EP4509763A1 - Heizungs- und warmwasserbereitungssystem sowie verfahren dafür - Google Patents

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EP4509763A1
EP4509763A1 EP24192613.8A EP24192613A EP4509763A1 EP 4509763 A1 EP4509763 A1 EP 4509763A1 EP 24192613 A EP24192613 A EP 24192613A EP 4509763 A1 EP4509763 A1 EP 4509763A1
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EP
European Patent Office
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fluid
heating
branch
heat exchanger
hot water
Prior art date
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Pending
Application number
EP24192613.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Sonnekalb
Jan Pitz
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.)
Konvekta AG
Original Assignee
Konvekta AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Konvekta AG filed Critical Konvekta AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • 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
    • F24D19/1015—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating using a valve or valves
    • F24D19/1024—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating using a valve or valves a multiple way valve
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    • F24D19/1072—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for the combination of central heating and domestic hot water the system uses a heat pump
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    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the invention relates to a heating and hot water preparation system according to the preamble of claim 1.
  • Heating and hot water systems with a coolant circuit that can be operated as a heat pump with a first and a second heat exchanger, each designed as a gas cooler/condenser, in which a fluid can be heated in the counterflow direction to the coolant, are used in particular for heating and hot water preparation in buildings.
  • the invention also relates to a method for operating such a heating and hot water preparation system.
  • Heating and hot water systems with a refrigerant circuit that can be operated as a heat pump with two gas coolers/condensers for heating a fluid are known.
  • EP2759773 A2 discloses such a heating and hot water preparation system in which a buffer storage tank is arranged in the fluid circuit.
  • the fluid circuit is designed in such a way that the first heat exchanger arranged after the compressor in the refrigerant circuit and used as a condenser/gas cooler is disadvantageously not used for heating the building, which means that the heat transferred there to the fluid at high temperature is unused for heating the building.
  • the heat given off by the fluid to the domestic water is always disadvantageously related to the high temperature of the fluid from the first heat exchanger.
  • a different regulated heat supply for hot water preparation and heating is disadvantageously not shown there.
  • the DE102019001642 A1 and the WO2019/215240 A1 A heating and hot water preparation system with differently regulated heat supply for hot water preparation and heating is created using two heat exchangers connected in series in the refrigerant circuit of a heat pump as gas coolers/condensers.
  • the heat pump is thermally connected to a heating circuit with a heating circuit and a hot water circuit via the two heat exchangers.
  • its fluid flows through both the heating circuit and the hot water circuit, so that possible contamination of the fluid in the heating circuit can get into the two heat exchangers, the mixing valve and the hot water circuit.
  • Another disadvantage is that the volume of fluid in the heating circuit connected to the two heat exchangers with heating circuit and hot water circuit is correspondingly large.
  • the fluid pump in the fluid line between the two heat exchangers before the first branching takes up space and material, which is detrimental to a compact structure in the area of heat transfer to the fluid.
  • the controllability of the distribution of the fluid flow remaining after the two heat exchangers into the hot water circuit and/or into the heating circuit is only possible to a limited extent, if at all.
  • the invention specified in claim 1 is therefore based on the problem that the flexibility with regard to heating and/or hot water preparation in the previous heating and hot water preparation systems is insufficient, the space requirement in the area of heat transfer to the fluid is too high and contamination from the heating circuit in the fluid can get into the hot water preparation area.
  • the task is therefore to provide a heating and hot water preparation system with a coolant circuit that can be operated as a heat pump, which is improved in particular with regard to this problem.
  • the heating and hot water preparation system comprises a refrigerant circuit operable as a heat pump with at least one expansion element, at least one evaporator, at least one compressor, a first heat exchanger designed as a gas cooler/condenser for transferring heat of the compressed refrigerant to a fluid, such as preferably water, and a second heat exchanger designed as a gas cooler/condenser, connected in series downstream of the first heat exchanger in the refrigerant flow direction, for transferring heat of the refrigerant to the fluid, and the heating and hot water preparation system is designed such that with regard to the fluid that can flow through the first heat exchanger in the intended counterflow direction to the refrigerant, the second heat exchanger is arranged upstream of the first heat exchanger, and the fluid line for the fluid between the second and first heat exchangers has a first branch and a first fluid line branch branch branching off at the first branch leads into a supply line for the fluid before or
  • a heat exchanger designed as a gas cooler/condenser can be a condenser for refrigerant to be operated subcritically in the high-pressure area of the refrigerant circuit or a gas cooler for refrigerant to be operated supercritically in the high-pressure area of the refrigerant circuit, or it can be designed in such a way that it can be used both as a gas cooler and as a condenser.
  • the heating and hot water preparation system has the advantage that the controllability of the volume flows of the fluid through the three fluid line branches, there is a high degree of flexibility with regard to heating and hot water preparation.
  • a further advantage is that the heating circuit is a separate circuit for the heating fluid and is thermally connected to the first fluid line branch via the third heat exchanger, which means that no impurities from the heating circuit can get into the fluid and the volume of the heating circuit does not need to be flowed through by the fluid heated by the heat pump, which makes the system less cumbersome.
  • Another advantage is that the fluid line section running from the junction of the first fluid line branch into the supply line through the second heat exchanger to the first branch is pump-free, as this means that this area of the heating and hot water preparation system can be constructed in a space- and material-saving manner, whereby the pressure of the fluid already applied in the supply line can be used.
  • the continuously adjustable control valves for regulating the respective volume flows of the fluid through the first fluid line branch and the second fluid line branch as well as into the third fluid line branch are also advantageous. This increases the flexibility and the accuracy of regulating these volume flows of the fluid.
  • control valves for regulating the respective volume flows of the fluid are at least two continuously adjustable three-way valves, one of which is arranged in the first branch and the other in the second branch. This means that the flexibility and the accuracy of regulating these volume flows of the fluid is particularly good.
  • the refrigerant circuit is preferably designed in such a way that the refrigerant, such as preferably CO2, is supercritical in the high-pressure area of the refrigerant circuit and the first heat exchanger and second heat exchanger are operated as gas coolers, with the first heat exchanger being a desuperheater.
  • the refrigerant lines and components of the high-pressure area of the refrigerant circuit must be sufficiently pressure-resistant so that they can withstand refrigerant pressures of up to 150 bar. This improves the effectiveness of the heat pump, especially at low temperatures of the heat source.
  • At least one of the at least one evaporator is designed as a coolant-liquid heat exchanger and is arranged in the coolant circuit for transferring heat from a heat source liquid, such as preferably a brine of a liquid circuit, to the coolant.
  • the heat source can be located away from the evaporator.
  • the first and second heat exchangers are combined to form a heat transfer unit.
  • This is a particularly compact and therefore space-saving and material-saving design.
  • the fluid pump in the first fluid line branch is designed as a water pump with continuously variable pumping performance. This allows the volume flow of the fluid through the third heat exchanger to be easily regulated, which improves the flexibility and accuracy of the heat transfer from the fluid to the heating fluid in the heating circuit.
  • the heating and hot water preparation system it is designed in such a way that the first fluid line branch can be shut off after the second fluid line branch flows into it and the fluid flow direction in the second fluid line branch can be switched.
  • This increases the flexibility of the hot water preparation because the proportion of the volume flow of the fluid preheated in the second heat exchanger into the third fluid line branch, which also flows through the first heat exchanger to further heat the fluid, can thus be regulated, which improves the setting of the temperature of the fluid for the third fluid line branch and thus for the hot water preparation.
  • the third fluid line branch leads to a hot water storage tank connected to the third fluid line branch and/or to a hot water outlet.
  • the fluid can therefore be used as a storage medium and/or directly as hot water.
  • the third fluid line branch is part of a fluid circuit in which the fluid can be circulated by bypassing the third heat exchanger through the supply line, the second and first heat exchanger and back to the supply line.
  • a design in which the third fluid line branch leads to a fourth heat exchanger arranged in the fluid circuit for transferring heat from the fluid to domestic water is particularly advantageous.
  • the heating and hot water preparation system preferably comprises a control system designed in such a way that it can be used to control the respective volume flows of the fluid through the first fluid line branch and the second fluid line branch as well as into the third fluid line branch in such a way that the heating and hot water preparation system can be operated in a pure heating mode, in a pure hot water preparation mode and in a first parallel operation consisting of reduced heating mode and hot water preparation mode as well as in a second parallel operation consisting of heating mode and hot water preparation mode.
  • These four operating modes can therefore be set and controlled automatically using the control system.
  • the method also comprises, as an operating mode for the heating and hot water preparation system, a mixed operation of the first and second parallel operation, which can be regulated in the mixing ratio, wherein the fluid flow at the first branch and that at the second branch are each divided.
  • a mixed operation of the first and second parallel operation which can be regulated in the mixing ratio, wherein the fluid flow at the first branch and that at the second branch are each divided.
  • the method according to the invention has a further operating mode in which, in the pure hot water preparation mode, the distribution ratio regulated at the first branch, a part of the fluid flows through the first heat exchanger and the other part of the fluid flows to the second fluid line branch and through this to the second branch, in which both partial flows of the fluid are reunited and flow further into the third fluid line branch.
  • Hot water preparation operation allows the heating and hot water preparation system to be operated more flexibly during hot water preparation.
  • the setting of the temperature of the fluid for the third fluid line branch is thus improved.
  • the method preferably comprises a further operating mode in which, in pure heating operation, a part of the fluid flows through the first heat exchanger and then through the second fluid line branch after the second branch, divided at the first branch and the other part of the fluid flows from the first branch straight through the first fluid line branch, and both partial flows of the fluid reunite upstream of the third heat exchanger.
  • this additional operating mode of pure heating operation the heating and hot water preparation system can be operated more flexibly when heating the heating fluid in the heating circuit. The setting of the temperature of the fluid in the third heat exchanger is thereby improved.
  • FIG. 1 an embodiment of a heating and hot water preparation system 1 according to the invention is shown schematically.
