EP4336108A1 - Refrigerant separation in heating circuit - Google Patents

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EP4336108A1
EP4336108A1 EP23195750.7A EP23195750A EP4336108A1 EP 4336108 A1 EP4336108 A1 EP 4336108A1 EP 23195750 A EP23195750 A EP 23195750A EP 4336108 A1 EP4336108 A1 EP 4336108A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating circuit
heat pump
safety valve
pump
refrigerant
Prior art date
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Pending
Application number
EP23195750.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pascal Forner
Raimund Lis
Stamm Ralf
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.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/18—Hot-water central heating systems using heat pumps
    • 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
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1039—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating the system uses a heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/12—Preventing or detecting fluid leakage
    • 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
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/12—Heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General 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
    • F25B2400/12—Inflammable refrigerants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type

Definitions

  • the invention relates to the separation of refrigerant that has leaked from a refrigeration circuit of a heat pump into a heating circuit. Such leaks are extremely rare, but can have serious consequences if the refrigerant is flammable. Since it became known that current safety refrigerants are extremely harmful to the climate if released into the environment, flammable refrigerants have often been used as a replacement.
  • thermodynamic properties examples include R290, R600a, R1270, R32 and R441a.
  • they have to be operated under higher working pressure than the previous refrigerants, which can lead to a leak in the condenser heat exchanger, which transfers the heat from the refrigerant to the heating circuit, causing refrigerant to enter the heating circuit on a regular basis is operated at a lower working pressure and essentially consists of water.
  • refrigerant enters the heating circuit in the event of a leak but cannot be completely released at the vent valve of the refrigerant/air separator, the refrigerant accumulates in the heating circuit. The resulting accumulation of refrigerant consequently displaces heating water.
  • the refrigerant/air separator and the safety valve in the heat pump form the highest point of the building heating circuit installation.
  • the geodetic pressure difference between the safety valve in the heat pump and other safety valves in the building heating circuit installation is reduced by the accumulation of refrigerant.
  • the circulation of the heating water must be stopped in such a case.
  • the heating pump is arranged directly behind the refrigerant/air separator and the safety valve in the direction of flow. If the accumulation of refrigerant reaches the pump and fills the pump housing in gaseous form, pumping heating water is no longer possible because heating pumps are centrifugal pumps and cannot pump gas.
  • the refrigerant accumulation of the gaseous refrigerant subsequently expands further and displaces the heating water between the safety valves of the heat pump and the building heating circuit.
  • the opening pressure of the safety valve in the heat pump is lower than the opening pressure of the other safety valves in the building heating circuit. If there are several heat generators in the building heating circuit, additional safety valves are required in the building heating circuit. This eliminates the geodetic pressure difference between the positions of the safety valves in the building heating circuit and in the heat pump.
  • the displaced water is forced into an expansion tank that is always present in a heating system.
  • the EP 3 351 868 B1 describes a heat pump device with a refrigeration circuit and a fluid circuit formed as a heating circuit with the usual facilities and safety valves. Care is taken to ensure that in the event of a refrigerant leak, the refrigerant can only escape in the refrigeration circuit housing.
  • a pressure control valve is provided in the heating circuit between the condenser and the radiator, which stops the flow when the pressure increases.
  • a safety valve can be provided between the condenser outlet and the pressure control valve and a vent valve between the pressure control valve and the radiator.
  • the geodetic height does not matter.
  • the DE 10 2020 103 743 A1 describes a heat pump system in which, viewed in the operating flow direction of the heating circuit medium, a check valve connected downstream of the heating circuit pump and a safety valve connected downstream of the heat exchanger to the primary circuit are provided. This prevents backflow into the secondary circuit in the event of a leak and blows off in the direction of flow when the pressure increases.
  • the static height, additional safety valves and the corresponding positioning of all these measures are silent DE 10 2020 103 743 A1 .
  • the DE 10 2019 123 513 A1 describes a heat pump system with a refrigeration circuit and a fluid circuit formed as a heating circuit with the usual facilities and safety valves.
  • a safety valve and vents are provided on the suction side of the circulation pump; on the pressure side, the circulation pump is followed by a first flow-influencing means in the flow of the heating system and a further flow-influencing means in the return.
  • the flow influencing devices are a pressure reducer and a check valve.
  • the geodetic height does not play a role here either.
  • the installation is particularly suitable for air/water heat pumps installed outside; these are often installed on the roof of a building or an extension, such as a garage.
  • the heating circuit pump should be located directly after the safety valve and the refrigerant/air separator, ideally also in the heat pump housing. It is clear that in systems with several building heating circuits, each of the heating circuits has a heating circuit pump, whereby what is described above applies analogously.
  • the heat pump is arranged at the top of the building or on the building, for example in an attic or a flat roof as part of a retrofitting measure, and thus above the consumers, for example underfloor heating on floors below.
  • the invention is not limited to this application. It can also be used if the heat pump has a summer switchover to cooling water, which is fed through the underfloor heating pipes instead of hot water or is used in cooling ceilings.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary heat pump installation with an indoor heat exchanger 1, through which flammable refrigerant 11 flows on one side and heating water 10 on the other side. Only the heating circuit simplified here is considered, which can also be operated as a cooling water circuit if the Heat pump has a corresponding switchover for summer operation.
  • the heating circuit water 10 coming from the indoor heat exchanger 1 is first led into the refrigerant/air separator 2, where air is separated together with gaseous refrigerant and discharged via the vent valve 3, if There has been a leak in the refrigerant/air separator. This separation can be incomplete in the event of a leak.
  • the heating circuit water then flows past the safety valve 4 in the heat pump.
  • the further treatment of the vented gases and the substances that may have accumulated in the safety valve 4 is not shown; this treatment varies depending on the installation, environment and design of the heat pump and is not the subject here.
  • Both the vent valve and the safety valve are located in the housing 9 of the heat pump.
  • the subsequent heating circuit pump 5 can also be located within the housing 9 of the heat pump, as shown here, but it can also be placed at another location in front of the heat users. It is advantageous if, in the event of a leak, the gaseous refrigerant fills the pump housing as quickly as possible and then pumping heating water is no longer possible.
  • the safety valve 6 which protects the subsequent heat exchangers, usually underfloor heating, from pressure overload.
  • the quantity equalization takes place in the expansion tank 7 due to the thermal expansion of the heating circuit water.
  • Fig. 1 also shows the position of the pressure levels p1 to p6 that can be expected in this simplified but typical heating circuit.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary heat pump installation with a second heat generator, in this example an additional electric heater 12. This is arranged between the safety valve 4 of the heat pump and the safety valve 6 of the building heating circuit at the lowest point between the two safety valves.
  • Table 1 shows the pressure curves in the water of the heating circuit for the in Fig. 1
  • the exemplary embodiment shown is normally in column 1 and in an advanced leakage case in column 2.
  • the leak puts the entire heating circuit under pressure, although this pressure depends on the conditions in the internal heat exchanger and the temperature of the flammable refrigerant; it could also be higher.
  • the gaseous refrigerant causes heating circuit water to be pressed into the expansion vessel 7 until a first safety valve opens. Delivery by the heating circuit pump 5 no longer takes place as soon as the gaseous refrigerant has reached the heating circuit pump 5.
  • the safety valve 4 must open, but the safety valve 6 may only open once the geodetic pressure equalization has taken place. This is achieved by the safety valve 4 having to open at a lower pressure than the safety valve 6.
  • the difference in the geodetic height of the two safety valves must be taken into account.
  • the respective static pressure of the water column is also present as pressure at the safety valve.
  • this is the pressure difference between the pressures p5 and p6 or p1 and p5, here as 0.5 to 0.6 bar, which corresponds approximately to two floors. If both safety valves were set to the same pressure, the lower valve would always respond and open first.
  • the safety valve 4 is to be set to an opening pressure between 2 and 2.4 bar g and the safety valve 6 to an opening pressure of 3 bar g , i.e. at least a ⁇ p of 0.6 bar higher than the safety valve in the heat pump. This condition should be removed by the installation. This allows height differences of up to 15 meters to be achieved, although a minimum pressure must be maintained on the heating pump to avoid cavitation.
  • the opening pressure of the safety valve in the heat pump is chosen to be as high as possible, but lower than the opening pressure of the safety valve in the building heating circuit, taking tolerances into account. This makes it possible to use identical devices in other installations in which the heat pump forms the lowest point in the heating system.

