EP1582826B1 - Wärmepumpe und Verfahren zur zyklischen Dampfkompression - Google Patents

Wärmepumpe und Verfahren zur zyklischen Dampfkompression Download PDF

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EP1582826B1
EP1582826B1 EP05006270A EP05006270A EP1582826B1 EP 1582826 B1 EP1582826 B1 EP 1582826B1 EP 05006270 A EP05006270 A EP 05006270A EP 05006270 A EP05006270 A EP 05006270A EP 1582826 B1 EP1582826 B1 EP 1582826B1
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EP
European Patent Office
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working fluid
evaporator
cyclical
vapour compression
heat
Prior art date
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EP05006270A
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EP1582826A1 (de
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Andreas Bangheri
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Helioplus Energy Systems GmbH
Original Assignee
Helioplus Energy Systems GmbH
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    • 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
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat
    • 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
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
    • 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
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Definitions

  • the present invention relates to a cyclic vapor compression apparatus according to the preamble of claim 1 and to a cyclic vapor compression method according to claim 8.
  • Cyclic vapor compression is the basis for most known heat pumps, which in turn make an important contribution to the reduction of greenhouse gases.
  • a heat pump converts low temperature heat (even in winter far below 0 ° C) to high temperature heat. This is usually done by a closed cycle process by constantly changing the state of aggregation of a working fluid: evaporation under heat absorption, compression, heat dissipation, liquefaction, expansion. In doing so, the heat pump removes solar heat stored in the soil, water or air from the surroundings of the house and releases it to the heating and hot water circulation in the form of heat.
  • brine heat pumps In known heat pump systems, on the one hand, brine heat pumps and, on the other hand, systems with direct evaporation are used.
  • heat is transferred from the soil to a first circuit with a brine as working fluid.
  • the brine usually consists of a mixture of antifreeze, such as glycol and water, and is passed through a heat collector through the soil, where it absorbs heat.
  • This primary circuit is a part of the absorbed heat to a secondary circuit, the working fluid passes through the actual cyclic compression process and is first evaporated by the heat transfer from the primary circuit, then compressed, liquefied expanded and again evaporated.
  • the construction of a brine heat pump involves several disadvantages.
  • the two-time heat transfer results in a lower efficiency than in just one cycle and, on the other hand, additional energy is consumed by the required circulating pump for circulating the brine in conjunction with the tough antifreeze mixture.
  • the temperature cycle of the refrigerant circuit from the energy source side (soil) to the energy user side (heating system) is increased by the intermediate circuit. As a result, the energy requirement or electricity consumption increases in addition.
  • working fluids There are a variety of different substances or mixtures of substances used as working fluids.
  • the choice of working fluid is influenced, inter alia, by the condensation temperature, while the critical temperature of the working fluid sets the upper limit for the condensation occurring.
  • the system can be operated even at temperatures above the critical temperature of the working fluid by the transcritical design (on the high pressure side, the system is operated at supercritical pressure on the low pressure side at subcritical pressure).
  • working fluid carbon dioxide
  • the cyclic vapor compression is combined with supercritical pressure when used as a heat pump with the energetically favorable embodiment of the direct evaporation, resulting in a much better efficiency than when used in combination with a brine heat pump, since the geothermal so without an intermediate circuit can be used.
  • the invention can be used both in heat pumps and in refrigeration and air conditioning.
  • the device for cyclic vapor compression consists of a direct evaporator, a low-pressure accumulator, a compressor, a gas cooler, a throttle valve and optionally an internal heat exchanger.
  • the direct evaporator is in thermal contact with the soil as a heat source, hereinafter referred to as a primary heat source, to clarify that the soil is the heat energy should be withdrawn directly and not about a primary circuit, for example in the form of a brine circuit, which is connected upstream of the cycle for cyclic vapor compression.
  • the direct evaporator consists of one or more evaporator lines that are laid in the ground and are in thermal contact with this.
  • the direct evaporator is operated in flooded operation, which means that the working fluid is only partially evaporated by absorbing heat energy and forwarded to a low pressure collector.
  • the direct evaporator thus contains the working fluid not only in gaseous form, but at the same time also in the liquid state.
  • the liquid residues are usually deposited, ie the working fluid is not supplied to him in the overheated state, but still includes a liquid content.
  • it also serves as a refrigerant reservoir. Subsequently, the vapor of the working fluid is sucked from the compressor either directly or when using an internal heat exchanger in the superheated state.
