EP3667182A1 - Wärmepumpenanlage - Google Patents

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EP3667182A1
EP3667182A1 EP19213760.2A EP19213760A EP3667182A1 EP 3667182 A1 EP3667182 A1 EP 3667182A1 EP 19213760 A EP19213760 A EP 19213760A EP 3667182 A1 EP3667182 A1 EP 3667182A1
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EP
European Patent Office
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heating
cooling
heat pump
heat
circuit
Prior art date
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Application number
EP19213760.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3667182B1 (de
Inventor
Jens Rammensee
Tino Bär
Daniela TEMPEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Glen Dimplex Deutschland GmbH
Original Assignee
Glen Dimplex Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Glen Dimplex Deutschland GmbH filed Critical Glen Dimplex Deutschland GmbH
Publication of EP3667182A1 publication Critical patent/EP3667182A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3667182B1 publication Critical patent/EP3667182B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0096—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater combined with domestic apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • F24D11/0214—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/02—Domestic hot-water supply systems using heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/89—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • F24D11/0214—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system
    • F24D11/0221—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system combined with solar energy

Definitions

  • the invention relates to a heat pump system which is designed for simultaneous heating and cooling.
  • a heat pump is integrated in such a way that both its heat source side and its heat sink side are used for heating and cooling at the same time.
  • the heat pump has an evaporator on the heat source side and a condenser on the heat sink side.
  • the evaporator is cooled by a heat transfer medium, e.g. B. cooling water flows through.
  • the condenser is simultaneously from a heat transfer medium to be heated, for. B. flows through heating water. Since heat is shifted from the heat source side to the heat sink side, this type of integration and supply is also referred to below as heat shift.
  • the heating and cooling power requirements do not have the same, constant relationship to one another in most applications, especially in building supply, and fluctuates over the year in particular.
  • the cooling capacity requirement will typically predominate in the warm summer months and the heating capacity requirement in the colder winter months.
  • the present invention is based on the object of specifying a heat pump system which is designed for simultaneous heating and cooling and which has a high efficiency, in particular the highest possible TER (total efficiency ratio).
  • the object is achieved according to the invention by a heat pump system with the features of claim 1.
  • the heat pump system is designed for simultaneous heating and cooling and has a first heat pump which is designed as a liquid-liquid heat pump.
  • the heat pump is connected to a heat source on a source side and to a heat sink on a sink side, each via a liquid / liquid heat exchanger.
  • the heat pump generally has a refrigerant circuit with an evaporator and a condenser and with an electrically driven compressor.
  • a liquid-liquid heat pump is referred to in the present case, this means that a liquid is used as the heat carrier both on the source side and on the lower side, so that the heat is emitted from the liquid to a cooling circuit of the heat pump on the source side or heat from the lower side Refrigeration cycle is released into the liquid.
  • the liquid can be water, brine or a water-glycol mixture.
  • Different heat transfer media for example water on one side and brine on the other side, can be used on the source and lower side.
  • Brine and water-glycol mixtures often have a freezing point below 0 ° C and are therefore suitable for cooling circuits with particularly low temperatures.
  • the term "brine" is used jointly for the actual brine (solution of technical salts in water) as well as for a glycol-water mixture.
  • the heat source generally has a cooling circuit, in which a liquid (water or brine) circulates during operation and which has a cooling flow, a cooling return, a cooling buffer storage for cold water and - in a connected state - at least one Has cooling consumers.
  • a liquid water or brine
  • This is used to cool its surroundings, absorbing heat from the surroundings and releasing them to the liquid in the cooling circuit.
  • Environment is understood here to mean that, for example, the ambient air of the cooling consumer is cooled directly, or also another heat transfer medium.
  • the cooling consumer also referred to as a cooler, is preferably used for room cooling. Depending on the application, the cooler can also be used for other cooling purposes, e.g. B. can be used for cooling refrigerators or freezers.
  • the heat pump system is used in particular for air conditioning in buildings and, if necessary, in addition to supplying heated service water.
  • the heat pump system is used, for example, in the food and beverage industry and / or in industrial processes in which a cooling requirement, for. B. for cooling food, resources etc. and a heating requirement z. B. for building heating, water heating, for heating equipment, etc. is required.
  • the heat sink comprises a heating circuit in which, when operating as a heat carrier, a liquid (in particular water) circulates with a heating flow, a heating return, a heating buffer storage for heating water and - in a connected state - with at least one heating - Consumer who is trained to heat his environment.
  • the heating consumer is in turn preferably used for direct heating, for example of the air in a room, but can also be used to heat another heat transfer medium.
  • the heat source and / or the heat sink is preferably finally formed by the cooling circuit or heating circuit connected to it.
  • the heating circuit has a hot water storage in which domestic water is heated.
  • the first heat pump causes heat to shift between the cooling circuit and the heating circuit, so that cooling power is provided on the cooling circuit side and heating power is provided on the heating circuit side.
  • heat / cold is shifted between the two circuits and in particular between the cooling buffer storage and the heating buffer storage or hot water storage.
  • heat is shifted from the cooling buffer storage into the heating circuit, especially into the heating buffer storage / into the hot water storage.
  • cold is shifted from the heating buffer storage / hot water storage to the cooling circuit, especially to the cooling buffer storage.
  • Normal operation is understood to mean an operating situation in which the first heat pump is in operation.
  • the first heat pump is only operated under specified boundary conditions, in particular temperature conditions in the heating circuit or in the cooling circuit.
  • At least one additional unit is also integrated in the heat pump system, which is hydraulically connected to both the cooling circuit and the heating circuit and, if required, for example via flow control using appropriate valves either with the cooling circuit or with the heating circuit is connected, so that either additional heat is fed into the heating circuit or additional cooling is hydraulically fed into the cooling circuit.
  • the transfer of heat or cold into the heating circuit or into the cooling circuit takes place by means of a heat exchanger. This applies in particular to the case when different liquids are used in the cooling circuit (or in the heating circuit) and the connected additional unit (e.g. brine / water) and a separation of the liquids is required.
  • Hydraulically connected is generally understood to mean a pipe connection for the liquid, which may be closable via a valve.
  • the at least one additional unit is designed both to provide additional heat for the heating circuit and to provide additional cooling for the cooling circuit and provides either heat or cold as required.
  • the heat pump system as a whole has a control unit which is designed to control the operation of the heat pump system.
  • Heat compensation is therefore provided hydraulically via the additional unit. It is therefore not necessary for the first heat pump to release heat to the surroundings unused, for example if there is an increased cooling requirement.
  • the first heat pump can therefore be operated highly efficiently overall. Efficient operation is also supported by the integrated buffer memory. In this way, on the one hand, a desired temperature level can be maintained even with fluctuating load requirements and - at least temporary - shifts between the required cooling capacity and heating capacity can z.
  • B. can be intercepted by overheating or supercooling without having to switch on the at least one additional unit. Overheating or supercooling is generally understood to mean an additional heat or cold input into the buffer storage beyond a target temperature and up to a maximum / minimum temperature.
  • This additional unit is specifically a second heat pump, which is preferably designed as a reversible air / liquid heat pump.
  • This has a refrigerant circuit with an air-refrigerant heat exchanger and with a refrigerant / liquid heat exchanger.
  • the second heat pump can still be operated reversibly, so that depending on the operating mode, the heat exchangers are used once as evaporators and once as condensers.
  • the air / refrigerant heat exchanger absorbs heat from the ambient air in a heating mode and releases heat to the ambient air in a cooling mode.
  • heat is given off in the heating mode or cold is provided in the cooling mode via the refrigerant / liquid heat exchanger.
  • Both the heat displacement and the heat compensation are therefore provided by heat pumps and preferably exclusively by heat pumps, in particular by exactly two heat pumps, namely the first heat pump and the second heat pump. While the first heat pump in particular cannot be operated reversibly, a particular advantage of the second heat pump can be seen in its reversible operating mode, so that both heat and cold can be provided with just one additional unit.
  • this can be connected to the heating circuit or to the cooling circuit in terms of flow technology via a first reusable valve, which is designed in particular as a changeover valve.
  • Fluidically connectable is understood to mean that the liquid flowing through the refrigerant / liquid heat exchanger of the second heat pump is fed directly into the heating circuit or the cooling circuit in terms of flow technology, that is to say a liquid is exchanged.
  • the second heat pump is connected only in terms of flow in the heating mode to the heating circuit and in the cooling mode only to the cooling circuit.
  • a flow bypass line is formed for this purpose, which connects the cooling flow with the heating flow.
  • the second heat pump has a flow, which is typically connected to the refrigerant-liquid heat exchanger. This flow is fluidically connected via the first reusable valve in cooling mode to the cooling flow of the cooling circuit and in heating mode to the heating flow of the heating circuit.
  • a return bypass line is formed in a preferred embodiment, which connects the cooling return with the heating return.
  • the second heat pump also has a return, which in turn is connected to the refrigerant-liquid heat exchanger. This is connected to the cooling return and in heating mode to the heating return via a second reusable valve in cooling mode.
  • the two bypass lines and the two reusable valves which are designed in particular as simple changeover valves, result in an expedient hydraulic integration of the second heat pump into the heating circuit or the cooling circuit of the heat pump system.
  • the respective consumer is either connected in series to the respective buffer store assigned to it, or arranged in parallel to it.
  • the consumer is always in a consumer group integrated.
  • the flow for the consumer is connected to the buffer storage.
  • the return of the consumer is also connected to the buffer tank.
  • the consumer return is connected directly to the heating return or the cooling return.
  • Connected is also understood to mean a hydraulic connection.
  • the first heat pump is prioritized over the at least one additional unit, that is, specifically over the second heat pump.
  • the first heat pump is therefore always in operation (normal operation) as long as it is permissible to move heat from the cooling circuit to the heating circuit within the specified temperature limits.
  • the first heat pump is only blocked for operation when a maximum heating temperature in the heating buffer storage or a minimum cooling temperature in the cooling buffer storage has been reached.
  • This operating mode in which normal operation is prevented and in particular only the additional unit is active, is called Additional operating mode called. In this case, heat displacement between the heating circuit and the cooling circuit is no longer permissible, since this would result in the desired maximum heating temperature being exceeded or the desired minimum cooling temperature being undershot.
  • the control unit is also designed such that the at least one additional unit, that is to say specifically the second heat pump, is only switched on when a heating target temperature in the heating buffer store is undershot or a cooling target temperature in the cooling buffer store is exceeded.
  • additional heat is introduced into the heating circuit or additional cooling into the cooling circuit by means of the additional unit.
