EP0019124A1 - Heat pump and process for operating the same - Google Patents

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EP0019124A1
EP0019124A1 EP80102261A EP80102261A EP0019124A1 EP 0019124 A1 EP0019124 A1 EP 0019124A1 EP 80102261 A EP80102261 A EP 80102261A EP 80102261 A EP80102261 A EP 80102261A EP 0019124 A1 EP0019124 A1 EP 0019124A1
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EP
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condenser
evaporator
heat
compressor
heat pump
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Jochen Prof. Dr. Heisenberg
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B45/00—Arrangements for charging or discharging refrigerant
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    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/16—Receivers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F25B41/24—Arrangement of shut-off valves for disconnecting a part of the refrigerant cycle, e.g. an outdoor part

Definitions

  • the invention relates to a heat pump with an evaporator for a refrigerant, which transfers heat via a compressor to a condenser which is connected to the evaporator via a return line.
  • a heat pump system can essentially be divided into three task areas, namely the heat generation, the temperature increase in the heat pump center and the heat emission, for example to a room heating system. With suitable installations, the heat pump system collects heat from the environment, especially a solar system, and conducts it to Heat pump center, which contains the main parts of an evaporator, a compressor, a condenser and a control device.
  • the heat supplied is transferred to the heat pump circuit in the evaporator by causing a refrigerant circulating in the circuit, for example fluorocarbons, to evaporate.
  • a refrigerant circulating in the circuit for example fluorocarbons
  • the cooling medium absorbs the heat supplied and forwards it to the compressor.
  • the compressor which is driven by an electric, gas, diesel or Stirling engine, compresses the refrigerant using energy and heats it up. The pressure is increased until the temperature required for the space heating system is reached.
  • the warmed refrigerant is liquefied again in the condenser and the heat released is transferred to the room heating system.
  • the refrigerant is brought back to the pressure of the evaporator by means of a controlled throttle device in the return line and the process in the heat pump circuit can begin again at the evaporator.
  • the refrigerant undergoes a thermodynamic process between the evaporation temperature T a and the condensation temperature T i , the amount of heat given off by the condenser to the heating system depending on the mechanical work and the coefficient of performance ⁇ of the heat pump.
  • the coefficient of performance ⁇ is made up of the thermodynamic or Carnot coefficient of performance ⁇ c and the energy efficiency ⁇ of the heat pump.
  • the temperatures in the evaporator and in the condenser are decisive for the energy to be used.
  • the temperature in the condenser remains as close as possible to the temperature of the rooms to be heated, you need as is well known, a large heating area. It is therefore possible to provide the ceiling and floor as well as the walls in the rooms to be heated with a heating pipe system (German layout specification 20 52 761).
  • the invention is based on the object of creating a heat pump in which these cycle losses are practically avoided.
  • the return line contains an exchange vessel which forms a separate circuit for the refrigerant in series with the evaporator and the compressor and with the compressor and the condenser.
  • the pressure and temperature of the exchange vessel are initially kept at the level of the evaporator, and the refrigerant from the compressor is pumped from the evaporator into the condenser until the liquid level in the condenser reaches an adjustable upper value.
  • the pressure in the exchange vessel is brought to the pressure in the condenser and then the refrigerant from the condenser is led into the exchange vessel until the liquid level in the condenser reaches an adjustable lower limit. Then the steam is pumped from the exchange vessel into the condenser. As soon as the vapor pressure in the exchange vessel reaches the pressure in the evaporator, the refrigerant is led from the exchange vessel into the evaporator.
  • the exchange vessel is connected to the evaporator and the drain of the condenser via a controllable valve.
  • the supply line from the evaporator to the compressor and the discharge line from the compressor to the condenser also each contain a controllable valve.
  • the exchange vessel is connected to both the inlet of the compressor and the outlet of the compressor via a controllable valve.
  • the sequence control is carried out by a common control device.
  • the valves are therefore equipped with a controllable electric drive.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the heat pump according to the invention.
  • the connection of the heat pump to a heat source and a heating system is shown in Figure 2.
  • Figure 3 the energy efficiency ⁇ of the heat pump is illustrated in a diagram.
  • a heat pump 2 contains an evaporator 4, a compressor 6 with a drive motor 8 and a condenser 10.
  • the supply line 12 to the compressor 6 is connected to the evaporator 4 via a controllable valve 14 and a pipeline (not specified).
  • the discharge line 16 from the compressor 6 is connected to the condenser 10 via a controllable valve 18 as well as a pipeline (not specified).
