EP4467894A1 - Wärmepumpensystem mit einem integralen lüftungsgerät - Google Patents

Wärmepumpensystem mit einem integralen lüftungsgerät Download PDF

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EP4467894A1
EP4467894A1 EP24165202.3A EP24165202A EP4467894A1 EP 4467894 A1 EP4467894 A1 EP 4467894A1 EP 24165202 A EP24165202 A EP 24165202A EP 4467894 A1 EP4467894 A1 EP 4467894A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
air
heat exchanger
heat
heat pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24165202.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schaumlöffel
Nikolas SCHRÖDER
Christian Oxe
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.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Publication of EP4467894A1 publication Critical patent/EP4467894A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • 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
    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/02—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in parallel
    • 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
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    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/003—Indoor unit with water as a heat sink or heat source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/004—Outdoor unit with water as a heat sink or heat source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the present invention relates to the field of heat pumps with an integral ventilation device and in particular to air/water heat pumps with an integral ventilation device.
  • An electric air preheater is usually used to heat the air. In the example above, this can be provided on the air/air heat exchanger and heats the air on the air/air heat exchanger. However, an electric air preheater requires additional electrical energy. In addition to or as an alternative to an electric air preheater, a coolant from a heat pump cooling circuit can also be used to heat the air that flows through the air/air heat exchanger.
  • Heating with a refrigerant is only possible if a refrigerant that is not dangerous to humans is used in the heat pump's cooling circuit. If a refrigerant that is dangerous to humans (for example a flammable refrigerant such as R290, which If gas (i.e. propane) is used in the heat pump's cooling circuit, this cannot be used to heat the air at the air/air heat exchanger, as there is a risk that if the air/air heat exchanger is defective, dangerous refrigerant will enter the building with the air through the ventilation system. This is why heating the air with refrigerant is not an option, particularly for heat pumps with dangerous refrigerants, so in such cases an electric air preheater must be used, which means additional energy consumption must be accepted.
  • a refrigerant that is dangerous to humans for example a flammable refrigerant such as R290, which If gas (i.e. propane) is used in the heat pump's cooling circuit, this cannot be used to heat the air at the air/air heat
  • a heat pump system with a ventilation device and a primary circuit for conducting coolant comprises a supply air line, an exhaust air line and an air/air heat exchanger for transferring heat between an outside air flow guided in the supply air line and an exhaust air flow guided in the exhaust air line
  • the primary circuit comprises a main circuit for conducting a first coolant and a secondary circuit for conducting a second coolant
  • the main circuit comprises a compressor, a coolant/water heat exchanger, an expansion device and a first coolant/air heat exchanger
  • the secondary circuit comprises a coolant/refrigerant heat exchanger and a second coolant/air heat exchanger, wherein the second coolant/air heat exchanger is designed to transfer heat between the second coolant and the outside air flow.
  • the first refrigerant is different from the second refrigerant and/or a mass of the second refrigerant does not exceed a predetermined limit.
  • the limit value of the mass of the second refrigerant is advantageously 150 g or another predetermined limit value of the second refrigerant.
  • the limit value for the mass of the second refrigerant can advantageously be dependent on the type of the second refrigerant.
  • the heat pump system enables the air flowing through the ventilation unit into a building to be preheated by a coolant from the heat pump. without having to use an electric air preheater, which would require additional energy.
  • a flammable refrigerant such as propane can be used for the main circuit of the primary circuit of the heat pump, which is often desired due to its good environmental compatibility, for example, but which nevertheless reduces, and in particular prevents, the risk of flammable refrigerant entering a building through the ventilation system. This means that even if a defect were to occur in the refrigerant/air heat exchanger, only the refrigerant in the secondary circuit could enter the building. This improves the energy balance of the heat pump system and/or increases the safety of using the heat pump system.
  • the heat pump system comprises an integral ventilation device.
  • An integral ventilation device is a ventilation device that is provided, for example, as an internal part of the heat pump system.
  • the heat pump system preferably comprises a housing in which a part of the heat pump system and the ventilation device are provided, i.e. the ventilation device is built into the heat pump system.
  • the ventilation device is preferably part of a ventilation system that is intended for a building or in a building, for example.
  • the ventilation system comprises an air duct system for guiding air in a building. Air from outside, i.e. outside the building, enters the air duct system through the ventilation device and can then be guided, in particular distributed, through the air duct system in the building.
  • the ventilation system is intended for exchanging the air in the building.
  • the ventilation device comprises a supply air line, an exhaust air line and an air/air heat exchanger.
  • the supply air line is designed to guide air from outside, i.e. outside air, into a building or into an air duct system of a building.
  • the exhaust air line is designed to guide air from the building to the outside.
  • the air/air heat exchanger is designed to transfer heat between an outside air flow guided in the supply air line and an exhaust air flow guided in the exhaust air line.
  • the air/air heat exchanger is designed to transfer energy or heat from exhaust air to outside air.
  • Outside air that passes through the air/air heat exchanger, i.e. to which heat has been transferred, is also referred to as "supply air”.
  • Exhaust air that passes through the air/air heat exchanger i.e.
  • the heat pump system according to the invention further comprises a primary circuit for conducting coolant.
  • the primary circuit is preferably part of a heat pump that is intended as a heating source for a building.
  • the primary circuit is to be understood as meaning in particular the part of the heat pump that is intended or required for absorbing environmental energy.
  • the primary circuit is designed to conduct coolant.
  • the primary circuit comprises in particular a compressor for compressing the coolant conducted in the primary circuit, a condenser for liquefying the coolant, an expansion device for reducing a pressure in the primary circuit and an evaporator for evaporating the coolant.
  • the primary circuit comprises a main circuit for conducting a first refrigerant and a secondary circuit for conducting a second refrigerant.
  • the main circuit comprises the compressor, the condenser, the expansion device and the condenser, wherein the condenser is preferably designed as a refrigerant/water heat exchanger and the evaporator is preferably designed as a refrigerant/air heat exchanger.
  • the refrigerant that is conducted in the main circuit is referred to as the first refrigerant
  • the refrigerant that is conducted in the secondary circuit is referred to as the second refrigerant.
  • the secondary circuit comprises at least one refrigerant/refrigerant heat exchanger and one refrigerant/air heat exchanger.
  • the refrigerant/air heat exchanger of the secondary circuit is referred to as the second refrigerant/air heat exchanger (as opposed to the refrigerant/air heat exchanger of the main circuit, which is referred to as the first refrigerant/air heat exchanger).
  • the refrigerant/refrigerant heat exchanger is arranged between the main circuit and the secondary circuit, so that the main circuit also comprises the refrigerant/refrigerant heat exchanger.
  • the first refrigerant differs from the second refrigerant.
  • a mass of the second refrigerant does not exceed a predetermined value, for example 150 g.
  • the second refrigerant is preferably a non-flammable refrigerant, such as butane.
  • the second refrigerant can also be a flammable refrigerant, such as propane, as long as the mass does not exceed the predetermined value, for example 150 g.
  • the secondary circuit is designed as a heat pipe.
  • a heat pipe comprises an evaporator and a condenser or condenser.
  • the heat pipe also comprises at least one, two or more pipes in which coolant is guided, the coolant circulating in the heat pipe.
  • the heat pipe is preferably designed such that evaporation and condensation of the coolant in the heat pipe take place without compression and relaxation.
  • the heat pipe is designed such that a liquid coolant runs into the evaporator, in which the liquid coolant then evaporates and thereby moves in the direction of the condenser.
