EP2932168B1 - Wärmepumpenanordnung und verfahren zum betrieb einer wärmepumpenanordnung - Google Patents

Wärmepumpenanordnung und verfahren zum betrieb einer wärmepumpenanordnung Download PDF

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EP2932168B1
EP2932168B1 EP13811396.4A EP13811396A EP2932168B1 EP 2932168 B1 EP2932168 B1 EP 2932168B1 EP 13811396 A EP13811396 A EP 13811396A EP 2932168 B1 EP2932168 B1 EP 2932168B1
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EP
European Patent Office
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heat
heat exchanger
heating
compressor
coolant
Prior art date
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EP13811396.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2932168A1 (de
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Inga Troestler
Torsten Schmitz
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • 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
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/003—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system
    • 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
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/021—Indoor unit or outdoor unit with auxiliary heat exchanger not forming part of the indoor or outdoor unit
    • 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
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/027—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means
    • F25B2313/02741—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means using one four-way valve
    • 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
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the invention relates to a heat pump arrangement according to the preamble of patent claim 1 and to a method for operating such a heat pump arrangement according to claim 5.
  • the heat pump assembly comprises a refrigerant circuit and a heating circuit, which are connected to each other via a heat exchanger in heat transferring manner.
  • a refrigerant circuit at least an outdoor heat exchanger and a compressor are arranged.
  • the heating circuit which has a pumping a heat transfer medium pump, at least one heat consumer, such as a radiator, and / or a hot water storage heater is provided.
  • thermal energy is taken up from a low-temperature reservoir, for example the environment, in the cooling circuit, using technical work, and transmitted to the heating circuit together with drive energy.
  • heat can also be taken up from the heating circuit via the heat exchanger and released via the outdoor heat exchanger. In this mode of operation, therefore, there is a cooling of the heating circuit.
  • the cooling function of the heat pump is usually not used. Rather, the heat pump assembly only serves to provide heat efficiently and to pass to the heating circuit, then the corresponding heat sink, such as a hot water storage heater or a heat consumer such as a surface heating, is supplied. There is a release of heat, for example, in a room that is heated by it.
  • Fan convectors are required which dissipate the heat via forced convection. Fan convectors have the advantage that they dehumidify the air, which is not the case with heat exchanger surfaces, such as a floor or wall heating.
  • the heat output in the heating case is usually via radiators or wall heaters, the area is not sufficient for the cooling case. Accordingly, additional fan convectors or large heat exchanger surfaces would have to be retrofitted for retrofitting a cooling function of the heat pump, which is generally not economically feasible.
  • a heat pump When replacing an existing heat generator by a heat pump, therefore, only a part of the functionality, namely only the heat generation and not the cooling, can be used.
  • a heat pump arrangement with a refrigerant circuit and a heating circuit with a heat transfer medium conveying pump, which are connected via a heat exchanger transmitting heat, wherein in the refrigerant circuit at least one outdoor heat exchanger and a compressor are arranged and the heating circuit has at least one heat consumer and / or a hot water tank, is inventively provided that at least one direct evaporator in the refrigerant circuit is arranged parallel to the heat exchanger and the outdoor heat exchanger.
  • the direct evaporator can also be realized later with relatively little effort a cooling function.
  • the direct evaporator is simply installed in the room to be cooled and connected to the refrigeration cycle.
  • the direct evaporator is arranged parallel to the heat exchanger and the outdoor heat exchanger, the heat absorbed by the direct evaporator can be transferred depending on the mode of operation on the heat exchanger to the heating circuit or via the outdoor heat exchanger be dissipated to the environment. This makes it possible to continue to use the dissipated heat in the cooling case.
  • a first expansion valve and / or the direct evaporator a second expansion valve is connected upstream of the outdoor heat exchanger.
  • the heat exchanger downstream of a third expansion valve the functionality extends further.
  • the expansion valves can be used as a switching valve to prevent the flow through the direct evaporator, the outdoor heat exchanger and / or the heat exchanger with refrigerant can.
  • a four-way switching valve is arranged, to which the outdoor heat exchanger, the compressor, the heat exchanger and the direct evaporator are connected. This results in a very simple interconnection and control, wherein the respective mode of operation is predetermined by the four-way switching valve by the corresponding elements are connected together.
