NL2021626B9 - Warmtepomp met voorverwarming / voorkoeling van warmte / koude bron - Google Patents

Abstract

Een warmtepomp heeft een compressor 1, een eerste warmtewisselaar 3 (verdamper), een expansieventiel 2 en een tweede warmtewisselaar (condensor). De eerste warmtewisselaar 3 wisselt energie uit met de te koelen lucht en is voorzien van een ventilator 6. De tweede warmtewisselaar 5 wisselt energie uit met leidingwater en is hiertoe aangesloten op een waterleiding 15, 16. De warmtepomp heeft voorts een derde warmtewisselaar 4 voor het voorverwarmen of voorkoelen van het leidingwater door het warmteoverdrachtsmedium om leidingwater te besparen indien dit in de zomer warm is of in de winter koud is. De stroming van het warmteoverdrachtsmedium door de derde warmtewisselaar 4 kan geregeld worden door een regelklep 7 en de aanvoerleiding 15 van het leidingwater kan met behulp van afsluitkleppen 9 en 12 eerste door de derde warmtewisselaar 4 geleid worden alvorens naar de tweede warmtewisselaar 5 geleid te worden.

Description

Warmtepomp met voorverwarming / voorkoeling van warmte / koude bron BESCHRIJVING: Gebied van de uitvinding De uitvinding heeft betrekking op een warmtepomp, waarbij energie via een warmteoverdrachtsmedium wordt uitgewisseld tussen een warmte of koudebron gevormd door leidingwater, in het bijzonder van een drinkwaterleiding, en te verwarmen of te koelen binnenlucht of water voor verwarming/koeling van vloer en/of radiatoren, omvattende: - een compressor voor het comprimeren van het warmteoverdrachtsmedium in gasvormige toestand, - een expansievenùüel voor het verlagen van de druk van het warmteoverdrachtsmedium in vloeibare toestand, - een eerste warmtewisselaar die tussen de compressor en het expansieventiel aanwezig is voor het bewerkstelligen van een faseovergang tussen vloeibaar en gas (condenseren of verdampen) van het warmteoverdrachtsmedium, - een tweede warmtewisselaar die tussen de compressor en het expansieventiel aanwezig is voor het bewerkstelligen van een fase-overgang tussen vloeibaar en gas (condenseren of verdampen) van het warmteoverdrachtsmedium tegengesteld aan die van de eerste warmtewisselaar, - een ventilator voor het blazen van binnenlucht door de eerste warmtewisselaar of een in de eerste warmtewisselaar aanwezige verwarmingswaterleiding, en - een waterleiding die door de tweede warmtewisselaar loopt voor het afgeven van warmte aan of opnemen van warmte uit het warmteoverdrachtsmedium, waarbij de compressor, de eerste warmtewisselaar, het expansieventiel en de tweede warmtewisselaar een gesloten circuit vormen voor het warmteoverdrachtsmedium.

Een warmtepomp neemt bij lage temperatuur warmte op die bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Dit wordt meestal bewerkstelligt door een vloeistof (warmteoverdrachtsmedium) bij lage temperatuur te laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur te laten condenseren. In het eerste geval moet het kookpunt dusworden verlaagd en/of in het tweede geval worden verhoogd.

Het kookpunt kan worden verhoogd door de druk te verhogen met een compressor en worden verlaagd door de druk te laten zakken in een expansieventiel.

Het geheel van verdampen, comprimeren, condenseren en expanderen vormt een gesloten kringloop voor het rondstromende warmteoverdrachtsmedium.

Aan de warmtepomp wordt netto arbeid toegevoerd (in de compressor) en er wordt warmte verplaatst van de verdamper naar de condensor.

Een warmtepomp is een gesloten kringloop van een vloeistof met een laag kookpunt, bijvoorbeeld freon, die verdampt in de verdamper en weer condenseert tot vloeistof in de condensor.

Het expansieventiel laat de vloeistof ontspannen naar een lagere druk op verdampingstemperatuur.

De vloeistof begint hierdoor te koken en neemt daarbij warmte op uit de te koelen ruimte.

Doordat het warmteoverdrachtsmedium kouder is dan de omgeving, wordt er warmte aan toegevoerd.

De warmte van de ruimte wordt overgedragen op het warmteoverdrachtsmedium.

Dit verdampt hierbij volledig . In de compressor wordt het gasvormige warmteoverdrachtsmedium samengeperst tot een hogere druk en temperatuur en naar de condensor gevoerd.

Het gas geeft de onttrokken warmte af aan het leidingwater en condenseert terug tot vloeistof.

De compressor is de stuwende kracht in het gehele proces door het warmteoverdrachtsmedium te verplaatsen.

Door het warmteoverdrachtsmedium in omgekeerde richting te verplaatsen kan met een warmtepomp ook verwarmd worden waarbij warmte aan het leidingwater wordt onttrokken en aan de kamerlucht wordt afgegeven.

