Technik kann nämlich in dem Speicher nur warmes Wasser oder nur kaltes Wasser enthalten und gesammelt werden, aber es ist nicht möglich, gleichzeitig sowohl warmes als auch kaltes Wasser in dem Speicher zu sammeln.

Als Beispiel für herkömmliche Wärmepumpensysteme wird auf die ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Sho 58-69346 und 58-205040 hingewiesen. Die bekannten Vorrichtungen bestehen aus einer Warmwasserbereitungsanlage mit einer Wärmepumpe, bei der zwei Wärmetauscher für die Lieferung von Warmwasser in Reihe miteinander verbunden sind. Der erste Wärmetauscher für die Bereitung von Warmwasser wird hauptsächlich für den Wärmetausch während der Kondensation des Kältekreislaufes verwendet, wobei

warmes Wasser mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur erzeugt wird. Der zweite Wärmetauscher zur Lieferung von Warmwasser wird hauptsächlich für den Wärmeaustausch in der Gasphase während der Kondensation verwendet, und ein Teil des durch den ersten Wärmetauscher erhitzten Warmwassers wird erneut erhitzt, um Warmwasser einer höheren Temperatur zu erzeugen.

Dieser Warm'wassererzeuger wird in Haushaltungen verwendet, um Warmwasser mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur zum Baden, Waschen und Reinigen und um heißes Wasser mit verhältnismäßig hoher Temperatur als Zusatzwasser für Badezwecke zur Verfügung zu stellen. Bei diesem System sind die Nachteile der herkömmlichen Technik vermieden, die darin bestehen, daß ein Warmwasser mit verhältnismäßig geringer Temperatur durch die Wärmepumpe zur Verfügung gestellt wird, während eine zusätzliche Wärmequelle wie beispielsweise eine elektrische Heizung erforderlich ist, um heißes Wasser bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu erzeugen. Bei dieser Wärmepumpenanlage werden nämlich zwei Sorten Warmwasser erzeugt, die sich in ihrer Temperatur unterscheiden.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird Wasser, das außerhalb durch Wärmetausch erwärmt wurde, in einen Wärmespeichertank eingeführt. Wenn kaltes Wasser in diesen Wärmespeichertank eingegeben wird, wird die Wärme des aus dem oberen Teil des Wärmespeichertanks entnommenen Wassers in den äußeren Wärmetauscher abgegeben, um kaltes Wasser zu erzeugen, was dann in den unteren Teil des Wärmespeichertanks eingeführt wird. Wenn Warmwasser in den Wärmespeichertank gegeben wird, wird die Wärme des vom unteren Teil des Wärmespeichertanks entnommenen Wassers durch den äußeren Wärmespeicher aufgenommen, um Warmwasser zu erzeugen, welches dann in den oberen Teil des Wärmespeichertanks eingeführt wird.

Bei dieser Vorrichtung ist es daher möglich, ein Vermischen von kaltem und warmem Wasser in dem Wärmespeichertank zu vermeiden und den Nutzungsgrad des Wärmetauschers zu verbessern. Allerdings ist es nicht möglich, den Wärmespeichertank zur Erzeugung von kaltem und warmem Wasser heranzuziehen.

Es ist offensichtlich, daß die bisherigen Wärmepumpensysteme nur entweder warmes oder kaltes Wasser herstellen können, während ein Wärmepumpensystem, das gleichzeitig zwei Sorten Warmwasser unterschiedlicher Temperatur, zwei Sorten Kaltwasser unterschiedlicher Temperatur oder kaltes und warmes Wasser herstellen kann, nicht zur Verfugung steht.

Der Erfindung liegt somit vornehmlich die Aufgabe zugrunde, ein ;

Wärmepumpensystem zu schaffen, bei dem die Nachteile bisheriger *

Anlagen vermieden sind und in einem Speicher eine Mehrzahl von _;

Wärmemediumtemperaturen erzeugt werden kann. ^

Gemäß der Erfindung ist hierzu ein Wärmepumpensystem vorgese- *='

hen, bei dem ein Wärmemedium in einem Speicher unterschiedliche ·

Temperaturen aufweist, die von einer oberen Lage zu einer unte- \

ren Lage in dem Speicher allmählich abnehmen, wobei gleichzei- · tig ein kaltes und ein heißes Wärmemittel erzeugt werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wärme- ^l pumpensystem anzugeben, bei dem das gesamte Wärmemedium in einem Speicher auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, die so ausgelegt ist, daß sie schichtweise von oben nach unten in dem Speicher abnimmt.

Bei dem Wärmepumpensystem gemäß der Erfindung soll es außerdem möglich sein, nur den oberen Teil des Wärmemediums im Tank auf eine hohe Temperatur zu erhitzen.