Abstract

Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält: eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel (11) betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse (9) und das Gehäuse in einem Gebäude befinden, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager (1), der mit dem brennbaren Kältemittel (11) auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser (10) auf der anderen Seite verbunden ist, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider (2), der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager (1) angeordnet ist, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil (4), welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider (2) angeordnet ist, eine Heizkreispumpe (5), welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil (4) angeordnet ist, mindestens einen Heizwärmeverbraucher (8) mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf, zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe (5) ein weiteres Sicherheitsventil (6), zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager (1) einen Wasserausgleichsbehälter (7), wobei das Sicherheitsventil (4) im Wärmepumpengehäuse (9) einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil (6) zwischen Heizkreispumpe (5) und dem Heizwärmeverbraucher (8) aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen (4, 6) eingestellt ist.Installation of a heat pump in a building, the installation comprising: a heat pump that is operated with a flammable refrigerant (11), the heat pump being in a housing (9) and the housing being in a building, in the housing (9). Heat pump an internal heat exchanger (1), which is connected to the flammable refrigerant (11) on one side and to the heating circuit water (10) on the other side, in the housing (9) of the heat pump a refrigerant/air separator (2), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the internal heat exchanger (1), in the housing (9) of the heat pump, a safety valve (4), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the refrigerant/air separator (2), a heating circuit pump (5), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the safety valve (4), at least one heating heat consumer (8) with a hot water inlet and a hot water return, between the hot water inlet and the heating circuit pump (5) a further safety valve (6), between the hot water return and the indoor heat exchanger (1) a water compensation tank (7), the safety valve (4) in the heat pump housing (9) having a lower opening pressure than in the safety valve (6) between the heating circuit pump (5) and the heating heat consumer (8) and the difference in the opening pressure being greater than the pressure difference due to the geodetic The height of the water column between the two safety valves (4, 6) is set.