  • the return line from the condenser 10 to the evaporator 2 contains an exchange vessel 20, which is connected to the evaporator 2 and the condenser 10 via a controllable valve 22 and 24, respectively.
  • the exchange vessel 20 is connected via a controllable valve 26 and 28 to the feed line 12 to the compressor 6 and the discharge line 16 from the compressor 6.
  • a common control device 30 is assigned to the valves 14, 18, 22 and 24 as well as 26 and 28, the electrical control lines of which are only indicated in the figure as dashed lines of action.
  • the heat pump 2 contains a medium, the so-called refrigerant, which takes over the heat transport from the evaporator 4 via the compressor 6 to the condenser 10.
  • the liquid level of the refrigerant is indicated in the evaporator 4 above the unspecified pipe system and in the condenser 10 below the pipe system. There, a minimum limit value for the liquid level is also designated with A and a maximum limit value with B.
  • valves 14, 26 and 18 Due to the special mode of operation of the heat pump 2 with the exchange vessel 20, cycle losses within the heat pump are largely avoided by first opening the valves 14, 26 and 18 and the refrigerant from the compressor 6 from the evaporator 4 via the valve 14, the feed line 12, the discharge line 16 and the valve 18 are pumped to the condenser 10. Since the valve 26 is open, the exchange is located Barrel 20 at the temperature and pressure level of the evaporator 4. When the liquid level in the condenser 10 reaches the upper limit value B, the second section of the working cycle begins. Valves 18 and 26 are closed and valve 28 is opened. The pressure in the exchange vessel 20 rises. As soon as the pressure in the exchange vessel 20 reaches the pressure in the condenser 10, the valves 18 and 24 are additionally opened. The refrigerant flows under the effect of its gravity from the condenser 10 via the valve 24 into the exchange vessel 20. As soon as the liquid level in the condenser 10 reaches its lower limit value A, the valve 24 is closed again and the
  • valves 14 and 28 are closed and valve 26 is opened again.
  • the compressor 6 now pumps vaporous refrigerant from the exchange vessel 20 through the valves 18 and 26 into the condenser 10.
  • the refrigerant cools down in the exchange vessel 20 and the vapor pressure drops. If the temperature and pressure level of the evaporator 4 is reached in the exchange vessel 20, the last section in the working cycle begins.
  • the valves 14 and 22 are opened and the refrigerant flows under the effect of its gravity from the exchange vessel 20 back into the evaporator 4 via the valve 22.
  • the valve 22 is then closed and the valve 18 is opened again and a new work cycle for the refrigerant circuit begins.
  • a heat absorber 40 can preferably be provided for the heat pump 2 as a heat source, which essentially consists of a pipe system for guiding a heat carrier with a feed pipe 42 and a discharge pipe 44 and pipes 46 arranged parallel to one another, which have hanging, lamella-like.
  • Plates 48 made of a good heat-conducting material, for example aluminum, are provided.
  • the plates 48 form a large heat exchanger area. They are used to absorb heat from the ambient air and also to absorb solar energy. They therefore form both an air heat exchanger and a solar collector and the air flows around them without substantial thermal insulation.
  • a circulation pump 49 is provided in the flow line of the primary circuit, which is not described in any more detail.
  • the temperature of the heat transfer medium for example brine
  • the ambient temperature so that heat can be absorbed from the air via the fins.
  • a temperature difference of about 3 to 10 ° C between the absorber fins and the outside air is sufficient.
  • solar absorber 40 In the figure, only a single solar absorber 40 is shown, which is to be arranged on a house roof. In the practical embodiment of the heat pump system, a larger number of such solar absorbers will generally be provided in the primary circuit of the heat pump. This embodiment of the solar absorber 40 has a relatively large area and the absorption of solar energy is greater in winter than in summer. The desired higher room temperatures during the day compared to the night correspond to the level of solar radiation. Cold days in particular are generally clear; The direct use of solar energy therefore has a positive effect, especially on cold days.
  • a space heater is connected to the condenser 10 of the heat pump, which is designed as a surface heating system 50 and contains tubes 52, which can be arranged, for example, in the inner part of a double-walled outer wall of a room to be heated, the two part walls of which are separated by a heat-insulating intermediate layer.
  • the pipes 52 of the surface heating system can also be divided into groups, which can be arranged in part in the wall and in the floor or in the ceiling of the room to be heated.
  • a heating medium flows through them in the heating circuit, for which a circulation pump 54 is provided.
  • a small temperature difference of approximately 2 to 6 ° C between the heat transfer medium and the room temperature is sufficient.
  • the pipe systems of which are arranged not only in the floor and possibly the ceiling of the room to be heated, but also in the walls, and in which one then uses a temperature of the heat carrier for room temperatures of approximately 20 ° C. of around 22 ° C., the mean value of the coefficient of performance ⁇ can even be increased to at least 6.

