EP2180274A2 - Heat pump and method for operating a heat pump - Google Patents

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EP2180274A2
EP2180274A2 EP09013217A EP09013217A EP2180274A2 EP 2180274 A2 EP2180274 A2 EP 2180274A2 EP 09013217 A EP09013217 A EP 09013217A EP 09013217 A EP09013217 A EP 09013217A EP 2180274 A2 EP2180274 A2 EP 2180274A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
heat
fluid
operating mode
heat pump
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09013217A
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German (de)
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Inventor
Gunnar Schmitt
Ghanbar Shirkhani
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Glen Dimplex Deutschland GmbH
Original Assignee
Glen Dimplex Deutschland GmbH
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Publication date
Application filed by Glen Dimplex Deutschland GmbH filed Critical Glen Dimplex Deutschland GmbH
Publication of EP2180274A2 publication Critical patent/EP2180274A2/en
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/031—Sensor arrangements
    • F25B2313/0314—Temperature sensors near the indoor heat exchanger

Definitions

  • the invention relates to a reversibly operating heat pump which can be operated in different operating modes and to a method for operating such a heat pump.
  • a primary fluid is generally conducted in a primary circuit, which transfers heat from a heat source to a heat sink via two heat exchangers connected in the primary circuit.
  • both heat pumps are understood in the narrower sense, which are used for building heating technology for heating / cooling of buildings and / or for the production of hot water, as well as so-called refrigeration systems for generating cold in the industrial / commercial area, for example for cooling at used in industrial production media or industrial / industrial or medical facilities.
  • the two heat exchangers in the primary circuit are used in a conventional manner as an evaporator or as a condenser / condenser for the primary fluid.
  • the direction of the circulated primary fluid can be switched, causing the two heat exchangers to interchange their functions.
  • the heat source used in heating mode evaporator therefore forms a heat sink side capacitor in cooling mode.
  • the heat exchanger used in the heating operation as a heat sink side condenser forms the heat source side evaporator in the cooling mode.
  • heating operation energy is taken from the environment, such as the air, groundwater or soil, as a heat source and fed to a consumer side for heating as a heat sink.
  • the environment forms the heat sink, which absorbs heat from the consumer side, so that cooling takes place on the consumer side, for example of the room air or of liquids.
  • the invention has for its object to provide a reversible heat pump and a method for their operation, with a high efficiency is achieved.
  • a heat pump with the features of claim 1.
  • a reversibly operating heat pump is provided, which is operable in different operating modes, namely in particular a heating operation and a cooling operation.
  • the heat pump has a primary circuit for a primary fluid, in which a heat exchanger is arranged, which is used as a function of the selected operating mode as a condenser or evaporator.
  • the heat exchanger is in each case at the same time part of a secondary circuit for a heat exchanger fluid.
  • the secondary circuit and the heat exchange fluid serve to transfer heat from a heat sink or a heat source into the primary circuit.
  • the secondary circuit here is preferably the consumer-side secondary circuit.
  • the secondary circuit can also be a circulation-side secondary circuit, for example a secondary circuit with brine as the secondary fluid for heat exchange with the ground or groundwater.
  • the heat pump has two secondary circuits, wherein in each of the secondary circuits a switching arrangement is provided, so that in the further secondary circuit depending on the selected operating mode, the flow direction is adjusted by a further heat exchanger such that the primary fluid and another heat exchange fluid in Countercurrent principle are performed.
  • the further secondary circuit is the environmental secondary circuit, in which the secondary fluid is usually brine.
  • the two secondary circuits are preferably formed identically. Alternatively, however, it is also possible that the switching arrangement and the special configuration for reversing the flow direction in the two secondary circuits are designed differently.
  • the switching arrangement is designed as a switching valve and in particular as a four-way switching valve.
  • a reliable switching of the flow rate can be achieved with a comparatively low outlay.
  • the switching valve the flow or flow direction can be switched directly, ie without an intermediate position, as is the case with conventional mixing valves.
  • the heat pump connections for a heat exchange device which acts as a function of the selected operating mode either as a heat sink or as a heat source.
  • this heat exchange device in the heating mode, for example, a device for heating domestic hot water or an air heat exchanger, which is used for heating the room air.
  • the consumer-side heat exchange device is formed in the cooling operation as a heat source, which is for example designed for cooling water or is designed directly as an air-water heat exchanger as a cooling fan.
  • the heat exchange device is designed, for example, as a guided through the bottom heat exchanger tube assembly or as a special heat exchanger for heat exchange with groundwater.
  • the heat pump is now designed such that, independently of the respective operating mode, the direction of flow of the secondary fluid through the heat exchanger device is the same. That at a respective connection, either the flow or the return of the heat exchange device is to be connected regardless of the operating mode set in each case.
  • This allows to use such a heat pump as a replacement in an existing plant.
  • the heat exchanger devices on the consumer side or on the environmental side can be acted upon with corresponding circulating pumps in a conventional manner.