Description

Die Erfindung betrifft die Abscheidung von Kältemittel, welches leckagebedingt aus einem Kältekreis einer Wärmepumpe in einen Heizungskreislauf gelangt ist. Solche Leckagen sind ausgesprochen selten, können aber schwere Folgen haben, wenn das Kältemittel brennbar ist. Seit bekannt geworden ist, dass die bisherigen Sicherheitskältemittel in höchstem Maße klimaschädlich sind, wenn sie in die Umwelt gelangen, werden als Ersatz häufig brennbare Kältemittel verwendet.The invention relates to the separation of refrigerant that has leaked from a refrigeration circuit of a heat pump into a heating circuit. Such leaks are extremely rare, but can have serious consequences if the refrigerant is flammable. Since it became known that current safety refrigerants are extremely harmful to the climate if released into the environment, flammable refrigerants have often been used as a replacement.

Diese haben sehr gute thermodynamische Eigenschaften und erlauben einen hocheffizienten Betrieb. Beispiele hierfür sind R290, R600a, R1270, R32 und R441a. Sie müssen allerdings unter höherem Arbeitsdruck betrieben werden als die bisherigen Kältemittel, was dazu führen kann, dass bei einer Undichtigkeit im Kondensator-Wärmetauscher, der die Wärme vom Kältemittel an den Heizungskreislauf überträgt, durch eine solche Undichtigkeit Kältemittel in den Heizungskreislauf eintreten kann, der regelmäßig bei einem geringeren Arbeitsdruck betrieben wird und im Wesentlichen aus Wasser besteht.These have very good thermodynamic properties and allow highly efficient operation. Examples include R290, R600a, R1270, R32 and R441a. However, they have to be operated under higher working pressure than the previous refrigerants, which can lead to a leak in the condenser heat exchanger, which transfers the heat from the refrigerant to the heating circuit, causing refrigerant to enter the heating circuit on a regular basis is operated at a lower working pressure and essentially consists of water.

Das kann lange unbemerkt geschehen, wenn die Leckage klein ist. In einem solchen Fall macht sich der Verlust an Kältemittel im Kältemittelkreislauf kaum bemerkbar und ein Druckanstieg im Heizungskreislauf ist auch kaum zu beobachten. Auffällig wird eine solche Leckage am Luftabscheider des Heizungskreislaufs, der in solchen Fällen oft über eine Trenneinrichtung für Luft und gasförmiges Kältemittel verfügt und als Entlüftungsventil ausgeführt ist. Hierfür existieren eine Reihe geeigneter Bauarten im Stand der Technik, auf die der Fachmann Zugriff hat.This can go unnoticed for a long time if the leak is small. In such a case, the loss of refrigerant in the refrigerant circuit is hardly noticeable and an increase in pressure in the heating circuit is also hardly noticeable. Such a leak becomes noticeable in the air separator of the heating circuit, which in such cases often has a Separation device for air and gaseous refrigerant and is designed as a vent valve. For this purpose, there are a number of suitable designs in the state of the art that the person skilled in the art has access to.

Wenn bei einer Leckage Kältemittel in den Heizkreis eintritt, aber nicht vollständig am Entlüftungsventil des Kältemittel/Luft-Abscheiders abgegeben werden kann, sammelt sich das Kältemittel im Heizkreis an. Dabei verdrängt die entstehende Kältemittelansammlung in der Konsequenz Heizungswasser.If refrigerant enters the heating circuit in the event of a leak but cannot be completely released at the vent valve of the refrigerant/air separator, the refrigerant accumulates in the heating circuit. The resulting accumulation of refrigerant consequently displaces heating water.

Wenn die Wärmepumpe oben im zu beheizenden Gebäude aufgestellt ist, also oberhalb der Heizkreisinstallationen, bilden der Kältemittel/Luft-Abscheider und das Sicherheitsventil in der Wärmepumpe den höchsten Punkt der Gebäudeheizkreisinstallation. Der geodätische Druckunterschied zwischen dem Sicherheitsventil in der Wärmepumpe und weiteren Sicherheitsventilen in der Gebäudeheizkreisinstallation wird durch die Kältemittelansammlung reduziert.If the heat pump is installed at the top of the building to be heated, i.e. above the heating circuit installations, the refrigerant/air separator and the safety valve in the heat pump form the highest point of the building heating circuit installation. The geodetic pressure difference between the safety valve in the heat pump and other safety valves in the building heating circuit installation is reduced by the accumulation of refrigerant.

Um zu verhindern, dass Kältemittel mit dem Heizungswasser in die Heizkreishydraulik transportiert wird, muss der Umlauf des Heizungswassers in einem solchen Fall unterbunden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Heizungspumpe in Strömungsrichtung direkt hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider und dem Sicherheitsventil angeordnet wird. Wenn die Kältemittelansammlung die Pumpe erreicht und das Pumpengehäuse gasförmig füllt, ist keine Förderung von Heizungswasser mehr möglich, da Heizungspumpen Kreiselpumpen sind und kein Gas fördern können.In order to prevent refrigerant from being transported into the heating circuit hydraulics with the heating water, the circulation of the heating water must be stopped in such a case. This is achieved according to the invention in that the heating pump is arranged directly behind the refrigerant/air separator and the safety valve in the direction of flow. If the accumulation of refrigerant reaches the pump and fills the pump housing in gaseous form, pumping heating water is no longer possible because heating pumps are centrifugal pumps and cannot pump gas.

