EP4644802A1 - Wärmepumpe und verfahren zum betreiben der wärmepumpe - Google Patents

Wärmepumpe und verfahren zum betreiben der wärmepumpe

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EP4644802A1
EP4644802A1 EP25173160.0A EP25173160A EP4644802A1 EP 4644802 A1 EP4644802 A1 EP 4644802A1 EP 25173160 A EP25173160 A EP 25173160A EP 4644802 A1 EP4644802 A1 EP 4644802A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
heat
refrigerant
circuit
heat pump
Prior art date
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Pending
Application number
EP25173160.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Vaupel
Michael Kessler
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.)
Viessmann Holding International GmbH
Original Assignee
Viessmann Holding International GmbH
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 Viessmann Holding International GmbH filed Critical Viessmann Holding International GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2106—Temperatures of fresh outdoor air

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump for heating and cooling a building and to a method for operating the heat pump.
  • Heat pumps make it possible to use freely available energy from the environment to heat and/or cool a building, thus contributing to the reduction of CO2 emissions in the building sector.
  • a heat pump can be used for both heating and cooling because its heat exchangers can function as both evaporators and condensers.
  • a heat exchanger that acts as a condenser during heating can function as an evaporator during cooling, and vice versa. This allows, for instance, a secondary circuit of the corresponding heat exchanger to transfer heat to the building during heating and absorb heat from the building during cooling.
  • Heat pumps of this type typically contain an expansion valve through which the refrigerant exiting the condenser (the heat exchanger) is expanded before entering the evaporator (the heat exchanger).
  • the refrigerant For precise metering of the refrigerant to be evaporated by the expansion valve, the refrigerant must be in liquid form upstream of the valve.
  • a refrigerant receiver can be located upstream of the expansion valve, separating the liquid and gaseous phases of the refrigerant using gravity.
  • the receiver is located downstream of the expansion valve and is therefore ineffective, thus reducing the efficiency of the heat pump.
  • Reversing the refrigerant cycle can also be used to eliminate icing of a heat exchanger in an outdoor unit of an air-to-water heat pump, which acts as an evaporator during heating operation. This can occur under certain weather conditions, particularly at ambient temperatures below 7°C to 10°C.
  • reversing the refrigerant cycle means that heat, for example from the building's heating/cooling circuit, is supplied to defrost the heat exchanger, which then functions as a condenser.
  • One object of the present invention is to overcome the disadvantages described above and to provide a compact heat pump, in particular a compact air-to-water heat pump, with increased service life and efficiency in heating and cooling operation.
  • a heat pump according to the invention for heating and cooling a building has a refrigerant circuit in which a refrigerant circulates.
  • the heat pump can, in particular, be designed as an air-to-water heat pump with an outdoor unit and an indoor unit.
  • the refrigerant circuit comprises a first heat exchanger, which uses ambient air as both a heat source and a heat sink, and a second heat exchanger, which uses the building's heating/cooling circuit as both a heat source and a heat sink.
  • the first heat exchanger can function as an evaporator and the second as a condenser;
  • the second heat exchanger can function as an evaporator and the first as a condenser.
  • the first heat exchanger can, in particular, be a finned heat exchanger installed in the outdoor unit of the heat pump.
  • the second heat exchanger can, for example, be a It will be a plate heat exchanger whose secondary side is connected to the building's heating/cooling circuit.
  • the refrigerant circuit includes a directional control valve designed to adjust/reverse the flow direction of the refrigerant within the circuit, thus switching the heat pump from heating to cooling mode and vice versa.
  • This directional control valve can be, in particular, a 4/2-way valve.
  • the refrigerant circuit includes a compressor located between the first and second heat exchangers, and an expansion valve located between the second and first heat exchangers.
  • the compressor is located downstream of the first heat exchanger and upstream of the second
  • the expansion valve is located downstream of the second heat exchanger and upstream of the first.
  • the compressor can be a variable-speed compressor
  • the expansion valve can be a thermostatic or electronic expansion valve.
  • the refrigerant circuit of the heat pump according to the invention contains a third heat exchanger, which is arranged between the expansion valve and the first heat exchanger. and uses the ground as a heat source and heat sink.
  • the position of the third heat exchanger "between the expansion valve and the first heat exchanger" should be understood to mean that the third heat exchanger, or elements of the third heat exchanger, can also be arranged within the first heat exchanger.
  • the third heat exchanger can be arranged between the expansion valve and an outlet of the first heat exchanger if the latter operates as an evaporator, and between an inlet of the first heat exchanger and the expansion valve if the latter operates as a condenser.
  • a secondary side of the third heat exchanger can be connected to a heat transfer circuit in which a heat transfer fluid circulates.
  • the heat transfer fluid can be, in particular, a mixture of water and antifreeze (brine).
  • Other suitable heat transfer fluids are also possible.
  • the heat transfer circuit can include a pump for circulating the heat transfer fluid within the circuit and a fourth heat exchanger.
  • the fourth heat exchanger can be configured to transfer heat to or from the ground.
  • the pump can, for example, be a variable-speed pump by means of which a flow rate of the heat transfer fluid in the circuit can be set. Alternatively or additionally, the pump can have a variable displacement volume.
  • the pump can be connected to and controlled by a control device of the heat pump.
  • the pump can, for example, be located upstream of the fourth heat exchanger and downstream of the third heat exchanger.
  • the pump can be integrated into a housing of the control device.
  • the fourth heat exchanger can at least
  • the system comprises a ground-source heat collector.
  • This can be installed in the ground at a depth of 1m to 10m, particularly at a depth of 2m to 4m. At this depth, the ground-source heat collectors are subject to only minor seasonal temperature fluctuations, typically ranging from 7°C to 13°C.
  • the ground-source heat collector can be designed as a ground-source heat exchanger basket or as a flat-plate collector, with the use of a ground-source heat exchanger basket allowing for a particularly space-saving arrangement of the fourth heat exchanger.
  • a flat-plate collector it can, for example, have a corrugated surface area, thus providing more heat transfer surface for the same length and width.
  • the corrugated surface can be formed, for example, by an essentially parallel arrangement of tubular heat transfer pipes.
  • Such a ground-source heat collector is used, for example, in DE 20 2019 003 763 U1 revealed.
  • the installation of at least one ground source heat exchanger can be combined with the work to construct a foundation for the outdoor unit of the heat pump, thus optimizing the installation effort.
  • no geological surveys of the ground or deep drilling are required in connection with the installation of the ground source heat exchanger(s).
  • the third heat exchanger can be attached to or within an inlet section of the refrigerant entering the first heat exchanger.
  • the third heat exchanger can be in thermally conductive contact with the inlet section and/or the first heat exchanger.
  • the inlet section can be located between the expansion valve and the first
  • the heat exchanger is arranged and configured to supply two-phase refrigerant at a low pressure level, evenly distributed, to the first heat exchanger during the heating operation of the heat pump.
  • the inlet section can extend into an interior of the first heat exchanger, in particular to one or more heat transfer elements of the first heat exchanger.
  • the inlet section can extend to its core tubes.
  • the inlet section to the first heat exchanger can comprise a plurality of distribution tubes that are fluidically and mechanically connected to the first heat exchanger.
  • the inlet section can include a Venturi distributor that is connected, for instance, to the expansion valve via a single tube and to the first heat exchanger via a plurality of distribution tubes.
  • the third heat exchanger can, for example, be fluidically and/or mechanically connected to one or more of the plurality of distribution tubes, thereby establishing a thermally conductive contact.
  • the third heat exchanger can have a plurality of refrigerant connections that are fluidically connected to the inlet section of the first heat exchanger.
  • the refrigerant connections can, for example, be located on a side of the third heat exchanger facing the first heat exchanger. Any other suitable position for attaching the refrigerant connections to/in the third heat exchanger is equally possible.
  • the first heat exchanger is designed as a finned heat exchanger, one or more of its core tubes can be directly connected to one or more refrigerant connections of the third heat exchanger via the inlet section, thereby enabling targeted distribution of the refrigerant to the individual fin stacks.
  • the third heat exchanger can be arranged in the inlet section of the first heat exchanger such that the plurality of distribution pipes of the inlet section are integrated into the third heat exchanger.
  • the plurality of distribution pipes can, for example, be arranged within the third heat exchanger.
  • the plurality of distribution pipes can also be configured to serve as collectors when the refrigerant circuit is reversed.
  • the third heat exchanger can be designed as a plate heat exchanger. This can be arranged either between the expansion valve and the inlet section or, as described above, attached to or within the inlet section.
  • the plurality of distribution pipes can be integrated into the plate heat exchanger, e.g., arranged within the plate heat exchanger.
  • the third heat exchanger can be designed as a coiled tube heat exchanger. It is also possible to use a microchannel heat exchanger as the third heat exchanger.
  • the third heat exchanger can be arranged in the inlet section of the first heat exchanger such that at least one coil of the third heat exchanger abuts the plurality of distribution pipes of the inlet section (fluidically and/or mechanically).
  • the third heat exchanger can be arranged in the inlet section of the first heat exchanger such that at least one coil of the third heat exchanger surrounds the plurality of distribution pipes of the inlet section.
  • several, in particular all, coils of the third heat exchanger can abut or surround the plurality of distribution pipes.
  • the third heat exchanger can be used in particular to support the defrosting process of the first heat exchanger during heating operation, in which it acts as The evaporator functions to subcool the refrigerant before the expansion valve during the cooling operation of the heat pump. Therefore, the third heat exchanger can have a lower capacity than the first two (e.g., 2% to 10% of the capacity of the first or second heat exchanger).
  • the third heat exchanger can be deactivated, for example, by switching off the pump, and only used as an additional heat source at very low ambient temperatures, e.g., below -10°C.
  • the third heat exchanger can be used if the first heat exchanger fails, for example, in the event of a technical malfunction (e.g., due to a fan defect, fan blockage due to icing, etc.).
  • the compressor speed is first set to a specific speed that is lower than the compressor speed during the preceding heating operation. Starting from the compressor speed during heating operation, this speed can be significantly, and expediently abruptly, reduced. If, for example, the compressor operates at 100 to 120 revolutions per second (rps) during heating operation, particularly at 110 rps, the speed can be reduced to, for example, 20 to 30 rps. In other words, the compressor speed is reduced by approximately 50% to 85%, particularly by 70% to 85%, in the first step.
  • This abrupt reduction in compressor speed causes an abrupt pressure increase and a concomitant increase in the evaporation temperature in the first heat exchanger, resulting in its natural defrosting.
  • the specific rotational speed can be determined, for example, depending on the degree of tire icing. In particular, a larger speed jump can be set with a higher degree of tire icing/heavier icing of the first heat exchanger than with a lower degree of tire icing/lesser icing. It is also possible that during the During natural defrosting, the speed of a fan in the first heat exchanger is increased to accelerate the defrosting process by means of an increased heat flow from the environment. This can be done particularly when the ambient temperature is equal to or greater than 2°C.
  • the presence or degree of frosting of the first heat exchanger can be detected, for example, using indirect parameters such as ambient temperature and/or the evaporation temperature of the first heat exchanger.
  • a specific output of the third heat exchanger is set in a second step to defrost the first heat exchanger within a predetermined time.
  • This specific output can, for example, be determined based on the degree of frost buildup on the first heat exchanger.