  • the four-way switching valve is configured such that the refrigerant is conducted in a heating mode with or without hot water through the four-way switching valve from the outdoor heat exchanger to the compressor and from the compressor to the heat exchanger, where it in a cooling mode without hot water by the four-way switching valve.
  • Directional changeover valve is led from the compressor to the outdoor heat exchanger and passes from the outdoor heat exchanger via the direct evaporator to the compressor.
  • the coolant is passed through the four-way switching valve from the compressor to the heat exchanger, the refrigerant passes from the heat exchanger via the direct evaporator and the outdoor heat exchanger to the compressor.
  • the four-way diverter valve thus provides the required functionality. Additional valves are not required.
  • a three-way switching valve is arranged in the heating circuit, via which the heat consumer and the hot water storage heater are connected to the heat exchanger, wherein the three-way switching valve is designed in particular as a three-way switching valve or as a three-way mixing valve.
  • About the three-way switching valve can then be relatively easily controlled, for example, in the heat exchanger to be used in the hot water storage heater transferred to the heating circuit or delivered to the heat consumer. In a reversing valve only one of the two modes is possible.
  • the three-way switching valve as a mixing valve can be transmitted from the heat transfer medium heat at the same time to the hot water storage heater and to the heat consumer.
  • a direct evaporator is installed in a room to be conditioned, wherein the direct evaporator is integrated in the refrigerant circuit parallel to the heat exchanger and the outdoor heat exchanger.
  • This is a relatively easy way to provide a cooling function later. Not only a cooling of the room air can take place via the direct evaporator, but also dehumidification if necessary. Due to the parallel installation of the direct evaporator to the heat exchanger and the outdoor heat exchanger, it is possible to transfer the heat absorbed by the direct evaporator through the heat exchanger in the heating circuit and continue to use there or leave over the outdoor heat exchanger to the environment.
  • the refrigerant in a heating mode, can be passed from the compressor via a switching valve to the heat exchanger, wherein heat is transferred to a heating medium of the heating circuit in the heat exchanger and at least one heat consumer of the heating circuit delivers the heat to the room to be conditioned.
  • heat is transferred via the heat exchanger via the refrigerant circuit to the heating circuit where it is used to heat the room.
  • heat can be taken up by the direct evaporator from the space to be conditioned and transferred to the refrigerant, wherein the heat is released from the refrigerant via the outdoor heat exchanger and / or via the heat exchanger. It is therefore possible to continue to use the heat absorbed in the case of cooling. This results in an energetically very efficient mode of operation.
  • additional heat is transferred to the refrigerant via the external heat exchanger, which heat is transferred to the heating medium in the heat exchanger. This is particularly helpful when in the heating circuit, for example by the hot water storage heater, more heat is required than they over the Direct evaporator is introduced into the heat pump assembly. Even so, a very efficient warming can be achieved.
  • heat absorbed by the direct evaporator is used to heat at least one further heating device, in particular a hot water storage tank.
  • this additional heating device can be used for heating a pool or the like, ie a device which is to be supplied with additional heat even in the case of cooling or at warm outside temperatures.
  • a heat pump assembly 1 which has a refrigerant circuit 2 and a heating circuit 3.
  • the refrigerant circuit 2 which is the actual heat pump
  • an outdoor heat exchanger 4 a compressor 5, a four-way switching valve 6 and a heat exchanger 7 is arranged.
  • the outdoor heat exchanger 4 is preceded by a first expansion valve 8.
  • the heat exchanger 7, a corresponding expansion valve 9 is connected downstream.
  • Another expansion valve 10 prevents in the heating mode, the penetration of refrigerant in a parallel to the heat exchanger 7 and the outdoor heat exchanger 4 extending strand of the refrigerant circuit 2, in which a in Fig. 1 and 2 Not shown direct evaporator is arranged.
  • the heating circuit 3 which is heat-transferring connected by the heat exchanger 7 with the refrigerant circuit 2, there is a pumping a heat transfer medium pump 11 and a heat consumer 12, which is formed in this case as a wall heater.
  • a three-way switching valve 13 a in Fig. 1 not shown, because functionless, hot water storage heaters are integrated into the heating circuit 3.
  • the refrigerant which expands in the expansion valve 8 in front of the outdoor heat exchanger 8, receives heat from the environment via the outdoor heat exchanger 4, whereby the refrigerant evaporates. Subsequently, the refrigerant is compressed by means of the compressor 5 and thus the temperature level further raised. Finally, the heat is transferred from the refrigerant via the heat exchanger 7 to the heat transfer medium of the heating circuit 3 and distributed there.