Die Kältemittelansammlung des gasförmigen Kältemittels dehnt sich in der Folge weiter aus und verdrängt das Heizungswasser zwischen den Sicherheitsventilen der Wärmepumpe und dem Gebäudeheizkreis. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe ist dabei geringer, als der Öffnungsdruck der anderen Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis. Wenn es im Gebäudeheizkreis mehrere Wärmeerzeuger gibt, sind weitere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis erforderlich. Der geodätische Druckunterschied zwischen den Positionen der Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis und in der Wärmepumpe wird dadurch aufgehoben. Das verdrängte Wasser wird in ein in einem Heizsystem immer vorhandenes Ausdehnungsgefäß gedrückt.The refrigerant accumulation of the gaseous refrigerant subsequently expands further and displaces the heating water between the safety valves of the heat pump and the building heating circuit. The opening pressure of the safety valve in the heat pump is lower than the opening pressure of the other safety valves in the building heating circuit. If there are several heat generators in the building heating circuit, additional safety valves are required in the building heating circuit. This eliminates the geodetic pressure difference between the positions of the safety valves in the building heating circuit and in the heat pump. The displaced water is forced into an expansion tank that is always present in a heating system.

Dies führt zu einem Druckanstieg im gesamten Gebäudeheizkreis, bis der niedrigere Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe erreicht ist und dieses Sicherheitsventil öffnet. Das Kältemittel tritt dann an einer definierten Position in der Wärmepumpe aus dem Heizsystem aus und kann wie beschrieben sicher abgeleitet oder aufgefangen werden. Es kann dabei durchaus sein, dass ein anderes Sicherheitsventil im Gebäudeheizkreis zuerst öffnet, dort wird dann Heizungswasser abgegeben, wodurch der geodätische Druckunterschied weiter verringert wird. Sofern andere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis öffnen, kann aus denen kein Kältemittel austreten, sondern nur Heizungswasser.This leads to a pressure increase in the entire building heating circuit until the lower opening pressure of the safety valve in the heat pump is reached and this safety valve opens. The refrigerant then exits the heating system at a defined position in the heat pump and can be safely drained or collected as described. It may well be that another safety valve in the building heating circuit opens first, and heating water is then released there, which further reduces the geodetic pressure difference. If other safety valves open in the building heating circuit, no refrigerant can escape from them, only heating water.

Wenn also mehrere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis innerhalb eines Gebäudes vorhanden sind, muss gewährleistet werden, dass dasjenige Sicherheitsventil öffnet, welches sich im Gehäuse der Wärmepumpe befindet und welches über einen Abscheider von gasförmigem Kältemittel verfügt. Dies geschieht in der oben beschriebenen Weise. Hierzu existiert einschlägiger Stand der Technik, der jedoch den Einfluss der geodätischen Höhe nicht berücksichtigt.If there are several safety valves in the building heating circuit within a building, it must be ensured that the safety valve that is located in the heat pump housing and that has a separator for gaseous refrigerant opens. This is done in the manner described above. There is relevant state-of-the-art technology for this, but it does not take the influence of geodetic height into account.

Die EP 3 351 868 B1 beschreibt eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kältekreis und einem als Heizkreislauf gebildeten Fluidkreislauf mit den üblichen Einrichtungen sowie Sicherheitsventilen. Hierbei wird darauf geachtet, dass im Falle eines Kältemittelaustritts das Kältemittel nur im Kältekreisgehäuse austreten kann. Hierzu wird einerseits ein Druckregelventil im Heizkreislauf zwischen dem Kondensator und dem Heizungskörper vorgesehen, welches den Durchfluss bei einem Druckanstieg stoppt. Weiterhin können ein Sicherheitsventil zwischen Kondensatorauslass und dem Druckregelventil und ein Entlüftungsventil zwischen Druckregelventil und Heizkörper vorgesehen werden. Die geodätische Höhe spielt keine Rolle.The EP 3 351 868 B1 describes a heat pump device with a refrigeration circuit and a fluid circuit formed as a heating circuit with the usual facilities and safety valves. Care is taken to ensure that in the event of a refrigerant leak, the refrigerant can only escape in the refrigeration circuit housing. For this purpose, on the one hand, a pressure control valve is provided in the heating circuit between the condenser and the radiator, which stops the flow when the pressure increases. Furthermore, a safety valve can be provided between the condenser outlet and the pressure control valve and a vent valve between the pressure control valve and the radiator. The geodetic height does not matter.

