EP2187149A2 - Wärmepumpenanlage - Google Patents

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EP2187149A2
EP2187149A2 EP09175482A EP09175482A EP2187149A2 EP 2187149 A2 EP2187149 A2 EP 2187149A2 EP 09175482 A EP09175482 A EP 09175482A EP 09175482 A EP09175482 A EP 09175482A EP 2187149 A2 EP2187149 A2 EP 2187149A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
evaporator
subcooler
pump system
refrigerant
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Withdrawn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
EP09175482A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2187149A3 (de
Inventor
Jörg FUHRMANN
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.)
Weska Kalteanlagen GmbH
Original Assignee
Weska Kalteanlagen GmbH
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
Application filed by Weska Kalteanlagen GmbH filed Critical Weska Kalteanlagen GmbH
Publication of EP2187149A2 publication Critical patent/EP2187149A2/de
Publication of EP2187149A3 publication Critical patent/EP2187149A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/18—Optimization, e.g. high integration of refrigeration components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/04—Desuperheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B5/00—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel

Definitions

  • the invention relates to a heat pump system with in the flow direction of the refrigerant and an external fluid sequentially arranged subcooler and evaporator. Furthermore, the invention relates to a method for operating a heat pump system.
  • Conventional heat pumps in particular compression heat pumps, are known to have a compressor which is driven electrically or by an internal combustion engine.
  • the compressor compresses a refrigerant to a higher pressure, where it heats up.
  • the energy released during the subsequent dehiscence and liquefaction of the refrigerant is transferred to the medium of the heating circuit in a heat exchanger.
  • the refrigerant is then expanded in an expansion valve, it cools down.
  • the expanded refrigerant is supplied to the evaporator, where it absorbs heat from the environment and evaporates. Subsequently, the vaporous refrigerant is sucked by the compressor.
  • the cycle of the refrigerant is closed.
  • the heat source used in most cases is air, such as fresh air or ambient air, the soil or water, such as groundwater, which is deprived of heat.
  • the heat absorbed by the heat source is raised to a higher temperature level.
  • the heat absorbed plus part of the compressor power is available as heat at a higher level and is used for heating purposes, for example space heating or hot water preparation.
  • the differences between the temperature of the heat source and the useful temperature should be as low as possible, that is, for example, that the heat exchangers are designed for the lowest possible temperature differences between the primary and secondary side.
  • a heat pump which uses the ambient air as a heat source, usually has a much lower evaporation temperature than a system with the ground as a heat source. With decreasing temperature of the ambient air, the heat demand is greater and the coefficient of performance of the system lower. In addition, the heat transfer coefficient of air at the evaporator surfaces is low, the dew point is often below and the forming condensate must be removed. If the evaporating temperature of the refrigerant is below the temperature of the freezing point of the condensate, an ice layer is formed, which significantly reduces the heat transfer and must be defrosted at regular intervals. During the defrosting process no heat can be absorbed and additional energy is needed for defrosting.
  • the systems can be distinguished, for example, by the number of fluid circuits.
  • the decoupling of the circuits by indirect supply of the heat of vaporization by means of a heat carrier circuit from the environment and the removal of the liquefaction energy, for example via a hot water heating network are advantageous in terms of control technology, the amount of refrigerant and the probabilities of leaks are low. This is to be evaluated in particular with regard to the environmental hazard of the refrigerant and the hazardous properties, such as toxicity or ignitability.
  • heat exchangers in the additional circuits proves to be disadvantageous as connections to the refrigerant circuit, whereby an additional temperature difference occurs in each case.
  • direct systems a heat transfer circuit is dispensed with, so that the heat transfer from the heat transfer circuit to the working circuit of the heat pump is eliminated.
  • the refrigerant absorbs the heat in direct evaporation. This eliminates the energy disadvantageous temperature difference at the additional heat exchanger.
  • the direct systems are not suitable for all applications.
  • the EP 0846 923 B1 discloses a system for air conditioning a room, is prepared with the outside air supplied to the room.
  • the air flowing in from the outside in the flow direction is initially cooled and, depending on the state defined by the temperature and humidity, dehumidified and then reheated.
  • the process of cooling the air is comparable to the absorption of heat in an evaporator of a heat pump system, wherein the air serves as a heat source.
  • the in the EP 0846 923 B1 described refrigeration system for air conditioning has in the flow direction of the refrigerant after the condenser to an additional subcooler, which can be switched on or off as needed via valves.
  • the refrigerant is expanded by means of an expansion valve into the evaporator.
  • the air to be treated is cooled in the evaporator.
  • the heat is transferred from the air to the refrigerant.
  • the cooled air in the subcooler is reheated.
  • subcooler refers to the subcooling of the refrigerant after condensation. The heat is thus transferred from the refrigerant to the air.
  • a similar system as in the EP 0846 923 B1 is also in the US 5,664,425 A described, in which an apparatus and a method for dehumidifying or conditioning of air are disclosed.
  • the system also has, in the flow direction of the refrigerant, a condenser with a downstream subcooler and an expansion element for expanding the refrigerant into an evaporator.
  • the air is cooled as required in the evaporator and dehumidified and then reheated in the heat exchanger to subcool the refrigerant.
  • the device is intended for receiving cold, dry building exhaust air and for storing condensate water provided by an air conditioning, refrigeration or heat pump system or other water supply.