Abstract

1. A heat pump having a vaporizer (4) for a coolant which transfers heat by way of a compressor (6) to a condenser (10) which is connected to the vaporizer (4) by a return line, characterised in that, in the return line, there is arranged an exchange vessel (20) which by means of controllable valves (14, 22, 28 and 18, 24, 26) forms a separate circuit for the coolant, respectively in series with the vaporizer (4) and the compressor (6), or the compressor (6) and the condenser (10), and which is so arranged in the return line that the coolant can be transferable from the condenser (10) into the exchange vessel (20) and thence into the vaporizer (4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer für ein Kältemittel, das über einen Verdichter Wärme zu einem Kondensator überträgt, der über eine Rückleitung mit dem Verdampfer verbunden ist.The invention relates to a heat pump with an evaporator for a refrigerant, which transfers heat via a compressor to a condenser which is connected to the evaporator via a return line.

Durch Sonneneinstrahlung und die Tatsache, daß bei jedem Energieverbrauch Wärme an die Umwelt abgegeben wird, steht in der Luft, im Wasser und im Erdreich immer Wärme zur Verfügung. Das Temperaturniveau dieser Wärme ist jedoch so niedrig, daß sie zur Raumheizung im allgemeinen nicht verwendet werden kann. Diese Erhöhung der Temperatur übernimmt die Wärmepumpe. Eine Wärmepumpenanlage kann bekanntlich im wesentlichen in drei Aufgabenbereiche unterteilt werden, nämlich die Wärmegewinnung, die Temperaturerhöhung in der Wärmepumpenzentrale und die Wärmeabgabe, beispielsweise an ein Raumheizungssystem. Mit geeigneten Installationen sammelt die Wärmepumpenanlage aus der Umgebung, insbesondere einer Solaranlage, Wärme und leitet.sie zur Wärmepumpenzentrale, die als Hauptteile einen Verdampfer, einen Kompressor sowie einen Kondensator und eine Regeleinrichtung enthält.Due to the sun's rays and the fact that heat is released to the environment with every energy consumption, heat is always available in the air, in water and in the ground. However, the temperature level of this heat is so low that it cannot generally be used for space heating. The heat pump takes over this increase in temperature. As is well known, a heat pump system can essentially be divided into three task areas, namely the heat generation, the temperature increase in the heat pump center and the heat emission, for example to a room heating system. With suitable installations, the heat pump system collects heat from the environment, especially a solar system, and conducts it to Heat pump center, which contains the main parts of an evaporator, a compressor, a condenser and a control device.

Die zugeführte Wärme wird im Verdampfer auf den Kreislauf der Wärmepumpe übertragen, indem ein im Kreislauf zirkulierendes Kältemittel, beispielsweise Fluor-Kohlenwasserstoffe, zum Verdampfen gebracht wird. Dadurch nimmt das Kältemedium die zugeführte Wärme auf und leitet sie zum Kompressor weiter. Der von einem Elektro-, Gas-, Diesel- oder auch Stirlingmotor angetriebene Kompressor verdichtet das Kältemittel unter Aufwendung von Energie und erwärmt es. Der Druck wird erhöht, bis die für das Raumheizungssystem benötigte Temperatur erreicht ist. Im Kondensator wird das erwärmte Kältemittel wieder verflüssigt und die dadurch freiwerdende Wärme auf das Raumheizungssystem übertragen. Durch eine in der Rückleitung angeordnete gesteuerte Drosseleinrichtung wird das Kältemittel wieder auf den Druck des Verdampfers gebracht und der Vorgang im Kreislauf der Wärmepumpe kann beim Verdampfer von neuem beginnen.The heat supplied is transferred to the heat pump circuit in the evaporator by causing a refrigerant circulating in the circuit, for example fluorocarbons, to evaporate. As a result, the cooling medium absorbs the heat supplied and forwards it to the compressor. The compressor, which is driven by an electric, gas, diesel or Stirling engine, compresses the refrigerant using energy and heats it up. The pressure is increased until the temperature required for the space heating system is reached. The warmed refrigerant is liquefied again in the condenser and the heat released is transferred to the room heating system. The refrigerant is brought back to the pressure of the evaporator by means of a controlled throttle device in the return line and the process in the heat pump circuit can begin again at the evaporator.

Das Kältemittel durchläuft einen thermodynamischen Prozeß zwischen der Verdampfungstemperatur Ta und der Kondensationstemperatur Ti, wobei die vom Kondensator an das Heizungssystem abgegebene Wärmemenge von der mechanischen Arbeit und der Leistungszahl ε der Wärmepumpe abhängt. Die Leistungszahl ε setzt sich zusammen aus der thermodynamischen oder Carnot'schen Leistungszahl εc und dem energetischen Wirkungsgrad η der Wärmepumpe.The refrigerant undergoes a thermodynamic process between the evaporation temperature T a and the condensation temperature T i , the amount of heat given off by the condenser to the heating system depending on the mechanical work and the coefficient of performance ε of the heat pump. The coefficient of performance ε is made up of the thermodynamic or Carnot coefficient of performance ε c and the energy efficiency η of the heat pump.

Für die aufzuwendende Energie sind die Temperaturen im Verdampfer und im Kondensator maßgebend. Damit die Temperatur im Kondensator möglichst dicht über der Temperatur der zu heizenden Räume bleibt, braucht man bekanntlich eine große Heizfläche. Es können deshalb in den zu beheizenden Räumen die Decke und der Fußboden sowie gegebenenfalls auch die Wände mit einem Heizrohrsystem versehen werden (deutsche Auslegeschrift 20 52 761).The temperatures in the evaporator and in the condenser are decisive for the energy to be used. To ensure that the temperature in the condenser remains as close as possible to the temperature of the rooms to be heated, you need as is well known, a large heating area. It is therefore possible to provide the ceiling and floor as well as the walls in the rooms to be heated with a heating pipe system (German layout specification 20 52 761).