  • a first partial circuit of the secondary circuit is formed between the heat exchanger of the primary circuit and the terminals, in which the switching arrangement is arranged.
  • the switching arrangement is therefore preferably arranged within the heat pump designed as a structural unit.
  • Such a heat pump is characterized in that all components that are necessary for their operation, are integrated within a common housing and that only the consumer-side or environmental pipes must be connected. Further installation effort does not exist.
  • the switching application can also be mounted outside the assembly.
  • each operating mode is associated with one of the temperature sensors and the temperature measured by this temperature sensor for controlling the heat pump operation in the operating mode is used, which is assigned to the respective temperature sensor.
  • the temperature sensors are in this case preferably arranged between the switching arrangement and the heat exchanger. This measure ensures that, regardless of the respectively set operating mode, the temperature suitable for regulating and controlling the heat pump operation is detected in each case.
  • the object is further achieved according to the invention by a method for operating a heat pump with the features of claim 7.
  • the advantages and preferred embodiment cited with regard to the heat pump are to be transferred analogously to the method.
  • a heat pump system 2 according to the Fig. 1 and 2 comprises as a central component, a heat pump 4, which is usually designed as a structural unit, and which is supplied, for example ready for connection to the end user.
  • the heat pump 4 comprises a primary circuit 6, in which a primary fluid P is circulated.
  • the primary circuit 6 has a first consumer-side heat exchanger 8 and a second, environmental-side heat exchanger 10. Each of these two heat exchangers 8,10 is used for heat exchange with a respective heat exchanger or secondary fluid S1, S2 of a consumer-side secondary circuit 12 and an environmental secondary circuit 14. In each of the two secondary circuits 12,14 is provided as a four-way switching valve 16 switching arrangement , This is connected between the respective heat exchanger 8,10 and two output-side terminals 18A, B, respectively.
  • the primary circuit 6 comprises further components, which are not shown in more detail but are known per se and are partly necessary, such as, for example, a compressor and a throttle for compressing or relaxing the primary fluid P.
  • the individual fluids P, S1, S2 are conventional fluids used for such reversible heat pump systems 2.
  • the secondary fluid S2 for example, a brine
  • the secondary fluid S1 is usually water.
  • the secondary fluids S1, S2 are permanently in the liquid state, except for air as a secondary fluid.
  • a temperature sensor 20A, B are further provided on the supply lines to the consumer-side heat exchanger 8, which are provided for measuring a temperature T1 and a temperature T2 of the secondary fluid S1 in the respective Rohrieitungsabites.
  • the secondary circuits 12,14 are in two partial circuits, namely a trained within the heat pump 4 first partial circuit 12A, 14A and formed after the switching valve 16 second partial circuit 12B, 14B divided.
  • the second partial circuits 12 B, 14 B are formed substantially outside the heat pump and each form a circulation circuit in which the provided by the heat pump 4 heated or cooled medium is circulated.
  • a circulating pump 22 or a heat exchanger device 24A on the consumer side and a heat exchanger device 24B on the environmental side are respectively arranged in the second partial circuit 12B, 14B.
  • heating operation of the environmental heat exchanger 10 acts as an evaporator in which the primary fluid P is vaporized by transfer of heat from the environment.
  • the consumer-side heat exchanger 8 is used in this case as a condenser / Verfiüssiger in which the heat is transferred from the primary fluid P to the secondary fluid S1, so that the primary fluid P is re-liquefied. Operation and sequence of such a heat pump 4 are known per se.
  • the heated water in the condenser 10 of the heat exchanger device 24 A is supplied and used there, for example, for heating domestic water and / or heating water.
  • the switching valve 16 is switched such that the secondary fluid S1 in the first partial circuit 12A occupies a direction and thus a flow direction through the condenser 8, which is chosen such that the secondary fluid S1 and the primary fluid P operate countercurrently through the condenser 8 flow.
  • the switching valve 16 is switched on the environmental side, so that the evaporator 10 is operated in countercurrent principle.
  • Fig. 2 now the cooling operation is shown, in which the primary fluid P flows in the opposite direction.
  • the two changeover valves 16 are now connected in such a way that the flow direction of the secondary fluid S1, S2 has also changed in the respective partial circuit 12A, 14A.
  • the remains Flow direction in the second partial circuits 12B, 14B is the same, therefore, does not change depending on the operating mode set in each case.
  • an air-primary fluid heat exchanger is provided as the environmental side heat exchanger 10, which removes the heat from the ambient air (or in the ambient air gives off the heat), so from time to time defrosting this environmental heat exchanger 10 due to Condensation of humidity on heat exchanger surfaces required.
  • the primary fluid P is the same as in the cooling operation according to FIG Fig. 2 guided.
  • no environmental secondary circuit 14 is formed.
  • the control of the heat pump system 2 is carried out via a control device 26.
  • This control device 26 also allows manual operation, for example, to specify a desired room temperature or to switch between the heating and cooling operation. Depending on these manually specified parameters otherwise the control of the heat pump operation is fully automatic.
  • the controlled variable used here is the return temperature, that is to say the temperature T2.
  • the flow temperature which is also formed by the temperature T2 due to the switching.