  • the object of the present invention is to provide a heat pump system and a method for operating a heat pump system that transfers heat from the heat source to the refrigerant circuit according to the principle of the direct or indirect system, wherein the coefficient of performance of the heat pump in comparison to conventional systems be increased and thus increase energy efficiency.
  • the system is also intended to minimize the time and effort required to operate the system, thus reducing energy consumption and operating costs.
  • the refrigerant absorbs heat from the refrigerant in the subcooler, heats up and then flows with the higher temperature state over the evaporator surfaces, where it gives off heat.
  • heat is transferred from the liquid refrigerant, the so-called refrigerant condensate, to the outer fluid and from the outer fluid to the evaporating refrigerant.
  • the temperature difference between the evaporation temperature of the refrigerant and the temperature of the heat source is advantageously reduced.
  • Compressor unit is to be understood either a single or a composite of a plurality of compressors, which are connected in parallel with each other.
  • the power of the system is regulated and the parallel operation simplifies the control of compressor performance.
  • the refrigerant is de-oiled and / or liquefied. If vaporous refrigerant is present at the outlet of the desuperheater, the vaporous component in the condenser of the refrigeration system is completely liquefied.
  • the use of a single capacitor is possible, in addition to the condensation also takes place the process of desuperheating.
  • the subcooler and the evaporator are integrated within a common housing and thus formed as an integrated subcooler evaporator. This has the advantage of possible space savings.
  • a heat carrier circuit which has the subcooler and the evaporator of the refrigerant circuit and a heat source heat exchanger.
  • the heat transfer medium also referred to as external fluid, which is circulated by means of a heat transfer pump in the heat transfer circuit, successively absorbs heat in the heat source heat exchanger and the subcooler, which is then discharged again when flowing through the evaporator. By absorbing heat in the subcooler, the temperature of the heat transfer medium increases.
  • the evaporation temperature of the refrigerant circuit is in addition to design features of the heat exchanger itself also dependent on the temperature of the heat transfer medium.
  • the evaporation temperature of the refrigerant By increasing the temperature of the heat transfer medium can be raised at the same design features of the evaporator, the evaporation temperature of the refrigerant.
  • the entire heat pump system is therefore more energy efficient to operate.
  • the liquefied refrigerant is undercooled by the heat transfer to the heat transfer medium in the subcooler.
  • the additional subcooling at condensation pressure increases the specific cooling capacity after the relaxation. If the mass flow remains constant, more heat can be absorbed in the evaporator due to the larger available enthalpy difference, or the mass flow can advantageously be reduced. The energy efficiency of the heat pump system is increased.
  • the subcooler and the evaporator are designed such that a heat source medium flows as external fluid directly through the subcooler and the evaporator.
  • a heat source medium flows as external fluid directly through the subcooler and the evaporator.
  • heat pump circuit in which the refrigerant absorbs the heat in direct evaporation, is dispensed with a heat transfer circuit.
  • the higher the evaporation temperature or the higher the evaporation pressure in the refrigerant circuit the lower the pressure ratio of the compression and thus the power supplied to the compressor.
  • the coefficient of performance of the system is advantageously larger. The system works more efficiently.
  • Both the subcooler and the evaporator can be designed, for example, as air-stressed, sole- or wasserbeetzbergerte heat exchanger.
  • air-heated heat exchanger and operating conditions with outside air temperatures around 0 ° C and thus the evaporation temperature below 0 ° C it comes to icing of the heat transfer surface of the evaporator and an increasing deterioration of heat transfer.
  • the surfaces must be defrosted at regular intervals.
  • the concept of the invention raises the evaporation temperature over conventional circuits. Increasing to evaporating temperatures above 0 ° C will prevent icing. At temperatures below 0 ° C, the process of icing is delayed. The higher the evaporation temperature, the slower this process is. The operation of the system causes less costs.
  • the subcooler and the evaporator are successively from an external fluid, that is one Heat source medium or a heat transfer medium flows through.
  • the outer fluid absorbs heat in the subcooler and then releases heat in the evaporator.
  • heat source media or heat transfer media are sols, water or other media, such as gases, in particular air.
  • heat transfer medium as external fluid circulates this fluid within a heat carrier circuit.
  • the heat transfer medium flows through in the flow direction except the subcooler and the evaporator and a heat source heat exchanger.
  • the heat transfer medium in the heat source heat exchanger absorbs heat from a heat source, which it releases plus the heat then absorbed in the subcooler in the evaporator.
  • the heat dissipation in the desuperheater and / or condenser of the heat pump system takes place in a temperature range between 50 ° C and 80 ° C.
  • the operation of the plant is less expensive than the operation of the plants known in the prior art.
  • the heating of the outer fluid prior to entry into the evaporator advantageously raises the evaporation temperature, so that the pressure ratio at the compressor is reduced.
  • the specific cooling capacity is increased by the supercooling of the refrigerant after the condensation, resulting in the reduction of the mass flow of the refrigerant at the same power at the evaporator. Both criteria lead to the advantageous reduction of the compressor to the refrigerant circuit to be supplied power and to increase the coefficient of performance.
  • the system is energetically more effective to operate.
  • by raising the evaporation temperature under certain operating conditions icing on the evaporator can be prevented or at least delayed. This reduces the number of costly defrosts.