Ein wesentlicher Verlust entsteht nun durch die Abweichung des Kreisprozesses der Wärmepumpe vom Carnot'schen Kreisprozeß. Diese Abweichung wird im wesentlichen verursacht durch die Drosselung, weil dann bei der Expansion Dampf entsteht. Die Verdampfungswärme kühlt die expandierende Flüssigkeit ab. Bei der Expansion des Dampfes wird jedoch die geleistete Arbeit nicht zurückgewonnen, sondern in Wärme umgesetzt. Man expandiert auf einer Linie konstanter Enthalpie, jedoch nicht auf einer Linie konstanter Entropie. Diesen Verlust kann man durch die Wahl eines Kühlmediums, dessen spezifische Wärme dividiert durch die Verdampfungswärme möglichst klein wird, zwar vermindern, jedoch nicht ausschließen.A significant loss now arises from the deviation of the heat pump cycle from Carnot's cycle. This deviation is essentially caused by the throttling because steam is then generated during expansion. The heat of vaporization cools the expanding liquid. When the steam expands, however, the work done is not recovered, but converted into heat. You expand on a line of constant enthalpy, but not on a line of constant entropy. This loss can be reduced by choosing a cooling medium, the specific heat of which is divided as small as possible by the heat of vaporization, but it cannot be excluded.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe zu schaffen, bei der diese KreisprozeB-Verluste praktisch vermieden werden.The invention is based on the object of creating a heat pump in which these cycle losses are practically avoided.

Diese Aufgabe wird bei einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rückleitung ein Austauschgefäß enthält, das jeweils in Reihe mit dem Verdampfer und dem Verdichter sowie mit dem Verdichter und dem Kondensator einen getrennten Kreislauf für das Kältemittel bildet. In dieser Wärmepumpenanlage wird in einem Arbeitszyklus zwar ebenfalls keine Arbeit zurückgewonnen, aber im Betrieb eingespart und dadurch werden die Kreisprozeßverluste entsprechend begrenzt. Druck und Temperatur des Austauschgefäßes werden zunächst auf dem Niveau des Verdampfers gehalten, und das Kältemittel vom Verdichter aus dem Verdampfer in den Kondensator gepumpt, bis der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator einen einstellbaren oberen wert erreicht. Anschließend wird der Druck im Austauschgefäß auf den Druck im Kondensator gebracht und dann das Kältemittel aus dem Kondensator in das Austauschgefäß geführt, bis der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator einen einstellbaren unteren Grenzwert erreicht. Dann wird der Dampf aus dem Austauschgefäß in den Kondensator gepumpt. Sobald der Dampfdruck im Austauschgefäß den Druck im Verdampfer erreicht, wird das Kältemittel aus dem Austauschgefäß in den Verdampfer geleitet.This object is achieved according to the invention in a heat pump of the type mentioned at the outset in that the return line contains an exchange vessel which forms a separate circuit for the refrigerant in series with the evaporator and the compressor and with the compressor and the condenser. In this heat pump system, no work is recovered in one work cycle either, but it is saved in operation and the cycle losses are accordingly limited. The pressure and temperature of the exchange vessel are initially kept at the level of the evaporator, and the refrigerant from the compressor is pumped from the evaporator into the condenser until the liquid level in the condenser reaches an adjustable upper value. Then the pressure in the exchange vessel is brought to the pressure in the condenser and then the refrigerant from the condenser is led into the exchange vessel until the liquid level in the condenser reaches an adjustable lower limit. Then the steam is pumped from the exchange vessel into the condenser. As soon as the vapor pressure in the exchange vessel reaches the pressure in the evaporator, the refrigerant is led from the exchange vessel into the evaporator.

Das Austauschgefäß ist jeweils über ein steuerbares Ventil mit dem Verdampfer und dem Abfluß des Kondensators verbunden. Die Zuleitung vom Verdampfer zum Verdichter und die Ableitung vom Verdichter zum Kondensator enthalten ebenfalls jeweils ein steuerbares Ventil. Das Austauschgefäß ist jeweils über ein steuerbares Ventil sowohl mit dem Eingang des Kompressors als auch mit dem Ausgang des Kompressors verbunden. Die Ablaufsteuerung übernimmt eine gemeinsame Steuereinrichtung. Die Ventile sind deshalb mit einem steuerbaren elektrischen Antrieb versehen.The exchange vessel is connected to the evaporator and the drain of the condenser via a controllable valve. The supply line from the evaporator to the compressor and the discharge line from the compressor to the condenser also each contain a controllable valve. The exchange vessel is connected to both the inlet of the compressor and the outlet of the compressor via a controllable valve. The sequence control is carried out by a common control device. The valves are therefore equipped with a controllable electric drive.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Blockschaltbild der Wärmepumpe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Der Anschluß der Wärmepumpe an eine Wärmequelle und ein Heizungssystem ist in Figur 2 dargestellt. In Figur 3 ist der energetische Wirkungsgrad η der Wärmepumpe in einem Diagramm veranschaulicht.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which FIG. 1 shows a block diagram of the heat pump according to the invention. The connection of the heat pump to a heat source and a heating system is shown in Figure 2. In Figure 3, the energy efficiency η of the heat pump is illustrated in a diagram.