  • the working fluid is compressed to a supercritical level and cooled by the gas cooler, wherein the working fluid releases heat energy.
  • the working fluid is brought to subcritical evaporation level by the throttle and in turn evaporated by the direct evaporator, whereby the working fluid absorbs heat energy from the soil.
  • the low-pressure collector is coupled directly to the direct evaporator.
  • the low-pressure collector serves both as a liquid separator and as a refrigerant storage to ensure process-optimized operation at different ambient temperatures. This is in summer operation when using the soil as the primary heat source, if this has a temperature of about +15 ° C in one meter depth, a high refrigerant mass flow possible. The low pressure collector is then almost empty. In winter, on the other hand, a soil temperature of approx. 0 ° C sets in (icing state). This reduces the mass flow and refrigerant is stored in the low pressure collector.
  • the direct coupling of the low pressure collector to the direct evaporator also brings the advantage that the entire evaporator section is used.
  • a further improvement of the efficiency can be achieved by an internal heat exchanger is used, which cools the working fluid in the high pressure region of the circuit (and thus brings closer to the range of the temperature of the soil), by countercurrently the evaporated working fluid, which from the direct evaporator from the Soil comes and the compressor is supplied, is heated.
  • Fig. 1 shows a supercritical pressure supercritical pressure device according to the invention which interconnects the essential elements of the invention in a flow circuit.
  • One of these elements is a direct evaporator 1, which is embedded in such a system with direct evaporation in the ground and consists of at least one, but usually several evaporator lines.
  • the evaporator pipes are made of metal pipes which are surrounded by a plastic jacket for protection.
  • the working fluid for example, CO 2 - evaporated, whereby it absorbs heat from the environment, so for example, the surrounding soil.
  • the largely evaporated working fluid is then fed to a low pressure collector 2.
  • the working fluid is not in an overheated state, which means that there may still be residual fluid.
  • the direct evaporator 1 is thus operated in flooded condition.
  • the low pressure collector 2 is usually connected directly to the direct evaporator, but is preferably already above the earth's surface.
  • the gaseous working fluid is fed to a compressor 3, which compresses the gaseous working fluid to supercritical pressure. That is, the working fluid is after the compressor 3 at a temperature which is above the critical temperature of the working fluid and thus the working fluid can not be converted in this compression in the liquid state.
  • the working fluid passes through a gas cooler 4, in which it is cooled and gives off heat energy which can be supplied to the heating system of a building (not shown here).
  • thermal energy is supplied by means of a single circuit of a heat reservoir such as the soil to the heating system, with an intermediate circuit between the soil and the cyclic, trans-critical vapor compression system is eliminated. This also eliminates the energy required to circulate an intermediate circuit with, for example, a brine antifreeze.
  • the circulation of the circuit according to the invention takes place here solely by the pressure difference between the high pressure and low pressure side.
  • the working fluid After the gas cooler 4, the working fluid is still in the gaseous state, since the operating point is in the supercritical range.
  • the working fluid is subsequently passed through a throttle 5, which then relaxes and cools the working fluid and thus brings it into the subcritical state.
  • a liquid working fluid is present, which is then introduced back into the direct evaporator 1, there to evade the soil by evaporation in turn heat.
  • FIG. 2 an alternative embodiment of the invention is shown schematically. While the components according to FIG. 1 are also included in the circuit according to FIG. 2, the illustrated circuit additionally contains an internal heat exchanger 6, which heats the working fluid before it enters the compressor 3. The working fluid is brought into a superheated state, which means that it no longer contains any liquid components. The heat energy required for this purpose receives the working fluid in heat exchange with the countercurrent working fluid of the high-pressure circuit between the gas cooler 4 and the throttle 5.
  • the direct evaporator 1 is designed as a so-called ground probe. This means that for introducing the direct evaporator with its usually several evaporator lines, a first hole is introduced into the earth's surface and then then the direct evaporator is installed in this hole. This should exploit the fact that the earth's temperature increases with increasing depth and thus represents a better heat reservoir for a heat pump. In order to benefit substantially from the increase in temperature with increasing depth, this is typically drilled to depths of about 30 to 150 meters or more.
  • FIG. 4 An alternative to such a geothermal probe is shown in Fig. 4, where a direct evaporator with three evaporator lines is shown schematically and is buried as a so-called soil horizontal evaporator typically horizontal between 0.8 and 1.6 meters below the surface.