  • the heat pump system 1 as a closed system essentially consists of the components evaporator 5, compressor 8, desuperheater 2, condenser 3, subcooler 4 and expansion element 9.
  • the refrigerant evaporating in the evaporator 5 absorbs heat at a constant temperature, which is absorbed by the external fluid. that is the heat carrier, is discharged.
  • the heat carrier cools down. After overheating of the vaporized refrigerant this is sucked by a suction line 16 as a connection between the evaporator 5 and compressor 8 from the compressor 8 and compressed to a higher pressure. In addition to the pressure, the temperature of the vaporous refrigerant also increases.
  • the so-called hot gas also referred to as superheated steam
  • the so-called hot gas is supplied to the desuperheater condenser 2 via a pressure line 14, cooled in the desuperheater condenser 2 to condensation temperature and then liquefied at a constant temperature.
  • the refrigerant is already completely de-icing and at least partially already liquefied.
  • the condenser 3 the refrigerant is further de-hydrated and / or liquefied, depending on the state of entry.
  • the cooling of the refrigerant to condensation temperature is called decarburization.
  • the liquefaction of the refrigerant starts when the dew line is reached.
  • the heat is transferred from the refrigerant to the heating system in which water circulates.
  • the connections between desuperheater condenser 2 and capacitor 3, as Heat exchanger of the refrigerant circuit, and the water tank 11 of the heating system is thus realized via circuits in which water is circulated by means of water pumps 13.
  • the refrigerant releases the heat received in the evaporator 5 and supplied to the heating system during the compression.
  • the liquid refrigerant After exiting the condenser 3, the liquid refrigerant is undercooled at a constant pressure. The thereby extracted heat is supplied to the heat carrier, which heats up. The temperature of the heat carrier is increased in the subcooler 4.
  • the arrangement of a refrigerant accumulator 10 is also provided, which compensates for the differences in refrigerant quantity during operation within the heat pump system 1.
  • the heat transfer pump 12 allows the heat transfer medium to circulate within the heat carrier circuit in the flow direction through the heat source heat exchanger 6, the subcooler 4 and the evaporator 5.
  • the heat transfer medium in the heat source heat exchanger 6 absorbs heat from the environment.
  • the outlet temperature of the heat carrier is dependent on the respective heat source.
  • soil or groundwater as a heat source, the heat is transferred at temperatures between 2 ° C to 10 ° C. If the heat is removed from the ambient air, this occurs at temperatures between -20 ° C and +20 ° C depending on the day and season.
  • the heat transfer temperatures depend on the time of day and the season, even when absorbing solar heat. Since the heat transfer medium in the subcooler 4 absorbs additional heat while its temperature is further increased, the evaporation temperature of the refrigerant can be increased during the subsequent flow through the evaporator 5 and the heat transfer taking place therein. A higher evaporation temperature in the refrigerant circuit leads to a larger coefficient of performance, as otherwise known, since the power to be supplied to the compressor 8 is reduced. On the other hand, the heat absorption of the heat carrier in the subcooler 4 leads to hypothermia of the refrigerant and thus to an increase in the specific cooling capacity after the expansion. Under otherwise constant conditions, in particular the heat to be absorbed in the evaporator 5, the necessary mass flow of the refrigerant and thus also the power to be supplied to the compressor 8 is reduced. The energy efficiency of the heat pump system 1 is increased.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage (1) mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, aufweisend in Strömungsrichtung des Kältemittels eine Verdichtereinheit (8), einen Wärmeübertrager als Enthitzer-Verflüssiger (2), einen Kondensator (3), einen Wärmeübertrager als Unterkühler (4), einen Sammler (10), ein Expansionsorgan (9) und einen Verdampfer (5). Der Unterkühler (4) und der Verdampfer (5) sind in Strömungsrichtung eines äußeren Fluids nacheinander angeordnet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Wärmepumpenanlage (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage mit in Strömungsrichtung des Kältemittels und eines äußeren Fluids nacheinander angeordnetem Unterkühler und Verdampfer. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage.
  • Herkömmliche Wärmepumpen, insbesondere Kompressionswärmepumpen, weisen bekanntlich einen Verdichter auf, der elektrisch oder durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Verdichter komprimiert ein Kältemittel auf einen höheren Druck, wobei es sich erwärmt. Die beim nachfolgenden Enthitzen und Verflüssigen des Kältemittels freigesetzte Energie wird in einem Wärmeübertrager auf das Medium des Heizkreises übertragen. Das Kältemittel wird anschließend in einem Expansionsventil entspannt, es kühlt sich dabei ab. Das entspannte Kältemittel wird dem Verdampfer zugeführt, in dem es Wärme aus der Umgebung aufnimmt und verdampft. Anschließend wird das dampfförmige Kältemittel vom Verdichter angesaugt. Der Kreislauf des Kältemittels ist geschlossen.
    Als Wärmequelle werden in den meisten Fällen Luft, wie Außenluft oder Umgebungsluft, der Erdboden oder Wasser, wie das Grundwasser, genutzt, denen Wärme entzogen wird. Unter Einsatz beispielsweise elektrischer Leistung wird die aufgenommene Wärme der Wärmequelle auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Am Enthitzer beziehungsweise Kondensator steht die aufgenommene Wärme zuzüglich eines Teils der Verdichterleistung als Wärme auf höherem Niveau zur Verfügung und wird für Heizzwecke, zum Beispiel der Raumheizung oder zur Warmwasserbereitung genutzt.