  • the specific output can be the maximum output of the third heat exchanger.
  • the second step of the process can be initiated simultaneously with the first step or at a later time, especially later than the first step.
  • the specific output of the third heat exchanger can be adjusted by means of the volume flow rate of the heat transfer fluid in the heat transfer circuit.
  • the volume flow rate of the heat transfer fluid in the heat transfer circuit can be adjusted to achieve the desired output.
  • the volume flow rate can be adjusted, in particular, by the heat pump's control device, which can, for example, control/regulate the pump speed to ensure the required volume flow rate is provided.
  • the pump can be operated to achieve a maximum volume flow rate of the heat transfer fluid in the heat transfer circuit. In this way, as much heat as possible can be extracted from the third heat exchanger and transferred to the refrigerant circuit before it passes through the first heat exchanger. Heat is supplied to the heat exchanger. Additionally, heat output to the building's heating circuit via the secondary side of the second heat exchanger can be reduced, and this heat can instead be used to defrost the first heat exchanger.
  • initial frost buildup on the first heat exchanger can be removed efficiently and quickly without requiring active defrosting of the first heat exchanger or a compressor shutdown. This increases the service life and efficiency of the heat pump.
  • active defrosting of the first heat exchanger can be initiated.
  • Methods for actively defrosting the first heat exchanger can include, for example, reversing the refrigerant cycle and/or heating the first heat exchanger with, for example, heated air or another heated gas. Due to the preceding assisted natural defrosting, active defrosting can be carried out in a shorter time and with reduced frequency, which in turn can increase the efficiency of the heat pump.
  • the flow direction of the refrigerant in the refrigerant circuit of the heat pump is first adjusted by means of the directional control valve such that the first heat exchanger of the refrigerant circuit acts as a condenser and the second heat exchanger of the refrigerant circuit acts as an evaporator.
  • gaseous refrigerant compressed by the compressor is condensed in the first heat exchanger and from there flows into the third heat exchanger.
  • a predetermined subcooling of the refrigerant upstream of the expansion valve is then set by means of the third heat exchanger.
  • the predetermined subcooling of the refrigerant can be set by means of the volume flow rate of the heat transfer medium in the heat transfer circuit.
  • the volume flow rate of the heat transfer medium in the heat transfer circuit can be adjusted such that the predetermined subcooling is achieved.
  • the volume flow rate can be set, in particular, by the control device of the heat pump, which can, for example, control/regulate the speed of the pump in such a way that the required volume flow rate for setting the predetermined subcooling is provided.
  • excess heat from the building can be transferred to the third heat exchanger during the heat pump's cooling operation, where it can be used, for example, to regenerate the ground.
  • Using the third heat exchanger to subcool the refrigerant before the expansion valve is particularly advantageous because a conventional refrigerant circuit does not have a manifold upstream of the expansion valve in the flow direction required for cooling operation.
  • the refrigerant can condense in the third heat exchanger at a lower temperature and therefore also at a lower pressure, thus requiring less energy to compress the refrigerant and further increasing the heat pump's efficiency.
  • the supercooled refrigerant is then expanded via the expansion valve and fed to the second heat exchanger, where it evaporates. This extracts heat from the building's heating/cooling circuit, thus cooling it.
  • the invention makes it possible to increase the efficiency of the heat pump in both cooling and heating modes by using the third heat exchanger to assist natural defrosting of the first heat exchanger in heating mode and to subcool the refrigerant before the The expansion valve is used in cooling operation.
  • the heat pump can include a processing unit that is configured, particularly in terms of programming, to carry out the procedure described above.
  • This processing unit can, for example, be the heat pump's control unit.
  • Control of the heat pump can also be supported, for example, by an app on a user's device, which can be connected to the heat pump's control unit via signal transmission.
  • the user can, for example, read and display operating states via the app.
  • the user can make settings, such as setpoints, program operating sequences, and the like, via a human-machine interface.
  • Suitable data carriers for providing the computer program include magnetic, optical, and electrical storage media, such as hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, and so on. Downloading a program via computer networks (Internet, intranet, etc.) is also possible.
  • data from the heat pump's control unit can be transmitted to the server or cloud via a network, such as the internet.
  • This data can include, for example, operating parameters of the heat pump, recorded temperatures, pressures, etc.
  • Algorithms can then be run in the cloud or on the server, for example, to determine the specific speed of the compressor and/or the specific output of the third heat exchanger. or similar procedures.
  • artificial intelligence or machine learning methods can be used, for example, to identify ranges of operating parameters and environmental conditions of the heat pump in which assisted natural defrosting, as described above, can be carried out particularly efficiently.
  • Figure 1 schematically shows a refrigerant circuit 100 of a heat pump for heating and cooling a building according to an embodiment of the invention.
  • the refrigerant circuit 100 comprises a first heat exchanger 1, a compressor 2, a 4/2-way valve 6, a second heat exchanger 3, a refrigerant receiver 4, an expansion valve 5, and a third heat exchanger 7, which is arranged between the expansion valve 5 and the first heat exchanger 1.
  • the individual components of the refrigerant circuit 100 are connected by refrigerant lines (not specified in detail), with solid arrows indicating the flow direction for heating the building (heating mode of the heat pump) and dashed arrows indicating the flow direction for cooling the building (cooling mode of the heat pump).
  • the first heat exchanger 1 acts as the evaporator and the second heat exchanger 3 as the condenser, while in cooling mode, the functions of the first and second heat exchangers are reversed.
  • a temperature sensor 1.1 is installed in the first heat exchanger 1, and a further temperature sensor 1.3 and a pressure sensor 1.2 are arranged between the first heat exchanger and the compressor 2. Upstream of the compressor 2, a further temperature sensor 2.1, a further pressure sensor 2.2, and a safety high-pressure switch 2.3 are arranged.
  • the illustrated temperature and pressure sensors can be used in a known manner for The control/regulation and monitoring of the expansion valve 5 and the compressor 2 are used in the heating and cooling operation of the heat pump.
  • two temperature sensors 7.1, 7.2 are installed upstream and downstream of the third heat exchanger, which can be used for its control/regulation and monitoring.
  • Each of the three heat exchangers shown, 1, 3, and 7, uses a different heat source and heat sink during heating and cooling operation of the heat pump.
  • the first heat exchanger, 1, uses ambient air as both a heat source and a heat sink and can therefore be designed as a finned heat exchanger.
  • the second heat exchanger, 3, uses the building's heating/cooling circuit as both a heat source and a heat sink and is therefore connected on its secondary side to a supply line (VL) and a return line (RL) of the heating/cooling circuit.
  • the additional third heat exchanger, 7, uses the ground as both a heat source and a heat sink and is connected on its secondary side to a heat transfer circuit, 700, which includes a fourth heat exchanger, 71.
  • the fourth heat exchanger 71 can include at least one ground source heat collector, which can be, for example, a ground source heat exchanger basket, as in the Figures 6a and 6b It can be shown, implemented in a specific way. However, it is also possible for the geothermal collector to be designed as a flat surface.
  • the heat transfer circuit 700 also includes a pump 72 and a temperature sensor 7.3.
  • the pump 72 can, for example, be a variable-speed pump 72, which allows the flow rate of the heat transfer fluid in the heat transfer circuit 700 to be set for power control/regulation of the third heat exchanger. Alternatively or additionally, the pump 72 can have a variable displacement volume. Brine can be used as the heat transfer fluid. Other However, suitable heat transfer media are also possible.
  • pump 72 can be connected to a control unit (not shown) of the heat pump via a signal connection and controlled by it.
  • the control unit can, for example, also receive signals from temperature sensors 7.1 to 7.3.
  • the heat pump's gaseous refrigerant flows along the solid arrows from the first heat exchanger 1, where it has absorbed heat from the ambient air, through the 4/2-way valve 6, to the compressor 2.
  • the 4/2-way valve 6 has two different positions, the corresponding flow paths of which are indicated by two solid and two dashed lines. In heating mode, the 4/2-way valve 6 is in a position where the refrigerant flows through it along both solid paths.
  • compressor 2 In the compressor, the refrigerant is compressed and flows as hot gas from compressor 2 via the 4/2-way valve 6 into the second heat exchanger 3.
  • compressor 2 In heating mode of the heat pump, compressor 2 can be operated, for example, at a speed of 100 to 120 rps (revolutions per second), especially at 110 rps, to deliver a sufficient quantity of refrigerant to the second heat exchanger 3 for heating the building.
  • the refrigerant is liquefied, thereby transferring the heat absorbed in the first heat exchanger 1 to the building's heating/cooling circuit (see arrows VL, RL, indicating a flow and return of the heating/cooling circuit).
  • the condensed refrigerant then flows from the second heat exchanger 3 into the refrigerant receiver 4 and from there to the expansion valve 5.
  • the refrigerant receiver 4 uses gravity to separate the liquid phase of the two-phase refrigerant exiting the second heat exchanger 3 from the gaseous phase, thus ensuring that that only liquid refrigerant enters the expansion valve 5.
  • the expansion valve 5 expands the liquid refrigerant to an outlet pressure, allowing it to transition back into a gaseous state in the first heat exchanger 1 and absorb heat.
  • the speed of the compressor 2 is reduced significantly, particularly abruptly, for example to 20 to 30 rpm.
  • This abrupt reduction in compressor speed causes a sudden pressure increase and a corresponding increase in the evaporation temperature in the first heat exchanger 1, resulting in its natural defrosting.
  • the required speed reduction can be determined, for example, as a function of the degree of frost buildup on the first heat exchanger 1. In particular, a larger speed reduction can be implemented for a higher degree of frost/heavier icing than for a lower degree of frost/lighter icing.
  • the presence or degree of frost buildup on the first heat exchanger 1 can be detected, for example, based on the evaporation temperature of the first heat exchanger 1 and/or the ambient temperature.
  • the evaporation temperature can be determined using the temperature sensor 1.1 in the first heat exchanger 1, and the ambient temperature can be measured, for example, with an outdoor temperature sensor (not shown) of the heat pump.
  • the resistance of an airflow through the first heat exchanger 1 can be determined for frost detection.
  • measurement and control parameters of a fan motor (not shown) of the first heat exchanger 1 can be used, for example.
  • frost detection can be carried out using optical, capacitive, and/or piezoresistive sensors. When using a finned heat exchanger, these sensors can be mounted in the fin area.
  • a specific output of the third heat exchanger 7 is set in a second step to defrost the first heat exchanger 1 within a predetermined time.
  • a suitable flow rate in the heat transfer fluid circuit 700 can be set using the pump 72.
  • the specific output can, for example, also be determined depending on the degree of frost buildup on the first heat exchanger 1.
  • the specific output can be a maximum output of the third heat exchanger 7.
  • the second step can be initiated simultaneously with the first step or at a later time than the first step.
  • any initial frost buildup on the first heat exchanger 1 can be removed efficiently and quickly without requiring active defrosting or stopping the compressor 2. This increases the service life and efficiency of the heat pump.
  • active defrosting in particular a refrigerant cycle reversal, can be carried out.
  • the 4/2-way valve 6 can be switched to a second position, in which the refrigerant flows through it along the paths indicated by the dashed lines.
  • the 4/2-way valve also assumes this position during the cooling operation of the heat pump, in which the second heat exchanger 3 acts as an evaporator and the first heat exchanger 1 as a The capacitor is working.