  • the refrigerant circuit 3, which can be operated as a heat pump, comprises a compressor 5, a first heat exchanger 7 designed as a gas cooler/condenser, and a second heat exchanger 9 designed as a gas cooler/condenser, connected in series downstream in the direction of refrigerant flow, an expansion element 11 designed as an expansion valve, and an evaporator 13 designed as a refrigerant-air heat exchanger.
  • An evaporator 13 which is a refrigerant-liquid heat exchanger, and which is arranged in the refrigerant circuit 3 for transferring heat from a heat source liquid, such as brine, of a liquid circuit to the refrigerant, is also conceivable.
  • the refrigerant in this case is CO2.
  • the refrigerant circuit is designed in such a way that the refrigerant is supercritical in its high-pressure area and the first heat exchanger 7 and the second heat exchanger 9 can be operated as gas coolers, with the first heat exchanger 7 being a desuperheater.
  • a design is also conceivable in which refrigerant, such as R1234yf, can be operated subcritically in the high-pressure area of the refrigerant circuit 3, with the first and second heat exchangers 7, 9 then being condensers.
  • the first heat exchanger 7 and the second heat exchanger 9 each serve to transfer heat from the coolant to a fluid.
  • the fluid provided is water.
  • the second heat exchanger 9 is arranged upstream of the first heat exchanger 7. Both are designed as coolant-liquid heat exchangers, such as plate heat exchangers, with water being provided as the fluid.
  • the fluid coming from the supply line 15 with a correspondingly high water pressure of, for example, eight bar flows to the fluid inlet 17 of the second heat exchanger 9 and further through the second heat exchanger 9 and through the fluid line 19 to the first branch 21.
  • the first fluid line branch 23 branches off from the fluid line 19.
  • the third heat exchanger 27 is on the other hand connected to a heating circuit 31 and serves to transfer heat from the fluid to the heating fluid of the heating circuit 31.
  • the heated heating fluid pumped in counterflow to the fluid flow through the third heat exchanger 27 with the circulation pump 33 flows to the heating devices 35 for heating a building, such as radiators or pipes of an underfloor heating system, and then back to the third heat exchanger 27 in the heating circuit 31.
  • the second fluid line branch 39 flows into the first fluid line branch 23 in the line connection 41 in the intended fluid flow direction of the first fluid line branch 23 upstream of both the fluid pump 25 and the third heat exchanger 27.
  • the third fluid line branch 43 leads further to a hot water tank connected to it and/or to a water outlet for hot water.
  • the hot water tank and/or water outlet are shown in the drawing for reasons of clarity. Figure 1 not shown.
  • the fluid After flowing through the second heat exchanger 9, the fluid has a temperature level between, for example, 35 °C to 45 °C and after further flowing through the first heat exchanger 7, a temperature level between, for example, 60 °C and 75 °
  • the fluid line section running from the junction 29 of the first fluid line branch 23 into the supply line 15 through the second heat exchanger 9 to the first branch 21 is pump-free.
  • the flow of the fluid through this fluid line section is essentially generated by the water pressure present in the supply line 15.
  • the heating and hot water preparation system 1 is designed in such a way that the respective volume flows of the fluid through the first fluid line branch 23 and the second fluid line branch 39 as well as in the third fluid line branch 43 can be regulated.
  • a continuously adjustable three-way valve is arranged as a control valve in the first branch 21 and in the second branch 37, both of which can be controlled automatically by the control 45.
  • the control 45 also controls the output of the compressor 5 of the refrigerant circuit 3, which can be operated as a heat pump, the fluid pump 25 in the first fluid line branch 23 and the circulation pump 33 in the heating circuit 31.
  • the heating and hot water system 1 can be used, for example, for buildings or vehicles.
  • Embodiment combines the first heat exchanger 7 and the second heat exchanger 9 together in a heat transfer unit.
  • the first fluid line branch 23 branches off in the first branch 21 immediately after the second heat exchanger 9 and on the other hand, the first heat exchanger 7 is directly connected to the first branch 21 on the fluid side.
  • FIG 2 The heating and hot water preparation system 1 is shown schematically in the operating mode of pure hot water preparation.
  • the compressor 5 is switched on so that the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 3 in heat pump mode.
  • the refrigerant which is hot due to the compression, first passes from the compressor 5 into the first heat exchanger 7, where it gives off heat to the fluid flowing there in countercurrent. Accordingly cooled, the refrigerant, which is at least still warm, passes into the second heat exchanger 9, where it gives off further heat to the fluid coming there in countercurrent from the supply line 15.
  • the refrigerant is expanded and cooled down.
  • the condensed refrigerant then absorbs heat from the ambient air in the evaporator 13 and evaporates, before returning to the compressor 5.
  • the fluid to be heated coming from the supply line 15 flows through the second heat exchanger 9 to absorb heat from the coolant and then through the fluid line 19 to the first branch 21.
  • the three-way valve in the first branch 21 is controlled by the controller 45 so that the branch into the first fluid line branch 23 is shut off and the volume flow of the fluid is directed undivided to the first heat exchanger 7. In this, the fluid is further heated and directed to the second branch 37.
  • the first fluid line branch 23 and the second fluid line branch 39 are not flowed through by fluid and the fluid pump 25, the third heat exchanger 27 and the heating circuit 31 are out of function.
  • FIG 3 The heating and hot water preparation system 1 is shown schematically in the operating mode of pure heating operation.
  • the compressor 5 is switched on so that the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 3 in heat pump operation.
  • the fluid to be heated coming from the inlet 29 into the supply line 15 flows through the second heat exchanger 9 to absorb heat from the coolant and then through the fluid line 19 to the first branch 21.
  • the three-way valve in the first branch 21 is controlled by the controller 45 such that the branch into the first fluid line branch 23 is shut off and the volume flow of the fluid is directed undivided to the first heat exchanger 7. In this, the fluid is further heated and directed to the second branch 37.
  • the fluid pump 25, controlled by the controller 45 pumps the fluid through the third heat exchanger 27 back to the inlet 29 in the supply line 15, from where it flows again to the second heat exchanger 9.
  • the fluid gives off heat to the heating fluid of the heating circuit 31, which flows there in the counterflow direction.
  • the circulation pump 33 is switched on under the control of the controller 45.
  • the heating devices 35 the heat absorbed by the heating fluid is used to heat the building.
  • the fluid In this pure heating operation of the heating and hot water preparation system 1, the fluid is only heated for heating, whereby it absorbs heat from the coolant in the second and first heat exchangers 9, 7. No fluid is added from the outside through the supply line 15, because no fluid flows out as hot water through the third fluid line branch 43.
  • the switched on regulated fluid pump 25 allows the fluid to circulate in a controlled volume flow.
  • FIG 4 The heating and hot water preparation system 1 is shown schematically in the operating mode of the first parallel operation of hot water preparation and reduced heating.
  • the compressor 5 is switched on so that the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 3 in heat pump operation.
  • the fluid to be heated coming from the supply line 15 flows through the second heat exchanger 9 to absorb heat from the coolant and then through the fluid line 19 to the first branch 21.
  • the three-way valve in the first branch 21 is controlled by the controller 45 such that one part of the fluid flow branches off into the first fluid line branch 23 and the other part of the fluid flow is directed to the first heat exchanger 7. In the latter, this other part of the fluid flow is further heated and directed to the second branch 37.
  • the part of the fluid flow branching off at the first branch 21 into the first fluid line branch 23 is pumped by the fluid pump 25 through the third heat exchanger 27 back to the inlet 29 in the supply line 15, from where it flows again to the second heat exchanger 9.
  • the fluid gives off heat to the heating fluid of the heating circuit 31 flowing there in the counterflow direction.
  • the circulation pump 33 is switched on under the control of the control 45.
  • the heating devices 35 the heat absorbed by the heating fluid is used to heat the building.
  • the second fluid line branch 39 is not flowed through by fluid, so that only fluid heated in the second heat exchanger 9 reaches the third heat exchanger 27 for heating. Because this part of the fluid in the first heat exchanger 7 does not absorb any heat from the hotter refrigerant there, the temperature of this partial flow of the fluid is not so high, so that less heat is transferred to the heating fluid in the third heat exchanger 27 at a lower temperature, i.e. the heating is only operated at a reduced level.
  • the control 45 controls the ratio of the size of the volume flows of the two partial flows of the fluid by continuously regulating the three-way valve of the first branch 21 and the fluid pump 25. This allows the proportion for hot water preparation and the proportion for reduced heating to be continuously adjusted as required.
  • FIG. 5 The heating and hot water preparation system 1 is shown schematically in the operating mode of the second parallel operation of hot water preparation and non-reduced heating.
  • the compressor 5 is switched on so that the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 3 in heat pump operation.
  • the fluid to be heated coming from the supply line 15 flows through the second heat exchanger 9 to absorb heat from the coolant and then through the fluid line 19 to the first branch 21.
  • the three-way valve in the first branch 21 is controlled by the controller 45 such that the branch into the first fluid line branch 23 is shut off and the volume flow of the fluid is directed undivided to the first heat exchanger 7. In this, the fluid is further heated and directed to the second branch 37.
  • the three-way valve there is controlled by the controller 45 such that the fluid flow is divided, with one part of the fluid flow branching off into the second fluid line branch 39 and the other part of the fluid flow being directed into the third fluid line branch 43, through which the fluid reaches the hot water tank and/or the hot water outlet.
  • the part of the fluid flow branching off into the second fluid line branch 39 flows into the first fluid line branch 23 at the line connection 41 and is pumped by the fluid pump 25 through the third heat exchanger 27 back to the inlet 29 into the supply line 15, from where the fluid flows again to the second heat exchanger 9.
  • the fluid gives off heat to the heating fluid of the heating circuit 31, which flows there in the counterflow direction.
  • the circulation pump 33 is switched on under the control of the control system 45.
  • the heating devices 35 the heat absorbed by the heating fluid is used to heat the building.
  • the control 45 controls the ratio of the size of the volume flows of the two partial flows of the fluid by continuously regulating the three-way valve of the second branch 37 and the fluid pump 25. In this way, the proportion for hot water preparation and the proportion for non-reduced heating are continuously adjusted as required.
