DE3500252C2 - Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen - Google Patents
Wärmepumpe zum Heizen oder KühlenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus einem Wärmespeicher und zur
Abgabe von Wärme an einen anderen Wärmespeicher werden häufig für
Klimaanlagen, Warmwasserbereiter oder dgl. verwendet.
Dabei sind eine Reihe verschiedener Wärmepumpensysteme bekannt, die im
folgenden kurz erläutert werden sollen:
Zum einen gibt es Systeme mit zwei Wärmespeichern, bei denen je ein
Wärmetauscher für je einen Wärmespeicher vorhanden ist, welche miteinander
durch eine Kältemittelleitung verbunden sind, 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 Wärmeträgerfluid beispielsweise Wasser enthält, wird, wenn der Wärmetauscher
ein Kondensator ist, in diesem Speicher Warmwasser gesammelt, wohingegen
kaltes Wasser gespeichert wird, wenn der Wärmetauscher ein Verdampfer
ist.
Bei diesen bekannten Systemen kann in dem betreffenden Speicher nur warmes
Wasser oder nur kaltes Wasser gespeichert und gesammelt werden, aber
es ist nicht möglich, gleichzeitig sowohl warmes als auch kaltes Wasser in dem Speicher zu sammeln.
Als Beispiel für solche Wärmepumpensysteme wird auf die ungeprüften japanischen
Patentanmeldungen Sho 58-69 346 und 58-205 040 hingewiesen. Diese
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 Warmwassererzeuger 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 z. B. in der DE-PS 8 24 348 beschriebenen Technik vermieden,
die darin bestehen, daß 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 der Wärmepumpenanlage gemäß den ungeprüften japanischen
Patentanmeldungen Sho 58-69 346 und 58-205 040 werden im Gegensatz zur
DE-PS 8 24 348 nämlich zwei Sorten Warmwasser erzeugt, die sich in ihrer
Temperatur unterscheiden.
Bei der Vorrichtung gemäß den ungeprüften japanischen Patentanmeldungen
Sho 58-69 346 und 58-205 040 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 der 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 diese 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 Verfügung steht.
Aus dem JP-Abstract 54-26 553 A ist eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen
bekannt, bei der zur Verbesserung der Heizcharakteristik ein äußerer Wärmetauscher
(hier: Solarkollektor) mit einem verbesserten Kältemittelkreislauf
kombiniert ist, bei dem sich zwei als Verdampfer bzw. Kondensator betriebene
Wärmetauscher in einem gemeinsamen mit einem Wärmeträgerfluid gefüllten
Wärmespeicher befinden, und mittels Umschaltventilen im Kühlkreislauf eine
Umkehr der Zirkulationsrichtung des Kühlmittels und damit eine Heizung
bzw. Kühlung von Wärmetauschern möglich ist. Die dabei gewählte Anordnung
soll eine Verbesserung der Heizcharakteristik der Wärmepumpe ermöglichen.
Sie sieht keine zusätzlichen Vorrichtungen im Inneren des Wärmespeichers
vor, um die Temperaturbeschichtung zu unterstützen.
Aus der DE 77 20 282 U1 ist ein Wärmetauscher für ein Kühlgerät bekannt,
dessen Kälteaggregat als Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung benutzt
wird, wobei der Wärmetauscher einen Behälter zur Aufnahme des zu erwärmenden
Wassers umfaßt, der durch zumindest eine Trennwand in zumindest
zwei Abteilungen unterteilt ist, zwischen denen ein Wasserübertritt ermöglicht
ist, wodurch die Bildung von übereinanderliegenden Wasserschichten mit unterschiedlicher
Temperatur unterstützt wird.
Der Erfindung liegt vornehmlich die Aufgabe zugrunde, ein Wärmepumpensystem
zu schaffen, bei dem die Nachteile bisheriger Anlagen vermieden sind und
in einem Speicher eine Mehrzahl von Wärmeträgerfluidtemperaturen erzeugt
werden kann, die einer unmittelbaren Nutzung für Heiz- und Kühlzwecke zugänglich
sind.
Gemäß der Erfindung ist hierzu ein Wärmepumpensystem vorgesehen, bei dem
ein Wärmeträgerfluid in einem Speicher unterschiedliche Temperaturen aufweist,
die von einer oberen Schicht zu einer unteren Schicht in dem Speicher
allmählich abnehmen, wobei gleichzeitig ein kaltes und ein heißes Wärmeträgerfluid
erzeugt werden können.