  • the heat pipe is preferably designed such that the coolant condenses on the condenser and then passively returns to the evaporator.
  • Passive here means that no additional energy is required to transport the coolant from the condenser to the evaporator. An example of this is transport by gravity and/or by using capillary forces. The latter is called a heat pipe.
  • the heat pipe is preferably aligned so that the evaporator is below the condenser, i.e. from the condenser in the direction of the condenser's gravity.
  • the liquid coolant flows into the evaporator, in which the coolant then evaporates and then rises upwards towards the condenser, i.e. in a direction against the coolant's gravity.
  • the coolant condenses and then flows passively back to the evaporator.
  • the coolant particularly preferably flows back to the evaporator by gravity.
  • the heat pipe is also preferably designed as a heat pipe.
  • the second refrigerant/air heat exchanger is designed as a condenser of the heat pipe and the refrigerant/refrigerant heat exchanger is designed as an evaporator of the heat pipe.
  • the heat pump system is designed as a ventilation heat pump system for ventilating a room.
  • the ventilation device is designed for ventilating a room.
  • the ventilation device is preferably part of a ventilation system that is provided in a building, for example.
  • the ventilation system comprises an air duct system for guiding air into a building or at least one room of the building. Through the ventilation device, air from outside, i.e. outside the building or the at least one room, passes through the air duct system into the building or the at least one room.
  • the ventilation system is provided for exchanging the air in the building or in the at least one room of the building.
  • the refrigerant/refrigerant heat exchanger is preferably designed to transfer heat from the first refrigerant to the second refrigerant. Additionally or alternatively, the refrigerant/refrigerant heat exchanger is designed as a subcooler of the main circuit. This means that the first refrigerant in the main circuit is cooled by the refrigerant/refrigerant heat exchanger, thus giving off heat or energy.
  • a pressure in the main circuit is preferably greater than a pressure in the secondary circuit.
  • a pressure in the main circuit is particularly preferably greater than 7 bar and/or a pressure in the secondary circuit is less than 6 bar.
  • the pressure depends on a boiling point of the respective refrigerant.
  • the refrigerant in the The main circuit is propane and the refrigerant in the secondary circuit is butane. Propane has a lower boiling point than butane, so that the pressure level in the main circuit is significantly higher than the pressure level in the secondary circuit. If the secondary circuit is designed as a heat pipe, the pressure in the secondary circuit is the same everywhere (except for a pressure difference caused by a geodetic height of the liquid refrigerant).
  • the secondary circuit comprises a shut-off valve in the flow direction of the second refrigerant upstream of the second refrigerant/air heat exchanger.
  • the shut-off valve can thus be closed and (further) leakage of the second refrigerant can be avoided or at least reduced.
  • the heat pump system preferably comprises a pressure monitoring unit which is designed to monitor a pressure in the primary circuit.
  • the pressure monitoring unit is particularly preferably designed to monitor a pressure in the secondary circuit. Based on a measured pressure value in the secondary circuit, for example if the measured pressure exceeds or falls below a predefined threshold value, a safety shutdown can take place, for example a safety shutdown of the secondary circuit. A safety shutdown of the secondary circuit can take place, for example, by closing the above shut-off valve.
  • the pressure monitoring unit can be designed to monitor a pressure in the main circuit.
  • a safety shutdown can take place, for example a safety shutdown of the main circuit and/or the secondary circuit. This makes it possible to determine whether a first refrigerant from the main circuit penetrates into the secondary circuit.
  • a coolant collector can be provided in the main circuit.
  • a throttle element can be provided in the main circuit and/or the secondary circuit, which serves, for example, to switch the respective circuit on and off and/or to regulate the flow rate.
  • a throttle element can be arranged on a liquid side or gas side in the respective circuit.
  • Fig. 1 shows a schematic representation to illustrate a first embodiment of a heat pump system with an integral ventilation device.
  • the heat pump system 100 has an integral ventilation device. Of the ventilation device, only the coolant/air heat exchanger 160 is shown in the embodiment shown.
  • the heat pump system 100 also has a primary circuit 101 for guiding coolant.
  • the primary circuit 101 comprises a main circuit 170 for conducting a first refrigerant and a secondary circuit 180 for conducting a second refrigerant.
  • the main circuit 170 comprises a compressor 110, a refrigerant/water heat exchanger 120, an expansion device 130 and a first refrigerant/air heat exchanger 140.
  • the main circuit 170 can comprise further elements.
  • the main circuit 170 comprises an (additional) throttle element 191 and a valve 192, which corresponds, for example, to a drain valve.
  • the main circuit 170 in the embodiment shown has a refrigerant collector 193.
  • the secondary circuit 180 comprises a refrigerant/refrigerant heat exchanger 150 and a second refrigerant/air heat exchanger 160.
  • the refrigerant/refrigerant heat exchanger 160 can be understood as part of the secondary circuit 180 and as part of the main circuit 170.
  • the second refrigerant/air heat exchanger 160 can be understood as part of the heat pump, i.e. the primary circuit 101 or the secondary circuit 180, and as part of the ventilation device.
  • the second refrigerant/air heat exchanger 160 is designed to transfer heat between the second refrigerant and air.
  • the first refrigerant that flows through the main circuit 170 is preferably different from the second refrigerant that flows through the secondary circuit 180.
  • a mass of the second refrigerant preferably does not exceed a predetermined value.
  • the predetermined value is advantageously 150 g, but can also be a different value depending on the application and/or region. It is particularly advantageous if the predetermined value of the refrigerant mass depends on the choice of refrigerant.
  • the secondary circuit 180 is preferably designed as a heat pipe, in particular as a heat pipe.
  • the second coolant/air heat exchanger 160 is designed as a condenser of the heat pipe and the coolant/refrigerant heat exchanger is designed as an evaporator of the heat pipe.
  • the coolant/refrigerant heat exchanger 150 is designed to transfer heat from the first coolant to the second coolant.
  • the coolant/refrigerant heat exchanger 150 is designed as a subcooler of the main circuit 170.
  • the heat pump system 100 shown is designed such that a mass of the second refrigerant is less than a mass of the first refrigerant.
  • the heat pump system 100 is designed such that a mass of the second refrigerant does not exceed the predetermined value, in particular when the second refrigerant is a flammable refrigerant.
  • the primary circuit 101 of the heat pump system 100 comprises a high-pressure side HS and a low-pressure side NS.
  • the secondary circuit 180 is arranged on a high-pressure side HS of the primary circuit 101 of the heat pump system 100.
  • a pressure in the main circuit 170 is preferably greater than 7 bar and/or a pressure in the secondary circuit 180 is preferably less than 6 bar.
  • the secondary circuit 180 further comprises a shut-off valve 194 in the flow direction of the second refrigerant upstream of the second refrigerant/air heat exchanger 160.
  • the heat pump system 100 shown further comprises a pressure monitoring unit 195, which is designed to monitor a pressure in the primary circuit 101, in particular in the secondary circuit 170. Furthermore, for example, a refrigeration circuit reversing device 196 and, for example, a filter dryer 197 are provided in the heat pump system 100.
  • Fig. 2 shows a further schematic representation to illustrate an embodiment of the heat pump system according to the invention.
  • the heat pump system 200 comprises a primary circuit 201 for conducting coolant, wherein the primary circuit 201 comprises a main circuit 270 for conducting a first coolant and a secondary circuit 280 for conducting a second coolant.
