EP1831631A2 - Wärmeübertrager und wärmepumpenkreis - Google Patents

Wärmeübertrager und wärmepumpenkreis

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Publication number
EP1831631A2
EP1831631A2 EP05820443A EP05820443A EP1831631A2 EP 1831631 A2 EP1831631 A2 EP 1831631A2 EP 05820443 A EP05820443 A EP 05820443A EP 05820443 A EP05820443 A EP 05820443A EP 1831631 A2 EP1831631 A2 EP 1831631A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
heat
refrigerant
tube
shaped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05820443A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Schiefelbein
Steffen Smollich
Michael Schaumlöffel
Hubert Nolte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200410061673 external-priority patent/DE102004061673A1/de
Priority claimed from DE102005002282.0A external-priority patent/DE102005002282B4/de
Application filed by Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority to EP12160171.0A priority Critical patent/EP2469208A3/de
Publication of EP1831631A2 publication Critical patent/EP1831631A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger with a piping system for a refrigerant and a piping system for a fluid and a heat pump circuit of a ventilation system with a supercritical refrigerant in the high-pressure region, which has a heat exchanger.
  • Heat exchangers of the type mentioned are known from the prior art in large numbers which are coupled to each other for the transmission of heat energy from one medium to the other.
  • the heat exchanger on a plurality of sections, which are hydraulically connected to each other in parallel or in series.
  • the heat exchanger i.d.R. a plurality of partial sections, which are hydraulically connected to each other in parallel and / or serially while viewing each of a line system.
  • Such heat exchangers are implemented, for example, in a heat pump circuit of a ventilation system, which has a refrigerant which is in the High pressure range is supercritical.
  • a heat exchanger absorbs heat from an outside air flow or from an exhaust air and transmits this to the refrigerant.
  • Such ventilation systems are known for example from DE 197 02 903 A1, DE 199 13 861 C1 or DE 101 03 150 A1.
  • DE 101 03 51 A1 the additional use of the exhaust air emerging from the first heat exchanger is also provided by a waste heat pump.
  • waste heat from exhaust air and / or wastewater has been of particular importance since the EnEV Energy Savings Ordinance entered into force in February 2002.
  • a heating system based on the use of waste heat reduces its primary energy requirements for DHW heating, ventilation and heating very clearly.
  • the system technology used can even have an effect on the granting or non-granting of a building permit.
  • a fluid channel comprises a sheet with approximately U-, V- or W-shaped cross-sectional profile, which at the ends of the U, V or W shape is closed by a metal sheet, wherein the refrigerant is arranged in a tube parallel to the longitudinal axis of the fluid channel in the fluid channel.
  • the shape of the Fluid channel already gives a sub-channel high mechanical stability. At the same time allows the selected shape of the fluid channel by nesting the components of both piping systems with simplified production and the formation of a compact design of the entire, constructed from each other hydraulically interconnected sub-channels heat exchanger.
  • the ratio of the cross-sectional areas of the fluid channel and the tube corresponds to the ratio of the respective k-factors of the refrigerant and the fluid.
  • This design measure is also used to compensate for the amount of heat to be absorbed by the other medium by balancing the amount of heat to be absorbed by the other medium to optimize the overall heat transfer.
  • an area ratio of approximately 2: 1 is set. If propane is used as refrigerant, an area ratio of approx. 4: 1 to 5: 1 must be set. In one embodiment of the invention, an area ratio of 3: 1 is set.
  • the legs of the approximately U-shaped, V-shaped or W-shaped sheet are at an angle ⁇ to one another via which the abovementioned area ratio can be set within a wide range, while the geometry remains the same.
  • an angle ⁇ of about 67 ° between the legs of the approximately U-, V- or W-shaped plate of the fluid channel is set.
  • the tube is fixed between the legs of the approximately U, V or W-shaped sheet.
  • the tube is fixed to the U-, V- or W-shaped plate in that it is pressed on, soldered, welded and / or lasered.
  • the fixation additionally increases the stability of the arrangement, while the contact of the tube with the approximately U-, V- or W-shaped sheet also results in an additional possibility for heat transfer by heat conduction, that is to say a substantial enlargement of the surface - A -
  • the tube is arranged approximately at the center of gravity of the plane spanned by the legs of the approximately U, V or W-shaped plate.
  • the tube is flowed freely over its entire circumference of the fluid of the fluid channel, which also ensures good heat transfer by forced convection with good surface utilization.
  • various measures are known to those skilled in the art for enlarging the outer surface of the tube, such as e.g. Clamping of sheets or fixing of substantially longitudinally aligned to the flow direction ribs.
  • a sub-section of three elements is constructed, wherein the tube is in the approximately U-, V- or W-shaped plate and the approximately U-, V- or W-shaped plate is arranged on a support plate.
  • the carrier sheet has in one embodiment of the invention, essentially the same surface area as the U, V or W-shaped plate.
  • the U-, V- or W-shaped plate advantageously adjoins perpendicular to its longitudinal axis in the region of a leg to another U-, V- or W-shaped plate, so that in particular in the case of a plurality of U-, V - or W-shaped sheets results in a total of one type of corrugated metal.
  • This structure is flowing meandering through the fluid or can be flowed through by the fluid meandering.
  • a tube is connected at least one end with a similar tube.
  • This arrangement can also be designed as a meandering curved single tube with rectilinear sections.
  • an arrangement of tube, U-, V- or W-shaped sheet metal and carrier sheet is combined as a layer in the heat exchanger.
  • a layer is over another layer with equal arranged so that the carrier sheet of the first layer forms the covering sheet of the second layer.
  • the U-, V- or W-shaped sheet in the area in which it is in superficial contact with the tube, and the support plate in the area in which it with the U, V or W -shaped sheet in superficial contact recesses to enable a common soldering on.
  • a stack of the aforementioned elements is formed, which are connected together in one process step.
  • a production method is used in which a soldering process takes place in a vacuum oven in order to securely solder all of the elements together in a single soldering process.
  • a production method results, according to which a tube is inserted in each case into a valley of a U, V or W-shaped metal sheet and the U, V or W-shaped metal sheet is placed on a carrier sheet, wherein the U-, V- or W-shaped plate is provided with recesses in the contact area with the tube and the carrier plate with recesses in the contact area with the U-, V- or W-shaped plate, solder in each case in a valley of a U-, V- or W-shaped sheet inserted and the said elements are soldered together without further prior pre-fixation.
  • the method thus only includes the steps of stacking and vacuum soldering to obtain a fully connected assembly.
  • the proportion of manual work has thus been reduced to a minimum, as well as the number of different materials and / or auxiliary materials to be used.
  • the recesses in the U-, V- or W-shaped plate and the carrier plate are produced in one embodiment as a perforation, perforation and / or sections of slit.
  • the recesses in the U-, V- or W-shaped sheet and the carrier sheet are preferably produced by punching, drilling and / or lasers.
  • the recesses are formed as slots and / or perforations with dimensions such that they are substantially closed in the course of the common soldering. So then the individual layers are formed fluid-tight against each other within the heat exchanger.
  • the U-, V- or W-shaped sheet is made with periodic continuation perpendicular to a later flow direction by section-wise pressing and / or deep drawing of a sheet.
  • a degree of dimensional stability is achieved which is sufficient, in an assembly of parts before and during soldering, to always form a valley of an upper U, V or W-shaped sheet with a lower U, V, or W-shaped sheet relative to each other in matching position.
  • This arrangement principle, required for the above-described solder joint can guarantee, with sufficient dimensional accuracy of the U, V or W-shaped large unit sheets, that even multi-layered assemblies can be readily joined and sealed in one soldering step. Such a process is then very efficient and economical.
  • a heat exchanger according to the invention is preferably designed as a countercurrent heat exchanger, with carbon dioxide operated in particular as the refrigerant in the supercritical range being selected.
  • the inventively provided pipelines are particularly suitable.
  • tubes with strong pressures are resilient, so that in particular bursting pressure tests of a heat exchanger of the above-mentioned type of construction according to the invention are generally well passed.
  • Water is preferably selected as the fluid, which already points to heat pumps and domestic air conditioning systems as an essential area of application of heat exchangers according to the invention.
  • the tube, the U-, V- or W-shaped plate, the carrier plate and a fluid-tight outer housing are made in embodiments of the invention made of copper or stainless steel.
  • a heat exchanger or a heat exchanger and a second heat exchanger for the overheating of the at least partially evaporated refrigerant is provided, wherein the banksü- bertrager, which is at least traversed by outside air, in the flow direction of the refrigerant in heating operation in front of the second heat exchanger, in heat is transferred from the exhaust air of the ventilation system to the refrigerant and / or that in addition to a heat exchanger, a heat exchanger is arranged as a gas cooler in the outside air flow in front of the ventilation system, in which heat is transferred from the supercritical in a high pressure area refrigerant to the outside air stream.
  • the abovementioned solution therefore comprises the three alternatives of a two-stage subcooling of the refrigerant, a two-stage overheating of the refrigerant, and a combination of two-stage super-cooling and two-stage superheating of the same refrigerant.
  • a two-stage subcooling of the refrigerant the goal of a thermodynamic improvement of the cycle of the heat release circuit is achieved by a second heat exchanger is connected downstream of a first heat exchanger as a gas cooler. This second heat exchanger serves to transfer the remaining heat of the supercritical refrigerant, for example, to the outside air, so that this outside air now reaches temperatures of 0 0 C or more.
  • the second heat exchanger advantageously also simultaneously effects a significant reduction in the heat exchanger outlet temperature of the refrigerant.
  • the power output defined as the quotient of heating power and compressor drive power is significantly increased, because the usable heat and cooling capacity increases without the need for additional electric compressor power.
  • a heat pump circuit to an evaporator of the refrigerant then includes a further heat exchanger in which the refrigerant is safely overheated or re-evaporated to protect the compressor, wherein the refrigerant is operated in the high pressure region of the heat pump cycle in a supercritical region and the heat pump cycle with increased efficiency.
  • the two alternatives mentioned above are combined with each other, resulting in a two-stage overheating and a two-stage super-cooling of the refrigerant in the same heat pump cycle.
  • the advantages listed above are added together with a thermodynamic increase in the efficiency of the refrigerant circuit and an increase in the safety of the operation, which is characterized in particular by a longer service life of the compressor.
  • the second heat exchanger is preferably connected upstream of the outside air input as a heat exchanger designed as an air-to-air heat exchanger.
  • the outside air is preheated by the heat emitted from the second heat exchanger, while at the same time the refrigerant of the heat exchanger circuit is further cooled. This is favorable for the heat pump operation, because it supports the liquefaction of the refrigerant.
  • the second heat exchanger is arranged in the case of overheating of the refrigerant upstream of the heat exchanger provided for heating in the refrigerant flow direction.
  • the second heat exchanger is charged with outside air, while the actually intended for overheating heat exchanger is supplied with exhaust air.
  • the temperature of the exhaust air is greater than that of the outside air. Due to the higher humidity of the exhaust air in comparison to the outside air, the energy content of the exhaust air in connection with its higher temperature is also greater than that of the outside air.
  • a very compact design of the heat exchanger for overheating or re-evaporation of the refrigerant is possible because of the comparatively smaller volume flow of exhaust air and because of the high available external pressure of mechanical ventilation systems.
  • a mechanical ventilation system is coupled to the exhaust air inlet of a heat exchanger.
  • the use of a mechanical ventilation system in combination with an exhaust air heat pump is particularly suitable for the highly thermally insulated and virtually airtight new buildings required by the Energy Saving Ordinance EnEV with a required building density of 0.2 times the free air exchange through building leakages.
  • an approximately 0.5-fold air change is required, ie a 0.5-fold replacement of the volume of air contained in the rooms per hour, as he also according to DIN 1946 for housing. required.
  • the currently still common window ventilation in new buildings according to the defined by the EnEV low energy house standard is unsuitable.