Nach Figur 1 enthält eine Wärmepumpe 2 einen Verdampfer 4, einen Verdichter 6 mit einem Antriebsmotor 8 und einen Kondensator 10. Die Zuleitung 12 zum Verdichter 6 ist über ein steuerbares Ventil 14 sowie eine nicht näher bezeichnete Rohrleitung mit dem Verdampfer 4 verbunden. In gleicher Weise ist die Ableitung 16 vom Verdichter 6 über ein steuerbares Ventil 18 sowie eine nicht näher bezeichnete Rohrleitung mit dem Kondensator 10 verbunden. Die Rückleitung vom Kondensator 10 zum Verdampfer 2 enthält ein Austauschgefäß 20, das jeweils über ein steuerbares Ventil 22 und 24 mit dem Verdampfer 2 bzw. dem Kondensator 10 verbunden ist. Ferner ist das Austauschgefäß 20 jeweils über ein steuerbares Ventil 26 und 28 mit der Zuleitung 12 zum Verdichter 6 bzw. der Ableitung 16 vom Verdichter 6 verbunden. Den Ventilen 14, 18, 22 und 24 sowie 26 und 28 ist eine gemeinsame Steuereinrichtung 30 zugeordnet, deren elektrische Steuerleitungen in der Figur lediglich als gestrichelte Wirkungslinien angedeutet sind.According to Figure 1, a heat pump 2 contains an evaporator 4, a compressor 6 with a drive motor 8 and a condenser 10. The supply line 12 to the compressor 6 is connected to the evaporator 4 via a controllable valve 14 and a pipeline (not specified). In the same way, the discharge line 16 from the compressor 6 is connected to the condenser 10 via a controllable valve 18 as well as a pipeline (not specified). The return line from the condenser 10 to the evaporator 2 contains an exchange vessel 20, which is connected to the evaporator 2 and the condenser 10 via a controllable valve 22 and 24, respectively. Furthermore, the exchange vessel 20 is connected via a controllable valve 26 and 28 to the feed line 12 to the compressor 6 and the discharge line 16 from the compressor 6. A common control device 30 is assigned to the valves 14, 18, 22 and 24 as well as 26 and 28, the electrical control lines of which are only indicated in the figure as dashed lines of action.

Die Wärmepumpe 2 enthält ein Medium, das sogenannte Kältemittel, das den Wärmetransport vom Verdampfer 4 über den Verdichter 6 zum Kondensator 10 übernimmt. Der Flüssigkeitsspiegel des Kältemittels ist im Verdampfer 4 oberhalb des nicht näher bezeichneten Rohrsystems und im Kondensator 10 unterhalb des Rohrsystems angedeutet. Dort ist außerdem noch jeweils ein minimaler Grenzwert für den Flüssigkeitsspiegel mit A und ein maximaler Grenzwert mit B bezeichnet.The heat pump 2 contains a medium, the so-called refrigerant, which takes over the heat transport from the evaporator 4 via the compressor 6 to the condenser 10. The liquid level of the refrigerant is indicated in the evaporator 4 above the unspecified pipe system and in the condenser 10 below the pipe system. There, a minimum limit value for the liquid level is also designated with A and a maximum limit value with B.

Durch die besondere Betriebsweise der Wärmepumpe 2 mit dem Austauschgefäß 20 werden Kreisprozeß-Verluste innerhalb der Wärmepumpe weitgehend vermieden, indem zunächst die Ventile 14, 26 und 18 geöffnet und das Kältemittel vom Verdichter 6 aus dem Verdampfer 4 über das Ventil 14, die Zuleitung 12, die Ableitung 16 und das Ventil 18 zum Kondensator 10 gepumpt wird. Da das Ventil 26 offen ist, befindet sich das Austauschgefäß 20 auf dem Temperatur- und Druckniveau des Verdampfers 4. Erreicht der FlüssigkeitsspiegEl im Kondensator 10 den oberen Grenzwert B, so beginnt der zweite Abschnitt des Arbeitszyklus. Die Ventile 18 und 26 werden geschlossen und das Ventil 28 geöffnet. Der Druck im Austauschgefäß 20 steigt en. Sobald der Druck im Austauschgefäß 20 den Druck im Kondensator 10 erreicht, werden die Ventile 18 und 24 zusätzlich geöffnet. Das Kältemittel fließt unter der Wirkung seiner Schwerkraft vom Kondensator 10 über das Ventil 24 in das Austauschgefäß 20. Sobald der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator 10 seinen unteren Grenzwert A erreicht, wird das Ventil 24 wieder geschlossen und der zweite Abschnitt ist beendet.Due to the special mode of operation of the heat pump 2 with the exchange vessel 20, cycle losses within the heat pump are largely avoided by first opening the valves 14, 26 and 18 and the refrigerant from the compressor 6 from the evaporator 4 via the valve 14, the feed line 12, the discharge line 16 and the valve 18 are pumped to the condenser 10. Since the valve 26 is open, the exchange is located Barrel 20 at the temperature and pressure level of the evaporator 4. When the liquid level in the condenser 10 reaches the upper limit value B, the second section of the working cycle begins. Valves 18 and 26 are closed and valve 28 is opened. The pressure in the exchange vessel 20 rises. As soon as the pressure in the exchange vessel 20 reaches the pressure in the condenser 10, the valves 18 and 24 are additionally opened. The refrigerant flows under the effect of its gravity from the condenser 10 via the valve 24 into the exchange vessel 20. As soon as the liquid level in the condenser 10 reaches its lower limit value A, the valve 24 is closed again and the second section is ended.