Stand van de techniek Een dergelijke warmtepomp is algemeen bekend.

Op zomerse dagen is de temperatuur van het water in de drinkwaterleiding hoog.

Hierdoor is veel leidingwater nodig om de opgenomen warmte af te kunnen geven.

In de winter is de temperatuur van het water in de drinkwaterleiding laag waardoor er ook weer veel leidingwater nodig is om voldoende warmte te kunnen onttrekken voor het opwarmen van de lucht.

In de herfst en lente is de temperatuur van het water in de drinkwaterleiding goed om te verwarmen of te koelen echter is dan de behoefte hieraan het geringst.

Samenvatting van de uitvinding

Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een warmtepomp van de in de aanhef omschreven soort waarbij in de zomer en winter minder leidingwater nodig is voor het koelen dan wel verwarmen. Hiertoe is de warmtepomp volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de warmtepomp een derde warmtewisselaar omvat waarin warmteoverdracht tussen het leidingwater en het warmteoverdrachtsmedium plaats kan vinden voor het voorverwarmen of voorkoelen van het leidingwater, welke derde warmtewisselaar via de bypassleiding parallel aan de eerste warmtewisselaar tussen het expansieventiel en de compressor geschakeld kan worden door middel van een in de bypassleiding aanwezige regelklep in het circuit van het warmteoverdrachtsmedium en een of meer stuurkleppen in de waterleiding. Bij voorkeur wordt hiervoor de drinkwaterleiding gebruikt.

Om het voorverwarmen / voorkoelen van het leidingwater niet ten koste te laten gaan van het verwarmen / koelen van de lucht wordt tijdens het voorverwarmen / voorkoelen extra energie door de compressor geleverd.

De voordelen van de warmtepomp volgens de uitvinding ten opzichte van de bekende warmtepomp, waarbij als warmte/koudebron leidingwater wordt gebruikt, zijn: - bij lage buitentemperatuur tijdens het verwarmen een hoog rendement door verhoging van de leidingwatertemperatuur ten opzichte van de buitenlucht, - bij hoge buitentemperatuar tijdens het koelen een hoog rendement door verlaging van de leidingwatertemperatuur ten opzichte van de buitenlucht, - laag waterverbruik door opwaarderen (verwarmen/koelen) van de leidingwatertemperatuur. Een uitvoeringsvorm van de warmtepomp volgens de uitvinding is gekenmerkt, doordat in de watertoevoerleiding zich een regelklep bevindt waarmee tijdens koelen de hoeveelheid leidingwater door de tweede warmtewisselaar geregeld wordt, welke regelklep gestuurd wordt door de druk van het warmteoverdrachtsmedium ter plaatse van de tweede warmtewisselaar, en dat een bypassleiding parallel aan de regelklep aanwezig is, in welke bypassleiding een verdere regelklep aanwezig is waarmee tijdens verwarmen de hoeveelheid leidingwater door de tweede warmtewisselaar geregeld wordt. Tijdens verwarmen fungeert de tweede warmtewisselaar als verdamper en is de druk van het warmteoverdrachtmedium ter plaatse van de tweede warmtewisselaar zodanig laag dat de regelklep volledig geslotenis.

Daarom kan bij verwarmen de hoeveelheid leidingwater geregeld worden door de verdere regelklep in de bypassleiding.

Beknopte omschrijving van de tekeningen

Hieronder zal de uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van een in de tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeeld van de warmtepomp volgens de uitvinding.

Hierbij toont: Figuur 1 een leiding en componenten schema van de warmtepomp volgens de uitvinding met daarin aangegeven de vloeistof/gastromen tijdens het koelen, Figuur 2 het schema met daarin aangegeven de vloeistof/gastromen tijdens het koelen met voorkoeling van het leidingwater, Figuur 3 het schema met daarin aangegeven de vloeistof/gastromen tijdens het verwarmen, en Figuur 4 het schema met daarin aangegeven de vloeistof/gastromen tijdens het verwarmen met voorverwarming van het leidingwater.

Gedetailleerde omschrijving van de tekeningen In figuur 1 is de warmtepomp volgens de uitvinding schematisch weergegeven.

In de warmtepomp wordt energie via een warmteoverdrachtsmedium uitgewisseld tussen een warmte of koudebron gevormd door water in de drinkwaterleiding en te verwarmen of te koelen binnenlucht 14. Hierbij is freon genomen als warmteoverdrachtsmedium, maar ook andere bekende vloeistoffen zouden hiervoor genomen kunnen worden.

De warmtepomp heeft een compressor 1 voor het comprimeren van het warmteoverdrachtsmedium in gasvormige toestand en een expansieventiel 2 voor het verlagen van de druk van het warmteoverdrachtsmedium in vloeibare toestand.