  • One of the main disadvantages of window ventilation is that the air exchange varies considerably depending on the wind force and is difficult to estimate in terms of size, and the direction of flow within the dwelling is often unfavorable.
  • the theoretically sensible air vent is not at least at night ⁇
  • a mechanical ventilation system will be provided in corresponding new buildings, can be adjusted by the advantageous manner required here air exchange reliably and safely, with an efficient cross ventilation while preventing the ingress of dust, pollen and insects in the apartment appropriate filtering can be guaranteed.
  • a mechanical ventilation system significantly improves sound insulation of the apartment from the outside world.
  • R744 or CO2 forms the refrigerant.
  • CO2 is characterized by its good availability at comparatively lower prices and its environmental compatibility.
  • the disadvantage of using carbon dioxide as a refrigerant is that carbon dioxide does not show any clear phase transitions. Therefore, it is particularly advantageous when using carbon dioxide as a refrigerant to lead the heat pump process according to the invention clearly in a supercritical range. Accordingly, in the case of a supercritical process control of the refrigerant in the high-pressure region, the heat exchanger provided is designed for evaporation and partial overheating of the refrigerant. In this case, the second heat exchanger is preferably designed for evaporation and reliable overheating of the refrigerant.
  • the refrigerant is exposed between a gas cooling and a heat absorption of a pressure difference between about 40 and about 90 bar.
  • the enthalpy is reduced by about 150 to about 300 kJ / kg and in a second, the first subsequent, gas cooling (3a-3b), the enthalpy falls by less than about 100 kJ / kg, and / or at a pressure between about 20 and about 60 bar at a first heat absorption (5a-5b) increases the enthalpy by about 150 to about 250 kJ / kg and in a subsequent second heat absorption (6a -6b), the enthalpy of the refrigerant increases by less than about 100 kJ / kg.
  • a further advantage is that the first Enthalpieslessnesslessness für enthalpieslessness für apsis (5a-5b) from the outside air and the second Enthalpieslessness für apy) of an exhaust air of a room that has a higher temperature than the outside air and / or that the first falling the enthalpy takes place by heat (2a-2b) of heat to a heating, hot water or ventilation system and the second falling of the enthalpy takes place by heat release (3a-3b) to an outside air flow.
  • the refrigerant is compressed in an advantageous process or process by means of a compressor to a pressure of about 90 - 100 bar, at a temperature of about 80 0 C. From this state, a heat release, wherein the enthalpy of the refrigerant from about 470 kJ / kg falls to about 250 kJ / kg, which isobaric at a pressure of about 95 bar. In a second heat release process, a further decrease in enthalpy from about 250 kJ / kg to 200 kJ / kg occurs at the same pressure. The refrigerant is then expanded to a pressure of about 35 bar, at least as relaxed that the refrigerant is held in the wet steam area.
  • This is followed by another isobaric absorption of energy at the same pressure, at which the refrigerant assumes an enthalpy corresponding to a value outside the wet steam area, in particular an enthalpy of about 440 kJ / kg.
  • the enthalpy may also be slightly smaller, eg approx. 420 kJ / kg at 50 bar, depending on the pressure at which the heat is absorbed. From this state, an increase in pressure takes place again in the compressor to about 95 bar and a temperature of about 80 0 C 1 which corresponds to an enthalpy in the range of 470 kJ / kg and thus the refrigerant process is closed.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an opened heat exchanger
  • FIG. 2 shows a side view of the heat exchanger of FIG. 1 in a cutout
  • FIG. 3 shows a sketched sectional view through a heat exchanger according to one of the preceding figures
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an embodiment of the invention
  • FIG. 5 a pressure line associated with the heat pump circuit of FIG. 4;
  • Figure 6 is a schematic diagram of an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a pressure-enthalpy diagram associated with the heat pump circuit according to FIG. 6;
  • Figure 8 is a schematic diagram of an embodiment of the invention.
  • Figure 9 a pressure-enthalpy diagram associated with the heat pump cycle of FIG. ⁇ .
  • FIG. 1 shows a perspective view of an opened heat exchanger 1 according to the present invention, wherein a fluid-tight outer housing 2 in the region of a narrow side 3 and a broad side surface 4 is opened.
  • a fluid-tight outer housing 2 in the region of a narrow side 3 and a broad side surface 4 is opened.
  • layers 5, 6, 7, 8 arranged one above the other are visible.
  • the heart of each of the layers 5, 6, 7, 8 is a wave-shaped sheet 9 of copper with a periodic sequence of wave troughs 10 and wave crests 11, which are point symmetrical to each other.
  • a substantially flat sheet 12 is arranged, which has the same outer dimensions as the sheet 9 and closes the space under the crests 11 of the sheet 9 such that a closed Fluidka- channel 13 is formed , While the wide side surface 4 of the fluid-tight outer housing 2 covered in the representation of FIG. 1 covers the sheet 9 of the layer 5, the sheets 12 of each layer 5, 6, 7, 8 likewise cover the corrugated sheets 9 of the respectively underlying layer in the same way 6, 7, 8. Thus, now all rooms of wave troughs 10 of the corrugated sheets 9 of the layers 5, 6, 7, 8 are closed so that they form fluid channels 14.
  • tubes 15, which are to be flowed through by corrugations, are inserted into the wave troughs 10 of the corrugated sheets 9.
  • a real countercurrent heat exchanger is advantageously realized.
  • a fluid channel 14 is thermally in contact with the refrigerant of the tubes 15, depending on the view in countercurrent or direct current across the respective sheet 9.
  • the tubes are formed as a one-piece, meandering coolant coil 18.
  • FIG. 2 shows a section x of the heat exchanger 1 of FIG. 1 in an enlarged side view.
  • the layer 5 has a reduced height compared to the layers 6, 7, 8 with the period length of the wave structure of the sheet 9 remaining the same.
  • the dimensioning and shaping of the coolant coil 18 remains unaffected by these changes, so that in each of the layers 5, 6, 7, 8 relative to adjacent layers, in pairs or even completely the same coolant coils 18 can be used.
  • the ratio of the cross-sectional areas F1 of the fluid channels 13, the cross-sectional areas F3 of the fluid channels 14 and the cross-sectional area F2 of the tube 15 is shown in the figure of Figure 3 with reference to a sketched sectional view through a heat exchanger 1 according to one of the preceding figures.
  • the ratio of the cross-sectional areas F1: F2 is significantly greater than 1: 5.
  • the cross-sectional area F1 forms approximately a triangular area with a point angle ⁇ of less than 90 °.
  • the surfaces F1 and F3 are the same size.
  • the ratio between the areas F1 and F3 can be freely set in a wide range. This freedom may be necessary to avoid, for example, differences in the flow amount of the fluid channels 13, 14 and / or differences in the heat transfer of the fluid channels 13, 14 compensate or deviate in terms of optimizing the heat exchanger performance.
  • Vorrich- device 1 A significant manufacturing advantage of a Vorrich- device 1 according to the invention is also indicated in the sketch of Figure 3:
  • the tubes 15 of a coolant coil 18 form together with the wave-shaped sheet 9 and the sheet 12 disposed thereunder a layer 5, 6, 7, 8.
  • layers 5, 6, 7, 8 can be stacked almost arbitrarily one above the other, so that a heat exchanger constructed in this way is very well scalable.
  • the structure described above also allows a very efficient method for at least partially sealingly connecting the elements of a layer to the corrugated sheet 9 of an underlying layer.
  • recesses 20 are provided in the here V-shaped plate 9 in the area where it is in superficial contact with the tube 15, and in the support plate 12 in the region in which it with the V-shaped plate 9 and i.d.R. with a V-shaped sheet 9 of a subsequent layer is in surface contact.
  • the recesses 20 are formed as slots 21 or holes 22 with dimensions which are substantially closed in the course of the common soldering.
  • slots 21 are provided in the metal sheets 12 and perforations 22 in the form of a perforation in the V-shaped wave plates 9.
  • this soldering process during stacking of the aforementioned elements is prepared by placing solder 23 of predetermined quantity in the form of a rod in the region of the tubes 15.
  • solder 23 is then liquefied so far that it connects all the elements in the dashed bordered area with each other.
  • a secure and fluid-tight connection of the elements involved over all layers 5, 6, 7, 8 is produced in the contact area bordered by dashed lines in FIG.
  • the method described above requires a certain dimensional accuracy, especially in the case of the present example V-shaped plate 9.
  • the V-shaped plate 9 is produced with periodic continuation perpendicular to a later flow direction by section-wise pressing and / or deep drawing of a previously substantially flat sheet.
  • a section-wise progression of pressing and / or deep-drawing operations a sheet can be fixed or held in an already completed area, wherein deformation and flow processes are not hindered in a straight worked area.
  • good results are achieved in terms of dimensional accuracy, at the same time a rupture of the sheet can be largely excluded.
  • the recesses 22 described above in connection with a final soldering of the individual parts in the V-shaped sheet metal 9 would be disturbing in the just described process of material deformation as crack germs. Therefore, the recesses 22 are preferably made on V-shaped sheets 9 by punching, drilling and / or laser after the material deformation described.
  • the recesses 22 on the i.d.R. level support plate 12 preferably prepared by the same process.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an embodiment of the invention is shown, wherein a dashed line enclosed ventilation system A is coupled together with a solar heating circuit B to a heating and / or service water system C.
  • the ventilation system A has a heat exchanger WT, the air-to-air cross-flow heat exchanger or air-to-air countercurrent heat exchanger 1 f
  • a exhaust air flow AB can be passed from rooms to be heated to the exhaust air inlet of the first heat exchanger WT via a mechanical ventilation system not shown in the drawing. After the transfer of heat energy to a supply air to ZU the exhaust air flow AB is forwarded as exhaust air FO.
  • the sensible heat contained in the exhaust air flow FO is used in a heat pump circuit WPK.
  • this heat pump cycle WPK comprises a compressor 31 for compressing a gaseous refrigerant, a first heat exchanger 32 and a second heat exchanger 33, both of which serve as a gas cooler for the compressed refrigerant and thus for its liquefaction.
  • the liquid refrigerant passes through a controllable expansion valve 34 to an evaporator 35. Behind the evaporator 35, the heat pump circuit WPK closes, wherein the exhaust air flow FO is then finally discharged to the environment after passing through the evaporator 35.
  • the heat exchanger 32 may be used in an advantageous manner as a radiator for the heating of supply air, wherein it is in the supply air or outside air flow.
  • the evaporator 35 thus serves the substantial removal of the still contained in the exhaust air flow FO sensitive heat. It is dimensioned so that the refrigerant is operated at least on entry into the downstream compressor 31 in a supercritical region.
  • the refrigerant is operated in a high pressure region (WPKH) of the heat pump cycle (WPK) between the compressor 31 and the expansion valve 34 in a supercritical state.
  • WPKH high pressure region
  • WPK heat pump cycle
  • the heat absorbed by the exhaust air flow FO in the evaporator 35 is then released again in two stages via the first heat exchanger 32 and a second heat exchanger 33.
  • the heat exchanger 32 as the first condenser downstream of the second heat exchanger 33 in the flow direction of the refrigerant of the heat pump circuit WPK, which in this example case is designed as a fin tube heat exchanger.
  • This second heat exchanger 33 is flowed through on the one hand by the refrigerant of the heat pump circuit WPK and on the other hand by the outside air flow AU, before the outside air flow AU for further heating in the first heat exchanger WT occurs.
  • the liquefied refrigerant has at an output 32b of the condenser 32, a temperature in the order of, for example, 30 0 C. It has been found that at low ambient temperatures, ie low temperatures of the outside air flow AU, in particular below 0 0 C, there is a risk that the First heat exchanger WT frosts or ices and thus largely loses its effect.
