EP1980803A1 - Wärmepumpenvorrichtung - Google Patents
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- F25B2313/027—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means
- F25B2313/02742—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means using two four-way valves
Definitions
- the present invention relates to a heat pump device.
- Heat pumps for heating heating water have been well known for years.
- the provision of heat for heat pumps is done by the condensation of refrigerant under high pressure and thus at high temperature, while the heat to a heat transfer medium, such as heating water, will give.
- the liquefied refrigerant is then in a throttle body, for example, an expansion valve, relaxed and then evaporates while absorbing ambient heat in the evaporator of the heat pump.
- the refrigerant vapor is compressed by the compressor of the heat pump, so that it can then be liquefied again in the condenser of the heat pump.
- the heat pump can be used for cooling the heat transfer medium such as the "heating water".
- the "heating water” can then absorb heat from the room as it flows through the room heating surfaces, which are in cooling mode to room cooling surfaces, which is then delivered to the operating in the cooling mode as an evaporator condenser of the heat pump, so that the 'heating water 'is cooled.
- a drawback of conventional reversible heating heat pumps for heating and cooling is that when the refrigerant circuit is reversed, the flow direction of the heat exchangers on the refrigerant side changes. Since the flow direction on the secondary side, on which either (heating) water or air flows, remains unchanged, with the reversal of the refrigerant circuit from a countercurrent heat exchanger, a DC heat exchanger with reduced efficiency and increased mean temperature distance between the refrigerant and water or Air. This reduces the coefficient of performance of the heat pump in one of the two operating modes. Reversible heating heat pumps are therefore generally optimized either for heating or cooling operation and achieve in the other mode no optimal performance figures.
- It is therefore an object of the invention is to provide a heat pump device that can work effectively both in heating and cooling mode.
- Fig. 1 shows a heat pump device according to a first embodiment.
- the heat pump has a compressor 10, a condenser 20, an evaporator 30, an expansion valve 40, and first and second switching valves 50, 60.
- the two switching valves 50, 60 are arranged such that the condenser 20, the expansion valve 40, the evaporator 30 and the compressor 10 are coupled in parallel between the first and second switching valve 50, 60.
- the two switching valves are preferably designed as a 4-2-way switching valve.
- the arrangement of the two switching valves 50, 60 can be achieved that the evaporator and the condenser can be operated both in heating mode and in cooling mode in countercurrent, which allows more efficient heat transfer both in the evaporator and in the condenser.
- the heat pump device is switched to a heating operation.
- the compressor 10 is coupled to the condenser 20, the condenser 20 to the expansion valve 40, the expansion valve 40 to the evaporator 30 and the evaporator 30 to the compressor 10.
- the two switching valves 50, 60 are switched so that the compressed refrigerant can flow from the compressor 10 to the condenser and from the condenser via the expansion valve 40 to the evaporator 30 and from the evaporator 30 back to the compressor 10.
- Fig. 2 shows a heat pump device according to a second embodiment.
- the heat pump device is shown in the cooling mode.
- the structure of the heat pump device according to Fig. 2 corresponds to the structure of the heat pump device according to Fig. 1 .
- the difference between the heat pump device according to Fig. 2 and the heat pump device according to Fig. 1 is that the two switching valves 50, 60 are switched differently to allow a cooling operation.
- the refrigerant flows from the compressor 10 to the condenser 30, from the condenser 30 to the expansion valve 40, and from there to the evaporator 20 and finally back to the compressor 10.
- the design of the two switching valves 50, 60 can thus be achieved in that also in the cooling mode, ie when the refrigeration cycle is reversed, both the condenser and the evaporator can be operated countercurrently.
- the in Fig. 2 shown refrigerant circuit can also be used for Kreisumlotabtauung an air / water heat pump.
- Fig. 3 shows a heat pump device according to a third embodiment.
- the structure of the heat pump device according to Fig. 3 corresponds to the structure of the heat pump device according to Fig. 1 or 2 .
- the difference between the heat pump device according to Fig. 3 and the heat pump devices according to Fig. 1 or 2 is that the two switching valves 50, 60 are turned off.
- the refrigerant may flow from the evaporator 20 to the condenser 30 and from the condenser 30 back to the compressor 10 via the switching valve 50.
- the refrigerant in the evaporator 20 may flow via the switching valve 50 to the expansion valve 40 and in turn via the switching valve 60 to the evaporator 20.
- the refrigeration cycle has been divided into two separate circuits.
- Figure 3 is shown a situation in which the evaporator of an air / water heat pump is defrosted by hot gas defrosting.
- the heat pump device is also a mode for KreisumLiteabtauung dar.
- the KreisumLiteabtauung is compared to the hot gas defrosting the energetically efficient form to deice air-exposed evaporators, since here proportionately heat is used for defrosting, which was generated with a coefficient of performance greater than 1.
- This heat is provided by water, for example, in air / water heat pumps. The condition is critical if the water is cooled down to near the freezing point during reverse circulation. In this case the defrost must be stopped.