Die DE 10 2020 103 743 A1 beschreibt eine Wärmepumpenanlage, bei der, jeweils in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums gesehen, ein der Heizkreispumpe nachgeschaltetes Rückschlagventil und ein dem Wärmeübertrager zum Primärkreis nachgeschaltetes Sicherheitsventil vorgesehen werden. Damit wird eine Rückströmung in den Sekundärkreislauf im Falle einer Leckage verhindert und in Strömungsrichtung findet ein Abblasen bei Druckerhöhung statt. Zur statischen Höhe, weiteren Sicherheitsventilen und der entsprechenden Positionierung all dieser Maßnahmen schweigt die DE 10 2020 103 743 A1 .The DE 10 2020 103 743 A1 describes a heat pump system in which, viewed in the operating flow direction of the heating circuit medium, a check valve connected downstream of the heating circuit pump and a safety valve connected downstream of the heat exchanger to the primary circuit are provided. This prevents backflow into the secondary circuit in the event of a leak and blows off in the direction of flow when the pressure increases. The static height, additional safety valves and the corresponding positioning of all these measures are silent DE 10 2020 103 743 A1 .

Die DE 10 2019 123 513 A1 beschreibt ein Wärmepumpensystem mit einem Kältekreis und einem als Heizkreislauf gebildeten Fluidkreislauf mit den üblichen Einrichtungen sowie Sicherheitsventilen. Im Heizkreislauf werden saugseitig zur Umwälzpumpe ein Sicherheitsventil und Entlüftungen vorgesehen, druckseitig folgen der Umwälzpumpe ein erstes Strömungsbeeinflussungsmittel im Vorlauf des Heizungssystems und ein weiteres Strömungsbeeinflussungsmittel im Rücklauf. Konkret handelt es ich bei den Strömungsbeeinflussungsmitteln um einen Druckminderer und ein Rückschlagventil. Die geodätische Höhe spielt auch hierbei keine Rolle.The DE 10 2019 123 513 A1 describes a heat pump system with a refrigeration circuit and a fluid circuit formed as a heating circuit with the usual facilities and safety valves. In the heating circuit, a safety valve and vents are provided on the suction side of the circulation pump; on the pressure side, the circulation pump is followed by a first flow-influencing means in the flow of the heating system and a further flow-influencing means in the return. Specifically, the flow influencing devices are a pressure reducer and a check valve. The geodetic height does not play a role here either.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält

  • eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse und das Gehäuse in einem Gebäude befinden,
  • im Gehäuse der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager, der mit dem brennbaren Kältemittel auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser auf der anderen Seite verbunden ist,
  • im Gehäuse der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider, der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager angeordnet ist,
  • im Gehäuse der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil, welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider angeordnet ist,
  • eine Heizkreispumpe, welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil angeordnet ist,
  • mindestens einen Heizwärmeverbraucher mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf,
  • zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe ein weiteres Sicherheitsventil,
  • zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager einen Wasserausgleichsbehälter,
  • wobei das Sicherheitsventil im Wärmepumpengehäuse einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil zwischen Heizkreispumpe und dem Heizwärmeverbraucher aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen ist.
The invention solves the problem by installing a heat pump in a building, the installation containing
  • a heat pump that is operated with a flammable refrigerant, the heat pump being in a housing and the housing being in a building,
  • an internal heat exchanger in the heat pump housing, which is connected to the flammable refrigerant on one side and to the heating circuit water on the other side,
  • a refrigerant/air separator in the heat pump housing, which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the indoor heat exchanger,
  • A safety valve in the heat pump housing, which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the refrigerant/air separator,
  • a heating circuit pump, which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the safety valve,
  • at least one heating heat consumer with a hot water inlet and a hot water return,
  • another safety valve between the hot water inlet and the heating circuit pump,
  • a water compensation tank between the hot water return and the indoor heat exchanger,
  • wherein the safety valve in the heat pump housing has a lower opening pressure than in the safety valve between the heating circuit pump and the heating heat consumer and the difference in the opening pressure is greater than the pressure difference due to the geodetic height of the water column between the two safety valves.

Die Installation eignet sich besonders für außen aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpen, diese werden oft auf dem Dach eines Gebäudes oder eines Anbaus, etwa einer Garage installiert. Die Heizkreispumpe sollte direkt nach dem Sicherheitsventil und dem Kältemittel/Luft-Abscheider angeordnet sein, idealerweise auch im Gehäuse der Wärmepumpe. Hierbei ist klar, dass in Systemen mit mehreren Gebäudeheizkreisen jeder der Heizkreise eine Heizkreispumpe hat, wobei das oben Beschriebene sinngemäß analog gilt.The installation is particularly suitable for air/water heat pumps installed outside; these are often installed on the roof of a building or an extension, such as a garage. The heating circuit pump should be located directly after the safety valve and the refrigerant/air separator, ideally also in the heat pump housing. It is clear that in systems with several building heating circuits, each of the heating circuits has a heating circuit pump, whereby what is described above applies analogously.

Sofern im Heizungskreislauf mehrere Sicherheitsventile zum Einsatz kommen, gilt der oben beschriebene Zusammenhang zwischen den Öffnungsdrucken paarweise für den Öffnungsdruck des Sicherheitsventils im Wärmepumpengehäuse und dem jeweiligen Sicherheitsventil im Heizungskreislauf.If several safety valves are used in the heating circuit, the relationship described above between the opening pressures applies in pairs to the opening pressure of the safety valve in the heat pump housing and the respective safety valve in the heating circuit.