  • the second heat exchanger 33 is connected upstream of the outside air inlet of the designed as an air-to-air heat exchanger first heat exchanger WT, wherein the supercritical in the high pressure area (WPKH) refrigerant in the first heat exchanger 32 a larger part Q of the heat to a first heat sink, the heating and / or service water system C, transmits and another heat exchanger 33 transmits a smaller portion q of the heat of the refrigerant at a low temperature level to an outside air flow AU as a second heat sink, so that the freezing of the subsequently traversed by the outside air Air heat exchanger WT is prevented.
  • WPKH high pressure area
  • the outside air flow AU is preheated, which counteracts a tire and / or icing of the first heat exchanger 1.
  • the refrigerant of the heat pump circuit (WPK) located in the high-pressure region of the (WPKH) is cooled even further. This is favorable for the heat pump operation because the heating power is increased without increasing the electrical power consumption in the compressor 1.
  • the solar heat cycle B comprises a solar collector S, a pump P and a heat exchanger WTS, which is adapted by its dimensions to the heat quantities occurring in a solar circuit.
  • the so-called solar heat exchanger WTS transfers heat obtained in the solar collector S into the heating and / or service water installation C, which in addition to an electrical rule after reheating N also includes the heat exchanger 32 of the heat pump circuit WPK the ventilation system A as a heat source.
  • further heat exchangers can be provided here in the heating circuit of the heating and / or service water installation C.
  • the heat fed to the illustrated three heat exchangers WTS, 32, N heat can now be divided either via pumps and controllable valves on a heating circuit HK and a hot water circuit with a hot water tank WB.
  • the heating circuit HK supplies radiators and / or underfloor heating systems with heating water.
  • the introduced via a heat exchanger in the hot water tank WB heat can be stored and used not shown on the additional heat exchanger as needed for heating or at least for the preheating of drinking water.
  • Drinking water can also be kept at a pre-set temperature by means of a circulating system for hot water.
  • a waste heat recovery from wastewater not shown in FIG. 4 can also be operated additionally or alternatively with preheating of fresh water.
  • FIG. 5 shows a pressure-enthalpy diagram associated with the heat pump circuit of FIG. 1 for carbon dioxide CO2 or R744 as refrigerant.
  • Compressor 31, first heat exchanger 32, second heat exchanger 33, controllable expansion valve 34 and heat exchanger 36 are characterized as elements of the heat pump circuit WPK by their respective inputs a and outputs b in the circuit within the p-h diagram. It can be clearly seen in the p-h diagram that the working point in the transition from the outlet 36b of the evaporator 35 to the inlet 31a of the compressor 31 is clearly beyond the dew line.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a second embodiment of the invention. Accordingly, heat sources of different eigen- economically optimally used by two heat exchangers each adapted to heat exchangers are used as evaporators for heat absorption.
  • the evaporator 36 charged with exhaust air FO is preceded by an evaporator 35.
  • the evaporator 35 uses a cold temperature level for additional absorption of heat, for which purpose it is acted upon as heat exchanger with outside air AU.
  • the embodiment according to the present invention therefore includes a heat pump cycle in conjunction with a ventilation unit, where the refrigerant after the heat exchanger 35 in a further heat exchanger 36 is overheated or post-evaporated against the exhaust air of the ventilation unit.
  • the temperature of the exhaust air FO is greater than that of the outside air AU. Due to the higher humidity of the exhaust air FO in comparison to the outside air AU, the energy content of the exhaust air FO, in conjunction with its higher temperature, is greater than the energy content of the outside air AU.
  • a very compact design of the heat exchanger 36 for overheating or re-evaporation of the refrigerant is possible.
  • a further heat exchanger 36 is arranged as a superheater, in which the refrigerant CO 2 is overheated or post-evaporated. Overheating or re-evaporation takes place against the exhaust air FO of the first heat exchanger WT, in which the supply air ZU of a building is heated against the exhaust air AB.
  • the second heat exchanger 36 is designed for evaporation and superheating of the refrigerant, and reliable after-evaporation or overheating is ensured with a heat source which always has a higher temperature level than the heat source of the primary evaporator 35 ,
  • the refrigerant can now be partially evaporated in the second heat exchanger 36 as a superheater and safely overheated, but it can also be vaporized in the first heat exchanger 35 as an evaporator and partially overheated.
  • FIG. 4 shows a pressure-enthalpy diagram associated with the heat pump circuit according to FIG.
  • thermodynamic efficiency of the cycle of the CO 2 heat pump or the heat pump circuit WPK was in the embodiment of the heat exchanger 32 as a gas cooler 31 of the heat pump, in which the heating water is heated, inter alia, in the heating and service water C, a second heat exchanger 33rd connected as additional gas cooler. This serves to transfer the remaining heat of the supercritical CO2 refrigerant to the outside air AU.
  • the additional gas cooler 33 causes not only a significant reduction in the gas cooler outlet temperature of the refrigerant but also a preheating of the outside air AU, so that these temperatures of 0 0 C or more reached, so that a freezing of the cross-countercurrent heat exchanger is avoided.
  • this leads to a significant increase in the coefficient of performance, because the usable heat or cooling capacity increases without additional compressor power having to be used.
  • a CO2 heat pump process of -10 0 C evaporating temperature and gas cooler pressure of 80 bar can so the heat output number of 2.7 at a gas Cooling outlet temperature of 3O 0 C to 3.2 at a gas cooler outlet temperature of 20 0 C can be improved.
  • this first-described device can be well combined with a refrigerant after evaporation by means of exhaust air FO according to an embodiment of the invention.
  • a combination of ventilation unit and heat pump is provided.
  • the heat of the second gas cooler is transmitted at low temperature level to the outside air sucked by the ventilation unit and thus increases the coefficient of performance of the heat pump cycle;
  • the remaining energy of the exhaust air of the ventilation unit is used to ensure safe re-evaporation of the refrigerant coming from the suction side collector and thus to allow a control technically stable refrigerant circuit and a long compressor life.
  • Figure 9 shows a pressure-enthalpy diagram associated with the heat pump cycle of Figure 8.
  • the characteristics described above for the first two embodiments have been exactly adopted.
  • the heat exchanger shown in FIGS. 1 to 3 can be used, for example, as a heat exchanger 32 according to FIGS. 4, 6 or 8.
  • the embodiments according to FIGS. 4 to 9 represent a possible use of the heat exchanger according to FIGS. 1 to 3. LIST OF REFERENCES
  • Gas cooler / heat exchanger 33a Input of the gas cooler 33b Output of the gas cooler

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Leitungssystem für ein Kältemittel und einem Leitungssystem für ein Fluid, die zur Übertragung von Wärmeenergie von einem Medium auf das andere miteinander thermisch gekoppelt sind. Dabei weist der Wärmeübertrager eine Vielzahl von Teilstrecken auf, die hydraulisch jeweils miteinander parallel und/oder seriell verbunden sind. Um einen Wärmeübertrager der vorstehend genannten Art mit verbessertem Wärmeübergang in einer kompakteren Bauart und ein rationelles Herstellungsverfahren für einen derartigen Wärmeübertrager zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass in einer Teilstrecke jeweils ein Fluidkanal ein Blech mit ungefähr U-, V-oder W-förmigem Querschnittsverlauf umfasst, das an den Enden der U-, V- oder W-Form durch ein Blech geschlossen ist, wobei das Kältemittel in einem Rohr parallel zur Längsachse des Fluidkanals in dem Fluidkanal angeordnet ist.

Description

Wärmeübertrager und Wärmepumpenkreis
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Leitungssystem für ein Kältemittel und einem Leitungssystem für ein Fluid sowie einen Wärmepumpenkreis einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich überkritischen Kältemittel, der einen Wärmeübertrager aufweist.
Wärmeübertrager der genannten Art sind aus dem Stand der Technik in großer Zahl bekannt welche zur Übertragung von Wärmeenergie von einem Medium auf das andere miteinander gekoppelt sind. Typischerweise weist der Wärmeübertrager eine Vielzahl von Teilstrecken auf, welche hydraulisch jeweils miteinander parallel oder seriell verbunden sind. Zur Minimierung des Raumbedarfs weist der Wärmeübertrager i.d.R. eine Vielzahl von Teilstrecken auf, die unter Betrachtung jeweils eines Leitungssystems hydraulisch miteinander parallel und/oder seriell verbunden sind.
Derartige Wärmeübertrager werden beispielsweise in einem Wärmepumpenkreis einer Lüftungsanlage implementiert, welche ein Kältemittel aufweist, das im Hochdruckbereich überkritisch ist. Ein derartiger Wärmeübertrager nimmt Wärme von einem Außenluftstrom oder von einer Fortluft auf und überträgt dieses auf das Kältemittel.
Derartige Lüftungsanlagen sind beispielsweise aus der DE 197 02 903 A1 , DE 199 13 861 C1 oder der DE 101 03 150 A1 bekannt. In besonders vorteilhafter Weise ist gemäß der Lehre der letztgenannten DE 101 03 51 A1 auch die zusätzliche Nutzung der aus dem ersten Wärmeübertrager austretenden Fortluft durch eine Abwärmepumpe vorgesehen. Der Nutzung von Abwärme aus Abluft und/oder Abwasser kommt seit dem Inkrafttreten der Energieeinsparverordnung EnEV im Februar 2002 besondere Bedeutung zu. Eine auf der Nutzung von Abwärme aufbauende Heizungsanlage senkt deren Primärenergiebedarf für Trinkwassererwärmung, Lüftung und Heizung sehr deutlich. So kann die eingesetzte Anlagentechnik sogar Einfluss auf die Erteilung oder Nicht-Erteilung einer Baugenehmigung Auswirkung haben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der vorstehend genannten Art mit verbessertem Wärmeübergang in einer kompakteren Bauart und ein rationelles Herstellungsverfahren für einen derartigen Wärmeübertrager zu schaffen. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermodynamische Verbesserung des Wärmepumpen-Kreisprozesses mit einem Wärmeübertrager zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst, indem in einer Teilstrecke des Wärmeübertragers jeweils ein Fluidkanal ein Blech mit ungefähr U-, V- oder W-förmigem Querschnittsverlauf umfasst, das an den Enden der U-, V- oder W-Form durch ein Blech geschlossen ist, wobei das Kältemittel in einem Rohr parallel zur Längsachse des Fluidkanals in dem Fluidkanal angeordnet ist. Damit wird eine Struktur vorgeschlagen, bei der ein Rohr als Teil eines Kältemittelleitungssystems von einem Fluid direkt umschlossen ist. Zur Wärmeübertragung ist damit zwischen dem Kältemittel und dem Fluid nur die Wandung des Rohres als einzige Trennung zu überwinden. Hierdurch wird der Wärmeübergang gegenüber anderen bekannten Wärmeübertragern verbessert. Die Form des Fluidkanals verleiht dabei bereits einem Teilkanal hohe mechanische Stabilität. Zugleich erlaubt die gewählte Form des Fluidkanals durch die Schachtelung der Bestandteile beider Leitungssysteme bei vereinfachter Fertigung auch die Ausbildung einer kompakten Bauart des gesamten, aus miteinander hydraulisch verschalteten Teilkanälen aufgebauten Wärmeübertragers.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach entspricht das Verhältnis der Querschnittsflächen des Fluidkanals und des Rohres dem Verhältnis der jeweiligen k-Faktoren des Kältemittels und des Fluids. Auch diese konstruktive Maßnahme dient durch einen Ausgleich der von einem Medium abzugebenen an die von dem anderen Medium aufzunehmende Wärmemenge einer Optimierung der gesamten Wärmeübertragung. Bei Verwendung von R407c als Kältemittel-Mischung aus verschiedenen Bestandteilen wird ein Flächenverhältnis von ca. 2 : 1 eingestellt. Bei Einsatz von Propan als Kältemittel ist ein Flächenverhältnis von ca. 4 : 1 bis 5 : 1 einzustellen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Flächenverhältnis von 3 : 1 eingestellt.