Ferner soll die Möglichkeit bestehen, das Wärmemedium im Speicher auf im wesentlichen dieselbe Temperatur zu erhitzen.

Daneben soll die Möglichkeit vorhanden sein, das gesamte Wärmemedium im Speicher auf eine niedrige Temperatur zu kühlen, welche vom unteren Teil des Tanks ausgehend allmählich schichtweise erhöht werden kann.

Ferner soll es möglich sein, nur den unteren Teil des Wärmemediums im Speicher auf eine niedrige Temperatur abzukühlen.

Nicht zuletzt besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Klimaanlage zur Verfügung zu stellen, bei der ein Abkühlen oder Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur durch Wärmeaustausch mit einem Wärmemedium in einem Speicher durchgeführt werden kann, welche durch irgendeine der oben erläuterten Möglichkeiten gesteuert wird.

Schließlich soll die Erfindung einen Wasserbereiter schaffen, mit dem kaltes oder warmes Wasser bei einer bestimmten Temperatur erzeugt werden kann, wobei der Wärmeaustausch durch das Wärmemittel in dem Speicher in jeder beliebigen der oben angegebenen Weisen geregelt werden kann.

Die genannten Aufgaben werden durch die Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Patentansprüchen.

Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Lage, ein Wärmemedium aus dem Speicher zu entnehmen und in Wärmetauschern umzuwälzen, um eine Klimaanlage zu betreiben und warme oder kalte Luft durch die Wärmetauscher zu erzeugen oder um mit Wasserbereitern kombiniert zu werden, um warmes und/oder kaltes Wasser mittels Wärmeaustausch durch das Wärmemedium im Speicher zu erzeugen und für die gewünschten Zwecke abzugeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus , ^!

der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das ί

in der Zeichnung dargestellt ist, die ein Schaltbild einer Vor- j

richtung gemäß der Erfindung wiedergibt. j

Wie die Zeichnung zeigt, ist eine Abgabeöffnung la eines \

Kompressors 1 für ein Kältemittel, der als Zwangsumlauforgan '

für das Kältemittel arbeitet, mit einem Anschluß 2a eines Vier-

Wegeventils 2 verbunden, während eine Ansaugöffnung Ib des Korn- ; pressors 1 für das Kältemittel mit einem weiteren Anschluß 2b des Vierwegeventils 2 verbunden ist. Das Vierwegeventil 2 dient zum Wechseln der Durch!aufrichtung des Kältemittels.

Die beiden übrigen Anschlüsse 2c und 2d des Vierwegeventils 2 sind mit einem äußeren Wärmetauscher 4 (zweiter Wärmetauscher) für den Wärmetausch von Außenluft mit dem Kältemittel beziehungsweise mit einem Anschluß 6a eines Wärmetauschers 6 verbun- _;< den, der im oberen Teil eines Speichers 5 angeordnet ist, der ein Wärmemittel enthält. ·.

Der andere Anschluß 6b des Wärmetauschers 6 ist über ein Leitungsteil 7 für das Kältemittel mit einem Anschluß 8a eines Wärmetauschers 8 verbunden, der im unteren Teil des Speichers 5 angeordnet ist und dessen anderer Anschluß 8b über ein Expansionsorgan 9, z. B. ein Kapillarrohr oder ein Expansionsventil, mit einem Anschluß 4a des äußeren Wärmetauschers 4 verbunden ist. Parallel zum Leitungsteil 7 ist eine Expansionsleitung 11 mit einem Expansionsorgan 10 geschaltet, wobei zwei Absperrvertile 12 und 13 so angeordnet sind, daß das Kältemittel wahlweise durch den Leitungsteil 7 oder die Expansionsleitung 11 strömt.

Die ersten Wärmetauscher 6 und 8 im Speicher 5 sowie der äußere, zweite Wärmetauscher 4 können entweder als Kondensator oder als Verdampfer arbeiten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem Speicher 5 zwei Wärmetauscher 6 und 8 angeordnet, aber es besteht auch die Möglichkeit, wenigstens drei Wärmetau-

scher im Speicher 5 vorzusehen, die in vertikaler Richtung voneinander getrennt sind. Der Kaitmittel-Kompressor 1, die Wärmetauscher 6 und 8, das Expansionsorgan 9 und der äußere Wärmetauscher 4 sind hintereinander durch eine Kaitemittelleitung 15 verbunden und bilden dadurch einen Wärmepumpenkreislauf.