Vorzugsweise kommt dies zur Anwendung, wenn die Wärmepumpe oben im Gebäude oder auf dem Gebäude angeordnet wird, etwa auf einem Dachboden oder einem Flachdach im Rahmen einer Nachrüstungsmaßnahme, und somit oberhalb der Verbraucher, etwa Fußbodenheizungen in darunterliegenden Stockwerken. Die Erfindung ist aber auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt. Sie ist auch anwendbar, wenn die Wärmepumpe über eine Sommerumschaltung auf Kühlwasser verfügt, welches anstatt von Warmwasser durch die Rohrleitungen der Fußbodenheizung geführt wird oder in Kühldecken zum Einsatz kommt.This is preferably used when the heat pump is arranged at the top of the building or on the building, for example in an attic or a flat roof as part of a retrofitting measure, and thus above the consumers, for example underfloor heating on floors below. However, the invention is not limited to this application. It can also be used if the heat pump has a summer switchover to cooling water, which is fed through the underfloor heating pipes instead of hot water or is used in cooling ceilings.

Die Erfindung wird anhand von Fig. 1 und Tabelle 1 näher erläutert. Es zeigen:

  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeninstallation,
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeninstallation mit einem zweiten Wärmeerzeuger,
  • Tabelle 1 einen Vergleich der sich einstellenden Drücke.
The invention is based on Fig. 1 and Table 1 explained in more detail. Show it:
  • Fig. 1 a schematic representation of a heat pump installation,
  • Fig. 2 a schematic representation of a heat pump installation with a second heat generator,
  • Table 1 shows a comparison of the resulting pressures.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Wärmepumpeninstallation mit einem Innenwärmeübertrager 1, der auf der einen Seite von brennbarem Kältemittel 11 durchströmt wird und auf der anderen Seite von Heizungswasser 10. Betrachtet wird nur der hier vereinfachte Heizungskreislauf, der ebenso als Kühlwasserkreislauf betrieben werden kann, wenn die Wärmepumpe über eine entsprechende Umschaltung für den Sommerbetrieb verfügt. Hierbei wird das Heizkreiswasser10 aus dem Innenwärmeübertrager 1 kommend zunächst in den Kältemittel/Luft-Abscheider 2 geführt, wo Luftzusammen mit gasförmigem Kältemittel abgeschieden und über das Entlüftungsventil 3 abgeführt wird, sofern eine Leckage im Kältemittel/Luft-Abscheider stattgefunden hat. Diese Abscheidung kann im Leckagefall unvollständig sein. Fig. 1 shows a schematic representation of an exemplary heat pump installation with an indoor heat exchanger 1, through which flammable refrigerant 11 flows on one side and heating water 10 on the other side. Only the heating circuit simplified here is considered, which can also be operated as a cooling water circuit if the Heat pump has a corresponding switchover for summer operation. Here, the heating circuit water 10 coming from the indoor heat exchanger 1 is first led into the refrigerant/air separator 2, where air is separated together with gaseous refrigerant and discharged via the vent valve 3, if There has been a leak in the refrigerant/air separator. This separation can be incomplete in the event of a leak.

Nachfolgend strömt das Heizkreiswasser am Sicherheitsventil 4 in der Wärmepumpe vorbei. Nicht gezeigt ist die weitere Behandlung der entlüfteten Gase und der im Sicherheitsventil 4 gegebenenfalls angefallenen Stoffe, diese Behandlung erfolgt je nach Aufstellung, Umgebung und Bauart der Wärmepumpe unterschiedlich und ist hier nicht Gegenstand. Sowohl das Entlüftungsventil als auch das Sicherheitsventil befinden sich dabei im Gehäuse 9 der Wärmepumpe. Die nachfolgende Heizkreispumpe 5 kann sich ebenfalls innerhalb des Gehäuses 9 der Wärmepumpe befinden, wie hier gezeigt, sie kann aber auch an einer anderen Stelle vor den Wärmenutzern platziert werden. Vorteilhaft ist hierbei, wenn im Falle einer Leckage das gasförmige Kältemittel möglichst schnell das Pumpengehäuse füllt und dann keine Förderung von Heizungswasser mehr möglich ist.The heating circuit water then flows past the safety valve 4 in the heat pump. The further treatment of the vented gases and the substances that may have accumulated in the safety valve 4 is not shown; this treatment varies depending on the installation, environment and design of the heat pump and is not the subject here. Both the vent valve and the safety valve are located in the housing 9 of the heat pump. The subsequent heating circuit pump 5 can also be located within the housing 9 of the heat pump, as shown here, but it can also be placed at another location in front of the heat users. It is advantageous if, in the event of a leak, the gaseous refrigerant fills the pump housing as quickly as possible and then pumping heating water is no longer possible.

Zwischen der Heizkreispumpe 5 und dem Wärmeübertrager des Heizwärmeverbrauchers 8 des Heizkreises befindet sich das Sicherheitsventil 6, welches die nachfolgenden Wärmeübertrager, meistens Fußbodenheizungen, vor einer Drucküberlastung schützt. Bevor das Heizkreiswasser wieder zum Innenwärmeübertrager 1 zurückgeführt wird, findet im Ausgleichsbehälter 7 der Mengenausgleich aufgrund der Wärmeausdehnung des Heizkreiswassers statt.Between the heating circuit pump 5 and the heat exchanger of the heating heat consumer 8 of the heating circuit is the safety valve 6, which protects the subsequent heat exchangers, usually underfloor heating, from pressure overload. Before the heating circuit water is returned to the indoor heat exchanger 1, the quantity equalization takes place in the expansion tank 7 due to the thermal expansion of the heating circuit water.