Dabei soll ein Wärmepumpensystem angegeben werden, bei dem das gesamte
Wärmeträgerfluid in einem Speicher auf eine hohe Temperatur erhitzt wird,
die so ausgelegt ist, daß sie schichtweise von oben nach unten in dem Speicher
abnimmt. Es soll außerdem möglich sein, nur den oberen Teil des Wärmeträgerfluids
im Tank auf eine hohe Temperatur zu erhitzen. Ferner soll die Möglichkeit
bestehen, das Wärmeträgerfluid im Speicher auf im wesentlichen dieselbe
Temperatur zu erhitzen.
Daneben soll die Möglichkeit vorhanden sein, das gesamte Wärmeträgerfluid
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 Wärmeträgerfluids im
Speicher auf eine niedrige Temperatur abzukühlen.
Schließlich soll ein Wasserbereiter bereitgestellt werden, mit dem kaltes oder
warmes Wasser bei einer bestimten Temperatur erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Lage, ein Wärmeträgerfluid
aus dem Speicher zu entnehmen und in Wärmetauschern umzuwälzen,
um eine Klimaanlage zu betreiben und warmem oder kalte Luft durch
die Wärmetauscher zu erzeugen. Die Wärmepumpenvorrichtung kann mit
Wasserbereitern kombiniert werden, um warmes und/oder kaltes Wasser
mittels Wärmeaustausch durch das Wärmeträgerfluid 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 in der Zeichnung dargestellt
ist, die ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wiedergibt.
Wie die Zeichnung zeigt, ist eine Abgabeöffnung 1a eines Kompressors 1 für ein
Kältemittel, der die Zirkulation des Kältemittels erzwingt, mit einem Anschluß
2a eines Vierwegeventils 2 verbunden, während eine Ansaugöffnung 1b des
Kompressors 1 für das Kältemittel mit einem weiteren Anschluß 2b des Vierwegeventils
2 verbunden ist. Das Vierwegeventil 2 dient zum Wechseln der
Durchlaufrichtung 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 verbunden, der im oberen Teil eines Speichers 5 angeordnet
ist, der ein Wärmeträgerfluid 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 eine Expansionsvorrichtung 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
Expansionsventil 10 geschaltet, wobei zwei Absperrventile 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 Wärmetauscher im Speicher 5 vorzusehen, die in vertikaler
Richtung voneinander getrennt sind. Der Kältemittel-Kompressor 1, die
Wärmetauscher 6 und 8, das Expansionsventil 9 und der äußere Wärmetauscher
4 sind hintereinander durch eine Kältemittelleitung 15 verbunden und
bilden dadurch einen Wärmepumpenkreislauf.
Die Kältemittelleitung 15 ist durch eine Bypassleitung 21 kurzgeschlossen, so
daß der Wärmetauscher 6 im Speicher 5 und das Expansionsventil 10
umgangen werden können. Eine weitere Bypassleitung 22 zum Kurzschließen
der Kältemittelleitung 15 ist so angeordnet, daß der untere Wärmetauscher 8
umgangen werden kann. In den beiden Bypassleitungen 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 Expansionsventil 10. Durch
Öffnen oder Schließen des Absperrventils 23 wird festgelegt, ob das Kältemittel
durch den Wärmetauscher 6 strömt oder diesen über die Bypassleitung
21 umgeht.
Eine Bypassleitung 27 mit einem Ventil 26 zum Öffnen und Schließen dieser
Leitung ist parallel zu der Reihenschaltung aus Expansionsventil 9 und
äußerem Wärmetauscher 4 geschaltet. Zwischen die Bypassleitung 27 und die
Reihenschaltung aus Expansionsventil 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 Klimanalage, z. B. ein Kühl-
und Heizgerät angeordnet, und das Wärmeträgerfluid wird durch ein
Umwälzorgan durch diesen Wärmetauscher und den Speicher 5 gedrückt, um
dadurch die Lufttemperatur in dem Raum zu steuern. Hierzu ist ein elektromagnetisches
Dreiwegeventil 43 vorgesehen, von dem ein Anschluß über eine
Wärmeträgerfluidleitung 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 Wärmeträgerfluidleitungen
45 und 46 mit Abgabeöffnungen 45a bzw. 46a verbunden, welche in dem
Speicher 5 entsprechend der Höhe des Wärmetauschers 6 bzw. des
Wärmetauschers 8 angeordnet sind. Eine Abgabeöffnung 41b des
Wärmetauschers 41 ist über eine Wärmeträgerfluidleitung 48 mit einem
Anschluß eines elektromagnetischen Dreiwegeventils 47 verbunden, dessen
andere beiden Anschlüsse über Wärmeträgerfluidleitungen 51 und 52 mit einer
Abgabeöffnung 51a bzw. 52a verbunden sind, die in Höhe des Wärmetauschers
6 bzw. des Wärmetauschers 8 in das Wärmeträgerfluid ragen. Über das
Dreiwegeventil 43 kann entweder die Wärmeträgerfluidleitung 45 oder die
Wärmeträgerfluidleitung 46 angesteuert werden, während über das
Dreiwegeventil 47 entweder die Wärmeträgerfluidleitung 52 oder die Wärmeträgerfluidleitung
51 gewählt werden kann, so daß das Wärmeträgerfluid 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 warmem Wasser einer vorbestimten Temperatur durch
Wärmeaustausch des Wärmeträgerfluids, 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 Wärmetausch zwischen diesem Wasser und dem Wärmeträgerfluid
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 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 Wärmeträgerfluid
Wasser.