Die Kältemittelleitung 15 ist durch eine By-Pass-Leitung 21 kurzgeschlossen, so daß' der Wärmetauscher 6 im Speicher 5 und das Expansionsorgan 10 umgangen werden können. Eine weitere By-Pass-Leitung 22 zum Kurzschließen der Kältemittelleitung 15 ist so angeordnet, daß der untere Wärmetauscher 8 umgangen werden kann. In den beiden By-Pass-Leitungen 21 und 22 sind Absperrventile 23 bzw. 24 angeordnet. Durch öffnen oder Schließen der Absperrventile 12 bzw. 13 fließt das Kältemittel durch den Wärmetauscher 6 entweder über den Leitungsteil 7 oder durch das Expansionsorgan 10. Durch öffnen oder Schließen des Absperrventils 23 wird festgelegt, ob das Kältemittel durch den Wärmetauscher 6 strömt oder diesen über die By-Pass-Leitung umgeht.

Eine By-Pass-Leitung 27 mit einem Ventil 26 zum Öffnen und Schließen dieser Leitung ist parallel zu der Reihenschaltung aus Expansionsorgan 9 und äußerem Wärmetauscher 4 geschaltet. Zwischen die By-Pass-Leitung 27 und die Reihenschaltung aus Expansionsorgan 9 und äußerem Wärmetauscher 4 ist ein Absperrventil 32 geschaltet, so daß bei geöffnetem Ventil 26 das verdampfte Kältemittel nicht in den äußeren Wärmetauscher 4 strömt.

In einem Raum ist ein Wärmetauscher 41 für eine Klimaanlage, z. B. ein Kühl- und Heizgerät, angeordnet, und das Wärmemittel wird durch ein Umwälzorgan durch diesen Wärmetauscher und den Speicher 5 gedrückt, um dadurch die Lufttemperatur in dem Raum zu steuern. Hierzu ist ein elektromagnet!sches Dreiwegeventi1 43 vorgesehen, von dem ein Anschluß über eine Wärmemittelleitung 44, in die eine Umwälzpumpe 42 geschaltet ist, mit einer Ansaugöffnung 41a des Wärmetauschers 41 verbunden ist. Die anderen beiden Anschlüsse des Dreiwegeventils 43 sind über Wärmemit-

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telleitungen 45 und 46 mit Abgabeöffnungen 45a bzw. 46a verbun- . | den, welche in dem Speicher 5 entsprechend der Höhe des Wärme- i tauschers 6 bzw. des Wärmetauschers 8 angeordnet sind. Eine Ab- ι gabeöffnung 41b des Wärmetauschers 41 ist über eine Wärmemittel- ,' leitung 48 mit einem Anschluß eines elektromagnetischen Dreiwe- ; geventils 47 verbunden, dessen andere beiden Anschlüsse über } Wärmemittel leitungen 51 und 52 mit einer Abgabeöffnung 51a. bzw. 52a verbunden sind, die in Höhe des Wärmetauschers 6 bzw. des Wärmetauschers 8 in das Wärmemittel ragen, über das Dreiwegeventil 43 kann entweder die Wärmemittel leitung 45 oder die Wärmemittelleitung 46 angesteuert werden, während über das Dreiwegeventil 47 entweder die Wärmemittelleitung 52 oder die Wärmemittelleitung 51 gewählt werden kann, so daß das Wärmemittel im Speicher in den Wärmetauscher 41 gelangt und dort einen Wärmeaustausch mit der Luft im Raum durchführt, um anschließend in den Speicher 5 zurückgeführt zu werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält außerdem Mittel zur Versorgung mit kaltem oder warmen Wasser einer vorbestimmten Temperatur durch Wärmeaustausch des Wärmemittels, dessen Temperatur im Speicher 5 geregelt wird, mit dem Wasser.

Hierzu sind in dem Speicher 5 dritte Wärmetauscher 61 und 62 getrennt voneinander in unterschiedlichen Höhen angeordnet, die den Höhen der Wärmetauscher 6 bzw. 8 entsprechen. Wasser normaler Temperatur kann je nach der Stellung eines elektromagnetischen Dreiwegeventils 64 über eine Wasserzufuhrleitung 65 einer Ansaugöffnung 61a des Wärmetauschers 61 oder über eine Wasserzufuhrleitung 66 einer Ansaugöffnung 62a des Wärmetauschers 62 zugeführt werden. In den Wärmetauschern 61 und 62 findet ein Wärmeaustausch zwischen diesem Wasser und dem Wärmemittel statt, wodurch kaltes oder warmes Wasser einer vorbestimmten Temperatur bereitet wird. Das auf diese Weise erzeugte, kalte oder warme Wasser wird über Wasserleitungen 68 und 69, die mit Abgabeöffnungen 61b bzw. 62b verbunden sind, nach außen abgegeben. Eine Rückflußleitung 71 mit einem Absperrventil 72 ist mit der

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Wasserleitung 68 verbunden, wodurch über eine Wasserzufuhröffnung 71a der Rückflußleitung 71 Wasser in den Speicher 5 eingeleitet werden kann.

