EP3491303A1 - Heat pump system having heat pump assemblies coupled on the input side and output side - Google Patents

Heat pump system having heat pump assemblies coupled on the input side and output side

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EP3491303A1
EP3491303A1 EP17746439.3A EP17746439A EP3491303A1 EP 3491303 A1 EP3491303 A1 EP 3491303A1 EP 17746439 A EP17746439 A EP 17746439A EP 3491303 A1 EP3491303 A1 EP 3491303A1
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EP
European Patent Office
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heat pump
pump assembly
heat
heat exchanger
stage
Prior art date
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EP17746439.3A
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EP3491303B1 (en
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Oliver Kniffler
Jürgen Süss
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Efficient Energy GmbH
Original Assignee
Efficient Energy GmbH
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Publication date
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    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B7/00Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
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    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
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    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/22Refrigeration systems for supermarkets

Definitions

  • FIG. 8A shows a heat pump, which initially has a water evaporator 10 for evaporating water as a refrigerant or cryogen to produce a steam in a working steam line 12 on the output side.
  • the evaporator includes an evaporation space (not shown in FIG. 8A) and is configured to produce an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C. in the evaporation space.
  • the water is preferably groundwater, in the ground free or in collector pipes circulating brine, so water with a certain salinity, river water, seawater or seawater.
  • all types of water ie calcareous water, lime-free water, saline water or salt-free water can be used.
  • R 718 water, also known as "R 718”
  • the water vapor is supplied through the suction line 12 to a compressor / condenser system 14, which is a turbomachine such.
  • B. has a radial compressor, for example in the form of a turbocompressor, which is designated in Fig. 8A with 16.
  • the turbomachine is designed to compress the working steam to a vapor pressure at least greater than 25 hPa.
  • 25 hPa corresponds to a liquefaction temperature of about 22 ° C., which may already be a sufficient heating flow temperature of a floor heating, at least on relatively warm days.
  • pressures greater than 30 hPa can be generated with the flow machine 16, wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 ° C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 ° C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C.
  • Underfloor heating systems are designed to heat sufficiently with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.
  • the turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam.
  • a condenser 18 which is designed to liquefy the compressed working steam.
  • the working fluid flows back into the condenser via the return line 20b.
  • a material entry into the condenser or the heating system takes place, which is regulated by a drain 22, such that the condenser has a water level in its condenser, which remains despite the constant supply of water vapor and thus condensate always below a maximum level.
  • the medium can also be used directly there.
  • the water coming from the evaporator can circulate directly in the underfloor heating.
  • a heat exchanger can be arranged, which is fed with the flow 20a and having the return 20b, said heat exchanger cools the water in the condenser and thus heats a separate underfloor heating fluid, which will typically be water. Due to the fact that water is used as the working medium, and due to the fact that only the evaporated portion of the groundwater is fed into the turbomachine, the purity of the water does not matter.
  • the flow machine, as well as the condenser and possibly directly coupled underfloor heating, are always supplied with distilled water in such a way that the system has a reduced maintenance compared to today's systems. In other words, the system is self-cleaning, since the system is always fed only distilled water and the water in the drain 22 is thus not polluted.
  • turbomachines have the properties that they - similar to an aircraft turbine - the compressed medium not with problematic substances, such as oil, in connection. Instead, the water vapor is compressed only by the turbine or the turbocompressor, but not associated with oil or other purity impairing medium and thus contaminated.
  • the distilled water discharged through the drain can therefore be returned to the groundwater without further ado, if no other regulations stand in the way.
  • it may also be z. B. in the garden or in an open space to be seeped, or it can be supplied via the channel, if regulations dictate - a sewage treatment plant.
  • FIG. 8B shows a table for illustrating various pressures and the evaporation temperatures associated with these pressures, with the result that, in particular for water as the working medium, fairly low pressures are to be selected in the evaporator.
  • EP 2016349 B1 further shows that a condenser flow is used to accelerate the evaporation process so that the wall of a drain pipe acts as a nucleate for nucleate boiling. Furthermore, the process itself can also be used to increase the formation of bubbles.
  • the condenser outlet is connected to a nozzle tube which has an end at one end and which has nozzle openings. The warm effluent water supplied from the condenser via the effluent at a rate of, for example, 4 ml per second is now fed to the evaporator.
  • DE 4431887 A1 discloses a heat pump system with a lightweight, large volume high performance centrifugal compressor.
  • a vapor exiting a second stage compressor has a saturation temperature which exceeds the ambient temperature or that of available cooling water, thereby allowing for heat removal.
  • the compressed vapor is transferred from the second stage compressor to the condenser unit, which consists of a packed bed provided within a cooling water sprayer at an upper surface supplied by a water circulating pump.
  • the compressed water vapor rises in the condenser through the packed bed where it passes in direct countercurrent contact with the downwardly flowing cooling water.
  • the vapor condenses and the latent heat of condensation absorbed by the cooling water is expelled to the atmosphere via the condensate and the cooling water, which are removed together from the system.
  • WO 2014072239 A1 discloses a condenser with a condensation zone for condensing vapor to be condensed in a working fluid.
  • the condensation zone is formed as a volume zone and has a lateral boundary between the upper end of the condensation zone and the lower end.
  • the condenser comprises a steam introduction zone which extends along the lateral end of the condensation zone and is designed to supply condensing vapor laterally across the lateral boundary into the condensation zone.
  • the actual condensation is made into a volume condensation, because the vapor to be liquefied is introduced not only head-on from one side into a condensation volume or into the condensation zone, but laterally and preferably from all sides. This not only ensures that the condensation volume provided is increased with the same external dimensions compared to a direct countercurrent condensation, but that at the same time the efficiency of the condenser is improved because the vapor to be liquefied in the condensation zone is a transverse flow direction has the flow direction of the condensation liquid.
  • C02 is a natural refrigerant and is sub-critical with reasonable technical effort, ie at a liquefaction of the refrigerant below the critical point in two-phase area, as well at condensation temperatures below 30 ° C and also energetically advantageous over the previously used F-gas systems with fluorinated Hydrocarbons work.
  • C02 can not be used subcritically throughout the year, as high outdoor temperatures in the summer and occurring heat transfer losses do not permit subcritical operation. In order to ensure sufficient energetic process quality in supercritical operation in such a CO 2 refrigeration system, considerable technical effort is made.
  • FIG. 9 shows a CO 2 cascade system 20.
  • C02 is used as refrigerant for the lower temperature stage 22, and for an upper temperature stage 24 refrigerants which have a high global warming potential, such as e.g. NH3, F-gases or hydrocarbons.
  • the entire scrubkühlkor the C02 process is taken here by the evaporator of the process of the upper temperature stage 24.
  • the temperature level is then increased so that the heat can be discharged through the condenser to the environment.
  • a sole operation of the C02 system is not possible with this interconnection and the refrigerant circuit of the upper temperature stage 24 is due to the component not able to realize any small temperature increases.
  • a further disadvantage of the concept described in FIG. 9 is the fact that the working media for the second heat pump stage have a high global warming potential. Another problem is the fact that the complete cooling capacity of the C02 circuit is transported by the cascade connection of the two heat pump arrangements in Fig. 9 from the NH3 cycle. As a result, it is necessary that the complete power provided by the first heat pump arrangement with CO 2 as the medium of the medium be re-used by the second heat pump arrangement with NH 3 as the working medium.
  • the liquefied CO 2 gas which is still under high pressure, will then typically recover via high-pressure lines from the recooler back into the plant room, where a relaxation takes place via a throttle, and the relaxed CO 2 working medium is recycled to the likewise under considerable pressure evaporator, where then again takes place evaporation to a C02 return from the cooling system of Refresh Supermarkets again.
  • the refrigeration technology is therefore relatively expensive, and not only with regard to the heat pump system in the technical room, but also due to the line technology through the supermarket and due to the recooler, which must be formed for very high pressures.
  • this installation is advantageous in that C02 has only a low climatic efficiency compared to other media and at the same time, at least in manageable amounts, is non-toxic to humans.
  • the object of the present invention is to provide an improved heat pump system.
  • a C02 heat pump assembly is coupled to a heat pump assembly having water as the working medium. This coupling takes place via a coupler for thermal coupling of the two heat pump systems.
  • the use of water as a working medium has several advantages. One advantage is that water does not require high pressures to operate in a heat pump cycle designed for the aforementioned temperatures. Instead, relatively low pressures take place, which, depending on the implementation, must only prevail within the heat pump arrangement running with water as the working medium, while a separate circuit can be readily used to recool a cooling system operating at other pressures and with others Working media can work as C02 or water.
  • Another advantage is that with a heat pump arrangement that uses water as a working medium, with a limited amount of energy always safe can be set that the C02 heat pump assembly operates below the critical point.
  • the temperatures required for this, below 30 ° C. or even below 25 ° C., can easily be provided by the second heat pump arrangement which operates with water.
  • ⁇ br /> ⁇ br/> Typically, for C02 heat pumps after the compressor, temperatures of perhaps 70 ° C. occur 70 ° C to eg 25 or 22 ° C is a temperature range that can be accomplished very efficiently with a heat pump that works with water as a working medium.
  • the coupling of the second heat pump arrangement to the first heat pump arrangement takes place through the coupler for thermally coupling the two heat pump arrangements.
  • the coupler comprises a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • the first heat exchanger is connected to the inlet section of the second heat pump arrangement, and the second heat exchanger is connected to the outlet section of the second heat pump arrangement.
  • this dual coupling results in significantly more efficient heat transfer from the first heat pump assembly to an environment, such heat transfer, for example is accomplished via another circuit with recooler. It is already achieved a temperature level reduction of the compressed working steam of the first heat pump assembly in the output side circuit of the second heat pump assembly. This initially cooled medium is then fed into the input-side circuit of the second heat pump arrangement, where it is finally cooled to the target temperature. This two-stage coupling leads, so to speak, to a self-regulation.
  • the thermal coupler initially comprises the first heat exchanger, which is connected to the output circuit of the second heat pump assembly, a cooling of the compressed working medium of the first heat pump assembly takes place by a certain amount, for the second heat pump assembly still substantially no energy is expended got to. Only for the rest of the heat energy, which is not yet removed by the first heat exchanger, the second heat pump assembly must expend energy to bring about the input side heat exchanger of the second heat pump assembly then the working fluid of the first heat pump assembly to the target temperature.
  • the heat exchanger connected to the output section of the second heat pump assembly is additionally coupled to a recool, preferably via a third working medium circuit.
  • a favorable working pressure can be selected for the recooler circuit, namely, for.
  • z. B. have a water / glycol mixture, so as not to freeze in winter.
  • all health or constructively critical processes take place within the technical room of a supermarket, for example, without having to lay high-pressure pipes in the supermarket itself.
  • all potentially hazardous substances are included only in the engine room when used for the first heat pump assembly and the second heat pump assembly or for one of the two heat pump assemblies problematic substances. These do not get out of the technical room out in a fluid circuit, the z. B. runs through the supermarket to the recooler and runs back from there.
  • a heat pump assembly with a turbocompressor is used for the second heat pump assembly, which is operated for example with a radial wheel.
  • a cooling capacity of the second heat pump arrangement can be set, which automatically adapts precisely to the actual needs.
  • a conventional reciprocating compressor such as. B.
  • a heat pump assembly which is virtually infinitely adjustable, such as a heat pump assembly with turbocompressor, which preferably has a radial wheel, an optimal and particularly efficient adaptation to the actually required refrigeration demand.
  • the second heat pump assembly will not need to generate refrigeration power in one embodiment, and hence none Consume electrical power. If, on the other hand, the outside temperatures in which the rear cooler is arranged are in an intermediate range, then an automatic displacement of the heat output required as a percentage of the second becomes due to the coupling Heat exchanger on the first heat exchanger, so take place on the input side of the second heat pump assembly.
  • the second heat pump arrangement which can be operated as a multistage heat pump arrangement with or without free cooling mode, optimal adaptation always takes place, to the effect that the second heat pump arrangement always consumes only as much energy as is actually necessary is to support the first heat pump assembly and, for the example of C02, to drive in the subcritical range.
  • the shading on the input side and output side is not only useful for the combination of CO 2 as the working medium on the one hand and water as the working medium on the other hand, but also for any other applications in which other working media are used which can become supercritical in the required temperature ranges .
  • the special coupling of a self-adapting second heat pump assembly with a first heat pump assembly is particularly advantageous when the first heat pump assembly is designed and constructed so that it is not or only roughly controllable, that works best and most efficient when they always generates the same amount of heat output.
  • this heat pump arrangement should actually produce variable heat output
  • an optimal coupling with the second heat pump arrangement takes place on the input side and on the output side, so that the second heat pump arrangement, which is finer than the first heat pump arrangement controllable and preferably infinitely variable or is controllable, always only has to spend the load that is actually necessary.
  • the base load, or only roughly adjustable load, is thus provided by the first heat pump assembly, and the additional variable portion is variably controlled by the second heat pump assembly, regardless of whether the first heat pump assembly or the second heat pump assembly is CO2 or water Run working medium.
  • a working fluid in the first heat pump assembly C02 or has a working fluid in the second heat pump assembly water.
  • the working fluid in the first heat pump assembly C02 and has the working fluid in the second heat pump assembly water.
  • the working fluid in the first heat pump assembly consists essentially of CO 2 and / or the working fluid in the second heat pump assembly consists essentially of water.
  • the first heat pump arrangement is operated with CO 2
  • the second heat pump arrangement is operated with water as the working medium, and the coupling of the two heat pump arrangements via the first and the second heat exchanger takes place, ie on the input side and on the output side.
  • 1A is a block diagram of a heat pump system with a first heat pump arrangement with CO 2 and a second heat pump arrangement with water as the working medium according to a first aspect;
  • 1 B is a heat pump system according to an alternative or additional second aspect, wherein the first heat pump assembly and the second heat pump assembly are coupled via a coupler having a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • Fig. 2A is a detailed illustration of a first heat pump arrangement
  • Fig. 2B is a detailed view of a second heat pump assembly
  • FIG. 2C shows a block diagram of an embodiment with CO 2 as the first working medium and water as the second working medium and an input-side and output-side interconnection
  • Fig. 2D is a detailed illustration of the coupler for thermal coupling in conjunction with a condenser-side heat exchanger for a recooler circuit
  • 3A is a schematic representation of a heat pump system with chain-connected first and further heat pump stage. a schematic representation of two fixed-chain heat pump stages; a schematic representation of coupled with controllable directional switches in chain heat pump stages. a schematic representation of a controllable Wegemoduls with three
  • HLM high performance mode
  • MKM middle power mode
  • FKM free cooling mode
  • NLM low power mode
  • 8A is a schematic representation of a known heat pump system with
  • 8B is a table showing various pressure / temperature situations for water as working fluid.
  • FIG. 1A shows a heat pump system according to a first aspect of the present invention including a first heat pump assembly 101 configured to operate with a first heat pump medium having CO 2. Further, the heat pump system includes a second heat pump assembly configured to operate with a second heat pump medium having water (H20). The second heat pump arrangement is designated by 102. The first heat pump assembly 101 and the second heat pump assembly 102 are coupled via a coupler 103 for thermally coupling the first heat pump assembly 101 and the second heat pump assembly 102.
  • a coupler 103 for thermally coupling the first heat pump assembly 101 and the second heat pump assembly 102.
  • the coupler can be configured as desired, for example as in the case of the heat exchanger of FIG. 9, in that the liquefier of the first heat pump arrangement 101 is coupled to the evaporator of the second heat pump arrangement 102 via a heat exchanger.
  • another way of coupling may take place, eg an output-side coupling, to the effect that a compressor output of the first heat pump arrangement is coupled to a liquefier output of the second heat pump arrangement.
  • an input-side and an output-side coupling can be used, as shown for example in Fig. 1 B for any heat pump media.
  • FIG. 1 B shows, according to a second aspect, a first heat pump arrangement 1 1 1, which has a compressor with a compressor outlet, wherein a compressor, for example at 1 12 is shown in Fig. 2A, and wherein the compressor output at 1 13 in Fig. 2A is shown.
  • the heat pump system of Fig. 1B includes a second heat pump assembly 14 which has an input portion 14a and an output portion 14b.
  • a coupler 15 is provided in order to couple the first heat pump arrangement 1111 and the second heat pump arrangement 114.
  • the coupler 1 15 comprises a first heat exchanger 15a and a second heat exchanger 15b.
  • the first heat exchanger 15a is connected to the inlet section 14a of the second heat pump arrangement.
  • the second heat exchanger 15b is connected to the outlet section 14b of the second heat pump arrangement.
  • the two heat exchangers 15a, 15b may also be interconnected, as shown at 15c.
  • FIG. 2A shows a more detailed illustration of the first heat pump arrangement 101 or 11.
  • the first heat pump arrangement in the illustration shown in FIG. 2A comprises an evaporator 16 and a throttle 17.
  • a liquefaction process which will be described later, liquefied working fluid will become fed to the throttle 1 17, and its pressure level is brought to the lower pressure level at the entrance of the evaporator 1 16.
  • the evaporator further comprises an evaporator inlet 1 16a, via which a working fluid to be cooled of the first heat pump arrangement is fed into the evaporator 16 1.
  • the evaporator 116 comprises an evaporator effluent 116b through which cooled working liquid from the evaporator 16 is brought into a region to be cooled, e.g. is a refrigerated area in a supermarket.
  • the evaporator inlet or inlet 1 16a and the evaporator outlet or outlet 1 16b be coupled directly to the area to be cooled or be coupled via a heat exchanger with a region to be cooled, so that, for the example of C02, the liquid C02 is not circulated directly in a cooling rack in corresponding lines, but via a heat exchanger another liquid medium cools, which then circulates in the corresponding lines of a refrigerated shelf or a freezer in a supermarket, for example.
  • FIG. 2B shows an implementation of a second heat pump assembly that includes an evaporator 120, a compressor 121, and a condenser 122.
  • the evaporator 120 includes an evaporator inlet 120a and an evaporator outlet 120b.
  • the condenser 122 includes a condenser inlet 122a and a condenser inlet 122a. liquid outlet 122b.
  • the input section 1 14a which is coupled to the first heat exchanger 15a of the coupler 15 of FIG. 1B.
  • the condenser-side end of the second heat pump arrangement is shown by way of example in FIG. 2B to the right, the output section 1 14b.
  • the condenser 122 and the evaporator 120 are also connected to one another via a throttle 123 to return liquefied working fluid back into the evaporator 120 bring to.
  • the second heat pump assembly further includes, in preferred embodiments, a controller 124 configured to detect a temperature in the input portion 14a and / or a temperature in the output portion 14b. For this, a detection in the evaporator inlet 120a, as shown at 124a, or a detection in the evaporator outlet 120b, as shown at 124b, a temperature detection in the condenser inlet 122a, as shown at 124c, or a temperature detection in the condenser, as it at 124d, take place.
  • the controller 124 is configured to control the compressor 121, which is preferably a turbocompressor having a radial wheel.
  • the speed of the radial wheel in the compressor 121 is increased via a control line 125, or it will, as still with reference to Figures 3A-7D operating mode switching is made to switch from a low power mode (NLM), to a free cooling mode (FKM) with increasing power, to a mid power mode (MLM) and further increasing power to a high power mode (HLM) and respectively vice versa, as shown with reference to FIG. 7D and will be explained later.
  • NLM low power mode
  • FKM free cooling mode
  • MLM mid power mode
  • HLM high power mode
  • Fig. 2C shows a heat pump system in which 1 1 CO 2 is used as the working medium in the first heat pump assembly 101/1, while in the second heat pump assembly 102/1 14 water is used as the working medium. Water is also called R718 in heat pump technology.
  • the first heat pump system 101/1 1 which is referred to as "CO 2 refrigeration system” in Fig. 2C, is thermally coupled via a coupler to the second heat pump system 102/1 14.
  • the coupler is made the first heat exchanger 15a and the second heat exchanger 15b.
  • a third circuit is provided, which has an output-side heat exchanger 130 and a recooler 131.
  • the recooler 131 is disposed on the roof or on the north side in the shadow of the supermarket building in the exemplary application scenario where a supermarket is viewed.
  • a fan is typically arranged, which blows a liquid-to-air heat exchanger in order to achieve a good heat transfer from the recooler 131 into the environment.
  • Fig. 2C shows exemplary temperatures.
  • Exemplary output-side temperatures of the second heat exchanger 15b are in the range of perhaps 48 ° C.
  • the already cooled but still gaseous CO2 flows into the first heat exchanger 15a, where it is then output at a temperature of about 22 ° C.
  • the second heat pump assembly 102/1 14 water is used as the medium.
  • the separation of the water cycle to the outside is the input side through the first heat exchanger 1 15a and the output side by the other heat exchanger 130 instead.
  • a water / glyco-mixture is used as the medium in the third cycle.
  • the output of the second heat exchanger 1 15 b on the secondary side of the heat exchanger 1 15 b is connected to an input 131 a of the rear cooler 131.
  • the output of the recooler which is due to the heat transfer to the environment only at a temperature of for example 40 ° C and drawn at 131 b, passes through the further heat exchanger 130 in a secondary-side input of the second heat exchanger 1 15b.
  • the circulating in the recooler liquid medium is brought in the heat exchanger 130 to a temperature of for example 46 ° C due to the waste heat of the second heat pump assembly.
  • the condenser 22 of FIG. 2B which is not shown separately in FIG. 2C, is coupled to the further heat exchanger 130.
  • the heat exchanger 130 in Fig. 2C is the heat exchanger WTW 214 of Figs. 6A to 6D.
  • the recooler circuit is supplied both by the second heat pump assembly 102/1 14 and by the first heat pump assembly 101/1 1 1 with waste heat.
  • FIG. 2D shows a more detailed illustration of the heat exchangers of FIGS. 1B and 2C.
  • the first heat exchanger comprises a primary side with a primary-side inlet 15c and a primary-side outlet 132.
  • the secondary side of the first heat exchanger 15a is connected to the evaporator of a single-stage heat pump or with respective switching on an input side of the heat pump to the various modes , as shown in Figs. 6A to 6D, to perform.
  • the input section of the second heat pump arrangement thus comprises, in the case of a single-stage heat pump, in which only the speed of the compressor is controllable, but no mode switching is achievable, the evaporator outlet 120b and the evaporator inlet 120a, as shown in Fig. 2D.
  • the input section may include those having the "WTK” or "Heat Exchanger Cold” which is 212 in FIGS. 6A-6D
  • the output section then includes the lines 402, 340 connected to the "WTW” and "heat exchanger hot", respectively, labeled 214 in Figs. 6A-6D.
  • the heat exchanger 15a of FIG. 2D is shown, and the second heat exchanger "WTW" 214 of FIGS. 6A-6D constitutes the further heat exchanger 130 of FIG. 2D dar.
  • another heat exchanger may readily be disposed between the heat exchanger WTK 212 of FIGS. 6A-6D and the first heat exchanger 15a, or another heat exchanger may be disposed between the heat exchanger WTW 214 of FIGS. 6A-6D and the further heat exchanger 130 may be arranged to the inner heat pump assembly of the first heat exchanger and / or the further heat exchanger or the third circuit between the further heat exchanger 130 and the recooler 131 of Fig. 2C further decouple.
  • the evaporator outlet 120b and the evaporator inlet 120a need not necessarily be connected to the first heat exchanger, but alternatively, the lines 401, 230 of FIGS. 6A to 6D, which correspond to the position of the switches 421, 422, respectively Connections / other lines are connected to achieve different operating modes.
  • the output section 1 14b of the second heat pump arrangement is formed. The output section need not necessarily be connected to the condenser inlet and the condenser outlet, but may be connected to the lines 402, 340 of FIGS. 6A to 6D, which are then coupled to corresponding other components depending on the state / switching mode via the switches 421, 422 as shown in FIGS. 6A to 6D.
  • the second heat exchanger 1 15b also comprises a primary side with a primary input 1 13, which is preferably coupled to the compressor output 1 13 of the first heat pump assembly, and a primary-side output 15 c, which is coupled to a primary-side input of the first heat exchanger 1 15 a.
  • the secondary side of the second heat exchanger comprises a secondary-side inlet 134, which is coupled to a primary-side outlet of the further heat exchanger 130.
  • the secondary-side output 131 a of the second heat exchanger 1 15 b in turn is connected to an input 131 a of the recooler 131.
  • the outlet 131b of the rear cooler is in turn connected to the primary-side inlet of the further heat exchanger 130, as shown in FIG. 2D.
  • the heat pump systems according to the invention achieve according to the two aspects that, in particular, a refrigeration system, ie a heat pump system for cooling, is made structurally as simple as possible, that the disadvantages of environmental damage, the danger, the power efficiency or the apparatus construction be at least partially eliminated individually or in combination.
  • a refrigeration system according to the first aspect with respect to the cascading of CO 2 and water is used, or a heat pump system according to the second aspect, in which an input and output side coupling of two heat pump stages, which are operated with any working media, is achieved, preferably both Aspects can be used in combination, ie that the coupling of the C02 heat pump and the water heat pump takes place via an input-side and output-side heat exchanger.
  • Embodiments of the present invention achieve that an efficient operation of the CO 2 refrigeration system is achieved at high ambient temperatures of, for example, above 30 ° C., and unlike the prior art proposed, no technically complex solutions are necessary. Instead, at low outside temperatures an inexpensive pre-cooling is used.
  • the C02 refrigeration system for heat dissipation is thermally coupled with a cooling system with water as the refrigerant.
  • the C02 refrigeration system is thermally coupled to the refrigeration system by means of a heat exchanger.
  • Cooler of the C02 process consists of the two heat exchangers 1 15a, 1 15b, wherein at low outside temperatures, the entire remindkühlieistungen first by C02 flowed heat exchanger, ie the second heat exchanger 1 15b is transferred to the recooling circuit with the recooler 131 of FIG. 2C, for example.
  • the recooling power shifts from the second through-flow heat exchanger to the first.
  • the second heat pump stage 102/114 switches off completely for precooling. This means that it is always possible by the inclusion of precooling proposed here to operate the entire system energetically optimal with minimal energy consumption.
  • the superheated steam is thus pre-cooled.
  • high outdoor temperatures such as occur in the summer, about 50% of the remindkühlska the CO 2 process as heat of dehiscence to the water or water / glycol circuit in which the recooler 131 is disposed, discharged, and to the heat sink, so for example, given the environment.
  • the recooling capacity of the proposed refrigeration system can be parallel to or before the feed through the C02 process.
  • turbocompressors as illustrated, for example, at 121 in FIG. 2B, is particularly advantageous, since the rotational speed simultaneously influences the cooling power and the pressure / temperature stroke. With increasing speed, both power and temperature increase increase.
  • the refrigerant water (R 718) is ideally suited. Due to the low volumetric cooling capacity, the use of turbomachines is possible even with smaller outputs below 50 kW.
  • the second heat pump arrangement is preferably designed to deliver heat outputs of less than 100 kW.
  • 2C schematically shows the second heat pump stage 102/1 14 as pre-cooling, which is designed as a refrigeration system which uses water as the refrigerant.
  • the eChiller from Efficient Energy GmbH is used as the refrigeration system.
  • the eChiller used in one expansion stage has a maximum cooling capacity of 40 kW and, when introduced into the C02 process to dissipate the heat of condensation, enables a CO 2 process that can be operated subcritically throughout the year and a total recooling capacity of up to 80 kW Has. Higher performance can be achieved by parallel connection of several refrigeration units for pre-cooling.
  • the heat exchanger or thermal coupler 1 15 is provided, which comprises the first heat exchanger 1 15a and the second heat exchanger 1 15b, which preferably with the compressor 1 12 of the C02 refrigeration system is coupled. This pre-cools the superheated steam from the C02 process.
  • the present invention according to the described embodiment is advantageous in that heat recovery is also easy to realize in that the heat of dewatering of the CO 2 process is not released via the recooler 131 via the environment, but is discharged into a Nutz-heat sink. In this case, the recooler would be arranged in an environment in which the waste heat is usefully used.
  • FIGS. 3A-7D show a two-stage or multi-stage heat pump arrangement, as implemented, for example, in the eChiller.
  • the second heat pump arrangement from FIGS. 1 A to 2 C is also referred to as a heat pump system.
  • Fig. 3A shows such a heat pump system, wherein the heat pump system or second heat pump assembly 102, 1 14 may have any arrangement of pumps or heat exchangers.
  • a heat pump installation as shown in FIG. 3A, comprises a heat pump stage 200, ie stage n + 1 with a first evaporator 202, a first compressor 204 and a first condenser 206, the evaporator 202 above the steam duct 250 with the first Compressor 204 is coupled, and as soon as the compressor 204 is coupled via the steam channel 251 with the condenser 206. It is preferred to use the entangled arrangement again, but any arrangements in the heat pump stage 200 may be used.
  • the inlet 222 into the evaporator 202 and the outlet 220 from the evaporator 202 are either with an area to be cooled or with a heat exchanger, such as the heat exchanger 212 to the area to be cooled or with another pre-arranged heat pump stage, for example the heat pump stage n connected, where n is an integer greater than or equal to zero.
  • the heat pump system in Fig. 3A comprises another heat pump stage 300, i. the stage n + 2, with a second evaporator 302, a second compressor 304 and a second condenser 306.
  • the output 224 of the first condenser is connected to an evaporator inlet 322 of the second evaporator 320 via a connecting line 332.
  • the output 320 of the evaporator 302 of the further heat pump stage 300 may be connected to the inlet to the condenser 206 of the first heat pump stage 200 as shown by a dashed connection line 334, as implemented.
  • FIGS. 334 dashed connection line
  • the output 320 of the evaporator 302 may also be connected to a controllable path module to achieve alternative implementations.
  • a derailleur circuit is achieved due to the fixed connection of the condenser outlet 224 of the first heat pump stage with the evaporator inlet 322 of the further heat pump stage.
  • This derailleur ensures that each heat pump stage must work with the lowest possible temperature spread, so with the smallest possible difference between the heated working fluid and the cooled working fluid.
