DE60223941T2

DE60223941T2 - Abluftwärmepumpe

Info

Publication number: DE60223941T2
Application number: DE60223941T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Hedlund
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: WO2003038353A8; WO2003038353A1; EP1446617B1; SE0103622L; SE0103622D0; EP1446617A1; ATE380322T1; DE60223941D1; DK1446617T3

Description

Die vorligende Erfindung betrifft eine Abluftwärmepumpe.
Hintergrund
Es gibt eine große Anzahl von Produkten und Modellen von Wärmepumpen auf dem Markt. Diese verwenden verschiedene Wärmequellen wie z. B. Wärme von Gestein, Wärme von der Oberfläche des Bodens, Wärme vom Meer, von Außenluft, von Abluft und anderen. Wärmepumpen für Wärme von Gestein, Wärme von der Oberfläche des Bodens und Wärme vom Meer machen in den meisten Fällen von nur einem Wärmeträger Gebrauch, der aus einem Wasser/Ethanol-Gemisch besteht, das durch eine lange Rohrleitung durch die Wärmepumpe gepumpt wird und Wärme sammelt, die später an den Verdunster der Wärmepumpe abgegeben wird, der sich gewöhnlich zusammen mit dem Rest der Wärmepumpe drinnen befindet. Bei Wärmepumpen für Außenluft ist der Verdunster draußen mit einem Gebläse angeordnet, das Außenluft durch dasselbe bläst. Der Kompressor kann sich draußen oder drinnen befinden. Folglich werden diese zwei Arten von Wärmepumpen teilweise draußen und teilweise drinnen zusammengefügt, aber für alle obigen Wärmepumpen ist gemeinsam, dass die Ausgangsleistung grundsätzlich unbegrenzt ist und dadurch einfach auf wirtschaftlicher Basis gewählt werden kann. Eine Wärmepumpenleistung ist häufig installiert, die etwa 90% des gesamten Bedarfs an Wärme und Heißwasser des Hauses über einen jährlichen Zeitraum gibt.
Im Gegensatz zu den vorherigen erwähnten Arten von Wärmepumpen ist die Abluftwärmepumpe gewöhnlich eine einzelne Einheit, die drinnen zusammengefügt ist. Abluftwärmepumpen werden drinnen zusammengefügt, wo der Belüftungskanal verläuft und deren Verdunster mit diesem verbunden ist. Der Nachteil bei den Abluftwärmepumpen, die heute existieren, besteht darin, dass sie in den meisten Fällen nur etwa 30–50% des gesamten Bedarfs an Wärme und Heißwasser über einen jährlichen Zeitraum ergeben.
Alle der vorstehend erwähnten Arten von Wärmepumpen sind normalerweise mit dem Wärmesystem des Hauses und/oder Heißwassersystem verbunden.
In der Patentveröffentlichung DE 43 39 880 ist eine Wärmepumpe mit veränderlicher Leistung offenbart. Diese erfordert einen überdimensionierten Kompressor, um die Mehrheit des Hausbedarfs an Wärme zu erfüllen, neben diesen Nachteilen weist eine Außenluftwärmepumpe an sich bei niedrigem Wirkungsgrad Geräuschprobleme, Zuverlässigkeit und Anforderungen an die Außeninstallation auf.
In der Patentveröffentlichung US 5095715 ist eine reversible Klimatisierungs-/Wärmepumpe mit veränderlicher Leistung offenbart.
In der Patentveröffentlichung DE 39 15 349 ist offenbart, wie eine Erhöhung des Regelungsbereichs bei der Temperaturregelung mit einem Inverter für die Klimatisierung durchgeführt werden kann.
US-A-3 355 906 offenbart ein Kühlsystem und ebenso ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpe mit einem Kondensor, einem Verdunster, einem Kompressor und einem Expansionsventil. Daher offenbart US-A-3 355 906 viele Merkmale des zugehörigen Anspruchs 1 gemäß der vorliegenden Patentanmeldung.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wärmepumpe bereitzustellen, die die Vorteile bei den existierenden Arten von Wärmepumpen kombiniert und die gleichzeitig das vorstehend erwähnte Problem von bekannten Wärmepumpen beseitigt. Noch eine Aufgabe besteht darin, eine Wärmepumpe bereitzustellen, die eine so hohe installierte Leistung wie alle anderen Arten von Wärmepumpen geben können soll und die einen Gesamtenergieverbrauch ergibt, der minimal ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Abluftwärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, erhalten, bei der ein Verdunster an einem Kühlkreislauf der Wärmepumpe angeordnet ist, der mit einem Kanal zum Kühlen eines durchlaufenden Fluidstroms im Kanal durch den Verdunster verbunden ist, mit einem Kompressor mit einer variablen Leistung, der dazu ausgelegt ist einen Druck eines zirkulierten Kühlmittels im Kühlkreislauf zu erhöhen, einem Kondensor, der Wärme an Innenraumluft oder alternativ an abzweigendes oder zirkulierendes Heißwasser abgibt, einem Expansionsventil, das in Verbindung mit dem Verdunster angeordnet ist und das den Druck und die Temperatur des Kühlmittels verringert, bevor das Kühlmittel den Verdunster erreicht, dass ein Verhältnis zwischen einem Kondensordruck des Kondensors und einem Verdunsterdruck des Verdunsters kontinuierlich gesteuert wird und dass die Leistung des Kompressors verringert wird, wenn das Verhältnis einen vorbestimmten maximalen Wert übersteigt, oder wenn die erforderliche Wärme unter die Leistung der Wärmepumpe fällt, wodurch die verringerte Nutzung der Leistung des Kompressors dazu führt, dass die Wärmepumpe bei niedriger und mäßiger Last mit relativ niedriger Leistung arbeitet und dass der durchschnittliche Wärmefaktor dadurch verbessert werden kann.