Nachstehend wird die Betriebsweise des Systems gemäß der Erfindung
beschrieben, wobei aus Vereinfachungsgründen angenommen werden soll, daß
das Wärmeträgerfluid im Speicher 5 Wasser ist.
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 Expansionsventil
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
Falls 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 Ventil 26, das Zweiwegeventil 2 und einen Zwischenspeicher 3 zum
Kompressor 1 zurück, wodurch es erneut auf einen hohen Druck und eine hohe
Temperatur gebracht wird.
In diesem Kreislauf findet ein Wärmepumpenzyklus statt, bei dem Wasser im
unteren Teil des Speichers 5 als Niedrigtemperatur-Wärmequelle und Wasser
im oberen Teil des Speichers 5 als Hochtemperatur-Wärmequelle verwendet
wird, so daß im oberen Teil des Speichers 5 warmes und im unteren Teil kaltes
Wasser angesammelt wird. Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen
Gewichte zwischen warmem und kaltem Wasser findet keine Durchmischung
statt.
In diesem Fall bestehen drei Möglichkeiten zur Speicherung von Wasser.
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 kondensierte 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 Expansionsventil 9 werden Temperatur und Druck des
Kältemittels erniedrigt 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.
Bei diesem Kreislauf wird das Wasser im oberen und im unteren Teil des
Speichers 5 erhitzt, so daß im gesamten Speicher 5 erhitztes Wärmeträgerfluid
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 durch 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 8 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 dieses 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 Bypassleitung 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.
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 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 Expansionsventil 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 verdampft 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 Schichten kalten Wassers unterschiedlicher
Temperatur im Speicher 5, wobei die Temperatur in der unteren Schicht
niedriger ist.
Bei der zweiten Methode ist nur der untere Wärmetauscher 8 als
Verdampfer in Betrieb, während der obere Wärmetauscher 6 nicht
arbeitet. Dabei sind die Ventile 12, 13, 24 und 26 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 äußeren
Wärmetauscher 4, der als Kondensator arbeitet und dabei Wärme
abgibt, und das Expansionsventil 9 bewirkt 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. Das das Ventil
23 geöffnet ist, fließt das Kältemittel über die Bypassleitung
21 unter Umgehung des oberen Wärmetauschers 6 zum Kompressor
1 zurück.
Somit wird nur das Wasser im unteren Teil des Speichers 5 auf
eine niedrigere Temperatur abgekühlt, weil der Unterschied des
spezifischen Gewichtes zwischen dem Wasser im oberen und im unteren
Teil eine Durchmischung verhindert.
Entsprechend ist für den Fall, daß der untere Wärmetauscher 8
nicht verwendet wird und der obere Wärmetauscher 6 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
werden kann. Zu Beginn wird das Wärmemedium des Speichers 5,
dessen Temperatur durch das oben erläuterte Wärmepumpensystem
geregelt wird, dem Wärmetauscher 41 für eine Klimaanlage zugeführt,
wodurch mittels Wärmeaustausch zwischen dem Wärmemedium
und der Luft die Raumtemperatur entsprechend der eingestellten
Temperatur des Wärmemediums eingestellt werden kann. Je größer
die Zahl der Wärmetauscher im Speicher 5 ist, um so größer ist
die Anzahl der Schichten des Wärmeträgerfluids mit unterschiedlicher
Temperatur, weshalb Wärmeträgerfluid mit unterschiedlicher Temperatur
in den Wärmetauscher 41 geleitet werden kann, so daß die Genauigkeit
der Temperatursteuerung für die Abkühlung oder Aufheizung
verbessert wird.