  • the additional unit operates in addition to the first heat pump. I.e. normal operation is supplemented by the heating mode or cooling mode of the additional unit.
  • This operating mode is referred to as the support operating mode and is therefore a combined operating mode which is composed of the normal operation and the heating or cooling mode.
  • the at least one additional unit is switched off when the heating target temperature in the heating buffer memory is exceeded or the cooling target temperature in the cooling buffer memory is undershot.
  • the additional unit is therefore used to regulate the temperature to the target temperature. In contrast to the first heat pump, there is no overheating or undercooling of the respective buffer storage.
  • the temperature values each define changeover points for the control and regulation of the heat pump system.
  • Switching for example switching the additional unit on or off, switching the first heat pump on or off, takes place when the setpoint temperature or the min and max temperatures (also referred to as switching temperatures) are exceeded or undershot, each of these temperature values also having a Hysteresis is provided, ie switching only takes place if the respective temperature (switching temperature) plus a hysteresis temperature value of e.g. B. 2 to 5K, especially 3K, is below or below.
  • the heating target temperature is expediently in a range from 30 ° to 60 ° C. and in particular in a range from 30 ° to 45 ° C.
  • the cooling target temperature is preferably in a range from 5 ° to 20 ° C. and in particular in a range from 8 ° to 18 ° C., for example preferably at 15 ° C.
  • water is used in particular as the heat carrier in the cooling circuit.
  • Such temperatures in the cooling circuit are used in particular for cooling rooms used by people.
  • the target cooling temperature is in a range from -15 ° C to 20 ° C, in particular in a range from -9 ° C to 10 ° C.
  • the heating target temperature is preferably around 35 ° C.
  • the cooling target temperature - for an application for building air conditioning - is 10 ° to 20 ° C or 10 ° to 25 ° C below the heating target temperature. In these temperature ranges, a good building supply is achieved both for room air conditioning and for the provision of process water, for example.
  • the setpoint temperatures relate in particular to the hottest (heating buffer storage) or coldest (cooling buffer storage) temperature in the buffer storage, in particular at an output of the storage buffer in a flow path to the consumer.
  • the return temperatures from the consumer are correspondingly lower (in the heating circuit) or higher (in the cooling circuit), for example by 5-10K.
  • a temperature difference between the maximum heating temperature and the heating target temperature expediently lies in the range between 5 and 25K and in particular in the range between 10 and 15K. Furthermore or alternatively, a temperature difference between the minimum cooling temperature and the cooling target temperature lies in the range between 5 to 20K and in particular in the range between 8 and 12K.
  • the difference between the heating target temperature and the cooling target temperature also lies - in particular in one application for building air conditioning - in the range from 10 to 40K and in particular in the range from 15 to 35K.
  • the specified temperature values are preferably adjustable in each case, either on the production side when the heat pump system is configured, but preferably also during operation, for example by the user, or automatically, in particular depending on current requirements, e.g. B. a current ambient temperature.
  • control unit is also designed such that the additional unit is only switched on in an additional operating mode when the first heat pump is blocked for operation. In the additional operating mode, therefore, no simultaneous operation of the first heat pump and the at least one additional unit, that is to say specifically the second heat pump, is provided.
  • the first heat pump is preferably designed only for part of the maximum heating and / or cooling requirement, for example only up to a maximum of 75% or only up to a maximum of 50% of the maximum heating and / or cooling requirement. This is generally understood to mean that - on the basis of a maximum required heating output and maximum required cooling output determined for the respective object (e.g. building, process) - the first heat pump only for a part of this specific heating output and / or cooling capacity is designed. This ensures the longest possible operation in terms of a base load by the first heat pump.
  • the additional unit is activated for additional heating or cooling requirements. Depending on the current need, it is then in the support operating mode the required heat or cold is ensured both by a heat shift via the first heat pump and by an additional heat or cold input via the second heat pump.
  • the heating and cooling capacity of the first heat pump is also lower than the heating and cooling capacity of the at least one additional unit, especially the second heat pump. It is preferably only a maximum of 80% or even a maximum of 50% of the heating and cooling output of the additional unit, especially the second heat pump.
  • control unit is further configured such that the minimum cooling temperature and / or the maximum heating temperature is varied during the operation of the heat pump system.
  • the temperature difference to the respective target temperature that is to say to the heating target temperature or cooling target temperature, is automatically varied.
  • This measure makes it possible during operation to adapt the loading status of the buffer stores, i.e. the degree of overheating or undercooling, to current situations, for example to set a higher loading status of the heating buffer storage when a large amount of heat is currently available.
  • This is the case, for example, if the provision of heat is additionally supported by a solar energy input, for example by a solar thermal system, in which solar-heated water is used to load the heating buffer storage.
  • a regenerative heat or cold generator is therefore additionally connected to the heat pump system.
  • a regenerative heat or cold generator is understood to mean a generator that generates the heat / cold via regeneratively generated energies (solar, wind power ).
  • control unit is also designed such that the aforementioned variation takes place as a function of a currently excess energy supply or a current energy price.
  • the excess energy supply is, for example, the solar-generated heat mentioned above.
  • control unit preferably also takes into account currently valid energy prices. For example, during favorable electricity tariff times (night-time electricity), the maximum or minimum temperature is set higher or lower, so that the degree of loading of the buffer storage is increased and it is charged with low energy prices. At the same time, excessive loading, which goes beyond what is necessary, is avoided during peak periods with high energy prices.
  • the control unit is, for example, also integrated in an intelligent power distribution network, so that in the event of low network loads, energy is buffered in the buffer stores by increasing the maximum / minimum temperatures.
  • the in the 1 and 2 The heat pump system 2 shown each has a first heat pump 4, to which a cooling circuit 6 is connected as a heat source on a source side and a heating circuit 8 is connected as a heat sink on a sink side.
  • the first heat pump 4 has, in a manner not shown in detail, a customary design with a refrigerant circuit, in which an evaporator is connected in particular on the heat source side and a condenser is connected on the heat sink side.
  • the evaporator and the condenser are each designed as refrigerant / liquid heat exchangers to remove heat absorb a liquid heat transfer medium of the cooling circuit 6 and emit heat to a liquid heat transfer medium of the heating circuit 8.
  • the cooling circuit has a cooling flow 6A and a cooling return 6B.
  • the heating circuit 8 also has a heating flow 8A and a heating return 8B.
  • a cooling buffer store 10 and a cooling consumer 12 are each integrated in the cooling circuit 6.
  • a heating buffer memory 14 and a heating consumer 16 are integrated in the heating circuit 8.
  • more than one consumer 12, 16 can also be integrated in the respective cooling or heating circuit 6, 8.
  • a hot water tank 18 for process water is still integrated.
  • a first temperature sensor R1 is assigned to the cooling buffer memory 10 and a second temperature sensor R2 is assigned to the heating buffer memory 14. These measure the temperature T_R1, T_R2 in the area of the respective buffer store 10, 14, preferably each at the outlet of the buffer store, alternatively a temperature at the inlet or also inside the buffer store.
  • the following temperature values for the target temperatures and the maximum / minimum values relate to temperatures when the temperature sensors R1, R2 are arranged at the buffer outlet.
  • the heat pump system 2 has pumps 20 both in the heating circuit 8 and in the cooling circuit 6.
  • a pump 20 is connected in each case to the cooling return 6B or to the heating return 8B, and a further pump in each case downstream of the respective buffer store 10, 14 in front of the respective consumer 12, 16 in a consumer circuit.
  • the respective flow 6A, 8A to the respective consumer 12, 16 is shown by a solid line and the return 6B, 8B by a dashed line.
  • a consumer flow is arranged at an outlet of the respective buffer memory 10, 14 and a return flow of the consumer 12, 16 is connected directly to the cooling return 6B or heating return 8B.
  • a parallel arrangement of the respective consumer 12, 16 is provided.
  • the consumer return is also connected to the buffer storage 10.14.
  • a valve 24 is arranged in the cooling circuit 6 or heating circuit 8, which is designed in particular as a mixing valve. Via this, at least a part of the heat transfer medium flowing back from the consumer 12, 16 can be admixed to the heat transfer medium flowing out of the buffer store 10, 14 in order to set a desired mixing temperature.
  • a compensating element in particular a so-called double manifold 25 without differential pressure, is also arranged.
  • the heat pump system 2 has a second heat pump 26 which is designed as a reversible air / liquid heat pump.
  • This has a refrigerant / liquid heat exchanger, not shown here, which is connected on the one hand to a flow 26A and to a return 26B.
  • a flow bypass line 28 is arranged, which connects the cooling flow 6A with the heating flow 8A bypassing the first heat pump 4.
  • a return bypass line 30 is arranged in a comparable manner, which connects the cooling return 6B to the heating return 8B bypassing the first heat pump 4.
  • the flow 26A of the second heat pump 26 is now connected to the flow bypass line 28 via a first multi-way valve 32, which is preferably designed as a pure changeover valve.
  • the return 26B is connected to the return bypass line 30 via a second multi-way valve 34, which in turn is also preferably designed as a simple switching valve.
  • a frame is shown, the quasi a system boundary between the actual heat pump system and the consumer circuits connected to it in the installed state.
  • interfaces for example connections, are provided at the system boundary, via which the consumer circuits are connected.
  • the illustrated heat pump system 2 serves to simultaneously provide heat on the heating circuit 8 side and cold on the cooling circuit 6 side.
  • the first heat pump 4 which is designed as an electrical compression heat pump, transfers heat from the cooling circuit 6 to the heating circuit 8.
  • the first heat pump 4 is prioritized over the second heat pump 26 and is designed so that the two buffer stores 10, 14 are kept at a specific temperature level and in particular do not fall below a heating target temperature T_Soll, Hz or a cooling target temperature T_Soll in the cooling buffer store 10 , K is not exceeded.
  • the respective buffer store 10, 14 is loaded with cold or heat in each case up to a maximum heating temperature T_max in the heating buffer store 14 or up to a minimum cooling temperature T_min in the cooling buffer store 10.
  • the target temperatures and the maximum / minimum temperatures are preferably adjustable and can also be varied during operation.
  • the heat pump system 2 is operated in such a way that the target temperatures T_Soll, Hz; T_Soll, K is regulated.
  • the first heat pump 4 is operated as a priority, for example continuously or clocked. If the heating requirement is excessive, heat is increasingly withdrawn from the cooling circuit 6, so that the cooling buffer store 10 is quasi “undercooled”. Conversely, if the cooling requirement exceeds, the heating buffer store 14 is “overheated”. If the preset maximum heating temperature T_max or the minimum cooling temperature T_min is reached, the further operation of the first heat pump 4 is blocked. Any additional heating or cooling requirement is then provided by the second heat pump 26.