Im beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wä'rmemittel Was.ser.

Nachstehend wird die Betriebsweise des Systems gemäß der Erfindung beschrieben, wobei aus Vereinfachungsgründen angenommen werden soll, daß das Wärmemittel im Speicher 5 Wasser ist.

Fall 1: Der Speicher 5 enthält gleichzeitig warmes und kaltes Wasser.

Die Ventile 12, 23, 24, 31 und 32 sind geschlossen, während die Ventile 13 und 26 geöffnet sind. Das Vierwegeventil 2 befindet sich in der mit durchgehenden Linien angegebenen Stellung A, so daß der Anschluß 2a mit dem Anschluß 2d und der Anschluß 2b mit dem Anschluß 2c verbunden sind. Auf diese Weise wird Hochtemperatur- und Hochdruck- Kältemittel von dem Kompressor 1 zum Wärmespeicher 6 geleitet.

Das vom Kältemittel-Kompressor 1 abgegebene, verdampfte Hochtemperatur- Hochdruck- Kältemittel gibt im Wärmetauscher 6 Wärme ab, weil dieser als Kondensator arbeitet. Durch diese Wärmeabgabe wird das Wasser im oberen Teil des Speichers 5 aufgeheizt und in Warmwasser umgewandelt, während das Kältemittel zu einem Hochdruck-Mitteltemperatur-Kältemittel kondensiert. Da das Ventil 13 offen ist, strömt das Kältemittel über das Expansionsorgan 10 und wird durch adiabatische Expansion in ein Niedrigtemperatur-Niedrigdruck-Kältemittel verwandelt. Dieses Kältemittel wird dann zu dem Wärmetauscher 8 geleitet. Dieser arbeitet im vorliegenden Fall als Verdampfer, so daß das verdampfte Kältemittel dem Wasser im unteren Teil des Speichers 5 Wärme entzieht und dieses Wasser abkühlt. Aus dem Wärmetauscher 8 strömt das Niedrigtemperatur-Niedrigdruck-Kältemittel über das

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— i j —

Ventil 26, das Zweiwegeventil 2 und einen Zwischenspeicher 3 | zum Kompressor 1 zurück, wodurch es erneut auf einen hohen f Druck und eine hohe Temperatur gebracht wird. |

In diesem Kreislauf findet ein Wärmepumpenzyklus statt, bei dem | Wasser im unteren Teil des Speichers 5 als Niedrigtempera- . |

tur-Wärmequelle und Wasser im oberen Teil des Speichers 5 als I

Hochtemperatur-Wärmequelle verwendet wird, so daß im oberen I Teil des Speichers 5 warmes und im unteren Teil kaltes Wasser I

angesammelt wird. Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen j

Gewichte zwischen warmem und kaltem Wasser findet keine Durchmi- I schung statt.

Fall 2: Der Speicher 5 enthält warmes Wasser. In diesem Fall bestehen drei Möglichkeiten zur Speicherung von

Wasser. j

Nach der ersten Möglichkeit werden beide Wärmetauscher 6 und 8 ' als Kondensatoren verwendet. Dabei sind die Ventile 13, 23, 24 und, 26 geschlossen, während die Ventile 12, 31 und 32 geöffnet sind.

Das Kältemittel strömt bei hoher Temperatur und hohem Druck, ausgehend von dem Kompressor 1, in den Wärmetauscher 6 und anschließend in den Wärmetauscher 8, wobei es kondensiert und Wärme abgibt. Dadurch wird das Wasser im oberen und im unteren Teil des Speichers 5 erwärmt, während das Kältemittel kondensiert und eine mittlere bzw. eine niedrige Temperatur erhält. Durch das Expansionsorgan 9 werden Temperatur und Druck des Kältemittels erniedrigt, wobei das Kältemittel im äußeren Wärmetauscher 4 Wärme aufnimmt und bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck verdampft und in diesem Zustand zum Kompressor 1 zurückgeführt wird, wo es auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau gebracht wird.

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Bei diesem Kreislauf wird das Wasser im oberen und im unteren Teil des Speichers 5 erhitzt, so daß im gesamten Speicher 5 erhitztes Wärmemittel gespeichert werden kann. Das durch den unteren Wärmetauscher 8 erwärmte Wasser verleiht dem Wasser im Speicher durch Konvektion eine im wesentliche gleichmäßige Temperatur, und das Wasser im oberen Teil des Speichers wird duch den oberen Wärmetauscher 6 nochmals erwärmt. Dadurch kann im oberen Teil Wasser hoher Temperatur und im unteren Teil Wasser mittlerer Temperatur erzeugt werden. Für den Fall, daß wenigstens drei Wärmetauscher in dem Speicher angeordnet sind, wird eine entsprechende Zahl von Schichten von Wasser erzeugt, bei denen die Temperatur vom unteren Teil ausgehend allmählich ansteigt.