  • the heat exchanger 7 may be formed as a plate heat exchanger and is preferably operated in countercurrent. The temperature level of the refrigerant is lowered by expanding by means of the expansion valve 8 so that it can absorb new heat from the environment via the outdoor heat exchanger 4.
  • the heat transfer medium is circulated in the heating circuit 3 via the pump 11, which may be positioned at different points of the heating circuit 3. This results in a heat transfer to the respective heat sinks.
  • Fig. 2 an operating case is shown in which the heat transferred to the heating circuit 3 heat is not absorbed by the heat consumption 12, but via a hot water storage heater 14 and transferred there to the stored water. So there is a drinking water or service water heating, wherein the recirculated from the pump 11 heat transfer medium, for example water, via the three-way valve 13 instead of the heat consumer 12 to the hot water storage heater 14 is performed.
  • the structure of the heat pump assembly 1 corresponds to the Fig. 1 shown construction. If a simultaneous heating and hot water operation is desired, while the three-way valve 13 is to be formed as a mixing valve.
  • Fig. 3 the heat pump assembly 1 is shown in a pure cooling mode.
  • the refrigerant in the refrigerant circuit passes after expansion in the expansion valve 10 to a direct evaporator 15, which is integrated in parallel to the heat exchanger 7 and the outdoor heat exchanger 4 in the refrigerant circuit and absorbs heat from the room and transmits to the refrigerant.
  • a flow of the refrigerant to the heat exchanger 7 is prevented by closing the expansion valve 9. So there is no Heat transfer to the heating circuit 3.
  • the four-way switching valve 6 is switched so that the refrigerant is fed to the compressor 5 and then to the outdoor heat exchanger 4 after the direct evaporator 15. After there heat dissipation and further lowering the temperature by means of the expansion valve 10, the refrigerant then returns to the direct evaporator 15 with a low temperature level and can again absorb heat from the room.
  • Fig. 4 the heat pump assembly 1 is shown in the cooling mode with additional supply of the hot water storage heater 14 with heat.
  • the recorded heat in the direct evaporator 15 from the room air is not as in the example according to Fig. 3 transferred to the outdoor heat exchanger 4, but promoted to the heat exchanger 7 and from there via the heating circuit 3 to the hot water storage heater 14. This makes it possible to continue to use the heat absorbed during cooling.
  • the corresponding guidance of the refrigerant is achieved by the corresponding position of the four-way valve 6. By such a procedure, the efficiency of the heat pump assembly increases by about 30%.
  • Heat can be supplied via a water-based heat distribution system in the heating case by the heat pump arrangement according to the invention, wherein in the cooling case, the heat is removed from the room to the direct evaporator 15.
  • the heat absorbed in the cooling mode can be used. In this case, cooling with simultaneous heat supply of the heating circuit 3 by utilizing the heat absorbed from the space to be cooled is possible.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmepumpenanordnung gemäß Patentanspruch 5.
  • Die Wärmepumpenanordnung umfasst einen Kältemittelkreislauf und einen Heizkreislauf, die über einen Wärmeübertrager in Wärme übertragender Weise miteinander verbunden sind. Im Kältemittelkreislauf sind zumindest ein Außenwärmetauscher und ein Verdichter angeordnet. Im Heizkreislauf, der eine ein Wärmeträgermedium fördernde Pumpe aufweist, ist zumindest ein Wärmeverbraucher, wie beispielsweise ein Heizkörper, und/oder ein Warmwasserspeichererwärmer vorgesehen.
  • Mit einer derartigen Wärmepumpenanordnung wird im Kühlkreislauf unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur, beispielsweise der Umgebung, aufgenommen und zusammen mit einer Antriebsenergie auf den Heizkreislauf übertragen. Durch eine Umkehrung der Strömungsrichtung des Kältemittels kann über den Wärmeübertrager auch Wärme aus dem Heizkreislauf aufgenommen und über den Außenwärmetauscher abgegeben werden. Bei dieser Betriebsweise erfolgt also eine Kühlung des Heizkreislaufes.