  • the number of evaporator lines can also be varied here, with typically up to 20 evaporator lines can be used.
  • this eliminates the need for a deep hole, on the other hand, a larger area of earth's surface is necessary in order to introduce this direct evaporator system.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur zyklischen Dampfkompression gemäß Anspruch 8.
  • Die zyklische Dampfkompression ist die Basis für die meisten bekannten Wärmepumpen , die ihrerseits einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasen darstellen. Eine Wärmepumpe wandelt Wärme niedriger Temperatur (auch im Winter bei weit unter 0°C) in Wärme hoher Temperatur um. Dies geschieht in der Regel durch einen geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des Aggregatzustandes eines Arbeitsfluids: Verdampfen unter Wärmeaufnahme, Komprimieren, Wärmeabgabe, Verflüssigen, Expandieren. Dabei entzieht die Wärmepumpe der Umgebung des Hauses im Erdreich, Wasser oder Luft gespeicherte Sonnenwärme und gibt diese in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.
  • Bei bekannten Wärmepumpensystemen werden einerseits Solewärmepumpen und andererseits Systeme mit Direktverdampfung eingesetzt. Bei einer Solewärmepumpe wird Wärme vom Erdreich auf einen ersten Kreislauf mit einer Sole als Arbeitsflüssigkeit übertragen. Die Sole besteht in der Regel aus einem Gemisch aus Frostschutz, wie z.B. Glykol und Wasser, und wird mittels eines Wärmekollektors durch das Erdreich geleitet, wo sie Wärme aufnimmt. Dieser Primärkreislauf gibt einen Teil der aufgenommenen Wärme an einen Sekundärkreislauf ab, dessen Arbeitsfluid den eigentlichen zyklischen Kompressionsprozess durchläuft und dabei durch den Wärmeübertrag vom Primärkreislauf zunächst verdampft wird, anschließend komprimiert, verflüssigt expandiert und wiederum verdampft wird. Der Aufbau einer Solewärmepumpe beinhaltet verschiedene Nachteile. Zum einen entsteht durch den zweimaligen Wärmeübertrag ein geringerer Wirkungsgrad als bei nur einem Kreislauf und zum anderen wird durch die erforderliche Umwälzpumpe zum Umwälzen der Sole in Verbindung mit dem zähen Frostschutzgemisch zusätzliche Energie verbraucht. Letztlich wird durch den Zwischenkreislauf der Temperaturhub des Kältekreises von der Energiequellenseite (Erdreich) zur Energienutzerseite (Heizungssystem) erhöht. In der Folge steigt der Energiebedarf bzw. Stromverbrauch zusätzlich an.
  • Alternative, bekannte Wärmepumpensysteme beinhalten die Direktverdampfung des Arbeitsfluids im Erdreich. Die Wärme des Erdreichs wird dabei direkt über einen Direktverdampfer an das Arbeitsfluid übertragen. Das Arbeitsfluid strömt dabei durch den im Wärmepumpenprozess vorhandenen Druckunterschied zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite durch den Direktverdampfer, ohne zusätzlichen Energieverbrauch durch eine Umwälzpumpe zu generieren. So beschreibt die DE 101 01 200 A1 ein Betonteil für Wärmepumpenanlagen, innerhalb dessen eine Verrohrung untergebracht ist, die als Direktverdampfer ausgebildet ist. Der Direktverdampfer steht nicht mit dem Erdreich in direktem thermischem Kontakt. Herkömmliche Direktverdampfungsvorrichtungen verwenden Arbeitsfluide, die vollständig bei unterkritischen Drücken arbeiten und damit die Kondensation der Fluids während der Kühlung zur Energieabgabe an der Energienutzerseite ermöglichen. Es werden dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen oder Mischungen von Substanzen als Arbeitsfluide verwendet. Die Wahl des Arbeitsfluids ist unter anderem von der Kondensationstemperatur beeinflusst, wahrend die kritische Temperatur des Arbeitsfluids die Obergrenze für die auftretende Kondensation setzt. Um einen vernünftigen Wirkungsgrad zu erhalten, ist es normalerweise wünschenswert, ein Arbeitsfluid mit einer kritischen Temperatur von mindestens 20 bis 30 K oberhalb der Kondensationstemperatur zu verwenden. Temperaturen nahe der kritischen Temperatur werden normalerweise bei der Auslegung und beim Betrieb von herkömmlichen Systemen vermieden.