  • FIG 6 The heating and hot water preparation system 1 is shown schematically in another operating mode of pure hot water preparation.
  • the compressor 5 is switched on so that the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 3 in heat pump operation.
  • the fluid to be heated coming from the supply line 15 flows through the second heat exchanger 9 to absorb heat from the coolant and then through the fluid line 19 to the first branch 21.
  • the three-way valve in the first branch 21 is controlled by the controller 45 so that the volume flow of the fluid is divided, with one part being directed into the first fluid line branch 23 and the other part of the fluid flow being directed to the first heat exchanger 7. In the latter, this part of the fluid flow is further heated and directed to the second branch 37.
  • the part of the fluid flow branched off into the first fluid line branch 23 at the first branch 21 flows at the line connection 41 into the second fluid line branch 39, which is switched in the opposite fluid flow direction, to the second branch 37 and not further in the direction of the third heat exchanger 27, because the fluid pump 25 is switched off by the control 45 and thus blocks the fluid line of this area of the first fluid line branch 23.
  • the two partial flows of the fluid reunite and flow as a total volume flow into the third fluid line branch 43, through which the fluid reaches the hot water tank and/or the hot water outlet.
  • the fluid pump 25, the third heat exchanger 27 and the heating circuit 31 are not in operation.
  • the control 45 controls the ratio of the size of the volume flows of the two partial flows of the fluid by continuously regulating the three-way valve of the first branch 21. This means that the portion of the hot water preparation in which the water is additionally heated in the first heat exchanger 7 is continuously regulated and the temperature of the entire hot water flow flowing out through the third fluid line branch 43 is adjusted to meet requirements.
  • FIG 7 A further embodiment of a heating and hot water preparation system 1 is shown schematically. It corresponds in large parts to the one in Figure 1 shown embodiment. All of the required Figure 1 reference symbols used in Figure 7 used for the same components, whereby the evaporator 13 in this case is a coolant-liquid heat exchanger and serves to absorb the heat of the coolant from a heat source liquid of a liquid circuit 55, in which heat source liquid is transported from a heat source to the evaporator 13 by means of a pump 57 that can be controlled by the controller 45.
  • the heat source liquid is, for example, a brine.
  • the structure of the coolant circuit 3 with its components corresponds to that in Figure 1
  • the heating circuit 31 connected to the third heat exchanger 27 with circulation pump 33 and Heating devices 35 corresponds to the Figure 1 .
  • the fluid pump 25 is positioned in the first fluid line branch 23 downstream of the third heat exchanger 27.
  • the third fluid line branch 43 is in this case part of a fluid circuit 47 in which the fluid can be circulated by bypassing the third heat exchanger 27 through the supply line 15, the second and first heat exchangers 9, 7 back to the supply line 15.
  • a fourth heat exchanger 51 and a fluid pump 49 for pumping the fluid into the supply line 15 to the second heat exchanger 9 are arranged in the fluid circuit 47.
  • the fluid is water or another suitable fluid for heat transport, such as a suitable oil or gas.
  • the fourth heat exchanger 51 is used to transfer heat from the fluid to a domestic water, which can flow there in countercurrent to the fluid and further through the hot water pipe 53.
  • the domestic water can therefore be heated indirectly via the fluid circuit 47 by the refrigerant circuit 3 operated as a heat pump.
  • the domestic water heated in this way can be used as hot water.
  • control system 45 that can be set in Figure 7 shown heating and hot water preparation system 1 corresponding to those for the Figures 2 to 6 described.
  • the heating and hot water system 1 can be used, for example, for buildings or vehicles.
  • Figure 8 shows a flow chart of an embodiment of a method for operating a heating and hot water preparation system according to the invention, such as one of the systems described in Figures 1 and 7 systems shown.
  • the demand for hot water and heating for the building or vehicle for which the heating and hot water system is used is determined.
  • the results of step 100 are used to decide which of the Figures 2 to 6 described operating modes of pure hot water preparation operation, pure heating operation, first and second parallel operation are selected.
  • steps 120A to 120E depending on the selection of the operating mode, the fine adjustment of the respective operating mode is carried out depending on the requirement determined in step 100.
  • the two parallel operations the distribution of the two fluid flows for the heating and the hot water is continuously adjusted by the control according to the determined requirement.
  • the pure hot water preparation operation the size of the portion of the fluid flow that also flows through the first heat exchanger is adjusted by the control according to the determined requirement.
  • the size of the portion of reduced heating and non-reduced heating is adjusted according to the determined requirement, i.e. the distribution ratio at the first branch divided a part of the fluid flow also through the first heat exchanger and further after the second branch through the second fluid line branch and the other part of the fluid flow from the first branch immediately flows through the first fluid line branch, and both partial flows of the fluid reunite upstream of the third heat exchanger, regulated.
  • the method begins again after the steps 120A to 120E, which run alternately to one another.
  • step 110 when selecting the operating modes of the heating and hot water preparation system according to the invention, that a mixed operation of first and second parallel operation is included, wherein the fluid flow at the first branch and that at the second branch are each divided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) mit einem als Wärmepumpe betreibbaren Kältemittelkreislauf (3) mit in Reihe als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten ersten und zweiten Wärmeübertrager (7, 9), wobei hinsichtlich eines in vorgesehener Gegenstromrichtung zum Kältemittel durch den ersten Wärmeübertrager (7) strömbaren Fluids der zweite Wärmeübertrager (9) stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers (7) angeordnet ist, und die Fluidleitung (19) zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager (9, 7) eine erste Verzweigung (21) für einen abzweigenden ersten Fluidleitungszweig (23) mit einer Fluidpumpe (25) und einem dritten Wärmeübertrager (27) aufweist, und die Fluidleitung nach dem ersten Wärmeübertrager (7) eine zweite Verzweigung (37) in einen in den ersten Fluidleitungszweig (23) mündenden zweiten Fluidleitungszweig (39) sowie in einen dritten Fluidleitungszweig (43) aufweist, wobei der dritte Wärmeübertrager (27) an einen Heizungskreislauf (31) angeschlossen ist, der von der Einmündung (29) des ersten Fluidleitungszweigs (23) in die Zuleitung (15) durch den zweiten Wärmeübertrager (9) bis zur ersten Verzweigung (21) verlaufende Fluidleitungsabschnitt pumpenfrei ist, und die jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig (23) und den zweiten Fluidleitungszweig (39) sowie in den dritten Fluidleitungszweig (43) stufenlos regelbar sind.

Description

    Gebiet der Technik:
  • Die Erfindung betrifft ein Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem gemäß dem Obersatz des Anspruchs 1. Heizungs- und Warmwassersysteme mit einem als Wärmepumpe betreibbaren Kältemittelkreislauf mit einem ersten und einem zweiten jeweils als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten Wärmeübertrager, in denen in Gegenstromrichtung zum Kältemittel ein Fluid erwärmbar ist, werden insbesondere zur Heizung und Warmwasserbereitung bei Gebäuden eingesetzt. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems.
    • Stand der Technik:
  • Bekannt sind Heizungs- und Warmwasserbereitungssysteme mit einem als Wärmepumpe betreibbaren Kältemittelkreislauf mit zwei Gaskühler/Kondensatoren zum Erwärmen eines Fluids. In EP2759773 A2 ist ein derartiges Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem offenbart, bei dem ein Pufferspeicher im Fluidkreislauf angeordnet ist. Dort ist der Fluidkreislauf derart ausgebildet, dass der erste nach dem Verdichter im Kältemittelkreislauf angeordnete als Kondensator/Gaskühler eingesetzte Wärmeübertrager nachteilig nicht für die Gebäudeheizung verwendet wird, was die dort mit hoher Temperatur an das Fluid übertragene Wärme für die Gebäudeheizung ungenutzt lässt. Andererseits erfolgt in EP2759773 A2 die vom Fluid an das Brauchwasser abgegebene Wärme nachteilig stets mit der Hochtemperatur des Fluids vom ersten Wärmeübertrager. Bei dem in DE102008046620 A1 offenbarten System mit zwei im Kältemittelkreislauf in Reihe geschalteten Gaskühlern wird die Regelung der Wärmepumpe beschrieben. Eine Rückführung von Fluid zur Zuleitung zu den Gaskühlern ist dort nachteilig nicht gezeigt. In US2018/0023818 A1 ist ein Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem offenbart, bei dem im Kältemittelkreislauf eines Wärmepumpensystems zwei als Gaskühler/Kondensatoren in Reihe geschaltete Wärmeübertrager zum Erwärmen eines Fluids eines Heizkreislaufs angeordnet sind. In dem in DE102015008045 A1 gezeigte Heizungssystem erwärmt die Wärmepumpe mit ihren beiden im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs als Gaskühler/Kondensator eingesetzten in Reihe geschalteten Wärmeübertragern ein Speichermedium für einen Wärmespeicher. Eine unterschiedliche jeweils geregelte Wärmezufuhr zur Warmwasserbereitung und zur Heizung ist nachteilig dort nicht gezeigt. Hingegen offenbaren die DE102019001642 A1 und die WO2019/215240 A1 jeweils mithilfe zwei in Reihe im Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe geschalteten als Gaskühlern/Kondensatoren eingesetzten Wärmeübertragern ein Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem mit unterschiedlich geregelter Wärmezufuhr zur Warmwasserbereitung und zur Heizung. Die Wärmepumpe ist dabei über die beiden Wärmeübertrager thermisch an einen Heizkreislauf mit Heizungskreis und Warmwasserkreis angeschlossen. Jedoch strömt im Parallelbetrieb im Heizkreislauf dessen Fluid sowohl durch den Heizungskreis, als auch durch den Warmwasserkreis, sodass mögliche Verunreinigungen des Fluids im Heizungskreis in die beiden Wärmeübertrager, das Mischventil sowie in den Warmwasserkreis gelangen können. Ferner ist nachteilig das Volumen des Fluids im an die beiden Wärmeübertrager angeschlossenen Heizkreislauf mit Heizungskreis und Warmwasserkreis entsprechend groß. Mit der dortigen Fluidpumpe in der Fluidleitung zwischen den beiden Wärmeübertragern vor der ersten Verzweigung wird nachteilig Platz und Material benötigt, was einem kompakten Aufbau im Bereich der Wärmeübertragung auf das Fluid entgegensteht. Ferner ist bei den in DE102019001642 A1 und in WO2019/215240 A1 gezeigten Heizungs- und Warmwasserbereitungssystemen die Regelbarkeit der Aufteilung des nach den beiden Wärmeübertragern verbleibenden Fluidstroms in den Warmwasserkreis und/oder in den Heizungskreis falls überhaupt dann nur eingeschränkt möglich.
  • Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt also das Problem zugrunde, dass die Flexibilität hinsichtlich Heizung und/oder Warmwasserbereitung bei den bisherigen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystemen unzureichend ist, der Platzbedarf im Bereich der Wärmeübertragung an das Fluid zu hoch ist und Verunreinigung aus dem Heizungskreislauf im Fluid in den Warmwasserbereitungsbereich gelangen können. Es ist daher Aufgabe, ein insbesondere hinsichtlich dieses Problems verbessertes Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem mit als Wärmepumpe betreibbarem Kältemittelkreislauf bereitzustellen.
  • Eine entsprechende Aufgabe besteht für ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems.
    • Zusammenfassung der Erfindung:
  • Das der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Dadurch, dass das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem einen als Wärmepumpe betreibbaren Kältemittelkreislauf mit wenigstens einem Expansionsorgan, wenigstens einem Verdampfer, wenigstens einem Verdichter, einem als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme des verdichteten Kältemittels auf ein Fluid, wie vorzugsweise Wasser, und einen zum ersten Wärmeübertrager in Kältemittelströmungsrichtung stromabwärts in Reihe geschalteten als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme des Kältemittels auf das Fluid, umfasst und das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem derart ausgebildet ist, dass hinsichtlich des in vorgesehener Gegenstromrichtung zum Kältemittel durch den ersten Wärmeübertrager strömbare Fluids der zweite Wärmeübertrager stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers angeordnet ist, und die Fluidleitung für das Fluid zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager eine erste Verzweigung aufweist und ein bei der ersten Verzweigung abzweigender erster Fluidleitungszweig in eine Zuleitung für das Fluid vor oder am Fluideinlass des zweiten Wärmeübertragers mündet, und die Fluidleitung nach dem ersten Wärmeübertrager eine zweite Verzweigung in einen zweiten Fluidleitungszweig und einen dritten Fluidleitungszweig aufweist, wobei im ersten Fluidleitungszweig für das Fluid eine Fluidpumpe angeordnet ist und der erste Fluidleitungszweig fluidseitig einen dritten Wärmeübertrager umfasst, der zum Übertragen von Wärme des Fluids auf eine Heizflüssigkeit an einen Heizungskreislauf angeschlossen ist, und der zweite Fluidleitungszweig in vorgesehener Fluidströmungsrichtung des ersten Fluidleitungszweigs stromaufwärts sowohl der Fluidpumpe als auch des dritten Wärmeübertragers in den ersten Fluidleitungszweig mündet, und der von der Einmündung des ersten Fluidleitungszweigs in die Zuleitung durch den zweiten Wärmeübertrager bis zur ersten Verzweigung verlaufende Fluidleitungsabschnitt pumpenfrei ist, sowie das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem derart ausgebildet ist, dass die jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig und den zweiten Fluidleitungszweig sowie in den dritten Fluidleitungszweig regelbar sind, wobei das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem stufenlos regelbare Regelventile für dieses Regeln umfasst, wird die Aufgabe gelöst.
  • Ein als Gaskühler/Kondensator ausgebildeter Wärmeübertrager kann ein Kondensator für im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs unterkritisch zu betreibendes Kältemittel oder ein Gaskühler für im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs überkritisch zu betreibendes Kältemittel sein oder er kann derart ausgebildet sein, dass er sowohl als Gaskühler als auch als Kondensator einsetzbar ist.
  • Das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem hat den Vorteil, dass durch die Regelbarkeit der Volumenströme des Fluids jeweils durch die drei Fluidleitungszweige eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Heizung und der Warmwasserbereitung gegeben ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Heizungskreislauf ein separater Kreislauf für die Heizungsflüssigkeit ist und über den dritten Wärmeübertrager thermisch an den ersten Fluidleitungszweig angeschlossen ist, wodurch keine Verunreinigungen aus dem Heizungskreislauf in das Fluid gelangen können und das Volumen des Heizungskreislaufs vom von der Wärmepumpe erwärmten Fluid nicht durchströmt zu werden braucht, was das System weniger schwerfällig werden lässt. Außerdem ist von Vorteil, dass der von der Einmündung des ersten Fluidleitungszweigs in die Zuleitung durch den zweiten Wärmeübertrager bis zur ersten Verzweigung verlaufende Fluidleitungsabschnitt pumpenfrei ist, denn damit ist dieser Bereich des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems platz- und materialsparend konstruierbar, wobei bereits in der Zuleitung angelegter Druck des Fluids nutzbar ist.
  • Von Vorteil sind auch die stufenlos regelbaren Regelventile für das Regeln der jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig und den zweiten Fluidleitungszweig sowie in den dritten Fluidleitungszweig. Dadurch wird die Flexibilität sowie die Genauigkeit des Regelns dieser Volumenströme des Fluids erhöht.
  • In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind die Regelventile für das Regeln der jeweiligen Volumenströme des Fluids zumindest zwei stufenlos regelbare Drei-Wege-Ventile, wovon das eine in der ersten Verzweigung und das andere in der zweiten Verzweigung angeordnet sind. Damit ist die Flexibilität sowie die Genauigkeit des Regelns dieser Volumenströme des Fluids besonders gut.
  • Vorzugsweise ist der Kältemittelkreislauf derart ausgebildet, dass das Kältemittel, wie vorzugsweise CO2, im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs überkritisch und der erste Wärmeübertrager sowie zweite Wärmeübertrager als Gaskühler zu betreiben sind, wobei der erste Wärmeübertrager Enthitzer ist. Die Kältemittelleitungen und Komponenten des Hochdruckbereichs des Kältemittelkreislaufs müssen dafür ausreichend druckfest sein, sodass sie Kältemitteldrücken von bis zum 150 bar standhalten. Damit ist die Wirksamkeit der Wärmepumpe vor allem bei niedrigen Temperaturen der Wärmequelle verbessert.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems ist zumindest einer des wenigstens einen Verdampfers als Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet und im Kältemittelkreislauf zum Übertragen von Wärme einer Wärmequellenflüssigkeit, wie vorzugsweise einer Sole eines Flüssigkeitskreislaufs, auf das Kältemittel angeordnet. Die Wärmequelle kann dabei vom Verdampfer entfernt liegen.
  • Vorzugsweise sind der erste und zweite Wärmeübertrager zusammengefügt als eine Wärmeübertragungseinheit ausgebildet. Dieses ist eine besonders kompakte und somit platzsparende sowie materialsparende Ausführung.
  • Bevorzugt ist die Fluidpumpe im ersten Fluidleitungszweig als in der Pumpleistung stufenlos regelbare Wasserpumpe ausgebildet. Damit lässt sich der Volumenstrom des Fluids durch den dritten Wärmeübertrager gut regeln, was die Flexibilität und Genauigkeit der Wärmeübertragung vom Fluid auf die Heizflüssigkeit im Heizungskreislauf verbessert.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems ist es derart ausgebildet, dass der erste Fluidleitungszweig nach dem Einmünden des zweiten Fluidleitungszweigs in diesen absperrbar ist und die Fluidströmungsrichtung im zweiten Fluidleitungszweig umschaltbar ist. Dadurch ist die Flexibilität der Warmwasserbereitung erhöht, denn der Anteil vom im zweiten Wärmeübertrager vorgewärmten Volumenstrom des Fluids in den dritten Fluidleitungszweig, der auch noch zur weiteren Erwärmung des Fluids den ersten Wärmeübertrager durchströmte, ist damit regulierbar, was die Einstellung der Temperatur des Fluids für den dritten Fluidleitungszweig und somit für die Warmwasserbereitung verbessert.
  • Bevorzugt führt der dritte Fluidleitungszweig zu einem an den dritten Fluidleitungszweig angeschlossenen Warmwasserspeicher und/oder zu einen Warmwasseraustritt.
  • Das Fluid ist dadurch als Speichermedium und/oder direkt als Warmwasser einsetzbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems ist der dritte Fluidleitungszweig Teil eines Fluidkreislaufs, in dem das Fluid bei Umgehung des dritten Wärmeübertragers durch die Zuleitung, den zweiten und ersten Wärmeübertrager bis wieder zur Zuleitung zirkulierbar ist. Besonders von Vorteil ist dabei eine Ausführung, bei der der dritte Fluidleitungszweig zu einem im Fluidkreislauf angeordneten vierten Wärmeübertrager für das Übertragen von Wärme des Fluids an ein Brauchwasser führt. Bei einer derartigen indirekten Warmwasserbereitung kann der Fluidkreislauf klein gehaltern werden.
  • Vorzugsweise umfasst das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem eine derart ausgebildete Steuerung, dass mit dieser das Regeln der jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig und den zweiten Fluidleitungszweig sowie in den dritten Fluidleitungszweig in der Weise steuerbar ist, dass das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem in einem reinen Heizungsbetrieb, in einem reinen Warmwasserbereitungsbetrieb und in einem ersten Parallelbetrieb aus reduziertem Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb sowie in einem zweiten Parallelbetrieb aus Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb betreibbar ist. Es sind also automatisch mit der Steuerung alternativ diese vier Betriebsmodi einstellbar und steuerbar. Bei dem ersten Parallelbetrieb mit reduziertem Heizungsbetrieb gelangt zum dritten Wärmeübertrager lediglich im zweiten Wärmeübertrager erwärmtes Fluid wohingegen im zweiten Parallelbetrieb mit nicht reduziertem Heizungsbetrieb das durch den dritten Wärmeübertrager strömende Fluid im zweiten und ersten Wärmeübertrager erwärmt wurde.