Tussen de compressor en het expansieventiel bevinden zich twee warmtewisselaars 3 en 5 voor het bewerkstelligen van een faseovergang tussen vloeibaar en gas (condenseren of verdampen) van het warmteoverdrachtsmedium.

Tijdens bedrijf bewerkstelligt de ene warmtewisselaar een fase-overgang van vloeibaar naar gas (verdampen) en de andere warmtewisselaar van gas naar vloeibaar (condenseren). Een eerste van de warmtewisselaars 3 wisselt energie uit met de teverwarmen/koelen lucht en is hiertoe voorzien van een ventilator 6 voor het blazen van binnenlucht door de eerste warmtewisselaar. De tweede warmtewisselaar 5 wisselt energie uit met het leidingwater en is hiertoe aangesloten op een watertoevoerleiding 15 en een waterafvoerleiding 16. De compressor, de eerste warmtewisselaar, het 5 expansieventiel en de tweede warmtewisselaar vormen een gesloten kringloop voor het warmteoverdrachtsmedium.

In de watertoevoerleiding bevindt zich een regelklep 11 waarmee tijdens het condenseren van het warmteoverdrachtsmediam de hoeveelheid leidingwater door de tweede warmtewisselaar 5 geregeld wordt. Deze regelklep is drukgestuurd en wordt geregeld door de druk van het warmteoverdrachtsmedium ter plaatse van de tweede warmtewisselaar 5. Parallel aan de regelklep 11 bevindt zich een bypassleiding met daarin een verdere regelklep 17 en een afsluitklep 18. Tijdens het verdampen van het warmteoverdrachtsmediam wordt de hoeveelheid water door de tweede warmtewisselaar 5 geregeld met de verdere regelklep 17 door afsluitklep 18 te openen.

De warmtepomp heeft voorts een derde warmtewisselaar 4 voor het voorverwarmen of voorkoelen van het leidingwater door het warmteoverdrachtsmedium. Deze derde warmtewisselaar 4 is via een bypassleiding in het circuit van het warmteoverdrachtsmedium parallel aan de eerste warmtewisselaar 3 tussen het expansieventiel 2 en de compressor 1 aanwezig en kan in het circuit van het leidingwater in serie geschakeld worden met de tweede warmtewisselaar 5. De stroming van het warmteoverdrachtsmedium door de derde warmtewisselaar 4 kan geregeld worden door een regelklep 7 welke aanwezig is in een bypassleiding over de eerste warmtewisselaar 3. De aanvoerleiding 15 van het leidingwater kan via een eerste tak rechtstreeks naar de tweede warmtewisselaar 5 geleid worden of via een tweede tak eerste door de derde warmtewisselaar 4 geleid worden en daarna naar de tweede warmtewisselaar 5. Hiertoe bevinden zich in beide takken een afsluitklep 9 en 12. Al naar gelang deze geopend en gesloten worden kan het leidingwater gestuurd worden.

Om bevriezing van het warmteoverdrachtsmedium bij het voorkoelen van het leidingwater te voorkomen wordt in de bypassleiding de temperatuur van het medium gemeten en bij een te lage temperatuur worden de kleppen 8 en 10 in de bypassleiding gesloten waardoor voorkomen wordt dat het medium in de derde warmtewisselaar kan bevriezen.

Met de warmtepomp kan de binnenlucht 14 zowel gekoeld als verwarmd worden. Hiertoe kan de stromingsrichting van het warmteoverdrachtsmedium omgekeerd worden door een vierwegklep 13 te schakelen. In de figuren 1 en 2 is de situatie tijdens het koelen van de binnenlucht 14 weergegeven waarbij de eerste warmtewisselaar 3 als verdamper fungeert en de tweede warmtewisselaar 5 als condensor fungeert. In deze situatie fungeert de derde warmtewisselaar 4 ook als verdamper. In figuur 1 is de situatie weergegeven zonder voorkoelen van het leidingwater. In deze situatie is klep 12 geopend en klep 9 gesloten. Het leidingwater stroomt hierbij via de aanvoerleiding 15 rechtstreeks naar de tweede warmtewisselaar 5.

In figuur 2 is de situatie weergegeven waarin het leidingwater voorgekoeld wordt. In deze situatie is klep 12 gesloten en klep 9 geopend. Het leidingwater stroomt hierbij via de aanvoerleiding 15 eerst door de derde warmtewisselaar en daarna naar de tweede warmtewisselaar 5. Het door expansie in temperatuur verlaagde warmteoverdrachtsmedium koelt hierbij het leidingwater dat naar de tweede warmtewisselaar stroomt. Dit gebeurt in de zomer indien het leidingwater relatief warm is (bijvoorbeeld 25 °C) waardoor er anders veel leidingwater nodig zou zijn om het warmteoverdrachtsmedium te laten condenseren. Om de koelcapaciteit voor het koelen van de binnenlucht 14 niet ten koste te laten gaan van het voorkoelen van het leidingwater, laat men de compressor harder werken. De hierdoor bereikte waterbesparing weegt ruimschoots op tegen de kosten voor de extra energie die de COMPIessor vraagt.