  • the heat pump's gaseous refrigerant flows along the dashed arrows from the second heat exchanger 3, where it has absorbed heat from the building's heating/cooling system, via the 4/2-way valve 6, to the compressor 2.
  • the compressor 2 the refrigerant is compressed and then flows as a hot gas via the 4/2-way valve 6 into the first heat exchanger 1.
  • the refrigerant liquefies, releasing the heat absorbed in the second heat exchanger 3 to the ambient air.
  • the condensed, two-phase refrigerant then flows from the first heat exchanger 1 to the third heat exchanger 7, where it is further subcooled by releasing heat to the heat transfer circuit 700 and thus to the ground, and is therefore completely liquefied.
  • the liquid refrigerant then flows to the expansion valve 5 and is expanded there to an outlet pressure, so that it can transition back into a gaseous state in the second heat exchanger 3 and absorb heat in the process.
  • the refrigerant receiver 4 is located downstream of the expansion valve 5 and is therefore non-functional. Its function is replaced in the cooling mode of the heat pump according to the invention by the subcooling of the refrigerant in the third heat exchanger 7, which increases the efficiency of the heat pump even in this operating state.
  • the third heat exchanger 7 in such a way that its connections (not shown in detail) to the refrigerant circuit 100 can assume a receiver function.
  • the third heat exchanger 7 can, for example, be rotated by 90° relative to the connection shown in the diagram. Figure 1 The position shown is rotated so that the connections are located at a lower and an upper end of the third heat exchanger 7.
  • FIG 2 schematically shows a section of the refrigerant circuit 100.
  • Figure 1 in which an embodiment of the third heat exchanger 7 is shown.
  • the section shows the third heat exchanger 7 with the associated
  • the diagram shows temperature sensors 7.1, 7.2 and the heat transfer circuit 700, as well as the first heat exchanger 1 with the associated temperature and pressure sensors 1.1 to 1.3.
  • the third heat exchanger 7 is designed as a plate heat exchanger, the secondary side of which (not specified) is connected to the heat transfer circuit 700.
  • the plate heat exchanger is arranged between the expansion valve 5 and the first heat exchanger 1. In this region of the refrigerant circuit 100, the refrigerant has its lowest temperature during the heating operation of the heat pump, so that particularly efficient heat transfer from the ground-connected heat transfer circuit 100 to the refrigerant can take place there via the third heat exchanger 7.
  • a primary side of the plate heat exchanger (not shown in detail) is located upstream and directly adjacent to an inlet section of the first heat exchanger 1 (not shown in detail) in the refrigerant circuit 100.
  • the third heat exchanger 3 is arranged in close proximity to the first heat exchanger 1, so that the heated refrigerant experiences only minimal heat losses on its way from the third to the first heat exchanger 7, 1.
  • FIG 3a schematically shows a section of the refrigerant circuit 100.
  • Figure 1 in which a further embodiment of the third heat exchanger 7 is shown, and Figure 3b shows the third heat exchanger 7 from Figure 3a in a cross-sectional view.
  • the third heat exchanger 7 is mounted in a common housing (not specified) with the first heat exchanger 1.
  • the third heat exchanger 7 is designed as a shell-and-tube heat exchanger, the tubes 7a of which are at least partially mechanically connected to core tubes 1a of the first heat exchanger 1, which is designed as a finned heat exchanger. In this way, a thermally conductive contact between the third and the first heat exchanger 7, 1 can be established, and the heat transfer to the refrigerant can be further improved.
  • FIG 4 schematically shows a section of the refrigerant circuit 100.
  • Figure 1 Figure 1 shows a further embodiment of the third heat exchanger 7.
  • the third heat exchanger 7 is designed as a coiled-tube heat exchanger, the secondary side of which (not specified) is connected to the heat transfer fluid circuit 700.
  • a primary side (not specified) of the coiled-tube heat exchanger is directly adjacent to an inlet section 10 of the first heat exchanger 1, the inlet section 10 having several distribution pipes 10a, two of which are shown.
  • the coils 7b on the secondary side of the third heat exchanger 7 can also be adjacent to the inlet section 10 in such a way that at least one coil 7b, preferably all coils 7b, surrounds the distribution pipes 10b of the inlet section 10 (not shown).
  • the coils 7b can be in direct mechanical contact with the distribution pipes 10b, so that heat conduction can also take place here.
  • FIG. 5 schematically shows a section of the refrigerant circuit 100.
  • Figure 1 in which a further embodiment of the third heat exchanger 7 is shown.
  • the third heat exchanger 7 is, as in the one shown in Figure 2
  • the embodiment shown is designed as a plate heat exchanger, the secondary side of which, not further specified, is connected to the heat transfer circuit 700.
  • the plate heat exchanger shown is integrated into the inlet section 10 of the first heat exchanger 7.
  • the distribution pipes 10a of the inlet section 10 constitute the primary side of the third heat exchanger 7, so that heat transfer occurs in close proximity to the first heat exchanger 1, enabling particularly efficient defrosting of any ice buildup on the latter.
  • the third heat exchanger 7 includes several refrigerant connections 7c, which are arranged on a side of the third heat exchanger 7 facing the first heat exchanger 1. Any other A suitable position for attaching the refrigerant connections 7c to/in the third heat exchanger 7 is also possible.
  • the refrigerant connections 7c allow the third heat exchanger 7 with the integrated distribution pipes 10a to be connected directly to individual core tubes 1a of the first heat exchanger 1, which is designed as a finned heat exchanger. Either all core tubes 1a or only individual core tubes 1a of the finned heat exchanger can be connected to the refrigerant connections 7c of the third heat exchanger 7.
  • Figures 6a and 6b Figure 71a and 71b schematically show two different embodiments of geothermal baskets that can be used in a heat pump according to the invention.
  • FIG. 6a Three frustoconical geothermal baskets 71a of different heights, each with several webs 710b to which a spirally wound pipe 710a is attached.
  • the pipe 710a can be, in particular, a plastic pipe. Other materials that allow for a spiral winding of the pipe are also possible.
  • the webs 710b can be designed as support strips or support tubes and may, for example, include retaining loops (not shown) for fixing the wound pipe 710a. It is also possible that openings (not shown) are provided in the webs 710b by means of which the pipe 710a can be attached to the webs 710b, e.g., with equal spacing between the turns.
  • DE 20 2008 008 391 U1 a geothermal basket with a spirally wound plastic pipe and four struts, on which semicircular recesses are attached at equal intervals, into which the plastic pipe is clipped.
  • the in Figure 6a The frustoconical geothermal baskets 71a shown can, for example, have an upper diameter in the range of 2 m to 2.5 m and a lower diameter in the range of 1 m to 1.5 m.
  • the height of the geothermal baskets 71a can, for example, be in the range of 2.5 m to 3 m (left).
  • the ground source heat exchanger baskets 71a are located at depths of 1.5 m to 2.5 m (middle ground source heat exchanger basket 71a) and 1 m to 1.5 m (right ground source heat exchanger basket 71a). However, other dimensions for the ground source heat exchanger baskets 71a are also possible.
  • the ground source heat exchanger baskets 71a can be installed at depths ranging from 1 m to 10 m, particularly from 2 m to 4 m. It becomes clear that a single ground source heat exchanger basket 71a can be sufficient to provide the required heat for the third heat exchanger 7 or to transfer the heat dissipated by it to the ground.
  • Figure 6b shows a cylindrically shaped geothermal basket 71b, which also comprises a spirally wound pipe 710a, in particular a flexible plastic pipe, to which an inlet pipe 710d is connected. However, in this case, no webs 710b are used to fix the windings of the pipe 710a; instead, these are connected to each other by means of several straps/ropes 710c. This allows the windings to be compressed before installation in the ground, so that the geothermal basket 71b has a lower height, for example, for transport.
  • Figure 2 shows, for example, DE 20 2008 013 524 U1 A coiled geothermal heat exchanger with a cylindrical shape, formed from a flexible pipe with connecting ends, wound coil upon coil into a spiral. The coils are connected at the beginning and end by a band or rope, which determines the desired height of the geothermal heat exchanger. The coils are pulled apart until the band/rope is taut and then clipped into holders that fix the distance between the coils.
  • the geothermal basket 71b shown can have a diameter of 0.5 m and a height of 2 m.
  • the pipe 710a can, for example, have an inner diameter of 20 mm and a total length of 55 m.
  • other dimensions for the geothermal basket 71b are also possible.
  • the geothermal baskets 71b can, for example, be installed in the ground at a depth of 1 m to 10 m, particularly in a range of 2 m to 4 m. It becomes clear that even here, a single geothermal basket 71b can be sufficient to achieve the desired result. to provide the required heat for the third heat exchanger 7 or to release the heat dissipated via this to the ground.
  • ground source heat exchangers 71a and 71b Due to the shallow installation depth and small footprint of the ground source heat exchangers 71a and 71b shown, they do not represent a significant additional effort in the planning and installation of the heat pump. For example, the installation of a ground source heat exchanger 71a or 71b can be combined with the work to create a foundation for the outdoor unit of the heat pump, thus optimizing the installation effort.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes sowie Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe. Die Wärmepumpe umfasst einen Kältemittelkreislauf mit einem ersten Wärmeübertrager (1), der dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft als Wärmequelle und Wärmesenke zu nutzen, einem zweiten Wärmeübertrager (3), der dazu eingerichtet ist, einen Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes als Wärmequelle und Wärmesenke zu nutzen, einem Wegeventil (3), das dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (100) einzustellen, einem Kompressor (2), der zwischen dem ersten Wärmeübertrager (1) und dem zweiten Wärmeübertrager (3) angeordnet ist, einem Expansionsventil (5), das zwischen dem zweiten Wärmeübertrager (3) und dem ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet ist und einem dritten Wärmeübertrager (7), der zwischen dem Expansionsventil (5) und dem ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet und dazu eingerichtet ist, ein Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke zu nutzen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes sowie ein Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Wärmepumpen ermöglichen es, frei verfügbare Energie aus der Umwelt zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes zu verwenden und tragen somit zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes im Gebäudesektor bei. Insbesondere kann eine Wärmepumpe sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen dienen, indem darin enthaltene Wärmeübertrager sowohl als Verdampfer als auch als Kondensator eingesetzt werden können. Beispielsweise kann mittels Umkehr des Kältemittelkreislaufs ein im Heizbetrieb als Kondensator arbeitender Wärmeübertrager im Kühlbetrieb als Verdampfer fungieren und vice versa, wodurch z.B. ein Sekundärkreislauf des entsprechenden Wärmeübertragers im Heizbetrieb Wärme an das Gebäude abgeben und im Kühlbetrieb Wärme aus dem Gebäude aufnehmen kann.
  • Dabei enthalten gattungsgemäße Wärmepumpen üblicherweise ein Expansionsventil, über das aus dem als Kondensator arbeitenden Wärmeübertrager austretendes Kältemittel entspannt wird bevor es in den als Verdampfer arbeitenden Wärmeübertrager gelangt. Zur genauen Dosierung einer zu verdampfenden Menge an Kältemittel mittels des Expansionsventils muss das Kältemittel vor dem Expansionsventil in flüssiger Form vorliegen. Um dies zu erreichen, kann ein Kältemittelsammler stromaufwärts des Expansionsventils angeordnet sein, der mittels Schwerkraft eine flüssige Phase des Kältemittels von einer gasförmigen Phase trennt. Im Falle einer Umkehr des Kältemittelkreislaufs befindet sich der Kältemittelsammler jedoch stromabwärts des Expansionsventils und ist demzufolge funktionslos, wodurch eine Effizienz der Wärmepumpe sinkt.