Fig. 1 zeigt auch die Position der Druckstufen p1 bis p6, die in diesem vereinfachten, aber typischen Heizkreislauf zu erwarten sind. Fig. 1 also shows the position of the pressure levels p1 to p6 that can be expected in this simplified but typical heating circuit.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Wärmepumpeninstallation mit einem zweiten Wärmeerzeuger, in diesem Beispiel einem elektrischen Zusatzheizer 12. Dieser ist zwischen dem Sicherheitsventil 4 der Wärmepumpe und dem Sicherheitsventil 6 des Gebäudeheizkreises an der tiefsten Stelle zwischen den beiden Sicherheitsventilen angeordnet. Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary heat pump installation with a second heat generator, in this example an additional electric heater 12. This is arranged between the safety valve 4 of the heat pump and the safety valve 6 of the building heating circuit at the lowest point between the two safety valves.

Tabelle 1 zeigt die Druckverläufe im Wasser des Heizkreislaufs für das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel im Normalfall in Spalte 1 und im fortgeschrittenen Leckagefall in Spalte 2. Tabelle 1 Druck barü normal barü leck p1 1,3 2,5 p2 1,3 2,5 p3 1,9 2,5 p4 2,4 2,5 p5 1,9 2,5 p6 1,4 2,5 Table 1 shows the pressure curves in the water of the heating circuit for the in Fig. 1 The exemplary embodiment shown is normally in column 1 and in an advanced leakage case in column 2. Table 1 Pressure bar – normal bar – leak p1 1.3 2.5 p2 1.3 2.5 p3 1.9 2.5 p4 2.4 2.5 p5 1.9 2.5 p6 1.4 2.5

Die Leckage setzt in diesem Fall den gesamten Heizkreislauf unter Druck, wobei dieser Druck von den Verhältnissen im Innenwärmetauscher und der Temperatur des brennbaren Kältemittels abhängt, er könnte auch höher werden. Das gasförmige Kältemittel bewirkt dabei, dass Heizkreiswasser in das Ausgleichsgefäß 7 gedrückt wird, bis ein erstes Sicherheitsventil öffnet. Eine Förderung durch die Heizkreispumpe 5 findet nicht mehr statt, sobald das gasförmige Kältemittel die Heizkreispumpe 5 erreicht hat. Bevor es dann in die Heizwärmeverbraucher 8 des Heizkreises gelangen kann, muss das Sicherheitsventil 4 öffnen, das Sicherheitsventil 6 darf jedoch erst öffnen, wenn der geodätische Druckausgleich erfolgt ist. Dies wird erreicht, indem das Sicherheitsventil 4 bei einem geringeren Druck öffnen muss als das Sicherheitsventil 6.In this case, the leak puts the entire heating circuit under pressure, although this pressure depends on the conditions in the internal heat exchanger and the temperature of the flammable refrigerant; it could also be higher. The gaseous refrigerant causes heating circuit water to be pressed into the expansion vessel 7 until a first safety valve opens. Delivery by the heating circuit pump 5 no longer takes place as soon as the gaseous refrigerant has reached the heating circuit pump 5. Before it can then reach the heat consumers 8 of the heating circuit, the safety valve 4 must open, but the safety valve 6 may only open once the geodetic pressure equalization has taken place. This is achieved by the safety valve 4 having to open at a lower pressure than the safety valve 6.

Hierbei ist der Unterschied der geodätischen Höhe der beiden Sicherheitsventile in Rechnung zu stellen. Im Normalbetrieb steht außer dem dynamischen Druckunterschied aufgrund der Strömungsdruckverluste und dem Ausgleich durch die Heizkreispumpe auch der jeweilige statische Druck der Wassersäule als Druck am Sicherheitsventil an. Im vorliegenden Fall ist das der Druckunterschied zwischen den Drücken p5 und p6 bzw. p1 und p5, hier als 0,5 bis 0,6 bar, was ungefähr zwei Stockwerken entspricht. Würde man beide Sicherheitsventile auf denselben Druck einstellen, würde stets das tiefer gelegene Ventil zuerst ansprechen und öffnen.The difference in the geodetic height of the two safety valves must be taken into account. In normal operation, in addition to the dynamic pressure difference due to the flow pressure losses and the compensation by the heating circuit pump, the respective static pressure of the water column is also present as pressure at the safety valve. In the present case this is the pressure difference between the pressures p5 and p6 or p1 and p5, here as 0.5 to 0.6 bar, which corresponds approximately to two floors. If both safety valves were set to the same pressure, the lower valve would always respond and open first.