  • Bei meisten bekannten Anlagen wird die Kühlfunktion der Wärmepumpe in der Regel nicht genutzt. Vielmehr dient die Wärmepumpenanordnung nur dazu, auf effiziente Weise Wärme bereitzustellen und an den Heizkreislauf zu übergeben, über den dann die entsprechende Wärmesenke, wie beispielsweise ein Warmwasserspeichererwärmer oder einen Wärmeverbraucher wie eine Flächenheizung, versorgt wird. Dort erfolgt eine Abgabe der Wärme beispielsweise in einen Raum, der dadurch erwärmt wird.
  • Zur Steigerung des Komforts ist häufig auch eine Raumkühlung gewünscht. Dabei ist für eine effiziente Wärmeabfuhr aus den Räumen Voraussetzung, dass große Wärmeübertragerflächen zur Verfügung stehen. Alternativ sind Gebläsekonvektoren erforderlich, die die Wärme über erzwungene Konvektion abführen. Gebläsekonvektoren haben dabei den Vorteil, dass sie dabei die Luft entfeuchten, was bei Wärmeübertragerflächen, wie beispielsweise einer Fußboden- oder Wandheizung, nicht der Fall ist.
  • Bei bestehenden Installationen erfolgt die Wärmeabgabe im Heizfall in der Regel über Radiatoren beziehungsweise Wandheizkörper, deren Fläche für den Kühlfall nicht ausreichend ist. Dementsprechend müssten für die Nachrüstung einer Kühlfunktion der Wärmepumpe zusätzliche Gebläsekonvektoren oder große Wärmeübertragerflächen nachgerüstet werden, was in der Regel wirtschaftlich nicht realisierbar ist. Bei einem Ersatz eines bestehenden Wärmeerzeugers durch eine Wärmepumpe kann daher nur ein Teil der Funktionalität, nämlich nur die Wärmeerzeugung und nicht die Kälteerzeugung, genutzt werden.
  • Ein weiterer Nachteil bestehender Lösungen besteht häufig darin, dass im Kühlfall die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgegeben wird und nicht für eine weitere Nutzung zur Verfügung steht.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik (wie in US4646537 , US4299098 und DE3431452 ) zu vermeiden und insbesondere mit geringem Aufwand die volle Funktionalität einer nachgerüsteten Wärmepumpe bereitzustellen, wobei die Nutzung der im Kühlfall aufgenommenen Wärme möglich sein soll.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmepumpenanordnung gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Bei einer Wärmepumpenanordnung mit einem Kältemittelkreislauf und einem Heizkreislauf mit einer ein Wärmeträgermedium fördernden Pumpe, die über einen Wärmeübertrager Wärme übertragend miteinander verbunden sind, wobei im Kältemittelkreislauf zumindest ein Außenwärmetauscher und ein Verdichter angeordnet sind und der Heizkreislauf zumindest einen Wärmeverbraucher und/oder einen Warmwasserspeicher aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein Direktverdampfer im Kältemittelkreislauf parallel zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher angeordnet ist.
  • Über den Direktverdampfer kann auch nachträglich mit relativ geringem Aufwand eine Kühlfunktion realisiert werden. Der Direktverdampfer wird dabei einfach in dem zu kühlenden Raum installiert und an den Kältekreislauf angeschlossen. Indem der Direktverdampfer parallel zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher angeordnet ist, kann die vom Direktverdampfer aufgenommene Wärme je nach Betriebsweise über den Wärmeübertrager an den Heizkreislauf übergeben werden oder über den Außenwärmetauscher an die Umgebung abgeführt werden. Damit ist es möglich, die im Kühlfall abzuführende Wärme weiter zu nutzen.
  • Vorzugsweise ist dem Außenwärmetauscher ein erstes Expansionsventil und/oder dem Direktverdampfer ein zweites Expansionsventil vorgeschaltet. Dadurch ist es relativ einfach möglich, die Kältemittelströme entsprechend zu steuern. Indem dem Wärmeübertrager ein drittes Expansionsventil nachgeschaltet ist, erweitert sich die Funktionalität weiter. Durch Expandieren des Kältemittels über das Expansionsventil kann das Temperaturniveau des Kältemittels abgesenkt werden, so dass es anschließend vermehrt Wärme aufnehmen kann. Gleichzeitig können die Expansionsventile als Schaltventil genutzt werden, um die Durchströmung des Direktverdampfer, des Außenwärmetauschers und/oder des Wärmeübertragers mit Kältemittel unterbinden zu können.