  • Das der Erfindung hinsichtlich eines Verfahrens zum Betreiben eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems zugrundeliegende Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Dadurch dass das Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems die vier Betriebsmodi
    1. a) reiner Heizungsbetrieb, bei dem zum Erwärmen der Heizungsflüssigkeit des Heizungskreislaufs das Fluid durch den dritten Wärmeübertrager strömt und kein Fluid in den dritten Fluidleitungszweig strömt,
    2. b) reiner Warmwasserbereitungsbetrieb, bei dem das Fluid in den dritten Fluidleitungszweig strömt und kein Fluid fluidseitig durch den dritten Wärmeübertrager strömt,
    3. c) erster Parallelbetrieb, von reduziertem Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb, bei dem kein Fluid durch den zweiten Fluidleitungszweig strömt und bei der zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager angeordneten ersten Verzweigung aufgeteilt das Fluid zum einen in den ersten Fluidleitungszweig zum dritten Wärmeübertrager für das Erwärmen der Heizungsflüssigkeit des Heizungskreislaufs strömt und zum anderen durch den ersten Wärmeübertrage in den dritten Fluidleitungszweig strömt und
    4. d) zweiter Parallelbetrieb von Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb, bei dem kein Fluid bei der zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager angeordneten ersten Verzweigung in den ersten Fluidleitungszweig strömt und das Fluid bei der zweiten Verzweigung nach dem ersten Wärmeübertrager aufgeteilt zum einen in den zweiten Fluidleitungszweig zum dritten Wärmeübertrager für das Erwärmen der Heizungsflüssigkeit des Heizungskreislaufs strömt und zum anderen in den dritten Fluidleitungszweig strömt,
    umfasst, wird die Aufgabe gelöst.
  • Es gelten für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend die Vorteile und diesbezüglichen obigen Angaben für das erfindungsgemäße Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst es als Betriebsmodus für das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem auch einen im Mischverhältnis regelbaren Mischbetrieb von erstem und zweiten Parallelbetrieb, wobei der Fluidstrom an der ersten Verzweigung und der an der zweiten Verzweigung jeweils aufgeteilt werden. Mit zusätzlich diesem Mischbetrieb von zwei Betriebsmodi ist das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem im Parallelbetrieb von Heizung und Warmwasserbereitung flexibler zu betreiben.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist es einen weiteren Betriebsmodus auf, bei dem beim reinen Warmwasserbereitungsbetrieb im Aufteilungsverhältnis geregelt an der ersten Verzweigung aufgeteilt ein Teil des Fluids durch den ersten Wärmeübertrager strömt und der andere Teil des Fluids zum zweiten Fluidleitungszweig und durch diesen zur zweiten Verzweigung strömt, in der beide Teilströme des Fluids wieder vereint weiter in den dritten Fluidleitungszweig strömen. Mit diesem zusätzlichen Betriebsmodus des reinen
  • Warmwasserbereitungsbetriebs ist das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem bei der Warmwasserbereitung flexibler zu betreiben. Die Einstellung der Temperatur des Fluids für den dritten Fluidleitungszweig ist dadurch verbessert.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren einen weiteren Betriebsmodus, bei dem beim reinen Heizungsbetrieb im Aufteilungsverhältnis geregelt an der ersten Verzweigung aufgeteilt ein Teil des Fluids durch den ersten Wärmeübertrager und weiter nach der zweiten Verzweigung durch den zweiten Fluidleitungszweig strömt und der andere Teil des Fluids von der ersten Verzweigung gleich durch den ersten Fluidleitungszweig strömt, und sich beide Teilströme des Fluids stromaufwärts des dritten Wärmeübertragers wieder vereinen. Mit diesem zusätzlichen Betriebsmodus des reinen Heizungsbetriebs ist das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem bei der Erwärmung der Heizflüssigkeit im Heizungskreislauf flexibler zu betreiben. Die Einstellung der Temperatur des Fluids im dritten Wärmeübertrager ist dadurch verbessert.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
  • Es zeigen
    • Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems;
    • Fig. 2 in schematischer Darstellung das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems im Betriebsmodus der reinen Warmwasserbereitung;
    • Fig. 3 in schematischer Darstellung das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems im Betriebsmodus des reinen Heizungsbetriebs;
    • Fig. 4 in schematischer Darstellung das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems im Betriebsmodus des ersten Parallelbetriebs von Warmwasserbereitung und reduzierter Heizung;
    • Fig. 5 in schematischer Darstellung das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems im Betriebsmodus des zweiten Parallelbetriebs von Warmwasserbereitung und nicht reduzierter Heizung;
    • Fig. 6 in schematischer Darstellung das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems im weiteren Betriebsmodus der reinen Warmwasserbereitung;
    • Fig. 7 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems; und
    • Fig. 8 als Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems.
    Ausführliche Beschreibung der Erfindung:
  • In Figur 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 dargestellt. Der als Wärmepumpe betreibbare Kältemittelkreislauf 3 umfasst mit Kältemittelleitungen im Kreislauf verbunden einen Verdichter 5, einen als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten ersten Wärmeübertrager 7 und einen in Kältemittelströmungsrichtung stromabwärts in Reihe geschalteten als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager 9, ein als Expansionsventil ausgebildetes Expansionsorgan 11 sowie einen als Kältemittel-Luft-Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 13. Denkbar ist auch ein Verdampfer 13, der ein Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher ist, und im Kältemittelkreislauf 3 zum Wärmeübertragen einer Wärmequellenflüssigkeit, wie beispielsweise einer Sole, eines Flüssigkeitskreislaufs auf das Kältemittel angeordnet ist.
  • Das Kältemittel ist in diesem Fall CO2. Der Kältemittelkreislauf ist dafür so ausgebildet, dass in seinem Hochdruckbereich das Kältemittel überkritisch und der erste Wärmeübertrager 7 sowie der zweite Wärmeübertrager 9 als Gaskühler betreibbar sind, wobei der erste Wärmeübertrager 7 Enthitzer ist. Denkbar ist auch eine Ausführung, bei der Kältemittel, wie zum Beispiel R1234yf, unterkritisch im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 3 betreibbar ist, wobei dann der erste und zweite Wärmeübertrager 7, 9 Kondensatoren sind.
  • Der erste Wärmeübertrager 7 und der zweite Wärmeübertrager 9 dienen jeweils zur Übertragung von Wärme vom Kältemittel auf ein Fluid. Das vorgesehene Fluid ist in diesem Fall Wasser. Für durch den ersten Wärmeübertrager 7 in Gegenstromrichtung zum Kältemittel strömendes Fluid ist der zweite Wärmeübertrager 9 stromaufwärts des ersten Wärmeübertrages 7 angeordnet. Beide sind als Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher, wie beispielsweise Plattenwärmetauscher, ausgebildet, wobei das Fluid Wasser als Flüssigkeit vorgesehen ist. Das mit entsprechend hohem Wasserdruck von beispielsweise acht bar von der Zuleitung 15 kommende Fluid strömt zum Fluideinlass 17 des zweiten Wärmeübertrages 9 und weiter durch den zweiten Wärmeübertrager 9 sowie durch die Fluidleitung 19 zur ersten Verzweigung 21. Dort zweigt von der Fluidleitung 19 der erste Fluidleitungszweig 23 ab. Er weist eine als stufenlos regelbare Wasserpumpe ausgebildete Fluidpumpe 25 und fluidseitig den dritten Wärmeübertrager 27 auf und führt zu der Einmündung 29 in die Zuleitung 15 vor oder an dem Fluideinlass 17 des zweiten Wärmeübertragers 9. Der dritte Wärmeübertrager 27 ist andererseits an einen Heizungskreislauf 31 angeschlossen und dient zur Übertragung von Wärme des Fluids auf die Heizflüssigkeit des Heizungskreislaufs 31. Die in Gegenströmung zum Fluidstrom durch den dritten Wärmeübertrager 27 mit der Umwälzpumpe 33 gepumpte erwärmte Heizflüssigkeit strömt für das Heizen eines Gebäudes zu den Heizeinrichtungen 35 wie beispielsweise Heizkörpern oder Rohren einer Fußbodenheizung und darauf im Heizungskreislauf 31 wieder zurück zum dritten Wärmeübertrager 27.
  • Der an der ersten Verzweigung 21 nicht in den ersten Fluidleitungszweig 23 abzweigende Teil des Fluidstroms strömt zur Fluidseite des ersten Wärmeübertragers 7, um in diesem zusätzlich Wärme vom Kältemittel aufzunehmen und dann weiter zur zweiten Verzweigung 37 zu strömen. An der zweiten Verzweigung 37 teilt sich die vom ersten Wärmeübertrager 7 kommende Fluidleitung in den zweiten Fluidleitungszweig 39 und den dritten Fluidleitungszweig 43 auf. Der zweite Fluidleitungszweig 39 mündet in der Leitungsverbindung 41 in vorgesehener Fluidströmungsrichtung des ersten Fluidleitungszweigs 23 stromaufwärts sowohl der Fluidpumpe 25 als auch des dritten Wärmeübertragers 27 in den ersten Fluidleitungszweig 23. Der dritte Fluidleitungszweig 43 führt weiter zu einem an diesen angeschlossenen Warmwasserspeicher und/oder zu einem Wasseraustritt für Warmwasser. Der Warmwasserspeicher und/oder Wasseraustritt sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 nicht gezeigt. Das Fluid hat nach einem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 9 ein Temperaturniveau zwischen beispielsweise 35 °C bis 45 °C und nach einem weiteren Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 7 ein Temperaturniveau zwischen beispielsweise 60 °C bis 75 °C.
  • Der von der Einmündung 29 des ersten Fluidleitungszweigs 23 in die Zuleitung 15 durch den zweiten Wärmeübertrager 9 bis zur ersten Verzweigung 21 verlaufende Fluidleitungsabschnitt ist pumpenfrei. Die Strömung des Fluids durch diesen Fluidleitungsabschnitt wird im Wesentlichen durch den in der Zuleitung 15 anliegenden Wasserdruck erzeugt.