Die Abluftwärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung impliziert, dass die Wärmepumpe eine hohe Leistung bei höchster Last sowie einen hohen Wirkungsgrad bei mittlerer hoher und niedriger Last bereitstellen kann. Durch die Tatsache, dass das Druckverhältnis derart gesteuert werden kann, dass es innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird, und dass die Leistung des Kompressors variabel ist, kann der Wärmefaktor bei niedriger und mäßiger Last erhöht werden, und damit wird der durchschnittliche Wärmefaktor erhöht. Bei niedrigerer Nutzung der Leistung wird die Differenztemperatur niedriger und dadurch der Wärmefaktor höher.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Verdunstertemperatur gesteuert und die Leistung des Kondensors verringert, wenn der Wert der Verdunstertemperatur unter einen vorbestimmten minimalen Wert fällt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet die Wärmepumpe Abluft als Wärmequelle. Folglich ist der Fluidstrom in dem Kanal, mit dem der Verdunster verbunden ist, Luft. In dieser Hinsicht sind der Luftstrom und der Verdunster derart gebildet, dass die Abluft maximal auf eine beträchtlich niedrigere Temperatur als für existierende Abluftwärmepumpen gekühlt werden kann. Wenn die Energieausbeute bei einer Abkühlung der Luft von der Wärmekapazität der Luft, teilweise von Wärme von der Verdunstung bei der Wasserausfällung stammt, führt die obige größere Temperaturabnahme dazu, dass die maximale Leistung der Wärmepumpe wiederum proportional mehr als der Unterschied in der Temperaturabnahme zunimmt.
Der Verdunster ist ein Wärmetauscher, der gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem "Paket" von Rohren und Platten gebildet ist, die zusammen große Wärmeleitungsflächen zwischen zwei Medien erzeugen sollen, die daneben auch den Kondensor gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen. Die Oberfläche, die in Richtung des ersten Mediums ausgesetzt wird, wird primäre Oberfläche genannt, die in dieser Beschreibung die gesamte innere Oberfläche der Rohrschlange betrifft, durch die das Kühlmittel im Verdunster strömt. Die Oberfläche, die in Richtung des zweiten Mediums ausgesetzt wird, wird sekundäre Oberfläche genannt, die in dieser Beschreibung die gesamte Oberfläche der teilweise äußeren Oberfläche der vorstehend erwähnten Rohrleitung, teilweise die gesamte Oberfläche der Platten, geeigneterweise aus Aluminium, an denen die Rohrleitung befestigt ist, betrifft. Folglich ist dies die Oberfläche, zu der der durchströmende Fluidstrom, vorzugsweise Luft, Wärme leitet. Die Plattenoberfläche kann vorzugsweise wesentlich größer sein als die Rohrleitungsoberfläche, so dass die sekundäre Oberfläche viel größer wird als die primäre Oberfläche. Unter einer gegebenen primären Oberfläche und sekundären Oberfläche kann das Verdunsterpaket immer noch mit unterschiedlicher geometrischer Form gebildet werden, d. h. was die äußeren Maße betrifft. Dies kann derart durchgeführt werden wie in der Form eines Würfels, eines flach liegenden Kastens oder eines stehenden flachen Kastens, unter der Bedingung, dass der Fluidstrom horizontal ist. Mit "Verdunsteroberfläche" ist in dieser Beschreibung folglich die sekundäre Oberfläche gemeint.
Mit vorderer Oberfläche ist die Oberfläche gemeint, zu der die Verdunsterpackung eine Querfluidströmung aufweist. Mit z. B. einem liegenden flachen Kasten von der Seite gesehen wird die vordere Oberfläche klein und mit einem stehenden flachen Kasten wird sie groß. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Gestalt vorzugsweise in Form eines stehenden flachen Kastens vor, um den kleinsten Strömungswiderstand für das Fluid zu erhalten, insbesondere beim anfänglichen Gefrieren. Ob sie von der Vorderseite gesehen hoch und schmal oder niedrig und breit ist, hat keine wesentliche Bedeutung. Die Hauptsache besteht darin, dass eine Länge (L) in der Fluidstromrichtung in Bezug auf die vordere Oberfläche (A) quer zur Fluidstromrichtung kurz ist, wenn der Strömungswiderstand mit zunehmender Länge zunimmt, aber mit zunehmender vorderer Oberfläche abnimmt.