- the defrost is made primarily by the cycle reversal. By being able to use both defrosting methods, when operating conditions arise during the recirculation defrost operation where the condenser (evaporator during defrosting) is about to freeze, defrosting of the air-pressurized evaporator (during condenser defrost) may be continued by hot gas defrosting. This ensures a trouble-free and energetically efficient defrost operation.
- zeotropic refrigerant is used in an air / water heat pump, then due to the lower temperature of the refrigerant at the evaporator inlet, relatively more ice or frost forms on the air exit side of the evaporator. If the evaporator is switched during defrosting as a cross countercurrent instead of a cross equalizer, an improved defrost can be provided. In such a case, the highest temperature hot gas will enter the evaporator at the point where the largest ice formation or frosting occurs.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung.
- Wärmepumpen zur Erwärmung von Heizungswasser sind seit Jahren hinlänglich bekannt. Die Bereitstellung der Heizwärme bei Wärmepumpen erfolgt durch die Kondensation von Kältemittel unter hohem Druck und damit bei hoher Temperatur, während die Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Heizungswasser, abgeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in einem Drosselorgan, zum Beispiel einem Expansionsventil, entspannt und verdampft daraufhin unter Aufnahme von Umgebungswärme im Verdampfer der Wärmepumpe. Der Kältemitteldampf wird vom Verdichter der Wärmepumpe komprimiert, so dass er anschließend wieder im Kondensator der Wärmepumpe verflüssigt werden kann.
- Wird der Kreislauf des Kältemittels umgekehrt, d. h., wird das Kältemittel in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verdampfer dient, unter Wärmeabgabe verflüssigt und in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verflüssiger dient, unter Wärmeaufnahme verdampft, so kann die Wärmepumpe zum Kühlen des Wärmeträgermediums wie beispielsweise des "Heizungswassers" eingesetzt werden. Im Kühlbetrieb kann das "Heizungswasser" dann beim Durchströmen der Raum-Heizflächen, die im Kühlbetrieb zu Raum-Kühlflächen werden, Wärme aus dem Raum aufnehmen, die dann an den im Kühlbetrieb als Verdampfer funktionierenden Verflüssiger der Wärmepumpe abgegeben wird, so dass das 'Heizungswasser' gekühlt wird.
- Ein Nachteil herkömmlicher reversibler Heizungswärmepumpen zum Heizen und Kühlern besteht darin, dass sich beim Umkehren des Kältekreises die Durchströmungsrichtung der Wärmeaustauscher auf der Kältemittelseite ändert. Da die Strömungsrichtung auf der Sekundärseite, auf der entweder (Heizungs)Wasser oder Luft strömt, unverändert bleibt, wird dadurch mit der Umkehr des Kältekreises aus einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher ein Gleichstrom-Wärmeaustauscher mit verminderter Effizienz und vergrößertem mittleren Temperaturabstand zwischen Kältemittel und Wasser bzw. Luft. Dadurch sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe in einer der beiden Betriebsarten. Reversible Heizungswärmepumpen sind daher im Allgemeinen entweder für den Heiz- oder den Kühlbetrieb optimiert und erreichen in der jeweils anderen Betriebsart keine optimalen Leistungszahlen.
- Es ist somit Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpenvorrichtung vorzusehen, die effektiv sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb arbeiten kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
- Fig. 1
- zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 2
- zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- Fig. 3
- zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
-
Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Wärmepumpe weist einen Verdichter 10, einen Verflüssiger 20, einen Verdampfer 30, ein Expansionsventil 40 und ein erstes und zweites Umschaltventil 50, 60 auf. Durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile 50, 60 kann der Verdampfer 40 und der Verflüssiger 20 sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen im Gegenstrom betrieben werden. Die beiden Umschaltventile 50, 60 sind dabei derart angeordnet, dass der Verflüssiger 20, das Expansionsventil 40, der Verdampfer 30 und der Verdichter 10 parallel zwischen dem ersten und zweiten Umschaltventil 50, 60 gekoppelt sind. Die beiden Umschaltventile sind vorzugsweise als ein 4-2-Wege-Umschaltventil ausgeführt. - Durch die Anordnung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann erreicht werden, dass der Verdampfer und der Verflüssiger sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb im Gegenstrom betrieben werden können, was eine effizientere Wärmeübertragung sowohl im Verdampfer als auch im Verflüssiger ermöglicht. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpenvorrichtung in einem Heizbetrieb geschaltet. Somit ist der Verdichter 10 mit dem Verflüssiger 20, der Verflüssiger 20 mit dem Expansionsventil 40, das Expansionsventil 40 mit dem Verdampfer 30 und der Verdampfer 30 mit dem Verdichter 10 gekoppelt.
- In der Heizbetriebsart sind die beiden Umschaltventile 50, 60 derart geschaltet, dass das verdichtete Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiger und von dem Verflüssiger über das Expansionsventil 40 zu dem Verdampfer 30 und von dem Verdampfer 30 zurück zu dem Verdichter 10 fließen kann.