  • the main circuit 270 comprises a compressor 210, a coolant/water heat exchanger 220, an expansion device 230 and a first coolant/air heat exchanger 240.
  • the secondary circuit 280 comprises a coolant/coolant heat exchanger 250 and a second coolant/air heat exchanger 260, wherein the second coolant/air heat exchanger 260 is designed to transfer heat between the second coolant and air.
  • the secondary circuit 280 is designed as a heat pipe, in particular a heat pipe.
  • the secondary circuit 280 comprises a valve 290 which is designed as a heat pipe valve.
  • a secondary circuit 301 of the heat pump is shown, wherein the secondary circuit 301 comprises a hot water tank 310, a heating circuit 320, an electrical reheater 330 and a valve 340.
  • the secondary circuit 301 is designed to conduct water and is connected to the primary circuit 201 via the coolant/water heat exchanger 220.
  • a solar circuit 401 can be seen, which comprises solar collectors 410 and a valve 420.
  • the secondary circuit 301 is connected to the solar circuit 401 via a solar heat exchanger 350.
  • Fig. 2 a more advanced system compared to the system in Fig. 1 .
  • Fig. 2 another heat source is provided in addition to the heat pump, ie the solar collectors 410 in the solar circuit 401.
  • a ventilation device 501 is shown.
  • the ventilation device 501 is part of a ventilation system, such as can be provided for a building.
  • the ventilation device 501 also comprises an air/air heat exchanger 510, which in the embodiment shown is designed as a cross-counterflow heat exchanger.
  • the Ventilation device 501 comprises a supply air line 520 and an exhaust air line 530.
  • the supply air line 520 is designed to guide air from the outside, i.e. outside air, into a building or into an air duct system of a building.
  • the exhaust air line 530 is designed to guide air from the building to the outside. In particular, the exhaust air line 530 is designed to guide air in the direction of the air/air heat exchanger 510.
  • the air/air heat exchanger 510 is designed to transfer heat between an outside air flow guided in the supply air line and an exhaust air flow guided in the exhaust air line.
  • the air/air heat exchanger 510 is designed to transfer energy or heat from exhaust air to outside air.
  • Outside air in Fig. 2 diagonally to the bottom left of the air/air heat exchanger 510) that has passed through the air/air heat exchanger 510 is also referred to as "supply air" (in Fig. 2 diagonally to the top right of the air/air heat exchanger 510).
  • supply air in Fig. 2 diagonally to the top right of the air/air heat exchanger 510.
  • Exhaust air in Fig. 2 diagonally to the top left of the air/air heat exchanger 510) that passes through the air/air heat exchanger 510 is also called “front air” (in Fig. 2 diagonally to the bottom right of the air/air heat exchanger 510).
  • the front air flow is guided in the embodiment shown, by way of example and preferably, in the direction of the refrigerant/air heat exchanger 240, with additional outside air being guided through an outside air duct 540 in the direction of the refrigerant/air heat exchanger 240 (in Fig.2 from the right).
  • the ventilation device 501 or the supply air line 520 of the ventilation device 501 is connected via the second refrigerant/air heat exchanger 260 to the primary circuit 201 of the heat pump or a secondary circuit 280 of the primary circuit 201 of the heat pump.
  • the second refrigerant can be used to preheat air that is guided through the supply air line 520.
  • the second refrigerant is different from the first refrigerant and/or a mass of the second refrigerant does not exceed the predetermined value.
  • the heat pump system 200 can enable the air that flows into a building through the ventilation device 501 to be preheated by the second refrigerant of the heat pump without having to use an electric air preheater, which would require additional energy, and without representing a source of danger for the building or residents of the building.
  • the current state of the art is to keep the air/air heat exchanger in the ventilation unit free of ice using a refrigerant/air heat exchanger (e.g. plate heat exchanger or finned heat exchanger) with refrigerant from the primary circuit of the heat pump or to heat the air that flows through the air/air heat exchanger.
  • a refrigerant/air heat exchanger e.g. plate heat exchanger or finned heat exchanger
  • a disadvantage of the state of the art when using flammable refrigerants is that if the refrigerant/air heat exchanger is defective, a dangerous amount of refrigerant (for example >150 g) is distributed throughout the house via the ventilation system and the lower explosion limit can be exceeded in individual rooms.
  • the task of the current invention is to continue to heat the air via the primary circuit of the heat pump and to reduce the amount of flammable refrigerant entering the ventilation system of the house to a non-critical amount.
  • a second refrigeration circuit which preferably works according to the heat pipe principle, is used to preheat the air.
  • the amount of refrigerant in this second refrigeration circuit is preferably less than 150 g.
  • the heat pump system preferably comprises a primary circuit, i.e. a refrigeration circuit, which comprises a compressor, a refrigerant/water heat exchanger, an expansion device, a refrigerant/air heat exchanger and a refrigeration circuit reversing device.
  • the heat pump system also preferably comprises a heat pipe circuit, which comprises a refrigerant/refrigerant heat exchanger and a refrigerant/air heat exchanger.
  • An essential core of the invention is that by designing the air preheater as a separate circuit, in particular a heat pipe circuit, the excess energy of the heat pump's cooling circuit can be used to preheat the air in the ventilation system and the critical amount of refrigerant that is carried into the house in the event of a leak is limited to, for example, ⁇ 150 g.
  • the new technology can be used in all new ventilation heat pump developments that use flammable refrigerants to operate the refrigeration circuit and where there is a need or desire to preheat the air.
  • the heat pipe circuit is filled with a coolant (e.g. R290) that has a different pressure level than the coolant in the coolant circuit (e.g. R600).
  • the heat exchanger is preferably located on the high-pressure side in the primary circuit. As a result, the pressure in the regular operating state is above 7 bar. The pressure in the heat pipe circuit is preferably below 6 bar in the regular operating state. In a further preferred embodiment, an internal leak in the heat exchanger can be detected by monitoring the pressure of the heat pipe circuit.
  • the heat pipe circuit can preferably be interrupted by closing the Ex valve.
  • the invention relates to a heat pump system with an integral ventilation device and a primary circuit for guiding coolant
  • the ventilation device comprises a supply air line, an exhaust air line and an air/air heat exchanger for transferring heat between an outside air flow guided in the supply air line and an exhaust air flow guided in the exhaust air line
  • the primary circuit comprises a main circuit for guiding a first coolant and a secondary circuit for guiding a second coolant
  • the main circuit comprises a compressor, a coolant/water heat exchanger, an expansion device and a first coolant/air heat exchanger
  • the secondary circuit comprises a coolant/refrigerant heat exchanger and a second coolant/air heat exchanger
  • the second coolant/air heat exchanger is designed to transfer heat between the second coolant and the outside air flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem 100, 200 mit einem Lüftungsgerät und einem Primärkreislauf zur Führung von Kältemittel, wobei das Lüftungsgerät einen Zuluftstrang, einen Abluftstrang und einen Luft-/Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen einem in dem Zuluftstrang geführten Außenluftstrom und einem in dem Abluftstrang geführten Abluftstrom umfasst, wobei der Primärkreislauf einen Hauptkreislauf zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf zur Führung eines zweiten Kältemittels umfasst, wobei der Hauptkreislauf einen Verdichter einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager eine Expansionseinrichtung und einen ersten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst, wobei der nebengeordnete Kreislauf einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager und einen zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst wobei der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager ausgestaltet ist, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel und dem Außenluftstrom zu übertragen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Wärmepumpen mit einem integralen Lüftungsgerät und insbesondere Luft-/Wasser-Wärmepumpen mit einem integralen Lüftungsgerät.