Der Verdunster ist derart bemessen, dass seine sekundäre Oberfläche mindestens 0,3 m² pro 1/s Luftstrom ist. Geeigneterweise umfasst der Verdunster einen Verdunsterkreislauf, der aus einer gebildeten Rohrschlange für das zirkulierende Kühlmittel besteht, wobei ein erster Drittelteil der Rohrschlange des Verdunsterkreislaufs gleichmäßig über die ganze Verdunsteroberfläche verteilt ist und dadurch einen vorteilhaften Wärmekontakt mit der ganzen Verdunsteroberfläche aufweist, wodurch eine große effiziente Verdunsteroberfläche bereitgestellt ist. Der Verdunster weist eine vordere Oberfläche (A) und eine Länge (L) auf und die Beziehung zwischen der vorderen Oberfläche und der Länge ist derart gewählt, dass die Bedingung A/(L·L) > 2 erfüllt ist.
Ferner kann gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Diffusor mit mindestens zwei Zonen mit veränderlichem Strömungswiderstand in dem Kanal angeordnet sein, der mit dem Verdunster verbunden ist.
Wenn Heißwasserkreisläufe für abzweigendes bzw. zirkulierendes heißes Wasser, die mit dem Kondensor verbunden sind, derart angeordnet sind, dass sie thermisch getrennt sind, kann die maximale Nutzung der Leistung der Wärmepumpe niedriger sein, wenn die Wärmepumpe nur heißes Wasser erhitzt als wenn die Wärmepumpe nur zirkulierendes Wasser erhitzt.
Geeigneterweise kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Leistung des Kompressors auf einen Wert verringert werden, der so niedrig ist, dass die Verdunstung bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt von Wasser stattfindet.
Gemäß noch einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Verdunstung bei einer höchsten Leistung des Kompressors dazu gebracht werden, dass sie bei einer Temperatur < –10°C stattfindet.
Ferner kann gemäß der Abluftwärmepumpe die verwendete Wärmepumpe mit einem Mittel zum Liefern von zusätzlicher Wärme versehen werden, wobei eine Innenraumtemperatur durch Rückkopplung der Innenraumtemperatur zu einem Temperaturregler geregelt wird, der die Drehzahl der Wärmepumpe und die zusätzliche Wärme regelt, damit der Regler die Innenraumtemperatur im Wesentlichen konstant auf einem vorgegebenen Wert für eine solche lange Zeit hält, dass die Wärmepumpe allein ausreichend Wärmeleistung liefert, gleichzeitig wie er ermöglicht, dass die Innenraumtemperatur auf einen bestimmten Wert unter dem vorgegebenen Wert abnimmt, bis die zusätzliche Wärme eingegeben ist.
Mittel zur Verringerung der Leistung des Kompressors sind an sich für den Fachmann bekannt.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen genauer beschrieben, ohne die Erfindung als darauf begrenzt zu interpretieren, wobei gilt
1 zeigt in einer schematischen Zeichnung die grundlegende Ausführung einer Wärmepumpe, die auf dem Markt existiert und die Abluft als Wärmequelle verwendet,
2 zeigt eine schematische Zeichnung gemäß der vorliegenden Erfindung
3 zeigt in einem Diagramm den Wirkungsgrad als Funktion der Leistung für verschiedene Wärmepumpen und zusätzliche Wärmestrahler,
4 und 5 stellen schematisch einen Verdunster gemäß dem Stand der Technik dar,
6 und 7 stellen schematisch einen Verdunster gemäß der vorliegenden Erfindung dar,
8 und 9 zeigen schematisch in einem Längsschnitt verschiedene Luftkanalformen gemäß dem Stand der Technik,
10 zeigt schematisch in einem Längsschnitt alternative Luftkanalformen,
11 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine alternative Luftkanalform mit variablem Diffusor gemäß der Erfindung,
12 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine weitere alternative Luftkanalform mit variablem Diffusor gemäß der Erfindung,
13 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine alternative Luftkanalform mit variablem Diffusor gemäß der Erfindung, wobei ein Teil des Luftkanals durch die Komponenten der Wärmepumpe blockiert ist,
14A zeigt schematisch in einer Ansicht in einer Ebene einen variablen Diffusor gemäß der Erfindung in der Form einer perforierten Platte und
14B zeigt den Diffusor in 14A in einem Querschnitt A-A.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Abluftwärmepumpe gemäß dem Stand der Technik, die einen Kühlkreislauf K aufweist, der einen Verdunster 4, der im Luftkanal 17 angeordnet ist und die Abluft 6, die durchströmt, abkühlt, einen Kompressor 1, der den Druck des Kühlmittels erhöht, einen Kondensor 2, der Wärme an abzweigendes oder zirkulierendes Heißwasser 5 abgibt, ein Expansionsventil 3, das den Druck und die Temperatur des Kühlmittels verringert, bevor das Kühlmittel den Verdunster erreicht, enthält. Der Kompressor wird mit 50 oder 60 Hz Wechselstrom betrieben und läuft mit konstanter Drehzahl. Die Abluft wird von der Innenraumtemperatur auf zwischen 0°C und +5°C abgekühlt. Die Leistung der Wärmepumpe wird in Bezug auf die Außentemperatur durch einen Temperatursensor 9 einer automatischen Steuerelektronik 8 gesteuert, die das Ein-/Ausschalten der Wärmepumpe und zusätzliche Wärme steuert.