Abstract

The heat pump (4) has a primary circuit (6) for a primary fluid (P), and a heat exchanger (8,10) which is used as condenser or compressor depending on the selected operating mode. A switching arrangement is provided in the secondary circuit (12,14), by which the flow direction of the heat exchanger fluid is adjusted by the heat exchanger depending on the selected operating mode. The primary fluid and the heat exchanger fluid are guided into each operating mode by the heat exchanger in the counter flow principle. An independent claim is included for a method for operating a heat pump.

Description

Die Erfindung betrifft eine reversibel arbeitende Wärmepumpe, die in unterschiedlichen Betriebsmodi betreibbar ist sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmepumpe.The invention relates to a reversibly operating heat pump which can be operated in different operating modes and to a method for operating such a heat pump.

Bei Wärmepumpen wird allgemein in einem Primärkreislauf ein Primärfluid geführt, welches über zwei in den Primärkreislauf geschaltete Wärmetauscher Wärme aus einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke überträgt. Unter Wärmepumpe werden daher sowohl Wärmepumpen im engeren Sinn verstanden, die für die Gebäudewärmetechnik zum Heizen/Kühlen von Gebäuden und/oder zur Erzeugung von Warmwasser eingesetzt werden, als auch sogenannte Kälteanlagen zur Erzeugung von Kälte im industriellen/gewerblichen Bereich, beispielsweise zum Kühlen von bei der industriellen Produktion eingesetzten Medien oder von gewerblich/industriell oder in der Medizin genutzten Anlagen. Die beiden Wärmetauscher im Primärkreislauf werden in an sich bekannter Weise als Verdampfer bzw. als Kondensator/Verflüssiger für das Primärfluid eingesetzt. Bei reversibel arbeitenden Wärmepumpen lässt sich die Richtung des im Kreislauf geführten Primärfluids umschalten, wodurch die beiden Wärmetauscher ihre Funktionen vertauschen. Der im Heizbetrieb wärmequellenseitig eingesetzte Verdampfer bildet daher im Kühlbetrieb einen wärmesenkenseitigen Kondensator. Umgekehrt bildet der im Heizbetrieb als wärmesenkenseitiger Kondensator eingesetzte Wärmetauscher im Kühlbetrieb den wärmequellenseitigen Verdampfer.In heat pumps, a primary fluid is generally conducted in a primary circuit, which transfers heat from a heat source to a heat sink via two heat exchangers connected in the primary circuit. Under heat pump therefore both heat pumps are understood in the narrower sense, which are used for building heating technology for heating / cooling of buildings and / or for the production of hot water, as well as so-called refrigeration systems for generating cold in the industrial / commercial area, for example for cooling at used in industrial production media or industrial / industrial or medical facilities. The two heat exchangers in the primary circuit are used in a conventional manner as an evaporator or as a condenser / condenser for the primary fluid. With reversible heat pumps, the direction of the circulated primary fluid can be switched, causing the two heat exchangers to interchange their functions. The heat source used in heating mode evaporator therefore forms a heat sink side capacitor in cooling mode. Conversely, the heat exchanger used in the heating operation as a heat sink side condenser forms the heat source side evaporator in the cooling mode.

Im Heizbetrieb wird Energie aus der Umgebung, beispielsweise der Luft, dem Grundwasser oder dem Boden, als Wärmequelle entnommen und einer Verbraucherseite zum Heizen als Wärmesenke zugeführt. Im Kühlbetrieb bildet demgegenüber die Umgebung die Wärmesenke, die Wärme aus der Verbraucherseite aufnimmt, so dass auf der Verbraucherseite eine Kühlung beispielsweise der Raumluft oder auch von Flüssigkeiten stattfindet.In heating operation, energy is taken from the environment, such as the air, groundwater or soil, as a heat source and fed to a consumer side for heating as a heat sink. In cooling mode, on the other hand, the environment forms the heat sink, which absorbs heat from the consumer side, so that cooling takes place on the consumer side, for example of the room air or of liquids.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine reversibel arbeitende Wärmepumpe sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, wobei ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.The invention has for its object to provide a reversible heat pump and a method for their operation, with a high efficiency is achieved.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist eine reversibel arbeitende Wärmepumpe vorgesehen, die in unterschiedlichen Betriebsmodi, nämlich insbesondere einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb, betreibbar ist. Die Wärmepumpe weist einen Primärkreislauf für ein Primärfluid auf, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, der in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus als Kondensator oder Verdampfer eingesetzt ist. Der Wärmetauscher ist jeweils zugleich Teil eines Sekundärkreislaufs für ein Wärmetauscherfluid. Der Sekundärkreislauf und das Wärmetauscherfluid dienen zum Wärmeübertrag von einer Wärmesenke oder einer Wärmequelle in den Primärkreislauf. Im Sekundärkreislauf ist nunmehr eine Umschaltanordnung vorgesehen, über die die Durchflussrichtung des Wärmetauscherfluids durch den Wärmetauscher in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus derart einstellbar ist, dass das Primärfluid und das Wärmetauscherfluid in jedem der Betriebsmodi Im Gegenstromprinzip durch den Wärmetauscher geführt werden.The object is achieved according to the invention by a heat pump with the features of claim 1. Thereafter, a reversibly operating heat pump is provided, which is operable in different operating modes, namely in particular a heating operation and a cooling operation. The heat pump has a primary circuit for a primary fluid, in which a heat exchanger is arranged, which is used as a function of the selected operating mode as a condenser or evaporator. The heat exchanger is in each case at the same time part of a secondary circuit for a heat exchanger fluid. The secondary circuit and the heat exchange fluid serve to transfer heat from a heat sink or a heat source into the primary circuit. In the secondary circuit now a switching arrangement is provided, via which the flow direction of the heat exchanger fluid through the heat exchanger in dependence of the selected operating mode is adjustable such that the primary fluid and the heat exchange fluid in each of the operating modes are performed in countercurrent principle through the heat exchanger.

Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausgestaltung und der speziellen Umschaltanordnung ist gewährleistet, dass der Wärmetauscher unabhängig von dem gewählten Betriebsmodus jeweils In der optimalen Gegenstromrichtung mit den beiden Fluiden beaufschlagt wird. Insgesamt lässt sich dadurch eine Erhöhung der Gesamtleistung, also der sogenannten Leistungszahl der Wärmepumpe erzielen, so dass insgesamt der Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen reversibel arbeitenden Wärmepumpen reduziert werden kann. Bisherige reversibel arbeltende Wärmepumpen sind nämlich überlicherweise entweder im Hinblick auf den Heizbetrieb oder im Hinblick auf den Kühlbetrieb optimiert ausgelegt. Im jeweils anderen Betriebsmodus werden Einbußen der Leistungszahlen hingenommen. In dem nicht optimiert ausgelegten Betriebsmodus fließen Primärfluid und Wärmetauscherfluid in der gleichen Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher, so dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers nicht optimal ist.With the present embodiment according to the invention and the special switching arrangement it is ensured that the heat exchanger is acted upon in each case in the optimum countercurrent direction by the two fluids independently of the selected operating mode. Overall, this makes it possible to achieve an increase in the overall performance, that is to say the so-called coefficient of performance of the heat pump, so that overall energy consumption can be reduced in comparison with conventional reversibly operating heat pumps. Up to now, reversible heat pumps have been designed optimally either with regard to the heating mode or with regard to the cooling mode. In the other operating mode losses of the performance figures are accepted. In the non-optimized mode of operation, primary fluid and heat exchange fluid flow in the same flow direction through the heat exchanger, so that the efficiency of the heat exchanger is not optimal.