Bei der zweiten Möglichkeit ist nur der Wärmetauscher 6 in Betrieb, während der Wärmetauscher 8 nicht arbeitet. In diesem Fall sind die Ventile 13, 23 und 26 geschlossen, während die Ventile 12, 24, 31 und 32 geöffnet sind. Der Wärmetauscher 6 arbeitet in der oben beschriebenen Weise, um warmes Wasser im oberen Teil des Speichers 5 zu erzeugen. Das aus dem Wärmetauscher 6 kommende Kältemittel wird über die Ventile 12, 24, 31 und 32 dem Kompressor 1 zurückgeführt. Da der Wärmetauscher 6 nicht in Betrieb ist, wird nur im oberen Teil des Speichers 5 warmes Wasser angesammelt. Da bei diesem Verfahren nur im oberen Teil eine ausreichende Menge von Warmwasser erzeugt wird, ist diese geeignet für ein schnelles Aufheizen.

Bei der dritten Möglichkeit ist nur der untere Wärmetauscher 8 als Kondensator eingesetzt, während der obere Wärmetauscher 6 nicht in Betrieb ist. Dabei sind die Ventile 12, 13, 24 und 26 geschlossen, während die Ventile 23, 31 und 32 geöffnet sind. Das vom Kompressor 1 abgegebene Kältemittel strömt über die By-Pass-Leitung 21 direkt in den Wärmetauscher 8 und gibt dort Wärme ab. Da der obere Wärmetauscher 6 nicht arbeitet, wird das gesamte Wasser im Speicher 5 nur durch den unteren Wärmetauscher 8 durch Konvektion gleichförmig aufgeheizt.

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- 15 -Fall 3: Der Speicher 5 enthält kaltes Wasser.

Wie im Fall 2, bei dem der Speicher 5 warmes Wasser enthält, gibt es auch hier drei Möglichkeiten.

Bei der ersten Möglichkeit arbeiten beide Wärmetauscher 6 und 8 als Verdampfer. Dabei sind die Ventile 13, 23, 24 und 26 geschlossen, während die Ventile 12, 31 und 32 geöffnet sind. Das Vierwegeventil 2 ist in die Stellung B umgeschaltet, die gestrichelt dargestellt ist und bei der die Anschlüsse 2a und 2c bzw. 2b und 2d miteinander verbunden sind. Auf diese Weise strömt verdampftes Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittel vom Kompressor 1 zu dem äußeren Wärmetauscher 4,

Das Kältemittel gibt am äußeren Wärmetauscher 4 Wärme ab und wird durch adiabatische Expansion im Expansionsorgan 9 auf eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck gebracht. Das kondensierte Kältemittel strömt dann durch den unteren Wärmetauscher 8, das Ventil 12 und den oberen Wärmetauscher 6, wobei es verdampft und Wärme aufnimmt, um auf diese Weise das Wasser im unteren und oberen Teil des Speichers 5 abzukühlen. Das Kältemittel verdampf dabei und nimmt eine niedrige Temperatur bei niedrigem Druck an, um anschließend im Kompressor 1 auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur zurückgeführt zu werden.

Bei diesem Kreislauf wird Wasser sowohl im oberen als auch im unteren Teil des Speichers 5 abgekühlt, der somit insgesamt als Kühlspeicher für kaltes Wasser arbeitet.

Besonders durch die Abkühlung des Wassers mittels des oberen Wärmetauschers 6 wird das gesamte Wasser im Speicher auf eine im wesentliche gleichmäßige Temperatur durch Konvektion abgekühlt, und da dieses abgekühlte Wasser durch den unteren Wärmetauscher nochmals abgekühlt wird, ergeben sich zwei Lagen kalten Wassers unterschiedlicher Temperatur im Speicher 5, Wobei die Temperatur in der unteren Schicht niedriger ist.

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-IG-

Dgi der zweiten Methode ist nur der untere Wärmetauscher 8 als Verdampfer in Betrieb, während der obere Wärmetauscher δ nicht arbeitet. Dabei sind die Ventile 12, 13, 24 und 25 geschlossen, während die Ventile 23, 31 und 32 geöffnet sind. Durch den unteren Wärmetauscher 8 ist im unteren Teil des Speichers 5 kaltes Wasser angesammelt.

Das vom Kompressor 1 abgegebene Kältemittel kondensiert im äuDorcn Wärmetauscher 4, der als Kondensator arbeitet und dabei Wärf.ie abgibt, und das Expansionsorgan 9 erzeugt eine adiabatische Expansion des Kältemittels, welches anschließend in den unteren Wärmetauscher 8 strömt und in diesem verdampft, wodurch das Wasser im unteren Teil des Speichers abgekühlt wird. Da das Ventil 22 geöffnet ist, fließt das Kältemittel über die By-Pass-Leitung 21 unter Umgehung des.oberen Wärmetauschers 6 zum Kompressor 1 zurück.