Eine Abluftwärmepumpe gemäß der Erfindung, wie in 2 gezeigt, umfasst und arbeitet mit den ähnlichen Merkmalen 2–6, 8, 9 und 17 wie eine existierende Abluftwärmepumpe, wie vorstehend offenbart, weist jedoch eine höhere Leistung auf, ist für eine niedrigere Verdunstertemperatur dimensioniert, weist eine größere effiziente Verdunsteroberfläche auf und der Kompressor 1a wurde mit einer elektronischen Motorsteuerung 1b, einer Steuerung der Druckdifferenz und geeigneterweise auch mit einer Steuerung der Verdunstertemperatur 33 ergänzt. Die Abluftwärmepumpe kann auch in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen variablen Diffusor 21 umfassen, der nachstehend weiter beschrieben wird.
Da ein Wirkungsgrad einer Wärmepumpe stark von der Druckdifferenz zwischen dem Verdunster und dem Kondensor abhängt, führt eine niedrige Verdunstertemperatur dazu, dass der Wirkungsgrad 24 der Wärmepumpe als Funktion der Leistung 25 in diesem Betriebsfall 29 gemäß der vorliegenden Erfindung niedriger ist als für existierende Abluftwärmepumpen 26, was im Diagramm in 3 gezeigt ist. Im Fall, dass die Wärmeanforderung groß ist, wird elektrische zusätzliche Wärme in existierenden Abluftwärmepumpen mit einem niedrigen Wirkungsgrad 27 in dieser Angelegenheit verwendet, die insgesamt einen viel niedrigeren gesamten Wirkungsgrad 28 der Wärmepumpe und zusätzliche Wärme als im Fall mit dem Wirkungsgrad für die vorliegende Erfindung 29 bereitstellen. Folglich ist in diesem Fall die Verstärkung des Wirkungsgrades in Bezug auf das existierende Verfahren trotzdem groß. Im Fall, dass die erforderliche Wärme ziemlich groß oder gering ist, so dass eine existierende Wärmepumpe genügend Leistung ohne den Bedarf für zusätzliche Wärme aufweist, würde die niedrigere Verdunstertemperatur folglich zu einem verschlechterten Wirkungsgrad führen. Um dies zu vermeiden, wird die Leistung des Kompressors verringert, wobei die automatische Steuerelektronik 8 (siehe 2) die Wirkung auf die vorliegende Wärmeanforderung steuert. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Verdunster eine große effektive Verdunsteroberfläche auf. Durch die größere effiziente Verdunsteroberfläche wird die Verdunstertemperatur auch höher als für existierende Abluftwärmepumpen und folglich wird in diesem Betriebsfall 30 gemäß der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad höher als für existierende Abluftwärmepumpen.
Geeigneterweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung von einem Kompressor mit einem Asynchronmotor Gebrauch gemacht, der mit einem Frequenzwechsler mit einer Frequenzabdeckung von etwa 25–90 Hz versehen ist. Noch ein Kompressor mit bürstenlosem Gleichstrommotor und Steuerung der Drehzahl kann verwendet werden. Auch andere Arten von Leistungssteuerung von Kompressoren existieren, die keine Steuerung der Drehzahl umfassen, aber sie sind heute für die Leistungen, die für kleine Häuser vorhanden sind, nicht kommerziell erhältlich. Für die Erfindung ist es trotzdem nur erforderlich, dass ein hinsichtlich der Leistung gesteuerter Kompressor unabhängig vom Verfahren, das zum Steuern der Leistung verwendet wird, verwendet wird.
Die Temperatur der verwendeten Luft 7 mit Bezug auf 2 hängt von der Leistung des Kompressors und auch von der Temperatur der Abluft 6, der Strömung von Luft und der Atmosphärenfeuchtigkeit ab. Bei höchster Leistung und bei einer Innenraumtemperatur von 20–22°C ist die verwendete Lufttemperatur normalerweise –10 bis –15°C. Bei einer hohen Atmosphärenfeuchtigkeit und/oder einem großen Luftstrom kann die Temperatur im Bereich von –5 bis –10°C liegen. Bei einem niedrigen Luftstrom und niedriger Atmosphärenfeuchtigkeit kann die Temperatur im Bereich von –15 bis –20°C liegen. Bei verringerter Leistung des Kompressors kann die Temperatur in den Bereichen von 0 bis –5°C oder +5 bis 0°C liegen, wobei die letztere einer existierenden Abluftwärmepumpe entspricht. Wenn die Wärmepumpe korrekt bemessen ist und das Haus sorgfältig isoliert ist, wird eine ausreichende Leistung für etwa 90% der für das Haus erforderlichen Wärme erreicht. Dies ist die Wärmepumpenleistung, die man normalerweise in kleinen Häusern für Wärmepumpen für Wärme von Gestein und Wärme von der Oberfläche des Bodens installiert.
Lediglich bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann die zusätzliche Wärme in Form von elektrischen Heizstäben verwendet werden. Das Expansionsventil 3 kann auf die Verdunstertemperatur festgelegt oder thermostatisch mit dieser verbunden sein. Um die Steuerbarkeit der Wärmepumpe weiter zu erweitern, kann ein steuerbares Expansionsventil 3 auch verwendet werden, selbst wenn dies zum Erhalten einer entsprechenden Funktion nicht erforderlich ist.