  • Während solche Direktverdampfungssysteme aus energetischen Gründen etliche Vorteile aufweisen, haben sie bis jetzt jedoch den großen Nachteil, dass gängige Arbeitsfluide Treibhausgase sind, die die Erwärmung des Erdklimas beschleunigen bzw. die Ozonschicht der Erde abbauen. Selbst neuere Arbeitsfluide, die aus Umweltschutzgründen halogenfrei sind, haben immer noch ein erhebliches Treibhauspotential. Natürliche Kältemittel wie beispielsweise CO2 scheinen eine Alternative zu sein, jedoch hat die kritische Temperatur von beispielsweise CO2 mit 32 °C in der Vergangenheit deren Einsatzmöglichkeiten stark eingeschränkt.
  • Durch die Erfindung des Lorenz-Prozesses ergeben sich aber nun die Möglichkeiten, transkritische Dampfkompressionszyklen zu realisieren, die auch bei Temperaturen über der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids einen guten Wirkungsgrad liefern. Beispiele für solche transkritischen Dampfkompressionsvorrichtungen oder -verfahren finden sich in EP 0 604 417 B1 , EP 0 672 233 B1 , EP 0 424 474 B2 sowie in EP 0 617 782 B1 . Im Unterschied zu den bisherigen, subkritischen Kompressionskreisen ist bei diesen transkritischen Bedingungen das Arbeitsfluid auf der Hochdruckseite des Kreislaufs in einem überkritischen Zustand, was bedeutet, dass unabhängig vom Druck das Arbeitsfluid nicht mehr zu einer Flüssigkeit komprimiert bzw. kondensiert wird, sondern immer im gasförmigen Zustand vorliegt. Dokument WO 93/06 423 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist Aufgabe er vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zyklischen Dampfkompression mit einem überkritischen Druck auf der Hochdruckseite zur Verwendung als Wärmepumpe mit Direktverdampfung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur zyklischen Wärmeaufnahme eines Arbeitsfluids gemäß Anspruch 8.
  • Dabei ist vorteilhaft, dass durch die transkritische Auslegung (auf der Hochdruckseite wird das System bei überkritischem Druck betrieben, auf der Niederdruckseite bei unterkritischem Druck) das System auch bei Temperaturen über der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids betrieben werden kann. Damit wird das Spektrum der verwendbaren Arbeitsfluide erweitert und kann insbesondere Kohlendioxid als Arbeitsfluid (im Weiteren nur mit Arbeitsfluid bezeichnet) mit günstigeren Umwelteigenschaften zum Einsatz kommen. Weiterhin ist vorteilhaft, dass bei der vorliegenden Erfindung die zyklische Dampfkompression mit überkritischem Druck beim Einsatz als Wärmepumpe mit der energetisch günstigen Ausführungsform der Direktverdampfung kombiniert wird, wodurch sich ein deutlich besserer Wirkungsgrad als beim Einsatz in Kombination mit einer Solewärmepumpe ergibt, da die Erdwärme so ohne einen Zwischenkreislauf genutzt werden kann. Die Erfindung kann sowohl in Wärmepumpen als auch in der Kälte- und Klimatechnik eingesetzt werden.