Der Sekundärkreislauf ist hierbei vorzugsweise der verbraucherseitige Sekundärkreislauf. Prinzipiell kann der Sekundärkreislauf jedoch auch ein umwälzseitiger Sekundärkreislauf sein, beispielsweise ein Sekundärkreislauf mit Sole als Sekundärflüssigkeit zum Wärmetausch mit dem Boden oder Grundwasser.The secondary circuit here is preferably the consumer-side secondary circuit. In principle, however, the secondary circuit can also be a circulation-side secondary circuit, for example a secondary circuit with brine as the secondary fluid for heat exchange with the ground or groundwater.

Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist die Wärmepumpe zwei Sekundärkreisläufe auf, wobei in jedem der Sekundärkreisläufe eine Umschaltanordnung vorgesehen ist, so dass auch im weiteren Sekundärkreislauf in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus die Durchflussrichtung durch einen weiteren Wärmetauscher derart eingestellt ist, dass das Primärfluid und ein weiteres Wärmetauscherfluid im Gegenstromprinzip geführt werden. Vorzugsweise ist der weitere Sekundärkreislauf der umweltseitige Sekundärkreislauf, bei dem das Sekundärfluid üblicherweise Sole ist. Durch diese Maßnahme wird daher sowohl der umweltseitige - als auch der verbraucherseitige Wärmetauscher jeweils optimiert im Gegenstrom beaufschlagt, so dass insgesamt ein hoher Wirkungsgrad der Wärmepumpe erreicht ist.According to an expedient embodiment, the heat pump has two secondary circuits, wherein in each of the secondary circuits a switching arrangement is provided, so that in the further secondary circuit depending on the selected operating mode, the flow direction is adjusted by a further heat exchanger such that the primary fluid and another heat exchange fluid in Countercurrent principle are performed. Preferably, the further secondary circuit is the environmental secondary circuit, in which the secondary fluid is usually brine. By virtue of this measure, therefore, both the environmental-side and the consumer-side heat exchanger are each subjected to an optimized countercurrent flow, so that overall a high efficiency of the heat pump is achieved.

Im Hinblick auf die Umschaltanordnung sind die beiden Sekundärkreisläufe vorzugsweise identisch ausgebildet. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Umschaltanordnung sowie die spezielle Ausgestaltung zur Umkehr der Durchflussrichtung in den beiden Sekundärkreisläufen unterschiedlich ausgebildet sind.With regard to the switching arrangement, the two secondary circuits are preferably formed identically. Alternatively, however, it is also possible that the switching arrangement and the special configuration for reversing the flow direction in the two secondary circuits are designed differently.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Umschaltanordnung als ein Umschaltventil und insbesondere als ein Vierwege-Umschaltventil ausgebildet. Durch das Umschaltventil ist mit einem vergleichsweise geringen Aufwand ein zuverlässiges Umschalten der Durchflussrlchtung erzielbar. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass mit dem Umschaltventil die Strömungs- oder Durchflussrichtung sich unmittelbar umschalten lässt, also ohne eine Zwischenstellung, wie es bei herkömmlichen Mischventilen der Fall ist.According to a preferred embodiment, the switching arrangement is designed as a switching valve and in particular as a four-way switching valve. By means of the reversing valve, a reliable switching of the flow rate can be achieved with a comparatively low outlay. Of particular importance here is that with the switching valve, the flow or flow direction can be switched directly, ie without an intermediate position, as is the case with conventional mixing valves.

Alternativ zu der Anordnung eines Umschaltventils besteht auch die Möglichkeit, beispielsweise durch eine spezielle Schaltung von zwei gegenläufig arbeitenden Umwälzpumpen und entsprechenden Steuer- oder Absperrventilen die Durchflussrichtung im Sekundärkreislauf betriebsmodusabhängig umzuschalten.As an alternative to the arrangement of a reversing valve, it is also possible to switch the flow direction in the secondary circuit depending on the operating mode, for example by means of a special circuit of two counter-rotating circulating pumps and corresponding control or shut-off valves.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist die Wärmepumpe Anschlüsse für eine Wärmetauschvorrichtung auf, welche in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus entweder als Wärmesenke oder als Wärmequelle wirkt. Verbraucherseitig ist diese Wärmetauschvorrichtung im Heizbetrieb beispielsweise eine Vorrichtung zum Erwärmen von Brauch- oder Heizwasser oder ein Luft-Wärmetauscher, der zum Heizen der Raumluft dient. Umgekehrt ist die verbraucherseitige Wärmetauschvorrichtung im Kühlbetrieb als eine Wärmequelle ausgebildet, die beispielsweise zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist oder die direkt als ein Luft-Wasser-Wärmetauscher als Kühlgebläse ausgebildet ist. Im Falle eines umweltseitigen Sekundärkreislaufes ist die Wärmetauschvorrichtung beispielsweise als eine durch den Boden geführte Wärrmetauscherrohranordnung oder auch als ein spezieller Wärmetauscher zum Wärmetausch mit Grundwasser ausgebildet.According to an expedient development, the heat pump connections for a heat exchange device, which acts as a function of the selected operating mode either as a heat sink or as a heat source. On the consumer side, this heat exchange device in the heating mode, for example, a device for heating domestic hot water or an air heat exchanger, which is used for heating the room air. Conversely, the consumer-side heat exchange device is formed in the cooling operation as a heat source, which is for example designed for cooling water or is designed directly as an air-water heat exchanger as a cooling fan. In the case of an environmental secondary circuit, the heat exchange device is designed, for example, as a guided through the bottom heat exchanger tube assembly or as a special heat exchanger for heat exchange with groundwater.