  • By connecting in series, so by a chain circuit such heat pump stages is thus achieved that nevertheless a sufficiently large total spread is achieved.
  • the total spread is thus divided into several individual spreads.
  • the derailleur is particularly advantageous because it allows much more efficient operation.
  • the consumption of compressor power for two stages, each of which has to cope with a smaller temperature spread is smaller than the compression ratio. for a single heat pump stage, which must reach a high temperature spread.
  • the requirements for the individual components with two stages connected in chain are technically more relaxed. As shown in FIG.
  • the condenser exit 324 of the condenser 306 of the further heat pump stage 300 may be coupled to the area to be warmed, as illustrated by heat exchanger 214, for example, with reference to FIG. 3B.
  • the output 324 of the condenser 306 of the second heat pump stage can again be coupled via a connecting tube to an evaporator of a further heat pump stage, that is to say the (n + 3) heat pump stage.
  • FIG. 3A shows a chain circuit of any number of heat pump stages, in particular the chain circuit of the heat pump stage (n + 1), which is denoted by 200, and the other heat pump stage 300, with (n + 2 ) is described in more detail and the n- heat pump stage as well as the (n + 3) - heat pump stage can not be designed as a heat pump stage, but each as a heat exchanger or as to be cooled or heated area.
  • the condenser of the first heat pump stage 200 is disposed above the evaporator 302 of the second heat pump stage, so that the working fluid flows through the connection line 332 due to gravity.
  • the condenser is arranged above the evaporator anyway.
  • This implementation is particularly advantageous because even with heat pump stages aligned with each other, the liquid already flows from the first stage condenser into the second stage evaporator through the connection line 332.
  • this dimension, shown at 340 in FIG. 3B is preferably 20 cm, since then, for the described implementation, optimal water flow from the first stage 200 to the second stage 300 via the connection line 332 occurs. This also ensures that in the connecting line 332 no special pump is needed. This pump is therefore saved.
  • the intermediate circuit pump 330 Only the intermediate circuit pump 330 is required to return the working fluid from the outlet 320 of the second stage evaporator 300, which is lower than the first stage Condenser of the first stage, that is to bring in the input 226.
  • the output 320 is connected via the pipe 334 to the suction side of the pump 330.
  • the pump side of the pump 330 is connected via the tube 336 to the inlet 226 of the condenser.
  • the chain circuit of the two stages shown in Fig. 3B corresponds to Fig. 3A with the connection 334.
  • the intermediate circuit pump 330 is also like the other two pumps 208 and 210 arranged below, since then in the intermediate circuit 334 cavitation can be prevented because due to the placement of the intermediate circuit pump 330 in the downpipe 334 a sufficient back pressure of the pump is achieved.
  • the first stage comprises the expansion element 207 and the second stage comprises an expansion element 307.
  • the expansion element 207 is dispensable.
  • the expansion element 307 in the lower stage is preferably used.
  • the first stage may be constructed without an expansion element and only one expansion element 307 is provided in the second stage.
  • the expansion element 207 is also provided in the heat pump stage 200. When implemented to aid in bubble boiling, the expansion element 207 is also helpful despite the fact that it may not deliver liquefied working fluid into the evaporator, but only heated steam.
  • an overflow arrangement 502 is arranged in the second evaporator 302 of the second heat pump stage in order to carry away working fluid from a predefined maximum working fluid level in the second evaporator 302. Furthermore, a liquid line 504, 506, 508 is provided.
  • a pressure reducer 510 is present, which is preferably designed as a pressure reducer to Bernoulli, so as a pipe or Schlauchengstelle.
  • the fluid conduit comprises a first connecting portion 504, a U-shaped portion 506 and a second connecting portion 508.
  • the U-shaped portion 506 has a vertical height in the operating position that is at least 5 cm and preferably 15 cm. This provides a self-regulating system that operates without a pump.
  • the water level in the evaporator 302 of the lower container 300 is too high, working fluid will flow into the U-tube 506 via the connecting line 504.
  • the U-tube is coupled to the suction side of the pump 208 via the connecting line 508 at the coupling point 512 at the pressure reducer. Due to the increased flow rate in front of the pump due to the constriction 510, the pressure drops and water from the U-tube 506 can be absorbed. In the U-tube, a stable water level is established, which is sufficient for the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank.
  • the U-tube 506 is a vapor barrier, in that no vapor from the evaporator 302 can enter the suction side of the pump 208.
  • the expansion elements 207 and 307 are preferably also designed as overflow arrangements, in order to bring working fluid into the respective evaporator when a predetermined level in a respective condenser is exceeded.
  • FIGS 4A and 5 already show a detailed illustration of a steerable routing module due to the upper 2x2 way switch 421 and the lower 2x2 way switch 422.
  • Figure 4B shows an overall implementation of the steerable routing module 420 passing through the two serially connected ones 2x2-way switches 421 and 422 may be implemented, but which may alternatively be implemented.
  • the controllable path module 420 of FIG. 4B is coupled to a controller 430 to be controlled by it via a control line 431.
  • the controller receives sensor signals 432 as input signals and supplies pump control signals on the output side 436 and / or compressor motor control signals 434.
  • the compressor motor control signals 434 lead to the compressor motors 204, 304 as shown in FIG. 4A, for example, and the pump control signals 436 lead to the pumps 208, 210, 330.
  • the controllable path module 420 comprises a first input 401, a second input 402 and a third input 403. As shown, for example, in FIG. 4A, the first input 401 is connected to the outlet 241 of the first heat exchanger 212. In addition, the second input 402 of the controllable path module is connected to the return or outlet 243 of the second heat exchanger 214. In addition, the third input 403 of the controllable path module 420 is connected to a pump side of the intermediate circuit pump 330.
  • a first output 41 1 of the controllable path module 420 is coupled to an input 222 in the first heat pump stage 200.
  • a second output 412 of the controllable path module 420 is connected to an input 226 in the condenser 206 of the first heat pump stage.
  • a third output 413 of the controllable path module 420 is connected to the input 326 in the condenser 306 of the second heat pump stage 300.
  • controllable path module 420 The various input / output connections achieved by the controllable path module 420 are shown in FIG. 4C.
  • the first input 401 is connected to the first output 41 1. Furthermore, the second input 402 is connected to the third output 413. In addition, the third input 403 is connected to the second output 412, as shown in line 451 of FIG. 4C.
  • HLM high performance mode
  • the first input 401 is connected to the first output 41 1.
  • the second input 402 is connected to the second output 412.
  • the third input 403 is connected to the third output 413, as shown in line 452.
  • Line 453 shows the free cooling mode in which the first input is connected to the second output, so the input 401 to the output 412.
  • the second input 402 is connected to the first output 41 1.
  • the third input 403 is connected to the third output 413.
  • NLM low power mode
  • the first input 401 is connected to the third output 413.
  • the second input 402 is connected to the first output 41 1.
  • the third input 403 is connected to the second output 412.
  • the controllable path module through the two serially arranged 2-way switches 421 and 422, as e.g. are shown in Fig. 4A, or as they are also shown in Figs. 6A to 6D.
  • the first 2-way switch 421 has the first input 401, the second input 402, the first output 41 1 and a second output 414, which is coupled via an interconnect 406 to an input 404 of the second 2-way switch 422 .
  • the 2-way switch has the third input 403 as an additional input and the second output 412 as an output and the third output 413 also as an output.
  • the positions of the two 2x2-way switches 421 are shown in tabular form in FIG. 7B. Fig.
  • FIG. 6A shows the two positions of the switches 421, 422 in the high power mode (HLM). This corresponds to the first line in FIG. 7B.
  • Fig. 6B shows the position of the two switches in the mid-power mode.
  • the upper switch 421 is exactly the same in the mid-power mode as it is in the high-power mode. Only the lower switch 422 has been switched.
  • the free cooling mode illustrated in FIG. 6C the bottom switch is the same as in the mid-power mode. Only the upper switch has been switched.
  • the lower switch 422 is switched compared to the free cooling mode, while the lower power switch is equal to its free cooling mode position. This ensures that only one switch needs to be switched from one neighboring mode to the next mode, while the other switch can remain in its position. This simplifies the entire switching action from one operating mode to the next.
  • Fig. 7A shows the activities of the individual compressor motors and pumps in the various modes.
  • the first pump 208 and the second pump 210 are active. tively.
  • the DC link pump is active in the high power mode, the mid power mode, and the free cooling mode, but is deactivated in the low power mode.
  • the first stage compressor motor 204 is active in high power mode, mid power mode, and free cooling mode, and is deactivated in low power mode.
  • the second stage compressor motor is only active in high power mode but disabled in mid power mode, free cooling mode and low power mode.
  • FIG. 4A illustrates the low power mode in which the two motors 204, 304 are deactivated, and in which the intermediate circuit pump 330 is also activated.
  • Fig. 3B shows the to some extent coupled high performance mode in which both motors and all pumps are active.
  • FIG. 5 again shows the high-performance mode, in which the switching positions are such that exactly the configuration according to FIG. 3B is obtained.
  • FIGS. 6A and 6C also show various temperature sensors.
  • a sensor 602 measures the temperature at the outlet of the first heat exchanger 212, ie at the return from the side to be cooled.
  • a second sensor 604 measures the temperature at the return of the side to be heated, ie from the second heat exchanger 214.
  • another temperature sensor 606 measures the temperature at the outlet 220 of the first stage evaporator, which temperature is typically the coldest temperature.
  • a further temperature sensor 608 is provided which measures the temperature in the connection line 332, that is, at the output of the first stage condenser, indicated 224 in other figures.
  • the temperature sensor 610 measures the temperature at the outlet of the second stage evaporator 300, that is, at the outlet 320 of FIG. 3B, for example.
  • the temperature sensor 612 measures the temperature at the output 324 of the second stage condenser 306, which temperature in full power mode is the warmest temperature in the system.
  • DE 10 2012 208 174 A1 discloses a heat pump with a free cooling mode. In the free cooling mode, the evaporator inlet is connected to a return from the area to be heated. Further, the condenser inlet is connected to a return from the area to be cooled. The free cooling mode already achieves a considerable increase in efficiency, in particular for outside temperatures lower than, for example, 22 ° C.
  • This free cooling mode or (FKM) is shown at line 453 in FIG. 4C and is particularly shown in FIG. 6C.
  • the output of the cold side heat exchanger is connected to the input to the first stage condenser.
  • the output from the heat-side heat exchanger 214 is coupled to the first-stage evaporator inlet, and the input to the heat-side heat exchanger 214 is connected to the second-stage condenser outlet 300.
  • the second stage is disabled so that the condenser drain 338 of FIG. 6C has the same temperature as the condenser inlet 413, for example.
  • the second stage evaporator effluent 334 has the same temperature as the second stage condenser inlet 413, so that the second stage 300 is thermodynamically "shorted.”
  • this stage is traversed by working fluid Stage is therefore still used as infrastructure, but is disabled due to the compressor motor switched off.
  • a heat pump in the second heat pump arrangement 102/1 14 comprises an evaporator with an evaporator inlet and an evaporator outlet, as well as an evaporator outlet. liquid with a condenser inlet and a condenser outlet.
  • a switching device is provided to operate the heat pump in an operating mode or other operating mode.
  • the low-power mode the heat pump is completely bypassed, in that the return of the area to be cooled is connected directly to the trace of the area to be heated.
  • the return of the area to be heated is connected to the trace of the area to be cooled.
  • the evaporator is assigned to the area to be cooled and the condenser is assigned to the area to be heated.
  • the evaporator In the bridging mode, however, the evaporator is not connected to the area to be cooled, and furthermore the condenser is not connected to the area to be cooled, but both areas are to a certain extent "short-circuited.”
  • the heat pump In the second alternative operating mode, however, the heat pump is not bridged but, at relatively low temperatures, is typically operated in the free-cooling mode or in normal mode with one or two stages
  • the switching means is arranged to connect a return of the area to be cooled with the condenser inlet and a return
  • the switching device is designed in the normal mode to connect the return of the area to be cooled with the evaporator inlet and to connect the return of the area to be heated with the condenser inlet of the warming area with the evaporator inlet.
  • a heat exchanger may be provided at the output of the heat pump, that is, on the condenser side, or at the inlet of the heat pump, ie on the evaporator side, to decouple the inner heat pump cycle from the outer circuit in terms of liquid.
  • the evaporator inlet is the inlet of the heat exchanger coupled to the evaporator.
  • the evaporator outlet constitutes the outlet of the heat exchanger, which in turn is coupled to the evaporator.
  • the condenser outlet is a heat exchanger outlet
  • the condenser inlet is a heat exchanger inlet, on the side of the heat exchanger that is not coupled to the actual condenser.
  • the heat pump can be operated without input-side or output-side heat exchanger.
  • a heat exchanger could be provided at the entrance to the area to be cooled or at the entrance to the area to be heated, which then comprises the return or trace to the cooling area or to the area to be heated.
  • the heat pump is used for cooling, so that the area to be cooled is, for example, a room of a building, a computer room or generally a refrigerator or a supermarket, while the area to be heated is e.g. is a roof of a building or similar location where a heat dissipation device can be placed to deliver heat to the environment.
  • the area to be cooled is the environment from which energy is to be extracted and the area to be heated is the "utility", such as the interior of a building, a house or a room to be tempered.
  • the heat pump is thus capable of switching from the bypass mode to either the free cooling mode or, if such free cooling mode is not established, to the normal mode.
  • the heat pump is advantageous in that it becomes particularly efficient when outside temperatures are present, e.g. less than 16 ° C, which is often the case at least in the northern and southern hemispheres distant from the equator.
  • the heat pump can be completely taken out of service.
  • the radial wheel can be stopped and no energy needs to be put into the heat pump.
  • the heat pump may still be in a standby mode or the like, but since it is only a standby mode, it will consume only a small amount of power.
  • valveless heat pumps as they are preferably used, a thermal short circuit can be avoided by complete bridging of the heat pump in contrast to the free cooling mode.
  • the switching means in the first operating mode ie in the low-power or bypass mode, the return of the cooled Area or the trace of the area to be cooled from the evaporator completely separates, so that no fluid connection between the inlet or outlet of the evaporator and the area to be cooled longer exists. This complete separation will also be beneficial on the condenser side.
  • a temperature sensing device that senses a first temperature with respect to the evaporator or a second temperature with respect to the condenser.
  • the heat pump has a controller, which is coupled to the temperature sensor device and is designed to control the switching device depending on one or more temperatures detected in the heat pump, so that the switching device switches from the first to the second operating mode or vice versa.
  • the implementation of the switching means may be implemented by an input switch and an output switch, each having four inputs and four outputs, and switchable according to the mode. Alternatively, however, the switching device can also be implemented by a plurality of individual cascaded switches, each having an input and two outputs.
  • the coupler for coupling the bridging line with the approach to the area to be heated or the coupler for coupling the bridging line with the Hinlauf in the area to be cooled may be formed as a simple three-port combination, ie as a liquid.
  • the couplers in order to have optimal decoupling, it is preferred that the couplers also be implemented as switches or integrated in the input / output switch.
  • a first temperature sensor is used on the evaporator side as a special temperature sensor and a second temperature sensor is used on the condenser side as the second temperature sensor, with a more direct measurement is preferred.
  • the evaporator-side measurement is used, in particular, to carry out a speed control of the temperature regulator, for example a compressor of the first and / or second stage, while the condenser-side measurement or else an ambient temperature measurement is used to carry out a mode control, that is to say around the heat pump For example, to switch from the bypass mode to the free cooling mode when a temperature is no longer in the very cold temperature range, but in the medium-cold temperature range. However, if the temperature is higher, ie in a warm temperature range, then the switching device Put the heat pump in a normal mode with first active level or with two active levels.
  • a first stage In a two-stage heat pump, however, in this normal mode, which corresponds to the mid-power mode, only a first stage will be active, while the second stage is still inactive, ie, not powered, and therefore does not require energy. Only when the temperature continues to increase, namely in a very warm area, in addition to the first heat pump stage or in addition to the first pressure stage, a second pressure stage is activated, which in turn has an evaporator, a Temperaturanhe- ber typically in the form of a radial compressor and a condenser , The second pressure stage can be connected in series or in parallel or serially / parallel to the first pressure stage.
  • a control signal from a sensor signal on the trace to the area to be cooled or at the return of the area to be cooled which may be used by a heat dissipation device installed outside the heat pump to control the heat release, ie the temperatures get too cold, reduce.
  • the heat dissipation device is, for example, a liquid / air heat exchanger, with a pump for circulating the liquid brought into the area to be heated.
  • the heat dissipation device may include a fan to transport air into the air heat exchanger. Additionally or alternatively, a three-way mixer may be provided to partially or completely short the air heat exchanger.
  • the heat dissipation device so for example, the pump, the fan or the three-way Controlled in order to further reduce the heat output, so that a temperature level is maintained, in the heat pump system and in the area to be cooled, which in this case may be above the outdoor temperature level.
  • the waste heat can even be used for heating the "room to be cooled” if the outside temperatures are too cold.
  • an overall control of the heat pump is carried out such that depending on a temperature sensor output signal of a temperature sensor on the evaporator side a .Fein horrung "of the heat pump is made, so a speed control in the various modes, eg the free cooling mode, the normal mode with first In the bypass mode, while the mode conversion is made from a temperature sensor output of a condenser-side temperature sensor as coarse control, a mode switching from the bypass mode (or NLM) to the condenser-side temperature sensor is performed the free cooling mode (or FKM) and / or in the normal mode (MLM or HLM), wherein the evaporator side temperature output signal is not taken to decide whether a switch takes place.
  • the evaporator-side temperature output signal is used for the speed control of the radial compressor or for the control of the heat dissipation devices, but not the condenser-side sensor output signal.
  • FIGS. 7A to 7D show an overview of various modes in which the heat pump according to FIGS. 1, 2, 8A, 9A can be operated.
  • the operating mode selection will activate the first operating mode in which the heat pump is bypassed and the control signal 36b for the heat dissipation device is generated in the area 16 to be heated
  • Temperature of the area to be heated ie the area 16 of FIG. 1 in a medium cold temperature range, eg in a range between 16 ° C and 22 ° C
  • the operating mode control will activate the free cooling mode, in which due to the low temperature spread the first stage the heat pump low power can work.
  • the heat pump is operated in the normal mode but in the normal mode with a first heat pump stage.
  • a second heat pump stage is activated, which also works in normal mode and already supports the first stage continuously.
  • the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
  • the temperature ranges are “very cold”, “medium cold”, “warm”, “very warm” for different temperature ranges, the average temperature of which is very cold to medium cold, too hot, too hot respectively larger becomes.
  • the regions may be directly adjacent to each other. However, in embodiments, the regions may also overlap and be at the stated temperature level or at any other higher or lower temperature level.
  • the heat pump is preferably operated with water as a working medium. However, other means may be used depending on the requirement.
  • the condenser temperature is in a very cold temperature range
  • the first mode of operation is set in response to the controller 430. If it is found in this mode that the evaporator temperature is lower than a setpoint temperature, a reduction in the heat output is achieved by a control signal at the heat dissipation device. However, if the condenser temperature is in the mid-cold range, then in response, it is expected to switch to the free cooling mode from controller 430, as represented by lines 431 and 434. If the evaporator temperature is greater than a setpoint temperature, this results in Response to an increase in the speed of the compressor radial compressor via the control line 434.
  • the mode switching is controlled by a receiver-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first mode of operation depends on an evaporator-side temperature.
  • the controller 430 is configured to detect a condition for transition from the mid-power mode to the high-power module. Then, the compressor 304 is started in the further heat pump stage 300. First after staking a predetermined time greater than one minute, and preferably even greater than four or even five minutes, the controllable path module will switch from the assist power mode to the high power mode. This ensures that it is easy to switch from standstill, with the running of the compressor motor before switching over ensuring that the pressure in the evaporator is lower than the pressure in the compressor.
  • the temperature ranges in FIG. 7C can be varied.
  • the threshold temperatures between a very cold temperature and a medium-low temperature, ie the value 16 ° C. in FIG. 7C and between the medium-cold temperature and the warm temperature, ie the value 22 ° C. in FIG. 7C and the value between the warm and the very warm temperature, ie the value 28 ° C. in FIG. 7C by way of example only.
  • the threshold temperature between warm and very warm, in which a switch from the mid-power mode to the high-power mode takes place is between 25 and 30 ° C.
  • the threshold temperature between warm and medium cold that is, when switching between the free cooling mode and the medium power mode, in a temperature range between 18 and 24 ° C.
  • the threshold temperature at which to switch between the medium cold mode and the very cold mode is in a range between 12 and 20 ° C, with the values preferably being as shown in the table in Fig. 7C
  • the values preferably being as shown in the table in Fig. 7C can be set differently in the above areas.
  • the heat pump system can also operate in four operating modes, which are also different, but all are at a different absolute level, so that the terms "very cold”, “medium cold”, “warm”, “very warm “are to be understood only relative to each other, but are not intended to represent absolute temperature values.
  • the block diagrams described in FIGS. 6A to 6D likewise represent flowcharts of a corresponding method according to the invention.
  • the control may be implemented as software or hardware, for example, by element 430 in FIG. 4B, as well as for the tables in FIGS.
  • the controller may be on a non-volatile storage medium, a digital or other storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer system such that the corresponding method of pumping heat or operating a heat pump is running.
  • the invention thus also encompasses a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus also be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

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Abstract

The invention relates to a heat pump system comprising the following features: a first heat pump assembly (111) having a compressor (112) with a compressor output (113); a second heat pump assembly (114) having an input section (114a) and an output section (114b); and a coupler (115) for thermally coupling the first heat pump assembly (111) and the second heat pump assembly (114), wherein the coupler (115) has a first heat exchanger (115a) and a second heat exchanger (115b), wherein the first heat exchanger (115a) is connected to the input section (114a) of the second heat pump assembly (114), and wherein the second heat exchanger (115b) is connected to the output section (114b) of the second heat pump assembly (114).

Description

Wärmepumpensystem mit eingangsseitig und ausgangsseitig gekoppelten Wärmepumpenanordnungen  Heat pump system with input side and output side coupled heat pump assemblies
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen zum Kühlen oder für eine sonstige Anwendung einer Wärmepumpe. Fig. 8A und Fig. 8B stellen eine Wärmepumpe dar, wie sie in dem europäischen Patent EP 20 6349 B1 beschrieben ist. Fig. 8A zeigt eine Wärmepumpe, die zunächst einen Wasserverdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Kältemittel bzw. Kältemedium aufweist, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in Fig. 8A nicht gezeigt) und ist aus- gebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15 °C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. So sind alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalk- freies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese "Wasserstoffe", die günstige Wasser- Eigenschaft haben, dass Wasser, das auch als "R 718" bekannt ist, eine für den Wärme- pumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz- Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R 134a entspricht. The present invention relates to heat pumps for cooling or for another application of a heat pump. Figures 8A and 8B illustrate a heat pump as described in European patent EP 20 6349 B1. FIG. 8A shows a heat pump, which initially has a water evaporator 10 for evaporating water as a refrigerant or cryogen to produce a steam in a working steam line 12 on the output side. The evaporator includes an evaporation space (not shown in FIG. 8A) and is configured to produce an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C. in the evaporation space. The water is preferably groundwater, in the ground free or in collector pipes circulating brine, so water with a certain salinity, river water, seawater or seawater. Thus, all types of water, ie calcareous water, lime-free water, saline water or salt-free water can be used. This is because all types of water, that is all these "hydrogens", have the favorable water property that water, also known as "R 718", is an enthalpy differential useful for the heat pump process. Ratio of 6, which is more than 2 times the typical usable enthalpy difference ratio of z. B. R 134a corresponds.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in Fig. 8A mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22 "C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsma- schine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24 °C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36 °C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45 °C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45 °C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können. Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Ar- beitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück. The water vapor is supplied through the suction line 12 to a compressor / condenser system 14, which is a turbomachine such. B. has a radial compressor, for example in the form of a turbocompressor, which is designated in Fig. 8A with 16. The turbomachine is designed to compress the working steam to a vapor pressure at least greater than 25 hPa. 25 hPa corresponds to a liquefaction temperature of about 22 ° C., which may already be a sufficient heating flow temperature of a floor heating, at least on relatively warm days.To generate higher flow temperatures, pressures greater than 30 hPa can be generated with the flow machine 16, wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 ° C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 ° C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C. Underfloor heating systems are designed to heat sufficiently with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days. The turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam. By liquefying the energy contained in the working steam is supplied to the condenser 18, to then be supplied via the flow 20a a heating system. The working fluid flows back into the condenser via the return line 20b.
Es ist möglich, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme (-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt. It is possible to extract from the high-energy steam directly through the colder heating water, the heat (-energie), which is absorbed by the heating water, so that it heats up. The steam is so much energy withdrawn that this is liquefied and also participates in the heating circuit.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt. Thus, a material entry into the condenser or the heating system takes place, which is regulated by a drain 22, such that the condenser has a water level in its condenser, which remains despite the constant supply of water vapor and thus condensate always below a maximum level.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, kann ein offener Kreislauf genommen werden. Es kann also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher verdampft werden. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet. As already stated, an open circuit can be taken. So it can be evaporated directly without heat exchanger, the water, which is the heat source. Alternatively, however, the water to be evaporated could first be heated by a heat exchanger from an external heat source. However, it should be remembered that this heat exchanger again means losses and equipment expense.
Um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, kann auch dort das Medium direkt verwen- det werden. Wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, kann das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren. In order to avoid losses for the second heat exchanger, which was previously necessarily present on the condenser side, the medium can also be used directly there. When thinking of a house with underfloor heating, the water coming from the evaporator can circulate directly in the underfloor heating.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt. Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strö- mungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist. Alternatively, however, on the condenser side, a heat exchanger can be arranged, which is fed with the flow 20a and having the return 20b, said heat exchanger cools the water in the condenser and thus heats a separate underfloor heating fluid, which will typically be water. Due to the fact that water is used as the working medium, and due to the fact that only the evaporated portion of the groundwater is fed into the turbomachine, the purity of the water does not matter. The flow machine, as well as the condenser and possibly directly coupled underfloor heating, are always supplied with distilled water in such a way that the system has a reduced maintenance compared to today's systems. In other words, the system is self-cleaning, since the system is always fed only distilled water and the water in the drain 22 is thus not polluted.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie - ähnlich einer Flugzeugturbine - das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Stattdessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen die Reinheit beeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt. In addition, it should be noted that turbomachines have the properties that they - similar to an aircraft turbine - the compressed medium not with problematic substances, such as oil, in connection. Instead, the water vapor is compressed only by the turbine or the turbocompressor, but not associated with oil or other purity impairing medium and thus contaminated.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit - wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen - ohne weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt wer- den. Alternativ kann es hier jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten - einer Kläranlage zugeführt werden. The distilled water discharged through the drain can therefore be returned to the groundwater without further ado, if no other regulations stand in the way. Alternatively, however, it may also be z. B. in the garden or in an open space to be seeped, or it can be supplied via the channel, if regulations dictate - a sewage treatment plant.
Die Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzba- ren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R 34a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems (es wird vielmehr ein offenes System bevorzugt), und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch die effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaf- fen, der dann, wenn im Verflüssiger der Wasserdampf direkt verflüssigt wird, noch effizienter wird, da dann im gesamten Wärmepumpenprozess kein einziger Wärmetauscher mehr benötigt wird. The combination of water as a working medium with a better than twice the usable enthalpy difference ratio compared to R 34a and because of the reduced system requirements (rather an open system is preferred), and due to The use of the turbomachine, which achieves the necessary compaction factors efficiently and without any impairment of purity, creates an efficient and environmentally neutral heat pump process, which becomes even more efficient when the liquefier directly liquefies the steam, since in the entire heat pump process there is not a single heat pump process Heat exchanger is needed more.
Fig. 8B zeigt eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen, woraus sich ergibt, dass insbesondere für Wasser als Arbeitsmedium recht niedrige Drücke im Verdampfer zu wählen sind. Um eine Wärmepumpe mit einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es wichtig, dass alle Komponenten günstig ausgelegt sind, also der Verdampfer, der Verflüssiger und der Verdichter. FIG. 8B shows a table for illustrating various pressures and the evaporation temperatures associated with these pressures, with the result that, in particular for water as the working medium, fairly low pressures are to be selected in the evaporator. In order to achieve a heat pump with a high efficiency, it is important that all components are designed low, ie the evaporator, the condenser and the compressor.
Die EP 2016349 B1 zeigt ferner, dass ein Verflüssiger-Ablauf zum Beschleunigen des Verdampfungsvorgangs eingesetzt wird, so dass die Wand eines Ablauf-Rohrs als Keim für eine Blasensiedung wirkt. Femer kann der Ablauf auch selbst dazu verwendet werden, die Blasenbildung zu verstärken. Hierzu wird der Verflüssiger-Ablauf mit einem Düsenrohr verbunden, das an einem Ende einen Abschluss hat, und das Düsenöffnungen aufweist. Das warme Verfiüssiger-Wasser, das aus dem Verflüssiger über den Ablauf mit einer Rate von beispielsweise 4 ml pro Sekunde zugeführt wird, wird nunmehr in den Verdampfer eingespeist. Es wird auf seinem Weg zu einer Düsenöffnung in dem Düsenrohr oder unmittelbar am Austritt an einer Düse aufgrund des für die Temperatur des Ablaufwassers zu geringen Drucks bereits unter der Wasseroberfläche des Verdampfer-Wassers verdampfen. Die dort entstehenden Dampfblasen werden unmittelbar als Siede-Keime für das Verdampfer-Wasser, das über den Zulauf gefördert wird, wirken. Damit kann ohne größere zusätzliche Maßnahmen eine effiziente Blasensiedung im Verdampfer getriggert werden. EP 2016349 B1 further shows that a condenser flow is used to accelerate the evaporation process so that the wall of a drain pipe acts as a nucleate for nucleate boiling. Furthermore, the process itself can also be used to increase the formation of bubbles. For this purpose, the condenser outlet is connected to a nozzle tube which has an end at one end and which has nozzle openings. The warm effluent water supplied from the condenser via the effluent at a rate of, for example, 4 ml per second is now fed to the evaporator. It is already vaporized on its way to a nozzle opening in the nozzle tube or directly at the outlet to a nozzle due to the too low for the temperature of the drain water pressure below the water surface of the evaporator water. The resulting vapor bubbles are directly as boiling nuclei for the evaporator water, which is conveyed through the inlet, act. This can be triggered without major additional measures an efficient bubble boiling in the evaporator.