  • Im Kältemittelkreislauf ist ein Vier-Wege-Umschaltventil angeordnet, an dem der Außenwärmetauscher, der Verdichter, der Wärmeübertrager und der Direktverdampfer angeschlossen sind. Dies ergibt eine sehr einfache Verschaltung und Steuerung, wobei durch das Vier-Wege-Umschaltventil die jeweilige Betriebsweise vorgegeben wird, indem die entsprechenden Elemente miteinander verbunden werden.
  • Das Vier-Wege-Umschaltventil ist derartig ausgebildet, dass das Kältemittel in einem Heizmodus mit oder ohne Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil vom Außenwärmetauscher zum Verdichter und vom Verdichter zum Wärmeübertrager geführt wird, wobei es in einem Kühlmodus ohne Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil vom Verdichter zum Außenwärmetauscher geführt wird und vom Außenwärmetauscher über den Direktverdampfer zum Verdichter gelangt. Im Kühlmodus mit einer Warmwasserbereitung wird das Kühlmittel durch das Vier-Wege-Umschaltventil vom Verdichter zum Wärmeübertrager geführt, wobei das Kältemittel vom Wärmeübertrager über den Direktverdampfer und den Außenwärmetauscher zum Verdichter gelangt. Das Vier-Wege-Umschaltventil stellt also die erforderliche Funktionalität bereit. Zusätzliche Ventile sind nicht erforderlich.
  • Bevorzugterweise ist ein Drei-Wege-Schaltventil im Heizkreislauf angeordnet, über das der Wärmeverbraucher und der Warmwasserspeichererwärmer am Wärmeübertrager angeschlossen sind, wobei das Drei-Wege-Schaltventil insbesondere als Drei-Wege-Umschaltventil oder als Drei-Wege-Mischventil ausgebildet ist. Über das Drei-Wege-Schaltventil kann dann relativ einfach gesteuert werden, ob beispielsweise im Wärmeübertrager auf den Heizkreislauf übertragene Wärme im Warmwasserspeichererwärmer genutzt oder an den Wärmeverbraucher abgegeben werden soll. Bei einem Umschaltventil ist dabei nur eine der beiden Betriebsweisen möglich. Bei einer Ausgestaltung des Drei-Wege-Schaltventils als Mischventil kann dabei gleichzeitig an den Warmwasserspeichererwärmer und an den Wärmeverbraucher vom Wärmeträgermedium Wärme übertragen werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist vorgesehen, dass ein Direktverdampfer in einen zu klimatisierenden Raum installiert wird, wobei der Direktverdampfer parallel zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher in den Kältemittelkreislauf eingebunden wird. Dies stellt eine relativ einfache Möglichkeit dar, eine Kühlfunktion nachträglich bereitzustellen. Über den Direktverdampfer kann dabei nicht nur eine Kühlung der Raumluft erfolgen, sondern gegebenenfalls auch eine Entfeuchtung. Durch die parallele Installation des Direktverdampfers zum Wärmeübertrager und zum Außenwärmetauscher ist es dabei möglich, die vom Direktverdampfer aufgenommene Wärme über den Wärmeübertrager in den Heizkreislauf zu übertragen und dort weiter zu nutzen oder aber über den Außenwärmetauscher an die Umgebung abzugeben.
  • Dabei kann in einem Heizmodus das Kältemittel vom Verdichter über ein Umschaltventil zum Wärmeübertrager geleitet werden, wobei im Wärmeübertrager Wärme auf ein Heizmedium des Heizkreislaufs übertragen wird und mindestens ein Wärmeverbraucher des Heizkreislaufs die Wärme an den zu klimatisierenden Raum abgibt. Über den Kältemittelkreislauf wird bei dieser Betriebsart Wärme über den Wärmeübertrager an den Heizkreislauf übergeben und dort zur Erwärmung des Raumes genutzt. Durch entsprechende Stellung des Umschaltventils wird dabei dafür gesorgt, dass der Direktverdampfer nicht vom Kältemittel durchströmt wird.
  • In einem Kühlmodus kann vom Direktverdampfer Wärme aus dem zu klimatisierenden Raum aufgenommen und an das Kältemittel übertragen werden, wobei die Wärme über den Außenwärmetauscher und/oder über den Wärmeübertrager vom Kältemittel abgegeben wird. Es besteht also die Möglichkeit, im Kühlfall die aufgenommene Wärme weiter zu verwenden. Dies ergibt eine energetisch sehr effiziente Betriebsweise.