Wenn beispielsweise warmes Wasser im oberen Teil des Speichers
5 oder im gesamten Speicher 5 angesammelt ist, sind die Warmwasserleitungen
44 und 45 durch das elektromagnetische Dreiwegeventil
43 miteinander verbunden, so daß das warme Wasser mittels
der Umwälzpumpe 42 und über die Ansaugöffnung 45a entnommen
und dem Wärmetauscher 41 zugeführt wird. Der Rücklauf des
Wassers in den unteren Teil des Speichers 5 erfolgt dann über
das elektromagnetische Dreiwegeventil 47 und die Abgabeöffnung
52a der Leitung 52. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher 41
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 Warmwasser mit zwei unterschiedlichen Temperaturen.
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 Wassser
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 51a
in den oberen Teil des Speichers 5 zurückgeführt wird, führt
der Wärmetauscher 41 eine stetige Kühlung durch, ohne daß dabei
eine Vermischung mit dem kalten Wasser niedriger Temperatur im
oberen Teil des Speichers stattfindet. Sofern beide Wärmetauscher
6 und 8 als Verdampfer arbeiten, ist die Temperatur des
kalten Wassers im unteren Teil geringer als diejenige des kalten
Wassers im oberen Teil des Speichers, so daß eine Kühltemperatur
entsprechend der Entnahme von kaltem Wasser und dessen Zuführung
in den Wärmetauscher 41 gewählt werden kann.
Wenn im oberen Teil des Speichers 5 heißes Wasser und im unteren
Teil kaltes Wasser gespeichert sind, kann entsprechend der
Stellung der Dreiwegeventile 43 und 47 entweder heißes oder kaltes
Wasser in den Wärmetauscher 41 geleitet werden. Entsprechend
führt dieser eine Aufheizung oder eine Kühlung durch.
Wenn der Speicher 5 aufgrund des oben erläuterten Wärmepumpensystems
mehrere Schichten des Wärmeträgerfluids mit unterschiedlicher Temperatur
enthält, kann bei Betrieb eines in einer bestimmten, eine
gewünschte Temperatur aufweisenden Schicht liegenden
Wärmetauschers heißes oder kaltes Wasser der gewünschten
Temperatur nach außen abgegeben werden.
Wenn hierzu beispielsweise die Wasserzufuhrleitung 65 aufgrund
der Stellung des Dreiwegeventils 64 gewählt ist, wird von der
Leitung 63 Wasser über die genannte Zufuhrleitung 65 in den oberen
Wärmetauscher 61 geleitet, das nach Wärmeaustausch mit dem
oberen Wärmeträgerfluid im Speicher 5 über die Leitung 68 abgegeben
wird. Wenn aufgrund der Stellung des Dreiwegeventils 64 der untere
Wärmetauscher 62 gewählt ist, wird diesem über die Wasserzufuhrleitung
66 Wasser zugeführt, das nach dem Wärmeaustausch
mit dem Wärmeträgerfluid im unteren Teil des Speichers 5 über die
Wasserleitung 69 nach außen abgegeben wird. Die Temperatur des
jeweils abgegebenen Wassers hängt von der Temperatur des Wärmeträgerfluids
im Speicher 5 ab. Wenn beispielsweise das Wärmeträgerfluid
im Speicher 5 im oberen Bereich eine größere Temperatur als im
unteren Bereich hat, ist das von der Leitung 68 abgegebene Wasser
wärmer als das von der Leitung 69 abgegebene Wasser. Das System
kann so ausgelegt werden, daß durch den Betrieb aller Wärmetauscher
61 und 62 gleichzeitig Wasser verschiedener Temperaturen
abgegeben werden kann.
Das Ventil 72 ist geöffnet, wenn Wasser in den Speicher 5 eingegeben
wird, der als Wärmeträgerfluid ebenfalls Wasser enthält.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält der Speicher 5 keine
besonderen Bauteile. Bei der Erfindung kann jedoch eine wärmeisolierende
Zwischenplatte 75 im Speicher angeordnet sein,
die Verbindungsöffnungen aufweist, so daß im mittleren Teil des
Speichers 5 eine Zirkulation stattfinden kann. Wenn bei einer
derartigen Maßnahme im oberen Teil warmes und im unteren Teil
kaltes Wasser enthalten ist, wird dadurch die Wärmeisolierung
besonders gut verstärkt.