    Um eine möglichst hohe Leistungszahl und so eine hohe Energieeffizienz zu erlangen, sollten die Differenzen zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Nutztemperatur möglichst gering sein, das heißt zum Beispiel, dass die Wärmeübertrager für möglichst geringe Temperaturdifferenzen zwischen der Primär- und Sekundärseite auszulegen sind.
  • Eine Wärmepumpe, die die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzt, weist dabei zumeist eine deutlich niedrigere Verdampfungstemperatur als eine Anlage mit dem Erdboden als Wärmequelle auf. Mit geringer werdender Temperatur der Umgebungsluft wird der Wärmebedarf größer und die Leistungszahl der Anlage geringer. Zudem ist die Wärmeübergangszahl von Luft an den Verdampferflächen gering, der Taupunkt wird häufig unterschritten und das sich bildende Kondensat muss abgeführt werden. Liegt die Verdampfungstemperatur des Kältemittels unterhalb der Temperatur des Gefrierpunkts des Kondensats, bildet sich eine Eisschicht aus, die den Wärmedurchgang erheblich verschlechtert und in regelmäßigen Abständen abgetaut werden muss. Während des Abtauvorganges kann keine Wärme aufgenommen werden und für das Abtauen wird zusätzliche Energie benötigt.
  • Im Stand der Technik sind nunmehr Wärmepumpenanlagen in unterschiedlichen Betriebsarten und Schaltungen bekannt. Die Anlagen können beispielsweise an der Anzahl der Fluidkreise unterschieden werden.
    Die Entkopplung der Kreise durch indirekte Zuführung der Verdampfungswärme mittels eines Wärmeträgerkreislaufes aus der Umgebung und die Abfuhr der Verflüssigungsenergie beispielsweise über ein Warmwasserheizungsnetz sind regelungstechnisch vorteilhaft, die Kältemittelmenge und die Wahrscheinlichkeiten von Leckagen sind gering. Dies ist insbesondere unter dem Aspekt der Umweltgefährdung des Kältemittels und den Gefährlichkeitsmerkmalen, wie Toxizität oder Entzündbarkeit, zu bewerten. Als nachteilig erweist sich der Einsatz von Wärmeübertragern in den zusätzlichen Kreisläufen, zum Beispiel dem Wärmeträger- und dem Heizungskreislauf, als Verbindungen zum Kältemittelkreislauf, wodurch jeweils eine zusätzliche Temperaturdifferenz auftritt. Dies hat zur Folge, dass die Verdampfungstemperatur am Wärmeübertrager um eine Temperaturdifferenz geringer ist als die Vorlauftemperatur des Wärmeträgers. Ebenso muss die Kondensationstemperatur des Kältemittels um eine Differenz höher sein als die Vorlauftemperatur im Heizungskreis.
    In sogenannten Direktsystemen wird auf einen Wärmeträgerkreislauf verzichtet, sodass der Wärmeübergang vom Wärmeträgerkreislauf auf den Arbeitskreis der Wärmepumpe entfällt. Das Kältemittel nimmt die Wärme in Direktverdampfung auf. Dadurch entfällt die energetisch nachteilige Temperaturdifferenz am zusätzlichen Wärmeübertrager. Die Direktsysteme sind jedoch nicht für alle Anwendungsfälle geeignet.
  • In der EP 0846 923 B1 wird ein System zur Klimatisierung eines Raumes offenbart, mit dem dem Raum zugeführte Außenluft aufbereitet wird. Dabei wird die von außen einströmende Luft in Strömungsrichtung vorerst abgekühlt sowie, je nach durch Temperatur und Feuchtigkeit definiertem Zustand, entfeuchtet und anschließend wieder erwärmt. Der Vorgang der Abkühlung der Luft ist vergleichbar mit der Aufnahme der Wärme in einem Verdampfer einer Wärmepumpenanlage, wobei die Luft als Wärmequelle dient. Die in der EP 0846 923 B1 beschriebene Kälteanlage zur Klimatisierung weist in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kondensator einen zusätzlichen Unterkühler auf, der ja nach Bedarf über Ventile zu- oder abgeschaltet werden kann. Jeweils stromabwärts nach dem Kondensator oder Unterkühler wird das Kältemittel mit Hilfe eines Expansionsventils in den Verdampfer entspannt. Die aufzubereitende Luft wird im Verdampfer abgekühlt. Die Wärme wird von der Luft an das Kältemittel übertragen. Danach wird die abgekühlte Luft im Unterkühler wieder erwärmt. Die Bezeichnung Unterkühler bezieht sich auf das Unterkühlen des Kältemittels nach der Kondensation. Die Wärme wird folglich vom Kältemittel an die Luft übertragen.
  • Ein ähnliches System, wie in der EP 0846 923 B1 , wird auch in der US 5,664,425 A beschrieben, in der eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfeuchtung beziehungsweise Aufbereitung von Luft offenbart werden. Das System weist in Strömungsrichtung des Kältemittels ebenfalls einen Kondensator mit nachgeschaltetem Unterkühler sowie ein Expansionsorgan zur Entspannung des Kältemittels in einen Verdampfer auf. Die Luft wird nach Bedarf im Verdampfer abgekühlt sowie entfeuchtet und anschließend im Wärmeübertrager zur Unterkühlung des Kältemittels wieder erwärmt.