In einer Ausführungsform der Erfindung stehen die Schenkel des ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blechs zueinander in einem Winkel α, über den das vorstehend genannte Flächenverhältnis bei sonst gleichbleibender Geometrie in einem wei- ten Bereich einstellbar ist. Bevorzug wird ein Winkel α von ca. 55 bis etwa 140° zwischen den Schenkeln des ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blechs des Fluidkanals. Bevorzugt wird jedoch ein Winkel α von ca. 67° zwischen den Schenkeln des ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blechs des Fluidkanals eingestellt.
Vorzugsweise ist das Rohr zwischen den Schenkeln des ungefähr U-, V- oder W- förmigen Blechs fixiert. Insbesondere ist das Rohr an dem U-, V- oder W- förmigen Blech dadurch fixiert, dass es angedrückt, angelötet, angeschweißt und/oder angelasert ist. Die Fixierung erhöht die Stabilität der Anordnung zusätzlich, während sich aus dem Kontakt des Rohres mit dem ungefähr U-, V- oder W- förmigen Blech auch eine zusätzliche Möglichkeit zur Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ergibt, also quasi eine wesentliche Vergrößerung der Oberfläche - A -
des Rohres bewirkt wird. In einer alternativen Ausführungsform ist das Rohr dagegen ungefähr im Schwerpunkt der durch die Schenkel des ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blechs aufgespannten Fläche angeordnet. Damit wird das Rohr über seinen gesamten Umfang frei von dem Fluid des Fluidkanals umströmt, was bei guter Flächenausnutzung ebenfalls eine gute Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion gewährleistet. Mindestens in dieser Ausbildungsform der Erfindung sind dem Fachmann diverse Maßnahmen zur Vergrößerung der Außenfläche des Rohrs bekannt, wie z.B. Anklemmen von Blechen oder Fixieren von im Wesentlichen längs zur Strömungsrichtung ausgerichteten Rippen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Teilstrecke aus drei Elementen aufgebaut, wobei das Rohr in dem ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blech liegt und das ungefähr U-, V- oder W-förmige Blech auf einem Trägerblech angeordnet ist. Das Trägerblech weist dabei in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Wesentlichen die gleiche Flächenausdehnung wie das U-, V- oder W-förmige Blech auf.
Das U-, V- oder W-förmige Blech grenzt vorteilhafterweise senkrecht zu seiner Längsachse an im Bereich eines Schenkels an ein weiteres U-, V- oder W- förmiges Blech an, so dass sich insbesondere im Fall einer Mehrzahl von U-, V- oder W-förmigen Blechen insgesamt eine Art von Wellblech ergibt. Diese Struktur wird von dem Fluid mäandernd durchflössen oder ist von dem Fluid mäandernd durchfließbar.
Vorteilhafterweise ist ein Rohr an mindestens einem Ende mit einem gleichartigen Rohr verbunden. So ergibt sich in einer Ausführungsform der Erfindung eine platzsparende, von dem Kältemittel mäandernd durchfließbare Anordnung. Diese Anordnung kann auch als ein mäandernd gebogenes einziges Rohr mit geradlinig verlaufenden Teilabschnitten ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Wärmeübertrager eine Anordnung aus Rohr, U-, V- oder W-förmigem Blech und Trägerblech als Schicht zu- sammengefasst. Eine derartige Schicht ist über einer anderen Schicht mit gleich- artigen Bauteilen so angeordnet, dass das Trägerblech der ersten Schicht das abdeckende Blech der zweiten Schicht bildet. Damit ist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager in hervorragender Weise mit einfachen Mitteln skalierbar und einem jeweiligen Bedarf oder einer Dimensionierung eines Wärmeübertragers anpassbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen das U-, V- oder W-förmigem Blech in dem Bereich, in dem es mit dem Rohr in oberflächlichem Kontakt, und das Trägerblech in dem Bereich, in dem es mit dem U-, V- oder W-förmigen Blech in oberflächlichem Kontakt steht, Ausnehmungen zur Ermöglichung einer gemein- samen Verlötung auf. Es wird also ein Stapel von vorstehend genannten Elementen gebildet, die gemeinsam in einem Prozessschritt miteinander verbunden werden. Dabei kommt nach einer Ausführungsform der Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Einsatz, bei dem ein Lötprozess in einem Vakuum-Ofen abläuft, um die genannten Elemente in einem einzigen Lötprozess alle miteinan- der sicher zu verlöten.
Die Ausnehmungen sind als Schlitze und/oder Lochungen mit Abmessungen ausgebildet, die im Zuge der gemeinsamen Verlötung im Wesentlichen geschlossen werden. Es ergibt sich mithin in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Fertigungsverfahren, wonach ein Rohr jeweils in ein Tal eines U-, V- oder W-förmigen Blechs eingelegt und das U-, V- oder W-förmige Blech auf ein Trägerblech gelegt wird, wobei das U-, V- oder W-förmige Blech mit Ausnehmungen im Kontaktbereich mit dem Rohr und das Trägerblech mit Ausnehmungen im Kontaktbereich mit dem U-, V- oder W-förmigen Blech versehen wird, Lötzinn jeweils in ein Tal eines U-, V- oder W-förmigen Blechs eingelegt und die genannten Elemente ohne weitere vorangehende Vor-Fixierung miteinander verlötet werden. Das Verfahren umfasst damit nur noch die Schritte eines Zusammenlegens bzw. Übereinanderstapelns und einer Vakuumverlötung, um eine vollständig verbundene Anordnung zu erhalten. Der Anteil von Handarbeit ist damit auf ein Minimum gesenkt worden, wie auch die Anzahl der in Einsatz zu bringenden unterschiedlichen Materialien und/oder Hilfsstoffe. Die Ausnehmungen in dem U-, V- oder W-förmige Blech und dem Trägerblech werden in einer Ausführungsform als Perforation, Lochung und/oder abschnittsweise Schlitzung hergestellt. Dabei werden die Ausnehmungen in dem U-, V- oder W-förmige Blech und dem Trägerblech vorzugsweise durch Stanzen, Boh- ren und/oder Lasern hergestellt. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen als Schlitze und/oder Lochungen mit Abmessungen derart ausgebildet, dass sie im Zuge der gemeinsamen Verlötung im Wesentlichen geschlossen werden. So sind dann die einzelnen Schichten innerhalb des Wärmeübertragers gegeneinander fluiddicht ausgebildet.
Vorzugsweise wird das U-, V- oder W-förmige Blech mit periodischer Fortsetzung senkrecht zu einer späteren Strömungsrichtung durch abschnittsweises Pressen und/oder Tiefziehen eines Blechs hergestellt. Durch dieses Herstellungsverfahren wird ein Grad an Maßhaltigkeit erreicht, der ausreichend ist, um in einer Anordnung von Einzelteilen vor und während des Verlötens stets ein Tal eines oberen U-, V- oder W-förmigen Blechs mit einem Berg eines unteren U-, V- oder W-förmigen Blechs relativ zueinander in übereinstimmende Position zu bringen. Dieses für die vorstehend dargestellte Lötverbindung erforderliche Anordnungsprinzip kann bei ausreichender Maßhaltigkeit der U-, V- oder W-förmigen Bleche für große Einheiten garantieren, dass sogar mehrschichtige Anordnungen in nur einem Lötschritt fertig verbunden und auch in ausreichender Weise abgedichtet werden können. Ein derartiges Verfahren ist dann sehr effizient und ökonomisch.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager ist vorzugsweise als Gegenstrom- Wärmeübertrager ausgebildet, wobei insbesondere als Kältemittel im überkritischen Bereich betriebenes Kohlendioxid gewählt ist. Zur Gewährleistung der kältemittelseitigen Druckfestigkeit eignen sich die erfindungsgemäß vorgesehenen Rohrleitungen besonders. In Form dünner Rohre bzw. Rohr mit geringer Querschnittsfläche sind Rohre mit starken Drücken belastbar, so dass insbesondere Berst-Druck-Tests von einem Wärmeübertrager der genannten erfindungsgemäßen Bauart prinzipiell gut bestanden werden. Bevorzugter Weise wird als Fluid Wasser gewählt, was schon auf Wärmepumpen und Hausklimaanlagen als einen wesentlichen Einsatzbereich erfindungsgemäßer Wärmeübertrager hinweist. Das Rohr, das U-, V- oder W-förmige Blech, das Trägerblech und ein fluiddichtes Außengehäuse bestehen in Ausführungsformen der Erfindung aus Kupfer oder Edelstahl.
Die vorliegende Aufgabe wird ferner durch die Merkmale des Anspruchs 24 gelöst. Somit ist in dem Wärmepumpenkreis ein Wärmeübertrager oder ein Wärmeübertrager und ein zweiter Wärmeübertrager für die Überhitzung des zumindest teilweise verdampften Kältemittels vorgesehen, wobei der Wärmeü- bertrager, der wenigstens von Außenluft durchströmt ist, in Strömungsrichtung des Kältemittels bei Heizbetrieb vor dem zweiten Wärmeübertrager liegt, in dem von der Fortluft der Lüftungsanlage Wärme auf das Kältemittel übertragen wird und/oder dass zusätzlich zu einem Wärmeübertrager ein Wärmeübertrager als Gaskühler im Außenluftstrom vor der Lüftungsanlage angeordnet ist, bei dem Wärme vom in einem Hochdruckbereich überkritischen Kältemittel auf den Außenluftstrom übertragen wird.
Die vorstehend genannte Lösung umfasst mithin die drei Alternativen einer zweistufigen Unterkühlung des Kältemittels, einer zweistufigen Überhitzung des Kältemittels sowie einer Kombination aus zweistufiger Unterkühlung und zweistufi- ger Überhitzung desselben Kältemittels. Im Fall einer zweistufigen Unterkühlung des Kältemittels wird das Ziel einer thermodynamischen Verbesserung des Kreisprozesses des Wärmelüftungskreises dadurch erreicht, dass einem ersten Wärmeübertrager als Gaskühler ein zweiter Wärmeübertrager nachgeschaltet wird. Dieser zweite Wärmeübertrager dient dazu, die verbleibende Wärme des überkritischen Kältemittels beispielsweise auf die Außenluft zu übertragen, so dass diese Außenluft nunmehr Temperaturen von 00C oder mehr erreicht. Zum weiteren Erwärmen der Zuluft kann damit insbesondere ein Einfrieren eines Luft- Luftwärmeübertragers, der in vorteilhafter Weise als Kreuz-Gegenstrom-Luft-Luft- Wärmeübertrager ausgebildet ist, vermieden werden. Daneben bewirkt der zwei- te Wärmeübertrager jedoch vorteilhafterweise gleichzeitig auch eine signifikante Verringerung der Wärmeübertrager-Austrittstemperatur des Kältemittels. Dies führt bei Wärmepumpen- oder Kältekreisen zu einer deutlichen Erhöhung der als Quotient aus Heizleistung und Verdichter-Antriebsleistung definierten Leistuπgs- zahl e, weil sich die nutzbare Wärme- bzw. Kälteleistung erhöht, ohne dass dazu zusätzliche elektrische Verdichterleistung aufgewendet werden muss.
Bei der Alternative einer zweistufigen Überhitzung wird ein wesentlicher Nachteil einer Überhitzung in einem einstufigen Kältemittelverdampfer vermieden, wonach die Wärmequelle an sich ein recht niedriges Temperaturniveau haben kann und bei einem sehr effizient arbeitenden Verdampfer unter Umständen keine zuverlässige Überhitzung realisiert werden kann. Erfindungsgemäß beinhaltet ein Wärmpumpenkreislauf an einem Verdampfer des Kältemittels anschließend einen weiteren Wärmeübertrager, in dem das Kältemittel zum Schutz des Verdichters sicher überhitzt bzw. nachverdampft wird, wobei das Kältemittel im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreislaufs in einem überkritischen Bereich und der Wärmepumpenkreislauf mit gesteigerte Effizient betrieben wird.