  • Eine Umkehr des Kältemittelkreislaufs kann auch eingesetzt werden, um bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe eine Vereisung eines im Heizbetrieb als Verdampfer arbeitenden Wärmeübertragers in einer Außeneinheit der Wärmepumpe zu beseitigen. Diese kann unter entsprechenden Witterungsbedingungen, insbesondere bei Umgebungstemperaturen unterhalb von 7°C bis 10°C auftreten. Die Kältemittelkreislaufumkehr bewirkt in diesem Fall, dass Wärme z.B. aus einem Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes zum Abtauen des dann als Kondensator arbeitenden Wärmeübertragers bereitgestellt wird. Dies bedeutet jedoch, dass während des Abtauvorgangs des Wärmeübertragers der Heizbetrieb der Wärmepumpe unterbrochen werden muss.
  • Aus DE 10 2006 024 871 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Abtauen eines Verdampfers einer Luft-Wasser-Wärmepumpe nach zwei verschiedenen Abtaumethoden bekannt. In einer ersten Abtaumethode erzeugt ein Ventilator des Verdampfers bei abgeschaltetem Kompressor einen Luftstrom, der den Verdampfer passiert. Es findet somit eine natürliche Abtauung statt, welche die Wärme der Umgebungsluft ausnutzt. In einer zweiten Abtaumethode wird eine bekannte Kältemittelkreislaufumkehr wie oben beschrieben durchgeführt. Ein Abschalten des Kompressors, insbesondere ein getakteter Betrieb mit häufigem Ein- und Ausschalten hat jedoch einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Kompressors.
  • Steht der Luft-Wasser-Wärmepumpe neben der Umgebungsluft eine weitere Wärmequelle für den Heizbetrieb zur Verfügung, so kann auch diese zum Abtauen eines vereisten Wärmeübertragers genutzt werden. In diesem Zusammenhang zeigt DE 10 2007 048 909 A1 eine Wärmepumpenanordnung mit einem ersten Kreislaufzweig mit einem ersten Verdampfer, dem Wärme aus einer Umgebungsluft zuführbar ist, und einem zweiten Kreislaufzweig mit einem zweiten Verdampfer, dem Erdwärme zuführbar ist, wobei die beiden Kreislaufzweige parallel zueinander angeordnet und einzeln zu- oder abschaltbar sind. Zum Abtauen des ersten Verdampfers strömt Kältemittel aus dem zweiten Verdampfer über einen Verdichter und eine Bypass-Leitung in den ersten Verdampfer, der dadurch abgetaut wird. Die Bereitstellung eines zweiten Kreislaufzweigs, der parallel zu dem ersten Kreislaufzweig angeordnet ist und alternativ zu diesem betrieben werden kann, erhöht jedoch signifikant Platzbedarf und Komplexität der Wärmepumpe.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine kompakte Wärmepumpe, insbesondere eine kompakte Luft-Wasser-Wärmepumpe, mit einer erhöhten Lebensdauer und Effizienz im Heiz- und Kühlbetrieb bereitzustellen.
  • Zur Lösung der Aufgaben werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes weist einen Kältemittelkreislauf auf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Die Wärmepumpe kann insbesondere als Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einer Außeneinheit und einer Inneneinheit ausgeführt sein.
  • Der Kältemittelkreislauf umfasst einen ersten Wärmeübertrager, der Umgebungsluft als Wärmequelle und Wärmesenke nutzt, und einen zweiten Wärmeübertrager, der einen Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes als Wärmequelle und Wärmesenke nutzt. Zum Heizen des Gebäudes (Heizbetrieb der Wärmepumpe) kann der erste Wärmeübertrager als Verdampfer und der zweite Wärmeübertrager als Kondensator fungieren, und zum Kühlen des Gebäudes (Kühlbetrieb der Wärmepumpe) kann der zweite Wärmeübertrager als Verdampfer und der erste Wärmeübertrager als Kondensator fungieren. Der erste Wärmeübertrager kann insbesondere ein Lamellen-Wärmeübertrager sein, der in der Außeneinheit der Wärmepumpe angebracht ist. Der zweite Wärmeübertrager kann beispielsweise ein Platten-Wärmeübertrager sein, dessen Sekundärseite mit dem Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes verbunden ist.
  • Des Weiteren weist der Kältemittelkreislauf ein Wegeventil auf, das dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf einzustellen/umzukehren und somit die Wärmepumpe von einem Heizbetrieb auf einen Kühlbetrieb umzuschalten und vice versa. Bei dem Wegeventil kann es sich insbesondere um ein 4/2-Wegeventil handeln.
  • Außerdem enthält der Kältemittelkreislauf einen Kompressor, der zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet ist sowie ein Expansionsventil, das zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem ersten Wärmeübertrager angeordnet ist. Mit anderen Worten ist im Heizbetrieb der Wärmepumpe der Kompressor stromabwärts des ersten Wärmeübertragers und stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers angeordnet, und das Expansionsventil ist stromabwärts des zweiten Wärmeübertragers und stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers angeordnet. Im Kühlbetrieb der Wärmepumpe kehrt sich die Strömungsrichtung des Kältemittels um, so dass in diesem Fall der Kompressor stromabwärts des zweiten Wärmeübertragers und stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers und das Expansionsventil stromabwärts des ersten Wärmeübertragers und stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers angeordnet ist. Der Kompressor kann insbesondere ein drehzahlvariabler Kompressor sein, und das Expansionsventil kann ein thermostatisches oder elektronisches Expansionsventil sein.
  • Die Funktion des oben beschriebenen Kältemittelkreislaufs mit den genannten Komponenten ist dem Fachmann bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
  • Der Kältemittelkreislauf der erfindungsgemäßen Wärmepumpe enthält zusätzlich zu den üblichen Komponenten einen dritten Wärmeübertrager, der zwischen dem Expansionsventil und dem ersten Wärmeübertrager angeordnet ist und ein Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke nutzt. Die Position des dritten Wärmeübertragers "zwischen dem Expansionsventil und dem ersten Wärmeübertrager" soll dabei derart verstanden werden, dass der dritte Wärmeübertrager bzw. Elemente des dritten Wärmeübertragers auch innerhalb des ersten Wärmeübertragers angeordnet sein können. Insbesondere kann der dritte Wärmeübertrager zwischen dem Expansionsventil und einem Ausgang des ersten Wärmeübertragers angeordnet sein, wenn dieser als Verdampfer arbeitet, und zwischen einem Eingang des ersten Wärmeübertragers und dem Expansionsventil angeordnet sein, wenn dieser als Kondensator arbeitet.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann zur Nutzung des Erdreichs als Wärmequelle/-senke eine Sekundärseite des dritten Wärmeübertragers an einen Wärmeträgerkreislauf angeschlossen sein, in dem ein Wärmeträgermittel zirkuliert. Bei dem Wärmeträgermittel kann es sich insbesondere um ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) handeln. Andere geeignete Wärmeträgermittel sind ebenso möglich. Der Wärmeträgerkreislauf kann neben dem dritten Wärmeübertrager eine Pumpe zur Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf und einen vierten Wärmeübertrager umfassen. Der vierte Wärmeübertrager kann dazu eingerichtet sein, Wärme an das Erdreich bzw. aus dem Erdreich zu übertragen. Bei der Pumpe kann es sich beispielsweise um eine drehzahlvariable Pumpe handeln, mittels der ein Volumenstrom des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf eingestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Pumpe ein variables Verdrängungsvolumen aufweisen. Zur Einstellung des Volumenstroms kann die Pumpe signaltechnisch mit einer Steuervorrichtung der Wärmepumpe verbunden sein und von dieser geregelt werden. Die Pumpe kann beispielsweise stromaufwärts des vierten Wärmeübertragers und stromabwärts des dritten Wärmeübertragers angeordnet sein. Insbesondere kann die Pumpe in einem Gehäuse der Steuervorrichtung integriert sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der vierte Wärmeübertrager zumindest einen Erdwärmekollektor umfassen. Dieser kann in einem Bereich von 1m bis 10m Tiefe, insbesondere in einem Bereich von 2m bis 4m Tiefe, im Erdreich installiert sein. In dieser Tiefe sind die Erdwärmekollektoren nur noch geringen saisonalen Temperaturschwankungen unterworfen, die sich üblicherweise im Bereich von 7°C bis 13°C bewegen. Dabei kann der zumindest eine Erdwärmekollektor als Erdwärmekorb oder als flächiger Erdwärmekollektor ausgeführt sein, wobei eine Verwendung eines Erdwärmekorbs eine besonders platzsparende Anordnung des vierten Wärmeübertragers ermöglicht. Um auch einen flächigen Erdwärmekollektor platzsparend einsetzen zu können, kann dieser z.B. eine wellenförmig vergrößerte Oberfläche aufweisen, so dass mehr Wärmeübertragungsfläche bei gleicher Länge und Breite zur Verfügung steht. Die wellenförmige Oberfläche kann z.B. durch eine im Wesentlichen parallele Anordnung von rohrförmigen Wärmeträgersträngen ausgebildet werden. Ein solcher Erdwärmekollektor ist beispielsweise in DE 20 2019 003 763 U1 offenbart.
  • Aufgrund der geringen Installationstiefe und des geringen Platzbedarfs des zumindest einen Erdwärmekollektors stellt dieser keinen wesentlichen Zusatzaufwand bei der Planung und Montage der Wärmepumpe dar. Eine Installation des zumindest einen Erdwärmekollektors kann beispielsweise mit den Arbeiten zur Erstellung eines Fundaments für die Außeneinheit der Wärmepumpe kombiniert und somit der Installationsaufwand optimiert werden. Insbesondere sind im Zusammenhang mit der Installation des Erdwärmekollektors/der Erdwärmekollektoren keine geologischen Untersuchungen des Erdreichs und keine Tiefenbohrung(en) erforderlich.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der dritte Wärmeübertrager an oder in einer Einlaufstrecke des Kältemittels in den ersten Wärmeübertrager angebracht sein. Beispielsweise kann der dritte Wärmeübertrager in wärmeleitendem Kontakt mit der Einlaufstrecke und/oder dem ersten Wärmeübertrager stehen.