  • Aus der US 2005/0028545 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unter- und/oder Vorkühlen eines Kältemittels hervor. Die Vorrichtung ist für die Aufnahme von kalter, trockener Gebäudeabluft und zur Speicherung von Kondensatwasser vorgesehen, das von einem Klimatisierungs-, Kälte- oder Wärmepumpensystem oder einer anderen Wasserzufuhr bereitgestellt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmepumpenanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage zur Verfügung zu stellen, die nach dem Prinzip des direkten oder des indirekten Systems Wärme von der Wärmequelle an den Kältemittelkreislauf überträgt, wobei die Leistungszahl der Wärmepumpe im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen vergrößert werden und damit die Energieeffizienz gesteigert werden soll. Mit der Anlage sollen außerdem zusätzlich notwendige Vorgänge zum Betrieb der Anlage in ihrem zeitlichen Umfang minimiert und damit der Energieaufwand und die Betriebskosten gesenkt werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmepumpenanlage mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf gelöst, die in Strömungsrichtung des Kältemittels eine Verdichtereinheit, einen Wärmeübertrager als Enthitzer-Verflüssiger, einen Kondensator, einen Wärmeübertrager als Unterkühler, einen Sammler, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer aufweist. Ein äußeres Fluid, das sich in Bezug auf den Kältemittelkreislauf außerhalb des Kreislaufes befindet, strömt entweder als Wärmeträgermedium oder als Medium, das als Wärmequelle Wärme an den Kältemittelkreislauf überträgt, in strömungsrichtung über die äußeren Wärmeübertragerflächen des Unterkühlers und des Verdampfers. Dabei nimmt es im Unterkühler zusätzlich Wärme vom Kältemittel auf, erwärmt sich und strömt anschließend mit dem Zustand höherer Temperatur über die Verdampferflächen, wo es Wärme abgibt.
    Erfindungsgemäß wird Wärme vom flüssigen Kältemittel, dem sogenannten Kältemittelkondensat, an das äußere Fluid und vom äußeren Fluid an das verdampfende Kältemittel übertragen. Dabei wird vorteilhaft die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur des Kältemittels und der Temperatur der Wärmequelle verringert.
  • Als Verdichtereinheit ist entweder ein einzelner oder ein Verbund aus mehreren Verdichtern zu verstehen, die parallel miteinander verschaltet sind. Je nach Wärmebedarf wird die Leistung der Anlage geregelt und über die Parallelschaltung damit die Regelung der Verdichterleistungen vereinfacht.
    Konzeptionsgemäß wird das Kältemittel nach der Verdichtung innerhalb eines Enthitzer-Verflüssigers enthitzt und/oder verflüssigt. Liegt am Austritt des Enthitzer-Verflüssigers dampfförmiges Kältemittel vor, wird der dampfförmige Anteil im Kondensator der Kälteanlage vollständig verflüssigt.
    Anstelle der zwei Wärmeübertrager Enthitzer-Verflüssiger und Kondensator ist je nach Anwendungsfall auch die Nutzung eines einzelnen Kondensators möglich, in dem neben der Kondensation auch der Vorgang der Enthitzung stattfindet.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Unterkühler und der Verdampfer innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses integriert und somit als integrierter Unterkühler-Verdampfer ausgebildet ist. Das birgt den Vorteil der möglichen Platzersparnis.
  • Konzeptionsgemäß ist ein Wärmeträgerkreislauf vorgesehen, der den Unterkühler und den Verdampfer des Kältemittelkreislaufes sowie einen Wärmequellen-Wärmeübertrager aufweist. Das Wärmeträgermedium, auch als äußeres Fluid bezeichnet, das mittels einer Wärmeträgerpumpe im Wärmeträgerkreislauf umgewälzt wird, nimmt nacheinander Wärme im Wärmequellen-Wärmeübertrager und im Unterkühler auf, die dann beim Durchströmen des Verdampfers wieder abgegeben wird. Durch die Aufnahme von Wärme im Unterkühler erhöht sich die Temperatur des Wärmeträgermediums. Die Verdampfungstemperatur des Kältemittelkreislaufes ist neben konstruktiven Merkmalen des Wärmeübertragers selbst auch von der Temperatur des Wärmeträgermediums abhängig. Durch das Erhöhen der Temperatur des Wärmeträgermediums kann bei gleichen konstruktiven Merkmalen des Verdampfers, die Verdampfungstemperatur des Kältemittels angehoben werden. Die gesamte Wärmepumpenanlage ist dadurch energieeffizienter zu betreiben. Außerdem wird durch die Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium im Unterkühler, das verflüssigte Kältemittel unterkühlt. Die zusätzliche Unterkühlung bei Kondensationsdruck, erhöht die spezifische Kälteleistung nach der Entspannung. Bei gleichbleibendem Massestrom kann auf Grund der größeren zur Verfügung stehenden Enthalpiedifferenz im Verdampfer mehr Wärme aufgenommen werden oder der Massestrom ist vorteilhaft zu verringern. Die energetische Effizienz der Wärmepumpenanlage wird erhöht.
  • Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind der Unterkühler und der Verdampfer derart ausgebildet, dass ein Wärmequellenmedium als äußeres Fluid direkt durch den Unterkühler und den Verdampfer strömt. In dieser, auch als Direktsystem bezeichneten, Wärmepumpenschaltung, in der das Kältemittel die Wärme bei Direktverdampfung aufnimmt, wird auf einen Wärmeträgerkreislauf verzichtet. Dadurch entfällt die energetisch nachteilige Temperaturdifferenz am zusätzlichen Wärmequellen-Wärmeübertrager und die Verdampfungstemperatur kann weiter angehoben werden.
    Je höher die Verdampfungstemperatur beziehungsweise je höher der Verdampfungsdruck im Kältemittelkreislauf ist, umso geringer ist das Druckverhältnis der Verdichtung und damit die zugeführte Leistung am Verdichter. Die Leistungszahl der Anlage wird vorteilhaft größer. Die Anlage arbeitet effizienter.
  • Sowohl der Unterkühler als auch der Verdampfer können beispielsweise als luftbeaufschlagte, sole- oder wasserbeaufschlagte Wärmeübertrager ausgebildet sein.
    Bei Einsatz luftbeaufschlagter Wärmeübertrager und Betriebsbedingungen mit Temperaturen der Außenluft um 0 °C und damit der Verdampfungstemperatur unterhalb von 0 °C kommt es zur Vereisung der Wärmeübertragerfläche des Verdampfers und einer zunehmenden Verschlechterung des Wärmeüberganges. Die Flächen müssen in regelmäßigen Abständen abgetaut werden. Durch die Konzeption der Erfindung wird die Verdampfungstemperatur gegenüber herkömmlichen Schaltungen angehoben. Bei einem Anheben auf Verdampfungstemperaturen oberhalb von 0 °C wird die Vereisung verhindert. Bei Temperaturen unterhalb von 0 °C wird der Vorgang der Vereisung verzögert. Je höher die Verdampfungstemperatur ist, um so langsamer vollzieht sich dieser Vorgang. Der Betrieb der Anlage verursacht weniger Kosten.
  • Sowohl der Verdampfer, als auch der Unterkühler und der integrierte Unterkühler-Verdampfer können als ein Verbund mehrerer Wärmeübertrager ausgestaltet sein, die beispielsweise parallel zueinander geschaltet sind.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage werden der Unterkühler und der Verdampfer nacheinander von einem äußeren Fluid, das heißt einem Wärmequellenmedium oder einem Wärmeträger, durchströmt. Das äußere Fluid nimmt dabei im Unterkühler Wärme auf und gibt anschließend im Verdampfer Wärme ab. Als Wärmequellenmedien oder Wärmeträger sind beispielsweise Sole, Wasser oder andere Medien, wie Gase, insbesondere Luft, zu verstehen.
    Beim Verfahren mit Wärmeträger als äußerem Fluid zirkuliert dieses Fluid innerhalb eines Wärmeträgerkreislaufes. Der Wärmeträger durchströmt dabei in Strömungsrichtung außer den Unterkühler und den Verdampfer auch einen Wärmequellen-Wärmeübertrager. Dabei nimmt der Wärmeträger im Wärmequellen-Wärmeübertrager Wärme aus einer Wärmequelle auf, die er zuzüglich der anschließend im Unterkühler aufgenommenen Wärme im Verdampfer wieder abgibt.
    Die Wärmeabgabe im Enthitzer-Verflüssiger und/oder Kondensator der Wärmepumpenanlage erfolgt in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 80 °C.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Betrieb der Anlage weniger kostenintensiv als der Betrieb der im Stand der Technik bekannten Anlagen ist. Zum einen wird durch die Erwärmung des äußeren Fluids vor dem Eintritt in den Verdampfer vorteilhaft die Verdampfungstemperatur angehoben, sodass das Druckverhältnis am Verdichter verringert wird. Zum anderen wird durch die Unterkühlung des Kältemittels nach der Kondensation die spezifische Kälteleistung erhöht, was zur Verringerung des Massestromes des Kältemittels bei gleicher Leistung am Verdampfer führt. Beide Kriterien führen zur vorteilhaften Verringerung der am Verdichter dem Kältemittelkreislauf zuzuführenden Leistung und zur Vergrößerung der Leistungszahl. Die Anlage ist energetisch effektiver zu betreiben.
    Außerdem können durch das Anheben der Verdampfungstemperatur bei bestimmten Betriebsbedingungen Vereisungen am Verdampfer verhindert oder mindestens verzögert werden. Damit wird die Anzahl kostenverursachender Abtauvorgänge verringert.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    Fließbild der Wärmepumpenanlage mit indirekter Wärmezufuhr und Wärmeträgerkreislauf,
    Fig. 2:
    Fließbild der Wärmepumpenanlage mit direkter Wärmezufuhr.