Somit' wird nur das Wasser im unteren Teil des Speichars 5 auf eine niedrige Temperatur abgekühlt, weil uqt Unterschied des spezifischen Gewichtes zwischen dem Wasser im oberen und im unto ro η Teil eine Durchmischung verhindert.

Entsprechend ist für den Fall, daß der untere- Wärmetauscher 8 nicht verwendet wird und der obere Wärmetauscher 5 als Verdampfer arbeitet, eine gleichmäßige Abkühlung des Wassers im Speicher durch Konvektion zu erreichen.

Anschließend wird erläutert, wie die Luft in einem Raum abgekühlt oder erwärmt und dadurch die Raumtemperatur durch Wärmeaustausch mit dem Wärmemedium im Speicher 5, dessen Temperatur mit den oben angegebenen Möglichkeiten geregelt wird, gesteuert worden kann. Zu Beginn wird das Wärmemediuni des Speichars 5, dessen Temperatur durch das oben erläuterte WärmepuupensystGm geregelt wird, dem Wärmetauscher 41 für eine Klimaanlage zugeführt, wodurch'mittels Wärmeaustausch zwischen, dem Wärmemedium

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und der Luft die Raumtemperatur entsprechend der eingestellten J Temperatur des Wärneuedi ums eingestellt werden kann. Jo größer j die Zahl dar Wärmetauscher im Speicher 5 ist, um so größer ist I die Anzahl der" Schichten von Wärmemediuni mit' unterschiedlicher '

Temperatur, weshalb Wärmemedium mit unterschiedlicher Tempera- I

tür in den Wärmetauscher 41 geleitet werden kann, so daß die Ga- .'j

nauigkeit der Temperatursteuerung für die Abkühlung oder Aufhoi- I

zung verbessert wird. ■ ^:

Wenn beispielsweise warmes Wasser im oberen Teil dos Speichers 5 oder im gesamten Speicher 5 angesammelt ist, sind die Wärmemittel!eitungen 44 und 45 durch das elektromagnetische Dreiwogaventil 43 miteinander verbunden, so daß das warme Wasser mittels der Umwälzpumpe 42 und über die Ansaugöffnting 45a entnommen und dem Wärmetauscher 41 zugeführt wird. Der Rücklauf des Hassers in den unteren Teil des Speichers 5 erfolgt dann über das elektromagnetische Dreiwegeventil 47 und die Abgabeöffnung 52a der Leitung 52. Auf diese Welse kann der Wärmetauscher 41 I eine stetige Heizung ausführen, ohne daß eine Durchmischung mit dem warmen Wasser hoher Temperatur im oberen Teil des Speichers stattfindet. Wenn beide Wärmetauscher 6 und 8 als Kondensatoren arbeiten, befinden sich im oberen und im unteren Teil des Speichers 5 zwei Arten von Warmwasser mit unterschiedlicher Temperatur. Wenn daher dem Wärmetauscher 41 Warmwasser vom unteren Teil des Speichers mit niedrigerer Temperatur zugeführt wird, ist auch die Raumheizung entsprechend geringer.

Wenn im Speicher 5 oder nur in dessen unterem Teil kaltes Wasser gespeichert ist und dem unteren Teil des Speichers 5 über die Ansaugöffnung 46a der Leitung 46 entnommen wird, um dem Wärmetauscher 41 über das Dreiwegeventil 43 zugeführt zu werden, worauf es über das Dreiwegeventil 47 und die Abgabeöffnung CIa in den oberen Teil des Speichers 5 zurückgeführt wird, führt U2T Wärmetauscher 41 eine stetige Kühlung durch, ohne daß dabei eine Vermischung mit dem kalten Wasser niedriger Temperatur im oberen Teil dos Speichers stattfindet. Sofern beide Wärtr.etau-

- ίο - ^v:"^;

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schar G ν,'ηύ 3 als Verdampfer arbeiten, ist die Temperatur des kalten Hassers imunteren Teil geringer als diejenige des kalten Hassers im oberen Teil des Speichers, so daß eine Kühl temperatur entsprechend der- Entnahme von kalte;;] Wasser und dessen Zuvlihrung in den Uärrnetauscher 41 gewählt werden kann.

'Jinn im oberen Teil des Speichers 5 heißes Hasser und i;.i unteroii Teil kaltes Hasser gespeichert sind, kann entsprechend der Stell unij dor'Drei wegeventil a 43 und 47 entweder hei Dos oder kaltes Hasser in U2\] Härmotauscher 41 geleitet v/erden. EntsprociiOLicl fuhrt dieser eine Aufheizung oder eins l'vühlung durch.