Im dritten Abschnitt des Arbeitszyklus werden die Ventile 14 und 28 geschlossen und das Ventil 26 wieder geöffnet. Der Verdichter 6 pumpt nun aus dem Austauschgefäß 20 dampfförmiges Kältemittel über die Ventile 18 und 26 in den Kondensator 10. Dabei kühlt sich das Kältemittel im Austauschgefäß 20 ab und der Dampfdruck sinkt. Ist im Austauschgefäß 20 das Temperatur- und Druckniveau des Verdampfers 4 erreicht, so beginnt der letzte Abschnitt im Arbeitszyklus. Die Ventile 14 und 22 werden geöffnet und das Kältemittel fließt unter der Wirkung seiner Schwerkraft aus dem Austauschgefäß 20 über das Ventil 22 in den Verdampfer 4 zurück. Anschließend wird das Ventil 22 geschlossen und das Ventil 18 wieder geöffnet und es beginnt ein neuer Arbeitszyklus für den Kältemittelkreislauf.In the third section of the working cycle, valves 14 and 28 are closed and valve 26 is opened again. The compressor 6 now pumps vaporous refrigerant from the exchange vessel 20 through the valves 18 and 26 into the condenser 10. The refrigerant cools down in the exchange vessel 20 and the vapor pressure drops. If the temperature and pressure level of the evaporator 4 is reached in the exchange vessel 20, the last section in the working cycle begins. The valves 14 and 22 are opened and the refrigerant flows under the effect of its gravity from the exchange vessel 20 back into the evaporator 4 via the valve 22. The valve 22 is then closed and the valve 18 is opened again and a new work cycle for the refrigerant circuit begins.

Die Einsparung von Energie ergibt sich im dritten Arbeitsabschnitt, bei dem nur über sehr geringe Druckunterschiede gepumpt werden muß. Während dieses Arbeitsabschnittes wird weniger Energie verbraucht, obgleich eine größere Dampfmenge zum Kondensator 10 gefördert wird. Da das Kältemittel im Kreislauf an keiner Stelle frei expandieren kann und auch keine Wärme durch das Kältemittel zum Verdampfer 4 zurückgeführt wird, können auch keine Kreislaufverluste auftreten. Die Wärmeaufnahme aus der Wärmequelle durch den Verdampfer 4 findet nur im ersten und zweiten sowie dem vierten Arbeitsabschnitt statt. Da nun in kürzerer Zeit die gleiche Wärmemenge aufgenommen werden muß, wird der Durchfluß auf der Primärseite entsprechend erhöht und gegebenenfalls ein größerer Wärmetauscher vorgesehen.The saving of energy results in the third working section, in which only very small pressure differences have to be pumped. Less energy is consumed during this stage of operation, although a greater amount of steam is supplied to the condenser 10 is promoted. Since the refrigerant cannot expand freely at any point in the circuit and no heat is returned to the evaporator 4 by the refrigerant, no circuit losses can occur. The heat absorption from the heat source by the evaporator 4 takes place only in the first and second and the fourth working section. Since the same amount of heat must now be absorbed in a shorter time, the flow on the primary side is increased accordingly and, if necessary, a larger heat exchanger is provided.

Für die Wärmepumpe 2 kann nach Figur 2 als Wärmequelle vorzugsweise ein Solarabsorber 40 vorgesehen sein, der im wesentlichen aus einem Rohrsystem zur Führung eines Wärmeträgers mit einem Zuleitungsrohr 42 sowie einem Ableitungsrohr 44 und parallel zueinander angeordneten Rohren 46 besteht, die mit hängenden, lamellenartigen . Platten 48 aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium, versehen sind. Die Platten 48 bilden eine große Wärmetauscherfläche. Sie dienen zur Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft und auch zur Absorption eingestrahlter Solarenergie. Sie bilden somit sowohl einen Luft-Wärmetauscher als auch einen Sonnenkollektor und werden ohne wesentliche Wärmeisolierung von der Luft umströmt. Für die Umwälzung des Wärmeträgers im Primärkreislauf ist eine Umwälzpumpe 49 in der nicht näher bezeichneten Vorlaufleitung des Primärkreislaufes vorgesehen.According to FIG. 2, a heat absorber 40 can preferably be provided for the heat pump 2 as a heat source, which essentially consists of a pipe system for guiding a heat carrier with a feed pipe 42 and a discharge pipe 44 and pipes 46 arranged parallel to one another, which have hanging, lamella-like. Plates 48 made of a good heat-conducting material, for example aluminum, are provided. The plates 48 form a large heat exchanger area. They are used to absorb heat from the ambient air and also to absorb solar energy. They therefore form both an air heat exchanger and a solar collector and the air flows around them without substantial thermal insulation. For the circulation of the heat transfer medium in the primary circuit, a circulation pump 49 is provided in the flow line of the primary circuit, which is not described in any more detail.