  • Das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem 1 ist derart ausgebildet, dass die jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig 23 und den zweiten Fluidleitungszweig 39 sowie in den dritten Fluidleitungszweig 43 regelbar sind. Dafür ist jeweils als Regelventil in der ersten Verzweigung 21 und in der zweiten Verzweigung 37 ein stufenlos regelbares Drei-Wege-Ventile angeordnet, die beide von der Steuerung 45 aus automatisch steuerbar sind. Die Steuerung 45 steuert auch die Leistung des Verdichters 5 vom als Wärmepumpe betreibbaren Kältemittelkreislauf 3, die Fluidpumpe 25 im ersten Fluidleitungszweig 23 sowie die Umwälzpumpe 33 im Heizungskreislauf 31.
  • Das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem 1 ist beispielsweise für Gebäude oder auch für Fahrzeuge einsetzbar.
    • Eine Variante des in Figur 1 gezeigten
  • Ausführungsbeispiels vereinigt den ersten Wärmeübertrager 7 und den zweiten Wärmeübertrager 9 zusammengefügt in einer Wärmeübertragungseinheit. Einerseits zweigt der erste Fluidleitungszweig 23 dabei in der ersten Verzweigung 21 unmittelbar nach dem zweiten Wärmeübertrager 9 ab und anderseits schließt sich der erste Wärmeübertrager 7 fluidseitig unmittelbar an die erste Verzweigung 21 an.
  • In den Figuren 2 bis 6 sind verschiedene Betriebsmodi des in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 dargestellt. Die Bezugszeichen sind dabei unverändert zu denen in Figur 1. Nicht genutzte Leitungen und Komponenten sind gestrichelt gezeigt.
  • In Figur 2 ist schematisch das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 im Betriebsmodus der reinen Warmwasserbereitung dargestellt.
  • Der Verdichter 5 ist eingeschaltet, sodass das Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb im Kältemittelkreislauf 3 zirkuliert. Das durch die Komprimierung heiße Kältemittel gelangt vom Verdichter 5 zuerst in den ersten Wärmeübertrager 7, in dem es Wärme an das dort in Gegenströmung strömende Fluid abgibt. Dadurch entsprechend abgekühlt gelangt das zumindest noch warme Kältemittel in den zweiten Wärmeübertrager 9, in dem es weiter Wärme an das dort in Gegenströmung von der Zuleitung 15 kommende Fluid abgibt. Im darauffolgenden Expansionsorgan 11 wird das Kältemittel entspannt und kühlt sich ab. Das kondensierte Kältemittel nimmt daraufhin im Verdampfer 13 aus der Umgebungsluft Wärme auf und verdampft, um dann wiederum des Verdichters 5 zu gelangen.
  • Das von der Zuleitung 15 kommende zu erwärmende Fluid strömt zur Aufnahme von Wärme des Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager 9 und weiter durch die Fluidleitung 19 zur ersten Verzweigung 21. Das Drei-Wege-Ventil in der ersten Verzweigung 21 ist von der Steuerung 45 so geregelt, dass der Abzweig in den ersten Fluidleitungszweig 23 abgesperrt ist und der Volumenstrom des Fluids ungeteilt zum ersten Wärmeübertrager 7 geleitet wird. In diesem wird das Fluid weiter erwärmt und zur zweiten Verzweigung 37 geleitet. Das dortige Drei-Wege-Ventil ist von der Steuerung 45 so geregelt, dass der zweite Fluidleitungszweig 39 abgesperrt ist und der Volumenstrom des erwärmten Fluids ungeteilt in den dritten Fluidleitungszweig 43 geleitet wird, durch den es zum Warmwasserspeicher und/oder zum Warmwasseraustritt gelangt.
  • In diesem reinen Warmwasserbereitungsbetrieb des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 werden der erste Fluidleitungszweig 23 und der zweite Fluidleitungszweig 39 nicht von Fluid durchströmt und die Fluidpumpe 25, der dritte Wärmeübertrager 27 und der Heizungskreislauf 31 sind außer Funktion.
  • In Figur 3 ist schematisch das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 im Betriebsmodus des reinen Heizungsbetriebs dargestellt.
  • Der Verdichter 5 ist eingeschaltet, sodass das Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb im Kältemittelkreislauf 3 zirkuliert.
  • Das von der Einmündung 29 in die Zuleitung 15 kommende zu erwärmende Fluid strömt zur Aufnahme von Wärme des Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager 9 und weiter durch die Fluidleitung 19 zur ersten Verzweigung 21. Das Drei-Wege-Ventil in der ersten Verzweigung 21 ist von der Steuerung 45 so geregelt, dass der Abzweig in den ersten Fluidleitungszweig 23 abgesperrt ist und der Volumenstrom des Fluids ungeteilt zum ersten Wärmeübertrager 7 geleitet wird. In diesem wird das Fluid weiter erwärmt und zur zweiten Verzweigung 37 geleitet. Das dortige Drei-Wege-Ventil ist von der Steuerung 45 derart geregelt, dass der dritte Fluidleitungszweig 43 abgesperrt ist und der Volumenstrom des erwärmten Fluids ungeteilt in den zweiten Fluidleitungszweig 39 geleitet wird, durch den es an der Leitungsverbindung 41 in den ersten Fluidleitungszweig 23 gelangt. Dort pumpt die Fluidpumpe 25 von der Steuerung 45 gesteuert das Fluid durch den dritten Wärmeübertrager 27 wieder zur Einmündung 29 in die Zuleitung 15, von wo es erneut zum zweiten Wärmeübertrager 9 strömt. Im dritten Wärmeübertrager 27 gibt das Fluid Wärme an die dort in Gegenströmungsrichtung strömende Heizflüssigkeit des Heizungskreislaufs 31 ab. Die Umwälzpumpe 33 ist dabei von der Steuerung 45 gesteuert eingeschaltet. In den Heizeinrichtungen 35 wird die von der Heizflüssigkeit aufgenommen Wärme zur Erwärmung des Gebäudes eingesetzt.
  • In diesem reinen Heizungsbetrieb des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 wird das Fluid nur für die Heizung erwärmt, wobei es im zweiten und ersten Wärmeübertrager 9, 7 Wärme vom Kältemittel aufnimmt. Es kommt von außen durch die Zuleitung 15 kein Fluid hinzu, weil kein Fluid durch den dritten Fluidleitungszweig 43 als Warmwasser abfließt. Die eingeschaltete geregelte Fluidpumpe 25 lässt das Fluid im Volumenstrom geregelt zirkulieren.
  • In Figur 4 ist schematisch das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 im Betriebsmodus des ersten Parallelbetriebs von Warmwasserbereitung und reduzierter Heizung dargestellt.
  • Der Verdichter 5 ist eingeschaltet, sodass das Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb im Kältemittelkreislauf 3 zirkuliert.
  • Das von der Zuleitung 15 kommende zu erwärmende Fluid strömt zur Aufnahme von Wärme des Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager 9 und weiter durch die Fluidleitung 19 zur ersten Verzweigung 21. Das Drei-Wege-Ventil in der ersten Verzweigung 21 ist von der Steuerung 45 so geregelt, dass der eine Teil des Fluidstroms in den ersten Fluidleitungszweig 23 abzweigt und der andere Teil des Fluidstroms zum ersten Wärmeübertrager 7 geleitet wird. In diesem wird dieser andere Teil des Fluidstroms weiter erwärmt und zur zweiten Verzweigung 37 geleitet. Das dortige Drei-Wege-Ventil ist von der Steuerung 45 derart geregelt, dass der zweite Fluidleitungszweig 39 abgesperrt ist und der Teil des zusätzlich im ersten Wärmeübertrager 7 erwärmten Fluidstroms in den dritten Fluidleitungszweig 43 geleitet wird, durch den das Fluid zum Warmwasserspeicher und/oder zum Warmwasseraustritt gelangt.
  • Der bei der ersten Verzweigung 21 in den ersten Fluidleitungszweig 23 abzweigende Teil des Fluidstroms wird von der Fluidpumpe 25 durch den dritten Wärmeübertrager 27 wieder zur Einmündung 29 in die Zuleitung 15 gepumpt, von wo es erneut zum zweiten Wärmeübertrager 9 strömt. Im dritten Wärmeübertrager 27 gibt das Fluid Wärme an die dort in Gegenströmungsrichtung strömende Heizflüssigkeit des Heizungskreislaufs 31 ab. Die Umwälzpumpe 33 ist dabei von der Steuerung 45 gesteuert eingeschaltet. In den Heizeinrichtungen 35 wird die von der Heizflüssigkeit aufgenommen Wärme zur Erwärmung des Gebäudes eingesetzt.
  • In diesem ersten Parallelbetrieb mit Warmwasserbereitung und reduzierter Heizung wird der zweite Fluidleitungszweig 39 nicht von Fluid durchströmt, sodass zum dritten Wärmeübertrager 27 für die Heizung nur im zweiten Wärmeübertrager 9 erwärmtes Fluid gelangt. Dadurch dass dieser Teil des Fluids im ersten Wärmeübertrager 7 keine Wärme des dort heißeren Kältemittels aufnimmt, ist die Temperatur dieses Teilstroms des Fluids nicht so hoch, sodass im dritten Wärmeübertrager 27 auf die Heizflüssigkeit weniger Wärme bei geringerer Temperatur übertragen wird, also die Heizung nur reduziert betrieben wird.
  • Die Steuerung 45 steuert das Verhältnis der Größe der Volumenströme der beiden Teilströme des Fluids durch das stufenlose Regeln des Drei-Wege-Ventils der ersten Verzweigung 21 sowie der Fluidpumpe 25. Damit wird der Anteil zur Warmwasserbereitung und der Anteil zur reduzierten Heizung je nach Bedarf stufenlos eingestellt.
  • In Figur 5 ist schematisch das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 im Betriebsmodus des zweiten Parallelbetriebs von Warmwasserbereitung und nicht reduzierter Heizung dargestellt.
  • Der Verdichter 5 ist eingeschaltet, sodass das Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb im Kältemittelkreislauf 3 zirkuliert.