  • Wenn sowohl eine Wärmepumpe als auch eine Lüftungsanlage vorgesehen sind, ist es allgemein bekannt, die Wärmepumpe und die Lüftungsanlage zu kombinieren. Dafür kann zum Beispiel ein Lüftungsgerät als Teil der Lüftungsanlage in die Wärmepumpe integriert werden. Die Wärmepumpe und die Lüftungsanlage sind beispielsweise für ein Gebäude vorgesehen, wobei die Wärmepumpe insbesondere als eine Heizquelle des Gebäudes und die Lüftungsanlage zum Austauschen der Luft in dem Gebäude dienen.
  • Insbesondere, wenn die Temperaturen außerhalb des Gebäudes geringer sind als innerhalb des Gebäudes, kann eine Erwärmung der Luft, die von außen durch die Lüftungsanlage in das Gebäude gelangt, gewünscht sein. Eine Erwärmung der Luft kann beispielsweise an einem Luft-/Luft-Wärmeübertrager des Lüftungsgerätes vorgenommen werden, wobei der Luft-/Luft-Wärmeübertrager üblicherweise ein Lamellen-Wärmeübertrager ist.
  • Zur Erwärmung der Luft wird üblicherweise ein elektrischer Luftvorerwärmer verwendet, der im obigen Beispiel am Luft-/Luft-Wärmeübertrager vorgesehen sein kann und die Luft am Luft-/Luft-Wärmeübertrager erwärmt. Ein elektrischer Luftvorerwärmer benötigt allerdings zusätzliche elektrische Energie. Zusätzlich oder alternativ zu einem elektrischen Luftvorerwärmer kann auch ein Kältemittel eines Kältekreises der Wärmepumpe verwendet werden, die Luft, die durch den Luft-/Luft-Wärmeübertrager strömt, aufzuwärmen.
  • Eine Erwärmung mit einem Kältemittel ist jedoch nur denkbar, wenn ein für den Menschen ungefährliches Kältemittel im Kältekreis der Wärmepumpe verwendet wird. Wird ein für den Menschen gefährliches Kältemittel (zum Beispiel ein brennbares Kältemittel wie R290, das heißt, Propan) im Kältekreis der Wärmepumpe verwendet, kann dieses nicht zur Erwärmung der Luft am Luft-/Luft-Wärmeübertrager verwendet werden, da die Gefahr besteht, dass bei einem Defekt des Luft-/Luft-Wärmeübertragers gefährliches Kältemittel mit der Luft durch die Lüftungsanlage in das Gebäude gelangt. Deswegen ist insbesondere bei Wärmepumpen mit gefährlichem Kältemittel ein Erwärmen der Luft durch Kältemittel keine Option, so dass in solchen Fällen ein elektrischer Luftvorerwärmer verwendet werden muss und damit ein zusätzlicher Energieverbrauch in Kauf genommen werden muss.
  • Es besteht daher ein Bedarf, eine Lösung zur Luftvorerwärmung vorzustellen, die keine zusätzliche Energie benötigt und keine Gefahr durch ein Kältemittel bei einem Defekt des Luft-/Luft-Wärmeübertragers darstellt.
  • Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt ein Wärmepumpensystem mit einem Lüftungsgerät und einem Primärkreislauf zur Führung von Kältemittel vorgeschlagen, wie es in Anspruch 1 definiert ist, wobei das Lüftungsgerät einen Zuluftstrang, einen Abluftstrang und einen Luft-/Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen einem in dem Zuluftstrang geführten Außenluftstrom und einem in dem Abluftstrang geführten Abluftstrom umfasst, wobei der Primärkreis einen Hauptkreislauf zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf zur Führung eines zweiten Kältemittels umfasst, wobei der Hauptkreislauf einen Verdichter, einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager, eine Expansionseinrichtung und einen ersten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst, wobei der nebengeordnete Kreislauf einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager und einen zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst, wobei der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager ausgestaltet ist, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel und dem Außenluftstrom zu übertragen.
  • In bevorzugten Ausführungen ist das erste Kältemittel verschieden von dem zweiten Kältemittel ist und/oder eine Masse des zweiten Kältemittels überschreitet einen vorbestimmten Grenzwert nicht.
  • Vorteilhaft ist der Grenzwert der Masse des zweiten Kältemittels 150 g oder ein anderer vorgegebener Grenzwert des zweiten Kältemittels. Der Grenzwert für die Masse des zweiten Kältemittels kann vorteilhaft abhängig vom Typ des zweiten Kältemittels sein.
  • Durch das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem kann eine Vorerwärmung der Luft, die durch das Lüftungsgerät in ein Gebäude strömt, durch ein Kältemittel der Wärmepumpe ermöglicht werden, ohne einen elektrischen Luftvorerwärmer, der zusätzliche Energie benötigen würde, verwenden zu müssen. Insbesondere kann für den Hauptkreislauf des Primärkreises der Wärmepumpe ein brennbares Kältemittel, wie Propan, verwendet werden, welches zum Beispiel durch seine gute Umweltverträglichkeit häufig gewünscht ist, aber dennoch eine Gefahr, dass brennbares Kältemittel durch die Lüftungsanlage in ein Gebäude gelangt, verringert, insbesondere verhindert, werden. Das heißt, selbst wenn ein Defekt des Kältemittel-/Luft-Wärmeübertragers auftreten würde, könnte lediglich das sich im nebengeordneten Kreislauf befindliche Kältemittel in das Gebäude gelangen. Dadurch wird eine Energiebilanz des Wärmepumpensystems verbessert und/oder eine Sicherheit der Nutzung des Wärmepumpensystems erhöht.
  • Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem umfasst ein integrales Lüftungsgerät. Ein integrales Lüftungsgerät ist ein Lüftungsgerät, das beispielsweise als Innenteil des Wärmepumpensystems vorgesehen ist. Insbesondere umfasst das Wärmepumpensystem bevorzugt ein Gehäuse, in dem ein Teil des Wärmepumpensystems und das Lüftungsgerät vorgesehen sind, das Lüftungsgerät ist also in das Wärmepumpensystem eingebaut.
  • Das Lüftungsgerät ist bevorzugt Teil einer Lüftungsanlage, die beispielsweise für ein Gebäude bzw. in einem Gebäude vorgesehen ist. Insbesondere umfasst die Lüftungsanlage ein Luftführungssystem zum Führen von Luft in einem Gebäude. Durch das Lüftungsgerät gelangt Luft von außen, d.h. außerhalb des Gebäudes, in das Luftführungssystem und kann dann durch das Luftführungssystem in dem Gebäude geführt, insbesondere verteilt, werden. Die Lüftungsanlage ist zum Austauschen der Luft in dem Gebäude vorgesehen.