Bei der dritten Alternative werden die beiden vorstehend genannten Alternativen miteinander kombiniert, so dass sich eine zweistufige Überhitzung und eine zweistufige Unterkühlung des Kältemittels in demselben Wärmepumpenkreislauf ergibt. Die vorstehend aufgeführten Vorteile addieren sich hierbei bei thermody- namischer Effizienzsteigerung des Kältemittelkreises sowie bei einer Erhöhung der Sicherheit des Betriebes, die sich insbesondere durch eine längere Lebensdauer des Verdichters auszeichnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach ist bei jeder der vorstehend genannten drei Alternativen ein Betrieb des jeweiligen zweiten Wärmeübertragers gegen die Außenluft vorgesehen. Im Fall einer Unterkühlung des Kältemittels ist der zweite Wärmeübertrager vorzugsweise dem Außenluft-Eingang als Luft-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertragers vorgeschaltet. Damit wird die Außenluft durch die von dem zweiten Wärmeübertrager abgegebene Wärme vorerwärmt, während gleichzeitig das Kältemittel des Wärmeübertragerkreises weiter abgekühlt wird. Dies ist für den Wärmepumpenbetrieb günstig, weil dadurch die Verflüssigung des Kältemittels unterstützt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Wärmeübertrager im Fall einer Überhitzung des Kältemittels dem für die Erhitzung vorge- sehenen Wärmeübertrager in Kältemittel-Flussrichtung vorgeschaltet angeordnet. Der zweite Wärmeübertrager ist mit Außenluft beaufschlagt, während der eigentlich für die Überhitzung vorgesehene Wärmeübertrager mit Fortluft beaufschlagt wird. Die Temperatur der Fortluft ist größer als die der Außenluft. Aufgrund der im Vergleich zur Außenluft höheren Feuchte der Fortluft ist in Verbin- düng mit ihrer höheren Temperatur der Energieinhalt der Fortluft auch größer als der der Außenluft. Zudem ist wegen des vergleichbar kleineren Volumenstromes der Fortluft und wegen der hohen verfügbaren externen Pressung von mechanischen Wohnungslüftungsanlagen eine sehr kompakte Gestaltung des Wärmeübertragers für die Überhitzung oder Nachverdampfung des Kältemittels möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine mechanische Lüftungsanlage an den Abluft-Eingang eines Wärmeübertragers gekoppelt. Gerade bei den gemäß der Energieeinsparverordnung EnEV geforderten hoch wärmegedämmten und quasi luftdichten Neubauten mit einer geforderten Gebäudedichtigkeit von einem 0,2-fachen freien Luftwechsel über Gebäudeundichtigkeiten bietet sich insbesondere der Einsatz einer mechanischen Lüftungsanlage in Kombination mit einer Abluftwärmepumpe an. Für eine ausreichende Raumluftqualität sowie die notwendige Abfuhr von Feuchte aus den Räumen ist ein etwa 0,5-facher Luftwechsel benötigt, also ein 0,5-maliger Austausch des in den Räumen enthaltenen Luftvolumens pro Stunde, wie er auch nach DIN 1946 für Woh- nungen gefordert ist. Zur Erreichung des erforderlichen Luftwechsels ist die derzeit noch übliche Fensterlüftung in Neubauten nach dem durch die EnEV definierten Niedrigenergiehaus-Standard ungeeignet. Als einige wesentliche Nachteile der Fensterlüftung sind zu nennen, dass der Luftwechsel in Abhängigkeit von der Windstärke wesentlich variiert und in der Größe schwer einzuschät- zen ist, wobei die Durchströmungsrichtung innerhalb der Wohnung auch häufig ungünstig ist. Die theoretisch sinnvolle Stoßlüftung ist mindestens nachts nicht ^
praktikabel, da mindestens zur Schlafenszeit die Fenster nicht alle zwei Stunden für 10 Minuten geöffnet werden können. Somit wird derzeit im Endeffekt entweder deutlich zu wenig oder viel zu viel gelüftet.
Im Zuge der EnEV wird also fast zwangsläufig ein mechanisches Lüftungssystem in entsprechenden Neubauten vorzusehen sein, durch die vorteilhafter Weise die hier erforderlichen Luftwechsel zuverlässig und sicher eingestellt werden können, wobei eine effiziente Querlüftung unter Verhinderung eines Eindringens von Staub, Pollen und Insekten in die Wohnung durch entsprechende Filterungen gewährleistet werden kann. Zudem wird durch eine mechanische Lüftungsanlage eine Schalldämmung der Wohnung gegenüber der Außenwelt wesentlich verbessert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet R744 bzw. CO2 das Kältemittel. Gegenüber Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW) und Ersatzstoffen oder einer Verwendung von Propan als Kältemittel zeichnet sich CO2 durch seine gute Verfügbarkeit bei vergleichsweise geringeren Preisen und seine Umweltverträglichkeit aus. Nachteilig bei Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel ist jedoch, dass Kohlendioxid keine klaren Phasenübergänge zeigt. Daher ist es gerade bei der Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel vorteilhaft, den Wärmepumpenprozess erfindungsgemäß klar in einem überkritischen Bereich zu führen. Dementsprechend ist im Fall einer überkritischen Prozessführung des Kältemittels im Hochdruckbereich der vorgesehene Wärmeübertrager für eine Verdampfung und eine teilweise Überhitzung des Kältemittels ausgelegt. Vorzugsweise wird im diesem Fall der jeweils zweite Wärmeübertrager für eine Verdampfung und eine sichere Überhitzung des Kältemittels ausgelegt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Wärmepumpenkreises einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreises im überkritischen Zustand betriebenen Kältemittel, wird das Kältemittel zwischen einer Gaskühlung und einer Wärmeaufnahme einer Druckdifferenz zwischen ca. 40 und ca. 90 bar ausge- setzt. Bei Hochdruck von über 70 bar im überkritischen Zustand fällt getrennt hintereinander zunächst in einer ersten Gaskühlung (2a -2b) die Enthalpie um ca. 150 bis ca. 300 kJ/kg und in einer zweiten, auf die erste nachfolgende, Gaskühlung (3a-3b) fällt die Enthalpie um weniger als ca. 100 kJ/kg, und/oder bei einem Druck zwischen ca. 20 und ca. 60 bar bei einer ersten Wärmeaufnahme (5a-5b) steigt die Enthalpie um ca. 150 bis ca. 250 kJ/kg an und in einer nachfolgenden zweiten Wärmeaufnahme (6a-6b) steigt die Enthalpie des Kältemittels um weniger als ca. 100 kJ/Kg an.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass die erste Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (5a-5b) aus der Außenluft erfolgt und die zweite Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (6a-6b) einer Fortluft eines Raumes, die eine höhere Temperatur als die Außenluft besitzt und/oder dass das erste Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (2a-2b) von Wärme an ein Heizungs-, Warmwasseroder Lüftungssystem erfolgt und das zweite Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (3a-3b) an einen Außenluftstrom erfolgt.
Das Kältemittel wird in einer vorteilhaften Verfahrens- oder Prozessführung mittels eines Verdichters auf eine Druck von ca. 90 - 100 bar, bei einer Temperatur von ca 80 0C verdichtet. Von diesem Zustand aus erfolgt eine Wärmeabgabe, wobei die Enthalpie des Kältemittels von ca. 470 kJ/kg auf etwa 250 kJ/kg fällt, was isobar bei einem Druck von ca. 95 bar erfolgt. In einem zweiten Wärmeab- gabeprozess erfolgt dann beim gleichen Druck ein weiterer Enthalpieabfall von etwa 250 kJ/kg auf 200 kJ/kg. Das Kältemittel wird dann auf einen Druck von ca. 35 bar entspannt, zumindest soweit entspannt, dass das Kältemittel im Nassdampfgebiet gehalten wird. Nun folgt eine in vorteilhafter Weise isobare zweistufige Erwärmung mit einem ersten Anstieg der Enthalpie von ca. 200 kJ/kg auf etwa 400 kJ/kg, insbesondere über 400 kJ/kg, jedoch in vorteilhafter Weise noch im Nassdampfgebiet. Hierauf folgt beim gleichen Druck eine weitere isobare Energieaufnahme, bei der das Kältemittel eine Enthalpie annimmt, die einem Wert außerhalb des Nassdampfgebietes entspricht, im speziellen eine Enthalpie von ca. 440 kJ/kg. Bei höheren Drücken kann die Enthalpie auch etwas kleiner sein, z.B. ca. 420 kJ/kg bei 50 bar, je nachdem bei welchem Druck die Wärmeaufnahme erfolgt. Von diesem Zustand aus erfolgt wieder eine Drucksteigerung im Verdichter auf ca. 95 bar und einer Temperatur von etwa 80 0C1 was einer Enthalpie im Bereich um 470 kJ/kg entspricht und womit der Kältemittelprozess geschlossen ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand von Ausfüh- rungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf Abbildungen der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : eine perspektivische Ansicht eines geöffneten Wärmeübertragers;
Figur 2: eine Seitenansicht des Wärmeübertragers von Figur 1 in einem Ausschnitt;
Figur 3: eine skizzierte Schnittdarstellung durch einen Wärmeübertrager gemäß einer der vorhergehenden Figuren;
Figur 4: ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; Figur 5: ein zu dem Wärmepumpenkreis von Figur 4 gehöriges Druck-
Enthalpie-Diagramm;
Figur 6: ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 7: ein zu dem Wärmepumpenkreis gemäß Figur 6 gehöriges Druck-Enthalpie-Diagramm;
Figur 8: ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und
Figur 9; ein Druck-Enthalpie-Diagramm, das zu dem Wärmepumpenkreis von Figur 8 gehört. Λ .,
In den Abbildungen der Zeichnung werden über die verschiedenen Ausführungsformen hinweg gleiche Bezugzeichen für gleiche oder gleichartige Elemente verwendet.
In der Abbildung von Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines geöffneten Wärmeübertragers 1 gemäß vorliegender Erfindung dargestellt, wobei ein fluid- dichtes Außengehäuse 2 im Bereich einer Schmalseite 3 und einer Breitseitenfläche 4 geöffnet ist. Durch die Öffnung des fluiddichten Außengehäuses 2 sind übereinander angeordnete, gleichartig aufgebaute Schichten 5, 6, 7, 8 sichtbar. Herzstück einer jeden der Schichten 5, 6, 7, 8 ist ein wellenförmig gebogenes Blech 9 aus Kupfer mit einer periodischen Abfolge von Wellentälern 10 und Wellenbergen 11 , die zueinander punktsymmetrisch sind. Unter jeder Schicht 5, 6, 7, 8 ist ein im Wesentlichen ebenes Blech 12 angeordnet, das die gleichen Außenabmessungen wie das Blech 9 aufweist und den Raum unter den Wellenbergen 11 des Blechs 9 derart abschließt, dass sich ein geschlossener Fluidka- nal 13 bildet. Während die in der Darstellung von Figur 1 abgenommene Breitseitenfläche 4 des fluiddichten Außengehäuses 2 das Blech 9 der Schicht 5 überdeckt, so überdecken die Bleche 12 einer jeden Schicht 5, 6, 7, 8 in gleicher Weise die wellenförmig gebogenen Bleche 9 der jeweils darunterliegenden Schicht 6, 7, 8. Damit sind nun insgesamt auch alle Räume von Wellentälern 10 der wellenförmig gebogenen Bleche 9 der Schichten 5, 6, 7, 8 derart geschlossen, dass sie Fluidkanäle 14 bilden.