Da dies hier nicht erwünscht sein kann, muss die Druckdifferenz aufgrund der geodätischen Höhe bei der Wahl der Sicherheitsventile und ihres Öffnungsdrucks berücksichtigt werden. Daher müssen sich die beiden Sicherheitsventile auch im Normalbetrieb unterscheiden. Im vorliegenden Beispielfall ist das Sicherheitsventil 4 auf einen Öffnungsdruck zwischen 2 und 2,4 barü und das Sicherheitsventil 6 auf einen Öffnungsdruck von 3 barü einzustellen, also um mindestens ein Δp von 0,6 bar höher als das Sicherheitsventil in der Wärmepumpe. Diese Bedingung soll durch die Installation aufgehoben werden. Damit können Höhenunterschiede bis zu 15 Metern verwirklicht werden, wobei an der Heizungspumpe ein Mindestdruck zur Vermeidung von Kavitation eingehalten werden muss. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe wird möglichst hoch, aber unter Berücksichtigung von Toleranzen geringer gewählt als der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils im Gebäudeheizkreis. Das ermöglicht es, baugleiche Geräte auch in anderen Installationen zu verwenden, in denen die Wärmepumpe den niedrigsten Punkt im Heizsystem bildet.Since this may not be desirable here, the pressure difference due to the geodetic height must be taken into account when selecting the safety valves and their opening pressure. Therefore, the two safety valves must also differ in normal operation. In the present example, the safety valve 4 is to be set to an opening pressure between 2 and 2.4 bar g and the safety valve 6 to an opening pressure of 3 bar g , i.e. at least a Δp of 0.6 bar higher than the safety valve in the heat pump. This condition should be removed by the installation. This allows height differences of up to 15 meters to be achieved, although a minimum pressure must be maintained on the heating pump to avoid cavitation. The opening pressure of the safety valve in the heat pump is chosen to be as high as possible, but lower than the opening pressure of the safety valve in the building heating circuit, taking tolerances into account. This makes it possible to use identical devices in other installations in which the heat pump forms the lowest point in the heating system.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
InnenwärmeübertragerIndoor heat exchanger
22
Kältemittel/Luft-AbscheiderRefrigerant/air separator
33
Entlüftungsventil des Kältemittel/Luft-AbscheidersRefrigerant/air separator vent valve
44
Sicherheitsventil in der WärmepumpeSafety valve in the heat pump
55
HeizkreispumpeHeating circuit pump
66
Sicherheitsventil im HeizkreisSafety valve in the heating circuit
77
Ausdehnungsgefäßexpansion tank
88th
HeizwärmeverbraucherHeating heat consumer
99
WärmepumpengehäuseHeat pump housing
1010
HeizkreiswasserHeating circuit water
1111
KältemittelRefrigerant
1212
Elektrischer ZusatzheizerElectric additional heater
p1p1
Druck am Kältemittel/Luft-AbscheiderPressure at the refrigerant/air separator
p2p2
Druck am Sicherheitsventil in der WärmepumpePressure at the safety valve in the heat pump
p3p3
Druck nach HeizkreispumpePressure after heating circuit pump
p4p4
Druck am Sicherheitsventil im HeizkreisPressure at the safety valve in the heating circuit
p5p5
Druck am AusdehnungsgefäßPressure at the expansion vessel
p6p6
Druck am Eintritt des InnenwärmeübertragersPressure at the inlet of the indoor heat exchanger
ΔpΔp
Differenzdruck der Sicherheitsventile 4 und 6Differential pressure of safety valves 4 and 6

Claims (1)

Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält - eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel (11) betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse (9) und das Gehäuse in einem Gebäude befinden, - im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager (1), der mit dem brennbaren Kältemittel (11) auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser (10) auf der anderen Seite verbunden ist, - im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider (2), der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager (1) angeordnet ist, - im Gehäuse (9) der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil (4), welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider (2) angeordnet ist, - eine Heizkreispumpe (5), welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil (4) angeordnet ist, - mindestens einen Heizwärmeverbraucher (8) mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf, - zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe (5) ein weiteres Sicherheitsventil (6), - zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager (1) einen Wasserausgleichsbehälter (7), dadurch gekennzeichnet, dass
das Sicherheitsventil (4) im Wärmepumpengehäuse (9) einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil (6) zwischen Heizkreispumpe (5) und dem Heizwärmeverbraucher (8) aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen (4, 6) eingestellt ist.Installation of a heat pump in a building, which includes the installation - a heat pump that is operated with a flammable refrigerant (11), the heat pump being in a housing (9) and the housing being in a building, - in the housing (9) of the heat pump, an internal heat exchanger (1), which is connected to the flammable refrigerant (11) on one side and to the heating circuit water (10) on the other side, - in the housing (9) of the heat pump, a refrigerant/air separator (2), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the indoor heat exchanger (1), - in the housing (9) of the heat pump, a safety valve (4), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the refrigerant/air separator (2), - a heating circuit pump (5), which is arranged on the downstream side in the heating circuit behind the safety valve (4), - at least one heating heat consumer (8) with a hot water inlet and a hot water return, - another safety valve (6) between the hot water inlet and the heating circuit pump (5), - a water compensation tank (7) between the hot water return and the indoor heat exchanger (1), characterized in that
the safety valve (4) in the heat pump housing (9) has a lower opening pressure than in the safety valve (6) between the heating circuit pump (5) and the Heating heat consumer (8) and the difference in opening pressure is set to be greater than the pressure difference due to the geodetic height of the water column between the two safety valves (4, 6).
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