  • In einer weiteren erfindungsgemässen Ausgestaltung wird über den Außenwärmetauscher zusätzliche Wärme auf das Kältemittel übertragen, die im Wärmeübertrager an das Heizmedium abgegeben wird. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn im Heizkreislauf, beispielsweise durch den Warmwasserspeichererwärmer, mehr Wärme gefordert ist, als sie über den Direktverdampfer in die Wärmepumpenanordnung eingebracht wird. Auch damit ist eine sehr effiziente Erwärmung erreichbar.
  • Es kann vorgesehen werden, dass im Kühlmodus durch den Direktverdampfer aufgenommene Wärme zur Beheizung mindestens einer weiteren Heizeinrichtung, insbesondere eines Warmwasserspeichers verwendet wird. Beispielsweise kann diese zusätzliche Heizeinrichtung zur Erwärmung eines Pools oder Ähnlichem dienen, also eine Einrichtung, der auch im Kühlfall beziehungsweise bei warmen Außentemperaturen noch zusätzliche Wärme zugeführt werden soll.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Hierin zeigen in schematischer Ansicht:
    • Fig. 1
    ein Schaltbild einer Wärmepumpenanordnung im Heizbetrieb,
    Fig. 2
    die Wärmeanordnung bei Betrieb eines Warmwasserspeichererwärmers,
    Fig. 3
    die Wärmepumpenanordnung im Kühlbetrieb,
    Fig. 4
    die Wärmepumpenanordnung im Kühlbetrieb bei gleichzeitiger Wärmeversorgung des Warmwasserspeichererwärmers und
    Fig. 5
    die Wärmepumpenanordnung im Kühlbetrieb bei Betrieb des Warmwasserspeichererwärmers und zusätzlicher Wärmezufuhr.
  • In Fig. 1 ist eine Wärmepumpenanordnung 1 dargestellt, die einen Kältemittelkreislauf 2 und einen Heizkreislauf 3 aufweist. Im Kältemittelkreislauf 2, der die eigentliche Wärmepumpe darstellt, ist ein Außenwärmetauscher 4, ein Verdichter 5, ein Vier-Wege-Umschaltventil 6 und ein Wärmeübertrager 7 angeordnet. Dem Außenwärmetauscher 4 ist ein erstes Expansionsventil 8 vorgeschaltet. Dem Wärmeübertrager 7 ist ein entsprechendes Expansionsventil 9 nachgeschaltet. Ein weiteres Expansionsventil 10 verhindert im Heizmodus das Eindringen von Kältemittel in einen parallel zum Wärmeübertrager 7 und dem Außenwärmetauscher 4 verlaufenden Strang des Kältemittelkreislaufs 2, in dem ein in Fig. 1 und 2 nicht dargestellter Direktverdampfer angeordnet ist.
  • Im Heizkreislauf 3, der durch den Wärmeübertrager 7 wärmeübertragend mit dem Kältemittelkreislauf 2 verbunden ist, befindet sich eine ein Wärmeträgermedium fördernde Pumpe 11 sowie ein Wärmeverbraucher 12, der in diesem Fall als Wandheizkörper ausgebildet ist. Über ein Drei-Wege-Schaltventil 13 kann ein in Fig. 1 nicht dargestellter, weil funktionsloser, Warmwasserspeichererwärmer in den Heizkreislauf 3 eingebunden werden.
  • Durch Pfeile ist im Kältemittelkreislauf 2 die Bewegungsrichtung des Kältemittels dargestellt. Das Kältemittel, das im Expansionsventil 8 vor dem Außenwärmetauscher 8 expandiert, nimmt über den Außenwärmetauscher 4 Wärme aus der Umgebung auf, wobei das Kältemittel verdampft. Anschließend wird das Kältemittels mittels des Verdichters 5 verdichtet und damit dessen Temperaturniveau weiter angehoben. Schließlich wird die Wärme vom Kältemittel über den Wärmeübertrager 7 an das Wärmeträgermedium des Heizkreislaufs 3 übertragen und dort verteilt. Der Wärmeübertrager 7 kann dabei als Platten-Wärmetauscher ausgebildet sein und wird vorzugsweise im Gegenstrom betrieben. Das Temperaturniveau des Kältemittels wird durch Expandieren mit Hilfe des Expansionsventils 8 abgesenkt, so dass es neue Wärme über den Außenwärmetauscher 4 aus der Umgebung aufnehmen kann.