  • Die Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression besteht erfindungsgemäß aus einem Direktverdampfer, einem Niederdrucksammler, einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Drosselventil und optional einem internen Wärmetauscher. Der Direktverdampfer steht mit dem Erdreich als Wärmequelle in thermischen Kontakt, die im folgenden als Primärwärmequelle bezeichnet wird, um klarzustellen, dass dem Erdreich die Wärmeenergie direkt entzogen werden soll und nicht etwa über einen Primärkreislauf beispielsweise in Form eines Solekreislaufs, der dem Kreislauf zur zyklischen Dampfkompression vorgeschaltet ist. Der Direktverdampfer besteht dabei aus einer oder mehreren Verdampferleitungen, die im Erdreich verlegt sind und mit diesem in thermischem Kontakt stehen. Der Direktverdampfer wird im überfluteten Betrieb gefahren, was bedeutet, dass das Arbeitsfluid unter Aufnahme von Wärmeenergie nur teilweise verdampft und an einen Niederdrucksammler weitergeleitet wird. Der Direktverdampfer beinhaltet somit das Arbeitsfluid nicht nur gasförmig, sondern gleichzeitig auch in flüssigem Zustand. Im Niederdrucksammler werden in der Regel die Flüssigkeitsreste abgeschieden, d.h. das Arbeitsfluid wird ihm nicht im überhitzten Zustand zugeführt, sondern beinhaltet immer noch einen Flüssigkeitsanteil. Er dient dabei neben seiner Funktion als Flüssigkeitsabscheider auch als Kältemittelspeicher. Anschließend wird der Dampf des Arbeitsfluids vom Verdichter entweder direkt oder beim Einsatz eines internen Wärmetauschers im überhitzten Zustand angesaugt. In der Folge wird das Arbeitsfluid auf ein überkritisches Niveau verdichtet und durch den Gaskühler abgekühlt, wobei das Arbeitsfluid Wärmeenergie abgibt. In der Folge wird das Arbeitsfluid mittels der Drossel auf subkritisches Verdampfungsniveau gebracht und durch den Direktverdampfer wiederum verdampft, wodurch das Arbeitsfluid Wärmeenergie vom Erdreich aufnimmt.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist der Niederdrucksammler direkt an den Direktverdampfer angekoppelt. Der Niederdrucksammler dient sowohl als Flüssigkeitsabscheider wie auch als Kältemittelspeicher, um einen prozessoptimierten Betrieb bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen gewährleisten zu können. Damit ist im Sommerbetrieb, bei Nutzung des Erdreichs als Primärwärmequelle, wenn dieses in einem Meter Tiefe eine Temperatur von ca. +15 °C hat, ein hoher Kältemittel-Massenstrom möglich. Der Niederdrucksammler ist dann fast leer. Im Winter hingegen stellt sich eine Erdreichtemperatur von ca. 0 °C ein (Vereisungszustand). Dadurch verringert sich der Massenstrom und Kältemittel wird im Niederdrucksammler gespeichert. Die direkte Ankopplung des Niederdrucksammlers an den Direktverdampfer bringt ferner den Vorteil, dass die gesamte Verdampferstrecke genutzt wird.
  • Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades kann erzielt werden, indem ein interner Wärmetauscher eingesetzt wird, der das Arbeitsfluid im Hochdruckbereich des Kreislaufs abkühlt (und damit näher an den Bereich der Temperatur des Erdreichs bringt), indem im Gegenstrom das verdampfte Arbeitsfluid, welches vom Direktverdampfer aus dem Erdreich kommt und dem Verdichter zugeführt wird, erwärmt wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß der Erfindung;
    Fig. 2
    eine Ausführungsform der Erfindung wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch zusätzlich mit einem internen Wärmetauscher ausgestattet;
    Fig. 3
    eine Ausführungsform der Erfindung, wobei der Direktverdampfer als Erdreichsonde ausgebildet ist;
    Fig. 4
    eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei der Direktverdampfer in Form mehrerer Verdampferleitungen horizontal im Erdreich vergraben ist.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression mit überkritischem Druck auf der Hochdruckseite, die die wesentlichen Elemente der Erfindung in einem Strömungskreislauf miteinander verbindet. Eines dieser Elemente ist ein Direktverdampfer 1, der bei einem solchen System mit Direktverdampfung im Erdreich eingebettet ist und aus zumindest einer, in der Regel aber mehreren Verdampferleitungen besteht. Die Verdampferleitungen bestehen aus Metallrohren, die zum Schutz mit einer Kunststoffummantelung umgeben sind. In dem Direktverdampfer 1 wird das Arbeitsfluid - beispielsweise CO2 - verdampft, wodurch es Wärme aus der Umgebung, also beispielsweise dem umgebenden Erdreich, aufnimmt. Das größtenteils verdampfte Arbeitsfluid wird anschließend einem Niederdrucksammler 2 zugeführt. Dabei ist das Arbeitsfluid aber nicht in einem überhitzten Zustand, was bedeutet, dass immer noch Flüssigkeitsreste vorhanden sein können. Solche Flüssigkeitsreste werden im Niederdrucksammler 2 abgeschieden, der somit gleichzeitig eine Funktion als Speicher für das Arbeitsfluid wahrnehmen kann. Der Direktverdampfer 1 wird damit in überflutetem Zustand betrieben. Der Niederdrucksammler 2 ist dabei in der Regel zwar direkt an den Direktverdampfer angeschlossen, befindet sich aber vorzugsweise bereits oberhalb der Erdoberfläche.