  • This is also designed as an electrical compression heat pump, but in contrast to the first heat pump 4 can be operated reversibly, ie the circuit can be operated in the reverse direction of flow by appropriate control.
  • the function of the heat exchanger of the second heat pump 26 can therefore be switched between the evaporator and the condenser by reversing the direction of flow.
  • the temperature values T_R1, T_R2 of the temperature sensors R1, R2 are first queried and evaluated. On the basis of these temperature values T_R1, T_R2 it is determined whether there is a heating or cooling requirement. If this is not the case, the first heat pump 4 and the second heat pump 26 are deactivated, that is to say switched off or not switched on. Ie the refrigerant circuit is not active, there is no heat shift.
  • the second heat pump 26 is switched on. If the first heat pump 4, on the other hand, is enabled, the first heat pump 4 is activated and switched on, so that heat is shifted from the cooling circuit 6 into the heating circuit 8. When the second heat pump 26 is activated, heat is equalized.
  • the temperature values T_R1, T_R2 are queried and evaluated continuously during operation, for example at discrete time intervals. If the second heat pump 26 is switched on, either only a heat input into the heating circuit 8 or a cooling input into the cooling circuit 6 takes place. If, in the further course due to the operation of the second heat pump 26, the first heat pump 4 is released again, for example, it is preferred the second heat pump 26 deactivated again.
  • the diagram according to the Figure 3A can be supplemented to the effect that subsequently to the check whether the first heat pump 4 is released, in the "yes" case it is still checked whether the second heat pump 26 is active. If this is the case, it is switched off.
  • the control and regulation of the heat pump system 2 takes place with the aid of a control unit, not shown here.
  • the diagram according to the Figure 3B shows the control algorithm for querying whether the demand is present. For this purpose, it is checked whether the temperature T_R1 of the first temperature sensor R1 is greater than the cooling target temperature T_Soll, K. It is also checked whether the temperature T_R2 of the second temperature sensor R2 is lower than the heating target temperature T_Soll, Hz. If one of these conditions is met, it is recognized if necessary.
  • Figure 3C shows the control algorithm for querying whether the first heat pump 4 can be released. It is checked here whether the temperature T_R1 of the first temperature sensor R1 is greater than the minimum cooling temperature T_min. In addition, it is checked whether the temperature T_R2 of the second temperature sensor R2 is less than the maximum heating temperature T_max. If one of these conditions is not met, ie if the temperature T_R1, T_R2 in the cooling buffer memory 10 or in the heating buffer memory 14 has reached the minimum cooling temperature T_min or the maximum heating temperature T_max, the first heat pump 4 is blocked and can therefore cannot be activated. Otherwise, if these conditions do not exist, the first heat pump 4 is released for operation.
  • the heating target temperature T_Soll, Hz is for example in the range between 30 ° and 60 ° and in particular in a range from 30 ° to 45 ° C and especially at 35 ° C. If this falls below, the first heat pump 4 is switched on or, if necessary, the second heat pump 26 is switched on in the heating mode.
  • the cooling target temperature T_Soll, K is for example in the range from 5 ° to 20 ° C, especially in the range from 8 ° to 18 ° and in particular for example at 12 ° C. If this is exceeded, the first heat pump is switched on again 4 or, if this is blocked, switching on the second heat pump 26.
  • the maximum heating temperature T_max is, for example, 10 ° to 30 ° C, preferably 10 ° to 20 ° C and, for example, 10 ° C above the heating target temperature T_Soll, Hz. Buffer memory 14 allows up to this maximum heating temperature T_max. Conversely, this also applies to subcooling of the cooling buffer memory 10.
  • the minimum cooling temperature T_min is preferably also, for example, 10 ° to 15K below the cooling target temperature T_Soll, K and, for example, 5K.
  • the target temperatures T_Soll, Hz; T_Soll, K are controlled during operation depending on requirements, for example depending on the outside temperature outside the building or depending on the requirements of an industrial process.
  • the desired difference to the maximum, minimum temperatures T_max, T_min is preferably determined, so that the absolute values for these maximum, minimum temperatures are traced.
  • the temperature difference between the target temperatures T_Soll, Hz; T_Soll, K and the maximum or minimum temperatures T_max; T_min varies or the absolute values of the maximum or minimum temperatures T_max; T_min varies.
  • this variation takes place automatically by means of the control device, not shown here, in particular depending on a current energy price.
  • the control device not shown here, in particular depending on a current energy price.
  • the temperature difference and / or the maximum values are increased (decreased), so that the degree of loading of the buffer stores 10, 14, that is to say their overheating or subcooling, can be increased.
  • valves 24 are designed as mixing valves, so that a so-called Return admixture is implemented to set the respective consumer flow temperature to the required temperature level. These valves 24 (mixers) are also controlled by the control unit.
  • the consumers 12, 16 are preferably operated externally e.g. regulated by a building management system, i.e. the temperature level for consumers 12, 16 is set externally.
  • a building management system i.e. the temperature level for consumers 12, 16 is set externally.
  • more than one consumer (circuit) can be connected to a respective buffer memory 10, 14.
  • the entire system is designed for monoenergetic operation, so that preferably only an electrical energy supply is provided.
  • the two heat pumps 4.26 are operated with electrical energy.
  • additional heating elements can be arranged in the heating buffer memory 14, for example, in order to ensure an efficient heat supply even at low outside temperatures.

Abstract

Die Wärmepumpenanlage (2) dient zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen. Sie weist eine erste Kompressions-Wärmepumpe (4) auf, die mit einem Kühlkreis (6) sowie mit einem Heizkreis (8) verbunden ist. Im jeweiligen Kühlkreis (6) und Heizkreis (8) ist jeweils ein Pufferspeicher (10,14) sowie zumindest ein Verbraucher (12,16) angeordnet. Zusätzlich zur ersten Wärmepumpe (4) ist eine Zusatzeinheit, vorzugsweise eine reversibel arbeitende Luft/Flüssigkeits-Wärmepumpe (26) angeordnet, die insbesondere hydraulisch am Kühlkreis (6) sowie am Heizkreis (8) angeschlossen ist und die wahlweise zur Bereitstellung von zusätzlicher Wärme für den Heizkreis (8) sowie zur Bereitstellung von zusätzlicher Kälte für den Kühlkreis (6) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage, die zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen ausgebildet ist.
  • Anwendungsfälle mit zeitlich parallelem Heiz- und Kühlleistungsbedarf sind vielfältig. Beispielhaft sei die Versorgung eines Gebäudes genannt, aus dem zum einen Wärme abgeführt werden muss (z. B. Serverraum) und zeitgleich an einer anderen Stelle Wärme zugeführt werden muss (z. B. Beheizung von Büroräumen). Solche Versorgungsaufgaben können auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Wärmezufuhr durch einen elektrisch oder fossil betriebenen Wärmeerzeuger und die Wärmeabfuhr durch eine Kältemaschine sicherzustellen.
  • Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, eine solche ganzheitliche Versorgung eines Gebäudes unter Ausnutzung eines Wärmepumpen-Kreisprozesses anhand einer Heiz-Kühl-Anlage sicherzustellen. Dazu wird eine Wärmepumpe derart eingebunden, dass sowohl ihre Wärmequellen-Seite als auch ihre Wärmesenke-Seite für die gleichzeitig Beheizung und Kühlung genutzt werden. Die Wärmepumpe weist hierzu Wärmequellen-seitig einen Verdampfer und Wärmesenken-seitig einen Kondensator auf. Der Verdampfer wird von einem zu kühlenden Wärmeträger, z. B. Kühlwasser, durchströmt. Der Kondensator wird gleichzeitig von einem zu erhitzenden Wärmeträger, z. B. Heizwasser durchströmt. Da hierbei Wärme von der Wärmequellen-Seite zu der Wärmesenken-Seite verschoben wird, wird diese Art der Einbindung und Versorgung nachfolgend auch als Wärmeverschiebung bezeichnet.
  • Bei derartigen parallelen Heiz- und Kühlsystemen ist jedoch zu beachten, dass der Heiz- und Kühlleistungsbedarf in den meisten Anwendungsfällen, speziell in der Gebäudeversorgung, nicht im gleichen, konstanten Verhältnis zueinander stehen und insbesondere über das Jahr gesehen schwankt. So wird beispielsweise typischerweise in den warmen Sommermonaten der Kühlleistungsbedarf und in den kälteren Wintermonaten der Heizleistungsbedarf überwiegen.
  • Um eine Versorgung beispielsweise eines Gebäudes auf Basis der zuvor beschriebenen Wärmeverschiebung dennoch sicherzustellen, wird - je nach aktueller Situation - zusätzliche Wärme zu- oder abgeführt. Bei einem erhöhten Kühlleistungsbedarf wird also beispielsweise überschüssige Wärme an die Umgebung abgeführt. Umgekehrt wird bei einem erhöhten Heizleistungsbedarf zusätzlich Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Die Umgebung liegt hierbei jeweils außerhalb des zu versorgenden Bereichs, beispielsweise also außerhalb des mit Wärme / Kälte zu versorgenden Gebäudes. Dies ist häufig jedoch mit Effizienzeinbußen verbunden.
  • Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanlage anzugeben, die zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen ausgebildet ist und die eine hohe Effizienz, insbesondere eine möglichst hohe TER-Kennzahl (Total Efficiency Ratio) aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Wärmepumpenanlage ist zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen ausgebildet und weist eine erste Wärmepumpe auf, die als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmepumpe ausgebildet ist. Die Wärmepumpe ist an einer Quellenseite mit einer Wärmequelle und an einer Senkenseite mit einer Wärmesenke jeweils über einen Flüssigkeits / Flüssigkeits Wärmetauscher verbunden. Die Wärmepumpe weist allgemein einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer und einem Kondensator sowie mit einem elektrisch angetriebenen Kompressor auf.