Bei fehlender Sonneneinstrahlung muß die Temperatur des Wärmeträgers, beispielsweise einer Sole, tiefer sein als die Umgebungstemperatur, damit aus der Luft über die Lamellen Wärme aufgenommen werden kann. Eine Temperaturdifferenz von etwa 3 bis 10°C zwischen den Absorberlamellen und der Außenluft ist ausreichend.In the absence of sunlight, the temperature of the heat transfer medium, for example brine, must be lower than the ambient temperature so that heat can be absorbed from the air via the fins. A temperature difference of about 3 to 10 ° C between the absorber fins and the outside air is sufficient.

In der Figur ist nur ein einzelner Solarabsorber 40 dargestellt, der auf einem Hausdach angeordnet sein soll. In der praktischen Ausführungsform der Wärmepumpenanlage wird im allgemeinen eine größere Anzahl solcher Solarabsorber im Primärkreislauf der Wärmepumpe vorgesehen sein. Diese Ausführungsform des Solarabsorbers 40 het eine verhältnismäßig große Fläche und die Absorption von Solarenergie ist im Winter größer als im Sommer. Die erwünschten höheren Raumtemperaturen am Tage gegenüber der Nach entsprechen zeitlich dem Einstrahlungsniveau der Sonnenstrahlung. Besonders kalte Tage sind im allgemeinen klar; die direkte Nutzung der Sonnenenergie wirkt sich somit gerade an kalten Tagen günstig aus.In the figure, only a single solar absorber 40 is shown, which is to be arranged on a house roof. In the practical embodiment of the heat pump system, a larger number of such solar absorbers will generally be provided in the primary circuit of the heat pump. This embodiment of the solar absorber 40 has a relatively large area and the absorption of solar energy is greater in winter than in summer. The desired higher room temperatures during the day compared to the night correspond to the level of solar radiation. Cold days in particular are generally clear; The direct use of solar energy therefore has a positive effect, especially on cold days.

An den Kondensator 10 der Wärmepumpe ist eine Raumheizung angeschlossen, die als Flächenheizu ngssystem 50 gestaltet ist und Rohre 52 enthält, die beispielsweise im inneren Teil einer doppelwandig ausgeführten Außenwand eines zu heizenden Raumes angeordnet sein können, deren beide Teilwände durch eine wärmeisolierende Zwischenlage getrennt sind.A space heater is connected to the condenser 10 of the heat pump, which is designed as a surface heating system 50 and contains tubes 52, which can be arranged, for example, in the inner part of a double-walled outer wall of a room to be heated, the two part walls of which are separated by a heat-insulating intermediate layer.

Ferner können die Rohre 52 der Flächenheizung auch in Gruppen aufgeteilt sein, die zum Teil in der Wand sowie im Boden oder auch in der Decke des zu heizenden Raumes angeordnet sein können. Sie werden im Heizungskreislauf von einem Wärmeträger durchströmt, für den eine Umwälzpumpe 54 vorgesehen ist. In einem derartigen Flächenheizungssystem ist eine geringe Temperaturdifferenz von etwa 2 bis 6°C zwischen dem Wärmeträger und der Raumtemperatur ausreichend.Furthermore, the pipes 52 of the surface heating system can also be divided into groups, which can be arranged in part in the wall and in the floor or in the ceiling of the room to be heated. A heating medium flows through them in the heating circuit, for which a circulation pump 54 is provided. In such a surface heating system, a small temperature difference of approximately 2 to 6 ° C between the heat transfer medium and the room temperature is sufficient.

Aus dem Diagramm nach Figur 3, in dem der energetische Wirkungsgrad η der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Außentemperatur T aufgetragen ist, kann man den Einfluß der verschiedenen Verlustfaktoren entnehmen. Den mit abnehmender Außentemperatur entsprechend abnehmendem Wirkungsgrad einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik zeigt die Kurve a. Der innere Wirkungsgrad des Verdichters 6 mit beispielsweise 62 % ist nach der Kurve b unabhängig von der Außentemperatur etwa kQn-stant. Unter Berücksichtigung der Wärmetauscherverluste erhält man den gesamten Wirkungsgrad nach der Kurve c. Dabei ist angenommen, daß die Wärmeleistung gerade so groß ist, daß an beiden Wärmetauschern ein Temperatursprung von etwa 3°C auftritt. Für eine Außentemperatur von -10°C erhält man damit eine Leistungszahl ε der konventionellen Wärmepumpe von etwa 3,57.The influence can be seen from the diagram according to FIG. 3, in which the energy efficiency η of the heat pump is plotted as a function of the outside temperature T. of the various loss factors. The curve a shows the correspondingly decreasing efficiency of a heat pump according to the prior art as the outside temperature decreases. The internal efficiency of the compressor 6, for example 62%, is approximately k Q n-constant according to curve b, regardless of the outside temperature. Taking into account the heat exchanger losses, the total efficiency according to curve c is obtained. It is assumed that the heat output is just so great that a temperature jump of about 3 ° C occurs at both heat exchangers. For an outside temperature of -10 ° C you get a coefficient of performance ε of the conventional heat pump of around 3.57.