  • Das Wärmeträgermedium wird im Heizkreislauf 3 über die Pumpe 11 umgewälzt, die an unterschiedlichen Stellen des Heizkreislaufes 3 positioniert sein kann. Dadurch erfolgt ein Wärmetransport zu den jeweiligen Wärmesenken.
  • In Fig. 2 ist ein Betriebsfall dargestellt, bei dem die auf den Heizkreislauf 3 übertragene Wärme nicht über den Wärmeverbrauch 12, sondern über einen Warmwasserspeichererwärmer 14 aufgenommen und dort auf das gespeicherte Wasser übertragen wird. Es erfolgt also eine Trinkwasser- oder Brauchwassererwärmung, wobei das von der Pumpe 11 umgewälzte Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, über das Drei-Wege-Ventil 13 anstatt zum Wärmeverbraucher 12 zum Warmwasserspeichererwärmer 14 geführt wird. Im Übrigen entspricht der Aufbau der Wärmepumpenanordnung 1 den im Fig. 1 gezeigten Aufbau. Falls ein gleichzeitigen Heiz- und Warmwasserbetrieb gewünscht wird, ist dabei das Drei-Wege-Ventil 13 als Mischventil auszubilden.
  • In Fig. 3 ist die Wärmepumpenanordnung 1 in einem reinen Kühlmodus gezeigt. Das Kältemittel im Kältemittelkreislauf gelangt nach einer Expansion im Expansionsventil 10 zu einem Direktverdampfer 15, der parallel zum Wärmeübertrager 7 und dem Außenwärmetauscher 4 in den Kältemittelkreislauf eingebunden ist und Wärme aus dem Raum aufnimmt und an das Kältemittel überträgt. Ein Strömen des Kältemittel zum Wärmeübertrager 7 wird dabei durch Verschließen des Expansionsventils 9 verhindert. Es erfolgt also keine Wärmeübertragung an den Heizkreislauf 3. Anstelle eines einzigen Direktverdampfers 15 können dabei auch mehrere Direktverdampfer 15 parallel geschaltet werden.
  • In dem gezeigten Kühlfall ist das Vier-Wege-Umschaltventil 6 so geschaltet, dass das Kältemittel nach dem Direktverdampfer 15 zum Verdichter 5 und anschließend zum Außenwärmetauscher 4 geführt wird. Nach dort erfolgender Wärmeabgabe und weiterer Temperaturabsenkung mittels des Expansionsventils 10 gelangt das Kältemittel dann mit niedrigem Temperaturniveau wieder zum Direktverdampfer 15 und kann erneut Wärme aus dem Raum aufnehmen.
  • In Fig. 4 ist die Wärmepumpenanordnung 1 im Kühlmodus mit zusätzlicher Versorgung des Warmwasserspeichererwärmers 14 mit Wärme dargestellt. Dafür wird die im Direktverdampfer 15 aufgenommene Wärme aus der Raumluft nicht wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 3 an den Außenwärmetauscher 4 übertragen, sondern an den Wärmeübertrager 7 und von dort über den Heizkreislauf 3 zum Warmwasserspeichererwärmer 14 gefördert. Dadurch ist es möglich, die während des Kühlens aufgenommene Wärme weiter zu verwenden. Die entsprechende Führung des Kältemittels wird dabei durch die entsprechende Stellung des Vier-Wege-Ventils 6 erreicht. Durch eine derartige Vorgehensweise erhöht sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpenanordnung um ca. 30 %.
  • Sollte die beim Kühlen aufgenommene Wärme nicht ausreichen, den Wärmebedarf des Warmwasserspeichererwärmers zu decken, ist es möglich, zusätzliche Wärme über den Wärmetauscher in den Kältemittelkreislauf 2 einzubringen und über den Wärmeübertrager 7 in den Heizkreislauf 3 zu übertragen. Dies ist in Fig. 5 dargestellt.
  • Durch die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung kann Wärme über ein wasserbasiertes Wärmeverteilsystem im Heizfall zugeführt werden, wobei im Kühlfall die Wärme aus dem Raum an den Direktverdampfer 15 abgeführt wird. Dadurch ist es zum einen möglich, diese Wärmepumpenanordnung in bestehende Anlagen nachzurüsten, zum anderen kann die im Kühlmodus aufgenommene Wärme genutzt werden. Dabei ist auch ein Kühlen mit gleichzeitiger Wärmeversorgung des Heizkreislaufes 3 unter Ausnutzung der aus dem zu kühlenden Raum aufgenommenen Wärme möglich.