  • Das von der Zuleitung 15 kommende zu erwärmende Fluid strömt zur Aufnahme von Wärme des Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager 9 und weiter durch die Fluidleitung 19 zur ersten Verzweigung 21. Das Drei-Wege-Ventil in der ersten Verzweigung 21 ist von der Steuerung 45 so geregelt, dass der Abzweig in den ersten Fluidleitungszweig 23 abgesperrt ist und der Volumenstrom des Fluids ungeteilt zum ersten Wärmeübertrager 7 geleitet wird. In diesem wird das Fluid weiter erwärmt und zur zweiten Verzweigung 37 geleitet. Das dortige Drei-Wege-Ventil ist von der Steuerung 45 derart geregelt, dass der Fluidstrom aufgeteilt wird, wobei der eine Teil des Fluidstroms in den zweiten Fluidleitungszweig 39 abzweigt und der andere Teil des Fluidstroms in den dritten Fluidleitungszweig 43 geleitet wird, durch den das Fluid zum Warmwasserspeicher und/oder zum Warmwasseraustritt gelangt. Der in den zweiten Fluidleitungszweig 39 abzweigende Teil des Fluidstroms mündet bei der Leitungsverbindung 41 in den ersten Fluidleitungszweig 23 und wird von der Fluidpumpe 25 durch den dritten Wärmeübertrager 27 wieder zur Einmündung 29 in die Zuleitung 15 gepumpt, von wo das Fluid erneut zum zweiten Wärmeübertrager 9 strömt. Im dritten Wärmeübertrager 27 gibt das Fluid Wärme an die dort in Gegenströmungsrichtung strömende Heizflüssigkeit des Heizungskreislaufs 31 ab. Die Umwälzpumpe 33 ist dabei von der Steuerung 45 gesteuert eingeschaltet. In den Heizeinrichtungen 35 wird die von der Heizflüssigkeit aufgenommen Wärme zur Erwärmung des Gebäudes eingesetzt.
  • In diesem zweiten Parallelbetrieb mit Warmwasserbereitung und nicht reduzierter Heizung wird der zweite Fluidleitungszweig 39 von Fluid durchströmt, sodass zum dritten Wärmeübertrager 27 für die Heizung nur sowohl im zweiten Wärmeübertrager 9 als auch im ersten Wärmeübertrager 7 erwärmtes Fluid gelangt. Dadurch dass dieser Teil des Fluids zusätzlich Wärme des im ersten Wärmeübertrager 7 deutlich heißeren Kältemittels aufnimmt, ist die Temperatur dieses Teilstroms entsprechend hoch, sodass im dritten Wärmeübertrager 27 auf die Heizflüssigkeit mehr Wärme bei entsprechend höherer Temperatur als bei reduziertem Heizbetrieb übertragen wird, also die Heizung nicht reduziert betrieben wird.
  • Die Steuerung 45 steuert das Verhältnis der Größe der Volumenströme der beiden Teilströme des Fluids durch das stufenlose Regeln des Drei-Wege-Ventils der zweiten Verzweigung 37 sowie der Fluidpumpe 25. Damit wird der Anteil zur Warmwasserbereitung und der Anteil zur nicht reduzierten Heizung je nach Bedarf stufenlos eingestellt.
  • In Figur 6 ist schematisch das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 in einem weiteren Betriebsmodus der reinen Warmwasserbereitung dargestellt.
  • Der Verdichter 5 ist eingeschaltet, sodass das Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb im Kältemittelkreislauf 3 zirkuliert.
  • Das von der Zuleitung 15 kommende zu erwärmende Fluid strömt zur Aufnahme von Wärme des Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager 9 und weiter durch die Fluidleitung 19 zur ersten Verzweigung 21. Das Drei-Wege-Ventil in der ersten Verzweigung 21 ist von der Steuerung 45 so geregelt, dass der Volumenstrom des Fluids aufgeteilt wird, wobei der eine Teil in den ersten Fluidleitungszweig 23 und der andere Teil des Fluidstroms zum ersten Wärmeübertrager 7 geleitet wird. In diesem wird dieser Teil des Fluidstroms weiter erwärmt und zur zweiten Verzweigung 37 geleitet. Der in den ersten Fluidleitungszweig 23 bei der ersten Verzweigung 21 abgezweigte Teil des Fluidstroms strömt an der Leitungsverbindung 41 in den in umgekehrter Fluidströmungsrichtung geschalteten zweiten Fluidleitungszweig 39 zur zweiten Verzweigung 37 und nicht weiter in Richtung des dritten Wärmeübertragers 27, denn die Fluidpumpe 25 ist von der Steuerung 45 ausgeschaltet und sperrt somit die Fluidleitung dieses Bereichs des ersten Fluidleitungszweigs 23 ab. Im von der Steuerung 45 freigeschalteten Drei-Wege-Ventil der zweiten Verzweigung 37 vereinigen sich die beiden Teilströme des Fluids wieder und strömen als gesamter Volumenstrom in den dritten Fluidleitungszweig 43, durch den das Fluid zum Warmwasserspeicher und/oder zum Warmwasseraustritt gelangt.
  • In diesem reinen Warmwasserbereitungsbetrieb des Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 sind die Fluidpumpe 25, der dritte Wärmeübertrager 27 und der Heizungskreislauf 31 außer Funktion. Die Steuerung 45 steuert das Verhältnis der Größe der Volumenströme der beiden Teilströme des Fluids durch das stufenlose Regeln des Drei-Wege-Ventils der ersten Verzweigung 21. Damit wird der Anteil der Warmwasserbereitung, bei dem das Wasser zusätzlich im ersten Wärmeübertrager 7 weiter erwärmt wird, stufenlos geregelt und damit die Temperatur des durch den dritten Fluidleitungszweig 43 abfließenden gesamten Warmwasserstrom an den Bedarf angepasst eingestellt.
  • In Figur 7 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 dargestellt. Es entspricht in weiten Teilen dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Es wurden sämtliche der zu Figur 1 verwendeten Bezugszeichen in Figur 7 für gleiche Komponenten verwendet, wobei der Verdampfer 13 in diesem Fall ein Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher ist und der Wärmeaufnahme des Kältemittels von einer Wärmequellenflüssigkeit eines Flüssigkeitskreislaufs 55, in dem Wärmequellenflüssigkeit von einer Wärmequelle mittels einer von der Steuerung 45 steuerbaren Pumpe 57 zum Verdampfer 13 transportiert wird, dient. Die Wärmequellenflüssigkeit ist beispielsweise eine Sole. Ansonsten entspricht der Aufbau des Kältemittelkreislaufs 3 mit seinen Komponenten dem in Figur 1 gezeigten. Auch der an den dritten Wärmeübertrager 27 angeschlossen Heizungskreislauf 31 mit Umwälzpumpe 33 und Heizeinrichtungen 35 entspricht dem in Figur 1. Außerdem ist die Anordnung der Fluidleitungen mit dem ersten, zweiten und dritten Fluidleitungszweig 23, 39, 44, den drei Wärmeübertragern 7,9, 27, der ersten und zweiten Verzweigung 21, 37 und deren stufenlos regelbaren Drei-Wege-Ventilen aus Figur 1 übernommen. Jedoch ist die Fluidpumpe 25 im ersten Fluidleitungszweig 23 stromabwärts des dritten Wärmeübertrages 27 positioniert. Ferner ist der dritte Fluidleitungszweig 43 in diesem Fall Teil eines Fluidkreislaufs 47, in dem das Fluid bei Umgehung des dritten Wärmeübertragers 27 durch die Zuleitung 15, den zweiten und ersten Wärmeübertrager 9, 7 bis wieder zur Zuleitung 15 zirkulierbar ist. In dem Abschnitt vom dritten Fluidleitungszweig 43 bis zur Zuleitung 15 sind im Fluidkreislauf 47 ein vierter Wärmeübertrager 51 und eine Fluidpumpe 49 zum Pumpen des Fluids in die Zuleitung 15 zum zweiten Wärmeübertrager 9 angeordnet. Das Fluid ist Wasser oder ein anderes geeignetes Fluid zum Wärmetransport, wie beispielsweise ein geeignetes Öl oder Gas. Der vierte Wärmeübertrager 51 dient zum Übertragen von Wärme des Fluids an ein Brauchwasser, das dort in Gegenstromrichtung zum Fluid und weiter durch die Warmwasserleitung 53 strömbar ist. Das Brauchwasser ist also über den Fluidkreislauf 47 von dem als Wärmepumpe betriebenen Kältemittelkreislauf 3 indirekt erwärmbar. Das derart erwärmte Brauchwasser ist als Warmwasser nutzbar.
  • Die von der Steuerung 45 einstellbaren Betriebsmodi des in Figur 7 gezeigten Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems 1 entsprechend denen zu den Figuren 2 bis 6 beschriebenen.
  • Das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem 1 ist beispielsweise für Gebäude oder auch für Fahrzeuge einsetzbar.
  • Figur 8 zeigt als Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems, wie beispielsweise eins von den in Figuren 1 und 7 gezeigten Systemen.
  • Im ersten Schritt 100 wird der Bedarf für Warmwasserbereitung und der für die Heizung für das Gebäude oder Fahrzeug, für das das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems eingesetzt wird, ermittelt. Im zweiten Schritt 110 wird anhand der Ergebnisse des Schrittes 100 entschieden, welcher der zu den Figuren 2 bis 6 beschriebenen Betriebsmodi von reinem Warmwasserbereitungsbetrieb, reinem Heizungsbetrieb, erstem und zweitem Parallelbetrieben gewählt wird. In den je nach Auswahl des Betriebsmodus folgenden Schritten 120A bis 120E erfolgt die Feineinstellung des jeweiligen Betriebsmodus je nach dem in Schritt 100 ermittelten Bedarfs. So wird bei den beiden Parallelbetrieben die Aufteilung der beiden Fluidströme für die Heizung und das Warmwasser entsprechenden dem ermittelten Bedarf von der Steuerung stufenlos eingestellt. Bei dem reinen Warmwasserbereitungsbetrieb wird die Größe des auch durch den ersten Wärmeübertrager strömenden Anteils des Fluidstroms, je nach ermitteltem Bedarf von der Steuerung eingestellt. Bei dem reinen Heizungsbetrieb wird nach ermitteltem Bedarf die Größe des Anteils von reduzierter Heizung und nicht reduzierter Heizung eingestellt, also das Aufteilungsverhältnis an der ersten Verzweigung aufgeteilt ein Teil des Fluidstroms auch durch den ersten Wärmeübertrager und weiter nach der zweiten Verzweigung durch den zweiten Fluidleitungszweig strömt und der andere Teil des Fluidstroms von der ersten Verzweigung gleich durch den ersten Fluidleitungszweig strömt, und sich beide Teilströme des Fluids stromaufwärts des dritten Wärmeübertrager wieder vereinen, geregelt.