Dagegen erhält man mit einem verbesserten Verdichter 6, dessen innerer Wirkungsgrad beispielsweise 72 % betragen soll, und der Wärmepumpe 2 mit dem Austauschgefäß 20 nach Figur 1 und der angegebenen Betriebsweise mit entsprechender Verminderung der Verdichterantriebsleistung einen verbesserten energetischen Wirkungsgrad η der Wärmepumpe nach der Kurve d und damit eine Erhöhung der Leistungszahl E auf 4,8.In contrast, with an improved compressor 6, the internal efficiency of which should be, for example, 72%, and the heat pump 2 with the exchange vessel 20 according to FIG. 1 and the specified mode of operation with a corresponding reduction in the compressor drive power, an improved energy efficiency η of the heat pump according to the curve d and thus an increase in the coefficient of performance E to 4.8.

In Verbindung mit einem Flächenheizungssystem 50 nach Figur 2, dessen Rohrsysteme nicht nur im Boden und gegebenenfalls der Decke des zu heizenden Raumes, sondern auch in den Wänden angeordnet sind, und bei denen man dann für Zimmertemperaturen von etwa 20°C mit einer Temperatur des Wärmeträgers von etwa 220C auskommt, läßt sich der Mittelwert der Leistungszahl ε sogar auf wenigstens 6 steigern.In connection with a surface heating system 50 according to FIG. 2, the pipe systems of which are arranged not only in the floor and possibly the ceiling of the room to be heated, but also in the walls, and in which one then uses a temperature of the heat carrier for room temperatures of approximately 20 ° C. of around 22 ° C., the mean value of the coefficient of performance ε can even be increased to at least 6.

Claims (3)

1. Wärmepumpe mit einem Verdampfer für ein Kältemittel, das über einen Verdichter Wärme zu einem Kondensator überträgt, der über eine Rückleitung mit dem Verdampfer verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückleitung ein Austauschgefäß (20) vorgesehen ist, das jeweils in Reihe mit dem Verdampfer (2) und dem Verdichter (4) sowie mit dem Verdichter (4) und dem Kondensator (10) einen getrennten Kreislauf für das Kältemittel bildet.1. Heat pump with an evaporator for a refrigerant, which transfers heat to a condenser via a compressor, which is connected via a return line to the evaporator, characterized in that an exchange vessel (20) is provided in the return line, each in series with the evaporator (2) and the compressor (4) and with the compressor (4) and the condenser (10) forms a separate circuit for the refrigerant. 2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle für den Verdampfer (2) wenigstens ein Solarabsorber vorgesehen ist.2. Heat pump according to claim 1, characterized in that at least one solar absorber is provided as the heat source for the evaporator (2). 3. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, a) daß während das Kühlmittel vom Verdichter (4) aus dem Verdampfer (2) in den Kondensator (10) gepumpt wird, der Druck und die Temperatur des Austauschgefäßes (20) auf dem Niveau des Verdampfers (2) gehalten werden, bis der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator (10) einen einstellbaren oberen Grenzwert (B) erreicht, b) daß anschließend der Druck im Austauschgefäß (20) auf den Druck im Kondensator (10) gebracht und dann das Kältemittel aus dem Kondensator (10) in das Austauschgefäß (20) geführt wird, bis der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator (10) einen einstellbaren unteren Grenzwert (A) erreicht und c) daß dann dampfförmiges Kältemittel aus dem Austauschgefäß (20) in den Kondensator (10) gepumpt wird, bis der Dampfdruck im Austauschgefäß den Druck im Verdampfer (2) erreicht und d) daß dann das Kältemittel aus dem Austauschgefäß (20) in den Verdampfer (2) geleitet wird. 3. A method for operating a heat pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that a) that while the coolant from the compressor (4) is pumped out of the evaporator (2) into the condenser (10), the pressure and the temperature of the exchange vessel (20) are kept at the level of the evaporator (2) until the liquid level an adjustable upper limit value (B) is reached in the capacitor (10), b) that the pressure in the exchange vessel (20) is then brought to the pressure in the condenser (10) and then the refrigerant from the condenser (10) is led into the exchange vessel (20) until the liquid level in the condenser (10) has an adjustable lower one Limit (A) reached and c) that vaporous refrigerant is then pumped from the exchange vessel (20) into the condenser (10) until the vapor pressure in the exchange vessel Pressure in the evaporator (2) reached and d) that the refrigerant is then passed from the exchange vessel (20) into the evaporator (2).
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