Die DE 4431887 A1 offenbart eine Wärmepumpenanlage mit einem leichtgewichtigen, großvolumigen Hochleistungs-Zentrifugalkompressor. Ein Dampf, der einen Kompressor einer zweiten Stufe verlässt, besitzt eine Sättigungstemperatur, die die Umgebungstemperatur oder diejenige eines verfügbaren Kühlwassers übersteigt, wodurch eine Wärme- abfuhr ermöglicht wird. Der komprimierte Dampf wird von dem Kompressor der zweiten Stufe in die Verflüssigereinheit überführt, die aus einer Schüttschicht besteht, die innerhalb einer Kühlwassersprüheinrichtung an einer Oberseite, die durch eine Wasserzirkulationspumpe versorgt wird, vorgesehen ist. Der komprimierte Wasserdampf steigt in dem Kondensor durch die Schüttschicht an, wo sie in direktem Gegenstromkontakt mit dem nach unten strömenden Kühlwasser gelangt. Der Dampf kondensiert und die latente Wärme der Kondensation, die durch das Kühlwasser absorbiert wird, wird an die Atmosphäre über das Kondensat und das Kühlwasser ausgestoßen, die zusammen aus dem System entfernt werden. Der Verflüssiger wird kontinuierlich mit nicht kondensierbaren Gasen mittels einer Vakuumpumpe über eine Rohrleitung gespült. Die WO 2014072239 A1 offenbart einen Verflüssiger mit einer Kondensationszone zum Kondensieren von zu kondensierendem Dampf in einer Arbeitsflüssigkeit. Die Kondensationszone ist als Volumenzone ausgebildet und hat eine seitliche Begrenzung zwischen dem oberen Ende der Kondensationszone und dem unteren Ende. Ferner umfasst der Verflüssiger eine Dampfeinleitungszone, die sich entlang des seitlichen Endes der Kondensationszone erstreckt und ausgebildet ist, um zu kondensierenden Dampf seitlich über die seitliche Begrenzung in die Kondensationszone zuzuführen. Damit wird, ohne das Volumen des Verflüssigers zu vergrößern die tatsächliche Kondensation zu einer Volumenkondensation gemacht, weil der zu verflüssigende Dampf nicht nur frontal von einer Seite in ein Kondensationsvolumen bzw. in die Kondensationszone eingeleitet wird, sondern seitlich und vorzugsweise von allen Seiten. Damit wird nicht nur sichergestellt, dass das zur Verfügung gestellte Kondensationsvolumen bei gleichen äußeren Abmessungen im Vergleich zu einer direkten Gegenstromkondensation vergrößert wird, sondern dass gleichzeitig auch die Effizienz des Verflüssigers verbessert wird, weil der zu verflüssigen- de Dampf in der Kondensationszone eine Stromrichtung quer zu der Strömungsrichtung der Kondensationsflüssigkeit aufweist. DE 4431887 A1 discloses a heat pump system with a lightweight, large volume high performance centrifugal compressor. A vapor exiting a second stage compressor has a saturation temperature which exceeds the ambient temperature or that of available cooling water, thereby allowing for heat removal. The compressed vapor is transferred from the second stage compressor to the condenser unit, which consists of a packed bed provided within a cooling water sprayer at an upper surface supplied by a water circulating pump. The compressed water vapor rises in the condenser through the packed bed where it passes in direct countercurrent contact with the downwardly flowing cooling water. The vapor condenses and the latent heat of condensation absorbed by the cooling water is expelled to the atmosphere via the condensate and the cooling water, which are removed together from the system. The condenser is continuously purged with non-condensable gases by means of a vacuum pump via a pipeline. WO 2014072239 A1 discloses a condenser with a condensation zone for condensing vapor to be condensed in a working fluid. The condensation zone is formed as a volume zone and has a lateral boundary between the upper end of the condensation zone and the lower end. Further, the condenser comprises a steam introduction zone which extends along the lateral end of the condensation zone and is designed to supply condensing vapor laterally across the lateral boundary into the condensation zone. Thus, without increasing the volume of the condenser, the actual condensation is made into a volume condensation, because the vapor to be liquefied is introduced not only head-on from one side into a condensation volume or into the condensation zone, but laterally and preferably from all sides. This not only ensures that the condensation volume provided is increased with the same external dimensions compared to a direct countercurrent condensation, but that at the same time the efficiency of the condenser is improved because the vapor to be liquefied in the condensation zone is a transverse flow direction has the flow direction of the condensation liquid.
Gewerbliche Kälteanlagen, wie sie z.B. in Supermärkten zur Frischhaltung und Tiefkühlung von Verkaufswaren und Lebensmitteln Verwendung finden, nutzen in den kälteren Regionen mittlerweile in der Regel C02 als Kältemittel. C02 ist ein natürliches Kältemittel und ist mit vertretbarem technischem Aufwand unterkritisch, d.h. bei einer Verflüssigung des Kältemittels unterhalb des Kritischen Punktes in Zweiphasengebiet, als bei Kondensationstemperaturen unter 30°C gut einsetzbar und auch energetisch vorteilhaft gegenüber den bislang eingesetzten F-Gasanlagen, die mit fluorierten Kohlenwasserstoffen arbeiten. In Mitteleuropa ist C02 nicht ganzjährig unterkritisch einsetzbar, da hohe Außentemperaturen im Sommer sowie auftretende Wärmeübertragungsverluste dann keinen unterkritischen Betrieb zulassen. Um bei einer derartigen C02-Kälteanlage eine ausreichende energetische Prozessgüte im überkritischen Betrieb sicherzustellen, wird ein erheblicher technischer Aufwand betrieben. Beim überkritischen Betrieb erfolgt die Wärme- abgäbe des Prozesses bei einem Druck, der oberhalb des Kritischen Punktes liegt. Daher spricht man auch von einer Gaskühlung, da eine Verflüssigung des Kältemittels nicht mehr möglich ist. Die Gaskühlerdrücke steigen bei überkritischen Betrieb auf mehr als 100 bar an und der Hochdruckteil der C02-Käiteanlage inklusive ihrer Wärmeübertrager muss für diese hohen Drücke dimensioniert werden. Weiterhin müssen größere und leis- tungsfähigere Verdichter oder mehrere Verdichter parallel und oder in Serie geschaltet werden. Schließlich kommen zusätzliche Komponenten wie Sammler und Ejektoren zum Einsatz, die sich teilweise noch in der Konzeptentwicklungsphase befinden und die Effizienz der Anlage bei überkritischem Betrieb steigern sollen. Commercial refrigeration systems, such as those used in supermarkets for keeping foodstuffs fresh and frozen, and foods are used in the colder regions now usually use C02 as a refrigerant. C02 is a natural refrigerant and is sub-critical with reasonable technical effort, ie at a liquefaction of the refrigerant below the critical point in two-phase area, as well at condensation temperatures below 30 ° C and also energetically advantageous over the previously used F-gas systems with fluorinated Hydrocarbons work. In Central Europe, C02 can not be used subcritically throughout the year, as high outdoor temperatures in the summer and occurring heat transfer losses do not permit subcritical operation. In order to ensure sufficient energetic process quality in supercritical operation in such a CO 2 refrigeration system, considerable technical effort is made. In supercritical operation, the heat dissipation of the process takes place at a pressure which is above the critical point. Therefore, one speaks of a gas cooling, since a liquefaction of the refrigerant is no longer possible. The gas cooler pressures increase to more than 100 bar in supercritical operation and the high pressure part of the C02-Kit plant including its heat exchanger must be dimensioned for these high pressures. Furthermore, larger and more powerful compressors or multiple compressors must be connected in parallel and / or in series. Finally, additional components such as collectors and ejectors are added Some of these are still in the concept development phase and should increase the efficiency of the plant in supercritical operation.
Fig. 9 zeigt eine C02-Kaskadenanlage 20. Bei solchen Kaskadenanlagen mit dem Kälte- mittel C02 wird für die untere Temperaturstufe 22 C02 als Kältemittel verwendet und für eine obere Temperaturstufe 24 Kältemittel, die ein hohes Treibhauspotential haben, wie z.B. NH3, F-Gase oder Kohlenwasserstoffe. Die gesamte Rückkühlwärme des C02 Prozesses wird hier vom Verdampfer des Prozesses der oberen Temperaturstufe 24 aufgenommen. FIG. 9 shows a CO 2 cascade system 20. In such cascade systems with the refrigerant CO 2, C02 is used as refrigerant for the lower temperature stage 22, and for an upper temperature stage 24 refrigerants which have a high global warming potential, such as e.g. NH3, F-gases or hydrocarbons. The entire Rückkühlwärme the C02 process is taken here by the evaporator of the process of the upper temperature stage 24.
Durch den Prozess der oberen Temperaturstufe 24 wird dann das Temperaturniveau so weit erhöht, dass die Wärmeabgabe durch den Verflüssiger an die Umgebung erfolgen kann. Ein alleiniger Betrieb der C02-Anlage ist bei dieser Verschaltung nicht möglich und der Kältekreis der oberen Temperaturstufe 24 ist komponentenbedingt nicht in der Lage, beliebig kleine Temperaturanhebungen zu realisieren. By the process of the upper temperature stage 24, the temperature level is then increased so that the heat can be discharged through the condenser to the environment. A sole operation of the C02 system is not possible with this interconnection and the refrigerant circuit of the upper temperature stage 24 is due to the component not able to realize any small temperature increases.
Weiterhin nachteilig an dem in Fig. 9 beschriebenen Konzept ist die Tatsache, dass die Arbeitsmedien für die zweite Wärmepumpenstufe hohes Treibhauspotenzial haben. Weiterhin problematisch ist die Tatsache, dass durch die Kaskadenschaltung der beiden Wärmepumpenanordnungen in Fig. 9 die komplette Kühlleistung des C02-Kreislaufes vom NH3-Kreislauf weitertransportiert wird. Dadurch ist es nötig, dass die komplette Leistung, die durch die erste Wärmepumpenanordnung mit C02 als Arbettsmedium geleistet wird, noch einmal durch die zweite Wärmepumpenanordnung mit NH3 als Arbeitsmedium aufgewendet werden muss. A further disadvantage of the concept described in FIG. 9 is the fact that the working media for the second heat pump stage have a high global warming potential. Another problem is the fact that the complete cooling capacity of the C02 circuit is transported by the cascade connection of the two heat pump arrangements in Fig. 9 from the NH3 cycle. As a result, it is necessary that the complete power provided by the first heat pump arrangement with CO 2 as the medium of the medium be re-used by the second heat pump arrangement with NH 3 as the working medium.
Daher wird, wie es bereits dargelegt worden ist, oft trotz der Probleme mit kritischen Temperaturen auf einen Einsatz einer einstufigen C02-Anlage gesetzt. Diese arbeitet bei sehr hohen Drücken von über 60 Bar. Wenn eine Kühlanlage beispielsweise in einem Super- markt betrachtet wird, so bedeutet dies, dass die Wärmeabfuhr, d. h. die Kälteerzeugung, im Verdampfer stattfindet, der beispielsweise in einem Technikraum zusammen mit dem Verdichter platziert ist. Das verdichtete C02-Arbeitsgas wird dann jedoch durch den kompletten Supermarkt hindurch in Hochdruckleitungen auf einen Rückkühler geleitet, der ebenfalls Hochdruck-fest sein muss. Dort wird Energie aus dem verdichteten C02-Gas an die Umgebung abgegeben, so dass eine Verflüssigung stattfindet. Das verflüssigte C02- Gas, das nach wie vor unter einem hohen Druck steht, wird dann typischerweise wieder über Hochdruckleitungen vom Rückkühler zurück in den Technikraum geführt, wo eine Relaxation über eine Drossel stattfindet, und das relaxierte C02-Arbeitsmedium in den ebenfalls unter beachtlichem Druck stehenden Verdampfer rückgeführt wird, wo dann wieder eine Verdampfung stattfindet, um einen C02-Rücklauf vom Kühlsystem des Su- permarkts erneut abzukühlen. Therefore, as has already been stated, often, despite the problems with critical temperatures, the use of a one-stage CO 2 plant is set. This operates at very high pressures of over 60 bar. If a refrigeration system is considered in a supermarket, for example, this means that the heat removal, ie the refrigeration, takes place in the evaporator, which is placed, for example, in a technical room together with the compressor , However, the compressed CO 2 working gas is then passed through the entire supermarket in high-pressure lines on a recooler, which must also be high-pressure solid. There, energy is released from the compressed C02 gas to the environment, so that liquefaction takes place. The liquefied CO 2 gas, which is still under high pressure, will then typically recover via high-pressure lines from the recooler back into the plant room, where a relaxation takes place via a throttle, and the relaxed CO 2 working medium is recycled to the likewise under considerable pressure evaporator, where then again takes place evaporation to a C02 return from the cooling system of Refresh Supermarkets again.
Die Kältetechnik ist daher relativ aufwendig, und zwar nicht nur im Hinblick auf die Wärmepumpenanlage im Technikraum, sondern auch aufgrund der Leitungstechnik durch den Supermarkt hindurch und aufgrund des Rückkühlers, der für sehr hohe Drücke ausgebil- det sein muss. Andererseits ist diese Installation dahin gehend vorteilhaft, dass C02 nur eine im Vergleich zu anderen Medien geringe Klimawirksamkeit aufweist und gleichzeitig, zumindest in überschaubaren Mengen, für Menschen ungiftig ist. The refrigeration technology is therefore relatively expensive, and not only with regard to the heat pump system in the technical room, but also due to the line technology through the supermarket and due to the recooler, which must be formed for very high pressures. On the other hand, this installation is advantageous in that C02 has only a low climatic efficiency compared to other media and at the same time, at least in manageable amounts, is non-toxic to humans.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Wärmepumpen- system zu schaffen. The object of the present invention is to provide an improved heat pump system.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem nach Patentanspruch 1 oder ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmepumpensystems nach Patentanspruch 24 oder durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems nach Anspruch 25 ge- löst. This object is achieved by a heat pump system according to claim 1 or a method for manufacturing a heat pump system according to claim 24 or by a method for operating a heat pump system according to claim 25.
Erfindungsgemäß wird wenigstens einer der vorgenannten Nachteile des Stands der Technik ausgeräumt. Bei einem ersten Aspekt wird eine C02-Wärmepumpenanordnung mit einer Wärmepumpenanordnung, die Wasser als Arbeitsmedium aufweist, gekoppelt. Diese Kopplung fi det über einen Koppler zum thermischen Koppeln der beiden Wärmepumpenanlagen statt. Die Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium hat mehrere Vorteile. Ein Vorteil besteht darin, dass Wasser keine hohen Drücke benötigt, um in einem Wärmepumpenkreisiauf zu arbeiten, der für die vorgenannten Temperaturen ausgebildet ist. Stattdessen finden relativ geringe Drücke statt, welche jedoch je nach Implementie- rung nur innerhalb der Wärmepumpenanordnung, die mit Wasser als Arbeitsmedium läuft, herrschen müssen, während ohne Weiteres ein separater Kreislauf zum Rückkühler eines Kühlsystems eingesetzt werden kann, der auf anderen Drücken und mit anderen Arbeitsmedien als C02 oder Wasser arbeiten kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit einer Wärmepumpenanordnung, die Wasser als Arbeitsmedium verwendet, mit einem begrenzten Energieaufwand immer sicherge- stellt werden kann, dass die C02-Wärmepumpenanordnung unterhalb des kritischen Punkts arbeitet. Die dafür nötigen Temperaturen unter 30 "C bzw. sogar unter 25 °C können ohne Weiteres durch die zweite Wärmepumpenanordnung bereitgestellt werden, die mit Wasser arbeitet. Typischerweise treten bei C02-Wärmepumpen nach dem Verdichter Temperaturen von vielleicht 70 °C auf. Die Herabkühlung von 70 °C auf z. B. 25 oder 22 °C ist ein Temperaturbereich, der sehr effizient mit einer Wärmepumpe, die mit Wasser als Arbeitsmedium arbeitet, bewerkstelligt werden kann. According to the invention, at least one of the aforementioned disadvantages of the prior art is eliminated. In a first aspect, a C02 heat pump assembly is coupled to a heat pump assembly having water as the working medium. This coupling takes place via a coupler for thermal coupling of the two heat pump systems. The use of water as a working medium has several advantages. One advantage is that water does not require high pressures to operate in a heat pump cycle designed for the aforementioned temperatures. Instead, relatively low pressures take place, which, depending on the implementation, must only prevail within the heat pump arrangement running with water as the working medium, while a separate circuit can be readily used to recool a cooling system operating at other pressures and with others Working media can work as C02 or water. Another advantage is that with a heat pump arrangement that uses water as a working medium, with a limited amount of energy always safe can be set that the C02 heat pump assembly operates below the critical point. The temperatures required for this, below 30 ° C. or even below 25 ° C., can easily be provided by the second heat pump arrangement which operates with water. <br /><br/> Typically, for C02 heat pumps after the compressor, temperatures of perhaps 70 ° C. occur 70 ° C to eg 25 or 22 ° C is a temperature range that can be accomplished very efficiently with a heat pump that works with water as a working medium.
Gemäß einem alternativen oder zusätzlichen Aspekt findet die Ankopplung der zweiten Wärmepumpenanordnung an die erste Wärmepumpenanordnung durch den Koppler zum thermischen Koppeln der beiden Wärmepumpenanordnungen statt. Hier umfasst der Koppler einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist mit dem Eingangsabschnitt der zweiten Wärmepumpenanordnung verbunden, und der zweite Wärmetauscher ist mit dem Ausgangsabschnitt der zweiten Wär- mepumpenanordnung verbunden. According to an alternative or additional aspect, the coupling of the second heat pump arrangement to the first heat pump arrangement takes place through the coupler for thermally coupling the two heat pump arrangements. Here, the coupler comprises a first heat exchanger and a second heat exchanger. The first heat exchanger is connected to the inlet section of the second heat pump arrangement, and the second heat exchanger is connected to the outlet section of the second heat pump arrangement.
Unabhängig davon, ob in der ersten Wärmepumpenanordnung C02 als Arbeitsmedium verwendet wird, und unabhängig davon, ob in der zweiten Wärmepumpenanordnung Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird, führt diese doppelte Ankopplung zu einer erheblich effizienteren Wärmeübertragung von der ersten Wärmepumpenanordnung zu einer Umgebung, wobei diese Wärmeübertragung beispielsweise über einen weiteren Kreislauf mit Rückkühler bewerkstelligt wird. Es wird bereits eine Temperaturniveauabsenkung des verdichteten Arbeitsdampfes der ersten Wärmepumpenanordnung in dem ausgangsseitigen Kreislauf der zweiten Wärmepumpenanordnung erreicht. Dieses zu- nächst abgekühlte Medium wird dann in den eingangsseitigen Kreis der zweiten Wärmepumpenanordnung eingespeist und dort auf die Zieltemperatur endgültig abgekühlt. Diese zweistufige Kopplung führt dazu, dass gewissermaßen eine Selbstregelung stattfindet. Dadurch, dass der thermische Koppler zunächst den ersten Wärmetauscher aufweist, der mit dem Ausgangskreis der zweiten Wärmepumpenanordnung verbunden ist, findet eine Abkühlung des verdichteten Arbeitsmediums der ersten Wärmepumpenanordnung um eine bestimmte Menge statt, für die durch die zweite Wärmepumpenanordnung noch im Wesentlichen keine Energie aufgewendet werden muss. Lediglich für den Rest der Wärmeenergie, die durch den ersten Wärmetauscher noch nicht abgeführt wird, muss die zweite Wärmepumpenanordnung Energie aufwenden, um über den eingangsseitigen Wärmetauscher der zweiten Wärmepumpenanordnung dann das Arbeitsmedium der ersten Wärmepumpenanordnung auf die Zieltemperatur zu bringen. Bei Implementierungen ist der Wärmetauscher, der mit dem Ausgangsabschnitt der zweiten Wärmepumpenanordnung verbunden ist, zusätzlich mit einem Rückkühler, vorzugsweise über einen dritten Arbeitsmediumkreislauf gekoppelt. Damit kann für den Rückküh- lerkreislauf ein günstiger Arbeitsdruck gewählt werden, nämlich z. B. ein relativ niedriger Druck zwischen 1 und 5 bar, und das Medium in diesem Kreislauf kann an die speziellen Bedürfnisse angepasst werden, kann also z. B. ein Wasser/Glykol-Gemisch haben, um auch im Winter nicht einzufrieren. Gleichzeitig finden sämtliche gesundheitlich oder konstruktiv kritischen Prozesse innerhalb des Technikraums beispielsweise eines Super- markts statt, ohne dass Hochdruckleitungen im Supermarkt selbst verlegt werden müssen. Darüber hinaus sind auch sämtliche potenziell gefährlichen Stoffe lediglich im Technikraum enthalten, wenn für die erste Wärmepumpenanordnung und für die zweite Wärmepumpenanordnung oder für eine von beiden Wärmepumpenanordnungen problematische Stoffe verwendet werden. Diese gelangen nicht aus dem Technikraum heraus in einen Flüssigkeitskreislauf, der z. B. durch den Supermarkt zum Rückkühler verläuft und von dort wieder zurückverläuft. Regardless of whether CO 2 is used as the working medium in the first heat pump assembly, and whether water is used as the working medium in the second heat pump assembly, this dual coupling results in significantly more efficient heat transfer from the first heat pump assembly to an environment, such heat transfer, for example is accomplished via another circuit with recooler. It is already achieved a temperature level reduction of the compressed working steam of the first heat pump assembly in the output side circuit of the second heat pump assembly. This initially cooled medium is then fed into the input-side circuit of the second heat pump arrangement, where it is finally cooled to the target temperature. This two-stage coupling leads, so to speak, to a self-regulation. Characterized in that the thermal coupler initially comprises the first heat exchanger, which is connected to the output circuit of the second heat pump assembly, a cooling of the compressed working medium of the first heat pump assembly takes place by a certain amount, for the second heat pump assembly still substantially no energy is expended got to. Only for the rest of the heat energy, which is not yet removed by the first heat exchanger, the second heat pump assembly must expend energy to bring about the input side heat exchanger of the second heat pump assembly then the working fluid of the first heat pump assembly to the target temperature. In implementations, the heat exchanger connected to the output section of the second heat pump assembly is additionally coupled to a recool, preferably via a third working medium circuit. Thus, a favorable working pressure can be selected for the recooler circuit, namely, for. As a relatively low pressure between 1 and 5 bar, and the medium in this cycle can be adapted to the specific needs, so z. B. have a water / glycol mixture, so as not to freeze in winter. At the same time, all health or constructively critical processes take place within the technical room of a supermarket, for example, without having to lay high-pressure pipes in the supermarket itself. In addition, all potentially hazardous substances are included only in the engine room when used for the first heat pump assembly and the second heat pump assembly or for one of the two heat pump assemblies problematic substances. These do not get out of the technical room out in a fluid circuit, the z. B. runs through the supermarket to the recooler and runs back from there.
Bei speziellen Implementierungen wird für die zweite Wärmepumpenanordnung eine Wärmepumpenanordnung mit einem Turboverdichter eingesetzt, der beispielsweise mit einem Radialrad betrieben wird. Durch relativ stufenlose Einstellung der Drehzahl des Radialrads kann eine Kühlleistung der zweiten Wärmepumpenanordnung eingestellt werden, die sich automatisch genau an die tatsächlichen Bedürfnisse anpasst. Eine solche Vorgehensweise ist mit einem üblichen Kolbenverdichter, wie er z. B. in der ersten Wärmepumpenanordnung eingesetzt werden kann, wenn C02 als Arbeitsmedium verwendet wird, oder wenn irgendein anderes Medium als Arbeitsmedium verwendet wird, nicht ohne Weiteres erreichbar. Dagegen erlaubt eine Wärmepumpenanordnung, die gewissermaßen stufenlos einstellbar ist, wie beispielsweise eine Wärmepumpenanordnung mit Turbokompressor, der vorzugsweise ein Radialrad aufweist, eine optimale und besonders effiziente Anpassung an den tatsächlich benötigen Kältebedarf. Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur, mit der der Rückkühler gekoppelt ist, derart niedrig ist, dass bereits die erste Wärmepumpenanlage ausreichend ist und im Falle von C02 im unterkritischen Bereich betrieben wird, so wird die zweite Wärmepumpenanordnung bei einem Ausführungsbeispiel keine Kälteleistung erzeugen müssen und daher auch keine elektrische Leistung konsumieren. Sind dagegen die Außentemperaturen, in denen der Rück- kühler angeordnet ist, in einem Zwischenbereich, so wird eine durch die Ankopplung bedingte automatische Verlagerung der prozentual nötigen Wärmeleistung vom zweiten Wärmetauscher auf den ersten Wärmetauscher, also auf die Eingangsseite der zweiten Wärmepumpenanordnung stattfinden. Je nach Ausführung der zweiten Warmepumpenanordnung, die als mehrstufige Warmepumpenanordnung mit oder ohne Freikühlungs no- dus betrieben werden kann, findet dann immer eine optimale Anpassung statt, dahin ge- hend, dass die zweite Wärmepumpenanordnung immer nur so viel Energie konsumiert, wie es tatsächlich nötig ist, um die erste Warmepumpenanordnung zu unterstützen und, am Beispiel von C02, im unterkritischen Bereich zu fahren. In specific implementations, a heat pump assembly with a turbocompressor is used for the second heat pump assembly, which is operated for example with a radial wheel. By relatively infinitely variable adjustment of the rotational speed of the radial wheel, a cooling capacity of the second heat pump arrangement can be set, which automatically adapts precisely to the actual needs. Such an approach is with a conventional reciprocating compressor, such as. B. can be used in the first heat pump assembly, when CO 2 is used as the working medium, or if any other medium is used as the working medium, not readily available. In contrast, allows a heat pump assembly, which is virtually infinitely adjustable, such as a heat pump assembly with turbocompressor, which preferably has a radial wheel, an optimal and particularly efficient adaptation to the actually required refrigeration demand. For example, if the ambient temperature to which the recooler is coupled is so low that even the first heat pump system is sufficient and operated in the subcritical region in the case of CO 2, the second heat pump assembly will not need to generate refrigeration power in one embodiment, and hence none Consume electrical power. If, on the other hand, the outside temperatures in which the rear cooler is arranged are in an intermediate range, then an automatic displacement of the heat output required as a percentage of the second becomes due to the coupling Heat exchanger on the first heat exchanger, so take place on the input side of the second heat pump assembly. Depending on the design of the second heat pump arrangement, which can be operated as a multistage heat pump arrangement with or without free cooling mode, optimal adaptation always takes place, to the effect that the second heat pump arrangement always consumes only as much energy as is actually necessary is to support the first heat pump assembly and, for the example of C02, to drive in the subcritical range.
Die Verschattung auf Eingangsseite und Ausgangsseite ist jedoch nicht nur für die Kom- bination von C02 als Arbeitsmedium einerseits und Wasser als Arbeitsmedium andererseits von Nutzen, sondern auch für beliebige andere Anwendungen, bei denen andere Arbeitsmedien eingesetzt werden, die in den geforderten Temperaturbereichen überkritisch werden können. Darüber hinaus ist die spezielle Kopplung einer sich selbst anpassenden zweiten Wärmepumpenanordnung mit einer ersten Wärmepumpenanordnung dann von besonderem Vorteil, wenn die erste Warmepumpenanordnung so konzipiert und ausgebildet ist, dass sie nicht oder nur grob steuerbar ist, also am besten und am effizientesten arbeitet, wenn sie immer gleich viel Wärmeleistung erzeugt. In einer Anwendung, in der diese Warmepumpenanordnung eigentlich variable Wärmeleistung erzeugen sollte, findet eine optimale Kopplung mit der zweiten Warmepumpenanordnung eingangsseitig und ausgangsseitig statt, so dass die zweite Warmepumpenanordnung, die feiner als die erste Wärmepumpenanordnung regelbar bzw. steuerbar ist und vorzugsweise stufenlos regelbar bzw. steuerbar ist, immer nur die Last aufwenden muss, die tatsächlich nötig ist. Die Grundlast bzw. konstante Last oder nur grob einstellbare Last wird damit von der ersten Wärmepumpenanordnung geliefert und der darüber hinaus gehende variable Teil wird variabel gesteuert von der zweiten Warmepumpenanordnung geliefert, unabhängig davon, ob die erste Wärmepumpenanordnung oder die zweite Wärmepumpenanordnung mit C02 oder Wasser als Arbeitsmedium laufen. However, the shading on the input side and output side is not only useful for the combination of CO 2 as the working medium on the one hand and water as the working medium on the other hand, but also for any other applications in which other working media are used which can become supercritical in the required temperature ranges , In addition, the special coupling of a self-adapting second heat pump assembly with a first heat pump assembly is particularly advantageous when the first heat pump assembly is designed and constructed so that it is not or only roughly controllable, that works best and most efficient when they always generates the same amount of heat output. In an application in which this heat pump arrangement should actually produce variable heat output, an optimal coupling with the second heat pump arrangement takes place on the input side and on the output side, so that the second heat pump arrangement, which is finer than the first heat pump arrangement controllable and preferably infinitely variable or is controllable, always only has to spend the load that is actually necessary. The base load, or only roughly adjustable load, is thus provided by the first heat pump assembly, and the additional variable portion is variably controlled by the second heat pump assembly, regardless of whether the first heat pump assembly or the second heat pump assembly is CO2 or water Run working medium.