Der Verdunster 4 kann derart geformt sein, dass die Temperaturdifferenz zur Abluft gering ist. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wie in 6–7 gezeigt, kann dies dadurch bereitgestellt werden, dass die effiziente Verdunsteroberfläche groß gemacht ist (siehe i) und ii) nachstehend) und dass der Luftstrom gleichmäßig über die vordere Oberfläche des Verdunsters verteilt wird (siehe iii) nachstehend). Die Beziehung zwischen einer vorderen Oberfläche (nachstehend mit A bezeichnet; in Fig. nicht gezeigt) und einer Länge (nachstehend mit L bezeichnet; in der Fig. nicht gezeigt) des Verdunsters sollte derart gewählt werden, dass der Strömungswiderstand selbst beim anfänglichen Gefrieren klein wird, d. h. die vordere Oberfläche sollte in Bezug auf die Länge des Verdunsters in der Richtung der Luft groß sein (siehe iv) nachstehend). Dies wird durchgeführt, um ein weitaus zu enges Enteisungsintervall zu vermeiden. Nachstehend folgt eine genauere Beschreibung der Ausführungsbeispiele i)–iv):

i) Der Verdunster ist derart bemessen, dass seine sekundäre Oberfläche, das heißt die Oberfläche, die mit der strömenden Luft in Kontakt steht, in der Größe mindestens etwa 0,3 m² pro 1/s Luftstrom oder größer ist.
ii) Der Verdunster ist gewöhnlich ausgeführt, wie in 4–5 gezeigt, durch einen Verdunsterkreislauf aus Kupferrohrleitungen, das das Kühlmittel vom Einlass 10 zum Auslass 11 durchströmt, die an einer größeren Wärmeleitungsoberfläche in einer beliebigen Form befestigt sind, z. B. einem Paket von parallelen Platten 13 aus Aluminium. Wenn sich die Leistung des Kompressors ändert, schwankt die Strömung des Kühlmittels auch und dadurch der Bedarf des Verdunsterkreislaufs. Bei einer geringen Strömung geschieht die Verdunstung nur am ersten Teil des Verdunsterkreislaufs 14. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie aus 6–7 der Erfindung ersichtlich, ist der Verdunster daher derart geformt, dass die effiziente Verdunsteroberfläche auch in diesem Fall groß ist. Dies wird erreicht, indem die Schlange des Verdunsterkreislaufs in einer solchen Weise gebracht wird, dass auch ein kleiner Teil des Verdunsterkreislaufs, wie z. B. der erste Drittelteil, einen beträchtlichen Wärmekontakt mit der ganzen Verdunsteroberfläche aufweist. Gemäß dem Stand der Technik (4–5) verbinden die Rohrteile 15, die zu den Platten parallel sind, gewöhnlich benachbart mit senkrechten, Wärme leitenden Rohrteilen 12. Gemäß der vorliegenden Erfindung, 6–7, verbinden die Rohrteile 16, die zu den Platten parallel sind, statt dessen mit senkrechten, Wärme leitenden Rohrteilen 12, die über die Platten verteilt sind. Ein Beispiel dessen ist in 6–7 gezeigt. Andere Gestaltungen der Rohrschlange sind auch möglich.
iii) Damit der Luftstrom über die vordere Oberfläche des Verdunsters gemäß dem Stand der Technik gleichmäßig ist, ist ein Luftkanal derart ausgebildet, dass sein Querschnitt den größeren Teil der vorderen Oberfläche des Verdunsters bedeckt, und eine mögliche Vergrößerung der Querschnittsfläche im Luftkanal 17 tritt allmählich über die Länge des Kanals gemäß 8 auf, so dass der Luftstrom 18 dem Querschnitt des Luftkanals den ganzen Abstand folgt oder abrupt auf einem beträchtlichen Abstand vor dem Verdunster gemäß 9 auftritt, während dessen es dem Luftstrom 18 gelingt, sich an den größeren Querschnitt des Kanals anzupassen. Eine Gestaltung des Kanals, wo die Vergrößerung der Querschnittsfläche abrupt nur auf einem kurzen Abstand vor dem Verdunster auftritt, ist in 10 gezeigt. In diesem Fall gelingt es dem Luftstrom 18 nicht, sich an den größeren Querschnitt des Kanals anzupassen, aber der größere Teil der Luft strömt durch den mittleren Teil 19 des Verdunsters, wo die Geschwindigkeit der Luft folglich hoch wird. In den Umfangsteilen des Verdunsters 20 wird die Geschwindigkeit der Luft niedrig. Dies führt dazu, dass der Verdunster ineffizient genutzt wird und die Ausgangsleistung sowie der Wirkungsgrad der Wärmepumpe beeinträchtigt wird. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Diffusor 21 mit variablem Strömungswidertand vor dem Verdunster gemäß 11 installiert, wobei der Strömungswiderstand an den Orten, an denen die Luftgeschwindigkeit ansonsten niedrig wäre 22, niedrig ist, und an den Orten groß ist, wo die Luftgeschwindigkeit ansonsten hoch wäre 23. Der Diffusor kann mit zwei oder mehreren Zonen mit veränderlichem Strömungswiderstand versehen sein oder einen sich kontinuierlich ändernden Strömungswiderstand aufweisen. Eine andere Gestaltung des Luftkanals mit einem Diffusor gemäß der Erfindung ist in 12 mit drei Zonen mit veränderlichem Strömungswidertand, niedrig 22, hoch 23 und mit mittlerer Größe 24 gezeigt. Noch eine Gestaltung des Kanals mit einem Diffusor gemäß der Erfindung ist in 13 gezeigt. In diesem Fall ist ein Teil des Luftkanals durch den Kompressor 1 der Wärmepumpe belegt, so dass der Luftstrom im Wesentlichen dadurch beeinflusst wird. Der Diffusor ist in diesem Beispiel in sieben Zonen mit veränderlichem Strömungswiderstand unterteilt, wobei die dunklere Schattierung einen niedrigeren Strömungswiderstand und die hellere einen höheren Strömungswiderstand angibt. Ein Beispiel der Leistung eines Diffusors mit zwei Zonen ist in 14 entsprechend der Gestaltung des Kanals und des Luftstroms gemäß 11 gezeigt. Der Diffusor ist hier durch eine perforierte Platte mit einer Zone 22 mit großen Öffnungen, wo der Strömungswiderstand niedrig ist, und einer Zone 23 mit kleinen Öffnungen, wo der Strömungswiderstand hoch ist, vorgesehen. Andere Ausführungen sind auch möglich, wie z. B. Siebmaterialien mit veränderlicher Dicke oder Enge.