  • Sofern vorliegend von einer Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmepumpe gesprochen wird, so wird hierunter verstanden, dass sowohl quellenseitig als auch senkenseitig als Wärmeträger eine Flüssigkeit verwendet ist, sodass also die Wärme quellenseitig von der Flüssigkeit an einen Kältekreislauf der Wärmepumpe abgegeben wird bzw. senkenseitig Wärme vom Kältekreislauf in die Flüssigkeit abgegeben wird. Bei der Flüssigkeit kann es sich um Wasser, um Sole oder auch um eine Wasser-Glykolmischung handeln. Dabei können quellenseitig und senkenseitig unterschiedliche Wärmeträger, beispielsweise Wasser auf der einen Seite und Sole auf der anderen Seite, verwendet werden. Sole und Wasser-Glykolmischungen weisen häufig einen Gefrierpunkt unter 0°C auf und eignen sich daher für Kühlkreise mit besonders tiefen Temperaturen. Nachfolgend wird der Begriff "Sole" gemeinsam für die eigentliche Sole (Lösung technischer Salze in Wasser) als auch für eine Glykol-Wasser-Mischung verwendet.
  • Die Wärmequelle weist dabei allgemein einen Kühlkreislauf auf, in dem im Betrieb als Wärmeträger eine Flüssigkeit (Wasser oder Sole) zirkuliert und der einen Kühl-Vorlauf, einen Kühl-Rücklauf, einen Kühl-Pufferspeicher für Kaltwasser sowie - in einem angeschlossenen Zustand - zumindest einen Kühl-Verbraucher aufweist. Dieser dient zur Kühlung seiner Umgebung und nimmt dabei Wärme aus der Umgebung auf und gibt sie an die Flüssigkeit des Kühlkreislaufs ab. Unter Umgebung wird hierbei verstanden, dass unmittelbar beispielsweise die Umgebungsluft des Kühl-Verbrauchers gekühlt wird oder auch ein weiteres Wärmeträgermedium. Vorzugsweise dient der Kühl-Verbraucher, auch als Kühler bezeichnet, zur Raumkühlung. Je nach Anwendung kann der Kühler auch zu anderen Kühlzwecken, z. B. zum Kühlen von Kühl- oder Gefrierräumen eingesetzt werden.
  • Die Wärmepumpenanlage wird insbesondere zur Gebäudeklimatisierung und ggf. ergänzend zur Bereitstellung von erwärmtem Brauchwasser eingesetzt. Alternativ wird die Wärmepumpenanlage beispielsweise in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie und/oder in industriellen Prozessen eingesetzt, bei denen ein Kältebedarf z. B. zur Kühlung von Nahrungsmitteln, Betriebsmitteln etc. und ein Heizbedarf z. B. zur Gebäudeerwärmung, Warmwasserbereitung, zur Erwärmung von Betriebsmitteln, etc. erforderlich ist.
  • In ähnlicher Weise umfasst die Wärmesenke einen Heizkreis, in dem im Betrieb als Wärmeträger eine Flüssigkeit (insbesondere Wasser) zirkuliert mit einem Heiz-Vorlauf, einem Heiz-Rücklauf, einem Heiz-Pufferspeicher für Heizwasser sowie - in einem angeschlossenen Zustand - mit zumindest einem Heiz-Verbraucher, welcher zur Beheizung seiner Umgebung ausgebildet ist. Der Heiz-Verbraucher dient dabei vorzugsweise wiederum zur unmittelbaren Beheizung beispielsweise der Luft eines Raumes, kann aber auch zur Erwärmung eines weiteren Wärmeträgermediums dienen. Die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke ist vorzugsweise abschließend durch den daran angeschlossenen Kühlkreis bzw. Heizkreis gebildet.
  • Alternativ und insbesondere ergänzend zum Heiz-Pufferspeicher und dem Heiz-Verbraucher weist der Heizkreis einen Warmwasserspeicher auf, in dem Brauchwasser erwärmt wird.
  • Über die erste Wärmepumpe erfolgt im Betrieb, genauer in einem bestimmten Betriebsmodus (Normalbetrieb) eine Wärmeverschiebung zwischen dem Kühlkreis und dem Heizkreis, sodass gleichzeitig auf der Seite des Kühlkreises eine Kühlleistung und auf Seite des Heizkreises eine Heizleistung bereitgestellt wird. Es wird also insbesondere Wärme / Kälte zwischen den beiden Kreisen und insbesondere zwischen dem Kühl-Pufferspeicher und dem Heiz-Pufferspeicher bzw. Warmwasserspeicher verschoben. Es wird also insbesondere Wärme aus dem Kühl-Pufferspeicher in den Heizkreis, speziell in den Heiz-Pufferspeicher /in den Warmwasserspeicher verschoben. Alternativ oder ergänzend wird Kälte aus dem Heiz-Pufferspeicher / dem Warmwasserspeicher in den Kühlkreis, speziell in den Kühl-Pufferspeicher verschoben.
  • Unter Normalbetrieb wird hierbei eine Betriebsituation verstanden, bei der die erste Wärmepumpe in Betrieb ist. Der Betrieb der ersten Wärmepumpe erfolgt nur unter vorgegebenen Randbedingungen, insbesondere Temperaturverhältnissen im Heizkreis bzw. im Kühlkreis.
  • Um bei unterschiedlichem Wärme- oder Kühlbedarf einen Wärmeausgleich zur Verfügung zu stellen, ist weiterhin zumindest eine Zusatzeinheit in die Wärmepumpenanlage integriert, welche hydraulisch sowohl am Kühlkreis und am Heizkreis angeschlossen ist und bei Bedarf beispielsweise über entsprechende Ventile entweder mit dem Kühlkreis oder mit dem Heizkreis strömungstechnisch verbunden ist, sodass also entweder zusätzliche Wärme in den Heizkreis oder zusätzliche Kälte auf hydraulischem Weg in den Kühlkreis eingespeist wird. Alternativ zu einer strömungstechnischen Verbindung erfolgt die Übertragung von Wärme oder von Kälte in den Heizkreis bzw. in den Kühlkreis mittels eines Wärmetauschers. Dies betrifft insbesondere den Fall, wenn im Kühlkreis (oder im Heizkreis) und der angeschlossenen Zusatzeinheit unterschiedliche Flüssigkeiten verwendet werden (z. B. Sole/Wasser) und eine Trennung der Flüssigkeiten gefordert ist.
  • Auf hydraulischem Weg und/ oder strömungstechnisch verbunden bedeutet dabei, dass jeweils ein Flüssigkeitstausch von einem an der Zusatzeinheit angeschlossenen Kreislauf mit dem Kühlkreis bzw. mit dem Heizkreis erfolgt.
  • Unter hydraulisch verbunden wird allgemein eine Rohrverbindung für die Flüssigkeit verstanden, die ggf. über ein Ventil verschließbar ist. Die zumindest eine Zusatzeinheit ist sowohl zur Bereitstellung von zusätzlicher Wärme für den Heizkreis als auch zur Bereitstellung von zusätzlicher Kälte für den Kühlkreis ausgebildet und stellt je nach Bedarf entweder Wärme oder Kälte zur Verfügung.
  • Weiterhin weist die Wärmepumpenanlage insgesamt eine Steuereinheit auf, die zur Steuerung des Betriebs der Wärmepumpenanlage ausgebildet ist.
  • Über die Zusatzeinheit wird daher auf hydraulischem Wege der Wärmeausgleich bereitgestellt. Es ist daher nicht erforderlich, dass die erste Wärmepumpe - beispielsweise bei einem erhöhten Kühlbedarf - Wärme ungenutzt an die Umgebung abgibt. Die erste Wärmepumpe kann daher insgesamt hoch effizient betrieben werden. Der effiziente Betrieb wird zudem auch durch die integrierten Pufferspeicher unterstützt. Hierdurch kann zum einen ein gewünschtes Temperaturniveau auch bei schwankenden Lastanforderungen gehalten werden und - zumindest temporäre - Verschiebungen zwischen der erforderlichen Kühlleistung und Heizleistung können über den jeweiligen Pufferspeicher z. B. durch Überhitzen bzw. Unterkühlen abgefangen werden, ohne dass ein Zuschalten der zumindest einen Zusatzeinheit erforderlich ist. Unter Überhitzen oder Unterkühlen wird allgemein ein zusätzlicher Wärmeeintrag oder Kälteeintrag in den Pufferspeicher über eine Solltemperatur hinaus und bis zu einer maximalen / minimalen Temperatur verstanden.
  • Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, für die Bereitstellung von zusätzlicher Wärme eine Wärme-Zusatzeinheit und für die Bereitstellung von zusätzlicher Kälte eine Kühl-Zusatzeinheit, also insgesamt zwei unterschiedliche Zusatzeinheiten bereitzustellen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist jedoch lediglich eine gemeinsame Zusatzeinheit vorgesehen, die also sowohl zur Bereitstellung der zusätzlichen Wärme als auch zur Bereitstellung der zusätzlichen Kälte ausgebildet ist. Speziell handelt es sich bei dieser Zusatzeinheit um eine zweite Wärmepumpe, die vorzugsweise als eine insbesondere reversible Luft/Flüssigkeits-Wärmepumpe ausgebildet ist. Diese weist einen Kältemittelkreislauf auf mit einem Luft-Kältemittel-Wärmetauscher sowie mit einem Kältemittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher. Die zweite Wärmepumpe ist weiterhin reversibel betreibbar, sodass also die Wärmetauscher je nach Betriebsart einmal als Verdampfer und einmal als Kondensator eingesetzt werden. Der Luft/Kältemittel-Wärmetauscher nimmt in einem Heizmodus Wärme aus der Umgebungsluft auf und gibt in einem Kühlmodus Wärme an die Umgebungsluft ab. Entsprechend wird über den Kältemittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher Wärme im Heizmodus abgegeben bzw. Kälte im Kühlmodus bereitgestellt. Sowohl die Wärmeverschiebung als auch der Wärmeausgleich wird daher jeweils durch Wärmepumpen und vorzugsweise ausschließlich durch Wärmepumpen, insbesondere durch genau zwei Wärmepumpen, nämlich die erste Wärmepumpe und die zweite Wärmepumpe, bereitgestellt. Während die erste Wärmepumpe insbesondere nicht reversibel betreibbar ist, ist ein besonderer Vorteil der zweiten Wärmepumpe in ihrer reversiblen Betriebsart zu sehen, sodass mit nur einer Zusatzeinheit sowohl Wärme als auch Kälte bereitgestellt werden kann.