Vorzugsweise weist eine Arbeitsflüssigkeit in der ersten Wärmepumpenanordnung C02 auf oder weist eine Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung Wasser auf. Ferner vorzugsweises weist die Arbeitsflüssigkeit in der ersten Wärmepumpenanordnung C02 auf und weist die Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung Wasser auf. Ferner vorzugsweise besteht die Arbeitsflüssigkeit in der ersten Warmepumpenanordnung im wesentlichen aus C02 und/oder besteht die Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung im wesentlichen aus Wasser. Vorzugsweise sind we- nigstens 90 % und noch bevorzugter wenigstens 98 % oder wenigstens 99% der Arbeits- fiüssigkeit aus Wasser bzw. C02. Preferably, a working fluid in the first heat pump assembly C02 or has a working fluid in the second heat pump assembly water. Further preferably, the working fluid in the first heat pump assembly C02 and has the working fluid in the second heat pump assembly water. Further preferably, the working fluid in the first heat pump assembly consists essentially of CO 2 and / or the working fluid in the second heat pump assembly consists essentially of water. Preferably, at least 90% and more preferably at least 98% or at least 99% of the working liquid of water or CO 2.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass bei einem besonders bevorzugten Ausfüh- rungsbeispie! die erste Wärmepumpenanordnung mit C02 betrieben wird, die zweite Wärmepumpenanordnung mit Wasser als Arbeitsmedium betrieben wird, und die Kopplung der beiden Wärmepumpenanordnungen über den ersten und den zweiten Wärmetauscher stattfindet, also eingangsseitig und ausgangsseitig. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgende Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen: In addition, it should be noted that in a particularly preferred embodiment example! the first heat pump arrangement is operated with CO 2, the second heat pump arrangement is operated with water as the working medium, and the coupling of the two heat pump arrangements via the first and the second heat exchanger takes place, ie on the input side and on the output side. Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1A ein Blockschaltbild eines Wärmepumpensystems mit einer ersten Wärme- pumpenanordnung mit C02 und einer zweiten Wärmepumpenanordnung mit Wasser als Arbeitsmedium gemäß einem ersten Aspekt; 1A is a block diagram of a heat pump system with a first heat pump arrangement with CO 2 and a second heat pump arrangement with water as the working medium according to a first aspect;
Fig. 1 B ein Wärmepumpensystem gemäß einem alternativen oder zusätzlichen zweiten Aspekt, bei dem die erste Wärmepumpenanordnung und die zweite Wärmepumpenanordnung über einen Koppler gekoppelt sind, der einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher aufweist; 1 B is a heat pump system according to an alternative or additional second aspect, wherein the first heat pump assembly and the second heat pump assembly are coupled via a coupler having a first heat exchanger and a second heat exchanger.
Fig. 2A eine detaillierte Darstellung einer ersten Wärmepumpenanordnung; Fig. 2A is a detailed illustration of a first heat pump arrangement;
Fig. 2B eine detaillierte Darstellung einer zweiten Wärmepumpenanordnung; Fig. 2B is a detailed view of a second heat pump assembly;
Fig. 2C ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels mit C02 als erstem Arbeitsmedium und Wasser als zweitem Arbeitsmedium und einer eingangs- seitigen und ausgangsseitigen Verschaltung; Fig. 2D eine detaillierte Darstellung des Koppiers zum thermischen Koppeln in Verbindung mit einem verflüssigerseitigen Wärmetauscher für einen Rückkühlerkreislauf; 2C shows a block diagram of an embodiment with CO 2 as the first working medium and water as the second working medium and an input-side and output-side interconnection; Fig. 2D is a detailed illustration of the coupler for thermal coupling in conjunction with a condenser-side heat exchanger for a recooler circuit;
Fig. 3A eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit in Kette geschalteter erster und weiterer Wärmepumpenstufe; eine schematische Darstellung von zwei fest in Kette geschalteten Wärmepumpenstufen; eine schematische Darstellung von mit steuerbaren Wegeschaltern gekoppelten in Kette geschalteten Wärmepumpenstufen. eine schematische Darstellung eines steuerbaren Wegemoduls mit drei3A is a schematic representation of a heat pump system with chain-connected first and further heat pump stage. a schematic representation of two fixed-chain heat pump stages; a schematic representation of coupled with controllable directional switches in chain heat pump stages. a schematic representation of a controllable Wegemoduls with three
Eingängen und drei Ausgängen; eine Tabelle zur Darstellung der verschiedenen Verbindungen des steuerbaren Wegemoduls für verschiedene Betriebsmodi; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage von Fig. 4A mit zusätzlichem selbstregelndem Flüssigkeitsausgleich zwischen den Wärmepumpenstufen; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Hochleistungsmodus (HLM) betrieben wird; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Mittelleistungsmodus (MKM) betrieben wird; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Freikühlungsmodus (FKM) betrieben wird; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Niederleistungsmodus (NLM) betrieben wird; eine Tabelle zur Darstellung der Betnebszustände diverser Komponenten in den verschiedenen Betriebsmodi; eine Tabelle zur Darstellung der Betnebszustände der beiden gekoppelten steuerbaren 2x2-Wegeschalter; Fig. 7C eine Tabelle zur Darstellung der Temperaturbereiche, für die die Betriebsmodi geeignet sind; Fig. 7D eine schematische Darstellung der Grob/Fein-Steuerung über die Betriebsmodi einerseits und die Drehzahlsteuerung andererseits; Fig. 8A eine schematische Darstellung einer bekannten Wärmepumpenanlage mit Inputs and three outputs; a table showing the various connections of the controllable road module for different modes of operation; a schematic representation of the heat pump system of Figure 4A with additional self-regulating liquid equalization between the heat pump stages. a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in the high performance mode (HLM); a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in the middle power mode (MKM); a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in free cooling mode (FKM); a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in low power mode (NLM); a table showing the states of various components in the various operating modes; a table showing the Betnebszustände the two coupled controllable 2x2-way switch; Fig. 7C is a table showing the temperature ranges for which the operation modes are appropriate; 7D is a schematic representation of the coarse / fine control over the operating modes on the one hand and the speed control on the other. 8A is a schematic representation of a known heat pump system with
Wasser als Arbeitsmittel;  Water as work equipment;
Fig. 8B eine Tabelle zur Darstellung verschiedener Druck/Temperatursituationen für Wasser als Arbeitsflüssigkeit; und 8B is a table showing various pressure / temperature situations for water as working fluid; and
Fig. 9 eine kaskadierte Kälteanlage mit C02-Wärmepumpenanordnung und NH3-9 shows a cascaded refrigeration system with C02 heat pump arrangement and NH3
Wärmepumpenanordnung. Heat pump arrangement.
Fig. 1 A zeigt ein Wärmepumpensystem gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, das eine erste Wärmepumpenanordnung 101 aufweist, die ausgebildet ist, um mit einem ersten Wärmepumpenmedium zu arbeiten, das C02 aufweist. Ferner umfasst das Wärmepumpensystem eine zweite Wärmepumpenanordnung, die ausgebildet ist, um mit einem zweiten Wärmepumpenmedium zu arbeiten, das Wasser (H20) aufweist. Die zweite Wärmepumpenanordnung ist mit 102 bezeichnet. Die erste Wärmepumpenanord- nung 101 und die zweite Wärmepumpenanordnung 102 sind über einen Koppler 103 zum thermischen Koppeln der ersten Wärmepumpenanordnung 101 und der zweiten Wärmepumpenanordnung 102 gekoppelt. FIG. 1A shows a heat pump system according to a first aspect of the present invention including a first heat pump assembly 101 configured to operate with a first heat pump medium having CO 2. Further, the heat pump system includes a second heat pump assembly configured to operate with a second heat pump medium having water (H20). The second heat pump arrangement is designated by 102. The first heat pump assembly 101 and the second heat pump assembly 102 are coupled via a coupler 103 for thermally coupling the first heat pump assembly 101 and the second heat pump assembly 102.
Der Koppler kann beliebig ausgestaltet sein, nämlich beispielsweise so, wie der Wärme- tauscher von Fig. 9, dahin gehend, dass der Verflüssiger der ersten Wärmepumpenanordnung 101 mit dem Verdampfer der zweiten Wärmepumpenanordnung 102 über einen Wärmetauscher gekoppelt ist. Alternativ kann je nach Implementierung auch eine andere Art und Weise der Kopplung stattfinden, z.B. eine ausgangsseitige Kopplung, dahin gehend, dass ein Verdichterausgang der ersten Wärmepumpenanordnung mit einem Ver- flüssigerausgang der zweiten Wärmepumpenanordnung gekoppelt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine eingangsseitige und eine ausgangsseitige Kopplung eingesetzt werden, wie es beispielsweise in Fig. 1 B für beliebige Wärmepumpenmedien gezeigt ist. Fig. 1 B zeigt gemäß einem zweiten Aspekt eine erste Wärmepumpenanordnung 1 1 1 , die einen Verdichter mit einem Verdichterausgang aufweist, wobei ein Verdichter z.B. bei 1 12 in Fig. 2A gezeigt ist, und wobei der Verdichterausgang bei 1 13 in Fig. 2A dargestellt ist. Darüber hinaus umfasst das Wärmepumpensystem von Fig. 1 B eine zweite Wärmepumpenanordnung 1 14, die einen Eingangsabschnitt 1 14a und einen Ausgangsabschnitt 1 14b aufweist. Darüber hinaus ist ein Koppler 1 15 vorgesehen, um die erste Wärmepumpena- nordnung 1 1 1 und die zweite Wärmepumpenanordnung 1 14 miteinander zu koppeln. Bei dem in Fig. 1 B gezeigten Aspekt umfasst der Koppler 1 15 einen ersten Wärmetauscher 1 15a und einen zweiten Wärmetauscher 1 15b. Der erste Wärmetauscher 1 15a ist mit dem Eingangsabschnitt 1 14a der zweiten Wärmepumpenanordnung verbunden. Ferner ist der zweite Wärmetauscher 1 15b mit dem Ausgangsabschnitt 1 14b der zweiten Wär- mepumpenanordnung verbunden. In einer Implementierung können die beiden Wärmetauscher 1 15a, 1 15b auch untereinander verbunden sein, wie es bei 1 15c gezeigt ist. The coupler can be configured as desired, for example as in the case of the heat exchanger of FIG. 9, in that the liquefier of the first heat pump arrangement 101 is coupled to the evaporator of the second heat pump arrangement 102 via a heat exchanger. Alternatively, depending on the implementation, another way of coupling may take place, eg an output-side coupling, to the effect that a compressor output of the first heat pump arrangement is coupled to a liquefier output of the second heat pump arrangement. In other embodiments, an input-side and an output-side coupling can be used, as shown for example in Fig. 1 B for any heat pump media. 1 B shows, according to a second aspect, a first heat pump arrangement 1 1 1, which has a compressor with a compressor outlet, wherein a compressor, for example at 1 12 is shown in Fig. 2A, and wherein the compressor output at 1 13 in Fig. 2A is shown. In addition, the heat pump system of Fig. 1B includes a second heat pump assembly 14 which has an input portion 14a and an output portion 14b. In addition, a coupler 15 is provided in order to couple the first heat pump arrangement 1111 and the second heat pump arrangement 114. In the aspect shown in FIG. 1B, the coupler 1 15 comprises a first heat exchanger 15a and a second heat exchanger 15b. The first heat exchanger 15a is connected to the inlet section 14a of the second heat pump arrangement. Furthermore, the second heat exchanger 15b is connected to the outlet section 14b of the second heat pump arrangement. In one implementation, the two heat exchangers 15a, 15b may also be interconnected, as shown at 15c.
Fig. 2A zeigt eine detailliertere Darstellung der ersten Wärmepumpenanordnung 101 oder 1 1 1. Insbesondere umfasst die erste Wärmepumpenanordnung bei der in Fig. 2A gezeig- ten Darstellung einen Verdampfer 1 16 und eine Drossel 1 17. In einem später noch dargestellten Verflüssigungsprozess verflüssigte Arbeitsflüssigkeit wird in die Drossel 1 17 eingespeist, und ihr Druckniveau wird auf das niedrigere Druckniveau am Eingang des Verdampfers 1 16 gebracht. Der Verdampfer umfasst ferner einen Verdampferzulauf 1 16a, über den eine zu kühlende Arbeitsflüssigkeit der ersten Wärmepumpenanordnung in den Verdampfer 1 16 eingespeist wird. Ferner umfasst der Verdampfer 116 einen Verdampferablauf 116b, über den gekühlte Arbeitsflüssigkeit aus dem Verdampfer 1 16 in ein zu kühlendes Gebiet gebracht wird, das z.B. ein Kühlbereich in einem Supermarkt ist. Je nach Implementierung kann der Verdampfereinlass bzw. Zulauf 1 16a und der Verdampferauslass bzw. Ablauf 1 16b direkt mit dem zu kühlenden Gebiet gekoppelt sein oder aber über einen Wärmetauscher mit einem zu kühlenden Gebiet gekoppelt sein, so dass, am Beispiel von C02, das flüssige C02 nicht direkt in einem Kühlregal in entsprechenden Leitungen zirkuliert, sondern über einen Wärmetauscher ein anderes flüssiges Medium kühlt, das dann in den entsprechen- den Leitungen eines Kühlregals oder einer Kühltruhe in einem Supermarkt beispielsweise zirkuliert. FIG. 2A shows a more detailed illustration of the first heat pump arrangement 101 or 11. In particular, the first heat pump arrangement in the illustration shown in FIG. 2A comprises an evaporator 16 and a throttle 17. In a liquefaction process which will be described later, liquefied working fluid will become fed to the throttle 1 17, and its pressure level is brought to the lower pressure level at the entrance of the evaporator 1 16. The evaporator further comprises an evaporator inlet 1 16a, via which a working fluid to be cooled of the first heat pump arrangement is fed into the evaporator 16 1. Further, the evaporator 116 comprises an evaporator effluent 116b through which cooled working liquid from the evaporator 16 is brought into a region to be cooled, e.g. is a refrigerated area in a supermarket. Depending on the implementation of the evaporator inlet or inlet 1 16a and the evaporator outlet or outlet 1 16b be coupled directly to the area to be cooled or be coupled via a heat exchanger with a region to be cooled, so that, for the example of C02, the liquid C02 is not circulated directly in a cooling rack in corresponding lines, but via a heat exchanger another liquid medium cools, which then circulates in the corresponding lines of a refrigerated shelf or a freezer in a supermarket, for example.
Fig. 2B zeigt eine Implementierung einer zweiten Wärmepumpenanordnung, die einen Verdampfer 120, einen Verdichter 121 und einen Verflüssiger 122 umfasst. Der Verdamp- fer 120 umfasst einen Verdampfereinlass 120a und einen Verdampferauslass 120b. Darüber hinaus umfasst der Verflüssiger 122 einen Verflüssigereinlass 122a und einen Ver- flüssigerauslass 122b. Am verdampferseitigen Ende der Wärmepumpenanordnung von Fig. 2B befindet sich der Eingangsabschnitt 1 14a, der mit dem ersten Wärmetauscher 1 15a des Kopplers 1 15 von Fig. 1 B gekoppelt ist. Darüber hinaus stellt das verflüssiger- seitige Ende der zweiten Wärmepumpenanordnung beispielhaft in Fig. 2B rechts gezeigt, den Ausgangsabschnitt 1 14b dar. Der Verflüssiger 122 und der Verdampfer 120 sind ferner über eine Drossel 123 miteinander verbunden, um verflüssigte Arbeitsflüssigkeit wieder zurück in den Verdampfer 120 zu bringen. FIG. 2B shows an implementation of a second heat pump assembly that includes an evaporator 120, a compressor 121, and a condenser 122. The evaporator 120 includes an evaporator inlet 120a and an evaporator outlet 120b. In addition, the condenser 122 includes a condenser inlet 122a and a condenser inlet 122a. liquid outlet 122b. At the evaporator-side end of the heat pump arrangement of FIG. 2B is the input section 1 14a, which is coupled to the first heat exchanger 15a of the coupler 15 of FIG. 1B. In addition, the condenser-side end of the second heat pump arrangement is shown by way of example in FIG. 2B to the right, the output section 1 14b. The condenser 122 and the evaporator 120 are also connected to one another via a throttle 123 to return liquefied working fluid back into the evaporator 120 bring to.
Die zweite Wärmepumpenanordnung umfasst bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ferner eine Steuerung 124, die ausgebildet ist, um eine Temperatur im Eingangsabschnitt 1 14a und/oder eine Temperatur im Ausgangsabschnitt 1 14b zu erfassen. Hierfür kann eine Erfassung im Verdampferzulauf 120a, wie es bei 124a gezeigt ist, oder eine Erfassung im Verdampferablauf 120b, wie es bei 124b gezeigt ist, eine Temperaturerfassung im Verflüssigerzulauf 122a, wie es bei 124c gezeigt ist, oder eine Temperaturerfassung im Verflüssigerablauf, wie es bei 124d gezeigt ist, stattfinden. Abhängig von den erfassten Temperaturen ist die Steuerung 124 ausgebildet, um den Verdichter 121 zu steuern, der vorzugsweise ein Turboverdichter mit einem Radialrad ist. Zu diesem Zweck wird bei einer einstufigen zweiten Wärmepumpenanordnung bei dem Vorliegen einer Situation, bei der mehr Kühlleistung benötigt wird, die Drehzahl des Radialrads im Verdichter 121 über eine Steuerleitung 125 erhöht, oder es wird, wie es noch bezogen auf die Figuren 3A-7D dargestellt wird, eine Betriebsmodusumschaltung vorgenommen, um von einem Nieder- leistungsmodus (NLM), bei steigender Leistung in einen Freikühlungsmodus (FKM) und bei weiter steigender Leistung in einen Mittelleistungsmodus (MLM) und bei noch weiter steigender Leistung in einen Hochleistungsmodus (HLM) und jeweils umgekehrt zu ge- hen, wie es anhand von Fig. 7D dargestellt ist und später noch erläutert wird. The second heat pump assembly further includes, in preferred embodiments, a controller 124 configured to detect a temperature in the input portion 14a and / or a temperature in the output portion 14b. For this, a detection in the evaporator inlet 120a, as shown at 124a, or a detection in the evaporator outlet 120b, as shown at 124b, a temperature detection in the condenser inlet 122a, as shown at 124c, or a temperature detection in the condenser, as it at 124d, take place. Depending on the sensed temperatures, the controller 124 is configured to control the compressor 121, which is preferably a turbocompressor having a radial wheel. For this purpose, in a single-stage second heat pump arrangement in the presence of a situation in which more cooling power is needed, the speed of the radial wheel in the compressor 121 is increased via a control line 125, or it will, as still with reference to Figures 3A-7D operating mode switching is made to switch from a low power mode (NLM), to a free cooling mode (FKM) with increasing power, to a mid power mode (MLM) and further increasing power to a high power mode (HLM) and respectively vice versa, as shown with reference to FIG. 7D and will be explained later.
Fig. 2C zeigt ein Wärmepumpensystem, bei dem in der ersten Wärmepumpenanordnung 101/1 1 1 C02 als Arbeitsmedium verwendet wird, während in der zweiten Wärmepumpenanordnung 102/1 14 Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird. Wasser wird in der Wärmepumpentechnik auch als R718 bezeichnet. Fig. 2C shows a heat pump system in which 1 1 CO 2 is used as the working medium in the first heat pump assembly 101/1, while in the second heat pump assembly 102/1 14 water is used as the working medium. Water is also called R718 in heat pump technology.
Die erste Wärmepumpenanlage 101/1 1 1 , die in Fig. 2C als„C02-Kälteanlage" bezeichnet wird, ist über einen Koppler mit der zweiten Wärmepumpenanlage 102/1 14 thermisch gekoppelt. Bei dem in Fig. 2C gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Koppler aus dem ersten Wärmetauscher 1 15a und dem zweiten Wärmetauscher 1 15b. Darüber hinaus ist bei dem in Fig. 2C gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiei ein dritter Kreislauf vorgesehen, der einen ausgangsseitigen Wärmetauscher 130 und einen Rückkühler 131 aufweist. Der Rückkühler 131 ist bei dem beispielhaften Anwendungsszenario, bei dem ein Supermarkt betrachtet wird, auf dem Dach oder auf der Nordseite im Schatten des Supermarktgebäudes angeordnet. Dort ist typischerweise ein Ventilator angeordnet, der einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher anbläst, um eine gute Wärmeübertragung von dem Rückkühler 131 in die Umgebung zu erreichen. The first heat pump system 101/1 1 1, which is referred to as "CO 2 refrigeration system" in Fig. 2C, is thermally coupled via a coupler to the second heat pump system 102/1 14. In the embodiment shown in Fig. 2C, the coupler is made the first heat exchanger 15a and the second heat exchanger 15b. In addition, in the preferred embodiment shown in FIG. 2C, a third circuit is provided, which has an output-side heat exchanger 130 and a recooler 131. The recooler 131 is disposed on the roof or on the north side in the shadow of the supermarket building in the exemplary application scenario where a supermarket is viewed. There, a fan is typically arranged, which blows a liquid-to-air heat exchanger in order to achieve a good heat transfer from the recooler 131 into the environment.
Fig. 2C zeigt beispielhafte Temperaturen. Ein C02-Gas, das verdichtet worden ist und beispielsweise bei einem Druck von 70 bar und einer Temperatur von 70 °C vorliegt, wird in den zweiten Wärmetauscher 1 15b eingespeist. Beispielhafte ausgangsseitige Temperaturen des zweiten Wärmetauscher 1 15b liegen im Bereich von vielleicht 48 °C. Über eine Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Wärmetauscher 1 15b und dem ersten Wärmetauscher 1 15a, die in Fig. 2C und Fig. 1 B mit 1 15c bezeichnet ist, fließt das bereits abgekühlte, jedoch immer noch gasförmige C02 in den ersten Wärmetauscher 1 15a, wo es dann mit einer Temperatur von etwa 22 °C ausgegeben wird. Dies bedeutet, dass eine eigentliche Verflüssigung des C02-Gases bei den in Fig. 2C gezeigten Betriebstemperaturen erst im ersten Wärmetauscher 1 15a stattfindet, während jedoch im zweiten Wärmetauscher 1 15b bereits eine Abkühlung des Gases von über 20 °C stattfindet. Fig. 2C shows exemplary temperatures. A C02 gas that has been compressed and is, for example, at a pressure of 70 bar and a temperature of 70 ° C, is fed into the second heat exchanger 15b. Exemplary output-side temperatures of the second heat exchanger 15b are in the range of perhaps 48 ° C. Via a connecting line between the second heat exchanger 15b and the first heat exchanger 15a, which is designated 15c in FIG. 2C and FIG. 1B, the already cooled but still gaseous CO2 flows into the first heat exchanger 15a, where it is then output at a temperature of about 22 ° C. This means that an actual liquefaction of the CO 2 gas takes place only in the first heat exchanger 15a at the operating temperatures shown in FIG. 2C, whereas in the second heat exchanger 15b a cooling of the gas already takes place above 20 ° C.
In der zweiten Wärmepumpenanordnung 102/1 14 wird Wasser als Medium verwendet. Die Abtrennung des Wasserkreislaufes nach außen findet eingangsseitig durch den ersten Wärmetauscher 1 15a und ausgangsseitig durch den weiteren Wärmetauscher 130 statt. Dies ermöglicht es, dass im dritten Kreislauf bzw. dem Rückkühlerkreislauf wieder ein anderer Druck verwendet werden kann, nämlich ein gut handhabbarer Druck zwischen 1 und 5 bar. Ferner wird als Medium im dritten Kreislauf vorzugsweise ein Wasser/Glykoi- Gemisch verwendet. Der Ausgang des zweiten Wärmetauschers 1 15b auf Sekundärseite des Wärmetauscher 1 15b ist mit einem Eingang 131 a des Rückkühlers 131 verbunden. Der Ausgang des Rückkühlers, der aufgrund der Wärmeabgabe an die Umgebung nur noch bei einer Temperatur von beispielsweise 40 °C liegt und mit 131 b gezeichnet ist, geht durch den weiteren Wärmetauscher 130 in einen sekundärseitigen Eingang des zweiten Wärmetauscher 1 15b. Das in dem Rückkühlerkreislauf zirkulierende flüssige Medium wird im Wärmetauscher 130 auf eine Temperatur von beispielsweise 46 °C aufgrund der Abwärme der zweiten Wärmepumpenanordnung gebracht. Hierbei ist beispielsweise der Verflüssiger 22 von Fig. 2B, der in Fig. 2C nicht extra gezeigt ist, mit dem weiteren Wärmetauscher 130 gekoppelt. Alternativ und bezugnehmend auf die Fig. 6A bis 6D ent- spricht der Wärmetauscher 130 in Fig. 2C dem Wärmetauscher WTW 214 von Fig. 6A bis 6D. In the second heat pump assembly 102/1 14, water is used as the medium. The separation of the water cycle to the outside is the input side through the first heat exchanger 1 15a and the output side by the other heat exchanger 130 instead. This makes it possible for another pressure to be used in the third circuit or the recooler circuit again, namely a pressure which can be handled well between 1 and 5 bar. Further, as the medium in the third cycle, preferably a water / glyco-mixture is used. The output of the second heat exchanger 1 15 b on the secondary side of the heat exchanger 1 15 b is connected to an input 131 a of the rear cooler 131. The output of the recooler, which is due to the heat transfer to the environment only at a temperature of for example 40 ° C and drawn at 131 b, passes through the further heat exchanger 130 in a secondary-side input of the second heat exchanger 1 15b. The circulating in the recooler liquid medium is brought in the heat exchanger 130 to a temperature of for example 46 ° C due to the waste heat of the second heat pump assembly. Here, for example, the condenser 22 of FIG. 2B, which is not shown separately in FIG. 2C, is coupled to the further heat exchanger 130. Alternatively and with reference to FIGS. 6A to 6D, The heat exchanger 130 in Fig. 2C is the heat exchanger WTW 214 of Figs. 6A to 6D.
Damit wird der Rückkühler-Kreislauf sowohl von der zweiten Wärmepumpenanordnung 102/1 14 als auch von der ersten Wärmepumpenanordnung 101/1 1 1 mit Abwärme versorgt. Thus, the recooler circuit is supplied both by the second heat pump assembly 102/1 14 and by the first heat pump assembly 101/1 1 1 with waste heat.
Fig. 2D zeigt eine detailliertere Darstellung der Wärmetauscher von Fig. 1 B bzw. 2C. Der erste Wärmetauscher umfasst eine Primärseite mit einem primärseitigen Eingang 1 15c und einem primärseitigen Ausgang 132. Darüber hinaus ist die Sekundärseite des ersten Wärmetauschers 1 15a mit dem Verdampfer einer einstufigen Wärmepumpe verbunden oder aber mit jeweiligem Umschaltern auf einer Eingangsseitige der Wärmepumpe, um die diversen Modi, wie sie in den Fig. 6A bis 6D dargestellt sind, durchführen zu können. Der Eingangsabschnitt der zweiten Wärmepumpenanordnung umfasst somit im Falle ei- ner einstufigen Wärmepumpe, bei der lediglich die Drehzahl des Verdichters steuerbar ist, jedoch keine Modusumschaltung erreichbar ist, den Verdampferablauf 120b und den Verdampferzulauf 120a, wie es in Fig. 2D eingezeichnet ist. Wenn jedoch eine vorzugsweise zweistufige Wärmepumpenanordnung verwendet wird, die eine erste Stufe und eine zweite Stufe hat, und die beispielsweise in zwei oder mehr und z. B. bis zu vier Modi betrieben werden kann, wie sie Bezug nehmend auf Fig. 7A-7D dargestellt sind, umfasst der Eingangsabschnitt die mit dem„WTK" bzw.„Wärmetauscher-Kalt", der in den Fig. 6A-6D mit 212 bezeichnet ist, verbundenen Leitungen 401 , 230. Ferner umfasst der Ausgangsabschnitt dann die mit dem„WTW" bzw.„Wärmetauscher-Warm", der in den Fig. 6A-6D mit 214 bezeichnet ist, verbundenen Leitungen 402, 340. FIG. 2D shows a more detailed illustration of the heat exchangers of FIGS. 1B and 2C. The first heat exchanger comprises a primary side with a primary-side inlet 15c and a primary-side outlet 132. In addition, the secondary side of the first heat exchanger 15a is connected to the evaporator of a single-stage heat pump or with respective switching on an input side of the heat pump to the various modes , as shown in Figs. 6A to 6D, to perform. The input section of the second heat pump arrangement thus comprises, in the case of a single-stage heat pump, in which only the speed of the compressor is controllable, but no mode switching is achievable, the evaporator outlet 120b and the evaporator inlet 120a, as shown in Fig. 2D. However, if a preferably two-stage heat pump assembly is used, which has a first stage and a second stage, and which, for example, in two or more and z. For example, as shown in FIGS. 7A-7D, the input section may include those having the "WTK" or "Heat Exchanger Cold" which is 212 in FIGS. 6A-6D Further, the output section then includes the lines 402, 340 connected to the "WTW" and "heat exchanger hot", respectively, labeled 214 in Figs. 6A-6D.
Insbesondere stellt bei einer bevorzugten Implementierung der Wärmetauscher-Kalt 212 in den Fig. 6A-6D den Wärmetauscher 1 15a von Fig. 2D dar, und stellt der zweite Wärmetauscher„WTW" 214 von Fig. 6A bis 6D den weiteren Wärmetauscher 130 von Fig. 2D dar. In particular, in a preferred implementation of the cold heat exchanger 212 in FIGS. 6A-6D, the heat exchanger 15a of FIG. 2D is shown, and the second heat exchanger "WTW" 214 of FIGS. 6A-6D constitutes the further heat exchanger 130 of FIG. 2D dar.