Die Wärmepumpe Ist nunmehr derart ausgebildet, dass unabhängig von dem jeweiligen Betriebsmodus die Durchflussrichtung des Sekundärfluids durch die Wärmetauschvorrichtung gleich ist. D.h. an einem jeweiligen Anschluss ist jeweils unabhängig von dem jeweils eingestellten Betriebsmodus entweder der Vorlauf oder der Rücklauf der Wärmetauschvorrichtung anzuschließen. Dies erlaubt, eine derartige Wärmepumpe als Ersatz in einer bereits bestehenden Anlage einzusetzen. Insbesondere können die Wärmetauschvorrichtungen auf Verbraucherseite oder auch Umweltseite mit entsprechenden Umwälzpumpen in herkömmlicher Art und Weise beaufschlagt werden.The heat pump is now designed such that, independently of the respective operating mode, the direction of flow of the secondary fluid through the heat exchanger device is the same. That at a respective connection, either the flow or the return of the heat exchange device is to be connected regardless of the operating mode set in each case. This allows to use such a heat pump as a replacement in an existing plant. In particular, the heat exchanger devices on the consumer side or on the environmental side can be acted upon with corresponding circulating pumps in a conventional manner.

Vorzugsweise ist dabei zwischen dem Wärmetauscher des Primärkreislaufes und den Anschlüssen ein erster Teilkreislauf des Sekundärkreislaufs ausgebildet, in dem die Umschaltanordnung angeordnet ist. Die Umschaltanordnung ist daher vorzugsweise innerhalb der als eine Baueinheit ausgebildeten Wärmepumpe angeordnet. Eine derartige Wärmepumpe zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche Komponenten, die für ihren Betrieb notwendig sind, innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses integriert sind und dass lediglich noch die verbraucherseitigen bzw. umweltseitigen Rohre angeschlossen werden müssen. Weiterer Installationsaufwand besteht nicht. Weiterhin besteht die Möglichkeit, herkömmliche Wärmepumpen mit beschriebener Umschaltanordnung nachzurüsten bzw. auszustatten. Die Umschaltanwendung kann auch außerhalb der Baueinheit angebracht sein.Preferably, a first partial circuit of the secondary circuit is formed between the heat exchanger of the primary circuit and the terminals, in which the switching arrangement is arranged. The switching arrangement is therefore preferably arranged within the heat pump designed as a structural unit. Such a heat pump is characterized in that all components that are necessary for their operation, are integrated within a common housing and that only the consumer-side or environmental pipes must be connected. Further installation effort does not exist. Furthermore, it is possible to retrofit conventional heat pumps with described switching arrangement or equip. The switching application can also be mounted outside the assembly.

Weiterhin ist gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung vorgesehen, dass im Sekundärkreislauf, insbesondere im verbraucherseitigen Sekundärkreislauf, zwei Temperatursensoren zur Messung einer Vorlauftemperatur und einer Rücklauftemperatur vorgesehen sind, wobei jedem Betriebsmodus einer der Temperatursensoren zugeordnet ist und die von diesem Temperatursensor gemessene Temperatur für eine Regelung des Wärmepumpenbetriebs in dem Betriebsmodus herangezogen wird, der dem jeweiligen Temperatursensor zugeordnet ist. Die Temperatursensoren sind hierbei vorzugsweise zwischen der Umschaltanordnung und dem Wärmetauscher angeordnet. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass unabhängig von dem jeweils eingestellten Betriebsmodus jeweils die für eine Regelung und Steuerung des Wärmepumpenbetriebs geeignete Temperatur erfasst wird.Furthermore, it is provided according to an expedient embodiment that two temperature sensors for measuring a flow temperature and a return temperature are provided in the secondary circuit, in particular in the consumer-side secondary circuit, each operating mode is associated with one of the temperature sensors and the temperature measured by this temperature sensor for controlling the heat pump operation in the operating mode is used, which is assigned to the respective temperature sensor. The temperature sensors are in this case preferably arranged between the switching arrangement and the heat exchanger. This measure ensures that, regardless of the respectively set operating mode, the temperature suitable for regulating and controlling the heat pump operation is detected in each case.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die im Hinblick auf die Wärmepumpe angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltung sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.The object is further achieved according to the invention by a method for operating a heat pump with the features of claim 7. The advantages and preferred embodiment cited with regard to the heat pump are to be transferred analogously to the method.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die beiden Figuren zeigen schematisch und jeweils in stark vereinfachten Darstellungen

Fig. 1
eine reversibel arbeitende Wärmepumpenanlage in einem Heizbetrieb und
Fig. 2
die Wärmepumpenanlage in einem Kühlbetrieb.
An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. The two figures show schematically and in each case in highly simplified representations
Fig. 1
a reversible heat pump system in a heating mode and
Fig. 2
the heat pump system in a cooling mode.

Eine Wärmepumpenanlage 2 gemäß den Fig. 1 und 2 umfasst als zentrale Komponente eine Wärmepumpe 4, die üblicherweise als eine Baueinheit ausgebildet ist, und die beispielsweise anschlussfertig an den Endverbraucher geliefert wird. Die Wärmepumpe 4 umfasst einen Primärkreislauf 6, in dem ein Primärfluid P im Kreislauf geführt wird.A heat pump system 2 according to the Fig. 1 and 2 comprises as a central component, a heat pump 4, which is usually designed as a structural unit, and which is supplied, for example ready for connection to the end user. The heat pump 4 comprises a primary circuit 6, in which a primary fluid P is circulated.