  • Nach einer vorgegebenen Zeitspanne von beispielsweise 10 Sekunden beginnt nach den zueinander alternativ ablaufenden Schritten 120A bis 120E das Verfahren erneut durchzulaufen.
  • Denkbar ist im Schritt 110 bei der Auswahl der Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems ein Mischbetrieb von erstem und zweitem Parallelbetrieb umfasst, wobei der Fluidstrom an der ersten Verzweigung und der an der zweiten Verzweigung jeweils aufgeteilt werden.

Claims (15)

  1. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) mit einem als Wärmepumpe betreibbaren Kältemittelkreislauf (3) mit wenigstens einem Expansionsorgan (11), wenigstens einem Verdampfer (13), wenigstens einem Verdichter (5), einem als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten ersten Wärmeübertrager (7) zum Übertragen von Wärme des verdichteten Kältemittels auf ein Fluid, wie vorzugsweise Wasser, und einen zum ersten Wärmeübertrager (7) in Kältemittelströmungsrichtung stromabwärts in Reihe geschalteten als Gaskühler/Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager (9) zum Übertragen von Wärme des Kältemittels auf das Fluid, und wobei das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) derart ausgebildet ist, dass hinsichtlich des in vorgesehener Gegenstromrichtung zum Kältemittel durch den ersten Wärmeübertrager (7) strömbare Fluids der zweite Wärmeübertrager (9) stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers (7) angeordnet ist, und die Fluidleitung (19) für das Fluid zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager (9, 7) eine erste Verzweigung (21) aufweist und ein bei der ersten Verzweigung (21) abzweigender erster Fluidleitungszweig (23) in eine Zuleitung (15) für das Fluid vor oder am Fluideinlass (17) des zweiten Wärmeübertragers (9) mündet,
    und die Fluidleitung nach dem ersten Wärmeübertrager (7) eine zweite Verzweigung (37) in einen zweiten Fluidleitungszweig (39) und einen dritten Fluidleitungszweig (43) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass
    - im ersten Fluidleitungszweig (23) für das Fluid eine Fluidpumpe (25) angeordnet ist;
    - der erste Fluidleitungszweig (23) fluidseitig einen dritten Wärmeübertrager (27) umfasst, der zum Übertragen von Wärme des Fluids auf eine Heizflüssigkeit an einen Heizungskreislauf (31) angeschlossen ist;
    - der zweite Fluidleitungszweig (39) in vorgesehener Fluidströmungsrichtung des ersten Fluidleitungszweigs (23) stromaufwärts sowohl der Fluidpumpe (25) als auch des dritten Wärmeübertragers (27) in den ersten Fluidleitungszweig (23) mündet;
    - der von der Einmündung (29) des ersten Fluidleitungszweigs (23) in die Zuleitung (15) durch den zweiten Wärmeübertrager (9) bis zur ersten Verzweigung (21) verlaufende Fluidleitungsabschnitt pumpenfrei ist; und
    - das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) derart ausgebildet ist, dass die jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig (23) und den zweiten Fluidleitungszweig (39) sowie in den dritten Fluidleitungszweig (43) regelbar sind, wobei das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) stufenlos regelbare Regelventile für dieses Regeln umfasst.
  2. Heizungs- und Warmwasserbereitungssysteme (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventile für das Regeln der jeweiligen Volumenströme des Fluids zumindest zwei stufenlos regelbare Drei-Wege-Ventile sind, wovon das eine in der ersten Verzweigung (21) und das andere in der zweiten Verzweigung (37) angeordnet sind.
  3. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (3) derart ausgebildet ist, dass das Kältemittel, wie vorzugsweise CO2, im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs (3) überkritisch und der erste Wärmeübertrager (7) sowie zweite Wärmeübertrager (9) als Gaskühler zu betreiben sind, wobei der erste Wärmeübertrager (7) Enthitzer ist.
  4. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer des wenigstens einen Verdampfers (13) als Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist und im Kältemittelkreislauf (3) zum Wärmeübertragen einer Wärmequellenflüssigkeit, wie vorzugsweise einer Sole eines Flüssigkeitskreislaufs (55), auf das Kältemittel angeordnet ist.
  5. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Wärmeübertrager (7, 9) zusammengefügt als eine Wärmeübertragungseinheit ausgebildet sind.
  6. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpumpe (25) im ersten Fluidleitungszweig (23) als in der Pumpleistung stufenlos regelbare Wasserpumpe ausgebildet ist.
  7. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es derart ausgebildet ist, dass der erste Fluidleitungszweig (23) nach dem Einmünden des zweiten Fluidleitungszweigs (39) in diesen absperrbar ist und die Fluidströmungsrichtung im zweiten Fluidleitungszweig (39) umschaltbar ist.
  8. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Fluidleitungszweig (43) zu einem an den dritten Fluidleitungszweig (43) angeschlossenen Warmwasserspeicher und/oder zu einem Warmwasseraustritt führt.
  9. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Fluidleitungszweig (43) Teil eines Fluidkreislaufs (47) ist, in dem das Fluid bei Umgehung des dritten Wärmeübertragers (27) durch die Zuleitung (15), den zweiten und ersten Wärmeübertrager (9, 7) bis wieder zur Zuleitung (15) zirkulierbar ist.
  10. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Fluidleitungszweig (43) zu einem im Fluidkreislauf (47) angeordneten vierten Wärmeübertrager (51) für das Übertragen von Wärme des Fluids an ein Brauchwasser führt.
  11. Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine derart ausgebildete Steuerung (45) umfasst, dass mit dieser das Regeln der jeweiligen Volumenströme des Fluids durch den ersten Fluidleitungszweig (23) und den zweiten Fluidleitungszweig (39) sowie in den dritten Fluidleitungszweig (43) in der Weise steuerbar ist, dass das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) in einem reinen Heizungsbetrieb, in einem reinen Warmwasserbereitungsbetrieb und in einem ersten Parallelbetrieb aus reduziertem Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb sowie in einem zweiten Parallelbetrieb aus Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb betreibbar ist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass es die vier Betriebsmodi umfasst
    a) reiner Heizungsbetrieb (120A), bei dem zum Erwärmen der Heizungsflüssigkeit des Heizungskreislaufs (31) das Fluid durch den dritten Wärmeübertrager (27) strömt und kein Fluid in den dritten Fluidleitungszweig (43) strömt;
    b) reiner Warmwasserbereitungsbetrieb (120B), bei dem das Fluid in den dritten Fluidleitungszweig (43) strömt und kein Fluid fluidseitig durch den dritten Wärmeübertrager (27) strömt;
    c) erster Parallelbetrieb (120C) von reduziertem Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb, bei dem kein Fluid durch den zweiten Fluidleitungszweig (39) strömt und bei der zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager (9, 7) angeordneten ersten Verzweigung (21) aufgeteilt das Fluid zum einen in den ersten Fluidleitungszweig (23) zum dritten Wärmeübertrager (27) für das Erwärmen der Heizungsflüssigkeit des Heizungskreislaufs (31) strömt und zum anderen durch den ersten Wärmeübertrager (7) weiter in den dritten Fluidleitungszweig (43) strömt; und
    d) zweiter Parallelbetrieb (120D) von Heizungsbetrieb und Warmwasserbereitungsbetrieb, bei dem kein Fluid bei der zwischen dem zweiten und ersten Wärmeübertrager (9, 7) angeordneten ersten Verzweigung (21) in den ersten Fluidleitungszweig (23) strömt und das Fluid bei der zweiten Verzweigung (37) nach dem ersten Wärmeübertrager (7) aufgeteilt zum einen in den zweiten Fluidleitungszweig (39) zum dritten Wärmeübertrager (27) für das Erwärmen der Heizungsflüssigkeit des Heizungskreislaufs (31) strömt und zum anderen in den dritten Fluidleitungszweig (43) strömt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass es als Betriebsmodus für das Heizungs- und Warmwasserbereitungssystem (1) auch einen im Mischverhältnis regelbaren Mischbetrieb von erstem und zweitem Parallelbetrieb (120C, 120D) umfasst, wobei der Fluidstrom an der ersten Verzweigung (21) und der an der zweiten Verzweigung (37) jeweils aufgeteilt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass beim reinen Warmwasserbereitungsbetrieb in einem weiteren Betriebsmodus (120E) im Aufteilungsverhältnis geregelt an der ersten Verzweigung (21) aufgeteilt ein Teil des Fluids durch den ersten Wärmeübertrager (7) strömt und der andere Teil des Fluids zum zweiten Fluidleitungszweig (39) und durch diesen zur zweiten Verzweigung (37) strömt, in der beide Teilströme des Fluids wieder vereint weiter in den dritten Fluidleitungszweig (43) strömen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass beim reinen Heizungsbetrieb in einem weiteren Betriebsmodus im Aufteilungsverhältnis geregelt an der ersten Verzweigung (21) aufgeteilt ein Teil des Fluids durch den ersten Wärmeübertrager (7) und weiter nach der zweiten Verzweigung (37) durch den zweiten Fluidleitungszweig (39) strömt und der andere Teil des Fluids von ersten Verzweigung (21) gleich durch den ersten Fluidleitungszweig (23) strömt, und sich beide Teilströme des Fluids stromaufwärts des dritten Wärmeübertragers (27) wieder vereinen.
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