In einer Implementierung kann jedoch ohne Weiteres ein weiterer Wärmetauscher zwischen dem Wärmetauscher WTK 212 von Fig. 6A bis 6D und dem ersten Wärmetauscher 1 15a angeordnet sein, oder kann ein weiterer Wärmetauscher zwischen dem Wärmetauscher WTW 214 von Fig. 6A bis 6D und dem weiteren Wärmetauscher 130 angeordnet sein, um die innere Wärmepumpenanordnung von dem ersten Wärmetauscher und/oder dem weiteren Wärmetauscher bzw. dem dritten Kreislauf zwischen dem weiteren Wärmetauscher 130 und dem Rückkühler 131 von Fig. 2C weiter zu entkoppeln. However, in one implementation, another heat exchanger may readily be disposed between the heat exchanger WTK 212 of FIGS. 6A-6D and the first heat exchanger 15a, or another heat exchanger may be disposed between the heat exchanger WTW 214 of FIGS. 6A-6D and the further heat exchanger 130 may be arranged to the inner heat pump assembly of the first heat exchanger and / or the further heat exchanger or the third circuit between the further heat exchanger 130 and the recooler 131 of Fig. 2C further decouple.
Dies bedeutet, dass mit dem ersten Wärmetauscher daher nicht unbedingt der Verdamp- ferablauf 120b und dem Verdampferzulauf 120a verbunden sein müssen, sondern alternativ, die Leitungen 401 , 230 von Fig. 6A bis 6D, die je nach Stellung der Schalter 421 , 422 mit entsprechenden Anschlüssen/weiteren Leitungen verbunden werden, um unterschiedliche Betriebsmodi zu erreichen. Analog ist der Ausgangsabschnitt 1 14b der zweiten Wärmepumpenanordnung ausgebildet. Der Ausgangsabschnitt muss nicht unbedingt mit dem Verflüssigerzulauf und dem Verflüssigerablauf verbunden sein, sondern kann mit den Leitungen 402, 340 von Fig. 6A bis 6D verbunden sein, die dann je nach Zustand/Schaltmodus über die Umschalter 421 , 422 mit entsprechenden anderen Komponenten gekoppelt sind, wie es aus den Fig. 6A bis 6D hervorgeht. This means that the evaporator outlet 120b and the evaporator inlet 120a need not necessarily be connected to the first heat exchanger, but alternatively, the lines 401, 230 of FIGS. 6A to 6D, which correspond to the position of the switches 421, 422, respectively Connections / other lines are connected to achieve different operating modes. Analogously, the output section 1 14b of the second heat pump arrangement is formed. The output section need not necessarily be connected to the condenser inlet and the condenser outlet, but may be connected to the lines 402, 340 of FIGS. 6A to 6D, which are then coupled to corresponding other components depending on the state / switching mode via the switches 421, 422 as shown in FIGS. 6A to 6D.
Darüber hinaus umfasst der zweite Wärmetauscher 1 15b ebenfalls eine Primärseite mit einem Primäreingang 1 13, der vorzugsweise mit dem Verdichterausgang 1 13 der ersten Wärmepumpenanordnung gekoppelt ist, und einen primärseitigen Ausgang 15c, der mit einem primärseitigen Eingang des ersten Wärmetauschers 1 15a gekoppelt ist. In addition, the second heat exchanger 1 15b also comprises a primary side with a primary input 1 13, which is preferably coupled to the compressor output 1 13 of the first heat pump assembly, and a primary-side output 15 c, which is coupled to a primary-side input of the first heat exchanger 1 15 a.
Die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers umfasst einen sekundärseitigen Eingang 134, der mit einem primärseitigen Ausgang des weiteren Wärmetauschers 130 gekoppelt ist. Der sekundärseitige Ausgang 131 a des zweiten Wärmetauschers 1 15b wiederum ist mit einem Eingang 131 a des Rückkühlers 131 verbunden. Der Ausgang 131 b des Rück- kühlers wiederum ist mit dem primärseitigen Eingang des weiteren Wärmetauschers 130 verbunden, wie es in Fig. 2D gezeigt ist. The secondary side of the second heat exchanger comprises a secondary-side inlet 134, which is coupled to a primary-side outlet of the further heat exchanger 130. The secondary-side output 131 a of the second heat exchanger 1 15 b in turn is connected to an input 131 a of the recooler 131. The outlet 131b of the rear cooler is in turn connected to the primary-side inlet of the further heat exchanger 130, as shown in FIG. 2D.
Wie es bereits dargelegt worden ist, erreichen die erfindungsgemäßen Wärmepumpen- Systeme gemäß den beiden Aspekten, dass insbesondere eine Kälteanlage, also ein Wärmepumpensystem zum Kühlen, konstruktiv möglichst einfach gestaltet wird, dass die Nachteile der Umweltschädlichkeit, der Gefährlichkeit, der Leistungseffizienz oder des apparativen Aufbaus zumindest teilweise einzeln oder in Kombination ausgeräumt werden. Hierzu wird eine Kälteanlage gemäß dem ersten Aspekt bezüglich der Kaskadierung von C02 und Wasser eingesetzt, oder ein Wärmepumpensystem gemäß dem zweiten Aspekt, bei der eine eingangs- und ausgangsseitige Kopplung von zwei Wärmepumpenstufen, die mit beliebigen Arbeitsmedien betrieben werden, erreicht wird, wobei vorzugsweise beide Aspekte in Kombination eingesetzt werden, dass also die Kopplung der C02- Wärmepumpe und der Wasser-Wärmepumpe über einen eingangsseitigen und aus- gangsseitigen Wärmetauscher stattfindet. As has already been explained, the heat pump systems according to the invention achieve according to the two aspects that, in particular, a refrigeration system, ie a heat pump system for cooling, is made structurally as simple as possible, that the disadvantages of environmental damage, the danger, the power efficiency or the apparatus construction be at least partially eliminated individually or in combination. For this purpose, a refrigeration system according to the first aspect with respect to the cascading of CO 2 and water is used, or a heat pump system according to the second aspect, in which an input and output side coupling of two heat pump stages, which are operated with any working media, is achieved, preferably both Aspects can be used in combination, ie that the coupling of the C02 heat pump and the water heat pump takes place via an input-side and output-side heat exchanger.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erreichen, dass ein effizienter Betrieb der C02-Kälteanlage bei hohen Umgebungstemperaturen von beispielsweise über 30 °C erreicht wird, und zwar anders als vom Stand der Technik vorgeschlagen, keine technisch aufwändigen Lösungen notwendig sind. Statt dessen wird bei hohen Außentemperaturen eine unaufwändig realisierbare Vorkühlung eingesetzt. Hierzu wird gemäß einem Aspekt die C02-Kälteanlage für eine Wärmeabfuhr mit einem Kühlsystem mit Wasser als Kältemittel thermisch gekoppelt. Die C02-Kälteanlage wird mittels eines Wärmeübertragers thermisch mit dem Kühlsystem gekoppelt. Hierdurch kann auf konstruktiv einfache Weise eine Wärmeabfuhr von der C02-Kälteanlage und somit eine effektive Vorkühlung erreicht werden. Embodiments of the present invention achieve that an efficient operation of the CO 2 refrigeration system is achieved at high ambient temperatures of, for example, above 30 ° C., and unlike the prior art proposed, no technically complex solutions are necessary. Instead, at low outside temperatures an inexpensive pre-cooling is used. For this purpose, according to one aspect, the C02 refrigeration system for heat dissipation is thermally coupled with a cooling system with water as the refrigerant. The C02 refrigeration system is thermally coupled to the refrigeration system by means of a heat exchanger. As a result, in a structurally simple manner, a heat dissipation from the C02 refrigeration system and thus an effective pre-cooling can be achieved.
Damit wird erreicht, dass Kondensationstemperaturen stets unter 25 °C gesenkt werden können, so dass der C02-Prozess ganzjährig unterkritisch, und damit gleichzeitig effizient realisiert wird. Technisch aufwändige Lösungen, wie beispielsweise zusätzliche oder leistungsfähige Verdichter bzw. weitere, die C02-Kälteanlage verkomplizierenden Kompo- nenten können so entfallen und die Rückkühlung der Gesamtanlage erfolgt ganzjährig bei einem Druck, wie er bei derartigen Anlagen üblicherweise im Rückkühlkreis mit Wasser oder in einem Wasser-Rückkühl-Gemisch, je nach Temperatur des Aufstellorts, herrscht. Die Gesamtanlage kann so kompakt und mit einer geringen C02-Füllmenge realisiert werden. This ensures that condensation temperatures can always be reduced below 25 ° C, so that the C02 process is subcritical all year round, and thus simultaneously realized efficiently. Technically complex solutions, such as additional or powerful compressors or other, the C02 refrigeration complicating components can be omitted and the recooling of the entire system is carried out all year at a pressure, as in such systems usually in the recooling circuit with water or in a water - Recirculation mixture, depending on the temperature of the installation, prevails. The entire system can be realized so compact and with a low C02-Füllmenge.
Bei dieser Lösung ergibt sich ein kompaktes Gesamtsystem, bei dem die gesamte Rückkühlwärme über ein Wasser bzw. Wasser-Sole-Gemisch an die Umgebung abgegeben wird. Kühler des C02-Prozesses besteht aus den beiden Wärmetauschern 1 15a, 1 15b, wobei bei geringen Außentemperaturen die gesamte Rückkühlieistungen zuerst vom C02 durchströmten Wärmeübertrager, also dem zweiten Wärmeübertrager 1 15b an den Rückkühlkreislauf mit dem Rückkühler 131 von Fig. 2C beispielsweise übertragen wird. Mit steigenden Temperaturen im Rückkühikreislauf wird auch im ersten Wärmeübertrager, d.h. dem ersten Wärmetauscher 1 15a, der mit der zweiten Wärmepumpenanordnung 102/1 14 zur Vorkühlung gekoppelt ist, Wärme vom C02-Kreislauf abgegeben, so dass eine Temperatur von beispielsweise 22 °C hinter dem ersten Wärmeübertrager nie über- schritten wird, wie es beispielhaft in Fig. 2C dargelegt ist. This solution results in a compact overall system, in which the entire heat of recooling is discharged via a water or water-brine mixture to the environment. Cooler of the C02 process consists of the two heat exchangers 1 15a, 1 15b, wherein at low outside temperatures, the entire Rückkühlieistungen first by C02 flowed heat exchanger, ie the second heat exchanger 1 15b is transferred to the recooling circuit with the recooler 131 of FIG. 2C, for example. With rising temperatures in Rückkühikreislauf is also in the first heat exchanger, ie the first heat exchanger 1 15a, which is coupled to the second heat pump assembly 102/1 14 for pre-cooling, released heat from the C02 cycle, so that a temperature of for example 22 ° C behind the first Heat exchanger is never exceeded, as it is exemplified in Fig. 2C.
Mit steigender Temperatur im Rückkühlkreislauf verschiebt sich die Rückkühlleistung vom zweiten durchströmten Wärmeübertrager auf den ersten. Bei Temperaturen im Rückkühlkreislauf, die es ermöglichen, die 22 °C-Temperatur bereits hinter der zweiten Wärme- Übertragung zu erreichen, schaltet die zweite Wärmepumpenstufe 102/114 zur Vorkühlung komplett ab. Dies bedeutet, dass es durch die hier vorgeschlagene Einbindung der Vorkühlung stets möglich ist, mit minimalem Energieaufwand die gesamte Anlage energetisch optimal zu betreiben. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist es vorgesehen, das Kühlsystem über den thermischen Koppler, und insbesondere über den zweiten Wärmetauscher 1 15b thermisch mit dem Verdichter der C02-Kälteanlage zu koppeln, derart, dass der verdichtete und damit überhitzte C02-Dampf der ersten Wärmepumpenanlage gekühlt wird und schließlich vom Wärmetauscher 1 15a von Fig. 2C beispielsweise verflüssigt wird. With increasing temperature in the recooling circuit, the recooling power shifts from the second through-flow heat exchanger to the first. At temperatures in the recooling circuit, which make it possible to reach the 22 ° C temperature already after the second heat transfer, the second heat pump stage 102/114 switches off completely for precooling. This means that it is always possible by the inclusion of precooling proposed here to operate the entire system energetically optimal with minimal energy consumption. In preferred embodiments, it is provided to thermally couple the cooling system via the thermal coupler, and in particular via the second heat exchanger 1 15b with the compressor of the CO 2 refrigeration system, such that the compressed and thus overheated CO 2 vapor of the first heat pump system is cooled and finally, for example, is liquefied by the heat exchanger 1 15a of Fig. 2C.
Im Vergleich zum Standardprozess wird somit nach der C02-Verdichterstufe, beispielsweise der Stufe 1 12 von Fig. 2C, der überhitzte Dampf vorgekühlt. Bei hohen Außentemperaturen, wie sie im Sommer auftreten, werden so etwa 50% der Rückkühlwärme des C02-Prozesses als Enthitzungswärme an den Wasser- oder Wasser/Glykol-Kreis, in dem der Rückkühler 131 angeordnet ist, abgegeben, und an die Wärmesenke, also zum Beispiel die Umgebung abgegeben. Die Rückkühlleistung der vorgeschlagenen Kälteanlage kann parallel zur oder vor der Einspeisung durch den C02-Prozess erfolgen. Compared to the standard process, after the CO 2 compressor stage, for example stage 1 12 of FIG. 2C, the superheated steam is thus pre-cooled. At high outdoor temperatures, such as occur in the summer, about 50% of the Rückkühlwärme the CO 2 process as heat of dehiscence to the water or water / glycol circuit in which the recooler 131 is disposed, discharged, and to the heat sink, so for example, given the environment. The recooling capacity of the proposed refrigeration system can be parallel to or before the feed through the C02 process.
Sinken die Temperaturen wetterbedingt im Wasser/Glykol-Kreis, so steigt die abgegebene Rückkühl- bzw. Enthitzungsleistung des C02-Prozesses in der Vorkühlung an, und die erforderliche Leistung der ersten Wärmepumpenanordnung an. Entsprechend sinkt auch die Temperaturspeisung zwischen der wärmeaufnehmenden und der wärmeabgebenden Seite der Kältemaschine. Hierzu ist der Einsatz von Turboverdichtern, wie es beispielsweise bei 121 in Fig. 2B dargestellt ist, besonders vorteilhaft, da die Drehzahl die Kälte- leistung und den Druck/Temperaturhub gleichzeitig beeinflusst. Mit steigender Drehzahl nehmen sowohl Leistung als auch Temperaturhub zu. Um bei kleineren Kälteleistungen, also bei Kälteleistungen zwischen 30 kW bis 300 kW die Vorteile der Turboverdichtung in dem Einsatzgebiet der Vorkühlung nutzen zu können, ist das Kältemittel Wasser (R 718) ideal geeignet. Durch die niedrige volumetrische Kälte- leistung ist der Einsatz von Strömungsmaschinen bereits bei kleineren Leistungen unterhalb von 50 kW möglich. Die zweite Wärmepumpenanordnung ist vorzugsweise ausgebildet, um Wärmeleistungen von unter 100 kW zu liefern. If the temperatures drop in the water / glycol cycle due to the weather, the discharged recooling or desuperheating performance of the CO 2 process in the pre-cooling increases and the required power of the first heat pump arrangement increases. Accordingly, the temperature supply between the heat-absorbing and the heat-emitting side of the refrigerator also decreases. For this purpose, the use of turbocompressors, as illustrated, for example, at 121 in FIG. 2B, is particularly advantageous, since the rotational speed simultaneously influences the cooling power and the pressure / temperature stroke. With increasing speed, both power and temperature increase increase. In order to be able to use the advantages of turbo compression in the area of pre-cooling for smaller cooling capacities, ie for cooling capacities between 30 kW and 300 kW, the refrigerant water (R 718) is ideally suited. Due to the low volumetric cooling capacity, the use of turbomachines is possible even with smaller outputs below 50 kW. The second heat pump arrangement is preferably designed to deliver heat outputs of less than 100 kW.
Fig. 2C zeigt die zweite Wärmepumpenstufe 102/1 14 schematisch als Vorkühlung, die als Kälteanlage ausgebildet ist, welche Wasser als Kältemittel verwendet. Vorzugsweise wird als Kälteanlage beispielsweise der eChiller der Firma Efficient Energy GmbH eingesetzt. Der verwendete eChiller verfügt in einer Ausbaustufe über eine maximale Kälteleistung von 40 kW und ermöglicht bei der Einbringung in den C02-Prozess zur Abfuhr der Kondensationswärme einen C02-Prozess, der ganzjährig unterkritisch betrieben werden kann, und der eine gesamte Rückkühlleistung von bis zu 80 kW hat. Höher Leistungen lassen sich durch parallele Schaltung mehrerer Kälteanlagen zur Vorkühlung realisieren. Für die thermische Kopplung der Kälteanlage 102/1 14 an die C02-Kälteanlage 101/1 1 1 ist der Wärmeübertrager bzw. thermische Koppler 1 15 vorgesehen, welcher den ersten Wärmetauscher 1 15a und den zweiten Wärmetauscher 1 15b umfasst, welcher vorzugs- weise mit dem Verdichter 1 12 der C02-Kälteanlage gekoppelt ist. Dadurch wird der überhitzte Dampf aus dem C02-Prozess vorgekühlt. Die vorliegenden Erfindung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dahin gehend vorteilhaft, dass eine Wärmerückgewinnung ebenfalls leicht zu realisieren ist, indem die Enthitzungswärme des C02- Prozesses nicht über den Rückkühler 131 über die Umgebung abgegeben wird, sondern in eine Nutz-Wärmesenke abgegeben wird. In diesem Fall wäre der Rückkühler in einer Umgebung angeordnet, in der die Abwärme nutzbringend einsetzbar ist. 2C schematically shows the second heat pump stage 102/1 14 as pre-cooling, which is designed as a refrigeration system which uses water as the refrigerant. Preferably, for example, the eChiller from Efficient Energy GmbH is used as the refrigeration system. The eChiller used in one expansion stage has a maximum cooling capacity of 40 kW and, when introduced into the C02 process to dissipate the heat of condensation, enables a CO 2 process that can be operated subcritically throughout the year and a total recooling capacity of up to 80 kW Has. Higher performance can be achieved by parallel connection of several refrigeration units for pre-cooling. For thermal coupling of the refrigeration system 102/1 14 to the CO 2 refrigeration system 101/1 1 1, the heat exchanger or thermal coupler 1 15 is provided, which comprises the first heat exchanger 1 15a and the second heat exchanger 1 15b, which preferably with the compressor 1 12 of the C02 refrigeration system is coupled. This pre-cools the superheated steam from the C02 process. The present invention according to the described embodiment is advantageous in that heat recovery is also easy to realize in that the heat of dewatering of the CO 2 process is not released via the recooler 131 via the environment, but is discharged into a Nutz-heat sink. In this case, the recooler would be arranged in an environment in which the waste heat is usefully used.
Nachfolgend wird auf die Fig. 3A-7D eingegangen, die eine zwei- bzw. mehrstufige Wärmepumpenanordnung zeigen, wie sie beispielsweise im eChiller realisiert ist. In den nach- folgenden Figurenbeschreibungen wird die zweite Wärmepumpenanordnung aus den Fig. 1 A bis 2C auch als Wärmepumpenanlage bezeichnet. In the following, reference is made to FIGS. 3A-7D, which show a two-stage or multi-stage heat pump arrangement, as implemented, for example, in the eChiller. In the following description of the figures, the second heat pump arrangement from FIGS. 1 A to 2 C is also referred to as a heat pump system.
Fig. 3A zeigt eine solche Wärmepumpenanlage, wobei die Wärmepumpenanlage bzw. zweite Wärmepumpenanordnung 102, 1 14 eine beliebige Anordnung an Pumpen oder Wärmetauschern aufweisen kann. Insbesondere umfasst eine Wärmepumpenanlage, wie sie in Fig. 3A gezeigt ist, eine Wärmepumpenstufe 200, d.h. die Stufe n+1 mit einem ersten Verdampfer 202, einem ersten Verdichter 204 und einem ersten Verflüssiger 206, wobei der Verdampfer 202 über dem Dampfkanal 250 mit dem Verdichter 204 gekoppelt ist, und sobald der Verdichter 204 über den Dampfkanal 251 mit dem Verflüssiger 206 gekoppelt ist. Es wird bevorzugt, wieder die verschränkte Anordnung zu verwenden, es können jedoch auch beliebige Anordnungen in der Wärmepumpenstufe 200 eingesetzt werden. Der Eingang 222 in den Verdampfer 202 und der Ausgang 220 aus dem Verdampfer 202 sind je nach Implementierung entweder mit einem zu kühlenden Gebiet oder mit einem Wärmetauscher, wie beispielsweise dem Wärmetauscher 212 zu dem zu kühlenden Gebiet oder mit einer weiteren vorher angeordneten Wärmepumpenstufe, nämlich beispielsweise der Wärmepumpenstufe n verbunden, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich Null ist. Fig. 3A shows such a heat pump system, wherein the heat pump system or second heat pump assembly 102, 1 14 may have any arrangement of pumps or heat exchangers. In particular, a heat pump installation, as shown in FIG. 3A, comprises a heat pump stage 200, ie stage n + 1 with a first evaporator 202, a first compressor 204 and a first condenser 206, the evaporator 202 above the steam duct 250 with the first Compressor 204 is coupled, and as soon as the compressor 204 is coupled via the steam channel 251 with the condenser 206. It is preferred to use the entangled arrangement again, but any arrangements in the heat pump stage 200 may be used. Depending on the implementation, the inlet 222 into the evaporator 202 and the outlet 220 from the evaporator 202 are either with an area to be cooled or with a heat exchanger, such as the heat exchanger 212 to the area to be cooled or with another pre-arranged heat pump stage, for example the heat pump stage n connected, where n is an integer greater than or equal to zero.
Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpenanlage in Fig. 3A eine weitere Wärmepum- penstufe 300, d.h. die Stufe n+2, mit einem zweiten Verdampfer 302, einem zweiten Verdichter 304 und einem zweiten Verflüssiger 306. Insbesondere ist der Ausgang 224 des ersten Verflüssigers mit einem Verdampfereingang 322 des zweiten Verdampfers 320 über eine Verbindungsleitung 332 verbunden. Der Ausgang 320 des Verdampfers 302 der weiteren Wärmepumpenstufe 300 kann je nach Implementierung mit dem Einlass in den Verflüssiger 206 der ersten Wärmepumpenstufe 200 verbunden sein, wie es durch eine gestrichelte Verbindungsleitung 334 gezeigt ist. Der Ausgang 320 des Verdampfers 302 kann jedoch auch, wie es noch anhand der Fig. 4A, 6A bis 6D und 5 dargestellt ist, mit einem steuerbaren Wegemodul verbunden sein, um alternative Implementierungen zu erreichen. Generell ist jedoch aufgrund der festen Verbindung des Verflüssigerausgangs 224 der ersten Wärmepumpenstufe mit dem Verdampfereingang 322 der weiteren Wärmepumpenstufe eine Kettenschaltung erreicht. In addition, the heat pump system in Fig. 3A comprises another heat pump stage 300, i. the stage n + 2, with a second evaporator 302, a second compressor 304 and a second condenser 306. In particular, the output 224 of the first condenser is connected to an evaporator inlet 322 of the second evaporator 320 via a connecting line 332. The output 320 of the evaporator 302 of the further heat pump stage 300 may be connected to the inlet to the condenser 206 of the first heat pump stage 200 as shown by a dashed connection line 334, as implemented. However, as shown with reference to FIGS. 4A, 6A through 6D and 5, the output 320 of the evaporator 302 may also be connected to a controllable path module to achieve alternative implementations. In general, however, a derailleur circuit is achieved due to the fixed connection of the condenser outlet 224 of the first heat pump stage with the evaporator inlet 322 of the further heat pump stage.
Diese Kettenschaltung stellt sicher, dass jede Wärmepumpenstufe mit einer möglichst geringen Temperaturspreizung arbeiten muss, also mit einer möglichst geringen Differenz zwischen der erwärmten Arbeitsflüssigkeit und der gekühlten Arbeitsflüssigkeit. Durch Hintereinanderschalten, also durch eine Kettenschaltung solcher Wärmepumpenstufen wird damit erreicht, dass dennoch eine ausreichend große Gesamtspreizung erreicht wird. Die Gesamtspreizung wird somit in mehrere Einzelspreizungen aufgeteilt. Die Kettenschaltung ist insbesondere deswegen von besonderem Vorteil, weil damit wesentlich effi- zienter gearbeitet werden kann. Der Verbrauch an Verdichterleistung für zwei Stufen, die jeweils eine kleinere Temperaturspreizung bewältigen müssen, ist kleiner als die Verdich- terleistung für eine einzige Wärmepumpenstufe, die eine große Temperaturspreizung erreichen muss. Außerdem sind die Anforderungen an die einzelnen Komponenten bei zwei in Kette geschalteten Stufen in technischer Hinsicht entspannter. Wie es in Fig. 3A gezeigt ist, kann der Verflüssigerausgang 324 des Verflüssigers 306 der weiteren Wärmepumpenstufe 300 mit dem zu wärmenden Gebiet gekoppelten, wie es z.B. Bezug nehmend auf Fig. 3B anhand des Wärmetauschers 214 dargestellt ist. Alternativ kann jedoch auch der Ausgang 324 des Verflüssigers 306 der zweiten Wärmepumpenstufe wieder über ein Verbindungsrohr mit einem Verdampfer einer weiteren Wärmepum- penstufe, also der (n+3)-Wärmepumpenstufe gekoppelt sein. Fig. 3A zeigt somit je nach Implementierung eine Kettenschaltung von z.B. vier Wärmepumpenstufen, wenn n=1 genommen wird. Wenn jedoch n beliebig genommen wird, zeigt Fig. 3A eine Kettenschaltung von beliebig vielen Wärmepumpenstufen, wobei insbesondere die Kettenschaltung der Wärmepumpenstufe (n+1 ), die mit 200 bezeichnet ist, und der weiteren Wärmepum- penstufe 300, die mit (n+2) bezeichnet ist, detaillierter ausgeführt ist und die n- Wärmepumpenstufe genauso wie die (n+3)- Wärmepumpenstufe auch nicht als Wärmepumpenstufe, sondern jeweils als Wärmetauscher oder als zu kühlendes bzw. zu erwärmendes Gebiet ausgeführt sein kann. Vorzugsweise ist, wie es z.B. in Fig. 3B gezeigt ist, der Verflüssiger der ersten Wärmepumpenstufe 200 oberhalb des Verdampfers 302 der zweiten Wärmepumpenstufe angeordnet, so dass die Arbeitsflüssigkeit durch die Verbindungsieitung 332 aufgrund der Schwerkraft fließt. Insbesondere bei der in Fig. 3B gezeigten speziellen Implementierung der einzelnen Wärmepumpenstufen ist der Verflüssiger ohnehin oberhalb des Verdamp- fers angeordnet. Diese Implementierung ist besonders günstig, weil selbst bei miteinander ausgerichteten Wärmepumpenstufen die Flüssigkeit bereits aus dem Verflüssiger der ersten Stufe in den Verdampfer der zweiten Stufe durch die Verbindungsleitung 332 fließt. Zusätzlich wird es jedoch bevorzugt, einen Höhenunterschied zu erreichen, der wenigstens 5 cm zwischen der Oberkante der ersten Stufe und der Oberkante der zweiten Stufe umfasst. Diese Abmessung, die bei 340 in Fig. 3B gezeigt ist, beträgt jedoch vorzugsweise 20 cm, da dann für die beschriebene Implementierung eine optimale Wasserleitung von der ersten Stufe 200 zu der zweiten Stufe 300 über die Verbindungsleitung 332 stattfindet. Dadurch wird ferner erreicht, dass in der Verbindungsleitung 332 keine spezielle Pumpe benötigt wird. Diese Pumpe wird daher eingespart. Es wird lediglich die Zwischen- kreispumpe 330 benötigt, um von dem Ausgang 320 des Verdampfers der zweiten Stufe 300, die niedriger als die erste Stufe angeordnet ist, die Arbeitsflüssigkeit zurück in den Kondensierer der ersten Stufe, also in den Eingang 226 zu bringen. Hierzu ist der Ausgang 320 über die Rohrleitung 334 mit der Saugseite der Pumpe 330 verbunden. Die Pumpseite der Pumpe 330 ist über das Rohr 336 mit dem Eingang 226 des Kondensierers verbunden. Die in Fig. 3B gezeigte Kettenschaltung der beiden Stufen entspricht Fig. 3A mit der Verbindung 334. Vorzugsweise ist die Zwischenkreispumpe 330 ebenfalls wie die beiden anderen Pumpen 208 und 210 unten angeordnet, da dann auch in der Zwischenkreisleitung 334 eine Kavitation verhindert werden kann, weil aufgrund der Platzierung der Zwischenkreispumpe 330 im Fallrohr 334 ein ausreichender Staudruck der Pumpe erreicht wird. This derailleur ensures that each heat pump stage must work with the lowest possible temperature spread, so with the smallest possible difference between the heated working fluid and the cooled working fluid. By connecting in series, so by a chain circuit such heat pump stages is thus achieved that nevertheless a sufficiently large total spread is achieved. The total spread is thus divided into several individual spreads. The derailleur is particularly advantageous because it allows much more efficient operation. The consumption of compressor power for two stages, each of which has to cope with a smaller temperature spread, is smaller than the compression ratio. for a single heat pump stage, which must reach a high temperature spread. In addition, the requirements for the individual components with two stages connected in chain are technically more relaxed. As shown in FIG. 3A, the condenser exit 324 of the condenser 306 of the further heat pump stage 300 may be coupled to the area to be warmed, as illustrated by heat exchanger 214, for example, with reference to FIG. 3B. Alternatively, however, the output 324 of the condenser 306 of the second heat pump stage can again be coupled via a connecting tube to an evaporator of a further heat pump stage, that is to say the (n + 3) heat pump stage. Thus, depending on the implementation, FIG. 3A shows a chain circuit of, for example, four heat pump stages when n = 1 is taken. However, if n is taken arbitrarily, Fig. 3A shows a chain circuit of any number of heat pump stages, in particular the chain circuit of the heat pump stage (n + 1), which is denoted by 200, and the other heat pump stage 300, with (n + 2 ) is described in more detail and the n- heat pump stage as well as the (n + 3) - heat pump stage can not be designed as a heat pump stage, but each as a heat exchanger or as to be cooled or heated area. Preferably, as shown in FIG. 3B, for example, the condenser of the first heat pump stage 200 is disposed above the evaporator 302 of the second heat pump stage, so that the working fluid flows through the connection line 332 due to gravity. In particular, in the specific implementation of the individual heat pump stages shown in FIG. 3B, the condenser is arranged above the evaporator anyway. This implementation is particularly advantageous because even with heat pump stages aligned with each other, the liquid already flows from the first stage condenser into the second stage evaporator through the connection line 332. In addition, however, it is preferred to achieve a height difference that includes at least 5 cm between the top of the first stage and the top of the second stage. However, this dimension, shown at 340 in FIG. 3B, is preferably 20 cm, since then, for the described implementation, optimal water flow from the first stage 200 to the second stage 300 via the connection line 332 occurs. This also ensures that in the connecting line 332 no special pump is needed. This pump is therefore saved. Only the intermediate circuit pump 330 is required to return the working fluid from the outlet 320 of the second stage evaporator 300, which is lower than the first stage Condenser of the first stage, that is to bring in the input 226. For this purpose, the output 320 is connected via the pipe 334 to the suction side of the pump 330. The pump side of the pump 330 is connected via the tube 336 to the inlet 226 of the condenser. The chain circuit of the two stages shown in Fig. 3B corresponds to Fig. 3A with the connection 334. Preferably, the intermediate circuit pump 330 is also like the other two pumps 208 and 210 arranged below, since then in the intermediate circuit 334 cavitation can be prevented because due to the placement of the intermediate circuit pump 330 in the downpipe 334 a sufficient back pressure of the pump is achieved.