  • Das Lüftungsgerät umfasst einen Zuluftstrang, einen Abluftstrang und einen Luft-/Luft-Wärmeübertrager. Der Zuluftstrang ist ausgestaltet, Luft von außen, d.h. Außenluft, in ein Gebäude bzw. in ein Luftführungssystems eines Gebäudes zu führen. Der Abluftstrang ist ausgestaltet, Luft aus dem Gebäude nach außen zu führen. Der Luft-/Luft-Wärmeübertrager ist ausgestaltet, Wärme zwischen einem in dem Zuluftstrang geführten Außenluftstrom und einem in dem Abluftstrang geführten Abluftstrom zu übertragen. Insbesondere ist der Luft-/Luft-Wärmeübertrager ausgestaltet, Energie bzw. Wärme von einer Abluft auf eine Außenluft zu übertragen. Außenluft, die den Luft-/Luft-Wärmeübertrager passiert, d.h. auf die Wärme übertragen worden ist, wird auch als "Zuluft" bezeichnet. Abluft, die den Luft-/Luft-Wärmeübertrager passiert, d.h. von der Wärme übertragen worden ist, wird auch "Frontluft" bezeichnet. Bevorzugt umfasst der Zuluftstrang einen Strang zur Führung von Außenluft in Strömungsrichtung der Außenluft vor dem Luft-/Luft-Wärmeübertrager und einen Strang zur Führung von Zuluft in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem Luft-/Luft-Wärmeübertrager. Weiter bevorzugt umfasst der Abluftstrang einen Strang zur Führung von Abluft in Strömungsrichtung der Abluft vor dem Luft-/Luft-Wärmeübertrager und einen Strang zur Führung von Fortluft in Strömungsrichtung der Fortluft nach dem Luft-/Luft-Wärmeübertrager.
  • Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem umfasst weiter einen Primärkreislauf zur Führung von Kältemittel. Der Primärkreislauf ist bevorzugt Teil einer Wärmepumpe, die als eine Heizquelle eines Gebäudes vorgesehen ist. Als Primärkreis ist insbesondere der Teil der Wärmepumpe zu verstehen, der zur Aufnahme von Umweltenergie vorgesehen ist bzw. benötigt wird. Der Primärkreislauf ist ausgestaltet, Kältemittel zu führen. Der Primärkreislauf umfasst insbesondere einen Verdichter zum Verdichten des in dem Primärkreis geführten Kältemittels, einen Verflüssiger zum Verflüssigen des Kältemittels, eine Expansionseinrichtung zur Verringerung eines Drucks in dem Primärkreis und einen Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Primärkreislauf einen Hauptkreislauf zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf zur Führung eines zweiten Kältemittels. Dabei umfasst der Hauptkreislauf den Verdichter, den Verflüssiger, die Expansionseinrichtung und den Verflüssiger, wobei der Verflüssiger bevorzugt als Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager ausgestaltet ist und der Verdampfer bevorzugt als Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager ausgestaltet ist. Das Kältemittel, das in dem Hauptkreislauf geführt wird, wird als erstes Kältemittel bezeichnet, das Kältemittel, das in dem nebengeordneten Kreislauf geführt wird, wird als zweites Kältemittel bezeichnet.
  • Der nebengeordnete Kreislauf umfasst zumindest einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager und einen Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager. Der Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager des nebengeordneten Kreislaufs wird als zweiter Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager bezeichnet (als Abgrenzung zu dem Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager des Hauptkreislaufes, der als erster Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager bezeichnet wird). Der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager ist zwischen dem Hauptkreislauf und den nebengeordneten Kreislauf angeordnet, so dass auch der Hauptkreislauf den Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager umfasst.
  • Der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager, d.h. der Kältemitte-/Luft-Wärmeübertrager des nebengeordneten Kreislaufes, ist ausgestaltet, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel, d.h. dem Kältemittel, der in dem nebengeordneten Kreislauf geführt wird, und dem Außenluftstrom, d.h. dem Luftstrom, der in dem Zuluftstrang geführt wird, zu übertragen. Insbesondere ist der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager ausgestaltet, Wärme von dem zweiten Kältemittel auf den Außenluftstrom zu übertragen.
  • Vorzugsweise unterscheidet sich das erste Kältemittel von dem zweiten Kältemittel. Zusätzlich oder alternativ überschreitet eine Masse des zweiten Kältemittels nicht einen vorbestimmten Wert, beispielsweise von 150 g. Insbesondere handelt es sich bevorzugt bei dem zweiten Kältemittel um ein nicht brennbares Kältemittel, wie Butan. Alternativ kann es sich bei dem zweiten Kältemittel auch um ein brennbares Kältemittel, wie Propan, handeln, solange die Masse den vorbestimmten Wert, beispielsweise von 150 g, nicht überschreitet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist der nebengeordnete Kreislauf als Wärmerohr ausgestaltet. Ein Wärmerohr umfasst einen Verdampfer und einen Verflüssiger bzw. Kondensator. Weiter umfasst das Wärmerohr wenigstens ein, zwei oder mehrere Rohre, in dem Kältemittel geführt wird, wobei das Kältemittel in dem Wärmerohr zirkuliert. Das Wärmerohr ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine Verdampfung und eine Kondensation des Kältemittels im Wärmerohr ohne Kompression und Entspannung erfolgt. Insbesondere ist das Wärmerohr derart ausgestaltet, dass ein flüssiges Kältemittel in den Verdampfer läuft, in dem das flüssige Kältemittel dann verdampft und sich dadurch in Richtung des Verflüssigers bewegt. Weiter ist das Wärmerohr bevorzugt derart ausgestaltet, dass das Kältemittel am Verflüssiger kondensiert und dann passiv zum Verdampfer zurückgelangt. "Passiv" bedeutet hier, dass für den Transport des Kältemittels vom Verflüssiger zum Verdampfer keine zusätzliche Energie benötigt wird. Ein Beispiel dafür ist ein Transport per Schwerkraft und/oder per Nutzung von Kapillarkräften. Bei letzterem spricht man von einem Heatpipe.
  • Bevorzugt ist das Wärmerohr so ausgerichtet, dass der Verdampfer unterhalb des Verflüssigers, d.h. vom Verflüssiger aus in Richtung einer Schwerkraft des Verflüssigers, liegt. Das flüssige Kältemittel läuft in den Verdampfer, in dem das Kältemittel dann verdampft und steigt dann nach oben in Richtung Verflüssiger, d.h. in eine Richtung entgegen der Schwerkraft des Kältemittels. Am Verflüssiger, d.h. oben im Wärmerohr, kondensiert das Kältemittel und läuft dann passiv wieder zum Verdampfer zurück. Besonders bevorzugt läuft das Kältemittel per Schwerkraft zum Verdampfer zurück. Weiter bevorzugt ist das Wärmerohr als Heatpipe ausgestaltet.
  • In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager als Verflüssiger des Wärmerohres und der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdampfer des Wärmerohres ausgebildet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Wärmepumpensystem als Lüftungswärmepumpensystem zur Lüftung eines Raumes ausgebildet. Insbesondere ist das Lüftungsgerät zur Lüftung eines Raumes ausgebildet. Das Lüftungsgerät ist bevorzugt Teil einer Lüftungsanlage, die beispielsweise in einem Gebäude vorgesehen ist. Insbesondere umfasst die Lüftungsanlage ein Luftführungssystem zum Führen von Luft in ein Gebäude bzw. wenigstens einen Raum des Gebäudes. Durch das Lüftungsgerät gelangt Luft von außen, d.h. außerhalb des Gebäudes bzw. des wenigstens einen Raumes, durch das Luftführungssystem in das Gebäude bzw. den wenigstens einen Raum. Die Lüftungsanlage ist zum Austauschen der Luft in dem Gebäude bzw. in dem wenigstens einen Raum des Gebäudes vorgesehen.