Der Primärkreislauf 6 weist einen ersten verbraucherseitigen Wärmetauscher 8 sowie einen zweiten, umweltseitigen Wärmetauscher 10 auf. Jeder dieser beiden Wärmetauscher 8,10 dient zum Wärmetausch mit einem jeweiligen Wärmetauscher- oder Sekundärfluid S1,S2 eines verbraucherseitigen Sekundärkreislaufes 12 bzw. eines umweltseitigen Sekundärkreislaufes 14. In jedem der beiden Sekundärkreisläufe 12,14 ist eine als ein Vierwege-Umschaltventil 16 ausgebildete Umschaltanordnung vorgesehen. Diese ist zwischen dem jeweiligen Wärmetauscher 8,10 und jeweils zwei ausgangsseitigen Anschlüssen 18A,B geschaltet. Der Primärkreislauf 6 umfasst weitere nicht näher dargestellte jedoch an sich bekannte und teilweise notwendige Komponenten, wie beispielsweise einen Verdichter und eine Drossel zum Verdichten bzw. Entspannen des Primärfluids P.The primary circuit 6 has a first consumer-side heat exchanger 8 and a second, environmental-side heat exchanger 10. Each of these two heat exchangers 8,10 is used for heat exchange with a respective heat exchanger or secondary fluid S1, S2 of a consumer-side secondary circuit 12 and an environmental secondary circuit 14. In each of the two secondary circuits 12,14 is provided as a four-way switching valve 16 switching arrangement , This is connected between the respective heat exchanger 8,10 and two output-side terminals 18A, B, respectively. The primary circuit 6 comprises further components, which are not shown in more detail but are known per se and are partly necessary, such as, for example, a compressor and a throttle for compressing or relaxing the primary fluid P.

Die einzelnen Fluide P, S1, S2 sind übliche für derartige reversible Wärmepumpenanlagen 2 eingesetzte Fluide. Auf der Umweltseite ist das Sekundärfluid S2 beispielsweise eine Sole, auf Verbraucherseite ist das Sekundärfluid S1 üblicherweise Wasser. Im Unterschied zu dem Primärfluid P befinden sich die Sekundärfluide S1, S2 dauernd im flüssigen Zustand, ausgenommen bei Luft als Sekundärfluid.The individual fluids P, S1, S2 are conventional fluids used for such reversible heat pump systems 2. On the environmental side, the secondary fluid S2, for example, a brine, on the consumer side, the secondary fluid S1 is usually water. In contrast to the primary fluid P, the secondary fluids S1, S2 are permanently in the liquid state, except for air as a secondary fluid.

Auf der Verbraucherseite sind weiterhin an den Zuleitungen zu dem verbraucherseitigen Wärmetauscher 8 jeweils ein Temperatursensor 20A,B vorgesehen, die zur Messung einer Temperatur T1 bzw. einer Temperatur T2 des Sekundärfluids S1 in dem jeweiligen Rohrieitungsabschnitt vorgesehen sind.On the consumer side, a temperature sensor 20A, B are further provided on the supply lines to the consumer-side heat exchanger 8, which are provided for measuring a temperature T1 and a temperature T2 of the secondary fluid S1 in the respective Rohrieitungsabschnitt.

Durch das Umschaltventil 16 sind die Sekundärkreisläufe 12,14 in zwei Teilkreisläufe, nämlich einen innerhalb der Wärmepumpe 4 ausgebildeten ersten Teilkreislauf 12A,14A sowie einen nach dem Umschaltventil 16 ausgebildeten zweiten Teilkreislauf 12B,14B unterteilt. Die zweiten Teilkreisläufe 12B,14B sind dabei im Wesentlichen außerhalb der Wärmepumpe ausgebildet und bilden jeweils einen Umwälzkreislauf, in dem das von der Wärmepumpe 4 bereitgestellte erwärmte bzw. gekühlte Medium umgewälzt wird. Hierzu ist jeweils in dem zweiten Teilkreislauf 12B, 14B eine Umwälzpumpe 22 bzw. eine Wärmetauschvorrichtung 24A auf Verbraucherseite sowie eine Wärmetauschervorrichtung 24B auf der Umweltseite angeordnet.By the switching valve 16, the secondary circuits 12,14 are in two partial circuits, namely a trained within the heat pump 4 first partial circuit 12A, 14A and formed after the switching valve 16 second partial circuit 12B, 14B divided. The second partial circuits 12 B, 14 B are formed substantially outside the heat pump and each form a circulation circuit in which the provided by the heat pump 4 heated or cooled medium is circulated. For this purpose, a circulating pump 22 or a heat exchanger device 24A on the consumer side and a heat exchanger device 24B on the environmental side are respectively arranged in the second partial circuit 12B, 14B.

Im in Fig. 1 dargestellten Heizbetrieb wirkt der umweltseitige Wärmetauscher 10 als Verdampfer, in dem durch Übertrag der Wärme aus der Umwelt das Primärfluid P verdampft wird. Der verbraucherseitige Wärmetauscher 8 dient in diesem Fall als Kondensator/Verfiüssiger, in dem die Wärme aus dem Primärfluid P auf das Sekundärfluid S1 übertragen wird, so dass das Primärfluid P wieder verflüssigt wird. Betrieb und Ablauf einer derartigen Wärmepumpe 4 sind an sich bekannt. Durch die Umwälzpumpen 22 wird das im Kondensator 10 erwärmte Wasser der Wärmetauschervorrichtung 24A zugeleitet und dient dort beispielsweise zum Erwärmen von Brauchwasser und/oder Heizwasser.Im in Fig. 1 shown heating operation of the environmental heat exchanger 10 acts as an evaporator in which the primary fluid P is vaporized by transfer of heat from the environment. The consumer-side heat exchanger 8 is used in this case as a condenser / Verfiüssiger in which the heat is transferred from the primary fluid P to the secondary fluid S1, so that the primary fluid P is re-liquefied. Operation and sequence of such a heat pump 4 are known per se. By circulating pumps 22, the heated water in the condenser 10 of the heat exchanger device 24 A is supplied and used there, for example, for heating domestic water and / or heating water.

Wie zu erkennen ist, ist das Umschaltventil 16 derart geschaltet, dass das Sekundärfluid S1 im ersten Teilkreislauf 12A eine Richtung und damit eine Durchflussrichtung durch den Kondensator 8 einnimmt, die derart gewählt ist, dass das Sekundärfluid S1 und das Primärfluid P im Gegenstromprinzip durch den Kondensator 8 fließen.As can be seen, the switching valve 16 is switched such that the secondary fluid S1 in the first partial circuit 12A occupies a direction and thus a flow direction through the condenser 8, which is chosen such that the secondary fluid S1 and the primary fluid P operate countercurrently through the condenser 8 flow.