Obgleich in Fig. 3B die Konfiguration gemäß dem ersten Aspekt gezeigt ist, dass also die Wärmetauscher 212, 214 unterhalb der Pumpen 208, 210 und 330 angeordnet sind, kann auch die Anordnung der Pumpen 208, 210 neben den Wärmetauschern 212, 214 verwendet werden, wie es gemäß dem zweiten Aspekt dargelegt worden ist. Although the configuration according to the first aspect is shown in FIG. 3B, that is to say that the heat exchangers 212, 214 are arranged below the pumps 208, 210 and 330, the arrangement of the pumps 208, 210 next to the heat exchangers 212, 214 can also be used. as set forth in the second aspect.
Wie es in Fig. 3B gezeigt ist, umfasst die erste Stufe das Expansionselement 207 und die zweite Stufe ein Expansionselement 307. Da jedoch über die Verbindungsleitung 332 ohnehin Arbeitsfiüssigkeit aus dem Verflüssiger 206 der ersten Stufe austritt, ist das Expansionselement 207 entbehrlich. Dagegen wird das Expansionselement 307 in der unte- ren Stufe vorzugsweise verwendet. So kann bei einem Ausführungsbeispiel die erste Stufe ohne Expansionselement gebaut werden, und es wird lediglich ein Expansionselement 307 in der zweiten Stufe vorgesehen. Da es jedoch bevorzugt wird, alle Stufen gleich zu bauen, ist auch in der Wärmepumpenstufe 200 das Expansionselement 207 vorgesehen. Wenn dasselbe implementiert ist, um eine Blasensiedung zu unterstützen, ist das Expan- sionselement 207 trotz der Tatsache, dass es unter Umständen keine verflüssigte Arbeitsflüssigkeit in den Verdampfer leitet, sondern lediglich erwärmten Dampf, ebenfalls hilfreich. As shown in FIG. 3B, the first stage comprises the expansion element 207 and the second stage comprises an expansion element 307. However, since working fluid exits the first stage condenser 206 via the connection line 332, the expansion element 207 is dispensable. In contrast, the expansion element 307 in the lower stage is preferably used. Thus, in one embodiment, the first stage may be constructed without an expansion element and only one expansion element 307 is provided in the second stage. However, since it is preferable to make all stages the same, the expansion element 207 is also provided in the heat pump stage 200. When implemented to aid in bubble boiling, the expansion element 207 is also helpful despite the fact that it may not deliver liquefied working fluid into the evaporator, but only heated steam.
Dennoch hat sich herausgestellt, dass sich bei der in Fig. 3B gezeigten Anordnung Ar- beitsflüssigkeit in dem Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 ansammelt. Es wird daher, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, eine Maßnahme vorgenommen, um Arbeitsflüssigkeit aus dem Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 in den Verdampferkreis der ersten Stufe 200 zu bringen. Hierfür ist eine Überlaufanordnung 502 in dem zweiten Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe angeordnet, um ab einem vordefinierten maximalen Arbeitsflüssigkeitspegel in dem zweiten Verdampfer 302 Arbeitsflüssigkeit wegzuführen. Ferner ist eine Flüssigkeitsleitung 504, 506, 508 vorgese- hen, die einerseits mit der Überlaufanordnung 502 gekoppelt ist, und die andererseits mit einer Saugseite der ersten Pumpe 208 an einer Koppelstelle 512 gekoppelt ist. An der Koppelstelle 512 ist ein Druckminderer 510 vorhanden, der vorzugsweise als Druckminderer nach Bernoulli, also als eine Rohr- oder Schlauchengstelle ausgebildet ist. Die Flüs- sigkeitsleitung umfasst einen ersten Verbindungsabschnitt 504, einen U-förmigen Abschnitt 506 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 508. Vorzugsweise hat der U-förmige Abschnitt 506 eine vertikale Höhe in der Betriebsposition, die wenigstens gleich 5 cm und vorzugsweise 15 cm ist. Damit wird ein selbstregelndes System erhalten, das ohne Pumpe arbeitet. Bei zu hohem Wasserstand in dem Verdampfer 302 des unteren Behälters 300 läuft Arbeitsflüssigkeit über die Verbindungsleitung 504 in das U-Rohr 506. Das U- Rohr ist über die Verbindungsleitung 508 an der Koppelstelle 512 an dem Druckminderer mit der Saugseite der Pumpe 208 gekoppelt. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vor der Pumpe aufgrund der Engstelle 510 sinkt der Druck und Wasser aus dem U- Rohr 506 kann aufgenommen werden. Im U-Rohr stellt sich ein stabiler Wasserstand ein, der dem Druck vor der Pumpe in der Engstelle und im Verdampfer des niedrigeren Behälters genügt. Gleichzeitig stellt das U-Rohr 506 jedoch eine Dampfbarriere dar, dahingehend, dass kein Dampf aus dem Verdampfer 302 in die Saugseite der Pumpe 208 gelangen kann. Die Expansionsorgane 207 bzw. 307 sind vorzugsweise ebenfalls als Überlaufanordnungen ausgebildet, um bei Überschreiten eines vorbestimmten Pegels in einem jeweiligen Verflüssiger Arbeitsflüssigkeit in den jeweiligen Verdampfer zu bringen. Damit werden die Füllstände sämtlicher Behälter, also sämtlicher Verflüssiger und Verdampfer in beiden Wärmepumpenstufen automatisch, ohne Aufwand und ohne Pumpen aber selbstregelnd eingestellt. Dies ist insbesondere von Vorteil, weil damit Wärmepumpenstufen je nach Betriebsmodus in Betrieb oder außer Betrieb genommen werden können. Nevertheless, it has been found that in the arrangement shown in FIG. 3B, working fluid accumulates in the evaporator 302 of the second heat pump stage 300. Therefore, as shown in FIG. 5, a measure is taken to bring working fluid from the evaporator 302 of the second heat pump stage 300 into the first stage evaporator circuit 200. For this purpose, an overflow arrangement 502 is arranged in the second evaporator 302 of the second heat pump stage in order to carry away working fluid from a predefined maximum working fluid level in the second evaporator 302. Furthermore, a liquid line 504, 506, 508 is provided. hen, which is coupled on the one hand with the overflow arrangement 502, and on the other hand coupled to a suction side of the first pump 208 at a coupling point 512. At the coupling point 512, a pressure reducer 510 is present, which is preferably designed as a pressure reducer to Bernoulli, so as a pipe or Schlauchengstelle. The fluid conduit comprises a first connecting portion 504, a U-shaped portion 506 and a second connecting portion 508. Preferably, the U-shaped portion 506 has a vertical height in the operating position that is at least 5 cm and preferably 15 cm. This provides a self-regulating system that operates without a pump. If the water level in the evaporator 302 of the lower container 300 is too high, working fluid will flow into the U-tube 506 via the connecting line 504. The U-tube is coupled to the suction side of the pump 208 via the connecting line 508 at the coupling point 512 at the pressure reducer. Due to the increased flow rate in front of the pump due to the constriction 510, the pressure drops and water from the U-tube 506 can be absorbed. In the U-tube, a stable water level is established, which is sufficient for the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank. At the same time, however, the U-tube 506 is a vapor barrier, in that no vapor from the evaporator 302 can enter the suction side of the pump 208. The expansion elements 207 and 307 are preferably also designed as overflow arrangements, in order to bring working fluid into the respective evaporator when a predetermined level in a respective condenser is exceeded. Thus, the levels of all containers, so all condenser and evaporator in both heat pump stages automatically, without effort and without pumps but set self-regulating. This is particularly advantageous because it allows heat pump stages to be run or shut down depending on the operating mode.
Fig. 4A und 5 zeigen bereits eine detaillierte Darstellung eines steuerbaren Wegemoduls aufgrund des oberen 2x2-Wege-Schalters 421 und des unteren 2x2-Wege-Schalters 422. Fig. 4B zeigt eine aligemeine Implementierung des steuerbaren Wegemoduls 420, das durch die beiden seriell geschalteten 2x2-Wege-Schalter 421 und 422 implementiert werden kann, das jedoch auch alternativ implementiert werden, kann. Figures 4A and 5 already show a detailed illustration of a steerable routing module due to the upper 2x2 way switch 421 and the lower 2x2 way switch 422. Figure 4B shows an overall implementation of the steerable routing module 420 passing through the two serially connected ones 2x2-way switches 421 and 422 may be implemented, but which may alternatively be implemented.
Das steuerbare Wegemodul 420 von Fig. 4B ist mit einer Steuerung 430 gekoppelt, um von dieser über eine Steuerleitung 431 angesteuert zu werden. Die Steuerung empfängt als Eingangssignale Sensorsignale 432 und liefert ausgangsseitig Pumpensteuersignale 436 und/oder Verdichtermotorensteuersignale 434. Die Verdichtermotorensteuersignale 434 führen zu den Verdichtermotoren 204, 304, wie sie beispielsweise in Fig. 4A gezeigt sind, und die Pumpensteuersignale 436 führen zu den Pumpen 208, 210, 330. Je nach Implementierung können die Pumpen 208, 210 jedoch fest, also ungesteuert ausgeführt werden, weil sie ohnehin in jedem der anhand der Fig. 7A, 7B beschriebenen Betriebsmodi laufen. Lediglich die Zwischenkreispumpe 330 könnte daher durch ein Pumpensteuersignal 436 gesteuert werden. The controllable path module 420 of FIG. 4B is coupled to a controller 430 to be controlled by it via a control line 431. The controller receives sensor signals 432 as input signals and supplies pump control signals on the output side 436 and / or compressor motor control signals 434. The compressor motor control signals 434 lead to the compressor motors 204, 304 as shown in FIG. 4A, for example, and the pump control signals 436 lead to the pumps 208, 210, 330. Depending on the implementation, the pumps 208, However, 210 fixed, that is run uncontrolled, because they run anyway in each of the operating modes described with reference to FIGS. 7A, 7B. Only the intermediate circuit pump 330 could therefore be controlled by a pump control signal 436.
Das steuerbare Wegemodul 420 umfasst einen ersten Eingang 401 , einen zweiten Ein- gang 402 und einen dritten Eingang 403. Wie es beispielsweise in Fig. 4A gezeigt ist, ist der erste Eingang 401 mit dem Ablauf 241 des ersten Wärmetauschers 212 verbunden. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 des steuerbaren Wegemoduls mit dem Rücklauf bzw. Ablauf 243 des zweiten Wärmetauschers 214 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 des steuerbaren Wegemoduls 420 mit einer Pumpseite der Zwischen- kreispumpe 330 verbunden. The controllable path module 420 comprises a first input 401, a second input 402 and a third input 403. As shown, for example, in FIG. 4A, the first input 401 is connected to the outlet 241 of the first heat exchanger 212. In addition, the second input 402 of the controllable path module is connected to the return or outlet 243 of the second heat exchanger 214. In addition, the third input 403 of the controllable path module 420 is connected to a pump side of the intermediate circuit pump 330.
Ein erster Ausgang 41 1 des steuerbaren Wegemoduls 420 ist mit einem Eingang 222 in die erste Wärmepumpenstufe 200 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang 412 des steuerbaren Wegemoduls 420 ist mit einem Eingang 226 in den Verflüssiger 206 der ersten Wärme- pumpenstufe verbunden. Darüber hinaus ist ein dritter Ausgang 413 des steuerbaren Wegemoduls 420 mit dem Eingang 326 in den Verflüssiger 306 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 verbunden. A first output 41 1 of the controllable path module 420 is coupled to an input 222 in the first heat pump stage 200. A second output 412 of the controllable path module 420 is connected to an input 226 in the condenser 206 of the first heat pump stage. In addition, a third output 413 of the controllable path module 420 is connected to the input 326 in the condenser 306 of the second heat pump stage 300.
Die verschiedenen Eingang/Ausgang-Verbindungen, die durch das steuerbare Wegemo- dul 420 erreicht werden, sind in Fig. 4C dargestellt. The various input / output connections achieved by the controllable path module 420 are shown in FIG. 4C.
In einem Modus, dem Hochleistungsmodus (HLM) ist der erste Eingang 401 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Ferner ist der zweite Eingang 402 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden, wie es in der Zeile 451 von Fig. 4C dargestellt ist. In a high performance mode (HLM) mode, the first input 401 is connected to the first output 41 1. Furthermore, the second input 402 is connected to the third output 413. In addition, the third input 403 is connected to the second output 412, as shown in line 451 of FIG. 4C.
Im Mittelleistungsmodus (MLM), in dem lediglich die erste Stufe aktiv ist und die zweite Stufe inaktiv ist, also der Verdichtermotor 304 der zweiten Stufe 300 abgeschaltet ist, ist der erste Eingang 401 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Ferner ist der zweite Ein- gang 402 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden, wie es in Zeile 452 dargestellt ist. Zeile 453 zeigt den Freikühlungsmodus, in dem der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist, also der Eingang 401 mit dem Ausgang 412. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Schließlich ist der dritte Eingang 403 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. In the mid-power mode (MLM) where only the first stage is active and the second stage is inactive, that is, the second stage compressor motor 304 is off, the first input 401 is connected to the first output 41 1. Furthermore, the second input 402 is connected to the second output 412. In addition, the third input 403 is connected to the third output 413, as shown in line 452. Line 453 shows the free cooling mode in which the first input is connected to the second output, so the input 401 to the output 412. In addition, the second input 402 is connected to the first output 41 1. Finally, the third input 403 is connected to the third output 413.
Im Niederleistungsmodus (NLM), der in Zeile 454 dargestellt ist, ist der erste Eingang 401 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Schließlich ist der dritte Eingang 403 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden. In low power mode (NLM), shown at line 454, the first input 401 is connected to the third output 413. In addition, the second input 402 is connected to the first output 41 1. Finally, the third input 403 is connected to the second output 412.
Es wird bevorzugt, das steuerbare Wegemodul durch die zwei seriell angeordneten 2- Wege-Schalter 421 und 422 zu implementieren, wie sie z.B. in Fig. 4A dargestellt sind, oder wie sie auch in den Fig. 6A bis 6D dargestellt sind. Hierbei hat der erste 2-Wege- Schalter 421 den ersten Eingang 401 , den zweiten Eingang 402, den ersten Ausgang 41 1 und einen zweiten Ausgang 414, der über eine Zwischenverbindung 406 mit einem Eingang 404 des zweiten 2-Wege-Schalters 422 gekoppelt ist. Der 2-Wege-Schalter hat den dritten Eingang 403 als zusätzlichen Eingang und den zweiten Ausgang 412 als Ausgang und den dritten Ausgang 413 ebenfalls als Ausgang. Die Stellungen der beiden 2x2-Wege-Schalter 421 sind in Fig. 7B tabellarisch dargestellt. Fig. 6A zeigt die beiden Stellungen der Schalter 421 , 422 im Hochleistungsmodus (HLM). Dies entspricht der ersten Zeile in Fig. 7B. Fig. 6B zeigt die Stellung der beiden Schalter im Mittelleistungsmodus. Der obere Schalter 421 ist im Mittelleistungsmodus genau gleich wie im Hochleistungsmodus. Lediglich der untere Schalter 422 ist umgeschaltet worden. Im Freikühlungsmodus, der in Fig. 6C dargestellt ist, ist der untere Schalter gleich wie im Mittelleistungsmodus. Lediglich der obere Schalter ist umgeschaltet worden. Im Niederleistungsmodus schließlich ist der untere Schalter 422 im Vergleich zum Freikühlungsmodus umgeschaltet, während der obere Schalter im Niederleistungsmodus gleich seiner Stellung im Freikühlungsmodus ist. Damit wird sichergestellt, dass von einem benachbar- ten Modus zum nächsten Modus immer nur ein Schalter umgeschaltet werden muss, während der andere Schalter auf seiner Position verharren kann. Dies vereinfacht die gesamte Umschaltmaßnahme von einem Betriebsmodus zum nächsten. It is preferred to implement the controllable path module through the two serially arranged 2-way switches 421 and 422, as e.g. are shown in Fig. 4A, or as they are also shown in Figs. 6A to 6D. Here, the first 2-way switch 421 has the first input 401, the second input 402, the first output 41 1 and a second output 414, which is coupled via an interconnect 406 to an input 404 of the second 2-way switch 422 , The 2-way switch has the third input 403 as an additional input and the second output 412 as an output and the third output 413 also as an output. The positions of the two 2x2-way switches 421 are shown in tabular form in FIG. 7B. Fig. 6A shows the two positions of the switches 421, 422 in the high power mode (HLM). This corresponds to the first line in FIG. 7B. Fig. 6B shows the position of the two switches in the mid-power mode. The upper switch 421 is exactly the same in the mid-power mode as it is in the high-power mode. Only the lower switch 422 has been switched. In the free cooling mode illustrated in FIG. 6C, the bottom switch is the same as in the mid-power mode. Only the upper switch has been switched. Finally, in the low power mode, the lower switch 422 is switched compared to the free cooling mode, while the lower power switch is equal to its free cooling mode position. This ensures that only one switch needs to be switched from one neighboring mode to the next mode, while the other switch can remain in its position. This simplifies the entire switching action from one operating mode to the next.
Fig. 7A zeigt die Aktivitäten der einzelnen Verdichtermotoren und Pumpen in den ver- schiedenen Modi. In allen Modi sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 ak- tiv. Die Zwischenkreispumpe ist in dem Hochieistungsmodus, dem Mittelleistungsmodus und dem Freikühlungsmodus aktiv, jedoch ist im Niederleistungsmodus deaktiviert. Fig. 7A shows the activities of the individual compressor motors and pumps in the various modes. In all modes, the first pump 208 and the second pump 210 are active. tively. The DC link pump is active in the high power mode, the mid power mode, and the free cooling mode, but is deactivated in the low power mode.
Der Verdichtermotor 204 der ersten Stufe ist im Hochleistungsmodus, im Mittelleistungs- modus und im Freikühlungsmodus aktiv, und ist im Niederleistungsmodus deaktiviert. Darüber hinaus ist der Verdichtermotor der zweiten Stufe lediglich im Hochleistungsmodus aktiv, jedoch im Mittelleistungsmodus, im Freikühlungsmodus und im Niederleistungsmodus deaktiviert. Es sei darauf hingewiesen, dass Fig. 4A den Niederleistungsmodus darstellt, in dem die beiden Motoren 204, 304 deaktiviert sind, und in dem auch die Zwischenkreispumpe 330 aktiviert ist. Dagegen zeigt Fig. 3B den gewissermaßen festgekoppelten Hochleistungsmodus, bei dem beide Motoren und alle Pumpen aktiv sind. Fig. 5 zeigt wiederum den Hochleistungsmodus, bei dem die Schaiterstellungen so sind, dass genau die Konfigurati- on gemäß Fig. 3B erhalten wird. The first stage compressor motor 204 is active in high power mode, mid power mode, and free cooling mode, and is deactivated in low power mode. In addition, the second stage compressor motor is only active in high power mode but disabled in mid power mode, free cooling mode and low power mode. It should be noted that FIG. 4A illustrates the low power mode in which the two motors 204, 304 are deactivated, and in which the intermediate circuit pump 330 is also activated. In contrast, Fig. 3B shows the to some extent coupled high performance mode in which both motors and all pumps are active. FIG. 5 again shows the high-performance mode, in which the switching positions are such that exactly the configuration according to FIG. 3B is obtained.
Fig. 6A und 6C zeigen ferner verschiedene Temperatursensoren. Ein Sensor 602 misst die Temperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers 212, also am Rücklauf von der zu kühlenden Seite. Ein zweiter Sensor 604 misst die Temperatur am Rücklauf der zu wärmenden Seite, also vom zweiten Wärmetauscher 214. Ferner misst ein weiterer Temperatursensor 606 die Temperatur am Ausgang 220 des Verdampfers der ersten Stufe, wobei diese Temperatur typischerweise die kälteste Temperatur ist. Darüber hinaus ist ein weiterer Temperatursensor 608 vorgesehen, der die Temperatur in der Verbindungsleitung 332 misst, also am Ausgang des Kondensierers der ersten Stufe, der in anderen Figuren mit 224 bezeichnet ist. Darüber hinaus misst der Temperatursensor 610 die Temperatur am Ausgang des Verdampfers der zweiten Stufe 300, also am Ausgang 320 von Fig. 3B beispielsweise. FIGS. 6A and 6C also show various temperature sensors. A sensor 602 measures the temperature at the outlet of the first heat exchanger 212, ie at the return from the side to be cooled. A second sensor 604 measures the temperature at the return of the side to be heated, ie from the second heat exchanger 214. Further, another temperature sensor 606 measures the temperature at the outlet 220 of the first stage evaporator, which temperature is typically the coldest temperature. In addition, a further temperature sensor 608 is provided which measures the temperature in the connection line 332, that is, at the output of the first stage condenser, indicated 224 in other figures. In addition, the temperature sensor 610 measures the temperature at the outlet of the second stage evaporator 300, that is, at the outlet 320 of FIG. 3B, for example.
Schließlich misst der Temperatursensor 612 die Temperatur am Ausgang 324 des Verflüssigers 306 der zweiten Stufe 300, wobei diese Temperatur im Vollleistungsmodus die wärmste Temperatur im System ist. Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 7C und 7D auf die verschiedenen Stufen bzw. Betriebsmodi der Wärmepumpenanlage, wie sie beispielsweise anhand der Fig. 6A bis 6D dargestellt ist, und auch anhand der anderen Figuren dargestellt ist, eingegangen. Die DE 10 2012 208 174 A1 offenbart eine Wärmepumpe mit einem Freikühlungsmodus. Im Freikühlungsmodus ist der Verdampfereinlass mit einem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet verbunden. Ferner ist der Verflüssigereinlass mit einem Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet verbunden. Durch den Freikühlungsmodus wird bereits eine erhebliche Effizienzsteigerung erreicht, und zwar insbesondere für Außentemperaturen kleiner als z.B. 22 °C. Finally, the temperature sensor 612 measures the temperature at the output 324 of the second stage condenser 306, which temperature in full power mode is the warmest temperature in the system. Hereinafter, referring to FIGS. 7C and 7D, the various stages or operating modes of the heat pump system, as shown for example with reference to FIGS. 6A to 6D, and is also illustrated with reference to the other figures. DE 10 2012 208 174 A1 discloses a heat pump with a free cooling mode. In the free cooling mode, the evaporator inlet is connected to a return from the area to be heated. Further, the condenser inlet is connected to a return from the area to be cooled. The free cooling mode already achieves a considerable increase in efficiency, in particular for outside temperatures lower than, for example, 22 ° C.
Dieser Freikühlungsmodus oder (FKM) ist in Zeile 453 in Fig. 4C dargestellt und ist insbesondere in Fig. 6C dargestellt. So ist insbesondere der Ausgang des kälteseitigen Wärmetauschers mit dem Eingang in den Kondensierer der ersten Stufe verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgang aus dem wärmeseitigen Wärmetauscher 214 mit dem Verdampfereingang der ersten Stufe gekoppelt, und ist der Eingang in den wärmeseitigen Wärmetauscher 214 mit dem Kondensiererablauf der zweiten Stufe 300 verbunden. Die zweite Stufe ist jedoch deaktiviert, so das der Kondensiererablauf 338 von Fig. 6C beispielsweise dieselbe Temperatur wie der Kondensierereinlauf 413 hat. Darüber hinaus hat auch der Verdampferablauf 334 der zweiten Stufe dieselbe Temperatur wie der Kondensierereinlauf 413 der zweiten Stufe, so dass die zweite Stufe 300 thermodynamisch gewissermaßen„kurzgeschlossen" ist. Diese Stufe wird jedoch, obgleich der Verdichtermotor deaktiviert ist, von Arbeitsflüssigkeit durchströmt. Die zweite Stufe wird daher nach wie vor als Infrastruktur verwendet, ist jedoch aufgrund des abgeschalteten Verdichtermotors deaktiviert. This free cooling mode or (FKM) is shown at line 453 in FIG. 4C and is particularly shown in FIG. 6C. In particular, the output of the cold side heat exchanger is connected to the input to the first stage condenser. Moreover, the output from the heat-side heat exchanger 214 is coupled to the first-stage evaporator inlet, and the input to the heat-side heat exchanger 214 is connected to the second-stage condenser outlet 300. However, the second stage is disabled so that the condenser drain 338 of FIG. 6C has the same temperature as the condenser inlet 413, for example. Moreover, the second stage evaporator effluent 334 has the same temperature as the second stage condenser inlet 413, so that the second stage 300 is thermodynamically "shorted." However, although the compressor motor is deactivated, this stage is traversed by working fluid Stage is therefore still used as infrastructure, but is disabled due to the compressor motor switched off.
Soll nun z.B. vom Mittelleistungsmodus in den Hochleistungsmodus umgeschaltet werden, also von einem Modus, in dem die zweite Stufe deaktiviert ist und die erste Stufe aktiv ist, in einen Modus, in dem beide Stufen aktiv sind, so wird es bevorzugt, zunächst einmal den Verdichtermotor eine bestimmte Zeit, die beispielsweise größer als eine Minute ist und vorzugsweise 5 Minuten beträgt, laufenzulassen, bevor dann der Schalter 422 von der in Fig. 6B gezeigten Schalterstellung in die in Fig. 6A gezeigte Schalterstellung umgeschaltet wird. Eine Wärmepumpe in der zweiten Wärmepumpenanordnung 102/1 14 umfasst einen Verdampfer mit einem Verdampfereinlass und einem Verdampferauslass sowie einen Ver- flüssiger mit einem Verflüssigereinlass und einem Verflüssigerauslass. Darüber hinaus ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, um die Wärmepumpe in einem Betriebsmodus oder einem anderen Betriebsmodus zu betreiben. In dem einen Betriebsmodus, dem Nie- derleistungsmodus wird die Wärmepumpe komplett überbrückt, dahingehend, dass der Rücklauf des zu kühlenden Gebietes direkt mit dem Hinlauf des zu wärmenden Gebietes verbunden wird. Darüber hinaus wird in diesem Überbrückungsmodus oder Niederleis- tungsmodus der Rücklauf des zu wärmenden Gebietes mit dem Hinlauf des zu kühlenden Gebietes verbunden. Typischerweise ist der Verdampfer dem zu kühlenden Gebiet zugeordnet und ist der Verflüssiger dem zu wärmenden Gebiet zugeordnet. If, for example, switching from the mid-power mode to the high-power mode, ie from a mode in which the second stage is deactivated and the first stage active, to a mode in which both stages are active, it is preferred, first of all, to use the compressor motor a certain time, which is, for example, greater than one minute, and preferably 5 minutes, to run before then the switch 422 is switched from the switch position shown in Fig. 6B to the switch position shown in Fig. 6A. A heat pump in the second heat pump arrangement 102/1 14 comprises an evaporator with an evaporator inlet and an evaporator outlet, as well as an evaporator outlet. liquid with a condenser inlet and a condenser outlet. In addition, a switching device is provided to operate the heat pump in an operating mode or other operating mode. In one operating mode, the low-power mode, the heat pump is completely bypassed, in that the return of the area to be cooled is connected directly to the trace of the area to be heated. In addition, in this lock-up mode or low-power mode, the return of the area to be heated is connected to the trace of the area to be cooled. Typically, the evaporator is assigned to the area to be cooled and the condenser is assigned to the area to be heated.