iv) Die Bedingung A/(L·L) > 2 sollte erfüllt sein, wenn A die vordere Oberfläche des Verdunsters ist und L die Länge des Verdunsters ist.

Die Wärmepumpe ist geeigneterweise derart vorgesehen, dass sie sowohl zum Erhitzen von zirkulierendem Heißwasser als auch abzweigendem Heißwasser verwendet werden kann, was für Wärmepumpen üblich ist. Es ist beim Erhitzen von abzweigendem Heißwasser erwünscht, dass die Wassertemperatur und folglich die Kondensationstemperatur höher ist als beim Erhitzen von zirkulierendem Heißwasser. Dies führt dazu, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Verdunstung und der Kondensation bei maximaler Drehzahl des Kompressors viel größer wird, was wiederum zu einem niedrigen Wirkungsgrad und einer Verschlechterung der Lebensdauer des Kompressors führt. Um dies zu vermeiden, kann eine niedrigere Drehzahl vorteilhafterweise als maximale Drehzahl beim Erhitzen von abzweigende Wasser gemäß der vorliegenden Erfindung beim Erhitzen von abzweigendem Wasser verwendet werden, was zu einer höheren Verdunstungstemperatur und folglich einem verbesserten Wärmefaktor 31 (siehe 3) und auch einer verlängerten Lebensdauer des Kompressors führt.
Abluftwärmepumpen, die auf dem Markt existieren, verwenden gewöhnlich einen Wärmebehälter in Form eines Doppelmantel-Wasserbehälters, wobei der innere Teil 34 einen Behälter für Heißwasser mit einer oberen und unteren Temperaturzone bildet und der äußere Teil 35 zirkulierendes Wasser umfasst, wie in 1 ersichtlich. Die Wärmepumpe erhitzt direkt den äußeren Teil und auch die untere Zone im inneren Teil durch den Mantel vom äußeren Teil. Gewöhnlich sind auch zusätzliche Heizelemente 36 vorhanden, die in den Wärmebehältern bzw. in einem separaten Strom durch die Heizvorrichtung 37 installiert werden können. Eine beträchtliche Wärmeübertragung findet zwischen den Behältern statt. Dies wird durchgeführt, damit die Wärme von der Wärmepumpe effizient das Heißwasser sowie das zirkulierende Wasser erhitzen können soll. Außerdem führt dies dazu, dass das Heißwasser häufig einen beträchtlichen Teil an zusätzlicher Wärme erfordert, um auf die gewünschte Temperatur anzusteigen, und/oder dass die Wärmepumpe mit unnötig hoher Kondensationstemperatur beim Erhitzen von zirkulierendem Wasser arbeitet.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Heißwasserkreisläufe, die thermisch getrennt sind, für das Heißwasser für das abzweigende bzw. für das zirkulierende Heißwasser verwendet. In diesem Fall wird, wie aus 2 ersichtlich ist, eine indirekte Erwärmung des Heißwassers für das Abzweigen durch einen Akkumulatorbehälter 38 mit einer Rohrschlange 39 darin, wobei das Heißwasser für das Abzweigen durch die Rohrschlange im Fall des Abziehens befördert wird, und auf die korrekte Temperatur erhitzt wird, während es durch den Behälter strömt. Ein Steuerventil 40 ändert zwischen dem Erhitzen des Zirkulationsheißwassers und dem Erhitzen des Akkumulatorbehälters für das abzweigende Heißwasser. Dies führt dazu, dass der Wärmestrom zwischen dem abzweigenden Heißwasser und dem Zirkulationsheißwasser vernachlässigbar wird und die Temperaturen an diesen vollständig unabhängig voneinander gesteuert werden können. Dies führt auch dazu, dass die Wärmepumpe nur mit der Erzeugung von Heißwasser oder nur Erhitzen von zirkulierendem Wasser arbeiten kann, was eine maximale Heißwasserkapazität und die allerbeste Nutzung der Wärmepumpe für die Erwärmung von Zirkulationsheißwasser sowie abzweigendem Heißwasser bereitstellt.