  • Zur hydraulischen Einbindung der zweiten Wärmepumpe ist diese über ein erstes Mehrwegventil, welches insbesondere als ein Umschaltventil ausgestaltet ist, strömungstechnisch entweder mit dem Heizkreis oder mit dem Kühlkreis verbindbar. Unter strömungstechnisch verbindbar wird verstanden, dass die den Kältemittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher der zweiten Wärmepumpe durchströmende Flüssigkeit in den Heizkreis bzw. in den Kühlkreis unmittelbar strömungstechnisch eingespeist wird, also ein Flüssigkeitstausch erfolgt. Dabei ist die zweite Wärmepumpe im Heizmodus lediglich mit dem Heizkreis und im Kühlmodus lediglich mit dem Kühlkreis strömungstechnisch verbunden.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist hierzu eine Vorlauf-Bypass-Leitung ausgebildet, die den Kühl-Vorlauf mit dem Heiz-Vorlauf verbindet. Weiterhin weist die zweite Wärmepumpe einen Vorlauf auf, welcher typischerweise an den Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher angeschlossen ist. Dieser Vorlauf ist dabei über das erste Mehrwegventil im Kühlmodus mit dem Kühl-Vorlauf des Kühlkreises und im Heizmodus mit dem Heiz-Vorlauf des Heizkreises strömungstechnisch verbunden.
  • Weiterhin ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Rücklauf-Bypass-Leitung ausgebildet, die den Kühl-Rücklauf mit dem Heiz-Rücklauf verbindet. Weiterhin weist die zweite Wärmepumpe ebenfalls einen Rücklauf auf, welcher wiederum an den Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher angeschlossen ist. Dieser ist über ein zweites Mehrwegventil im Kühlmodus wiederum mit dem Kühl-Rücklauf und im Heizmodus mit dem Heiz-Rücklauf strömungstechnisch verbunden.
  • Durch die beiden Bypass-Leitungen und die beiden Mehrwegventile, die insbesondere als einfache Umschaltventile ausgebildet sind, ist eine zweckmäßige hydraulische Einbindung der zweiten Wärmepumpe in den Heizkreis bzw. den Kühlkreis der Wärmepumpenanlage erreicht.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist der jeweilige Verbraucher an den ihm zugeordneten jeweiligen Pufferspeicher entweder in Reihe angeschlossen oder parallel zu diesem angeordnet. Der Verbraucher ist dabei jeweils in einem Verbraucherkreis integriert. Der Vorlauf für den Verbraucher ist dabei jeweils am Pufferspeicher angeschlossen. Bei der parallelen Anbindung ist auch der Rücklauf des Verbrauchers am Pufferspeicher angeschlossen. Im Unterschied hierzu wird bei der Anordnung des Verbrauchers in Reihe der Verbraucher-Rücklauf an den Heiz-Rücklauf bzw. den Kühl-Rücklauf unmittelbar angeschlossen. Sofern vorliegend davon gesprochen ist, dass ein jeweiliger Verbraucher an den ihm zugeordneten jeweiligen Pufferspeicher angeschlossen ist, so wird hierunter verstanden, dass der Heiz-Verbraucher am Heiz-Pufferspeicher und der Kühl-Verbraucher am Kühl-Pufferspeicher angeschlossen ist. Unter angeschlossen wird weiterhin jeweils eine hydraulische Verbindung verstanden.
  • Im Hinblick auf einen möglichst effizienten Betrieb der gesamten Wärmepumpenanlage ist eine zweckmäßige Steuerung und Regelung der gesamten Wärmepumpenanlage mithilfe der Steuereinheit vorgesehen.
  • So ist zunächst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die erste Wärmepumpe gegenüber der zumindest einen Zusatzeinheit, also speziell gegenüber der zweiten Wärmepumpe priorisiert. Hierunter wird zunächst verstanden, dass grundsätzlich die Wärmeverschiebung lediglich über die erste Wärmepumpe erfolgt und die Zusatzeinheit nur dann zugeschaltet wird, wenn ein zusätzlicher Wärme- oder Kältebedarf erforderlich ist. Die erste Wärmepumpe ist daher grundsätzlich in Betrieb (Normalbetrieb), solange es - innerhalb vorgegebener Temperaturgrenzen - zulässig ist, Wärme aus dem Kühlkreis in den Heizkreis zu verschieben. Die erste Wärmepumpe ist für den Betrieb lediglich dann gesperrt, wenn eine maximale Heiztemperatur im Heiz-Pufferspeicher oder eine minimale Kühltemperatur im Kühl-Pufferspeicher erreicht ist.Dieser Betriebsmodus, in dem der Normalbetrieb unterbunden ist, und insbesondere lediglich die Zusatzeinheit aktiv ist, wird als Zusatz-Betriebsmodus bezeichnet. In diesem Fall ist daher keine Wärmeverschiebung zwischen dem Heizkreis und dem Kühlkreis mehr zulässig, da diese zu einer Überschreitung der gewünschten maximalen Heiztemperatur bzw. eine Unterschreitung der gewünschten minimalen Kühltemperatur führen würde.
  • Die Steuereinheit ist weiterhin derart ausgebildet, dass die zumindest eine Zusatzeinheit, also speziell die zweite Wärmepumpe, nur dann zugeschaltet wird, wenn eine Heiz-Solltemperatur im Heiz-Pufferspeicher unterschritten oder eine Kühl-Solltemperatur im Kühl-Pufferspeicher überschritten ist. Je nachdem, welche Solltemperatur über- bzw. unterschritten ist, wird mittels der Zusatzeinheit zusätzliche Wärme in den Heizkreis oder zusätzliche Kälte in den Kühlkreis eingebracht. Solange die maximale Heiztemperatur nicht überschritten bzw. die minimale Kühltemperatur nicht unterschritten ist, ist die Zusatzeinheit zusätzlich zur ersten Wärmepumpe in Betrieb. D.h. der Normalbetrieb wird ergänzt durch den Heizmodus bzw. den Kühlmodus der Zusatzeinheit. Dieser Betriebsmodus wird als Unterstützungs-Betriebsmodus bezeichnet und ist also ein kombinierter Betriebsmodus, der sich aus dem Normalbetrieb und dem Heiz- bzw.Kühlmodus zusammensetzt.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die zumindest eine Zusatzeinheit abgeschalten wird, wenn die Heiz-Solltemperatur im Heiz-Pufferspeicher überschritten oder die Kühl-Solltemperatur im Kühl-Pufferspeicher unterschritten ist. Die Zusatzeinheit wird daher zur Regelung der Temperatur auf die Solltemperatur eingesetzt. Anders als mit der ersten Wärmepumpe ist keine Überhitzung bzw. Unterkühlung des jeweiligen Pufferspeichers vorgesehen.
  • Die Temperaturwerte (Solltemperaturen oder min- max-Temperaturen) definieren dabei jeweils Umschaltpunkte für die Steuerung und Regelung der Wärmepumpenanlage. Ein Umschalten, beispielsweise ein Zu oder Abschalten der Zusatzeinheit, ein Zu- oder Abschalten der ersten Wärmepumpe, erfolgt bei Überschreiten oder Unterschreiten der Solltemperatur bzw. der min- und max-Temperaturen (auch als Schalttemperaturen bezeichnet), wobei jeder dieser Temperaturwerte noch mit einer Hysterese versehen ist, d.h. ein Schalten erfolgt nur, wenn die jeweilige Temperatur (Schalttemperatur) zuzüglich eines Hysterese-Temperaturwertes von z. B. 2 bis 5K, speziell von 3K, über- bzw. unterschritten ist.
  • In zweckdienlicher Weise liegt dabei die Heiz-Solltemperatur in einem Bereich von 30° bis 60°C und insbesondere in einem Bereich von 30° bis 45°C.
  • Die Kühl-Solltemperatur liegt ergänzend oder alternativ vorzugsweise in einem Bereich von 5° bis 20°C und insbesondere in einem Bereich von 8° bis 18°C, beispielsweise bei vorzugsweise 15°C. In diesem Fall wird als Wärmeträger im Kühlkreis insbesondere Wasser verwendet. Derartige Temperaturen im Kühlkreis werden insbesondere zur Kühlung für von Personen genutzte Räume eingesetzt.
  • Sind - je nach Anwendung - kältere Temperaturen erforderlich beispielsweise für Kühlräume oder Kühltheken, so liegt die Kühl-Solltemperatur in einem Bereich von -15°C bis 20°C, insbesondere im Bereich von -9°C bis 10°C.
  • Die Heiz-Solltemperatur liegt vorzugsweise bei etwa 35°C. Allgemein liegt die Kühl-Solltemperatur - bei einer Anwendung für die Gebäudeklimatisierung - beispielsweise um 10° bis 20°C oder auch 10° bis 25°C unter der Heiz-Solltemperatur. In diesen Temperaturbereichen ist eine gute Gebäudeversorgung sowohl zur Raumklimatisierung als auch zur Bereitstellung beispielsweise von Brauchwasser erreicht.
  • Die Solltemperaturen beziehen sich dabei insbesondere auf die heißeste (Heiz-Pufferspeicher) bzw. kälteste (Kühl-Pufferspeicher) Temperatur im Pufferspeicher, insbesondere an einem Ausgang des Pufferspeichers in einem Vorlaufpfad zum Verbraucher. Die Rücklauftemperaturen vom Verbraucher liegen entsprechend niedriger (im Heizkreis) bzw. höher (im Kühlkreis), beispielsweise um 5-10K.
  • Zweckdienlicherweise liegt eine Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Heiz-Temperatur und der Heiz-Solltemperatur im Bereich zwischen 5 und 25K und insbesondere im Bereich zwischen 10 und 15K. Weiterhin oder alternativ liegt eine Temperaturdifferenz zwischen der minimalen Kühl-Temperatur und der Kühl-Solltemperatur im Bereich zwischen 5 bis 20K und insbesondere im Bereich zwischen 8 und 12K.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung liegt weiterhin die Differenz zwischen der Heiz-Solltemperatur und der Kühl-Solltemperatur - insbesondere bei einer Anwendung für die Gebäudeklimatisierung - im Bereich von 10 bis 40K und insbesondere im Bereich von 15 bis 35K.
  • Hierdurch besteht also die Möglichkeit, dass der jeweilige Pufferspeicher mit Wärme bzw. Kälte ausreichend aufgeladen werden kann, sodass der Einsatz der Zusatzeinheit auf ein notwendiges Minimum reduziert wird.
  • Die angegebenen Temperaturwerte, also sowohl die Solltemperaturen als auch die maximalen/minimalen Temperaturen sind dabei vorzugsweise jeweils einstellbar, entweder herstellungsseitig bei einer Konfiguration der Wärmepumpenanlage, vorzugsweise jedoch auch während des Betriebs beispielsweise durch den Benutzer oder auch automatisch, insbesondere in Abhängigkeit von aktuellen Anforderungen, z. B. einer aktuellen Umgebungstemperatur.