  • Die Einlaufstrecke kann zwischen dem Expansionsventil und dem ersten Wärmeübertrager angeordnet und dazu eingerichtet sein, während des Heizbetriebs der Wärmepumpe zweiphasiges Kältemittel auf einem niedrigen Druckniveau gleichmäßig verteilt in den ersten Wärmeübertrager zu leiten. Zweckmäßigerweise kann sich die Einlaufstrecke bis in einen Innenraum des ersten Wärmeübertragers erstrecken, insbesondere bis zu einem oder mehreren Wärmeübertragungselementen des ersten Wärmeübertragers. Bei Verwendung eines Lamellenwärmeübertragers kann sich die Einlaufstrecke beispielsweise bis zu dessen Kernrohren erstrecken.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Einlauflaufstrecke in den ersten Wärmeübertrager eine Vielzahl von Verteilerrohren umfassen, die fluidisch und mechanisch mit dem ersten Wärmeübertrager verbunden sind. Beispielsweise kann die Einlaufstrecke einen Venturi-Verteiler enthalten, der z.B. mittels eines einzelnen Rohres mit dem Expansionsventil und mit einer Vielzahl von Verteilerrohren mit dem ersten Wärmeübertrager verbunden ist. Der dritte Wärmetauscher kann in diesem Fall z.B. fluidisch und/oder mechanisch an eines oder mehrere der Vielzahl von Verteilerrohren angrenzen und auf diese Weise z.B. auch einen wärmeleitenden Kontakt herstellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der dritte Wärmeübertrager eine Vielzahl von Kältemittelanschlüssen aufweisen, die fluidisch mit der Einlaufstrecke in den ersten Wärmeübertrager verbunden sind. Die Kältemittelanschlüsse können beispielsweise an einer dem ersten Wärmeübertrager zugewandten Seite des dritten Wärmeübertragers angeordnet sein. Jede andere geeignete Position zur Anbringung der Kältemittelanschlüsse an/in dem dritten Wärmeübertrager ist ebenso möglich. Insbesondere können in einem Fall in dem der erste Wärmeübertrager als Lamellenwärmeübertrager ausgeführt ist, eines oder mehrere von dessen Kernrohren über die Einlaufstrecke direkt an einen oder mehrere Kältemittelanschlüsse des dritten Wärmeübertragers angeschlossen sein, wodurch eine gezielte Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Lamellenpakete möglich ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der dritte Wärmeübertrager derart in der Einlaufstrecke in den ersten Wärmeübertrager angeordnet sein, dass die Vielzahl von Verteilerrohren der Einlaufstrecke in dem dritten Wärmeübertrager integriert sind. Dazu kann die Vielzahl von Verteilerrohren z.B. innerhalb des dritten Wärmeübertragers angeordnet sein. Die Vielzahl von Verteilerrohren kann zudem dazu eingerichtet sein, bei einer Umkehr des Kältemittelkreislaufs als Sammler/Sammelrohre zu dienen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der dritte Wärmeübertrager als Platten-Wärmeübertrager ausgeführt sein. Dieser kann entweder zwischen dem Expansionsventil und der Einlaufstrecke angeordnet sein oder, wie oben beschrieben, an oder in der Einlaufstrecke angebracht sein. Insbesondere kann die Vielzahl von Verteilerrohren in den Platten-Wärmeübertrager integriert z.B. innerhalb des Platten-Wärmeübertragers angeordnet sein.
  • Alternativ kann der dritte Wärmeübertrager als Rohrwendel-Wärmeübertrager ausgeführt sein. Es ist ebenso möglich, dass ein Microchannel-Wärmeübertrager als dritter Wärmeübertrager zum Einsatz kommt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann dieser derart in der Einlaufstrecke in den ersten Wärmeübertrager angeordnet sein, dass zumindest eine Wendel des dritten Wärmeübertragers an die Vielzahl von Verteilerrohren der Einlaufstrecke angrenzt (fluidisch und/oder mechanisch). Insbesondere kann der dritte Wärmeübertrager derart in der Einlaufstrecke in den ersten Wärmeübertrager angeordnet sein, dass zumindest eine Wendel des dritten Wärmeübertragers die Vielzahl von Verteilerrohren der Einlaufstrecke umgibt. Zweckmäßigerweise können mehrere, insbesondere alle Wendeln des dritten Wärmeübertragers an die Vielzahl von Verteilerrohren angrenzen bzw. diese umgeben.
  • Der dritte Wärmeübertrager kann insbesondere zur Unterstützung eines Abtauvorgangs des ersten Wärmeübertragers im Heizbetrieb, in dem dieser als Verdampfer fungiert, und zur Unterkühlung des Kältemittels vor dem Expansionsventil im Kühlbetrieb der Wärmepumpe dienen. Daher kann der dritte Wärmeübertrager eine kleinere Leistung als die ersten beiden Wärmeübertrager aufweisen (z.B. 2% bis 10% der Leistung des ersten bzw. zweiten Wärmeübertragers). In einem ungestörten Heizbetrieb der Wärmepumpe kann der dritte Wärmeübertrager z.B. durch Abschaltung der Pumpe deaktiviert sein und lediglich bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, z.B. bei unter -10°C als Zusatzwärmequelle zum Einsatz kommen. Zudem kann der dritte Wärmeübertrager bei Ausfall des ersten Wärmeübertragers eingesetzt werden, beispielsweise im Falle eines technischen Versagens desselben (z.B. durch Ventilatordefekt, Ventilatorblockade aufgrund von Vereisung etc.).
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abtauen des ersten Wärmeübertragers im Heizbetrieb der Wärmepumpe wird bei Detektion einer Bereifung des ersten Wärmeübertragers in einem ersten Schritt eine Drehzahl des Kompressors auf eine bestimmte Drehzahl eingestellt, die kleiner als eine Drehzahl des Kompressors im vorangegangenen Heizbetrieb ist. Ausgehend von einer Kompressordrehzahl im Heizbetrieb kann diese deutlich, zweckmäßigerweise sprunghaft, reduziert werden. Wenn der Kompressor im Heizbetrieb beispielsweise bei 100 bis 120 rps ("revolutions per second", Umdrehungen pro Sekunde), insbesondere bei 110 rps betrieben wird, so kann die Drehzahl beispielsweise auf 20 bis 30 rps reduziert werden. Mit anderen Worten, die Verdichterdrehzahl wird in dem ersten Schritt um ca. 50% bis 85% reduziert, insbesondere um 70% bis 85%. Das sprunghafte Absenken der Kompressordrehzahl bewirkt einen sprunghaften Druckanstieg und einen damit einhergehenden Anstieg einer Verdampfungstemperatur in dem ersten Wärmeübertrager, der eine natürliche Abtauung desselben zur Folge hat. Die bestimmte Drehzahl kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Grads der Bereifung ermittelt werden. Insbesondere kann bei einem höheren Bereifungsgrad/stärkerer Vereisung des ersten Wärmeübertragers ein größerer Drehzahlsprung eingestellt werden als bei einem niedrigeren Bereifungsgrad/schwächerer Vereisung. Es ist ebenso möglich, dass während der natürlichen Abtauung eine Drehzahl eines Ventilators des ersten Wärmeübertragers erhöht wird, um mittels eines erhöhten Wärmestroms aus der Umgebung den Abtauprozess zu beschleunigen. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn eine Umgebungstemperatur gleich oder größer als 2°C ist.
  • Eine Bereifung des ersten Wärmeübertragers bzw. ein Grad der Bereifung kann beispielsweise anhand von indirekten Größen, wie z.B. einer Umgebungstemperatur und/oder der Verdampfungstemperatur des ersten Wärmeübertragers detektiert werden.
  • Zur Unterstützung der natürlichen Abtauung wird in einem zweiten Schritt eine bestimmte Leistung des dritten Wärmeübertragers eingestellt, um den ersten Wärmeübertrager in einer vorbestimmten Zeit abzutauen. Die bestimmte Leistung kann z.B. ebenfalls in Abhängigkeit von dem Grad der Bereifung des ersten Wärmeübertragers ermittelt werden. Insbesondere kann die bestimmte Leistung eine maximale Leistung des dritten Wärmeübertragers sein. Der zweite Schritt des Verfahrens kann gleichzeitig mit dem ersten Schritt oder zeitlich versetzt zu dem ersten Schritt, insbesondere später als der erste Schritt, eingeleitet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die bestimmte Leistung des dritten Wärmeübertragers mittels eines Volumenstroms des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf eingestellt werden. Mit anderen Worten kann der Volumenstrom des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf derart eingestellt werden, dass die bestimmte Leistung erreicht wird. Der Volumenstrom kann insbesondere von der Steuervorrichtung der Wärmepumpe eingestellt werden, die z.B. eine Drehzahl der Pumpe derart steuern/regeln kann, dass der benötigte Volumenstrom bereitgestellt wird. Zur Bereitstellung der maximalen Leistung des dritten Wärmeübertragers kann die Pumpe derart betrieben werden, dass ein maximaler Volumenstrom des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf erreicht wird. Auf diese Weise kann dem dritten Wärmeübertrager so viel Wärme wie möglich entzogen und dem Kältemittelkreislauf vor Durchströmen des ersten Wärmeübertragers zugeführt werden. Zusätzlich kann eine Wärmeabgabe an den Heizkreislauf des Gebäudes über die Sekundärseite des zweiten Wärmeübertragers reduziert und diese Wärme stattdessen zum Abtauen des ersten Wärmeübertragers genutzt werden.
  • Durch Kombination der oben beschriebenen Schritte des Verfahrens kann eine anfängliche Bereifung des ersten Wärmeübertragers effizient und schnell entfernt werden, ohne dass ein aktives Abtauen des ersten Wärmeübertragers oder ein Stopp des Kompressors notwendig werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer und die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann jedoch, wenn das Abtauen des ersten Wärmeübertragers nicht in der vorbestimmten Zeit abgeschlossen ist, ein aktives Abtauen des ersten Wärmeübertragers eingeleitet werden. Verfahren zum aktiven Abtauen des ersten Wärmeübertragers können z.B. eine Kältemittelkreislaufumkehr und/oder ein Beheizen des ersten Wärmeübertragers z.B. mit erwärmter Luft oder einem anderen erwärmten Gas sein. Durch die vorangegangene unterstützte natürliche Abtauung kann die aktive Abtauung in einer kürzeren Zeit und mit einer verringerten Häufigkeit erfolgen, wodurch wiederum die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert werden kann.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen eines Gebäudes mittels der oben beschriebenen Wärmepumpe wird zunächst die Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreis der Wärmepumpe mittels des Wegeventils derart eingestellt, dass der erste Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs als Kondensator und der zweite Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs als Verdampfer fungiert. In diesem Fall wird also mittels des Kompressors verdichtetes dampfförmiges Kältemittel in dem ersten Wärmeübertrager kondensiert und gelangt von dort in den dritten Wärmeübertrager. Mittels des dritten Wärmeübertragers wird dann eine vorbestimmte Unterkühlung des Kältemittels vor dem Expansionsventil eingestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die vorbestimmte Unterkühlung des Kältemittels mittels des Volumenstroms des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf eingestellt werden. Insbesondere kann der Volumenstrom des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf derart eingestellt werden, dass die vorbestimmte Unterkühlung erreicht wird. Der Volumenstrom kann insbesondere von der Steuervorrichtung der Wärmepumpe eingestellt werden, die z.B. eine Drehzahl der Pumpe derart steuern/regeln kann, dass der benötigte Volumenstrom zur Einstellung der vorbestimmten Unterkühlung bereitgestellt wird.
  • Auf diese Weise kann im Kühlbetrieb der Wärmepumpe überschüssige Wärme aus dem Gebäude an den dritten Wärmeübertrager abgegeben werden, die z.B. zur Regeneration des Erdreichs genutzt werden kann. Der Einsatz des dritten Wärmeübertragers zur Unterkühlung des Kältemittels vor dem Expansionsventil ist besonders zweckmäßig, da in einem üblichen Kältemittelkreislauf in der für den Kühlbetrieb notwendigen Strömungsrichtung kein Sammler vor dem Expansionsventil angeordnet ist. Insbesondere kann die Verflüssigung des Kältemittels in dem dritten Wärmeübertrager bei einer niedrigeren Temperatur und somit auch bei einem niedrigeren Druck erfolgen, so dass weniger Energie zur Kompression des Kältemittels benötigt wird, wodurch die Effizienz der Wärmepumpe ebenfalls gesteigert werden kann.