Aus der Beschreibuung des Ausführungsbeispiels der Erfindung
geht hervor, daß im Wärmepumpensystem nicht nur kalte Flüssigkeit
oder warme Flüssigkeit gespeichert werden kann, sondern
alle Arten von warmer 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 Wärmepumpensystems
im Vergleich zu bisherigen Systemen erheblich verbessert ist.
Claims (12)
1. Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen, mit einem Kältekreislauf, in
welchem ein Kompressor, ein erstes Expansionsventil, Wärmetauscher zum
Kondensieren und Verdampfen eines Kältemittels, und Umschaltventile zum
Umkehren des Kältekreislaufs vorgesehen sind, wobei mindestens ein oberer
und ein unterer Wärmetauscher in einem Wärmespeicher angeordnet sind und
ein Außenwärmetauscher für einen Wärmetauscher mit einer
Außentemperatur vorgesehen ist, mit einem Wärmeträgerkreislauf, in welchem
ein Wärmeträgerfluid umgewälzt wird sowie Umschaltventile angeordnet
sind, die in einer ersten Schaltstellung eine Zufuhr des Wärmeträgers in den
oberen Teil des Wärmespeichers und eine Entnahme des Wärmeträgers im
unteren Teil des Wärmespeichers bzw. in einer zweiten Schaltstellung eine
umgekehrte Zufuhr und Entnahme des Wärmeträgers ermöglichen, und mit
einem Nutzwärmetauscher im Wärmeträger-Kreislauf, welcher zum Kühlen
oder Heizen von Nutzräumen ausgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Kältekreislauf zwei Expansionsventile (9, 10) vorgesehen sind, von
denen ein erstes Expansionsventil (9) vor dem Außenwärmetauscher (4) und
ein zweites Expansionsventil (10) zwischen dem oberen (6) und unteren
Wärmetauscher (8) angeordnet sind, mit einer ersten Bypassleitung (27),
welche die Kältemittelleitung (15) zwischen dem Eingang des ersten
Expansionsventils (9) und dem Ausgang (4a) des Außenwärmetauschers (4)
überbrückt, sowie mit einer zweiten Bypassleitung (7), die das zweite
Expansionsventil (10) überbrückt, und mit Schaltventilen (12, 13, 26, 31) zum
wahlweisen Durchströmen einer Bypassleitung (7, 27) bzw. der überbrückbaren
Kältemittelleitung (15).
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Wärmeträger Wasser verwendet wird.
3. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Umschaltventile (2) zum Umkehren des Kältekreislaufs
Vierwegeventile verwendet werden.
4. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Schaltventile (12, 26, 13, 31) in den Bypassleitungen (7, 27) und in
den zugehörigen, überbrückbaren Kältemittelleitungen (15, 11) Absperrventile
verwendet werden.
5. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kältemittelleitung (15) eine dritte Bypassleitung (21) enthält, die den
oberen Wärmetauscher (6) im Wärmespeicher (5) und das zweite
Expansionsventil (10) überbrückt und mit einem Schaltventil (23) versehen ist.
6. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kältemittelleitung (15) eine vierte Bypassleitung (22) enthält, die den
unteren Wärmetauscher (8) im Wärmespeicher (5) überbrückt und mit einem
Schaltventil (24) versehen ist.
7. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzwärmetauscher (41) zum Heizen oder
Kühlen von Raumluft ausgebildet ist.
8. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck eines gleichzeitigen
Nutzbarmachens der hohen und tiefen Temperaturen im Wärmespeicher (5) in
analoger Weise zum oberen (6) und unteren Wärmetauscher (8) zusätzlich
mindestens zwei weitere Wärmetauscher (61, 62) im Wärmespeicher (5)
angeordnet sind, die über einen separaten Wasserkreislauf ansteuerbar sind.
9. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmespeicher (5) zwischen dem oberen
(6) und unteren Wärmetauscher (8) eine wärmeisolierende Platte (75) mit
Zirkulationsöffnungen für den Wärmeträger vorgesehen ist.
10. Wärmepumpe nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das Schaltventil (23) in der dritten Bypassleitung (21) ein Absperrventil
verwendet wird.
11. Wärmepumpe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das Schaltventil (24) in der vierten Bypassleitung (22) ein Absperrventil
verwendet wird.
12. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die erste Bypassleitung (27) und die Reihenschaltung aus erstem
Expansionsventil (9) und äußererm Wärmetauscher (4) ein Absperrventil (32)
geschaltet ist.
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