  • Weiter ist der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager bevorzugt ausgestaltet, eine Wärme von dem ersten Kältemittel auf das zweite Kältemittel zu übertragen. Zusätzlich oder alternativ ist der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager als Unterkühler des Hauptkreislaufes ausgebildet. Das heißt, durch den Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager wird des erste Kältemittel im Hauptkreislauf abgekühlt, gibt also Wärme bzw. Energie ab.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der nebengeordnete Kreislauf auf einer Hochdruckseite des Primärkreislaufes angeordnet. Weiter ist vorteilhafterweise eine Masse des zweiten Kältemittels geringer als eine Masse des ersten Kältemittels. Bevorzugt überschreitet eine Masse des zweiten Kältemittels nicht einen vorbestimmten Wert, beispielsweise von 150 g. Weiter ist bevorzugt das zweite Kältemittel brennbar, wobei besonders bevorzugt das erste Kältemittel nicht brennbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht das zweite Kältemittel einem Kältemittel des Typs R290 und/oder das erste Kältemittel einem Kältemittel des Typs R600. In dieser Ausführungsform überschreitet die Masse des zweiten Kältemittels bevorzugt nicht den vorbestimmten Wert, beispielsweise von 150 g. Alternativ entspricht das erste Kältemittel einem Kältemittel des Typs R290 und/oder das zweite Kältemittel einem Kältemittel des Typs 600.
  • Ein Druck im Hauptkreislauf ist bevorzugt größer als ein Druck im nebengeordneten Kreislauf. Besonders bevorzugt ist ein Druck im Hauptkreislauf größer als 7 bar und/oder ein Druck im nebengeordneten Kreislauf kleiner als 6 bar. Insbesondere ist der Druck abhängig von einem Siedepunkt des jeweiligen Kältemittels. Beispielsweise ist das Kältemittel im Hauptkreislauf Propan und das Kältemittel im nebengeordneten Kreislauf Butan. Propan hat einen niedrigeren Siedepunkt als Butan, so dass ein Druckniveau im Hauptkreislauf deutlich höher ist als ein Druckniveau im nebengeordneten Kreislauf. Im Fall, dass der nebengeordnete Kreislauf als Wärmerohr ausgestaltet ist, ist ein Druck im nebengeordneten Kreislauf überall gleich (bis auf einen durch eine geodätische Höhe des flüssigen Kältemittels bedingten Druckunterschieds).
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der nebengeordnete Kreislauf ein Absperrventil in Fließrichtung des zweiten Kältemittels vor dem zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager. Dadurch kann in einem Fall einer Leckage des zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrages das Absperrventil geschlossen werden und ein (weiteres) Austreten des zweiten Kältemittels vermieden oder zumindest verringert werden.
  • Bevorzugt umfasst das Wärmepumpensystem eine Drucküberwachungseinheit, die ausgestaltet ist, einen Druck in dem Primärkreislauf zu überwachen. Besonders bevorzugt ist die Drucküberwachungseinheit ausgestaltet, einen Druck in dem nebengeordneten Kreislauf zu überwachen. Basierend auf einem gemessenen Druckwert im nebengeordneten Kreislauf, zum Beispiel, wenn der gemessene Druck einen vordefinierten Schwellwert über- oder unterschreitet, kann eine Sicherheitsabschaltung erfolgen, zum Beispiel eine Sicherheitsabschaltung des nebengeordneten Kreislaufes. Eine Sicherheitsabschaltung des nebengeordneten Kreislaufes kann beispielsweise durch ein Schließen des obigen Absperrventils erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Drucküberwachungseinheit ausgestaltet sein, einen Druck in dem Hauptkreislauf zu überwachen. Basierend auf einem gemessenen Druckwert im Hauptkreislauf, zum Beispiel, wenn der gemessene Druck einen vordefinierten Schwellwert über- oder unterschreitet, kann eine Sicherheitsabschaltung erfolgen, zum Beispiel eine Sicherheitsabschaltung des Hauptkreislaufes und/oder des nebengeordneten Kreislaufes. Dadurch kann ermittelt werden, ob ein erstes Kältemittel aus dem Hauptkreislauf in den nebengeordneten Kreislauf eindringt.
  • Weitere Komponenten können im Primärkreis, insbesondere im Hauptkreislauf und/oder dem nebengeordneten Kreislauf, vorgesehen sein, zum Beispiel kann im Hauptkreislauf ein Kältemittelsammler vorgesehen sein. Weiter kann ein Drosselorgan im Hauptkreislauf und/oder dem nebengeordneten Kreislauf vorgesehen sein, das beispielsweise zum Ein- und Ausschalten und/oder zur Durchflussregulierung des jeweiligen Kreislaufes dient. Ein derartiges Drosselorgan kann auf einer Flüssigkeitsseite oder Gasseite im jeweiligen Kreislauf angeordnet sein.
  • Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems, und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung zur Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems.
  • In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmepumpensystems mit einem integralen Lüftungsgerät. Das Wärmepumpensystem 100 weist einen integrales Lüftungsgerät auf. Von dem Lüftungsgerät ist im gezeigten Ausführungsbeispiel nur der Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 160 gezeigt. Weiter weist das Wärmepumpensystem 100 einen Primärkreislauf 101 zur Führung von Kältemittel auf.
  • Der Primärkreis 101 umfasst einen Hauptkreislauf 170 zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf 180 zur Führung eines zweiten Kältemittels. Der Hauptkreislauf 170 umfasst einen Verdichter 110, einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager 120, eine Expansionseinrichtung 130 und einen ersten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 140. Insbesondere kann der Hauptkreislauf 170 weitere Elemente umfassen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Hauptkreislauf 170 ein (zusätzliches) Drosselorgan 191 und ein Ventil 192, das zum Beispiel einem Ablassventil entspricht. Zudem weist der Hauptkreislauf 170 in der gezeigten Ausführungsform einen Kältemittelsammler 193 auf.
  • Der nebengeordnete Kreislauf 180 umfasst einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager 150 und einen zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 160. Der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager 160 kann als Teil des nebengeordneten Kreislaufes 180 und als Teil des Hauptkreislaufes 170 verstanden werden. Weiter kann der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 160 als Teil der Wärmepumpe, d.h. des Primärkreises 101bzw. des nebengeordneten Kreislaufes 180, und als Teil des Lüftungsgerätes verstanden werden. Der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 160 ist ausgestaltet, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel und Luft zu übertragen. Das erste Kältemittel, das durch den Hauptkreislauf 170 strömt, ist vorzugsweise verschieden von dem zweiten Kältemittel, das durch den nebengeordneten Kreislauf 180 strömt. Zusätzlich oder alternativ überschreitet eine Masse des zweiten Kältemittels vorzugsweise einen vorbestimmten Wert nicht. Der vorbestimmte Wert ist vorteilhaft 150 g, kann aber auch anwendungs- und/oder gebietsabhängig einen anderen Wert betragen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der vorbestimmte Wert der Kältemittelmasse von der Wahl des Kältemittels abhängt.
  • Der nebengeordnete Kreislauf 180 ist bevorzugt als Wärmerohr, insbesondere als Heatpipe, ausgestaltet. Hierbei ist der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 160 als Verflüssiger des Wärmerohres und der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdampfer des Wärmerohres ausgebildet. Insbesondere ist der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager 150 ausgestaltet, eine Wärme von dem ersten Kältemittel auf das zweite Kältemittel zu übertragen. Dabei ist der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager 150 als Unterkühler des Hauptkreislaufes 170 ausgebildet.