Gemäß Figur 1 sind in die Wellentäler 10 der wellenförmig gebogenen Bleche 9 von Kältemittel zu durchströmende Rohre 15 eingelegt. Damit ergibt sich eine Teilstrecke 17, bei der in sehr kompaktem Aufbau das von Kältemittel durch- strömte Rohr 15 an seiner Oberfläche in direktem Kontakt mit einem Fluid des Fluidkanals 13 steht. In diesen Teilstrecken 17 ist vorteilhafterweise ein echter Gegenstrom-Wärmeübertrager realisiert. Ein Fluidkanal 14 steht je nach Betrachtungsweise im Gegenstrom oder Gleichstrom über das jeweilige Blech 9 thermisch in Kontakt mit dem Kältemittel der Rohre 15. Über Biegungen 17 sind die Rohre als eine einstückige, mäandrierende Kühlmittelschlange 18 ausgebildet. Um im zusammengebauten Zustand eine derartige Kühlmittelschlange 18 jeweils in einem wellenförmig gebogenen Blech 9 zwischen einem abdeckendem Blech 12 unterbringen zu können, sind im Bereich der Biegungen 17 Aussparungen 19 in dem wellenförmig gebogenen Blech 9 vorgesehen. Die im Einsatz jeweils mit einem Fluid gleichsinnig durchfluteten Fluidkanäle 13, 14 sind über die durch die Aussparungen 19 entstehenden Räume hydraulisch parallel geschaltet.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt x des Wärmeübertragers 1 von Figur 1 in einer vergrößerten Seitenansicht. Hierin ist nun deutlich zu erkennen, dass die Schicht 5 gegenüber den Schichten 6, 7, 8 bei gleichbleibender Periodenlänge der Wellenstruktur des Blechs 9 eine reduzierte Höhe aufweist. Die Dimensionierung und Formung der Kühlmittelschlange 18 bleibt von diesen Änderungen unberührt, so dass in allen Schichten 5, 6, 7, 8 auf benachbarte Schichten bezogen jeweils paarweise oder sogar insgesamt gleiche Kühlmittelschlangen 18 verwendet werden können.
Das Verhältnis der Querschnittsflächen F1 der Fluidkanäle 13, der Querschnittsflächen F3 der Fluidkanäle 14 und der Querschnittsfläche F2 des Rohres 15 ist in der Abbildung von Figur 3 anhand einer skizzierten Schnittdarstellung durch einen Wärmeübertrager 1 gemäß einer der vorhergehenden Figuren dargestellt. In der gewählten Darstellungsform von Figur 3 ergibt sich ein Verhältnis der Querschnittsflächen F1 : F2 von deutlich größer als 1 : 5. Hierbei bildet die Querschnittsfläche F1 ungefähr eine Dreiecksfläche mit einem Spitzenwinkel α von weniger als 90°.
Bedingt durch diese Flächenform und die parallel laufenden Ebene der Bleche 12 ergibt sich, dass die Flächen F1 und F3 gleich groß sind. Bei Abweichung von der V-Form hin in Richtung auf eine U- oder W-Form kann in einer nicht weiter dargestellten Ausführungsform der Erfindung das Verhältnis zwischen den Flächen F1 und F3 in einem weiten Bereich frei eingestellt werden. Diese Freiheit kann erforderlich sein, um beispielsweise Unterschiede in der Durchströmungs- menge der Fluidkanäle 13, 14 und/oder Unterschiede im Wärmeübergang der Fluidkanäle 13, 14 auszugleichen oder im Sinne einer Optimierung der Wärmeübertragerleistung abweichend einzustellen.
Ein wesentlicher fertigungstechnischer Vorteil einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung 1 ist ebenfalls in der Skizze von Figur 3 angedeutet: Die Rohre 15 einer Kühlmittelschlange 18 bilden zusammen mit dem wellenförmig gebogenen Blech 9 und dem darunterliegend angeordneten Blech 12 eine Schicht 5, 6, 7, 8. Derartige Schichten 5, 6, 7, 8 sind gemäß der Abbildung von Figur 2 fast beliebig übereinander stapelbar, so dass ein derart aufgebauter Wärmeübertrager sehr gut skalierbar ist.
Neben diesem Vorteil erlaubt der vorstehend beschriebene Aufbau jedoch auch ein sehr effizientes Verfahren zur mindestens teilweisen abdichtenden Verbindung der Elemente einer Schicht mit dem wellenförmig gebogenen Blech 9 einer darunter liegenden Schicht. Hierzu sind in dem hier V-förmigen Blech 9 in dem Bereich, in dem es mit dem Rohr 15 in oberflächlichem Kontakt steht, und in dem Trägerblech 12 in dem Bereich, in dem es mit dem V-förmigen Blech 9 sowie i.d.R. mit einem V-förmigen Blech 9 einer nachfolgenden Schicht in oberflächlichem Kontakt steht, Ausnehmungen 20 vorgesehen. Die Ausnehmungen 20 sind als Schlitze 21 oder Lochungen 22 mit Abmessungen ausgebildet, die im Zuge der gemeinsamen Verlötung im Wesentlichen geschlossen werden. Vorliegend werden Schlitze 21 in den Blechen 12 und Lochungen 22 in Form einer Perforation in den V-förmigen Wellenblechen 9 vorgesehen. Neben einer durchgehenden Verbindung der vorstehend genannten Elemente wird damit auch eine weitreichende innere Abdichtung der verschiedenen Fluidkanäle 13, 14 über die Schichten 5, 6, 7, 8 hinweg realisiert.
Dabei wird dieser eine Lötvorgang beim Stapeln der vorstehend genannten Elemente dadurch vorbereitet, dass Lötzinn 23 vorbestimmter Menge in Stabform im Bereich der Rohre 15 angeordnet wird. Im Rahmen eines Lötschritts, der nur eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Anordnung auf eine Temperatur jenseits des Schmelzpunktes des Lötzinns 23 umfasst und in einem Vakuumofen durchgeführt wird, wird das Lötzinn 23 dann soweit verflüssigt, dass es alle Elemente in dem gestrichelt eingefassten Bereich miteinander verbindet. Damit wird so in nur einem Schritt eine sichere und fluiddichte Verbindung der beteiligten Elemente über alle Schichten 5, 6, 7, 8 hinweg in dem in Figur 3 beispielhaft gestrichelt umrandeten Kontaktbereich hergestellt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren setzt eine gewisse Maßhaltigkeit gerade bei dem im vorliegenden Beispielfall V-förmigen Blech 9 voraus. Um hier eine ausreichende Maßhaltigkeit sicherstellen zu können, wird das V-förmige Blech 9 mit periodischer Fortsetzung senkrecht zu einer späteren Strömungsrichtung durch abschnittsweises Pressen und/oder Tiefziehen eines zuvor im Wesentlichen ebenen Blechs hergestellt. Durch ein abschnittsweises Fortschreiten von Press- und/oder Tiefziehvorgängen kann ein Blech in einem bereits fertiggestellten Bereich fixiert bzw. festgehalten werden, wobei Verformungs- und Fließvorgänge in einem gerade bearbeiteten Bereich nicht behindert werden. Damit werden hinsichtlich der Maßhaltigkeit gute Ergebnisse erzielt, wobei zugleich ein Reißen des Blechs weitgehend ausgeschlossen werden kann. Die vorstehend im Zusammenhang mit einer abschließenden Verlötung der Einzelteile beschriebenen Ausnehmungen 22 in dem V-förmigen Blech 9 würden sich bei dem gerade beschriebenen Vorgang der Materialumformung störend als Risskeime bemerk- bar machen. Daher werden die Ausnehmungen 22 an V-förmigen Blechen 9 durch Stanzen, Bohren und/oder Lasern vorzugsweise erst nach der beschriebenen Materialumformung hergestellt. Dabei werden die Ausnehmungen 22 an dem i.d.R. ebenen Trägerblech 12 vorzugsweise nach dem gleichen Verfahren hergestellt.
In der Abbildung von Figur 4 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei eine mit gestrichelter Linie umschlossene Lüftungsanlage A zusammen mit einem Solarwärme-Kreis B an eine Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C gekoppelt ist.
Soweit die Lüftungsanlage A einen Wärmeübertrager WT aufweist, der als Luft- Luft-Kreuzstrom-Wärmeübertrager oder Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertrager 1 f
ausgebildet ist, kann über eine zeichnerisch nicht weiter dargestellte mechanische Lüftungsanlage ein Abluftstrom AB aus zu beheizenden Räumen an den Abluft-Eingang des ersten Wärmeübertragers WT geleitet werden. Nach der Übertragung von Wärmeenergie auf einen Zuluftstrom ZU wird der Abluftstrom AB als Fortluft FO weitergeleitet.
Die im Fortluftstrom FO noch enthaltene sensible Wärme wird in einem Wärmepumpenkreis WPK genutzt. Dazu umfasst dieser Wärmepumpenkreis WPK einen Verdichter 31 zum Verdichten eines gasförmigen Kältemittels, einen ersten Wärmeübertrager 32 und einen zweiten Wärmeübertrager 33, die beide als Gasküh- ler für das verdichtete Kältemittel und mithin zu dessen Verflüssigung dienen. Schließlich gelangt das flüssige Kältemittel über ein steuerbares Expansionsventil 34 zu einem Verdampfer 35. Hinter dem Verdampfer 35 schließt sich der Wärmepumpenkreis WPK, wobei der Fortluftstrom FO nach dem Durchlaufen des Verdampfers 35 dann endgültig an die Umgebung abgegeben wird. Der Wärmeübertrager 32 kann in vorteilhafter Weise als Heizkörper für die Erwärmung von Zuluft verwendet sein, wobei er im Zuluft- oder Außenluftstrom liegt.
Der Verdampfer 35 dient also dem weitgehenden Entziehen der noch im Fortluftstrom FO enthaltenen sensiblen Wärme. Er ist dazu so dimensioniert, dass das Kältemittel mindestens beim Eintritt in den nachgeschalteten Verdichter 31 in einem überkritischen Bereich betrieben wird. In vorteilhafter Weise wird das Kältemittel in einem Hochdruckbereich (WPKH) des Wärmepumpenkreises (WPK) zwischen dem Verdichter 31 und dem Expansionsventil 34 in einem überkritischen Zustand betrieben. Mit Kohlendioxid CO2 als Kältemittel ist eine Che- mikalie mit guter Verfügbarkeit, hoher Umweltverträglichkeit und vergleichsweise geringem Gefahrenpotential verwendet.
Die von dem Fortluftstrom FO im Verdampfer 35 aufgenommene Wärme wird dann in zwei Stufen über den ersten Wärmeübertrager 32 und einen zweiten Wärmeübertrager 33 wieder abgegeben. Dem Wärmeübertrager 32 als ersten Verflüssiger ist in Strömungsrichtung des Kältemittels des Wärmepumpenkreises WPK der zweite Wärmeübertrager 33 nachgeschaltet, der in diesem Beispielfall als Lamellenrohr-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Dieser zweite Wärmeübertrager 33 wird einerseits vom Kältemittel des Wärmepumpenkreises WPK und andererseits vom Außenluftstrom AU durchströmt, bevor der Außenluftstrom AU zur weiteren Erwärmung in den ersten Wärmeübertrager WT eintritt.