In gleicher Weise ist auch das Umschaltventil 16 auf der Umweltseite geschaltet, so dass auch der Verdampfer 10 im Gegenstromprinzip betrieben wird.In the same way, the switching valve 16 is switched on the environmental side, so that the evaporator 10 is operated in countercurrent principle.

In Fig. 2 ist nunmehr der Kühlbetrieb dargestellt, bei dem das Primärfluid P in entgegengesetzter Richtung strömt. Um das Gegenstromprinzip in den beiden Wärmetauschern 8,10 aufrecht zu erhalten, sind die beiden Umschaltventil 16 jetzt derart geschaltet, dass auch in dem jeweiligen Teilkreislauf 12A,14A die Flussrichtung des Sekundärfluids S1,S2 sich geändert hat. Gleichzeitig bleibt jedoch die Flussrichtung in den zweiten Teilkreisläufen 12B,14B gleich, verändert sich daher nicht in Abhängigkeit des jeweils eingestellten Betriebsmodus.In Fig. 2 now the cooling operation is shown, in which the primary fluid P flows in the opposite direction. In order to maintain the counterflow principle in the two heat exchangers 8, 10, the two changeover valves 16 are now connected in such a way that the flow direction of the secondary fluid S1, S2 has also changed in the respective partial circuit 12A, 14A. At the same time, however, the remains Flow direction in the second partial circuits 12B, 14B is the same, therefore, does not change depending on the operating mode set in each case.

Für den Fall, dass als umweltseitiger Wärmetauscher 10 ein Luft-Primärfluid-Wärmetauscher vorgesehen ist, der aus der Umgebungsluft die Wärme entnimmt (bzw. in die Umgebungsluft die Wärme abgibt), so ist von Zeit zu Zeit ein Abtauen dieses umweltseitigen Wärmetauschers 10 aufgrund von Kondenswasserbildung der Luftfeuchtigkeit an Wärmetauscherflächen erforderlich. Im Abtaubetrieb ist das Primärfluid P in gleicher Weise wie im Kühlbetrieb gemäß Fig. 2 geführt. Allerdings ist bei der Verwendung eines Luft-Primärfluid-Wärmetauschers als umweltseitigen Wärmetauschers 10 kein umweltseitiger Sekundärkreislauf 14 ausgebildet.In the event that an air-primary fluid heat exchanger is provided as the environmental side heat exchanger 10, which removes the heat from the ambient air (or in the ambient air gives off the heat), so from time to time defrosting this environmental heat exchanger 10 due to Condensation of humidity on heat exchanger surfaces required. In the defrosting operation, the primary fluid P is the same as in the cooling operation according to FIG Fig. 2 guided. However, when using an air-primary fluid heat exchanger as an environmental heat exchanger 10, no environmental secondary circuit 14 is formed.

Die Regelung der Wärmepumpenanlage 2 wird über eine Regeleinrichtung 26 vorgenommen. Diese Regeleinrichtung 26 erlaubt zugleich eine manuelle Bedienung, beispielsweise zum Vorgeben einer gewünschten Raumtemperatur bzw. zum Umschalten zwischen dem Heiz- und dem Kühlbetrieb. In Abhängigkeit dieser manuell vorgegebenen Parameter erfolgt ansonsten die Regelung des Wärmepumpenbetriebs vollautomatisch. Als Regelgröße wird hierbei im Falle des Heizbetriebs auf die Rücklauftemperatur, also auf die Temperatur T2, zurückgegriffen. Im Falle des Kühlbetriebs wird auf die Vorlauftemperatur zurückgegriffen, die aufgrund des Umschaltens ebenfalls durch die Temperatur T2 gebildet ist.The control of the heat pump system 2 is carried out via a control device 26. This control device 26 also allows manual operation, for example, to specify a desired room temperature or to switch between the heating and cooling operation. Depending on these manually specified parameters otherwise the control of the heat pump operation is fully automatic. In the case of the heating operation, the controlled variable used here is the return temperature, that is to say the temperature T2. In the case of the cooling operation, recourse is made to the flow temperature, which is also formed by the temperature T2 due to the switching.

Bezugszeichenliste

2
Wärmepumpenanlage
4
Wärmepumpe
6
Primärkreislauf
8
verbraucherseitiger Wärmetauscher
10
umweltseitiger Wärmetauscher
12
verbraucherseitiger Sekundärkreislauf
12A,14A
erster Teilkreislauf
12B,14B
zweiter Teilkreislauf
14
umweltseitiger Sekundärkreislauf
16
Umschaltventil
18A,B
Anschlüsse
20A,B
Temperatursensor
22
Umwälzpumpe
24A,B
Wärmetauschvorrlchtung
26
Regeleinrichtung
P
Primärfluid
S1,S2
Sekundärfluid
T1,T2
Temperatur
LIST OF REFERENCE NUMBERS
2
heat pump system
4
heat pump
6
Primary circuit
8th
consumer-side heat exchanger
10
environmental heat exchanger
12
consumer-side secondary circuit
12A, 14A
first partial cycle
12B, 14B
second subcircuit
14
environmental secondary circuit
16
switching valve
18A, B
connections
20A, B
temperature sensor
22
circulating pump
24A, B
Wärmetauschvorrlchtung
26
control device
P
primary fluid
S1, S2
secondary fluid
T1, T2
temperature

Claims (7)