  • Das gezeigte Wärmepumpensystem 100 ist derart ausgestaltet, dass eine Masse des zweiten Kältemittels geringer ist als eine Masse des ersten Kältemittels. Insbesondere ist das Wärmepumpensystem 100 derart ausgestaltet, dass eine Masse des zweiten Kältemittels den vorbestimmten Wert nicht überschreitet, insbesondere dann, wenn das zweite Kältemittel ein brennbares Kältemittel ist.
  • Der Primärkreis 101 des Wärmepumpensystems 100 umfasst eine Hochdruckseite HS und eine Niederdruckseite NS. In der gezeigten Ausführungsform ist der nebengeordnete Kreislauf 180 auf einer Hochdruckseite HS des Primärkreises 101 des Wärmepumpensystems 100 angeordnet. Ein Druck im Hauptkreislauf 170 ist bevorzugt größer als 7 bar und/oder ein Druck im nebengeordneten Kreislauf 180 ist bevorzugt kleiner als 6 bar. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der nebengeordnete Kreislauf 180 weiter ein Absperrventil 194 in Fließrichtung des zweiten Kältemittels vor dem zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 160.
  • Das gezeigte Wärmepumpensystem 100 umfasst weiter eine Drucküberwachungseinheit 195, die ausgestaltet ist, einen Druck im Primärkreislauf 101, insbesondere im nebengeordneten Kreislauf 170, zu überwachen. Weiter sind in dem Wärmepumpensystem 100 beispielsweise eine Kältekreisumkehreinrichtung 196 sowie beispielsweise ein Filtertrockner 197 vorgesehen.
  • Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung zur Illustration eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems. In Fig. 2 ist ein Teil einer Wärmepumpe und ein Teil einer Lüftungsanlage dargestellt. Das Wärmepumpensystem 200 umfasst einen Primärkreislauf 201 zur Führung von Kältemittel, wobei der Primärkreislauf 201 einen Hauptkreislauf 270 zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf 280 zur Führung eines zweiten Kältemittels umfasst. Der Hauptkreislauf 270 umfasst einen Verdichter 210, einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager 220, eine Expansionseinrichtung 230 und einen ersten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 240. Der nebengeordnete Kreislauf 280 umfasst einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager 250 und einen zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 260, wobei der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 260 ausgestaltet ist, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel und Luft zu übertragen. Der nebengeordnete Kreislauf 280 ist als Wärmerohr, insbesondere Heatpipe, ausgestaltet. Zudem umfasst der nebengeordnete Kreislauf 280 ein Ventil 290, das als Heatpipe-Ventil ausgestaltet ist.
  • Weiter ist in Fig. 2 ein Sekundärkreis 301 der Wärmepumpe gezeigt, wobei der Sekundärkreis 301 einen Warmwasserbehälter 310, einen Heizkreis 320, eine elektrische Nacherwärmung 330 und ein Ventil 340 umfasst. Der Sekundärkreis 301 ist zur Führung von Wasser ausgestaltet und über den Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager 220 mit dem Primärkreis 201 verbunden. Weiter ist in Fig. 2 ein Solarkreislauf 401 zu sehen, der Solarkollektoren 410 und ein Ventil 420 umfasst. Der Sekundärkreis 301 ist über einen Solar-Wärmeübertrager 350 mit dem Solarkreislauf 401 verbunden. Somit zeigt Fig. 2 ein weiterführendes System im Vergleich zu dem System in Fig. 1. Insbesondere ist in Fig. 2 eine weitere Wärmequelle neben der Wärmepumpe, d.h. die Solarkollektoren 410 im Solarkreislauf 401, vorgesehen.
  • Zudem ist in Fig. 2 ein Lüftungsgerät 501 gezeigt. Insbesondere ist das Lüftungsgerät 501 Teil einer Lüftungsanlage, wie sie zum Beispiel für ein Gebäude vorgesehen sein kann.
  • Das Lüftungsgerät 501 umfasst zudem einen Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510, der in der gezeigten Ausführungsform als Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager ausgestaltet ist. Das Lüftungsgerät 501 umfasst einen Zuluftstrang 520 und einen Abluftstrang 530. Der Zuluftstrang 520 ist ausgestaltet, Luft von außen, d.h. Außenluft, in ein Gebäude bzw. in ein Luftführungssystems eines Gebäudes zu führen. Der Abluftstrang 530 ist ausgestaltet, Luft aus dem Gebäude nach außen zu führen. Insbesondere ist der Abluftstrang 530 ausgestaltet, Luft in Richtung des Luft-/Luft-Wärmeübertragers 510 zu führen. Der Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510 ist ausgestaltet, Wärme zwischen einem in dem Zuluftstrang geführten Außenluftstrom und einem in dem Abluftstrang geführten Abluftstrom zu übertragen. Insbesondere ist der Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510 ausgestaltet, Energie bzw. Wärme von einer Abluft auf eine Außenluft zu übertragen. Außenluft (in Fig. 2 schräg links unten vom Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510), die den Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510 passiert hat, wird auch als "Zuluft" bezeichnet (in Fig. 2 schräg rechts oben vom Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510). Abluft (in Fig. 2 schräg links oben vom Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510), die den Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510 passiert, wird auch "Frontluft" bezeichnet (in Fig. 2 schräg rechts unten vom Luft-/Luft-Wärmeübertrager 510). Der Frontluftstrom wird in der gezeigten Ausführungsform, beispielhaft und bevorzugt, in Richtung des Kältemittel-/Luft-Wärmeübertragers 240 geführt, wobei zusätzlich weitere Außenluft durch eine Außenluftführung 540 in Richtung des Kältemittel-/Luft-Wärmeübertragers 240 geführt wird (in Fig.2 von rechts).
  • Das Lüftungsgerät 501 bzw. der Zuluftstrang 520 des Lüftungsgerätes 501 ist über den zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager 260 mit dem Primärkreislauf 201 der Wärmepumpe bzw. einem nebengeordneten Kreislauf 280 des Primärkreislaufes 201 der Wärmepumpe verbunden. Insbesondere kann das zweite Kältemittel dazu verwendet werden, Luft, die durch den Zuluftstrang 520 geführt wird, vorzuerwärmen. Das zweite Kältemittel ist verschieden vom ersten Kältemittel und/oder eine Masse des zweiten Kältemittels überschreitet den vorbestimmten Wert nicht. Dadurch kann durch das Wärmepumpensystem 200 eine Vorerwärmung der Luft, die durch das Lüftungsgerät 501 in ein Gebäude strömt, durch das zweite Kältemittel der Wärmepumpe ermöglicht werden, ohne einen elektrischen Luftvorerwärmer, der zusätzliche Energie benötigen würde, verwenden zu müssen und ohne eine Gefahrenquelle für das Gebäude oder Bewohner des Gebäudes darzustellen.
  • Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
  • Es folgen weitere Überlegungen zu der Erfindung:
    Bei Wärmepumpensystemen mit integralem Lüftungsgerät ist Stand der Technik heute, den Luft-/Luft-Wärmeübertrager im Lüftungsgerät durch einen Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager (z.B. Platten-Wärmeübertrager oder Lamellen-Wärmeübertrager) mit Kältemittel des Primärkreises der Wärmepumpe eisfrei zu halten bzw. die Luft, die durch den Luft-/Luft-Wärmeübertrager strömt, zu erwärmen.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist bei Einsatz von brennbaren Kältemittel, dass bei Defekt des Kältemittel-/Luft-Wärmeübertragers eine gefährliche Menge Kältemittel (beispielsweise >150 g) über die Lüftungsanlage im Haus verteilt wird und in einzelnen Räumen die untere Explosionsgrenze überschritten werden kann.