  • Die Wärmepumpenanlage 1 besteht als geschlossenes System im Wesentlichen aus den Komponenten Verdampfer 5, Verdichter 8, Enthitzer-Verflüssiger 2, Kondensator 3, Unterkühler 4 und Expansionsorgan 9. Das im Verdampfer 5 verdampfende Kältemittel nimmt bei konstanter Temperatur Wärme auf, die vom äußeren Fluid, das heißt dem Wärmeträger, abgegeben wird. Der Wärmeträger kühlt sich ab. Nach Überhitzung des verdampften Kältemittels wird dieses durch eine Saugleitung 16 als Verbindung zwischen Verdampfer 5 und Verdichter 8 vom Verdichter 8 angesaugt und auf einen höheren Druck verdichtet. Dabei nimmt neben dem Druck auch die Temperatur des dampfförmigen Kältemittels zu. Das sogenannte Heißgas, auch als überhitzter Dampf bezeichnet, wird dem Enthitzer-Verflüssiger 2 über eine Druckleitung 14 zugeführt, im Enthitzer-Verflüssiger 2 auf Kondensationstemperatur abgekühlt und anschließend bei konstanter Temperatur verflüssigt. Je nach Wärmeleistung im Enthitzer-Verflüssiger 2 wird das Kältemittel bereits vollständig enthitzt und zumindest zum Teil bereits verflüssigt. Im Kondensator 3 wird das Kältemittel je nach Eintrittszustand weiter enthitzt und/oder verflüssigt. Die Abkühlung des Kältemittels auf Kondensationstemperatur wird als Enthitzen bezeichnet. Die Verflüssigung des Kältemittels beginnt beim Erreichen der Taulinie.
    Im Enthitzer-Verflüssiger 2 sowie im Kondensator 3 wird die Wärme vom Kältemittel an das Heizsystem, in dem Wasser zirkuliert, übertragen. Die Verbindungen zwischen Enthitzer-Verflüssiger 2 sowie Kondensator 3, als Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufes, und dem Wasserspeicher 11 des Heizsystems wird somit über Kreisläufe realisiert, in denen mit Hilfe von Wasserpumpen 13 Wasser umgewälzt wird.
    Das Kältemittel gibt die im Verdampfer 5 aufgenommene und bei der Verdichtung zugeführte Wärme an das Heizungssystem wieder ab. Nach Austritt aus dem Kondensator 3 wird das flüssige Kältemittel bei gleichbleibenden Druck unterkühlt. Die dabei entzogene Wärme wird dem Wärmeträger zugeführt, der sich dabei erwärmt. Die Temperatur des Wärmeträgers wird im Unterkühler 4 erhöht. Anschließend wird der Druck des flüssigen, unterkühlten Kältemittels innerhalb eines Expansionsorgans 9 auf Verdampfungsdruck abgesenkt. Als Verbindung zwischen Unterkühler 3 und Expansionsorgan 9 dient eine Flüssigkeitsleitung 15. Der Durchfluss des Kältemittels zum Verdampfer wird dabei auch über ein Magnetventil 7 gesteuert. Im Anschluss an den Expansionsvorgang liegt das Kältemittel als Flüssigkeits-Dampfgemisch vor und wird wiederum dem Verdampfer 5 zugeführt. Der Kreislauf ist geschlossen.
  • Innerhalb eines derartigen Kältemittelkreislaufes ist ebenfalls die Anordnung eines Kältemittelsammlers 10 vorgesehen, der die Unterschiede an Kältemittelmenge während des Betriebes innerhalb der Wärmepumpenanlage 1 ausgleicht.
    Die Wärmeträgerpumpe 12 ermöglicht, dass der Wärmeträger innerhalb des Wärmeträgerkreislaufes in Strömungsrichtung durch den Wärmequellen-Wärmeübertrager 6, den Unterkühler 4 und den Verdampfer 5 zirkuliert. Dabei nimmt der Wärmeträger im Wärmequellen-Wärmeübertrager 6 Wärme aus der Umgebung auf. Die Austrittstemperatur des Wärmeträgers ist dabei von der jeweiligen Wärmequelle abhängig. Bei der Verwendung von Erdreich oder Grundwasser als Wärmequelle wird die Wärme bei Temperaturen zwischen 2 °C bis 10 °C übertragen. Wird die Wärme der Umgebungsluft entzogen, geschieht das bei Temperaturen zwischen -20 °C und +20 °C je nach Tages- und Jahreszeit. Die Temperaturen der Wärmeübertragung sind auch bei der Aufnahme solarer Wärme von der Tages- und Jahreszeit abhängig.
    Da der Wärmeträger im Unterkühler 4 zusätzliche Wärme aufnimmt und dabei seine Temperatur weiter erhöht wird, lässt sich beim anschließenden Durchströmen des Verdampfers 5 und der darin stattfindenden Wärmeübertragung die Verdampfungstemperatur des Kältemittels erhöhen. Eine höhere Verdampfungstemperatur im Kältemittelkreislauf führt bei sonst gleichbleibenden Bedingungen bekanntlich zu einer größeren Leistungszahl, da sich die am Verdichter 8 zuzuführende Leistung verringert. Die Wärmeaufnahme des Wärmeträgers im Unterkühler 4 führt andererseits zur Unterkühlung des Kältemittels und damit zur Erhöhung der spezifischen Kälteleistung nach der Entspannung. Bei sonst gleichbleibenden Bedingungen, insbesondere der im Verdampfer 5 aufzunehmenden Wärme, wird der notwendige Massestrom des Kältemittels und damit auch die am Verdichter 8 zuzuführende Leistung verringert. Die energetische Effizienz der Wärmepumpenanlage 1 wird vergrößert.