Wärmepumpe (4), die in unterschiedlichen Betriebsmodi betreibbar ist, die einen Primärkreislauf (6) für ein Primärfluid (P) aufweist, in dem ein Wärmetauscher (8,10) angeordnet ist, der in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus als Kondensator oder Verdampfer eingesetzt ist und der zugleich Teil eines Sekundärkreislaufs (12,14) für ein Wärmetauscherfluid (S1,S2) ist, wobei im Sekundärkreislauf (12,14) eine Umschaltanordnung (16) vorgesehen ist, über die die Durchflussrichtung des Wärmetauscherfluids (S1,S2) durch den Wärmetauscher (8,10) in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus derart einstellbar ist, dass das das Primärfluid (P) und das Wärmetauscherfluid in jedem Betriebsmodus im Gegenstromprinzip durch den Wärmetauscher (8;10) geführt werden.Heat pump (4) which is operable in different operating modes, having a primary circuit (6) for a primary fluid (P), in which a heat exchanger (8,10) is arranged, which is used as a capacitor or evaporator depending on the selected operating mode and at the same time part of a secondary circuit (12,14) for a heat exchange fluid (S1, S2), wherein in the secondary circuit (12,14), a switching arrangement (16) is provided, through which the flow direction of the heat exchange fluid (S1, S2) through the Heat exchanger (8,10) depending on the selected operating mode is adjustable such that the primary fluid (P) and the heat exchange fluid in each operating mode in the countercurrent principle by the heat exchanger (8; 10) are performed. Wärmepumpe (4) nach Anspruch 1, bei der ein weiterer Wärmetauscher (10;8) im Primärkreislauf (6) angeordnet ist, der in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus gegengleich zum Wärmetauscher (8;10) als Verdampfer oder Kondensator eingesetzt ist, und der zugleich Teil eines weiteren Sekundärkreislaufs (14;12) für ein weiteres Wärmetauscherfluid (S2;S1) ist, wobei im weiteren Sekundärkreislauf (14;12) eine weitere Umschaltanordnung (16) vorgesehen ist, über die die Durchflussrichtung des weiteren Wärmetauscherfluids (S2;S1) durch den weiteren Wärmetauscher (14;12) in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus derart einstellbar ist, dass das Primärfluid (P) und das weitere Wärmetauscherfluid (S2;S1) in jedem Betriebsmodus im Gegenstromprinzip durch den weiteren Wärmetauscher (14;12) geführt werden.Heat pump (4) according to claim 1, wherein a further heat exchanger (10; 8) is arranged in the primary circuit (6), which is used as an evaporator or condenser, depending on the selected operating mode, in opposition to the heat exchanger (8; Is part of a further secondary circuit (14; 12) for a further heat exchanger fluid (S2; S1), wherein in the further secondary circuit (14; 12) a further switching arrangement (16) is provided, via which the flow direction of the further heat exchanger fluid (S2; S1) is adjustable in dependence on the selected operating mode by the further heat exchanger (14; 12) such that the primary fluid (P) and the further heat exchanger fluid (S2; S1) are guided in each operating mode in counterflow principle through the further heat exchanger (14; 12). Wärmepumpe (4) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Umschaltanordnung (16) ein Umschaltventil insbesondere ein Vierwege-Umschaltventil ist.Heat pump (4) according to claim 1 or 2, wherein the switching arrangement (16) is a switching valve, in particular a four-way switching valve. Wärmepumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Anschlüsse (18A,B) für eine in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus als Wärmesenke oder als Wärmequelle wirkende Wärmetauschvorrichtung (24A,B) aufweist, die im angeschlossenen Zustand Teil des Sekundärkreislaufes (12,14) ist, wobei die Durchflussrichtung des Sekundärfluids (S1,S2) durch die Wärmetauschvorrichtung (24A,B) unabhängig von dem gewählten Betriebsmodus gleich ist.Heat pump (4) according to one of the preceding claims, which has connections (18A, B) for a heat exchange device (24A, B) acting as a heat sink or as a heat source as a function of the selected operating mode, which in the connected state is part of the secondary circuit (12, 14). is, wherein the flow direction of the secondary fluid (S1, S2) through the heat exchange device (24A, B) is the same regardless of the selected operating mode. Wärmepumpe (4) nach Anspruch 4, bei der zwischen dem Wärmetauscher (8,10) und den Anschlüssen (18A,B) ein erster Teilkreislauf (12A,14A) des Sekundärkreislaufs (12,14) ausgebildet ist, in dem die Umschaltanordnung (16) angeordnet ist.Heat pump (4) according to claim 4, in which a first partial circuit (12A, 14A) of the secondary circuit (12, 14) is formed between the heat exchanger (8, 10) and the connections (18A, B), in which the switching arrangement (16 ) is arranged. Wärmepumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Sekundärkreisläuf (12,14) zwei Temperatursensoren (20A,B) zur Messung einer Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur vorgesehen sind, wobei jedem Betriebsmodus einer der Temperatursensoren (20A,B) zugeordnet ist und die von diesem Temperatursensor (20A,B) gemessene Temperatur (T1,T2) für eine Regelung des Wärmepumpenbetriebs in dem Betriebsmodus, der dem jeweiligen Temperatursensor (20A,B) zugordnet ist, herangezogen wird.Heat pump (4) according to one of the preceding claims, wherein in the secondary circuit (12,14) two temperature sensors (20A, B) for measuring a flow temperature and return temperature are provided, each operating mode of the temperature sensors (20A, B) is associated with and temperature (T1, T2) measured by said temperature sensor (20A, B) for controlling heat pump operation in the operating mode assigned to the respective temperature sensor (20A, B). Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus die Umschaltanordnung (16) derart eingestellt wird, dass das Primärfluid (P) und das Wärmetauscherfluid (S1; S2) in jedem Betriebsmodus im Gegenstromprinzip durch den Wärmetauscher (8;10) geführt werden.Method for operating a heat pump (4) according to one of the preceding claims, in which, depending on the selected operating mode, the switching arrangement (16) is adjusted such that the primary fluid (P) and the heat exchanger fluid (S1; S2) in each operating mode in a countercurrent principle the heat exchanger (8; 10) are guided.
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