  • Im Hinblick auf einen möglichst energieeffizienten Betrieb ist die Steuereinheit weiterhin derart ausgebildet, dass die Zusatzeinheit in einem Zusatz-Betriebsmodus nur dann zugeschalten wird, wenn die erste Wärmepumpe für den Betrieb gesperrt ist. In dem Zusatz-Betriebsmodus ist daher kein gleichzeitiger Betrieb der ersten Wärmepumpe und der zumindest einen Zusatzeinheit, also speziell der zweiten Wärmepumpe, vorgesehen.
  • Die erste Wärmepumpe ist vorzugsweise nur für einen Teil des maximalen Heiz- und/oder Kühlbedarfs ausgelegt, beispielsweise nur bis maximal 75% oder nur bis maximal 50% des maximalen Heiz- und/oder Kühlbedarfs. Hierunter wird allgemein verstanden, dass - ausgehend von einer für das jeweilige Objekt (z. B. Gebäude, Prozess) bestimmten maximal erforderlichen Heiz-Leistung sowie maximal erforderlichen Kühl-Leistung - die erste Wärmepumpe lediglich für einen Teil dieser bestimmten Heiz-Leistung und/oder Kühl-Leistung ausgelegt ist Dadurch wird ein möglichst dauerhafter Betrieb im Sinne einer Grundlast durch die erste Wärmepumpe sichergestellt.
  • Für einen zusätzlichen Heiz- oder Kühlbedarf wird die Zusatzeinheit zugeschaltet. Je nach aktuellem Bedarf wird dann also in dem Unterstützungs-Betriebsmodus die erforderliche Wärme- bzw. Kälte sowohl durch eine Wärmeverschiebung über die erste Wärmepumpe als auch durch einen zusätzlichen Wärme- oder Kälteeintrag über die zweite Wärmepumpe sichergestellt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist weiterhin die Heiz- und die Kühlleistung der ersten Wärmepumpe geringer als die Heiz- und Kühl-Leistung der zumindest einen Zusatzeinheit, speziell der zweiten Wärmepumpe. Sie beträgt vorzugsweise lediglich maximal 80% oder auch lediglich maximal 50% der Heiz- und Kühl-Leistung der Zusatzeinheit, speziell der zweiten Wärmepumpe.
  • In bevorzugter Weiterbildung ist die Steuereinheit weiterhin derart ausgebildet, dass während des Betriebs der Wärmepumpenanlage die minimale Kühltemperatur und/oder die maximale Heiztemperatur variiert wird. Alternativ zu der Variation dieser minimalen bzw. maximalen Temperaturen wird in bevorzugter Ausgestaltung die Temperaturdifferenz zu der jeweiligen Solltemperatur, also zur Heiz-Solltemperatur bzw. Kühl-Solltemperatur automatisch variiert.
  • Durch diese Maßnahme wird während des Betriebs ermöglicht, den Beladungszustand der Pufferspeicher, also den Grad der Überhitzung bzw. Unterkühlung an aktuelle Situationen anzupassen, beispielsweise einen höheren Beladungszustand des Heiz-Pufferspeichers einzustellen, wenn aktuell eine große Wärmemenge zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Bereitstellung von Wärme zusätzlich unterstützt wird durch einen solar erzeugten Energieeintrag, also beispielsweise durch eine Solarthermie-Anlage, bei der solar erwärmtes Heizwasser zur Beladung des Heiz-Pufferspeichers herangezogen wird. In die Wärmepumpenanlage ist daher in bevorzugter Ausgestaltung zusätzlich ein regenerativer Wärme- oder Kälteerzeuger geschaltet. Unter einem regenerativen Wärme- oder Kälteerzeuger wird ein Erzeuger verstanden, welcher die Wärme/Kälte über regenerativ erzeugte Energien (Solar, Windkraft ...) erzeugt.
  • Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist die Steuereinheit weiterhin derart ausgebildet, dass die zuvor genannte Variation in Abhängigkeit eines aktuell überschüssigen Energieangebotes oder eines aktuellen Energiepreises erfolgt. Bei dem überschüssigen Energieangebot handelt es sich beispielsweise um die zuvor erwähnte solar erzeugte Wärme. Bevorzugt berücksichtigt jedoch die Steuereinheit alternativ oder ergänzend auch aktuell gültige Energiepreise. So wird beispielsweise während günstiger Stromtarifzeiten (Nachtstrom) die maximale bzw. minimale Temperatur höher bzw. tiefer gesetzt, sodass der Beladungsgrad des Pufferspeichers erhöht wird, dieser quasi zu günstigen Energiepreisen aufgeladen wird. Gleichzeitig wird übermäßiges Beladen, welches über das Notwendige hinausgeht, während der Spitzenzeiten bei hohen Energiepreisen vermieden.
  • Die Steuereinheit ist beispielsweise auch in ein intelligentes Strom-Verteilungsnetzwerk integriert, sodass bei geringen Netzauslastungen durch Erhöhung der maximalen/minimalen Temperaturen Energie in den Pufferspeichern zwischengespeichert wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise in vereinfachten Darstellungen:
    • Fig. 1
    ein vereinfachtes Schaltbild einer Wärmepumpenanlage, bei der der Verbraucher in Reihe geschalten ist,
    Fig. 2
    ein weiteres vereinfachtes Schaltbild einer Wärmepumpenanlage, bei dem der Verbraucher parallel geschalten ist,
    Fig. 3A bis 3C
    Flussdiagramme zur Erläuterung der Steuerung und Regelung der Wärmepumpenanlage.
  • Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Wärmepumpenanlage 2 weist jeweils eine erste Wärmepumpe 4 auf, an der an einer Quellenseite als Wärmequelle ein Kühlkreis 6 sowie an einer Senkenseite als eine Wärmesenke ein Heizkreis 8 angeschlossen ist. Die erste Wärmepumpe 4 weist in nicht näher dargestellter Weise einen üblichen Aufbau mit einem Kältemittelkreislauf auf, in dem insbesondere auf Seite der Wärmequelle ein Verdampfer und auf Seite der Wärmesenke ein Kondensator angeschlossen ist. Der Verdampfer und der Kondensator sind dabei jeweils als Kältemittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet, um Wärme aus einem flüssigen Wärmeträger des Kühlkreises 6 aufzunehmen und Wärme an einen flüssigen Wärmeträger des Heizkreises 8 abzugeben.
  • Der Kühlkreis weist einen Kühl-Vorlauf 6A sowie einen Kühl-Rücklauf 6B auf. Korrespondierend hierzu weist auch der Heizkreis 8 einen Heiz-Vorlauf 8A sowie einen Heiz-Rücklauf 8B auf. In den Kühlkreis 6 sind jeweils ein Kühl-Pufferspeicher 10 sowie ein Kühl-Verbraucher 12 eingebunden. Korrespondierend sind im Heizkreis 8 ein Heiz-Pufferspeicher 14 sowie ein Heiz-Verbraucher 16 eingebunden. Grundsätzlich können auch mehr als der jeweils eine Verbraucher 12,16 in den jeweiligen Kühl- bzw. Heizkreis 6,8 eingebunden sein. Im Heizkreis 8 ist weiterhin noch ein Warmwasserspeicher 18 für Brauchwasser eingebunden.
  • Dem Kühl-Pufferspeicher 10 ist weiterhin ein erster Temperaturfühler R1 und dem Heiz-Pufferspeicher 14 ein zweiter Temperaturfühler R2 zugeordnet. Diese messen die Temperatur T_R1, T_R2 im Bereich des jeweiligen Pufferspeichers 10, 14, vorzugsweise jeweils am Austritt des Pufferspeichers, alternativ eine Temperatur am Eintritt oder auch innerhalb des Pufferspeichers. Die nachfolgenden Temperaturwerte für die Solltemperaturen bzw. die Maximal- /Minimalwerte beziehen sich dabei auf Temperaturen bei einer Anordnung des Temperaturfühlers R1,R2 am Pufferaustritt.
  • Weiterhin weist die Wärmepumpenanlage 2 sowohl im Heizkreis 8 als auch im Kühlkreis 6 jeweils Pumpen 20 auf. Eine Pumpe 20 ist im Ausführungsbeispiel jeweils in den Kühl-Rücklauf 6B bzw. in den Heiz-Rücklauf 8B geschalten und jeweils eine weitere Pumpe nachfolgend zum jeweiligen Pufferspeicher 10,14 vor dem jeweiligen Verbraucher 12,16 in einem Verbraucherkreis. In den Fig. 1,2 ist der jeweilige Vorlauf 6A,8A bis zum jeweiligen Verbraucher 12,16 durch eine durchgezogene Linie und der Rücklauf 6B,8B durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
  • Bei der Ausgestaltung der Fig. 1 ist ein Verbraucher-Vorlauf an einem Austritt des jeweiligen Pufferspeichers 10,14 angeordnet und ein Rücklauf des Verbrauchers 12,16 ist unmittelbar in den Kühl-Rücklauf 6B bzw. Heiz-Rücklauf 8B angeschlossen. Im Unterschied zu dieser Reihen-Anordnung ist bei der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 2 eine parallele Anordnung des jeweiligen Verbrauchers 12,16 vorgesehen. Hierzu ist auch der Verbraucher -Rücklauf am Pufferspeicher 10,14 angeschlossen.
  • Weiterhin ist im Kühlkreis 6 bzw. Heizkreis 8 ein Ventil 24 angeordnet, welches insbesondere als Mischventil ausgebildet ist. Über dieses kann zumindest ein Teil des vom Verbraucher 12, 16 zurückströmenden Wärmeträgermediums dem aus dem Pufferspeicher 10,14 strömenden Wärmeträgermedium zur Einstellung einer gewünschten Mischtemperatur beigemischt werden. Zum Ausgleich von Druckunterschieden im Vorlauf und Rücklauf ist bei der Ausführungsvariante der Fig. 1 weiterhin ein Ausgleichselement, insbesondere ein sogenannter doppelter differenzdruckloser Verteiler 25 angeordnet.
  • Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass die Wärmepumpenanlage 2 eine zweite Wärmepumpe 26 aufweist, die als reversibel arbeitende Luft/Flüssigkeits-Wärmepumpe ausgebildet ist. Diese weist einen hier nicht näher dargestellten Kältemittel/Flüssigkeits-Wärmetauscher auf, welcher einerseits an einem Vorlauf 26A sowie an einem Rücklauf 26B angeschlossen ist.