  • In Fig. 2 ist das Fließbild der Wärmepumpenanlage 1 mit direkter Wärmezufuhr dargestellt. Im Vergleich zu Figur 1 entfällt dabei der zusätzliche Wärmeträgerkreislauf zwischen der Wärmeträgerquelle und dem Kältemittelkreislauf. Dadurch entfällt im Wesentlichen der Wärmequellen-Wärmeübertrager 6 und damit die energetisch nachteilige Temperaturdifferenz am Wärmequellen-Wärmeübertrager 6, die sich nachteilig auf die Energieeffizienz der Wärmepumpenanlage 1 auswirkt.
    Der Unterkühler 4 und der Verdampfer 5 des Kältemittelkreislaufes sind in einem Bauteil, dem Unterkühler-Verdampfer 17 integriert. Dabei kann zum Beispiel vorteilhaft auch Platz beim Aufstellen der Wärmepumpenanlage eingespart werden.
    Das Medium der Wärmequelle, wie Luft, wird im ersten Teil, dem eigentlichen Unterkühler 4 gemäß Fig. 1, erwärmt, wobei das Kondensat des Kältemittels unterkühlt wird. Die Wärme des nunmehr erwärmten Mediums der Wärmequelle wird im zweiten Teil des Unterkühler-Verdampfers 17, dem eigentlichen Verdampfer 5 der Wärmepumpenanlage 1, an das Kältemittel übertragen.
    Dieses sogenannte Direktsystem ist jedoch nicht für alle Anwendungsfälle, insbesondere alle Wärmequellen, geeignet.
  • Die vorliegende Erfindung kann überall da eingesetzt werden, wo Wärmepumpenanlagen zur Heizung benötigt werden. Dabei kann jedes herkömmliche, auch brennbare, Kältemittel genutzt werden.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere bei
    • der drastischen Reduktion des Heizenergiebedarfs sowie des Gesamtenergiebedarfs,
    • der Substitution aller Einzelsysteme wie Heizungsanlage, Klimaanlage und Kälteanlage durch ein Integralsystem mit den damit verbundenen Platz- und Kosteneinsparungen,
    • der parallelen Beheizbarkeit und Klimatisierbarkeit von Teilflächen eines Gebäudes,
    • der platzsparenden Außenaufstellung der Anlage als Kompakteinheit.
    LISTE DER BEZUGSZEICHEN
    • 1
    Wärmepumpenanlage
    2
    Enthitzer-Verflüssiger
    3
    Verflüssiger / Kondensator
    4
    Unterkühler
    5
    Verdampfer
    6
    Wärmequellen-Wärmeübertrager
    7
    Magnetventil
    8
    Verdichter / Verdichtereinheit
    9
    Expansionsorgan/Expansionsventil
    10
    Sammler
    11
    Wasserspeicher
    12
    Wärmeträgerpumpe
    13
    Wasserpumpe
    14
    Druckleitung
    15
    Flüssigkeitsleitung
    16
    Saugleitung
    17
    Unterkühler-Verdampfer

Claims (11)

  1. Wärmepumpenanlage (1) mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, aufweisend in Strömungsrichtung des Kältemittels eine Verdichtereinheit (8), einen Wärmeübertrager als Enthitzer-Verflüssiger (2), einen Kondensator (3), einen Wärmeübertrager als Unterkühler (4), einen Sammler (10), ein Expansionsorgan (9) und einen Verdampfer (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Unterkühler (4) und der Verdampfer (5) in Strömungsrichtung eines äußeren Fluids nacheinander angeordnet sind.
  2. Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterkühler (4) und der Verdampfer (5) innerhalb eines Gehäuses integriert sind und ein integrierter Unterkühler-Verdampfer (17) ausgebildet ist.
  3. Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträgerkreislauf vorgesehen ist, der den Unterkühler (4), den Verdampfer (5) und einen Wärmequellen-Wärmeübertrager (6) aufweist.
  4. Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterkühler (4) und der Verdampfer (5) derart ausgebildet sind, dass ein Wärmequellenmedium als Fluid direkt durch den Unterkühler (4) und den Verdampfer (5) strömt.
  5. Wärmepumpenanlage (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) aus einem Verbund mehrerer Wärmeübertrager besteht, die parallel zueinander geschaltet sind.
  6. Wärmepumpenanlage (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterkühler (4) aus einem Verbund mehrerer Wärmeübertrager besteht, die parallel zueinander geschaltet sind.
  7. Wärmepumpenanlage (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Unterkühler-Verdampfer (17) aus einem Verbund mehrerer Wärmeübertrager besteht, die parallel zueinander geschaltet sind.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterkühler (4) und der Verdampfer (5) nacheinander von einem äußeren Fluid durchströmt werden, wobei
    - das Fluid im Unterkühler (4) Wärme aufnimmt und erwärmt wird sowie anschließend
    - im Verdampfer (5) Wärme abgibt und abgekühlt wird.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmeträgerkreislauf ein Wärmeträger zirkuliert, wobei
    - der Wärmeträger in Strömungsrichtung den Unterkühler (4), den Verdampfer (5) und den Wärmequellen-Wärmeübertrager (6) durchströmt und
    - der Wärmeträger in dem Wärmequellen-Wärmeübertrager (6) Wärme aus einer Wärmequelle aufnimmt.
  10. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmequellenmedium als Fluid direkt durch den Unterkühler (4) und den Verdampfer (5) strömt.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe der Wärmepumpenanlage in einem Temperaturbereich zwischen 50°C und 80°C erfolgt.
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