Uenn uq'c Speicher 5 aufgrund des oben erläuterten Warmepur.ipensystems mehrere Schichten von Wännemittel unterschiedlicher Temperatur enthält, kann bei Betrieb eines in einer bestimmten, eine gewünschte Temperatur aufweisenden Schicht des Wärmer.! it te Is liegenden Wärmetauschers heißes oder kaltes Hasser der goviünschton Temperatur nach außen abgegeben werden.

Honn hierzu bai spieTswei se die Wasserzufuhrleitung Gj aufgrund der Stellung des Dreiwegeventils G4 gewählt ist, wird von azr Leitung 53 Wasser über die genannte Zuführleitung GG in den oborcn Wärmetauscher 61 geleitet, das nach Wärmeaustausch ;v.it der.; oberen Wärueiv.itte! in Speicher 5 über die Leitung 60 abgegeben wird. Wenn aufgrund der Stellung des Dreiwegeventils G4 der untere Wärmetauscher 62 gewählt ist, wird diesen über die Uasser- ::uvuhrleitung CG Hasser zugeführt, das nac'.i dei.i Wärmeaustausch i.iit dein Wäri.ier.iittel im unteren Teil des Speichers 5 über dia Hasserleitung GD nach außen abgegeben wird. Die Temperatur dos jeweils abgegebenen Wassers hängt von der Temperatur des Häri.ionittels in Speicher 5 ab. Wenn beispielsweise das Wärr.iemittel in Speicher 5 im oberen Bereich eine größere .Temperatur als i;.; unteren Bereich hat, ist das von der Leitung G8 abgegebene Hasser wärmer als das von der Leitung 69 abgegebene Hasser. Das Systar,, kann so'ausgelegt werden, daß durch den Betrieb aller Wärmetauscher 61 und 52 gleichzeitig Wasser verschiedener Tempera-

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iuran abgegeben werden kann.

Das Ventil G2 ist geöffnet, wenn Hasser in den Speicher 5 eingegeben wird, U2T als tlärmer.iittel ebenfalls Wasser enthält.

Ii.i beschriebenen Ausfü'nrungsb.eispiel enthält der Speicher 5 keine besonderen Bauteile. Bei der Erfindung kann jedoch eine wärr/.eisol ierendo Zwischcnplatte 75 im Speichor angeordnet sein, die Verbindungsöffnungen aufweist, so daß im raittleren Teil des Speichers 5 eine Zirkulationstattfinden kann. Wenn bei einer derartigen Maßnahme im oberen Teil warmes und in unteren Teil kaltes Uasser enthalten ist, wird dadurch die Wärmeisolierung besonders gut verstärkt.

Aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung geht hervor, daß in llärmepumpensystem nicht nur kalte Flüssigkeit oder υarme Flüssigkeit gespeichert werden kann, sondern alle Arten von v/armer oder kalter Flüssigkeit mit unterschiedlichen Temperaturen' oder gleichzeitig warme und kalte Flüssigkeit. Damit ist es beispielsweise möglich, gleichzeitig Warmwasser zur Heizung und Kaltwasser zur Kühlung zur Verfügung zu stellen, wodurch' die Anpassungsfähigkeit des Uärmepumpensystems im Vergleich zu bisherigen Systemen erheblich verbessert ist.

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- Leerseite

Claims

PATENTANWALT "

DIPL-ING. GERHARD GUSTORF _TtoterBto: _inltmil ;

EUROPEAN PATENT ATTORNEY Privat: 0871/25719

P 1 533 I

Misawa Homes Co., Ltd. Ho. 4-0, Takaido-Higashi 2-chome, Suginarai-ku, Tokyo, Japan

Wärmepumpenvorrichtung

Patentansprüche

1 J Uarr.iepuupenvorrichtung mit einera in einem Speicher untergebrachten Häri-ier.vittel , gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von in dein Speicher (5) übereinander angeordneten, ersten Wärmetauschern· {6, 8), einen zweiten Wärmetauscher (4) außerhalb des Speichers (5), eine !C'ältera1ttelui.ilaufleitung für die Verbindung der ersten Wärmetauscher (6, 0) in Reihe mit dem zweiten Wärmetauscher (4), Mittel für den Zwangsumlauf des Kältcr.nttels in der Kaiter.iittelumlaufleitung, Mittel (2) zur UnikoSirung dar Durch!aufrichtung des Kältemittels in der Kälteuittelu::;l auf leitung, wenigstens ein Expansionsorgan (10) für das Kai te;.nttol, das parallel zu dem Teil (7) der l'äl terai ttelleitung geschaltet ist, der sich zwischen zwei übereinander angeordneten, ersten Wärmetauschern (6, 8) befindet, 'wenigstens ein E::- pc.nsio;i5or<jr,n (9), das in die Kaitei.iitteUeitung (15) zwischen da::, untersten, ersten Wärmetauscher (3) und dör.; z\ioiteti Wärnotauscher (4) geschaltet ist, eine erste By-Pass-Leitung (27) zur U:.i'jühuno des zweiten Wärmetauschers (4) und des zweiten Expu'/isionsorgans (9) und damit zur l'urzschl ießung der Kai teni-ttel ui-lauflei tung, erste Ventile zur wahl weisen Zuführung des Kälte-