Das verflüssigte Kältemittel hat an einem Ausgang 32b des Verflüssigers 32 eine Temperatur in der Größenordnung von beispielsweise 300C. Es wurde gefunden, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen, d.h. niedrigen Temperaturen des Außenluftstroms AU von insbesondere unter 00C, die Gefahr besteht, dass der erste Wärmeübertrager WT bereift oder vereist und damit großteils seine Wir- kung verliert. In diesem Fall einer Unterkühlung des Kältemittels ist der zweite Wärmeübertrager 33 dem Außenluft-Eingang des als Luft-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten ersten Wärmeübertragers WT vorgeschaltet, wobei das im Hochdruckbereich (WPKH) überkritische Kältemittel im ersten Wärmeübertrager 32 einen größeren Teil Q der Wärme auf eine erste Wärmesenke, die Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C, überträgt und ein weiterer Wärmeübertrager 33 einen kleineren Teil q der Wärme des Kältemittels auf niedrigem Temperaturniveau auf einen Außenluftstrom AU als zweite Wärmesenke überträgt, so dass das Einfrieren des anschließend von der Außenluft durchströmten Luft-Luft- Wärme-übertragers WT unterbunden wird. Durch die Abgabe einer bestimmten Wärmemenge q durch den zweiten Wärmeübertrager 33 wird der Außenluftstrom AU vorerwärmt, was einer Bereifung und/oder Vereisung des ersten Wärmeübertragers 1 entgegenwirkt. Gleichzeitig wird dabei das im Hochdruckbereich des (WPKH) befindliche Kältemittel des Wärmepumpenkreises (WPK) noch weiter abgekühlt. Dies ist für den Wärmepumpenbetrieb günstig, weil die Heizleistung ohne Erhöhung der elektrischen Leistungsaufnahme im Verdichter 1 gesteigert wird.
Der Solarwärme-Kreis B umfasst einen Sonnenkollektor S, eine Pumpe P und einen Wärmeübertrager WTS, der durch seine Dimensionierung an die in einem Solar-Kreis auftretenden Wärmemengen angepasst ist. Über den sog. Solar- Wärmeübertrager WTS wird in dem Sonnenkollektor S gewonnene Wärme in den Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C übertragen, der neben einer elektri- schen Nacherwärmung N auch noch den Wärmeübertrager 32 des Wärmepumpenkreises WPK der Lüftungsanlage A als Wärmequelle umfasst. Zur Nutzung beispielsweise von Geothermie-Wärmequellen etc. können hier im Wärmekreis der Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage C weitere Wärmeübertrager vorge- sehen werden.
Die an den dargestellten drei Wärmeübertragern WTS, 32, N eingespeiste Wärme kann nun wahlweise über Pumpen und steuerbare Ventile auf einen Heizkreis HK und einen Warmwasserkreis mit einem Warmwasserbehälter WB aufgeteilt werden. Der Heizkreis HK versorgt Radiatoren und/oder Fußbodenheizungen mit Heizwasser. Die über einen Wärmeübertrager in den Warmwasser-behälter WB eingeleitete Wärme kann gespeichert werden und über nicht weiter dargestellte zusätzliche Wärmeübertrager nach Bedarf zur Erwärmung oder wenigstens zur Vorerwärmung von Trinkwasser genutzt werden. Trinkwasser kann auch durch ein Umlaufsystem für Warmwasser auf einer voreingestellten Temperatur gehal- ten werden.
Analog zum Aufbau der vorstehend beschriebenen Lüftungsanlage A kann auch eine in der Figur 4 nicht dargestellte Abwärme-Rückgewinnung aus Abwasser bei Vorerwärmung von Frischwasser zusätzlich oder alternativ betrieben werden.
Figur 5 zeigt ein zu dem Wärmepumpenkreis von Figur 1 gehöriges Druck- Enthalpie-Diagramm für Kohlendioxid CO2 bzw. R744 als Kältemittel. Verdichter 31 , erster Wärmeübertrager 32, zweiter Wärmeübertrager 33, steuerbares Expansionsventil 34 und Wärmeübertrager 36 sind als Elemente des Wärmepumpenkreises WPK durch ihre jeweiligen Eingänge a und Ausgänge b im Kreislauf innerhalb des p-h-Diagramms gekennzeichnet. Im p-h-Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass sich der Arbeitspunkt im Übergang vom Ausgang 36b des Verdampfers 35 hin zum Eingang 31a des Verdichters 31 klar jenseits der Taulinie befindet.
Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Demgemäss werden nun Wärmequellen unterschiedlicher Eigen- schaften ökonomisch optimal genutzt, indem zur Wärmeaufnahme zwei jeweils angepasste Wärmeübertrager als Verdampfer eingesetzt werden. In Flussrichtung des überkritischen Kältemittels ist dem mit Fortluft FO beaufschlagten Verdampfer 36 ein Verdampfer 35 vorgeschaltet. Der Verdampfer 35 nutzt ein kälte- res Temperaturniveau zur zusätzlichen Aufnahme von Wärme, wozu dieser als Wärmeübertrager mit Außenluft AU beaufschlagt wird.
Zum Hintergrund für diese Besonderheit: Eine Sauggasüberhitzung oder eventuelle Nachverdampfung wird bei Wärmepumpen innerhalb des Kältemittelverdampfers gegen eine Wärmequelle oder durch einen inneren Wärmeübertrager gegen ein flüssiges Kältemittel realisiert. Als Nachteil bei der Überhitzung im Kältemittelverdampfer kann auftreten, dass bei einem effizienten Verdampfer unter Umständen keine zuverlässige Überhitzung des Kältemittels realisiert werden kann, wenn die Wärmequelle an sich ein recht niedriges Temperaturniveau hat.
Die Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet daher einen Wärmepumpenkreislauf in Verbindung mit einem Lüftungsgerät, wo das Kältemittel nach dem Wärmeübertrager 35 in einem weiteren Wärmeübertrager 36 gegen die Fortluft des Lüftungsgerätes überhitzt oder nachverdampft wird. Die Temperatur der Fortluft FO ist größer als die der Außenluft AU. Aufgrund der im Ver- gleich zur Außenluft AU höheren Feuchte der Fortluft FO ist in Verbindung mit ihrer höheren Temperatur der Energieinhalt der Fortluft FO größer als der Energieinhalt der Außenluft AU. Zudem ist wegen des vergleichbar kleinen Luftvolumenstroms der Fortluft FO und wegen der durch die hohen verfügbaren externen Pressung von mechanischen Wohnungslüftungsanlagen eine sehr kompakte Gestaltung des Wärmeübertragers 36 zur Überhitzung oder Nachverdampfung des Kältemittels möglich. Also ist nun in dem Wärmepumpenkreislauf hinter dem Wärmeübertrager 35 ein weiterer Wärmeübertrager 36 als Überhitzer angeordnet, in dem das Kältemittel CO2 überhitzt oder nachverdampft wird. Die Überhitzung oder Nachverdampfung erfolgt gegen die Fortluft FO des ersten Wärmeü- bertragers WT, in dem die Zuluft ZU eines Gebäudes gegen die Abluft AB erwärmt wird. In dem nach Figur 6 vorliegenden Fall einer Überhitzung des Kältemittels ist der zweite Wärmeübertrager 36 für eine Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels ausgelegt, und ein betriebssicheres Nachverdampfen oder Überhitzen ist mit einer Wärmequelle sichergestellt, die stets ein höheres Temperaturniveau als die Wärmequelle des primären Verdampfers 35 hat. Damit kann das Kältemittel nun in dem zweiten Wärmeübertrager 36 als Überhitzer zum Teil verdampft und sicher überhitzt werden, es kann aber auch bereits in dem ersten Wärmeübertrager 35 als Verdampfer verdampft und zum Teil überhitzt werden. Figur 4 zeigt ein zu dem Wärmepumpenkreis gemäß Figur 3 gehöriges Druck-Enthalpie- Diagramm, in dem der entsprechende Übergabepunkt zwischen Ausgang 35b des zusätzlichen Wärmeübertragers 35 und dem Eingang 36a des Verdampfers bzw. Überhitzers 36 noch im Nassdampfgebiet dargestellt ist. Der Arbeitspunkt im Übergang vom Ausgang 36b des Wärmeübertragers 36 hin zum Eingang 31a des Verdichters 31 befindet sich wiederum klar jenseits der Taulinie.
Zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Kreisprozesses der CO2-Wärmepumpe bzw. des Wärmepumpenkreises WPK wurde in der Ausführungsform dem Wärmeübertrager 32 als Gaskühler 31 der Wärmepumpe, in dem hier das Heizungswasser u.a. in der Heizungs- und Brauchwasseranlage C erwärmt wird, ein zweiter Wärmeübertrager 33 als zusätzlicher Gaskühler nach- geschaltet. Dieser dient dazu, die verbleibende Wärme des überkritischen CO2- Kältemittels auf die Außenluft AU zu übertragen.
Der zusätzliche Gaskühler 33 bewirkt neben einer signifikanten Verringerung der Gaskühler-Austrittstemperatur des Kältemittels gleichzeitig auch eine Vorerwärmung der Außenluft AU, so dass diese Temperaturen von 00C oder mehr er- reicht, so dass ein Einfrieren des Kreuz-Gegenstrom-Wärmeaustauschers vermieden wird. Dies führt neben einer unterbrechungsfreien Verfügbarkeit der Anlage bei CO2-Wärmepumpen- oder Kältekreisen zu einer deutlichen Erhöhung der Leistungszahl, weil sich die nutzbare Wärme- bzw. Kälteleistung erhöht, ohne dass dazu zusätzliche Verdichterleistung aufgewendet werden muss. Bei einem CO2-Wärmepumpenprozess mit -100C Verdampfungstemperatur und einem Gaskühlerdruck von 80 bar kann so die Heizleistungszahl von 2,7 bei einer Gas- kühleraustrittstemperatur von 3O0C auf 3,2 bei einer Gaskühleraustrittstempera- tur von 200C verbessert werden.
Diese erstbeschriebene Vorrichtung kann jedoch gut mit einer Kältemittelnachverdampfung mittels Fortluft FO gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kombiniert werden. In beiden Fällen ist eine Kombination aus Lüftungsgerät und Wärmepumpe vorgesehen. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Wärme des zweiten Gaskühlers bei niedrigem Temperaturniveau auf die vom Lüftungsgerät angesaugte Außenluft übertragen und damit die Leistungszahl des Wärmepumpenkreises erhöht; bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die verbleibende Energie der Fortluft des Lüftungsgerätes genutzt, um eine sichere Nachverdampfung des aus dem saugseitigen Sammler kommenden Kältemittels zu gewährleisten und damit einen regelungstechnisch stabilen Kältekreis und eine lange Verdichterlebensdauer zu ermöglichen.
Diese Kombination ist als dritte Ausführungsform der Erfindung in Figur 8 als schematisches Schaltbild dargestellt.
Figur 9 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm, das zu dem Wärmepumpenkreis von Figur 8 gehört. Hierin sind die vorstehend zu den ersten beiden Ausführungsformen beschriebenen Eigenschaften exakt übernommen worden.