  • Weiterhin ist eine Vorlauf-Bypassleitung 28 angeordnet, die den Kühl-Vorlauf 6A mit dem Heiz-Vorlauf 8A unter Umgehung der ersten Wärmepumpe 4 verbindet. Weiterhin ist eine Rücklauf-Bypassleitung 30 in vergleichbarer Weise angeordnet, die den Kühl-Rücklauf 6B mit dem Heiz-Rücklauf 8B unter Umgehung der ersten Wärmepumpe 4 verbindet. Der Vorlauf 26A der zweiten Wärmepumpe 26 ist nunmehr über ein erstes Mehrwegeventil 32, welches vorzugsweise als reines Umschaltventil ausgebildet ist, an die Vorlauf-Bypassleitung 28 angeschlossen. Gleichzeitig ist der Rücklauf 26B über ein zweites Mehrwegventil 34, welches ebenfalls wiederum vorzugsweise als einfaches Schaltventil ausgebildet ist, an die Rücklauf-Bypassleitung 30 angeschlossen.
  • In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Rahmen dargestellt, der quasi eine Systemgrenze zwischen der eigentlichen Wärmepumpenanlage und den im eingebauten Zustand daran angeschlossenen Verbraucherkreisen. Hierzu sind an der Systemgrenze insbesondere Schnittstellen, beispielsweise Anschlüsse vorgesehen, über die die Verbraucherkreise angeschlossen werden.
  • Die dargestellte Wärmepumpenanlage 2 dient zur gleichzeitigen Bereitstellung von Wärme auf Seiten des Heizkreises 8 und Kälte auf Seiten des Kühlkreises 6. Hierzu erfolgt mittels der ersten Wärmepumpe 4, welche als eine elektrische Kompressions-Wärmepumpe ausgebildet ist, eine Wärmeverschiebung vom Kühlkreis 6 zum Heizkreis 8. Die erste Wärmepumpe 4 ist dabei gegenüber der zweiten Wärmepumpe 26 priorisiert und dafür ausgelegt, dass die beiden Pufferspeicher 10, 14 auf einem speziellen Temperaturniveau gehalten werden und insbesondere eine Heizsolltemperatur T_Soll,Hz nicht unterschritten bzw. im Kühl-Pufferspeicher 10 eine Kühl-Solltemperatur T_Soll,K nicht überschritten wird.
  • Eine Beladung des jeweiligen Pufferspeichers 10,14 mit Kälte bzw. Wärme ist dabei jeweils bis zu einer maximalen Heiztemperatur T_max im Heiz-Pufferspeicher 14 bzw. bis zu einer minimalen Kühltemperatur T_min im Kühl-Pufferspeicher 10 vorgesehen. Die Solltemperaturen sowie die maximalen/minimalen Temperaturen sind dabei vorzugsweise einstellbar und auch während des Betriebs variierbar.
  • Der Betrieb der Wärmepumpenanlage 2 erfolgt so, dass auf die Solltemperaturen T_Soll,Hz; T_Soll,K geregelt wird. Hierzu wird priorisiert die erste Wärmepumpe 4 betrieben, beispielsweise kontinuierlich oder auch getaktet. Bei einem überschießenden Heizbedarf wird zunehmend Wärme dem Kühlkreis 6 entzogen, sodass der Kühl-Pufferspeicher 10 quasi "unterkühlt" wird. Umgekehrt wird bei einem übersteigenden Kühlbedarf der Heiz-Pufferspeicher 14 "überhitzt". Wird die voreingestellte maximale Heiztemperatur T_max bzw. die minimale Kühltemperatur T_min erreicht, so wird der weitere Betrieb der ersten Wärmepumpe 4 gesperrt. Ein eventuell zusätzlicher Heiz- bzw. Kühlbedarf wird dann durch die zweite Wärmepumpe 26 bereitgestellt. Dies ist ebenfalls als eine elektrische Kompressions-Wärmepumpe ausgebildet, die jedoch im Unterschied zu der ersten Wärmepumpe 4 reversibel betreibbar ist, d.h. der Kreislauf kann durch entsprechende Ansteuerung in umgekehrter Strömungsrichtung betrieben werden. Die Funktion der Wärmetauscher der zweiten Wärmepumpe 26 kann daher zwischen Verdampfer und Kondensator jeweils durch eine Umkehr der Strömungsrichtung umgeschalten werden.
  • Anhand der in den Fig. 3A bis 3C dargestellten Flussdiagramme wird die Regelung näher erläutert:
    Gemäß der Fig. 3A werden nach einem Start der Wärmepumpenanlage 2 zunächst die Temperaturwerte T_R1, T_R2 der Temperaturfühler R1, R2 abgefragt und ausgewertet. Anhand dieser Temperaturwerte T_R1, T_R2 wird ermittelt, ob ein Wärme- oder Kältebedarf vorhanden ist. Ist dies nicht der Fall, werden die erste Wärmepumpe 4 und die zweite Wärmepumpe 26 deaktiviert, also ausgeschalten oder wird nicht eingeschaltet. D.h. der Kältemittelkreis ist nicht aktiv, es erfolgt keine Wärmeverschiebung.
  • Wird jedoch ermittelt, dass ein Bedarf vorhanden ist, so wird weiterhin überprüft, ob die erste Wärmepumpe 4 freigegeben ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die zweite Wärmepumpe 26 zugeschalten. Ist die erste Wärmepumpe 4 dem gegenüber freigegeben, so wird die erste Wärmepumpe 4 aktiviert und zugeschalten, sodass eine Wärmeverschiebung vom Kühlkreis 6 in den Heizkreis 8 erfolgt. Im Falle der Aktivierung der zweiten Wärmepumpe 26 erfolgt ein Wärmeausgleich.
  • Die Abfrage und Auswertung der Temperaturwerte T_R1, T_R2 erfolgt während des Betriebs laufend, beispielsweise in diskreten Zeitabständen. Falls die zweite Wärmepumpe 26 eingeschalten ist, erfolgt über diese entweder lediglich ein Wärmeeintrag in den Heizkreis 8 oder ein Kälteeintrag in den Kühlkreis 6. Sofern im weiteren Verlauf aufgrund des Betriebs der zweiten Wärmepumpe 26 beispielsweise die erste Wärmepumpe 4 wieder freigegeben wird, so wird vorzugsweise die zweite Wärmepumpe 26 wieder deaktiviert. Dies bedeutet, dass das Schaubild gemäß der Fig. 3A dahingehend ergänzt werden kann, dass nachfolgend zu der Prüfung, ob die erste Wärmepumpe 4 freigegeben ist, im "Ja-Fall" noch überprüft wird, ob die zweite Wärmepumpe 26 aktiv ist. Ist dies der Fall, so wird diese abgeschalten.
  • Die Steuerung - und Regelung der Wärmepumpenanlage 2 erfolgt mit Hilfe einer hier nicht näher dargestellten Steuereinheit.
  • Das Schaubild gemäß der Fig. 3B zeigt den Regelalgorithmus für die Abfrage, ob der Bedarf vorhanden ist. Hierzu wird überprüft, ob die Temperatur T_R1 des ersten Temperaturfühlers R1 größer als die Kühl-Solltemperatur T_Soll, K ist. Weiterhin wird überprüft, ob die Temperatur T_R2 des zweiten Temperaturfühlers R2 kleiner als die Heiz-Solltemperatur T_Soll,Hz ist. Ist eine dieser Bedingungen erfüllt, so wird auf Bedarf erkannt.
  • Fig. 3C zeigt den Regelalgorithmus für die Abfrage, ob die erste Wärmepumpe 4 freigegeben werden kann. Hier wird überprüft, ob die Temperatur T_R1 des ersten Temperaturfühlers R1 größer der minimalen Kühltemperatur T_min ist. Ergänzend wird überprüft, ob die Temperatur T_R2 des zweiten Temperaturfühlers R2 kleiner der maximalen Heiztemperatur T_max ist. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, hat also die Temperatur T_R1, T_R2 im Kühl-Pufferspeicher 10 bzw. im Heiz-Pufferspeicher 14 die minimale Kühltemperatur T_min bzw. die maximale Heiz-temperatur T_max erreicht, so wird die erste Wärmepumpe 4 gesperrt, kann also nicht aktiviert werden. Andernfalls, wenn diese Bedingungen nicht vorliegen, wird die erste Wärmepumpe 4 für einen Betrieb freigegeben.
  • Die Heiz-Solltemperator T_Soll,Hz liegt beispielsweise im Bereich zwischen 30° und 60° und insbesondere in einem Bereich von 30° bis 45°C und speziell bei 35°C. Wird diese unterschritten, so erfolgt ein Zuschalten der ersten Wärmepumpe 4 bzw. falls erforderlich, ein Zuschalten der zweiten Wärmepumpe 26 im Heizmodus.
  • Die Kühl-Solltemperatur T_Soll,K liegt beispielsweise im Bereich von 5° bis 20°C, speziell im Bereich von 8° bis 18° und insbesondere beispielsweise bei 12°C. Wird diese überschritten so erfolgt wiederum ein Zuschalten der ersten Wärmepumpe 4 bzw. falls diese gesperrt ist, ein Zuschalten der zweiten Wärmepumpe 26.
  • Um einen möglichst effizienten Betrieb zu erzielen, liegt die maximale Heiztemperatur T_max beispielsweise 10° bis 30°C, vorzugsweise 10° bis 20°C und beispielsweise 10°C oberhalb der Heiz-Solltemperatur T_Soll, Hz. Es ist also ein Überhitzen des Heiz-Pufferspeichers 14 bis zu dieser maximalen Heiztemperatur T_max ermöglicht. Umgekehrt gilt dies auch für ein Unterkühlen des Kühl-Pufferspeichers 10. Hierbei liegt die minimale Kühltemperatur T_min vorzugsweise ebenfalls bei beispielsweise 10° bis 15K unter der Kühl-Solltemperatur T_Soll,K und beispielsweise bei 5K.
  • Die Solltemperaturen T_Soll,Hz; T_Soll,K werden während des Betriebs bedarfsabhängig beispielsweise in Abhängigkeit der Außentemperatur außerhalb des Gebäudes oder in Abhängigkeit von Anforderungen eines industriellen Prozesses gesteuert. Gleichzeitig wird vorzugsweise die gewünschte Differenz zu den Maximal-, Minimaltemperaturen T_max, T_min festgelegt, sodass die Absolutwerte für diese Maximal-, Minimaltemperaturen nachgezogen werden.
  • In bevorzugter Weiterbildung wird jedoch auch die Temperaturdifferenz zwischen den Solltemperaturen T_Soll,Hz; T_Soll,K und den maximalen bzw. minimalen Temperaturen T_max; T_min variiert oder es werden auch die Absolutwerte der maximalen bzw. minimalen Temperaturen T_max; T_min variiert.