  • Eine bisherige Umgehung dieses Problems ist, elektrische Luftvorerwärmer einzusetzen.
  • Die Aufgabe der aktuellen Erfindung liegt darin, die Luft weiterhin über den Primärkreis der Wärmepumpe zu erwärmen und die Menge an brennbaren Kältemittel, welche in ein Lüftungssystem des Hauses eintritt, auf eine unkritische Menge zu reduzieren.
  • Um zu verhindern, dass eine kritische Menge Kältemittel im Fall einer Leckage des Wärmeübertragers in das Lüftungssystem des Hauses eintritt, wird ein zweiter Kältekreislauf, der vorzugsweise nach dem Heatpipe Prinzip arbeitet, zur Luftvorerwärmung eingesetzt. Die Kältemittelmenge in diesem zweiten Kältemittelkreislauf ist bevorzugt geringer als 150 g.
  • Bevorzugt umfasst das Wärmepumpensystem einen Primärkreis, d.h. Kältekreis, der einen Verdichter, einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager, eine Expansionseinrichtung, einen Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager und eine Kältekreisumkehreinrichtung umfasst. Weiter umfasst das Wärmepumpensystem bevorzugt einen Heatpipekreislauf, der einen Kältemittel/Kältemittel-Wärmeübertrager und einen Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst.
  • Ein wesentlicher Kern der Erfindung ist dabei, dass durch die Auslegung des Luftvorerwärmers als eigener Kreislauf, insbesondere Heatpipekreislauf, die überschüssige Energie des Kältekreises der Wärmepumpe zur Luftvorerwärmung der Lüftungsanlage genutzt werden kann und die kritische Menge Kältemittel, die im Falle einer Leckage ins Haus getragen wird, auf beispielsweise <150 g begrenzt wird.
  • Ohne die Nutzung elektrischer Zusatzenergie wird dadurch sicher verhindert, dass die Luft vorerwärmt wird und kein brennbares Kältemittel ins Wohngebäude gelangt.
  • Anwendung kann die neue Technik bei allen Lüftungswärmepumpenneuentwicklungen finden, welche brennbare Kältemittel zum Betrieb des Kältekreises verwenden und die Notwendigkeit oder der Wunsch besteht, die Luft vor zu erwärmen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Heatpipekreislauf mit einem Kältemittel (z.B. R290) gefüllt, das eine andere Drucklage als das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes (z.B. R600) aufweist. Der Wärmeübertrager befindet sich im Primärkreislauf bevorzugt auf der Hochdruckseite. Dadurch liegt der Druck im regulären Betriebszustand über 7 bar. Der Druck im Heatpipekreislauf liegt vorzugsweise im regulären Betriebszustand unter 6 bar. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist über eine Drucküberwachung des Heatpipekreislaufes eine interne Undichtigkeit des Wärmeübertragers detektierbar.
  • Weiter kann bevorzugt durch Schließen des Ex-Ventils der Heatpipekreislauf unterbrochen werden.
  • Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einem integralen Lüftungsgerät und einem Primärkreislauf zur Führung von Kältemittel, wobei das Lüftungsgerät einen Zuluftstrang, einen Abluftstrang und einen Luft-/Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen einem in dem Zuluftstrang geführten Außenluftstrom und einem in dem Abluftstrang geführten Abluftstrom umfasst, wobei der Primärkreislauf einen Hauptkreislauf zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf zur Führung eines zweiten Kältemittels umfasst, wobei der Hauptkreislauf einen Verdichter, einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager, eine Expansionseinrichtung und einen ersten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst, wobei der nebengeordnete Kreislauf einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager und einen zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager umfasst, wobei der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager ausgestaltet ist, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel und dem Außenluftstrom zu übertragen.

Claims (14)

  1. Wärmepumpensystem (100, 200) mit einem Lüftungsgerät (501) und einem Primärkreislauf (101, 201) zur Führung von Kältemittel,
    wobei das Lüftungsgerät (501) einen Zuluftstrang (520), einen Abluftstrang (530) und einen Luft-/Luft-Wärmeübertrager (510) zum Übertragen von Wärme zwischen einem in dem Zuluftstrang (520) geführten Außenluftstrom und einem in dem Abluftstrang (530) geführten Abluftstrom umfasst,
    wobei der Primärkreislauf (101, 201) einen Hauptkreislauf (170, 270) zur Führung eines ersten Kältemittels und einen nebengeordneten Kreislauf (180, 280) zur Führung eines zweiten Kältemittels umfasst,
    wobei der Hauptkreislauf (170, 270) einen Verdichter (110, 210), einen Kältemittel-/Wasser-Wärmeübertrager (120, 220), eine Expansionseinrichtung (130, 230) und einen ersten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager (140, 240) umfasst,
    wobei der nebengeordnete Kreislauf (180, 280) einen Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager (150, 250) und einen zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager (160, 260) umfasst
    wobei der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager (160, 260) ausgestaltet ist, eine Wärme zwischen dem zweiten Kältemittel und dem Außenluftstrom zu übertragen.
  2. Wärmepumpensystem (100, 200) nach Anspruch 1, wobei das erste Kältemittel verschieden von dem zweiten Kältemittel ist und/oder eine Masse des zweiten Kältemittels einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet.
  3. Wärmepumpensystem (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der nebengeordnete Kreislauf (180, 280) als Wärmerohr, insbesondere als Heatpipe, ausgestaltet ist.
  4. Wärmepumpensystem (100, 200) nach Anspruch 3, wobei der zweite Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager (160, 260) als Verflüssiger des Wärmerohres und der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager (150, 150) als Verdampfer des Wärmerohres ausgebildet ist.
  5. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, das als Lüftungswärmepumpensystem zur Lüftung eines Raumes ausgebildet ist.
  6. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager (150, 250) ausgestaltet ist, eine Wärme von dem ersten Kältemittel auf das zweite Kältemittel zu übertragen.
  7. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kältemittel-/Kältemittel-Wärmeübertrager (150, 250) als Unterkühler des Hauptkreislaufes (170, 270) ausgebildet ist.
  8. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der nebengeordnete Kreislauf (180, 280) auf einer Hochdruckseite (HS) des Primärkreislaufes (101, 201) angeordnet ist.
  9. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Masse des zweiten Kältemittels geringer ist als eine Masse des ersten Kältemittels.
  10. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Kältemittel brennbar ist.
  11. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Kältemittel einem Kältemittel des Typs R290 entspricht und/oder das erste Kältemittel einem Kältemittel des Typs R600 entspricht.
  12. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Druck im Hauptkreislauf (170, 270) größer als 7 bar ist und/oder ein Druck im nebengeordneten Kreislauf (180, 280) kleiner als 6 bar ist.
  13. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der nebengeordnete Kreislauf (180, 280) ein Absperrventil (194) in Fließrichtung des zweiten Kältemittels vor dem zweiten Kältemittel-/Luft-Wärmeübertrager (160, 260) umfasst.
  14. Wärmepumpensystem (100, 200) nach einem der vorherigen Ansprüche, das weiter eine Drucküberwachungseinheit (195) umfasst, die ausgestaltet ist, einen Druck im Primärkreislauf (101, 201) zu überwachen, wobei die Drucküberwachungseinheit (195) bevorzugt ausgestaltet ist, einen Druck im nebengeordneten Kreislauf (180, 280) und/oder im Hauptkreislauf (170, 270) zu überwachen.
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