In dem Überbrückungsmodus wird der Verdampfer jedoch nicht mit dem zu kühlenden Gebiet verbunden und wird ferner auch der Verflüssiger nicht mit dem zu kühlenden Gebiet verbunden, sondern beide Gebiete werden gewissermaßen .kurzgeschlossen". In dem zweiten alternativen Betriebsmodus wird dagegen die Wärmepumpe nicht über- brückt, sondern, bei noch relativ niedrigen Temperaturen typischerweise im Freiküh- lungsmodus betrieben, oder aber im Normalmodus mit einer oder zwei Stufen. Im Frei- kühlungsmodus ist die Umschalteinrichtung ausgebildet, um einen Rücklauf des zu kühlenden Gebietes mit dem Verflüssigereinlass zu verbinden und um einen Rücklauf des wärmenden Gebietes mit dem Verdampfereinlass zu verbinden. Dagegen ist die Um- schalteinrichtung im Normalmodus ausgebildet, um den Rücklauf des zu kühlenden Gebietes mit dem Verdampfereinlass zu verbinden und den Rücklauf des zu wärmenden Gebietes mit dem Verflüssigereinlass zu verbinden. In the bridging mode, however, the evaporator is not connected to the area to be cooled, and furthermore the condenser is not connected to the area to be cooled, but both areas are to a certain extent "short-circuited." In the second alternative operating mode, however, the heat pump is not bridged but, at relatively low temperatures, is typically operated in the free-cooling mode or in normal mode with one or two stages In the free-cooling mode, the switching means is arranged to connect a return of the area to be cooled with the condenser inlet and a return In contrast, the switching device is designed in the normal mode to connect the return of the area to be cooled with the evaporator inlet and to connect the return of the area to be heated with the condenser inlet of the warming area with the evaporator inlet.
Je nach Ausführungsform kann am Ausgang der Wärmepumpe, also verflüssigerseitig, oder am Eingang der Wärmepumpe, also verdampferseitig, ein Wärmetauscher vorgesehen sein, um den inneren Wärmepumpenkreislauf von dem äußeren Kreislauf flüssigkeitsmäßig zu entkoppeln. In diesem Fall stellt der Verdampfereinlass den Einlass des Wärmetauschers dar, der mit dem Verdampfer gekoppelt ist. Darüber hinaus stellt in diesem Fall der Verdampferauslass den Auslass des Wärmetauchers dar, welcher wiederum mit dem Verdampfer festgekoppelt ist. Depending on the embodiment, a heat exchanger may be provided at the output of the heat pump, that is, on the condenser side, or at the inlet of the heat pump, ie on the evaporator side, to decouple the inner heat pump cycle from the outer circuit in terms of liquid. In this case, the evaporator inlet is the inlet of the heat exchanger coupled to the evaporator. Moreover, in this case, the evaporator outlet constitutes the outlet of the heat exchanger, which in turn is coupled to the evaporator.
Analog hierzu ist auf Verflüssigerseite der Verflüssigerauslass ein Wärmetauscherauslass und ist der Verflüssigereinlass ein Wärmetauschereinlass, und zwar auf der Seite des Wärmetauschers, die nicht mit dem tatsächlichen Verflüssiger festgekoppelt ist. Alternativ kann jedoch die Wärmepumpe ohne eingangsseitigen oder ausgangsseitigen Wärmetauscher betrieben werden. Dann könnte z.B. am Eingang in das zu kühlende Gebiet oder am Eingang in das zu wärmende Gebiet jeweils ein Wärmetauscher vorgesehen sein, welcher dann den Rücklauf bzw. Hinlauf zu dem kühlenden Gebiet oder zu dem zu wärmenden Gebiet umfasst. Similarly, at the condenser side, the condenser outlet is a heat exchanger outlet, and the condenser inlet is a heat exchanger inlet, on the side of the heat exchanger that is not coupled to the actual condenser. Alternatively, however, the heat pump can be operated without input-side or output-side heat exchanger. Then, for example, a heat exchanger could be provided at the entrance to the area to be cooled or at the entrance to the area to be heated, which then comprises the return or trace to the cooling area or to the area to be heated.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Wärmepumpe zum Kühlen eingesetzt, so dass das zu kühlende Gebiet beispielsweise ein in den Raum eines Gebäudes, ein Rechnerraum oder allgemein ein Kühlraum oder eine Supermarkteinrichtung ist, während das zu wärmende Gebiet z.B. ein Dach eines Gebäudes oder eine ähnliche Stelle ist, an der ein Wärmeabgabegerät platziert werden kann, um Wärme an die Umgebung abzugeben. Wird die Wärmepumpe jedoch alternativ hierzu zum Heizen verwendet, so ist das zu kühlende Gebiet die Umwelt, aus der Energie entzogen werden soll und das zu wärmende Gebiet die „Nutzanwendung", also beispielsweise das Innere eines Gebäudes, eines Hauses oder eines zu temperierenden Raumes. In preferred embodiments, the heat pump is used for cooling, so that the area to be cooled is, for example, a room of a building, a computer room or generally a refrigerator or a supermarket, while the area to be heated is e.g. is a roof of a building or similar location where a heat dissipation device can be placed to deliver heat to the environment. However, if the heat pump is alternatively used for heating, the area to be cooled is the environment from which energy is to be extracted and the area to be heated is the "utility", such as the interior of a building, a house or a room to be tempered.
Die Wärmepumpe ist somit in der Lage, von dem Überbrückungsmodus entweder in den Freikühlungsmodus oder, falls ein solcher Freikühlungsmodus nicht ausgebildet ist, in den Normalmodus umzuschalten. The heat pump is thus capable of switching from the bypass mode to either the free cooling mode or, if such free cooling mode is not established, to the normal mode.
Generell ist die Wärmepumpe dahingehend vorteilhaft, dass sie besonders effizient wird, wenn Außentemperaturen vorliegen, die z.B. kleiner als 16 °C sind, was zumindest in der nördlichen und südlichen Hemisphäre entfernet vom Äquator häufig der Fall ist. In general, the heat pump is advantageous in that it becomes particularly efficient when outside temperatures are present, e.g. less than 16 ° C, which is often the case at least in the northern and southern hemispheres distant from the equator.
Damit wird erreicht, dass zu Außentemperaturen, bei denen eine direkte Kühlung möglich ist, die Wärmepumpe komplett außer Betrieb genommen werden kann. Im Falle einer Wärmepumpe mit einem Radialkompressor zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger kann das Radialrad gestoppt werden, und es muss in die Wärmepumpe keine Energie mehr gesteckt werden. Alternativ kann die Wärmepumpe jedoch noch in einem Bereitschaftsmodus oder etwas Ähnlichem laufen, der jedoch, da er nur ein Bereitschaftsmodus ist, nur einen geringen Stromverbrauch mit sich bringt. Insbesondere bei ventillosen Wärmepumpen, wie sie vorzugsweise eingesetzt werden, kann durch komplette Überbrückung der Wärmepumpe im Gegensatz zum Freikühlungsmodus ein Wärmekurzschluss vermieden werden. Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Umschalteinrichtung im ersten Betriebsmodus, also im Niederleistungs- oder Überbrückungsmodus den Rücklauf des zu kühlenden Gebietes oder den Hinlauf des zu kühlenden Gebietes von dem Verdampfer komplett trennt, so dass keine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einlass bzw. Auslass des Verdampfers und dem zu kühlenden Gebiet mehr existiert. Diese komplette Trennung wird ebenfalls auf der Verflüssigerseite vorteilhaft sein. This ensures that outside temperatures, where direct cooling is possible, the heat pump can be completely taken out of service. In the case of a heat pump with a radial compressor between the evaporator and the condenser, the radial wheel can be stopped and no energy needs to be put into the heat pump. Alternatively, however, the heat pump may still be in a standby mode or the like, but since it is only a standby mode, it will consume only a small amount of power. Especially with valveless heat pumps, as they are preferably used, a thermal short circuit can be avoided by complete bridging of the heat pump in contrast to the free cooling mode. In addition, it is preferred that the switching means in the first operating mode, ie in the low-power or bypass mode, the return of the cooled Area or the trace of the area to be cooled from the evaporator completely separates, so that no fluid connection between the inlet or outlet of the evaporator and the area to be cooled longer exists. This complete separation will also be beneficial on the condenser side.
Bei Implementierungen ist eine Temperatursensoreinrichtung vorgesehen, die eine erste Temperatur bezüglich des Verdampfers oder eine zweite Temperatur bezüglich des Verflüssigers erfasst. Ferner hat die Wärmepumpe eine Steuerung, die mit der Temperatursensoreinrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um abhängig von einer oder mehre- ren in der Wärmepumpe erfassten Temperaturen die Umschalteinrichtung zu steuern, so dass die Umschalteinrichtung von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus oder umgekehrt umschaltet. Die Implementierung der Umschalteinrichtung kann durch einen Eingangs-Schalter und einen Ausgangs-Schalter implementiert werden, weiche jeweils vier Eingänge und vier Ausgänge aufweisen und je nach Modus schaltbar sind. Alternativ kann die Umschalteinrichtung jedoch auch durch mehrere einzelne kaskadiert angeordnete Umschalter implementiert werden, die jeweils einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen. In implementations, a temperature sensing device is provided that senses a first temperature with respect to the evaporator or a second temperature with respect to the condenser. Furthermore, the heat pump has a controller, which is coupled to the temperature sensor device and is designed to control the switching device depending on one or more temperatures detected in the heat pump, so that the switching device switches from the first to the second operating mode or vice versa. The implementation of the switching means may be implemented by an input switch and an output switch, each having four inputs and four outputs, and switchable according to the mode. Alternatively, however, the switching device can also be implemented by a plurality of individual cascaded switches, each having an input and two outputs.
Ferner kann als Kopplungselement zum Koppeln der Überbrückungsleitung mit dem Hin- lauf in das zu wärmende Gebiet oder der Koppler zum Koppeln der Überbrückungsleitung mit dem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet als einfache Drei-Anschluss-Kombination ausgebildet sein, also als ein Flüssigkeitsaddierer. Bei Implementierungen wird jedoch bevorzugt, um eine optimale Entkopplung zu haben, die Koppler ebenfalls als Umschalter bzw. in dem Eingangs-Schalter bzw. Ausgangs-Schalter integriert auszuführen. Furthermore, as a coupling element for coupling the bridging line with the approach to the area to be heated or the coupler for coupling the bridging line with the Hinlauf in the area to be cooled may be formed as a simple three-port combination, ie as a liquid. In implementations, however, in order to have optimal decoupling, it is preferred that the couplers also be implemented as switches or integrated in the input / output switch.
Darüber hinaus wird als spezieller Temperatursensor ein erster Temperatursensor auf Verdampferseite verwendet und wird als zweiter Temperatursensor ein zweiter Temperatursensor auf Verflüssigerseite verwendet, wobei eine umso direktere Messung bevorzugt wird. Die verdampferseitige Messung wird insbesondere dazu verwendet, um eine Dreh- zahlsteuerung des Temperaturanhebers also z.B. eines Kompressors der ersten und/oder zweiten Stufe, vorzunehmen, während die verflüssigerseitige Messung oder aber auch eine Umgebungstemperaturmessung eingesetzt wird, um eine Modussteuerung durchzuführen, also um die Wärmepumpe z.B. von dem Überbrückungsmodus in den Freiküh- lungsmodus umzuschalten, wenn eine Temperatur nicht mehr im sehr kalten Temperatur- bereich liegt, sondern im mittelkalten Temperaturbereich. Liegt die Temperatur jedoch weiter oben, also in einem warmen Temperaturbereich, so wird die Umschalteinrichtung die Wärmepumpe in einen Normalmodus mit erste aktiver Stufe oder mit zwei aktiven Stufen bringen. In addition, a first temperature sensor is used on the evaporator side as a special temperature sensor and a second temperature sensor is used on the condenser side as the second temperature sensor, with a more direct measurement is preferred. The evaporator-side measurement is used, in particular, to carry out a speed control of the temperature regulator, for example a compressor of the first and / or second stage, while the condenser-side measurement or else an ambient temperature measurement is used to carry out a mode control, that is to say around the heat pump For example, to switch from the bypass mode to the free cooling mode when a temperature is no longer in the very cold temperature range, but in the medium-cold temperature range. However, if the temperature is higher, ie in a warm temperature range, then the switching device Put the heat pump in a normal mode with first active level or with two active levels.
Bei einer zweistufigen Wärmepumpe wird bei diesem Normalmodus, der dem Mittelleis- tungsmodus entspricht, jedoch lediglich eine erste Stufe aktiv sein, während die zweite Stufe noch inaktiv ist, also nicht mit Strom versorgt wird und daher keine Energie benötigt. Erst wenn die Temperatur weiter ansteigt, und zwar in einen sehr warmen Bereich, dann wird zusätzlich zur ersten Wärmepumpenstufe bzw. zusätzlich zur ersten Druckstufe eine zweite Druckstufe aktiviert, welche wiederum einen Verdampfer, einen Temperaturanhe- ber typischerweise in Form eines Radialkompressors und einen Verflüssiger aufweist. Die zweite Druckstufe kann seriell oder parallel oder seriell/parallel mit der ersten Druckstufe verschaltet sein. In a two-stage heat pump, however, in this normal mode, which corresponds to the mid-power mode, only a first stage will be active, while the second stage is still inactive, ie, not powered, and therefore does not require energy. Only when the temperature continues to increase, namely in a very warm area, in addition to the first heat pump stage or in addition to the first pressure stage, a second pressure stage is activated, which in turn has an evaporator, a Temperaturanhe- ber typically in the form of a radial compressor and a condenser , The second pressure stage can be connected in series or in parallel or serially / parallel to the first pressure stage.
Um sicherzustellen, dass im Überbrückungsmodus, also wenn die Außentemperaturen bereits relativ kalt sind, die Kälte von außen nicht komplett in das Wärmepumpensystem und darüber hinaus in den zu kühlenden Raum eindringt, also den zu kühlenden Raum noch kälter macht, als er eigentlich sein sollte, wird es bevorzugt, anhand eines Sensorsignals am Hinlauf in das zu kühlende Gebiet oder am Rücklauf des zu kühlenden Gebiets ein Steuersignal zu liefern, das von einem außerhalb der Wärmepumpe angebrach- ten Wärmeabgabegerät verwendet werden kann, um die Wärmeabgabe zu steuern, d.h. dann, wenn die Temperaturen zu kalt werden, zu reduzieren. Das Wärmeabgabegerät ist beispielsweise ein Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher, mit einer Pumpe zum Umwälzen der in das zu wärmende Gebiet gebrachten Flüssigkeit. Ferner kann das Wärmeabgabegerät einen Ventilator aufweisen, um Luft in den Luftwärmetauscher zu transportieren. Zusätz- lieh oder alternativ kann auch ein Drei-Wege-Mischer vorgesehen sein, um den Luftwärmetauscher teilweise oder ganz kurzzuschließen. Abhängig von dem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet, der in diesem Überbrückungsmodus jedoch nicht mit dem Verdampfer- auslass, sondern mit dem Rücklauf aus dem zu wärmenden Gebiet verbunden ist, wird das Wärmeabgabegerät, also beispielsweise die Pumpe, der Ventilator oder der Drei- Wege-Mischer gesteuert, um die Wärmeabgabe immer weiter zu reduzieren, damit ein Temperaturniveau beibehalten wird, und zwar in dem Wärmepumpensystem und in dem zu kühlenden Bereich, das in diesem Fall oberhalb des Außentemperaturniveaus liegen kann. Damit kann die Abwärme sogar zum Heizen des„zu kühlenden" Raums verwendet werden, wenn die Außentemperaturen zu kalt sind. Bei einem weiteren Aspekt wird eine gesamte Steuerung der Wärmepumpe so vorgenommen, dass abhängig von einem Temperatursensorausgangssignal eines Temperatursensors auf Verdampferseite eine .Feinsteuerung" der Wärmepumpe vorgenommen wird, also eine Drehzahlsteuerung in den verschiedenen Modi, also z.B. dem Freikühlungsmo- dus, dem Normalmodus mit erster Stufe und dem Normalmodus mit zweiter Stufe und auch eine Steuerung des Wärmeabgabegeräts im Überbrückungsmodus, während eine Modusumschaitung anhand eines Temperatursensorausgangssignals eines Temperatursensors auf Verflüssigerseite als Grobsteuerung vorgenommen wird. Damit wird also lediglich aufgrund eines verflüssigerseitigen Temperatursensors eine Betriebsmodusum- Schaltung vom Überbrückungsmodus (oder NLM) in den Freikühlungsmodus (oder FKM) und/oder in den Normalmodus (MLM oder HLM) vorgenommen, wobei zur Entscheidung, ob eine Umschaltung stattfindet, das verdampferseitige Temperaturausgangssignal nicht genommen wird. Allerdings wird für die Drehzahlsteuerung des Radialverdichters bzw. für die Steuerung der Wärmeabgabegeräte wiederum lediglich das verdampferseitige Tem- peraturausgangssignal verwendet, nicht jedoch das verflüssigerseitige Sensorausgangssignal. To ensure that in the bypass mode, ie when the outside temperatures are already relatively cold, the cold from the outside does not completely penetrate the heat pump system and beyond in the room to be cooled, making the room to be cooled even colder than it should be, For example, it is preferable to provide a control signal from a sensor signal on the trace to the area to be cooled or at the return of the area to be cooled, which may be used by a heat dissipation device installed outside the heat pump to control the heat release, ie the temperatures get too cold, reduce. The heat dissipation device is, for example, a liquid / air heat exchanger, with a pump for circulating the liquid brought into the area to be heated. Further, the heat dissipation device may include a fan to transport air into the air heat exchanger. Additionally or alternatively, a three-way mixer may be provided to partially or completely short the air heat exchanger. Depending on the trace in the area to be cooled, which is connected in this bridging mode but not with the evaporator outlet, but with the return from the area to be heated, the heat dissipation device, so for example, the pump, the fan or the three-way Controlled in order to further reduce the heat output, so that a temperature level is maintained, in the heat pump system and in the area to be cooled, which in this case may be above the outdoor temperature level. Thus, the waste heat can even be used for heating the "room to be cooled" if the outside temperatures are too cold. In a further aspect, an overall control of the heat pump is carried out such that depending on a temperature sensor output signal of a temperature sensor on the evaporator side a .Feinsteuerung "of the heat pump is made, so a speed control in the various modes, eg the free cooling mode, the normal mode with first In the bypass mode, while the mode conversion is made from a temperature sensor output of a condenser-side temperature sensor as coarse control, a mode switching from the bypass mode (or NLM) to the condenser-side temperature sensor is performed the free cooling mode (or FKM) and / or in the normal mode (MLM or HLM), wherein the evaporator side temperature output signal is not taken to decide whether a switch takes place. However, only the evaporator-side temperature output signal is used for the speed control of the radial compressor or for the control of the heat dissipation devices, but not the condenser-side sensor output signal.
Es sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung bezüglich der Anordnung und der Zweistufigkeit, sowie bezüglich der Verwendung des Überbrückungsmodus, der Ansteuerung des Wärmeabgabegeräts in dem Überbrückungsmodus oder Freikühlungsmodus und die Ansteuerung des Radialverdichters in dem Freikühlungsmodus oder dem normalen Betriebsmodus oder bezüglich der Verwendung von zwei Sensoren, wobei ein Sensor zur Betriebsmodusumschaltung und der andere Sensor zur Feinsteuerung eingesetzt wird, unabhängig voneinander eingesetzt wer- den können. Allerdings können diese Aspekte jedoch auch in Paaren, oder in größeren Gruppen oder auch zusammen kombiniert werden. It should be noted that the various aspects of the present invention regarding the arrangement and the two-stage, as well as the use of the bypass mode, the control of the heat dissipation device in the lock-up mode or free cooling mode and the control of the centrifugal compressor in the free cooling mode or the normal operating mode or with respect to Using two sensors, one sensor for operating mode switching and the other fine-tuning sensor used, can be used independently. However, these aspects can also be combined in pairs, or in larger groups or together.
Fig. 7A bis 7D zeigen eine Übersicht über verschiedene Modi, in der die Wärmepumpe gemäß Fig. 1 , Fig. 2, Fig. 8A, 9A betreibbar ist. Ist die Temperatur des zu wärmenden Gebietes sehr kalt, wie beispielsweise kleiner als 16 "C, so wird die Betriebsmodusauswahl den ersten Betriebsmodus aktivieren, in dem die Wärmepumpe überbrückt ist und das Steuersignal 36b für das Wärmeabgabegerät im zu wärmenden Gebiet 16 erzeugt wird. Ist die Temperatur des zu wärmenden Gebietes, also des Gebietes 16 von Fig. 1 in einem mittelkalten Temperaturbereich, also z.B. in einem Bereich zwischen 16 °C und 22 °C, so wird die Betriebsmodussteuerung den Freikühlungsmodus aktivieren, in dem aufgrund der geringen Temperaturspreizung die erste Stufe der Wärmepumpe leistungsarm arbeiten kann. Befindet sich jedoch die Temperatur des zu wärmenden Gebietes in einem warmen Temperaturbereich, also beispielsweise zwischen 22 °C und 28 °C, so wird die Wärmepumpe in dem normalen Modus betrieben, jedoch in dem Norma!modus mit einer ersten Wärmepumpenstufe. Wird dagegen die Außentemperatur sehr warm sein, also in einem Temperaturbereich zwischen 28 °C und 40 °C, so wird eine zweite Wärmepumpenstufe aktiviert, die ebenfalls im Normalmodus arbeitet und die bereits laufend die erste Stufe unterstützt. FIGS. 7A to 7D show an overview of various modes in which the heat pump according to FIGS. 1, 2, 8A, 9A can be operated. If the temperature of the area to be heated is very cold, such as less than 16 "C, the operating mode selection will activate the first operating mode in which the heat pump is bypassed and the control signal 36b for the heat dissipation device is generated in the area 16 to be heated Temperature of the area to be heated, ie the area 16 of FIG. 1 in a medium cold temperature range, eg in a range between 16 ° C and 22 ° C, the operating mode control will activate the free cooling mode, in which due to the low temperature spread the first stage the heat pump low power can work. However, if the temperature of the area to be heated is in a warm temperature range, for example between 22 ° C and 28 ° C, then the heat pump is operated in the normal mode but in the normal mode with a first heat pump stage. However, if the outside temperature is very warm, ie in a temperature range between 28 ° C and 40 ° C, a second heat pump stage is activated, which also works in normal mode and already supports the first stage continuously.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw.„Feinsteuerung" eines Radialverdichters innerhalb des Temperaturanhebers 34 von Fig. 1 in den Temperaturbereichen„mittelkalt", .warm", „sehr warm" vorgenommen, um die Wärmepumpe immer nur mit der Wärme/Kälteleistung zu betreiben, die von den tatsächlichen Voraussetzungen gerade gefordert wird. Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verflüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt. Preferably, a speed control or "fine control" of a centrifugal compressor within the Temperaturanhebers 34 of FIG. 1 in the temperature ranges "medium cold", "warm", "very warm" made to operate the heat pump always only with the heat / cooling capacity, the is required by the actual requirements. Preferably, the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche„sehr kalt",„mittelkalt",„warm", „sehr warm" für verschiedene Temperaturbereiche stehen, deren jeweils mittlere Temperatur von sehr kalt zu mittelka!t, zu warm, zu sehr warm jeweils größer wird. Die Bereiche können, wie es anhand von Fig. 7C dargestellt worden ist, direkt aneinander angrenzen. In Ausführungsformen können die Bereiche jedoch auch überlappen und auf dem genannten Temperaturniveau oder einem anderen insgesamt höheren oder niedrigeren Temperaturniveau liegen. Ferner wird die Wärmepumpe vorzugsweise mit Wasser als Arbeitsmittel betrieben. Je nach Anforderung können jedoch auch andere Mittel eingesetzt werden. It should be noted that the temperature ranges are "very cold", "medium cold", "warm", "very warm" for different temperature ranges, the average temperature of which is very cold to medium cold, too hot, too hot respectively larger becomes. As shown with reference to FIG. 7C, the regions may be directly adjacent to each other. However, in embodiments, the regions may also overlap and be at the stated temperature level or at any other higher or lower temperature level. Furthermore, the heat pump is preferably operated with water as a working medium. However, other means may be used depending on the requirement.
Dies ist in Fig. 7D tabellarisch dargestellt. Ist die Verflüssigertemperatur in einem sehr kalten Temperaturbereich, wird als Reaktion von der Steuerung 430 der erste Betriebsmodus eingestellt. Wird in diesem Modus festgestellt, dass die Verdampfertemperatur kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wird durch ein Steuersignal beim Wärmeabgabegerät eine Reduktion der Wärmeabgabe erreicht. Ist die Verflüssigertemperatur jedoch im mittelkalten Bereich, so ist als Reaktion darauf eine Umschaltung in den Freikühlungsmodus von der Steuerung 430 zu erwarten, wie es durch die Leitungen 431 und 434 dargestellt ist. Ist hier die Verdampfertemperatur größer als eine Soll-Temperatur, so führt dies in Reaktion zu einer Erhöhung der Drehzahl des Radialverdichters des Kompressors über die Steuerleitung 434. Wird wiederum festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf die erste Stufe in den Normalbetrieb genommen, was durch ein Signal auf der Leitung 434 geschieht. Wird wie- derum festgestellt, dass bei einer bestimmten Drehzahl des Kompressors dennoch die Verdampfertemperatur größer als eine Soll-Temperatur ist, dann führt dies zu einer Erhöhung der Drehzahl der ersten Stufe wieder über das Steuersignal auf der Leitung 434. Wird schließlich festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem sehr warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf eine zweite Stufe im Normalbetrieb zuge- schaltet, was wiederum durch ein Signal auf der Leitung 434 geschieht. Je nachdem, ob die Verdampfertemperatur größer oder kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wie es durch Signale auf der Leitung 432 signalisiert wird, wird dann eine Steuerung der ersten und/oder der zweiten Stufe vorgenommen, um auf eine veränderte Situation zu reagieren. Somit wird eine transparente und effiziente Steuerung erreicht wird, die zum einen eine „Grobabstimmung" aufgrund der Modusumschaltung und zum anderen eine„Feinabstimmung" aufgrund der temperaturabhängigen Drehzahleinstellung erreicht, dahingehend, dass immer nur so viel Energie verbraucht werden muss, wie gerade tatsächlich benötigt wird. Diese Vorgehensweise, bei der es auch nicht zu ständigen An- Abschaltungen in einer Wärmepumpe kommt, wie beispielsweise bei bekannten Wärmepumpen mit Hysterese stellt auch sicher, dass aufgrund des kontinuierlichen Betriebs keine Anlaufverluste entstehen. This is tabulated in FIG. 7D. If the condenser temperature is in a very cold temperature range, the first mode of operation is set in response to the controller 430. If it is found in this mode that the evaporator temperature is lower than a setpoint temperature, a reduction in the heat output is achieved by a control signal at the heat dissipation device. However, if the condenser temperature is in the mid-cold range, then in response, it is expected to switch to the free cooling mode from controller 430, as represented by lines 431 and 434. If the evaporator temperature is greater than a setpoint temperature, this results in Response to an increase in the speed of the compressor radial compressor via the control line 434. In turn, if it is determined that the condenser temperature is in a warm temperature range, then the first stage is put into normal operation, which is signaled on line 434 , If, in turn, it is determined that at a certain speed of the compressor, the evaporator temperature is still greater than a desired temperature, then this leads to an increase in the speed of the first stage again via the control signal on line 434. Finally, it is determined that the Condenser is in a very warm temperature range, so in response to this, a second stage in normal operation is switched on, which in turn is done by a signal on line 434. Depending on whether the evaporator temperature is greater or less than a desired temperature, as signaled by signals on the line 432, then a control of the first and / or the second stage is made to respond to a changed situation. Thus, a transparent and efficient control is achieved, on the one hand, a "coarse tuning" due to the mode switching and on the other a "fine-tuning" due to the temperature-dependent speed adjustment, to the effect that always only as much energy must be consumed, as is actually needed , This procedure, in which there is also no permanent on-off in a heat pump, such as in known heat pumps with hysteresis also ensures that due to the continuous operation no start-up losses.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw. .Feinsteuerung" eines Radialverdichters innerhalb des Verdichtermotors von Fig. 1 in den Temperaturbereichen „mittelkalt", „warm", „sehr warm" vorgenommen, um die Wärmepumpe immer nur mit der Wärme/Kälteleistung zu betreiben, die von den tatsächlichen Voraussetzungen gerade gefordert wird. Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verfiüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt. Preferably, a speed control or "fine control" of a centrifugal compressor within the compressor motor of Fig. 1 in the temperature ranges "medium cold", "warm", "very warm" made to operate the heat pump always only with the heat / cooling capacity, of the actual requirements is being demanded. Preferably, the mode switching is controlled by a receiver-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first mode of operation depends on an evaporator-side temperature.
Bei einer Modusumschaltung ist die Steuerung 430 ausgebildet ist, um eine Bedingung für einen Übergang von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodul zu erfassen. Dann wird der Verdichter 304 in der weiteren Wärmepumpenstufe 300 gestartet. Erst nach Versteichen einer vorbestimmten Zeit, die größer als eine Minute ist und vorzugsweise sogar größer als vier oder sogar fünf Minuten ist, wird das steuerbare Wegemodul von dem Mitteileistungsmodus zu dem Hochleistungsmodus umzuschalten. Damit wird erreicht, dass einfach aus dem Stand umgeschaltet werden kann, wobei das Laufenlas- sen des Verdichtermotors vor der Umschaltung sicherstellt, dass der Druck im Verdampfer kleiner wird als der Druck im Verdichter. In mode switching, the controller 430 is configured to detect a condition for transition from the mid-power mode to the high-power module. Then, the compressor 304 is started in the further heat pump stage 300. First after staking a predetermined time greater than one minute, and preferably even greater than four or even five minutes, the controllable path module will switch from the assist power mode to the high power mode. This ensures that it is easy to switch from standstill, with the running of the compressor motor before switching over ensuring that the pressure in the evaporator is lower than the pressure in the compressor.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche in Fig. 7C variiert werden können. Insbesondere sind die Schwellentemperaturen, zwischen einer sehr kalten Tempera- tur und einer mittelkalten Temperatur, also der Wert 16 °C in Fig. 7C sowie zwischen der mittelkalten Temperatur und der warmen Temperatur, also der Wert 22 °C in Fig. 7C und der Wert zwischen der warmen und der sehr warmen Temperatur, also der Wert 28 °C in Fig. 7C lediglich beispielhaft. Vorzugsweise ist die Schwellentemperatur zwischen warm und sehr warm, in der eine Umschaltung vom Mittelleistungsmodus zum Hochleistungs- modus stattfindet, zwischen 25 und 30 °C. Ferner ist die Schwellentemperatur zwischen warm und mittelkalt, wenn also zwischen dem Freikühlungsmodus und dem Mittelleistungsmodus umgeschaltet wird, in einem Temperaturbereich zwischen 18 und 24 °C. Schließlich ist die Schwellentemperatur, bei der zwischen dem mittelkalten Modus und dem sehr kalten Modus umgeschaltet wird, in einem Bereich zwischen 12 und 20 °C, wo- bei die Werte vorzugsweise so gewählt sind, wie sie in der Tabelle in Fig. 7C gezeigt sind, jedoch, wie gesagt, in den genannten Bereichen unterschiedlich eingestellt werden können. It should be noted that the temperature ranges in FIG. 7C can be varied. In particular, the threshold temperatures, between a very cold temperature and a medium-low temperature, ie the value 16 ° C. in FIG. 7C and between the medium-cold temperature and the warm temperature, ie the value 22 ° C. in FIG. 7C and the value between the warm and the very warm temperature, ie the value 28 ° C. in FIG. 7C by way of example only. Preferably, the threshold temperature between warm and very warm, in which a switch from the mid-power mode to the high-power mode takes place, is between 25 and 30 ° C. Further, the threshold temperature between warm and medium cold, that is, when switching between the free cooling mode and the medium power mode, in a temperature range between 18 and 24 ° C. Finally, the threshold temperature at which to switch between the medium cold mode and the very cold mode is in a range between 12 and 20 ° C, with the values preferably being as shown in the table in Fig. 7C However, as I said, can be set differently in the above areas.