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;.,iΐΐα 1 s in eines dar ersten Expansionsorgane (10) und den Leitungsteil (7) der Kühl mitten ei tung, der parallel zum ersten E;;-pcnsionsorgan (10) liegt, sowie zweite Ventile zur wahlweise!! Zuführung des Kältemittels in die erste By-Pass-Lcitung (27) ν,ηό don zi.'eiten Wärmetauscher (4).

2. Wärmepumpcnvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da D die ersten und die zweiten Wärmetauscher (5, 0; 4) ■.;ahlwai se Kondensatoren und/oder Verdampfer sind.

Z. '..'tirmcpumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (5) für das tih'n.:omi ttel Wasser aufnimmt.

·'·. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vor her ge hau de η Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hittel zur Umkehrung der Durchlaufrichtung des Kältemittels aus einem Vierwegeventil (2) bestehen, das aus einer ersten Stellung (A), in der ein Aaschlup (2a) für das Kältemittel mit einem zur:, obersten, ersten l'l:r;.iet?.uschor (6) führenden Anschluß (2d) und ein Ansauga.isciiluD (2b) für das Kältemittel mit einem zum zweiten Wärmetauscher (4) führenden Anschluß (2c) verbunden sind, in eine Stellung (B) umschaltbar'ist, in.der der Kaitemittolanschlup (2a) ;.iit dem Ansauganschluß (2c) des zweiten Wärmetauschers (4) und der Ansauganschluß (2b) mit dem zum obersten ersten Wärmetauscher (G) führenden Anschluß (2d) verbunden sind.

C. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Ventile aus zwei Absperrventilen (13, 12) bestehen, die in die das erste Ξχραη-sioiisorgan (10) aufweisende Kai temi ttel leitung bzw. in den Leituncjstcil (7) geschaltet sind, der parallel zu dem ersten Ξχρα,ι-sionsorgan (IC) geschaltet ist.

BAD ORIGINAL

6. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- | ehe, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Ventile Absperrven- | tile sind, die in die Kai temi ttellei tung geschaltet sind, viel- ; ehe mit der ersten By-Pass-Leitung (27) bzw. dem zweiten Wärmetauscher (4) verbunden sind.

7. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kä'l temi tteluml auf lei tung eine zweite By-Pass-Leitung (21) aufweist, die den jeweiligen \ ersten Wärmetauscher (6, 8) und die zugeordneten ersten Expan- \ sionsorgane (10) umgeht. I

8. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- f ehe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaitemittelumlaufleitung eine dritte By-Pass-Leitung (22) aufweist, welche den untersten ersten Wärmetauscher (8) im Speicher (5) umgeht.

9. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden AnsprU- ^ ehe, gekennzeichnet durch wenigstens einen Wärmetauscher (41) für einen Luftkonditionierer bzw. eine Raumheizung und Mittel für den Umlauf eines Wärmemittels zwischen dem Wärmetauscher (41) und dem Speicher (5).

10. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (41) zur Kühlung und Erwärmung von Raumluft ausgelegt ist.

11. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für den Umlauf des Wärmemittels Wahleinrichtungen (43, 45a, 46a) für die wahlweise Entnahme des Wärmemittels aus dem Speicher (5) in einer den ersten Wärmetauschern (6, 8) entsprechenden Höhe und die Zufuhr zu dem Wärmetauscher (41) aufweisen.

12. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speicher (5) wenigstens ein dritter Wärmetauscher (61, 62) angeordnet ist, der Wasserzufuhrleitungen sowie Entnahmeleitungen für kaltes und /oder warmes Wasser aufweist, das in dem dritten Wärmetauscher einen Wärmeaustausch mit dem Wärmemittel im Speicher (5) erfahren hat.

13. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Wärmetauscher (61, 62) in dem Speicher (5) in einer den ersten Wärmetauschern (6, 8) entsprechenden Höhe angeordnet sind.

14. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzufuhrleitungen (63, 65, 66) eine Umschalteinrichtung (64) für die wahlweise Zufuhr des Wassers zu einem der dritten Wärmetauscher (61, 62) aufweist.