Der in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Wärmeübertrager kann beispielsweise als Wärmeübertrager 32 gemäß den Figuren 4, 6 oder 8 eingesetzt werden. Somit stellen die Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 bis 9 eine Einsatzmöglichkeit des Wärmeübertragers gemäß den Figuren 1 bis 3 dar. Bezuqszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 fluiddichtes Außengehäuse
3 Schmalseite
4 Breitseitenfläche
5 Schicht
6 Schicht
7 Schicht
8 Schicht
9 wellenförmig gebogenes Blech aus Kupfer
10 Wellental
11 Wellenberg
12 Blech
13 Fluidkanal
14 Fluidkanal
15 Rohr 16 Biegung
17 Teilstrecke
18 Kühlmittelschlange
19 Aussparung
20 Ausnehmung
21 Schlitze
22 Lochung / Perforation
23 Lötzinn
24
25
26
F1 Querschnittsflächen der Fluidkanäle 13
F2 Querschnittsfläche des Rohres 15
F3 Querschnittsflächen der Fluidkanäle 14
α Spitzenwinkel - Zo -
A Lüftungsanlage
B Solarwärme-Kreis
C Heizungs- und Brauchwasseranlage
S Solarkollektor
P Pumpe
WTS Solar-Wärmeübertrager
N elektrische Nacherwärmung
HK Heizkreis
WB Warmwasserbehälter
Q größere abgegebene Wärmemenge
q kleinere abgegebene Wärmemenge
AB Abluft
AU Außenluft
FO Fortluft
ZU Zuluft
WT erster Wärmeübertrager / Luft-Luft-Wärmeübertrager
WPK Wärmepumpenkreis / CO∑-Wärmepumpe WPKH Hochdruckbereich Wärmepumpenkreis
Verdichter
31a Eingang des Verdichters
31b Ausgang des Verdichters
Gaskühler / Wärmeübertrager
32a Eingang des Gaskühlers 32b Ausgang des Gaskühlers
Gaskühler / Wärmeübertrager 33a Eingang des Gaskühlers 33b Ausgang des Gaskühlers
Expansionsventil
34a Eingang des Expansionsventils
34b Ausgang des Expansionsventils
Verdampfer / Wärmeübertrager 35a Eingang des Verdampfers
35b Ausgang des Verdampfers
Nachverdampfer / Wärmeübertrager 36a Eingang des Nachverdampfers 36b Ausgang des Nachverdampfers

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeübertrager mit einem Leitungssystem für ein Kältemittel, einem Leitungssystem für ein Fluid, die miteinander thermisch gekoppelt sind, einer Vielzahl von Teilstrecken, die hydraulisch jeweils miteinander paral- IeI und/oder seriell verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Teilstrecke (17) jeweils ein Fluidkanal (13) ein Blech (9) mit ungefähr U-, V- oder W-förmigem Querschnittsverlauf umfasst, das an den Enden der U-, V- oder W-Form durch ein Blech (12) geschlossen ist, wobei das Kältemittel in einem Rohr (15) parallel zur Längsachse des Fluidkanals (13) in dem Fluidkanal (13) angeordnet ist.
2. Wärmeübertrager nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen (F1 ) des Fluidkanals (13) und der Querschnittfläche (F2) des Rohres (15) dem Verhältnis der k-Faktoren des Kältemittels und des Fluids entspricht.
3. Wärmeübertrager nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen (F1 ) des Fluidkanals (12) und der Querschnittsfläche (F2) des Rohres (15) in einem Bereich von 2 ; 1 bis 5 : 1 liegt, insbesondere 3 : 1 beträgt.
4. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel des ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blechs (9) zueinander in einem Winkel (α) von ca. 55 bis 140°, insbesondere von ca. 67° stehen.
5. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15) zwischen den Schenkeln des ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blechs fixiert ist.
6. Wärmeübertrager nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15) an dem U-, V- oder W-förmigen Blech da- durch fixiert ist, dass es angedrückt, angelötet, angeschweißt und/oder angelasert ist.
7. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15) ungefähr im Schwerpunkt der durch die Schenkel des ungefähr U-, V- oder W- förmigen Blechs (9) aufgespannten Fläche angeordnet ist.
8. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15) in dem ungefähr U-, V- oder W-förmigen Blech (9) liegt, wobei das ungefähr U-, V- oder W- förmige Blech (9) auf einem Trägerblech (12) angeordnet ist, das insbesondere im Wesentlichen die gleiche Flächenausdehnung wie das U-, V- oder W-förmige Blech (9) aufweist.
9. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das U-, V- oder W-förmige Blech (9) senkrecht zu seiner Längsachse im Bereich eines Schenkels an ein weiteres U-, V- oder W-förmiges Blech (9) angrenzt, so dass sich insbesondere im Fall einer Mehrzahl von U-, V- oder W-förmigen Blechen (9) insgesamt eine Art von Wellblech ergibt, das von dem Fluid mäandernd durchfließbar ist.
10. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohr (15) an mindestens einem Ende mit einem gleichartigen Rohr (15) verbunden ist, so dass sich insbesondere eine von dem Kä.ltemittel mäandernd durchfließbare Anordnung in Form einer Kühlmittelschlag (18) ergibt.
11. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmeübertrager (1 ) eine Anordnung aus Rohr (15), U-, V- oder W-förmigem Blech (9) und Trägerblech (12) als Schicht (5, 6, 7, 8) zusammengefasst und über einer ande- ren Schicht mit gleichartigen Bauteilen angeordnet ist, so dass das Trägerblech (12) der ersten Schicht das abdeckende Blech der zweiten Schicht bildet.
12. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- sprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das U-, V- oder W- förmigem Blech (9) in dem Bereich, in dem es mit dem Rohr (15) in oberflächlichem Kontakt steht, und das Trägerblech (12) in einem Bereich, in dem es mit dem U-, V- oder W-förmigen Blech (9) in oberflächlichem Kontakt steht, Ausnehmungen (20) zur Ermöglichung einer gemeinsamen Verlötung aufweisen.
13. Wärmeübertrager nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20) als Schlitze (21 ) und/oder Lochungen (22) mit Abmessungen ausgebildet sind, die im Zuge der gemeinsamen Verlötung im Wesentlichen geschlossen werden.
14. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 ) als Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
15. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel im überkritischen Bereich betriebenes Kohlendioxid ist.
16. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser ist.
17. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (15), das U-, V- oder W-förmige Blech (9), das Trägerblech (12) und ein fluiddichtes Außengehäuse (2) aus Kupfer oder Edelstahl bestehen.
18. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, in dem ein Leitungssystem für ein Kältemittel mit einem Leitungssystem für ein Fluid thermisch gekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dassein Rohr (15) jeweils in ein Tal (10) eines U-, V- oder W-förmigen Blechs (9) eingelegt und das U-, V- oder W-förmige Blech (9) auf ein Trägerblech (12) gelegt wird, wobei das U-, V- oder W-förmige Blech (9) mit Ausnehmungen (20) im Kontaktbereich mit dem Rohr (15) und das Trägerblech (12) mit Ausnehmungen (20) im Koπtaktbereich mit dem U-, V- oder W-förmigen Blech (9) versehen wird, Lötzinn (23) jeweils in ein Tal (10) eines U-, V- oder W-förmigen Blechs (9) eingelegt und die genannten Elemente miteinander verlötet werden.
19. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass genannten Elemente in einem einzigen Lötprozess miteinander verlötet werden.
20. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötprozess in einem Vakuum-Ofen abläuft.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20) in dem U-, V- oder W- förmige Blech (9) und dem Trägerblech (12) als Perforation, Lochung (22) und/oder abschnittsweise Schlitzung (21 ) hergestellt werden.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20) in dem U-, V- oder W- förmige Blech (9) und dem Trägerblech (12) durch Stanzen, Bohren und/oder Lasern hergestellt werden.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das U-, V- oder W-förmige Blech (9) mit periodischer Fortsetzung senkrecht zu einer späteren Strömungsrichtung durch abschnittsweises Pressen und/oder Tiefziehen eines Blechs hergestellt wird.
24. Wärmepumpenkreis einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich überkritischen Kältemittel, der einen Wärmeübertrager aufweist, der von einem Außenluftstrom oder von einer Fortluft Wärme aufnimmt und auf das Kältemittel überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmepumpenkreis (WPK) ein Wärmeübertrager (35) oder ein Wärmeübertrager (35) und ein zweiter Wärmeübertrager (36) für die Überhitzung des zumindest teilweise verdampften Kältemittels vorgesehen ist, wobei der erste Wärmeübertrager (35), der wenigstens von Fortluft (FO) oder
Außenluft (AU) durchströmt ist, in Strömungsrichtung des Kältemittels bei Heizbetrieb vor dem zweiten Wärmeübertrager (36) liegt, in dem von der Fortluft (FO) der Lüftungsanlage (A) Wärme auf das Kältemittel übertragen wird und/oder dass zusätzlich zu einem Wärmeübertrager (32) ein Wärmeübertrager (33) als Gaskühler im Außenluftstrom (AU) vor der Lüftungsanlage (A) angeordnet ist, bei dem Wärme vom in einem Hochdruckbereich (WPKH) überkritischen Kältemittel auf den Außenluftstrom (AU) übertragen wird.
25. Wärmepumpenkreis nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungsanlage (A) einen Wärmeübertrager (WT) aufweist, der von einem Außenluftstrom (AU) beaufschlagt ist, wobei der Wärmeübertrager (WT) ein Luft-Luft-Wärmeübertrager ist, in dem ein Abluftstrom (AB) aus zu beheizenden Räumen Wärmeenergie auf den Außenluftstrom (AU) zur Ausbildung eines vorgewärmten Zuluftstroms (ZU) überträgt.
26. Wärmepumpenkreis Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (33) dem Außenluft-Eingang des als Luft-Luft- Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertragers (WT) vorgeschaltet ist, wobei mit dem Gaskühler (32) für das im Hochdruckbereich (WPKH) des Wärmepumpenkreises (WPK)überkritische Kältemittel einen größeren Teil (Q) der Wärme des Kältemittels auf eine erste Wärmesenke überträgt und der Wärmetauscher (33) einen kleineren Teil (q) der Wärme des ü- berkritischen Kältemittels auf niedrigen Temperaturniveau auf einen Au- ßenluftstrom (AU) überträgt, so dass das Einfrieren eines anschließend von der Außenluft (AU) durchströmten Luft-Luft-Wärmeübertragers (WT) unterbunden ist.
27. Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Überhitzung des Kältemittels der für die Erhitzung vorgesehene Wärmeübertrager (35) für eine Verdampfung und/oder eine teilweise Überhitzung des Kältemittels ausgelegt ist.
28. Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Überhitzung des Kältemittels der zweite Wärmeübertrager (36) für eine Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels ausgelegt ist und ein betriebssicheres Nachverdampfen oder Überhitzen mit einer Wärmequelle sichergestellt ist, die stets ein höheres Temperaturniveau als die Wärmequelle des primären Verdampfers (35) hat.
29. Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Lüftungsanlage an den Abluft-Eingang des ersten Wärmeübertragers (WT) gekoppelt ist.
30. Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel ein Mitglied der Gruppe R134a, R290, R407C, R410A, R600a ist.
31. Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass CO2 bzw. R744 das Kältemittel ist.
32. Wärmepumpenkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreis (WPK) an eine Heizungs- und/oder Brauchwasseranlage (C) gekoppelt ist, insbesondere als eine von mehreren Wärmequellen.
33. Wärmepumpenkreis nach einem der Ansprüche 24 bis 35, mit einem Wärmeübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17.
34. Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpenkreises einer Lüftungsanlage mit einem im Hochdruckbereich des Wärmepumpenkreises im überkritischen Zustand betriebenen Kältemittel, enthaltend die Verfahrensschritte, dass das Kältemittel zwischen einer Gaskühlung und einer Wärmeaufnahme einer Druckdifferenz zwischen ca. 40 und ca. 90 bar ausge- setzt ist, dass die Enthalpie des Kältemittels bei Hochdruck von über 70 bar im überkritischen Zustand getrennt hintereinander zunächst in einer ersten Gaskühlung (32a-32b) um ca. 150 bis ca. 300 kJ/kg fällt und in einer zweiten, auf die erste nachfolgende, Gaskühlung (33a-33b) um weniger als ca. 100 kJ/kg fällt und/oder bei einem Druck zwischen ca. 20 und ca. 60 bar bei einer ersten Wärmeaufnahme (5a-5b) die Enthalpie um ca.
150 bis ca. 250 kJ/kg ansteigt und bei einer nachfolgenden zweiten Wärmeaufnahme (6a-6b) des Kältemittels um weniger als ca. 100 kJ/Kg ansteigt.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (5a-5b) aus der Außenluft
(AU) erfolgt und die zweite Enthalpiesteigerung durch Wärmeaufnahme (36a-36b) einer Fortluft (FO) eines Raumes, die eine höhere Temperatur als sie Außenluft (Au) besitzt.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 oder 35, da- durch gekennzeichnet, dass das erste Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (32a-32b) an ein Heizungs-, Warmwasser- oder Lüftungssystem erfolgt und das zweite Fallen der Enthalpie durch Wärmeabgabe (33a- 33b) an einen Außenluftstrom (AU) erfolgt.
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