  • Im nächsten Prozessschritt wird das gasförmige Arbeitsfluid einem Verdichter 3 zugeführt, der das gasförmige Arbeitsfluid auf überkritischen Druck komprimiert. Das bedeutet, das Arbeitsfluid ist nach dem Verdichter 3 auf einer Temperatur, die oberhalb der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids liegt und somit kann das Arbeitsfluid bei dieser Kompression nicht mehr in den flüssigen Zustand überführt werden. Anschließend durchläuft das Arbeitsfluid einen Gaskühler 4, in welchem es abgekühlt wird und Wärmeenergie abgibt, die dem Heizungssystem eines Gebäudes (hier nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem Wärmeenergie mittels eines einzigen Kreislaufs von einem Wärmereservoir wie beispielsweise dem Erdreich dem Heizungssystem zugeführt, wobei ein Zwischenkreislauf zwischen dem Erdreich und dem zyklischen, transkritischen Dampfkompressionssystem entfällt. Damit entfällt auch der Energieaufwand zum Umwälzen eines Zwischenkreislauf mit beispielsweise einer Sole aus Frostschutzmittel. Die Umwälzung des erfindungsgemäßen Kreislaufs erfolgt hierbei allein durch die Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite.
  • Nach dem Gaskühler 4 befindet sich das Arbeitsfluid immer noch in gasförmigem Zustand, da der Arbeitspunkt im überkritischen Bereich liegt. Das Arbeitsfluid wird in der Folge durch eine Drossel 5 geleitet, die dann das Arbeitsfluid entspannt und abkühlt und somit in den unterkritischen Zustand bringt. Das bedeutet, dass nach der Drossel 5 zumindest teilweise ein flüssiges Arbeitsfluid vorliegt, welches anschließend wieder in den Direktverdampfer 1 eingebracht wird, um dort dem Erdreich durch Verdampfen wiederum Wärme zu entziehen.
  • In Fig. 2 ist eine alternative Ausführung der Erfindung schematisch gezeigt. Während die Komponenten gemäß Fig. 1 auch im Kreislauf gemäß Fig. 2 beinhaltet sind, enthält der dargestellte Kreislauf zusätzlich einen internen Wärmetauscher 6, der das Arbeitsfluid erwärmt, bevor es in den Verdichter 3 eintritt. Das Arbeitsfluid wird dabei in einen überhitzten Zustand gebracht, was bedeutet, dass es keine flüssigen Bestandteile mehr enthält. Die Wärmeenergie, die hierzu benötigt wird, erhält das Arbeitsfluid im Wärmeaustausch mit dem entgegenströmenden Arbeitsfluid des Hochdruckkreislaufs zwischen dem Gaskühler 4 und der Drossel 5. Neben dem Vorteil, dass so am Verdichter 3 nur gasförmiges Arbeitsfluid ankommt, ergibt sich eine Verbesserung der Energiebilanz, da das Arbeitsfluid, welches vom Direktverdampfer 1 kommt, zusätzlich erwärmt wird und auf der anderen Seite das Arbeitsfluid, welches der Drossel 5 und anschließend dem Erdreich zugeführt wird, nochmals Wärmeenergie abgeben kann, die sonst für den Kreisprozess verloren geht.
  • In den Fign. 3 und 4 sind jeweils Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, mit denen unterschiedliche Ausgestaltungen des Direktverdampfers 1 erläutert werden sollen. In der Fig. 3 ist der Direktverdampfer 1 als sogenannte Erdsonde ausgeführt. Dies bedeutet, dass zur Einbringung des Direktverdampfers mit seinen in der Regel mehreren Verdampferleitungen zunächst eine Bohrung in die Erdoberfläche eingebracht wird und dann anschließend der Direktverdampfer in diese Bohrung eingebaut wird. Damit soll ausgenutzt werden, dass sich die Erdtemperatur mit zunehmender Tiefe erhöht und somit ein besseres Wärmereservoir für eine Wärmepumpe darstellt. Um von der Temperaturerhöhung mit zunehmender Tiefe wesentlich zu profitieren, wird hierzu typischerweise auf Tiefen von ca. 30 bis zu 150 m oder mehr gebohrt. Neben dem erwähnten Effekt, dass somit die Wärme der tieferen Erdschichten genutzt werden kann, ist hierbei auch vorteilhaft, dass nur auf einen vergleichsweise kleinen Querschnitt der Erdoberfläche zurückgegriffen werden muss, wodurch eine solche Erdsonde auf einem Grundstück vergleichsweise platzsparend angebracht werden kann.