-
Fig. 2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel. InFig. 2 ist die Wärmepumpenvorrichtung im Kühlbetrieb gezeigt. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 2 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 1 . Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 2 und der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 1 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 anders geschaltet sind, um einen Kühlbetrieb zu ermöglichen. GemäßFig. 2 fließt das Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiger 30, von dem Verflüssiger 30 zu dem Expansionsventil 40, und von dort zu dem Verdampfer 20 und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter 10. Durch die Ausgestaltung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann somit erreicht werden, dass auch in dem Kühlbetrieb, d. h. wenn der Kältekreislauf umgekehrt wird, sowohl der Verflüssiger als auch der Verdampfer im Gegenstrom betrieben werden können. - Der in
Fig. 2 gezeigte Kältekreislauf kann ebenfalls zur Kreisumkehrabtauung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet werden. -
Fig. 3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 3 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 1 oder 2 . Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäßFig. 3 und den Wärmepumpenvorrichtungen gemäßFig. 1 oder 2 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 abgeschaltet sind. GemäßFig. 3 kann das Kältemittel von dem Verdampfer 20 zu dem Verflüssiger 30 und von dem Verflüssiger 30 über das Umschaltventil 50 wieder zurück zu dem Verdichter 10 fließen. Das Kältemittel in dem Verdampfer 20 kann über das Umschaltventil 50 zu dem Expansionsventil 40 und wiederum über das Umschaltventil 60 zu dem Verdampfer 20 fließen. Somit ist der Kältekreis in zwei separate Kreisläufe aufgeteilt worden. - In
Fig.3 ist eine Situation gezeigt, bei der der Verdampfer einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mittels Heißgasabtauung abgetaut wird. - Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß
Fig. 2 stellt ebenfalls eine Betriebsart zur Kreisumkehrabtauung dar. Die Kreisumkehrabtauung ist gegenüber der Heißgasabtauung die energetisch effizientere Form, luftbeaufschlagte Verdampfer zu enteisen, da hier anteilig Wärme zum Abtauen genutzt wird, die mit einer Leistungszahl größer 1 erzeugt wurde. Diese Wärme wird z.B. bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch Wasser bereitgestellt. Kritisch ist der Zustand, wenn bei der Kreisumkehrabtauung das Wasser bis in die Nähe des Gefrierpunktes abgekühlt wird. In diesem Fall muß die Abtauung beendet werden. - Die Abtauung wird vorrangig durch die Kreisumkehr vorgenommen. Durch die Möglichkeit beide Abtauverfahren anwenden zu können, kann wenn sich während der Kreisumkehrabtauung Betriebszustände ergeben, bei denen der Verflüssiger (Verdampfer während des Abtauens) droht einzufrieren, das Abtauen des luftbeaufschlagten Verdampfers (während des Abtauens Verflüssiger) durch die Heißgasabtauung fortgesetzt werden. Damit ist ein störungsfreier und energetisch effizienter Abtaubetrieb gewährleistet.
- Wenn zeotropes Kältemittel bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet wird, dann bildet sich bedingt durch die niedrigere Temperatur des Kältemittels am Verdampfereintritt verhältnismässig mehr Eis oder Reif an der Luftaustrittsseite des Verdampfers. Wenn der Verdampfer während des Abtauens als Kreuzgegenströmer anstelle eines Kreuzgleichströmers geschaltet wird, kann eine verbesserte Abtauung vorgesehen werden. In einem derartigen Fall tritt das Heißgas mit der höchsten Temperatur an der Stelle in den Verdampfer, wo die größte Eisbildung bzw. Reifbildung auftritt.
Claims (5)
- Wärmepumpenvorrichtung, mit
einem Verdichter (10),
einem Verflüssiger (20),
einem Expansionsventil (40),
einem Verdampfer (30), und
einem ersten und zweiten Umschaltventil (50, 60),
wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart angeordnet sind, dass der Verdichter, der Verflüssiger (20), das Expansionsventil (40) und der Verdampfer (30) jeweils an ihrem ersten Ende mit dem ersten Umschaltventil (50) und an ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Umschaltventil (60) gekoppelt sind. - Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) ein 4-2-Wege-Umschaltventil ist.
- Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart geschaltet sind, dass der Verflüssiger (30) an seinem ersten Ende mit dem Verdichter (10) und an seinem zweiten Ende mit dem Expansionsventil (40) gekoppelt ist, wenn eine erste Betriebsart, z.B. Heizen, aktiviert ist.
- Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart geschaltet sind, dass der Verflüssiger (20) mit seinem ersten Ende mit dem Expansionsventil (40) und mit seinem zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist, wenn eine zweite Betriebsart, z.B. Kühlen, aktiviert ist.
- Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart geschaltet sind, dass der Verflüssiger (30) an seinem ersten und zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist.
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