  • Nachfolgend wird das unterkühlte Kältemittel mittels des Expansionsventils entspannt und dem zweiten Wärmeübertrager zugeführt, in dem es verdampft wird. Dadurch wird dem Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes Wärme entzogen und dieses entsprechend gekühlt.
  • Zusammenfassend wird deutlich, dass es die Erfindung ermöglicht, die Effizienz der Wärmepumpe sowohl im Kühl- als auch im Heizbetrieb zu steigern, indem der dritte Wärmeübertrager zur unterstützten natürlichen Abtauung des ersten Wärmeübertragers im Heizbetrieb und zur Unterkühlung des Kältemittels vor dem Expansionsventil im Kühlbetrieb eingesetzt wird.
  • Die Wärmepumpe kann eine Recheneinheit umfassen, die, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Recheneinheit kann z.B. die Steuervorrichtung der Wärmepumpe sein. Eine Steuerung der Wärmepumpe kann z.B. auch durch eine App auf einem Endgerät eines Benutzers unterstützt werden, die signaltechnisch mit der Steuervorrichtung der Wärmepumpe verbunden werden kann. In diesem Fall kann der Benutzer beispielsweise Betriebszustände über die App auslesen und anzeigen lassen. Der Benutzer kann vorzugsweise über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle Einstellungen vornehmen, wie z.B. Sollwertvorgaben, Betriebsabläufe programmieren und dergleichen.
  • Auch die Implementierung der beschriebenen Verfahren in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn eine ausführende Steuervorrichtung noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Es ist ebenso möglich, dass einzelne Schritte der beschriebenen Verfahren in einem geographisch entfernten Server oder in einer Cloud durchgeführt werden. Hierzu können Daten von der Steuervorrichtung der Wärmepumpe über ein Netzwerk, beispielsweise das Internet oder dergleichen, an den Server oder die Cloud übertragen werden. Die Daten können beispielsweise Betriebsparameter der Wärmepumpe, erfasste Temperaturen, Drücke usw. umfassen. In der Cloud oder im Server können Algorithmen z.B. zum Ermitteln der bestimmten Drehzahl des Kompressors und/oder der bestimmten Leistung des dritten Wärmeübertragers oder dergleichen durchgeführt werden. Ferner können beispielsweise eine künstliche Intelligenz bzw. Verfahren des maschinellen Lernens verwendet werden, um Bereiche von Betriebsparametern und Umgebungsbedingungen der Wärmepumpe zu ermitteln, in denen ein unterstütztes natürliches Abtauen wie oben beschrieben besonders effizient durchgeführt werden kann.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
    • Figur 1 zeigt schematisch einen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes gemäß einem Ausführungsbespiel der Erfindung.
    • Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs aus Figur 1, in dem eine Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers dargestellt ist.
    • Figur 3a zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs aus Figur 1, in dem eine weitere Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers dargestellt ist.
    • Figur 3b zeigt den dritten Wärmeübertrager aus Figur 3a in einer Querschnittsansicht.
    • Figur 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs aus Figur 1, in dem eine weitere Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers dargestellt ist.
    • Figur 5 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs aus Figur 1, in dem noch eine weitere Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers dargestellt ist.
    • Figuren 6a und 6b zeigen schematisch zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Erdwärmekörben, die in einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe zum Einsatz kommen können.
    Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand beispielhafter Figuren detailliert beschrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele sind im Ganzen oder teilweise kombinierbar und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. In den Figuren sind gleiche oder vergleichbare Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird, sofern dies nicht notwendig ist.
  • Figur 1 zeigt schematisch einen Kältemittelkreislauf 100 einer Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes gemäß einem Ausführungsbespiel der Erfindung.
  • Der Kältemittelkreislauf 100 enthält einen ersten Wärmeübertrager 1, einen Kompressor 2, ein 4/2-Wegeventil 6, einen zweiten Wärmeübertrager 3, einen Kältemittelsammler 4, ein Expansionsventil 5, und einen dritten Wärmeübertrager 7, der zwischen dem Expansionsventil 5 und dem ersten Wärmeübertrager 1 angeordnet ist. Die einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs 100 sind mit nicht näher bezeichneten Kältemittelleitungen verbunden, wobei eine Strömungsrichtung in dem Kältemittelkreislauf 100 zum Heizen des Gebäudes (Heizbetrieb der Wärmepumpe) mit durchgezogenen Pfeilen und eine Strömungsrichtung zum Kühlen des Gebäudes (Kühlbetrieb der Wärmepumpe) mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet ist. Im Heizbetrieb der Wärmepumpe fungiert der erste Wärmeübertrager 1 als Verdampfer und der zweite Wärmeübertrager 3 als Kondensator, und im Kühlbetrieb der Wärmepumpe kehren sich die Funktionen des ersten und zweiten Wärmeübertragers um.
  • In dem ersten Wärmeübertrager 1 ist ein Temperatursensor 1.1 angebracht, und ein weiterer Temperatursensor 1.3 sowie ein Drucksensor 1.2 sind zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem Kompressor 2 angeordnet. Stromaufwärts des Verdichters 2 sind ein weiterer Temperatursensor 2.1 sowie ein weiterer Drucksensor 2.2 sowie ein Sicherheitshochdruckschalter 2.3 angeordnet. Die dargestellten Temperatur- und Drucksensoren können in bekannter Weise zur Steuerung/Regelung und Überwachung des Expansionsventils 5 und des Kompressors 2 im Heiz- und Kühlbetrieb der Wärmepumpe verwendet werden.
  • Zudem sind zwei Temperatursensoren 7.1, 7.2 stromaufwärts und stromabwärts des dritten Wärmeübertragers angebracht, die zu dessen Steuerung/Regelung und Überwachung genutzt werden können.
  • Jeder der drei gezeigten Wärmeübertrager 1, 3, 7 verwendet eine unterschiedliche Wärmequelle bzw. Wärmesenke während eines Heiz- und Kühlbetriebs der Wärmepumpe. Der erste Wärmeübertrager 1 nutzt Umgebungsluft als Wärmequelle und Wärmesenke und kann daher insbesondere als Lamellen-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Der zweite Wärmeübertrager 3 nutzt einen Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes als Wärmequelle und Wärmesenke und ist daher auf seiner Sekundärseite mit einer Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL des Heiz-/Kühlkreislaufs verbunden. Der zusätzliche dritte Wärmeübertrager 7 nutzt ein Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke und ist dazu auf seiner Sekundärseite an einen Wärmeträgerkreislauf 700 angeschlossen, der einen vierten Wärmeübertrager 71 umfasst, der dazu eingerichtet ist, Wärme aus dem Wärmeträgerkreislauf 700 an das Erdreich bzw. Wärme aus dem Erdreich an den Wärmeträgerkreislauf 700 zu übertragen. Der vierte Wärmeübertrager 71 kann zumindest einen Erdwärmekollektor umfassen, der beispielsweise als Erdwärmekorb, wie in den Figuren 6a und 6b gezeigt, ausgeführt sein kann. Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Erdwärmekollektor flächig ausgebildet ist.
  • Der Wärmeträgerkreislauf 700 enthält zudem eine Pumpe 72 sowie einen Temperatursensor 7.3. Bei der Pumpe 72 kann es sich beispielsweise um eine drehzahlvariable Pumpe 72 handeln, mittels der ein Volumenstrom des Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf 700 zur Leistungssteuerung/- regelung des dritten Wärmeübertragers eingestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Pumpe 72 ein variables Verdrängungsvolumen aufweisen. Als Wärmeträgermittel kann insbesondere Sole zum Einsatz kommen. Andere geeignete Wärmeträgermittel sind jedoch ebenso möglich. Zur Einstellung des Volumenstroms kann die Pumpe 72 signaltechnisch mit einer Steuervorrichtung (nicht dargestellt) der Wärmepumpe verbunden sein und von dieser geregelt werden. Dazu kann die Steuervorrichtung beispielsweise zusätzlich Signale von den Temperatursensoren 7.1 bis 7.3 empfangen.
  • In einem Heizbetrieb der Wärmepumpe strömt gasförmiges Kältemittel entlang der durchgezogenen Pfeile von dem ersten Wärmeübertrager 1, in dem es Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen hat, über das 4/2-Wegeventil 6, zu dem Kompressor 2. Das 4/2-Wegeventil 6 weist vorliegend zwei unterschiedliche Stellungen auf, deren zugehörige Strömungspfade durch zwei durchgezogene und zwei gestrichelte Linien gekennzeichnet sind. Im Heizbetrieb der Wärmepumpe befindet sich das 4/2-Wegeventil 6 in einer Stellung, in der es entlang der beiden durchgezogenen Pfade von dem Kältemittel durchströmt wird.
  • In dem Kompressor wird das Kältemittel verdichtet und strömt als Heißgas aus dem Kompressor 2 über das 4/2-Wegeventil 6 in den zweiten Wärmeübertrager 3. Der Kompressor 2 kann im Heizbetrieb der Wärmepumpe beispielsweise mit einer Drehzahl von 100 bis 120 rps ("revolutions per second", Umdrehungen pro Sekunde), insbesondere bei 110 rps betrieben werden, um eine ausreichende Menge an Kältemittel zum Heizen des Gebäudes in den zweiten Wärmeübertrager 3 zu fördern.
  • In dem zweiten Wärmeübertrager 3 wird das Kältemittel verflüssigt und gibt dabei die im ersten Wärmeübertrager 1 aufgenommene Wärme an den Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes ab (siehe Pfeile VL, RL die einen Vorlauf und einen Rücklauf des Heiz-/ Kühlkreislaufs andeuten). Das kondensierte Kältemittel gelangt dann von dem zweiten Wärmeübertrager 3 in den Kältemittelsammler 4 und von dort zu dem Expansionsventil 5. Der Kältemittelsammler 4 trennt mittels Schwerkraft eine flüssige Phase des zweiphasig aus dem zweiten Wärmeübertrager 3 austretenden Kältemittels von einer gasförmigen Phase und stellt damit sicher, dass nur flüssiges Kältemittel in das Expansionsventil 5 gelangt. Mittels des Expansionsventils 5 wird das flüssige Kältemittel auf einen Ausgangsdruck entspannt, so dass es im ersten Wärmeübertrager 1 wieder in einen gasförmigen Zustand übergehen und dabei Wärme aufnehmen kann.
  • Wenn während des Heizbetriebs der Wärmepumpe eine Bereifung des ersten Wärmeübertragers 1 detektiert wird, so wird in einem ersten Schritt die Drehzahl des Kompressors 2 deutlich, insbesondere sprunghaft z.B. auf 20 bis 30 rps reduziert. Das sprunghafte Absenken der Kompressordrehzahl bewirkt einen sprunghaften Druckanstieg und einen damit einhergehenden Anstieg einer Verdampfungstemperatur in dem ersten Wärmeübertrager 1, der eine natürliche Abtauung desselben zur Folge hat. Eine benötigte Drehzahlreduktion kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Grads der Bereifung des ersten Wärmeübertragers 1 bestimmt werden. Insbesondere kann bei einem höheren Bereifungsgrad/stärkerer Vereisung ein größerer Drehzahlsprung eingestellt werden als bei einem niedrigeren Bereifungsgrad/schwächerer Vereisung.