Je nach Implementierung und Anforderungsprofil kann die Wärmepumpenanlage jedoch auch in vier Betriebsmodi betrieben werden, die sich ebenfalls unterscheiden, jedoch alle auf einem anderen absoluten Niveau sind, so dass die Bezeichnungen„sehr kalt",„mittelkalt", „warm", „sehr warm" lediglich relativ zueinander zu verstehen sind, jedoch keine absoluten Temperaturwerte darstellen sollen. Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist. So stellen beispielsweise die in den Fig. 6A bis 6D beschriebenen Blockschaltbilder gleichermaßen Flussdiagramme eines entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steuerung beispielsweise durch das Element 430 in Fig. 4B als Software oder Hardware implementiert werden kann, wobei dies auch für die Tabellen in den Fig. 4C, 4D, oder 7A, 7B, 7C, 7D gilt. Die Implementierung der Steuerung kann auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium, einem digitalen oder anderen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren zum Pumpen von Wärme bzw. zum Betreiben einer Wärmepumpe ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer- Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit auch als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft. Depending on the implementation and requirement profile, however, the heat pump system can also operate in four operating modes, which are also different, but all are at a different absolute level, so that the terms "very cold", "medium cold", "warm", "very warm "are to be understood only relative to each other, but are not intended to represent absolute temperature values. Although certain elements are described as device elements, it should be understood that this description is likewise to be regarded as a description of steps of a method and vice versa. Thus, for example, the block diagrams described in FIGS. 6A to 6D likewise represent flowcharts of a corresponding method according to the invention. It should also be appreciated that the control may be implemented as software or hardware, for example, by element 430 in FIG. 4B, as well as for the tables in FIGS. 4C, 4D, or 7A, 7B, 7C, 7D. The implementation of the controller may be on a non-volatile storage medium, a digital or other storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer system such that the corresponding method of pumping heat or operating a heat pump is running. In general, the invention thus also encompasses a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus also be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Wärmepumpensystem mit folgenden Merkmaien: einer ersten Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ), die einen Verdichter (1 12) mit einem Verdichterausgang (1 13) aufweist; einer zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14), die einen Eingangsabschnitt ( 14a) und einen Ausgangsabschnitt (1 14b) aufweist; und einem Koppler (1 15) zum thermischen Koppeln der ersten Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ) und der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14), wobei der Koppler (1 15) einen ersten Wärmetauscher (1 15a) und einen zweiten Wärmetauscher (1 15b) aufweist, wobei der erste Wärmetauscher (1 15a) mit dem Eingangsabschnitt (1 14a) der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 4) verbunden ist, und wobei der zweite Wärmetauscher (1 15b) mit dem Ausgangsabschnitt (1 14b) der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14) verbunden ist, wobei eine Arbeitsflüssigkeit in der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) C02 aufweist oder eine Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) Wasser aufweist. 1 . Heat pump system with the following Merkmaien: a first heat pump assembly (1 1 1) having a compressor (1 12) with a compressor output (1 13); a second heat pump assembly (11-14) having an input portion (14a) and an output portion (14b); and a coupler (1 15) for thermally coupling the first heat pump assembly (1 1 1) and the second heat pump assembly (1 14), wherein the coupler (1 15) has a first heat exchanger (1 15a) and a second heat exchanger (1 15b) wherein the first heat exchanger (1 15a) is connected to the inlet section (1 14a) of the second heat pump arrangement (1 4), and wherein the second heat exchanger (1 15b) is connected to the outlet section (1 14b) of the second heat pump arrangement (1 14) is, wherein a working fluid in the first heat pump assembly (101, 1 1 1) C02 or a working fluid in the second heat pump assembly (102, 1 14) has water.
2. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1 , bei dem die erste Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ) ausgebildet ist, um mit einem ersten Arbeitsmedium zu arbeiten, bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung (1 14) ausgebildet ist, um mit einem zweiten Arbeitsmedium zu arbeiten, wobei sich das zweite Arbeitsmedium von dem ersten Arbeitsmedium im Hinblick auf das Materia! unterscheidet, oder bei dem die erste Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ) ausgebildet ist, um bei einem ersten Arbeitsdruck zu arbeiten, bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung (1 14) ausgebildet ist, um mit einem zweiten Druck zu arbeiten, wobei sich der zweite Druck von dem ersten Druck unterscheidet, und wobei der erste Druck höher als der zweite Druck ist. 2. Heat pump system according to claim 1, wherein the first heat pump assembly (1 1 1) is designed to work with a first working fluid, wherein the second heat pump assembly (1 14) is designed to work with a second working fluid, wherein the second working medium from the first working medium with regard to the materia! or in which the first heat pump assembly (1 1 1) is adapted to operate at a first working pressure, wherein the second heat pump assembly (1 14) is adapted to operate at a second pressure, wherein the second pressure of the first pressure, and wherein the first pressure is higher than the second pressure.
3. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, das ferner einen Rückkühler (131 ) aufweist, der ausgebildet ist, um mit einer Umgebung gekoppelt zu werden, wobei der Ausgangsabschnitt (1 14b) der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14, 102) mit dem Rückkühler (131 ) gekoppelt ist. 4. Wärmepumpensystem nach Anspruch 3, bei der der Ausgangsabschnitt (1 14b) einen Wärmetauscher (130) aufweist, durch den ein Rückkühlerkreisiauf von der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) fluidisch getrennt ist, wobei der Rückkühlerkreislauf ausgebildet ist, um bei einem Druck zu arbeiten, der höher ist als ein Druck in der zweiten Wärmepumpenanordnung, und der kleiner ist als ein Druck in der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ). 3. Heat pump system according to claim 1 or 2, further comprising a recooler (131) adapted to be coupled to an environment, wherein the output portion (1 14b) of the second heat pump assembly (1 14, 102) is coupled to the recooler (131). 4. Heat pump system according to claim 3, wherein the output section (1 14b) comprises a heat exchanger (130) through which a Rückkühlerkreisiauf of the second heat pump assembly (102, 1 14) is fluidically separated, wherein the recooler circuit is adapted to at a pressure to work, which is higher than a pressure in the second heat pump assembly, and which is smaller than a pressure in the first heat pump assembly (101, 1 1 1).
Wärmepumpensystem nach Anspruch 4, bei dem der Rückkühlerkreisiauf ausgebildet ist, um eine Flüssigkeit zu verwenden, die sich von einer Arbeitsflüssigkeit der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) und einer Arbeitsflüssigkeit der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 1 1 , 1 14) unterscheidet. A heat pump system according to claim 4, wherein the recooling circuit is configured to use a liquid different from a working fluid of the first heat pump assembly (101, 11) and a working fluid of the second heat pump assembly (11 1, 11).
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Koppler (103, 1 15) einen ersten Wärmetauscher (1 15a) aufweist, der eine Primärseite und eine Sekundärseite hat, wobei die Sekundärseite mit einem Verdampfer (120, 202, 320) der zweiten Wärmepumpenanordnung koppelbar ist, und wobei die Primärseite des ersten Wärmetauschers (1 15a) mit der ersten Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ) gekoppelt ist. Heat pump system according to one of claims 1 to 5, wherein the coupler (103, 1 15) has a first heat exchanger (1 15a) having a primary side and a secondary side, wherein the secondary side with an evaporator (120, 202, 320) of the second heat pump assembly can be coupled, and wherein the primary side of the first heat exchanger (1 15a) with the first heat pump assembly (1 1 1) is coupled.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Koppler (103, 1 5) einen zweiten Wärmetauscher (1 15b) aufweist, der eine Primärseite und eine Sekundärseite hat, wobei die Sekundärseite mit einem Verflüssiger (122, 206, 306) der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) koppelbar ist, und wobei die Primärseite des zweiten Wärmetauschers mit der ersten Wärmpumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) gekoppelt ist. Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) einen Verdichter (1 12) aufweist, wobei der Koppier (103, 1 15) einen ersten Wärmetauscher (115a) und einen zweiten Wärmetauscher (1 15b) aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher (1 15b) mit dem Verdichter (1 12) der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) gekoppelt ist, und wobei der erste Wärmetauscher (1 15a) mit dem zweiten Wärmetauscher (1 15b) über eine Verbindungsieitung (1 15c) gekoppelt ist.. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the coupler (103, 1 5) has a second heat exchanger (1 15b) having a primary side and a secondary side, wherein the secondary side with a condenser (122, 206, 306) of the second heat pump assembly (102, 1 14) is coupled, and wherein the primary side of the second heat exchanger with the first heat pump assembly (101, 1 1 1) is coupled. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the first heat pump assembly (101, 1 1 1) comprises a compressor (1 12), wherein the Koppier (103, 1 15) a first heat exchanger (115 a) and a second heat exchanger (1 15 b) wherein the second heat exchanger (1 15b) with the compressor (1 12) of the first heat pump assembly (101, 1 1 1) is coupled, and wherein the first heat exchanger (1 15a) with the second heat exchanger (1 15b) via a Verbindungsieitung (1 15c) is coupled ..
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Wärmetauscher (1 15a) eine Primärseite mit einem ersten Primäreingang (1 15c) und einem ersten Primärausgang (132) aufweist, bei dem der erste Wärmetauscher (1 15a) eine Sekundärseite mit einem ersten Sekundäreingang (120b) und einem ersten Sekundärausgang (120a) aufweist, bei dem der zweite Wärmetauscher (1 15b) eine Primärseite mit einem zweiten Primäreingang (1 13) und einem zweiten Primärausgang (1 15c) aufweist, bei dem der zweite Wärmetauscher (1 15b) eine Sekundärseite mit einem zweiten Sekundärausgang (131 a) und einem zweiten Sekundäreingang (134) aufweist, wobei der zweite Primäreingang (1 13) mit einem Verdichterausgang der ersten Wärmepumpenanordnung verbunden ist, wobei der zweite Primärausgang über eine Verbindungsleitung (1 15c) mit einem dem ersten Primäreingang des ersten Wärmetauscher (1 15a) verbunden ist, und wobei der erste Primärausgang (132) des ersten Wärmetauscher (1 15a) mit einer Stelle des ersten Wärmepumpensystems (100, 1 1 1 ) thermisch gekoppelt ist, die sich von dem Verdichterausgang unterscheidet. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the first heat exchanger (1 15a) has a primary side with a first primary inlet (1 15c) and a first primary outlet (132), wherein the first heat exchanger (1 15a) has a secondary side with a first secondary input (120b) and a first secondary outlet (120a), wherein the second heat exchanger (1 15b) has a primary side with a second primary inlet (1 13) and a second primary outlet (1 15c), wherein the second heat exchanger (1 15b) a secondary side having a second secondary output (131 a) and a second secondary input (134), wherein the second primary input (1 13) is connected to a compressor output of the first heat pump assembly, the second primary output via a connecting line (1 15c) with a first primary input of the first heat exchanger (1 15a) is connected, and wherein the first primary output (132) of the first heat cher (1 15a) with a location of the first heat pump system (100, 1 1 1) is thermally coupled, which differs from the compressor output.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 9, bei dem die Stelle des ersten Wärmepumpensystems, mit der der erste Primärausgang (132) des ersten Wärmetauscher (1 15a) gekoppelt ist, ein Verdampfer- eingang eines Verdampfers (1 16) der ersten Wärmepumpenanordnung oder ein Drosseleingang einer Drossel (1 17) der ersten Wärmepumpenanordnung (100, 1 1 1 ) ist. Heat pump system according to claim 9, wherein the location of the first heat pump system, to which the first primary outlet (132) of the first heat exchanger (1 15a) is coupled, an evaporator input of an evaporator (1 16) of the first heat pump assembly or a throttle input of a throttle (1 17) of the first heat pump assembly (100, 1 1 1).
Wärmepumpensystem nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der erste Sekundäreingang (120b) oder der erste Sekundärausgang (120a) mit einem Eingangsabschnitt (230, 401 ) oder einem Verdampfer (120, 102) der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14) verbunden ist. Heat pump system according to claim 9 or 10, wherein the first secondary input (120b) or the first secondary output (120a) with an input portion (230, 401) or an evaporator (120, 102) of the second heat pump assembly (1 14) is connected.
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , bei dem der zweite Sekundäreingang (134) mit einem Ausgangsabschnitt (1 14b, 402, 340, 214) der zweiten Wärmepumpenanordnung oder mit einem Verflüssiger (122) der zweiten Wärmepumpenanordnung verbunden ist, oder bei dem der zweite Sekundärausgang (131 a) mit einem Rückkühler (131 ) verbunden ist. Heat pump system according to one of claims 9 to 1 1, wherein the second secondary input (134) with an output portion (1 14b, 402, 340, 214) of the second heat pump assembly or with a condenser (122) of the second heat pump assembly is connected, or wherein the second secondary outlet (131 a) is connected to a recooler (131).
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das einen Rückkühler (131 ) aufweist, bei dem der Ausgangsabschnitt (1 14b, 402, 340, 214) der zweiten Wärmepumpenanordnung einen Ausgangs-Wärmetauscher (130, 214) aufweist, dessen Primärseite mit dem Rückkühler (131 ) koppelbar ist, und dessen Sekundärseite mit einem Verflüssiger (306), oder einem Ausgangsabschnitt (402, 340) der zweiten Wärmepumpenanordnung koppelbar ist. Heat pump system according to one of claims 9 to 12, comprising a recooler (131), wherein the output portion (1 14b, 402, 340, 214) of the second heat pump assembly has an output heat exchanger (130, 214), whose primary side with the recooler (131) can be coupled, and whose secondary side with a condenser (306), or an output portion (402, 340) of the second heat pump assembly is coupled.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Wärmetauscher (1 15a) und der zweite Wärmetauscher (1 15b) für Drücke über 15 bar ausgebildet sind. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the first heat exchanger (1 15a) and the second heat exchanger (1 15b) are designed for pressures above 15 bar.
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung einen Eingangsabschnitt (1 14a) und einen Ausgangsabschnitt (1 14b) aufweist und ausgebildet ist, um abhängig von einer Temperatur (124a, 124b) an dem Eingangsabschnitt (1 14a) oder einer Temperatur (124c, 124d) an dem Ausgangsabschnitt (1 14b) gesteuert zu werden, derart, dass eine Aufnahme von elektrischer Leistung durch die zweite Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) bei einer zunehmenden Temperatur (124a, 124b, 124c, 124d) an dem Eingangsabschnitt (1 14a) oder dem Ausgangsabschnitt (1 14b) zunimmt und bei abnehmender Temperatur (124a-124d) an dem Eingangsabschnitt (1 14a, 1 14b) abnimmt. Heat pump system according to one of claims 1 to 14, wherein the second heat pump assembly has an input portion (1 14a) and an output portion (1 14b) and is adapted to depending on a temperature (124a, 124b) at the input portion (1 14a) or a temperature (124c, 124d) at the output portion (1 14b) such that absorption of electric power by the second heat pump assembly (102, 14 ) increases at an increasing temperature (124a, 124b, 124c, 124d) at the input portion (11a) or the output portion (14b) and decreases as the temperature (124a-124d) at the input portion (11a, 14b) decreases.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 15, bei dem ein Zusammenhang zwischen einer Aufnahme der elektrischen Leistung und der Temperatur (100a-124d) an dem Eingangsabschnitt (1 14a) oder dem Ausgangsabschnitt (1 14b) zumindest in einem Betriebsmodus der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) annähernd linear ist. Heat pump system according to claim 15, wherein a relationship between a recording of the electric power and the temperature (100a-124d) at the input portion (1 14a) or the output portion (1 14b) at least in an operating mode of the second heat pump assembly (102, 1 14) is approximately linear.
Wärmepumpensystem nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung einen Turboverdichter (121 ) mit einem Radialrad aufweist, wobei eine Drehzahl des Radialrads abhängig von der Temperatur (124a-124d) an dem Eingangsabschnitt (1 14a) oder dem Ausgangsabschnitt (1 14b) steuerbar ist. Heat pump system according to claim 15 or 16, wherein the second heat pump assembly comprises a turbocompressor (121) with a radial wheel, wherein a rotational speed of the radial wheel depending on the temperature (124a-124d) at the input portion (1 14a) or the output portion (1 14b) is controllable.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Arbeitsflüssigkeit in der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) C02 aufweist und die Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) Wasser aufweist. A heat pump system according to any one of the preceding claims, wherein the working fluid in the first heat pump assembly (101, 11) has CO 2 and the working fluid in the second heat pump assembly (102, 14) comprises water.
Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) folgende Merkmale aufweist: eine Wärmepumpenstufe (200) mit einem ersten Verdampfer (202), einem ersten Verflüssiger (206) und einem ersten Verdichter (204); und eine weitere Wärmepumpenstufe (300) mit einem zweiten Verdampfer (302), einem zweiten Verflüssiger (306) und einem zweiten Verdichter (304), wobei ein erster Verflüssigerausgang (224) des ersten Verflüssigers (206) mit einem zweiten Verdampfereingang (322) des zweiten Verdampfers (302) über eine Verbindungsleitung (332) verbunden ist. A heat pump system according to any one of the preceding claims, wherein the second heat pump assembly (102, 14) comprises: a heat pump stage (200) having a first evaporator (202), a first condenser (206) and a first compressor (204); and another heat pump stage (300) having a second evaporator (302), a second condenser (306) and a second compressor (304), wherein a first condenser exit (224) of the first condenser (206) is connected to a second evaporator inlet (322) of the second evaporator (302) via a connection line (332).
Wärmepumpensystem nach Anspruch 19, bei der die zweite Wärmepumpenanordnung ferner ein steuerbares Wegemodul aufweist, um die Wärmepumpenanordnung und das steuerbare Wegemodul (420) anzusteuern, um die zweite Wärmepumpenanordnung in einem von wenigsten zwei unterschiedlichen Modi zu betreiben, wobei die zweite Wärmepumpenanordnung ausgebildet ist, um wenigstens zwei Modi auszuführen, die aus einer Gruppe von Modi ausgewählt sind, die folgende Modi aufweist: einen Hochleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (100) und die weitere Wärmepumpenstufe (200) aktiv sind; einen Mitteileistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist; einen Freikühlungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist und der zweite Wärmetauscher (214) mit einem Verdampfereinlass (222) der Wärmepumpenstufe (200) gekoppelt ist; und einen Niederleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv sind, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eine Bedingung für einen Übergang von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodul zu erfassen, um den Verdichter (304) in der weiteren Wärmepumpenstufe (300) zu starten, und um erst nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit, die größer als eine Minute ist, das steuerbare Wegemodul von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodus umzuschalten. 21 . Wärmepumpensystem nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) folgende Merkmale aufweist: einen ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einen zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; eine erste Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist, eine zweite Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist; und einen ersten Temperatursensor (602) an einem Rücklauf (241 ) aus dem ersten Wärmetauscher (212); einen zweiten Temperatursensor (604) an einem Rücklauf (243) aus dem zweiten Wärmetauscher (214); eine Steuerung, um die zweite Wärmepumpenanordnung in einem von wenigsten zwei unterschiedlichen Modi zu betreiben, wobei die zweite Wärmepumpenanordnung ausgebildet ist, um wenigstens zwei Modi auszuführen, die aus einer Gruppe von Modi ausgewählt sind, die folgende Modi aufweist: einen Hochleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (100) und die weitere Wärmepumpenstufe (200) aktiv sind; einen Mittelleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist; einen Freikühlungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist und der zweite Wärmetauscher (214) mit einem Verdampfereinlass (222) der Wärmepumpenstufe (200) gekoppelt ist; und einen Niederleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv sind. wobei die Steuerung ausgebildet ist, um von einem Betriebsmodus in den Freiküh- !ungsmodus umzuschalten, abhängig von einer Differenz aus einer ersten Temperatur, die von dem ersten Temperatursensor (602) erfasst wird, und aus einer zweiten Temperatur, die von dem zweiten Temperatursensor (604) erfasst wird. The heat pump system of claim 19, wherein the second heat pump assembly further includes a controllable path module to drive the heat pump assembly and the controllable path module (420) to operate the second heat pump assembly in one of at least two different modes, the second heat pump assembly being configured to performing at least two modes selected from a group of modes having the following modes: a high power mode in which the heat pump stage (100) and the further heat pump stage (200) are active; a mitteilistungsmodus in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive; a free cooling mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive and the second heat exchanger (214) is coupled to an evaporator inlet (222) of the heat pump stage (200); and a low power mode in which the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) are inactive, wherein the controller is configured to detect a condition for transition from the mid power mode to the high power module to power the compressor (304) in the to start another heat pump stage (300), and only to switch the controllable path module from the middle power mode to the high power mode after elapse of a predetermined time greater than one minute. 21. Heat pump system according to claim 19 or 20, wherein the second heat pump assembly (102, 1 14) has the following features: a first heat exchanger (212) on a side to be cooled; a second heat exchanger (214) on a side to be heated; a first pump (208) coupled to the first heat exchanger (212), a second pump (210) coupled to the second heat exchanger (214); and a first temperature sensor (602) on a return (241) from the first heat exchanger (212); a second temperature sensor (604) at a return (243) from the second heat exchanger (214); a controller to operate the second heat pump assembly in one of at least two different modes, the second heat pump assembly configured to perform at least two modes selected from a group of modes having the following modes: a high power mode in which the Heat pump stage (100) and the other heat pump stage (200) are active; a mid-power mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive; a free cooling mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive and the second heat exchanger (214) is coupled to an evaporator inlet (222) of the heat pump stage (200); and a low power mode in which the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) are inactive. wherein the controller is configured to switch from an operating mode to the free-cooling mode depending on a difference between a first temperature detected by the first temperature sensor (602) and a second temperature determined by the second temperature sensor ( 604) is detected.
Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , bei dem die zweite Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) folgende Merkmale aufweist: ein steuerbares Wegemodul (420) und ferner eine Steuerung (430), um die Wärmepumpeneinheit und das steuerbare Wegemodul (420) anzusteuern, um die zweite Wärmepumpenanordnung in einem von wenigsten zwei unterschiedlichen Modi zu betreiben, wobei die zweite Wärmepumpenanordnung ausgebildet ist, um wenigstens zwei Modi auszuführen, die aus einer Gruppe von Modi ausgewählt sind, die folgende Modi aufweist: einen Hochleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (100) und die weitere Wärmepumpenstufe (200) aktiv sind; einen Mittelleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist; einen Freikühlungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist und der zweite Wärmetauscher (214) mit einem Verdampfereinlass (222) der Wärmepumpenstufe (200) gekoppelt ist; und einen Niederleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv sind, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um die zweite Wärmepumpenanordnung in dem Hochleistungsmodus zu betreiben, wenn eine Temperatur eines zu erwärmenden Gebiets größer als eine sehr warme Temperatur ist, um die zweite Wärmepumpenanordnung in dem Mittelleistungsmodus zu betreiben, wenn eine Temperatur eines zu erwärmenden Gebiets größer als eine warme Temperatur ist, die kleiner als die sehr warme Temperatur ist, um die zweite Wärmepumpenanordnung in dem Freikühlungsmodus zu betreiben, wenn eine Temperatur eines zu erwärmenden Gebiets größer als eine mittelkalte Temperatur ist, die kleiner als die warme Temperatur ist, und um die i zweite Wärmepumpenanordnung n dem Niederleistungsmodus zu betreiben, wenn eine Temperatur eines zu erwärmenden Gebiets kleiner als die mittelkalte Temperatur ist. The heat pump system of any one of claims 19 to 21, wherein the second heat pump assembly (102, 14) includes: a controllable path module (420) and further a controller (430) to control the heat pump unit and the controllable path module (420), to operate the second heat pump assembly in one of at least two different modes, wherein the second heat pump assembly is configured to perform at least two modes selected from a group of modes having the following modes: a high power mode in which the heat pump stage (100 ) and the further heat pump stage (200) are active; a mid-power mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive; a free cooling mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive and the second heat exchanger (214) is coupled to an evaporator inlet (222) of the heat pump stage (200); and a low power mode in which the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) are inactive, wherein the controller is configured to operate the second heat pump assembly in the high power mode when a temperature of a region to be heated is greater than a very warm temperature is to operate the second heat pump assembly in the mid-power mode when a temperature of a region to be heated is greater than a warm temperature that is less than the very warm temperature to operate the second heat pump assembly in the free cooling mode when a temperature of a region to be heated is greater than a medium cold temperature, which is lower than the warm temperature, and to operate the low heat mode second heat pump assembly when a temperature of a region to be heated is lower than the medium cold temperature.
23. Wärmepumpensystem nach Anspruch 22, bei dem die sehr warme Temperatur zwischen 35 ° und 30 °C liegt, bei der die warme Temperatur zwischen 18 °C und 24 °C liegt, oder bei der die mittelkalte Temperatur zwischen 12 °C und 20 °C liegt. 23. Heat pump system according to claim 22, wherein the very warm temperature is between 35 ° and 30 ° C, wherein the warm temperature is between 18 ° C and 24 ° C, or at the medium cold temperature between 12 ° C and 20 ° C is.
24. Verfahren zum Herstellen eines Wärmepumpensystems mit einer ersten Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ), die einen Verdichter (112) mit einem Verdichterausgang (1 13) aufweist; und mit einer zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14), die einen Eingangsabschnitt (1 14a) und einen Ausgangsabschnitt (1 14b) aufweist, mit folgenden Schritten: thermisches Koppeln der ersten Wärmepumpenanordnung (1 1 1 ) und der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14), unter Verwendung eines ersten Wärmetauschers (1 15a) und eines zweiten Wärmetauschers (1 15b), durch Verbinden des ersten Wärmetauschers (1 15a) mit dem Eingangsabschnitt (1 14a) der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14) und des zweite Wärmetauschers (1 15b) mit dem Ausgangsabschnitt (1 14b) der zweiten Wärmepumpenanordnung (1 14), wobei eine Arbeitsflüssigkeit in der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) C02 aufweist oder eine Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) Wasser aufweist. 24. A method for producing a heat pump system comprising a first heat pump assembly (1 1 1) having a compressor (112) with a compressor outlet (1 13); and a second heat pump assembly (11-14) having an input portion (11a) and an output portion (14b), comprising the steps of: thermally coupling the first heat pump assembly (11) and the second heat pump assembly (114) Use of a first heat exchanger (1 15a) and a second heat exchanger (1 15b), by connecting the first heat exchanger (1 15a) with the input portion (1 14a) of the second heat pump assembly (1 14) and the second heat exchanger (1 15b) with the Output section (1 14b) of the second heat pump assembly (1 14), wherein a working fluid in the first heat pump assembly (101, 1 1 1) CO 2 or a working fluid in the second heat pump assembly (102, 1 14) comprises water.
25. Verfahren zum Betreiben eines Wärmepumpensystems, mit folgenden Schritten: Betreiben einer ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ), die einen Verdichter (1 12) mit einem Verdichterausgang (1 13) aufweist; 25. Method for operating a heat pump system, comprising the following steps: Operating a first heat pump assembly (101, 1 1 1) having a compressor (1 12) with a compressor outlet (1 13);
Betreiben einer zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14), die einen Ein- gangsabschnitt (1 14a) und einen Ausgangsabschnitt (1 14b) aufweist; und Operating a second heat pump assembly (102, 14) having an input portion (11a) and an output portion (14b); and
Thermisches Koppeln der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) und der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) unter Verwendung eines ersten Wärmetauscher (1 15a) und eines zweiten Wärmetauscher (1 15b), wobei der erste Wärmetauscher (1 15a) mit dem Eingangsabschnitt (1 14a) der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) verbunden ist, und wobei der zweite Wärmetauscher (1 15b) mit dem Ausgangsabschnitt (1 14b) der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) verbunden ist, wobei eine Arbeitsflüssigkeit in der ersten Wärmepumpenanordnung (101 , 1 1 1 ) C02 aufweist oder eine Arbeitsflüssigkeit in der zweiten Wärmepumpenanordnung (102, 1 14) Wasser aufweist. Thermally coupling the first heat pump assembly (101, 11) and the second heat pump assembly (102, 11) using a first heat exchanger (15a) and a second heat exchanger (15b), the first heat exchanger (115a) communicating with the first heat exchanger Input portion (1 14a) of the second heat pump assembly (102, 1 14) is connected, and wherein the second heat exchanger (1 15b) to the output portion (1 14b) of the second heat pump assembly (102, 1 14) is connected, wherein a working fluid in the first heat pump assembly (101, 1 1 1) C02 or a working fluid in the second heat pump assembly (102, 1 14) comprises water.
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