  • Speziell erfolgt diese Variation automatisch mittels der hier nicht dargestellten Steuereinrichtung, insbesondere in Abhängigkeit eines aktuellen Energiepreises. So werden beispielsweise bei einem günstigen Nachtstrom die Temperaturdifferenz und / oder die Maximalwerte (Minimalwerte) erhöht (erniedrigt), sodass der Beladungsgrad der Pufferspeicher 10,14, also deren Überhitzung bzw. Unterkühlung erhöht werden kann.
  • Um an den Verbrauchern 12,16 jeweils die gewünschten Temperaturen einzustellen, sind die Ventile 24 als Mischventile ausgebildet, sodass eine sogenannte Rücklaufbeimischung realisiert ist, um die jeweilige Verbraucher-Vorlauftemperatur auf das geforderte Temperaturniveau einzustellen. Diese Ventile 24 (Mischer) werden ebenfalls von der Steuereinheit angesteuert.
  • Die Verbraucher 12,16 werden vorzugsweise extern z.B. über eine Gebäudeleittechnik geregelt, d.h. das Temperaturniveau für die Verbraucher 12,16 wird von extern eingestellt. Grundsätzlich können mehr als ein Verbraucher(-Kreis) an einen jeweiligen Pufferspeicher 10,14 angeschlossen sein.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die gesamte Anlage für einen monoenergetischen Betrieb ausgelegt, sodass vorzugsweise ausschließlich eine elektrische Energiezufuhr vorgesehen ist. Die beiden Wärmepumpen 4,26 werden mit elektrischer Energie betrieben. Bei Bedarf können beispielsweise im Heiz-Pufferspeicher 14 ergänzend elektrische Heizstäbe angeordnet sein, um eine effiziente Wärmeversorgung auch bei niedrigen Außentemperaturen sicherzustellen.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Wärmepumpenanordnung
    4
    erste Wärmepumpe
    6
    Kühlkreis
    6A
    Kühl-Vorlauf
    6B
    Kühl-Rücklauf
    8
    Heizkreis
    8A
    Heiz-Vorlauf
    8B
    Heiz-Rücklauf
    10
    Kühl-Pufferspeicher
    12
    Kühl-Verbraucher
    14
    Heiz-Pufferspeicher
    16
    Heiz-Verbraucher
    18
    Warmwasser-Speicher
    20
    Pumpen
    24
    Mischventil
    25
    doppelt differenzdruckloser Verteiler
    26
    zweite Wärmepumpe
    26A
    Vorlauf
    26B
    Rücklauf
    28
    Vorlauf-Bypassleitung
    30
    Rücklauf-Bypassleitung
    32
    erstes Mehrwegventil
    34
    zweites Mehrwegventil
    R1
    erster Temperaturfühler
    R2
    zweiter Temperaturfühler
    T-Soll,Hz
    Heiz-Solltemperatur
    T_Soll,K
    Kühl-Solltemperatur
    T_max
    maximale Heiztemperatur
    T_min
    minimale Kühltemperatur
    T_R1
    Temperatur am ersten Fühler R1
    T_R2
    Temperatur am zweiten Fühler R2

Claims (15)

  1. Wärmepumpenanlage (2), die zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen ausgebildet ist, mit
    - einer ersten Wärmepumpe (4), die als Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmepumpe ausgebildet ist, und die an einer Quellenseite mit einer Wärmequelle und an einer Senkenseite mit einer Wärmesenke verbunden ist, wobei
    - die Wärmequelle einen Kühlkreis (6) umfasst, der einen Kühl-Vorlauf (6A), einen Kühl- Rücklauf (6B), einen Kühl-Pufferspeicher (10) für Kaltwasser sowie im angeschlossenen Zustand einen Kühl-Verbraucher (12) aufweist,
    - die Wärmesenke einen Heizkreis (8) umfasst, der einen Heiz-Vorlauf (8A), einen Heiz-Rücklauf (8B), einen Heiz-Pufferspeicher (14) für Heizwasser sowie einen Heiz-Verbraucher (16) aufweist, wobei der Heizkreis (8) alternativ oder ergänzend zum Heiz-Pufferspeicher (14) und dem Heiz-Verbraucher (16) einen Warmwasser-Speicher (18) aufweist,
    - wobei über die erste Wärmepumpe (4) im Betrieb eine Wärmeverschiebung zwischen dem Kühlkreis (6) und dem Heizkreis (8) erfolgt, so dass gleichzeitig auf der Seite des Kühkreises (6) eine Kühlleistung und auf Seite des Heizkreises (8) eine Heizleistung bereitgestellt wird,
    - zumindest eine Zusatzeinheit angeordnet ist, die insbesondere hydraulisch am Kühlkreis (6) und am Heizkreis (8) angeschlossen ist, wobei die zumindest eine Zusatzeinheit sowohl zur Bereitstellung von zusätzlicher Wärme für den Heizkreis (8) sowie zur Bereitstellung von zusätzlicher Kälte für den Kühlkreis (6) ausgebildet ist,
    - mit einer Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs der Wärmepumpenanlage (2).
  2. Wärmepumpenanlage (2) nach Anspruch 1, bei der es sich bei der Zusatzeinheit um eine zweite Wärmepumpe (26) handelt, die als Luft/Flüssigkeits-Wärmepumpe ausgebildet ist und die reversibel betreibbar ist, sodass sie in einem Heizmodus Wärme in den Heizkreis (8) und in einem Kühlmodus Kälte in den Kühlkreis (6) einspeisen kann.
  3. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Wärmepumpe (26) über ein erstes Mehrwegeventil (32) mit dem Heizkreis (8) oder dem Kühlkreis (6) vorzugsweise strömungstechnisch verbindbar ist, wobei die zweite Wärmepumpe (26) im Heizmodus mit dem Heizkreis (8) und im Kühlmodus mit dem Kühlkreis (6) verbunden ist.
  4. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Vorlauf-Bypassleitung (28) den Kühl-Vorlauf (6A) mit dem Heiz-Vorlauf (8A) verbindet und die zweite Wärmepumpe (26) einen Vorlauf (26A) aufweist, welcher über das erste Mehrwegventil (32) im Kühlmodus mit dem Kühl-Vorlauf (6A) und im Heizmodus mit dem Heiz-Vorlauf (8A) vorzugsweise strömungstechnisch verbunden ist.
  5. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Rücklauf-Bypassleitung (30) den Kühl-Rücklauf (6B) mit dem Heiz-Rücklauf (8B) verbindet und die zweite Wärmepumpe (26) einen Rücklauf (26B) aufweist, welcher über ein zweites Mehrwegventil (34) im Kühlmodus mit dem Kühl-Rücklauf (6B) und im Heizmodus mit dem Heiz-Rücklauf (8B) vorzugsweise strömungstechnisch verbunden ist.
  6. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die erste Wärmepumpe (4) gegenüber der zumindest einen Zusatzeinheit (26) priorisiert ist und nur dann für den Betrieb gesperrt wird, wenn eine maximale Heiz-Temperatur (T_max) im Heiz-Pufferspeicher (14) oder eine minimale Kühl-temperatur (T_min) im Kühl-Pufferspeicher (10) erreicht ist.
  7. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die zumindest eine Zusatzeinheit (26) nur dann zugeschaltet wird, wenn eine Heiz-Solltemperatur (T_Soll,Hz) im Heiz-Pufferspeicher (14) unterschritten oder eine Kühl-Solltemperatur (T_Soll,K) im Kühl-Pufferspeicher (10) überschritten ist.
  8. Wärmepumpenanlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
    bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die zumindest eine Zusatzeinheit abgeschalten wird, wenn die Heiz-Solltemperatur (T_Soll,Hz) im Heiz-Pufferspeicher (14) überschritten oder die Kühl-Solltemperatur (T_Soll,K) im Kühl-Pufferspeicher (10) unterschritten ist.
  9. Wärmepumpenanlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Heiz-Solltemperatur (T_Soll,Hz) in einem Bereich von 30° bis 60°C und insbesondere in einem Bereich von 30° bis 45°C und die Kühl-Solltemperatur (T_Soll,K) in einem Bereich von 5° bis 20°C und insbesondere in einem Bereich von 8° bis 18°C liegt.
  10. Wärmepumpenanlage (2) nach den Ansprüchen 7 und 8 oder 9 oder 10, bei der eine Temperaturdifferenz zwischen
    - der maximalen Heiz-Temperatur (T_max) und Heiz-Solltemperatur (T_Soll,Hz) im Bereich zwischen 5 bis 25K, insbesondere 10 bis 15K und/oder
    - der minimalen Kühl-Temperatur (T_min) und der Kühl-Solltemperatur (T_Soll,K) im Bereich zwischen 5 bis 20K, insbesondere 8 bis 12K liegt.
  11. Wärmepumpenanlage (2) nach den Ansprüchen 7 und 8 oder nach Anspruch 9, 10 oder 11 bei der die Differenz zwischen der Heiz-Solltemperatur (T_Soll,Hz) und der Kühl-Solltemperatur (T_Soll,K) im Bereich von 10 bis 40K, insbesondere im Bereich von 15 bis 35K liegt.
  12. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die zumindest eine Zusatzeinheit in einem Zusatz-Betriebsmodus nur dann zugeschalten wird, wenn die erste Wärmepumpe für (4) den Betrieb gesperrt ist.
  13. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass die zumindest eine Zusatzeinheit in einem Unterstützung-Betriebsmodus zusätzlich zu der ersten Wärmepumpe (4) zugeschalten wird.
  14. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Heiz- und Kühlleistung der ersten Wärmepumpe (4) geringer ist als die Heiz- und Kühlleistung der zumindest einen Zusatzeinheit und vorzugsweise lediglich 80% oder lediglich 50% der Heiz- und Kühlleistung der Zusatzeinheit beträgt.
  15. Wärmepumpenanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach den Ansprüchen 7 und 8, bei der die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass während des Betriebes der Wärmepumpenanlage
    - die minimale Kühl-Temperatur (T_min) oder die maximale Heiz-Temperatur (T_max) oder alternativ
    - eine Temperaturdifferenz der minimalen Kühl-Temperatur (T_min) bzw. der maximalen Heiz-Temperatur (T_max) zur jeweiligen Solltemperatur automatisch variiert wird, wobei die Steuereinheit vorzugsweise weiterhin derart ausgebildet ist, dass die Variation in Abhängigkeit eines aktuell überschüssigen Energieangebotes oder eines aktuellen Energiepreises erfolgt..
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