  • Eine Bereifung des ersten Wärmeübertragers 1 bzw. ein Grad der Bereifung kann beispielsweise anhand der Verdampfungstemperatur des ersten Wärmeübertragers 1 und/oder anhand einer Umgebungstemperatur detektiert werden. Die Verdampfungstemperatur kann mittels des Temperatursensors 1.1 im ersten Wärmeübertrager 1 bestimmt werden, und die Umgebungstemperatur kann z.B. mit einem Außentemperaturfühler (nicht dargestellt) der Wärmepumpe gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann zur Bereifungserkennung ein Widerstand eines Luftvolumenstroms durch den ersten Wärmeübertrager 1 ermittelt werden. Dazu können beispielsweise Mess- und Ansteuergrößen eines Ventilatormotors (nicht dargestellt) des ersten Wärmeübertragers 1 herangezogen werden. Zudem kann die Bereifungserkennung mittels optischer, kapazitiver und/oder piezoresistiver Sensoren erfolgen. Bei Verwendung eines Lamellenwärmeübertragers können diese Sensoren im Bereich der Lamellen angebracht sein.
  • Zur Unterstützung der natürlichen Abtauung wird in einem zweiten Schritt eine bestimmte Leistung des dritten Wärmeübertragers 7 eingestellt, um den ersten Wärmeübertrager 1 in einer vorbestimmten Zeit abzutauen. Dazu kann insbesondere ein geeigneter Volumenstrom in dem Wärmeträgerkreislauf 700 mittels der Pumpe 72 eingestellt werden. Die bestimmte Leistung kann z.B. ebenfalls in Abhängigkeit von dem Grad der Bereifung des ersten Wärmeübertragers 1 ermittelt werden. Insbesondere kann die bestimmte Leistung eine maximale Leistung des dritten Wärmeübertragers 7 sein. Der zweite Schritt kann gleichzeitig mit dem ersten Schritt oder zeitlich versetzt zu dem ersten Schritt, insbesondere später als der erste Schritt, eingeleitet werden.
  • Auf diese Weise kann dem dritten Wärmeübertrager 7 Wärme entzogen und dem Kältemittelkreislauf 100 vor Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 1 zugeführt werden. Zusätzlich kann eine Wärmeabgabe an den Heizkreislauf des Gebäudes über die Sekundärseite des zweiten Wärmeübertragers 3 reduziert und diese Wärme stattdessen zum Abtauen des ersten Wärmeübertragers 1 genutzt werden. Mittels der beschriebenen Maßnahmen kann eine anfängliche Bereifung des ersten Wärmeübertragers 1 effizient und schnell entfernt werden, ohne dass ein aktives Abtauen desselben oder ein Stopp des Kompressors 2 notwendig werden. Dadurch kann die Lebensdauer und die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert werden.
  • Gelingt es nicht den ersten Wärmeübertrager 1 in der vorbestimmten Zeit abzutauen, so kann ein aktives Abtauen, insbesondere eine Kältemittelkreislaufumkehr durchgeführt werden.
  • Zur Umkehrung des Kältemittelkreislaufs 100 kann das 4/2-Wegeventil 6 in eine zweite Stellung umgeschaltet werden, in der es entlang der gestrichelt gekennzeichneten Pfade von dem Kältemittel durchströmt wird. Diese Stellung nimmt das 4/2-Wegeventil auch im Kühlbetrieb der Wärmepumpe ein, in dem der zweite Wärmeübertrager 3 als Verdampfer und der erste Wärmeübertrager 1 als Kondensator arbeitet.
  • Im Kühlbetrieb der Wärmepumpe strömt gasförmiges Kältemittel entlang der gestrichelten Pfeile von dem zweiten Wärmeübertrager 3, in dem es Wärme aus dem Heiz-/Kühlsystem des Gebäudes aufgenommen hat, über das 4/2-Wegeventil 6, zu dem Kompressor 2. In dem Kompressor 2 wird das Kältemittel verdichtet und strömt dann als Heißgas über das 4/2-Wegeventil 6 in den ersten Wärmeübertrager 1. In dem ersten Wärmeübertrager 1 wird das Kältemittel verflüssigt und gibt dabei die im zweiten Wärmeübertrager 3 aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft ab. Das kondensierte, zweiphasige Kältemittel gelangt dann von dem ersten Wärmeübertrager 1 in den dritten Wärmeübertrager 7, in dem es durch weitere Wärmeabgabe an den Wärmeträgerkreislauf 700 und damit an das Erdreich unterkühlt und somit vollständig verflüssigt wird. Das flüssige Kältemittel strömt nachfolgend zu dem Expansionsventil 5 und wird dort auf einen Ausgangsdruck entspannt, so dass es im zweiten Wärmeübertrager 3 wieder in einen gasförmigen Zustand übergehen und dabei Wärme aufnehmen kann. Der Kältemittelsammler 4 ist in diesem Fall stromabwärts des Expansionsventils 5 angeordnet und daher ohne Funktion. Dessen Funktion wird im Kühlbetrieb der erfindungsgemäßen Wärmepumpe durch die Unterkühlung des Kältemittels im dritten Wärmeübertrager 7 ersetzt, wodurch die Effizienz der Wärmepumpe auch in diesem Betriebszustand gesteigert werden kann. In diesem Zusammenhang ist es zudem möglich, eine Einbaulage des dritten Wärmeübertragers 7 derart zu gestalten, dass seine Anschlüsse (nicht näher dargestellt) an den Kältemittelkreislauf 100 eine Sammlerfunktion übernehmen können. Dazu kann der dritte Wärmeübertrager 7 z.B. um 90° zu der in Figur 1 gezeigten Position gedreht werden, so dass sich die Anschlüsse jeweils an einem unteren und einem oberen Ende des dritten Wärmeübertragers 7 befinden.
  • Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs 100 aus Figur 1, in dem eine Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers 7 dargestellt ist. Der Ausschnitt stellt den dritten Wärmeübertrager 7 mit den zugehörigen Temperatursensoren 7.1, 7.2 und dem Wärmeträgerkreislauf 700 sowie den ersten Wärmeübertrager 1 mit den zugehörigen Temperatur- und Drucksensoren 1.1 bis 1.3 dar. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der dritte Wärmeübertrager 7 als Plattenwärmeübertrager ausgeführt, dessen nicht näher bezeichnete Sekundarseite an den Wärmeträgerkreislauf 700 angeschlossen ist. Der Platten-Wärmeübertrager ist zwischen dem Expansionsventil 5 und dem ersten Wärmeübertrager 1 angeordnet. In diesem Bereich des Kältemittelkreislaufs 100 weist das Kältemittel im Heizbetrieb der Wärmepumpe seine niedrigste Temperatur auf, so dass dort eine besonders effiziente Wärmeübertragung aus dem mit dem Erdreich verbundenen Wärmeträgerkreislauf 100 mittels des dritten Wärmeübertragers 7 in das Kältemittel erfolgen kann.
  • Insbesondere ist eine nicht näher dargestellte Primärseite des Plattenwärmeübertragers stromaufwärts und direkt angrenzend an eine hier nicht näher dargestellte Einlaufstrecke des ersten Wärmeübertragers 1 in dem Kältemittelkreislauf 100 angebracht. Auf diese Weise ist der dritte Wärmeübertrager 3 in direkter räumlicher Nähe zu dem ersten Wärmeübertrager 1 angeordnet, so dass das erwärmte Kältemittel nur geringe Wärmeverluste auf dem Weg von dem dritten in den ersten Wärmeübertrager 7, 1 erfährt.
  • Figur 3a zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs 100 aus Figur 1, in dem eine weitere Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers 7 dargestellt ist, und Figur 3b zeigt den dritten Wärmeübertrager 7 aus Figur 3a in einer Querschnittsansicht. In diesem Fall ist der dritte Wärmeübertrager 7 in einem nicht näher bezeichneten gemeinsamen Gehäuse mit dem ersten Wärmeübertrager 1 angebracht. Der dritte Wärmeübertrager 7 ist vorliegend als Rohrbündel-Wärmeübertrager ausgeführt, dessen Rohre 7a zumindest teilweise mechanisch an Kernrohre 1a des als Lamellen-Wärmeübertragers ausgeführten ersten Wärmeübertragers 1 angrenzen. Auf diese Weise kann ein wärmeleitender Kontakt zwischen dem dritten und dem ersten Wärmeübertrager 7, 1 hergestellt und die Wärmeübertragung auf das Kältemittel nochmals verbessert werden.
  • Figur 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs 100 aus Figur 1, in dem eine weitere Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers 7 dargestellt ist. Hier ist der dritte Wärmeübertrager 7 als Rohrwendel-Wärmeübertrager ausgeführt, dessen nicht näher bezeichnete Sekundärseite an den Wärmeträgerkreislauf 700 angeschlossen ist. Eine nicht näher bezeichnete Primärseite des Rohrwendel-Wärmeübertragers grenzt unmittelbar an eine Einlaufstrecke 10 des ersten Wärmeübertragers 1 an, wobei die Einlaufstrecke 10 mehrere Verteilerrohre 10a aufweist, von denen zwei dargestellt sind. Die Rohrwendeln 7b auf der Sekundärseite des dritten Wärmeübertragers 7 können dabei auch derart an die Einlaufstrecke 10 angrenzen, dass zumindest eine Rohrwendel 7b, zweckmäßigerweise alle Rohrwendeln 7b, die Verteilerrohre 10b der Einlaufstrecke 10 umgeben (nicht dargestellt). Die Rohrwendeln 7b können dabei in direktem mechanischen Kontakt mit den Verteilerrohren 10b stehen, so dass auch hier eine Wärmeleitung stattfinden kann.
  • Figur 5 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs 100 aus Figur 1, in dem noch eine weitere Ausführungsform des dritten Wärmeübertragers 7 dargestellt ist. In diesem Fall ist der dritte Wärmeübertrager 7, wie in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, als Platten-Wärmeübertrager ausgeführt, dessen nicht näher bezeichnete Sekundärseite mit dem Wärmeträgerkreislauf 700 verbunden ist. Im Gegensatz zu dem in Figur 2 dargestellten Platten-Wärmeübertrager ist dieser vorliegend in die Einlaufstrecke 10 des ersten Wärmeübertragers 7 integriert. Insbesondere stellen vorliegend die Verteilerrohre 10a der Einlaufstrecke 10 die Primärseite des dritten Wärmeübertragers 7 dar, so dass die Wärmeübertragung in unmittelbarer Nähe zu dem ersten Wärmeübertrager 1 erfolgt, wodurch eine Bereifung desselben besonders effizient abgetaut werden kann. Zur fluidischen Anbindung des dritten Wärmeübertragers 7 an die einzelnen Verteilerrohre 10a umfasst der gezeigte dritte Wärmeübertrager 7 mehrere Kältemittelanschlüsse 7c, die vorliegend an einer dem ersten Wärmeübertrager 1 zugewandten Seite des dritten Wärmeübertragers 7 angeordnet sind. Jede andere geeignete Position zur Anbringung der Kältemittelanschlüsse 7c an/in dem dritten Wärmeübertrager 7 ist ebenso möglich. Die Kältemittelanschlüsse 7c erlauben es, den dritten Wärmeübertrager 7 mit den integrierten Verteilerrohren 10a direkt an einzelne Kernrohre 1a des vorliegend als Lamellenwärmeübertrager ausgeführten ersten Wärmeübertragers 1 anzuschließen. Dabei können alle Kernrohre 1a oder nur einzelne Kernrohre 1a des Lamellenwärmeübertragers an die Kältemittelanschlüsse 7c des dritten Wärmeübertragers 7 angeschlossen sein.