Claims (6)

  1. Wärmepumpenanordnung mit einem Kältemittelkreislauf (2) und einem Heizkreislauf (3) mit einer ein Wärmeträgermedium fördernden Pumpe (11), die über einen Wärmeübertrager (7) wärmeübertragend miteinander verbunden sind, wobei im Kältemittelkreislauf (2) zumindest ein Außenwärmetauscher (4) und ein Verdichter (5) angeordnet ist und der Heizkreislauf (3) zumindest einen Wärmeverbraucher (12) und/oder einen Warmwasserspeichererwärmer (14) aufweist,
    wobei mindestens ein Direktverdampfer (15) im Kältemittelkreislauf (2) in Abhängigkeit vom Betriebsmodus parallel zum Wärmeübertrager (7) oder zum Außenwärmetauscher (4) angeordnet ist, wobei im Kältemittelkreislauf (2) ein Vier-Wege-Umschaltventil (6) angeordnet ist, an dem der Außenwärmetauscher (4), der Verdichter (5), der Wärmeübertrager (7) und der Direktverdampfer (15) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Vier-Wege-Umschaltventil (6) derartig ausgebildet ist, dass das Kältemittel:
    • in einem Heizmodus mit oder ohne Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil (6) vom Außenwärmetauscher (4) zum Verdichter (5) und vom Verdichter (5) zum Wärmeübertrager (7) geführt wird,
    • im Kühlmodus ohne Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil (6) vom Verdichter (5) zum Außenwärmetauscher (4) geführt wird, wobei das Kältemittel vom Außenwärmetauscher (4) über den Direktverdampfer (15) zum Verdichter (5) gelangt,
    • im Kühlmodus mit Warmwasserbereitung durch das Vier-Wege-Umschaltventil (6) vom Verdichter (5) zum Wärmeübertrager (7) geführt wird, wobei das Kältemittel vom Wärmeübertrager (7) über den Direktverdampfer (15) und den Außenwärmetauscher (4) zum Verdichter (5) gelangt.
  2. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass dem Außenwärmetauscher (4) ein erstes Expansionsventil (8) und/oder dem Direktverdampfer (15) ein zweites Expansionsventil (10) vorgeschaltet ist.
  3. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeübertrager (7) ein drittes Expansionsventil (9) nachgeschaltet ist.
  4. Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein 3-Wege-Schaltventil (13) im Heizkreislauf (3) angeordnet ist, über das der Wärmeverbraucher (12) und der Warmwasserspeichererwärmer (14) am Wärmeübertrager angeschlossen sind, wobei das 3-Wege-Schaltventil (13) insbesondere als 3-Wege-Umschaltventil oder als 3-Wege-Mischventil ausgebildet ist.
  5. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei ein Direktverdampfer (15) in einem zu klimatisierenden Raum installiert wird, wobei der Direktverdampfer (15) in Abhängigkeit vom Betriebsmodus parallel zu einem Wärmeübertrager (7) oder zu einem Außenwärmetauscher (4) in einen Kältemittelkreislauf (2) eingebunden wird,
    wobei in einem Heizmodus das Kältemittel vom Verdichter (5) über ein Umschaltventil (6) zum Wärmeübertrager (7) geleitet wird und im Wärmeübertrager (7) Wärme auf ein Heizmedium des Heizkreislaufs (3) übertragen wird, wobei über mindestens einen Wärmeverbraucher (12) des Heizkreislaufes (3) die Wärme an den zu klimatisierenden Raum abgegeben wird,
    wobei in einem Kühlmodus vom Direktverdampfer (15) Wärme aus dem zu klimatisierenden Raum aufgenommen und an das Kältemittel übertragen wird, wobei die Wärme über den Wärmeübertrager (7) vom Kältemittel abgegeben wird, und wobei über den Außenwärmetauscher (4) zusätzliche Wärme auf das Kältemittel übertragen wird, die im Wärmeübertrager (7) an das Heizmedium abgegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmodus durch den Direktverdampfer (15) aufgenommene Wärme zur Beheizung mindestens einer weiteren Heizeinrichtung, insbesondere eines Warmwasserspeichererwärmers, verwendet wird.
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