Um die Lebensdauer des Kompressors zu maximieren, ist es auch erwünscht, das Verhältnis des Drucks zwischen der Kondensation und Verdunstung auf einen bestimmten Wert, z. B. 6 oder 8, zu begrenzen. Um dies zu bewerkstelligen, werden die Drücke jeweils an den Teilen direkt oder indirekt durch die Kondensationstemperatur 32 und die Verdunstungstemperatur 33 gemessen. Durch indirekte Messung werden die Temperaturen auf Drücke für die Steuerung ausgehend von der Kondensationstemperaturkurve des Kühlmittels erneut gezählt. Wenn das Verhältnis den Grenzwert überschreitet, wird die Drehzahl des Kompressors dann verringert, bis das Verhältnis auf den zulässigen Wert absinkt. Es ist auch erwünscht, die Temperatur der Verdunstung auf einen niedrigsten zulässigen Wert zu begrenzen. Um dies zu bewerkstelligen, wird die Verdunstungstemperatur direkt oder indirekt durch den Verdunstungsdruck gemessen. Wenn die Verdunstungstemperatur unter den Grenzwert fällt, wird die Drehzahl des Kompressors dann verringert, bis die Temperatur auf den zulässigen Wert ansteigt.
Bei einer Nutzung der Wärmepumpe mit hoher Leistung tritt die Verdunstung bei Temperaturen im Wesentlichen unter dem Gefrierpunkt von Wasser auf, ein Hauptteil der Feuchtigkeit, die in der Innenraumluft vorhanden ist, fällt aus und ein Gefrieren geschieht am Verdunster. Folglich ist die Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik mit einer Vorrichtung zum automatischen Start des Enteisens versehen, wenn es erforderlich ist. Das Enteisen einer Abluftwärmepumpe wird gemäß dem Stand der Technik gewöhnlich durch Einschalten der Wärmepumpe durchgeführt und die Wärme von der Abluft schmilzt das Eis, woraufhin die Wärmepumpe nach einem vorbestimmten Zeitraum wieder startet, oder wenn der Verdunster eine vorbestimmte Temperatur erreicht. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird statt dessen das Enteisen durch Verringern der Leistung des Kompressors auf einen Wert, der niedrig ist, ausgeführt, so dass die Verdunstung bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt für Wasser stattfindet. Durch dieses Mittel kann die Abluft das Eis schmelzen, ohne dass der Kompressor gestoppt wird. Wenn das Enteisen beendet ist, wird die Leistung des Kompressors auf den gewünschten Wert zurückgebracht. Dies führt zu wesentlich geringeren Betriebsperioden und zum Verlängern der Lebensdauer des Kompressors.
Die Innenraumtemperatur des Hauses kann durch Rückkopplung der Innenraumtemperatur durch einen Temperatursensor 9 der automatischen Steuerelektronik 8 gesteuert werden, die die Drehzahl der Wärmepumpe und die zusätzliche Wärme steuert (siehe 1 und 2). Eine entsprechende Temperatursteuerung, die für die Klimatisierung bestimmt ist, ist im Patentdokument EP 0522878 beschrieben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Nutzung von zusätzlicher Wärme auch auf ein Minimum verringert, wie nachstehend folgt. Die automatische Steuerelektronik hält die Innenraumtemperatur mehr oder weniger konstant auf einem vorgegebenen Wert, solange die Wärmepumpe allein ausreichend Wärmeleistung vorsieht. Wenn die Wärmepumpe bei maximalen Umdrehungen läuft und die Innenraumtemperatur dennoch unter den vorbestimmten Wert fällt, wird eine bestimmte Temperaturverringerung zugelassen, bevor die zusätzliche Wärme in den Kreislauf eingegeben wird. Die zusätzliche Wärme wird dann freigegeben, bevor der vorbestimmte Wert wieder erreicht ist. Dies führt dazu, dass die im Haus gespeicherte Wärme verwendet wird, um die Temperatur im Haus während kalter Nächte oben zu halten. Während des Tages nimmt der Bedarf für die Erwärmung aufgrund der höheren Außentemperatur, der Isolation und der erhöhten Abwärme vom Haushalt ab, wodurch die Temperatur wieder nur mit Unterstützung durch die Wärmepumpe ohne Zufügung zusätzlicher Wärme auf den vorbestimmten Wert ansteigen kann. In dieser Weise wird die Wärmepumpe nur als Wärmequelle einen längeren Zeitraum des Jahres genutzt als es ansonsten möglich wäre, und der Gesamtbedarf an Energie nimmt in Bezug auf ein System ab, in dem die Temperatur durch Unterstützung von zusätzlicher Wärme konstant gehalten wird. Die Verstärkung ist größer als mit der herkömmlichen Verringerung der Temperatur während der Nächte, wobei in diesem Fall die Temperatur während der Nächste tatsächlich im Haus verringert wird, aber gewöhnlich auch zum erneuten Aufwärmen des Hauses während des kältesten Zeitraums des Tages und der Nacht, und dann gezwungen wird, zusätzliche Wärme dafür zu verwenden.