  • Figuren 6a und 6b zeigen schematisch zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Erdwärmekörben 71a, 71b die in einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe zum Einsatz kommen können.
  • Insbesondere zeigt Figur 6a drei kegelstumpfförmige Erdwärmekörbe 71a unterschiedlicher Höhe, die jeweils mehrere Stege 710b aufweisen, an denen ein spiralförmig gewickeltes Rohr 710a befestigt ist. Bei dem Rohr 710a kann es sich insbesondere um ein Kunststoffrohr handeln. Andere Materialien, die eine spiralförmige Wicklung des Rohrs ermöglichen, sind ebenso möglich. Die Stege 710b können als Stützleisten oder Stützrohre ausgeführt sein und beispielsweise Halteschlaufen (nicht dargestellt) zur Fixierung des gewickelten Rohrs 710a umfassen. Es ist ebenso möglich, dass in den Stegen 710b Öffnungen (nicht dargestellt) angebracht sind, mittels derer das Rohr 710a, z.B. mit gleichem Abstand zwischen den Windungen, an den Stegen 710b befestigt werden kann. Beispielsweise zeigt DE 20 2008 008 391 U1 einen Erdwärmekorb mit einem spiralförmig gewickelten Kunststoffrohr und vier Stegen, an denen in einem gleichen Abstand halbrunde Aussparungen angebracht sind, in die das Kunststoffrohr geklippt wird.
  • Die in Figur 6a gezeigten kegelstumpfförmigen Erdwärmekörbe 71a können z.B. einen oberen Durchmesser im Bereich von 2m bis 2,5m und einen unteren Durchmesser im Bereich von 1m bis 1,5m aufweisen. Eine Höhe der Erdwärmekörbe 71a kann beispielsweise im Bereich von 2,5m bis 3m (linker Erdwärmekorb 71a), 1,5m bis 2,5m (mittlerer Erdwärmekorb 71a) und 1m bis 1,5m (rechter Erdwärmekorb 71a) liegen. Andere Dimensionen der Erdwärmekörbe 71a sind jedoch ebenso möglich. Die Erdwärmekörbe 71a können beispielsweise in einer Tiefe im Bereich von 1m bis 10m, insbesondere in einem Bereich von 2m bis 4m, im Erdreich installiert werden. Es wird deutlich, dass bereits ein einziger Erdwärmekorb 71a ausreichen kann, um die benötigte Wärme für den dritten Wärmeübertrager 7 bereitzustellen bzw. die über diesen abgeführte Wärme an das Erdreich abzugeben.
  • Figur 6b zeigt einen zylindrisch geformten Erdwärmekorb 71b, der ebenfalls ein spiralförmig aufgewickeltes Rohr 710a, insbesondere ein flexibles Kunststoffrohr, umfasst, an das sich ein Zulaufrohr 710d anschließt. Vorliegend werden jedoch keine Stege 710b verwendet, um die Wicklungen des Rohrs 710a zu fixieren, sondern diese sind mittels mehrerer Bänder/Seile 710c miteinander verbunden. Dadurch können die Wicklungen vor der Installation im Erdreich zusammengedrückt werden, so dass der Erdwärmekorb 71b z.B. für einen Transport eine geringere Höhe aufweist. Beispielsweise zeigt DE 20 2008 013 524 U1 einen gewendelten Erdwärmekorb mit zylindrischer Form, der aus einer elastischen Rohrleitung mit Anschlussenden gebildet wird, die Windung an Windung zu einer Spirale gewickelt ist. Die Windungen sind am Anfang und Ende mit einem Band bzw. Seil verbunden, das eine gewünschte Höhe des Erdwärmekorbs vorgibt. Die Windungen werden auseinandergezogen bis das Band/Seil straff ist und nachfolgend in Halterungen geklippt, welche einen Abstand zwischen den Windungen fixieren.
  • Der in Figur 6b gezeigte Erdwärmekorb 71b kann beispielsweise einen Durchmesser von 0,5m und eine Höhe von 2m aufweisen. Das Rohr 710a kann z.B. einen Innendurchmesser von 20mm und eine Gesamtlänge von 55m haben. Andere Dimensionen des Erdwärmekorbs 71b sind jedoch ebenso möglich. Die Erdwärmekörbe 71b können beispielsweise in einer Tiefe im Bereich von 1m bis 10m, insbesondere in einem Bereich von 2m bis 4m, im Erdreich installiert werden. Es wird deutlich, dass auch hier ein Erdwärmekorb 71b ausreichend sein kann, um die benötigte Wärme für den dritten Wärmeübertrager 7 bereitzustellen bzw. die über diesen abgeführte Wärme an das Erdreich abzugeben.
  • Aufgrund der geringen Installationstiefe und des geringen Platzbedarfs der gezeigten Erdwärmekörbe 71a, 71b stellen diese keinen wesentlichen Zusatzaufwand bei der Planung und Montage der Wärmepumpe dar. Eine Installation eines Erdwärmekorbs 71a, 71b kann beispielsweise mit den Arbeiten zur Erstellung eines Fundaments für die Außeneinheit der Wärmepumpe kombiniert und somit der Installationsaufwand optimiert werden.

Claims (15)

  1. Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen eines Gebäudes mit einem Kältemittelkreislauf (100), in dem ein Kältemittel zirkuliert, umfassend
    - einen ersten Wärmeübertrager (1), der dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft als Wärmequelle und Wärmesenke zu nutzen;
    - einen zweiten Wärmeübertrager (3), der dazu eingerichtet ist, einen Heiz-/Kühlkreislauf des Gebäudes als Wärmequelle und Wärmesenke zu nutzen,
    - ein Wegeventil (3), das dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (100) einzustellen;
    - einen Kompressor (2), der zwischen dem ersten Wärmeübertrager (1) und dem zweiten Wärmeübertrager (3) angeordnet ist;
    - ein Expansionsventil (5), das zwischen dem zweiten Wärmeübertrager (3) und dem ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet ist; und
    - einen dritten Wärmeübertrager (7), der zwischen dem Expansionsventil (5) und dem ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet und dazu eingerichtet ist, ein Erdreich als Wärmequelle und Wärmesenke zu nutzen,
    wobei der dritte Wärmeübertrager (7) an oder in einer Einlaufstrecke (10) des Kältemittels in den ersten Wärmeübertrager (1) angebracht ist.
  2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei die Einlauflaufstrecke (10) in den ersten Wärmeübertrager (1) eine Vielzahl von Verteilerrohren (10a) umfasst, die fluidisch und mechanisch mit dem ersten Wärmeübertrager (1) verbunden sind.
  3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) eine Vielzahl von Kältemittelanschlüssen (7c) aufweist, die fluidisch mit der Einlaufstrecke (10) in den ersten Wärmeübertrager (1) verbunden sind.
  4. Wärmepumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) als Platten-Wärmeübertrager ausgeführt ist.
  5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) derart in der Einlaufstrecke (10) in den ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet ist, dass die Verteilerrohre (10a) der Einlaufstrecke (10) in dem dritten Wärmeübertrager (7) integriert sind.
  6. Wärmepumpe nach Anspruch 2, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) als Rohrwendel-Wärmeübertrager ausgeführt ist.
  7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) derart in der Einlaufstrecke (10) in den ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet ist, dass zumindest eine Wendel (7b) des dritten Wärmeübertragers (7) an die Vielzahl von Verteilerrohren (10b) der Einlaufstrecke angrenzt.
  8. Wärmepumpe nach Anspruch 6 oder 7, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) derart in der Einlaufstrecke (10) in den ersten Wärmeübertrager (1) angeordnet ist, dass zumindest eine Wendel (7b) des dritten Wärmeübertragers (7) die Vielzahl von Verteilerrohren (10b) der Einlaufstrecke (10) umgibt.
  9. Wärmepumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sekundärseite des dritten Wärmeübertragers (7) an einen Wärmeträgerkreislauf (700) angeschlossen ist, in dem ein Wärmeträgermittel zirkuliert und der neben dem dritten Wärmeübertrager (7) eine Pumpe (72) und einen vierten Wärmeübertrager (71) umfasst.
  10. Wärmepumpe nach Anspruch 9, wobei der vierte Wärmeübertrager (71) zumindest einen Erdwärmekollektor umfasst.
  11. Verfahren zum Abtauen eines als Verdampfer fungierenden ersten Wärmeübertragers (1) in einem Kältemittelkreislauf (100) einer Wärmepumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
    - Einstellen einer Drehzahl eines Kompressors (2) des Kältemittelkreislaufs (100) auf eine bestimmte Drehzahl, die niedriger als eine Drehzahl des Kompressors (2) in einem Heizbetrieb der Wärmepumpe ist, wenn eine Bereifung des ersten Wärmeübertrages (1) im Heizbetrieb der Wärmepumpe detektiert wird; und
    - Einstellen einer bestimmten Leistung eines dritten Wärmeübertragers (7) in dem Kältemittelkreislauf (100), um den ersten Wärmeübertrager (1) in einer vorbestimmten Zeit abzutauen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) an einen Wärmeträgerkreislauf (700) angeschlossen ist und die bestimmte Leistung mittels eines Volumenstroms eines Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf (700) eingestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei wenn das Abtauen des ersten Wärmeübertragers (1) nicht in der vorbestimmten Zeit abgeschlossen ist, ein aktives Abtauen des ersten Wärmeübertragers (1) eingeleitet wird.
  14. Verfahren zum Kühlen eines Gebäudes mittels einer Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf (100) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Schritte:
    - Einstellen einer Strömungsrichtung eines Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (100), in der ein erster Wärmeübertrager (1) des Kältemittelkreislaufs als Kondensator und ein zweiter Wärmeübertrager (3) des Kältemittelkreislaufs (100) als Verdampfer fungiert, mittels eines Wegeventils (6);
    - Verdichten von dampfförmigem Kältemittel mittels eines Kompressors (2);
    - Kondensieren des verdichteten Kältemittels in dem ersten Wärmeübertrager (1);
    - Einstellen einer vorbestimmten Unterkühlung des Kältemittels vor einem Expansionsventil (5) des Kältemittelkreislaufs (100) mittels eines dritten Wärmeübertragers (7) in dem Kältemittelkreislauf (100);
    - Expandieren des unterkühlten Kältemittels mittels des Expansionsventils (5); und
    - Verdampfen des expandierten Kältemittels in dem zweiten Wärmeübertrager (3).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der dritte Wärmeübertrager (7) an einen Wärmeträgerkreislauf (700) angeschlossen ist und die vorbestimmte Unterkühlung des Kältemittels mittels eines Volumenstroms eines Wärmeträgermittels in dem Wärmeträgerkreislauf (700) eingestellt wird.
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