  • Eine Alternative zu einer solchen Erdsonde ist in Fig. 4 dargestellt, wo ein Direktverdampfer mit drei Verdampferleitungen schematisch gezeigt ist und als sogenannter Erdreichhorizontal-Verdampfer typischerweise horizontal zwischen 0,8 und 1,6 Meter unter der Erdoberfläche vergraben wird. Natürlich kann die Anzahl der Verdampferleitungen auch hier variiert werden, wobei typischerweise bis zu 20 Verdampferleitungen eingesetzt werden können. Gegenüber einer Erdsonde wie in Fig. 3 dargestellt entfällt hier die Notwendigkeit einer Tiefenbohrung, andererseits ist ein größerer Bereich an Erdoberfläche notwendig, um dieses Direktverdampfersystem einzubring en.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression, welche mit einem überkritischen Druck auf der Hochdruckseite arbeitet und einen Direktverdampfer (1), welcher für den Betrieb im überfluteten Bereich ausgelegt ist, einen Niederdrucksammler (2), einen Verdichter (3), einen Gaskühler (4) und eine Drossel (5) aufweist, die in Reihe zu einem Strömungskreislauf miteinander verbunden sind und von einem Arbeitsfluid durchströmt werden, wobei es sich bei dem Arbeitsfluid um CO2 handelt, dadurch gekennzeichnet, däss die Vorrichtung eine Wärmepumpe ist und der Direktverdampfer aus einer oder mehreren aus Metallrohren mit Kunststoffummantelung gebildeten Verdampferleitungen besteht, die im Erdreich verlegt sind und mit diesem als Primärwärmequelle in thermischem Kontakt stehen.
  2. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdrucksammler (2) direkt an den Direktverdampfer (1) angekoppelt ist.
  3. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf ferner einen internen Wärmetauscher (6) aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen der Verbindung vom Niederdrucksammler (2) mit dem Verdichter (3) und der Verbindung zwischen dem Gaskühler (4) und der Drossel (5) ermöglicht.
  4. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktverdampfer (1) als Erdreichsonde ausgebildet und im wesentlichen vertikal in einem Bohrloch im Erdreich untergebracht ist.
  5. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferleitungen bis zu einer Tiefe von 30 bis 150m verlegt sind.
  6. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß einem der vorhergehenden Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferleitungen im wesentlichen horizontal im Erdreich untergebracht sind.
  7. Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler (4) ohne einen oder mit nur einem zusätzlichen Zwischenkreislauf direkt zur Warmwasseraufbereitung eines Gebäude verwendet wird.
  8. Verfahren zur zyklischen Dampfkompression von CO2 als Arbeitsfluid für die Wärmeaufnahme aus dem Erdreich als Primärwärmequelle mittels eines Direktverdampfers (1), der aus einer oder mehreren aus Metallrohren mit Kunststoffummantelung gebildeten Verdampferleitungen besteht, die im Erdreich verlegt sind und mit diesem in thermischen Kontakt stehen, und zur Wärmeabgabe mittels eines Gaskühlers (4), welches die folgenden Schritte beinhaltet:
    a) Zumindest teilweises Verdampfen des Arbeitsfluids im Direktverdampfer (1) wobei das Arbeitsfluid Wärmeenergie aus der Primärwärmequelle aufnimmt wobei der Direktverdampfer im überfluteten Bereich betrieben wird, bei dem sowohl gasförmiges als auch flüssiges Arbeitsfluid aus dem Direktverdampfer (1) austritt;
    b) Sammeln von flüssigem und gasförmigem Arbeitsfluid in einem Niederdrucksammler (2);
    c) Verdichten des Arbeitsfluids mittels eines Verdichters (3) auf überkritischen Druck;
    d) Abkühlen des überkritischen, gasförmigen Arbeitsfluids in einem Gaskühler (4) wobei das Arbeitsfluid Wärmeenergie abgibt; und
    e) Ausdehnen des überkritischen, gasförmigen Arbeitsfluids in unterkritischen Zustand mittels einer Drossel (5).
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid, welches vom Niederdrucksammler (2) zum Verdichter (3) geführt wird, mittels eines internen Wärmetauschers (6) mit dem Arbeitsfluid, welches vom Gaskühler (4) zur Drossel (5) geführt wird, in Wärmeaustausch gebracht wird.
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