Claims

Eine Abluftwärmepumpe, bei der ein Verhältnis zwischen einem Kondensordruck eines Kondensors (2) und einem Verdunstungsdruck eines Verdunsters (4) eingerichtet ist, kontinuierlich gesteuert zu werden, und dass die Leistung eines Kompressors (1) eingerichtet ist, reduziert zu sein, falls das Verhältnis einen vorgegebenen maximalen Wert überschreitet oder falls die erforderliche Wärme unter die Leistung der Wärmepumpe absinkt, wobei die reduzierte Nutzung einer Leistung des Kompressors (1) darin resultiert, dass die Wärmepumpe bei geringer und moderater Last mit relativ geringer Leistung betrieben wird und der durchschnittliche Wärmefaktor dadurch verbessert werden kann, wobei die Wärmepumpe einen Kühlkreislauf (K) umfasst, der an dem Verdunster (4) der Wärmepumpe eingerichtet ist, wobei die Wärmepumpe mit einem Kanal (17) zum Kühlen einer in dem Kanal verlaufenden Luftströmung durch den Verdunster verbunden ist, wobei der Kompressor (1) der Wärmepumpe mit einer variablen Leistung ausgestattet ist und den Druck eines zirkulierten Kühlmittels in dem Kühlkreislauf erhöht, wobei der Kondensor (2) der Wärmepumpe Wärme in Innenraumluft oder alternativ in abzweigendes oder zirkulierendes heißes Wasser (5) abgibt, und die Wärmepumpe des Weiteren ein in Verbindung mit dem Verdunster eingerichtetes Expansionsventil (3) umfasst, das Druck und Temperatur des Kühlmittels reduziert, bevor das Kühlmittel den Verdunster erreicht, wobei die Abluftwärmepumpe eine sekundäre Oberfläche des Verdunsters (4) von wenigstens 0,3 m² pro l/s Luftstrom umfasst, die mit dem Luftstrom in Kontakt steht, und dass die Abluftwärmepumpe eine Beziehung zwischen einer vorderen Oberfläche (A) und der Länge (L) des Verdunsters in der Richtung des Luftstroms aufweist, die die Bedingung A/(L·L) > 2 erfüllt.
Abluftwärmepumpe gemäß Anspruch 1, wobei mittels einer automatischen Steuerelektronik (8) auch die Verdunstungstemperatur gesteuert und die Leis tung des Kompressors (1) reduziert wird, falls der Wert der Verdunstungstemperatur unter einen vorgegebenen minimalen Wert sinkt.
Abluftwärmepumpe gemäß Anspruch 1, wobei der Verdunster einen Verdunstungskreislauf (14) umfasst, der aus einer gebildeten Rohrschlange aus Rohrleitungen für das zirkulierende Kühlmittel besteht, die zu einem Verdunster angeordnet ist, wobei sich ein erstes Drittel der Rohrschlange aus Rohrleitungen des Verdunsterkreislaufs gleichmäßig über die gesamte Verdunsteroberfläche erstreckt und dadurch einen vorteilhaften thermischen Kontakt mit der gesamten Verdunseroberfläche hat, wodurch eine große wirksame Verdunsteroberfläche bereitgestellt wird.
Abluftwärmepumpe nach Anspruch 1, wobei ein Diffusor (21) mit wenigstens zwei Zonen mit einem variierenden Strömungswiderstand in dem Kanal (17), der mit dem Verdunster (4) verbunden ist, eingerichtet ist.
Abluftwärmepumpe nach Anspruch 1, bei der Heißwasserkreisläufe jeweils zum Abzweigen und Zirkulieren von heißem Wasser, die mit dem Kondensor verbunden sind, thermisch getrennt sind, und die maximale Nutzung einer Leistung der Wärmepumpe eingerichtet ist, geringer zu sein, wenn die Wärmepumpe nur heißes Wasser erwärmt, als wenn die Wärmepumpe nur zirkulierendes Wasser erwärmt.
Abluftwärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistung des Kompressors eingerichtet ist, auf einen Wert reduziert zu sein, der so gering ist, dass die Verdunstung bei einer Temperatur auftritt, die oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegt.
Abluftwärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei der höchsten Leistung des Kompressors die Verdunstung bei einer Temperatur von < –10°C auftritt.
Abluftwärmepumpe nach Anspruch 1, bei der die Wärmepumpe mit einer Einrichtung zum Zuführen von zusätzlicher Wärme ausgestattet ist, und eine Innenraumtemperatur durch eine Rückkopplung der Innenraumtemperatur zu ei nem Temperatursensor (9) einer automatischen Steuerelektronik (8), die in der Abluftwärmepumpe eingerichtet ist, gesteuert wird, die die Rotationsgeschwindigkeit der Wärmepumpe und die zusätzliche Wärme steuert, wobei die automatische Steuerelektronik (8) eingerichtet ist, die Innenraumtemperatur auf einem voreingestellten Wert für eine derart lange Zeit im Wesentlichen konstant zu halten, dass die Wärmepumpe alleine eine ausreichende Wärmeleistung gleichzeitig damit bereitstellt, dass sie ermöglicht, dass die Innenraumtemperatur auf einen bestimmten Wert unterhalb des voreingestellten Wertes abfällt, bis die zusätzliche Wärme zugeführt ist.