In de figuren 3 en 4 is de situatie tijdens het verwarmen van de binnenlucht 14 weergegeven waarbij de eerste warmtewisselaar 3 als condensor fungeert en de tweede warmtewisselaar 5 als verdamper fungeert. In deze situatie fungeert de derde warmtewisselaar 4 ook als condensor. In figuur 3 is de situatie weergegeven zonder voorverwarmen van het leidingwater. In deze situatie is klep 12 geopend en klep 9 gesloten. Het leidingwater stroomt hierbij via de aanvoerleiding 15 rechtstreeks naar de tweede warmtewisselaar 5. In figuur 4 is de situatie weergegeven waarin het leidingwater voorverwarmd wordt. In deze situatie is klep 12 gesloten en klep 9 geopend. Het leidingwater stroomt hierbij via de aanvoerleiding 15 eerst door de derde warmtewisselaar en daarna naar de tweede warmtewisselaar 5. Dit gebeurt in de winter indien het leidingwater relatief koud is (bijvoorbeeld 16 °C) waardoor er anders veel leidingwater nodig zou zijn om het warmteoverdrachtsmedium te laten verdampen.

Ook gebeurt dit om te voorkomen dat het warmteoverdrachtsmedium bij uit de verdamper treden boven de vriestemperatuur blijft. Om de verwarmingscapaciteit voor het verwarmen van de binnenlucht 14 niet ten koste te laten gaan van het voorverwarmen van het leidingwater, laat men ook in deze situatie de compressor harder werken.

Hoewel in het voorgaande de uitvinding is toegelicht aan de hand van de tekeningen, dient te worden vastgesteld dat de uitvinding geenszins tot de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvorm is beperkt. De uitvinding strekt zich mede uit tot alle van de in de tekeningen getoonde uitvoeringsvorm afwijkende uitvoeringsvormen binnen het door de conclusies gedefinieerde kader. Zo kan in plaats van lucht ook water voor een vloerverwarming (vloerkoeling) of radiatoren verwarmd of gekoeld worden. Hierbij is de ventilator dan vervangen door een waterleiding die zich in de kringloop bevindt van de leidingen door de vloer en/of de radiatoren.

Ook is het mogelijk om een vierde warmtewisselaar parallel aan de derde warmtewisselaar in de warmtepomp op te nemen, waarbij een van deze beide warmtepompen dan uitsluitend voor het voorverwarmen van het leidingwater en de andere warmtepomp uitsluitend voor het voorkoelen van het leidingwater gebruikt wordt.

Claims (2)

CONCLUSIES:

1. Warmtepomp, waarbij energie via een warmteoverdrachtsmedium wordt uitgewisseld tussen een warmte of koudebron gevormd door leidingwater en te verwarmen of te koelen binnenlucht (14) of water voor verwarming/koeling van vloer en/of radiatoren, omvattende: - een compressor (1) voor het comprimeren van het warmteoverdrachtsmedium in gasvormige toestand, - een expansieventiel (2) voor het verlagen van de druk van het warmteoverdrachtsmedium in vloeibare toestand, - een eerste warmtewisselaar (3) die tussen de compressor en het expansieventiel aanwezig is voor het bewerkstelligen van een faseovergang tussen vloeibaar en gas van het warmteoverdrachtsmedium, - een tweede warmtewisselaar (5) die tussen de compressor en het expansieventiel aanwezig is voor het bewerkstelligen van een fase-overgang tussen vloeibaar en gas van het warmteoverdrachtsmedium tegengesteld aan die van de eerste warmtewisselaar, - een ventilator (6) voor het blazen van binnenlucht door de eerste warmtewisselaar of een in de eerste warmtewisselaar aanwezige verwarmingswaterleiding, en - een waterleiding (15, 16) die door de tweede warmtewisselaar loopt voor het afgeven van warmte aan of opnemen van warmte uit het warmteoverdrachtsmedium, waarbij de compressor, de eerste warmtewisselaar, het expansieventiel en de tweede warmtewisselaar een gesloten circuit vormen voor het warmteoverdrachtsmedium, met het kenmerk, dat de warmtepomp een derde warmtewisselaar (4) omvat waarin warmteoverdracht tussen het leidingwater en het warmteoverdrachtsmedium plaats kan vinden voor het voorverwarmen of voorkoelen van het leidingwater, welke derde warmtewisselaar via een bypassleiding parallel aan de eerste warmtewisselaar (3) tussen het expansieventiel (2) en de compressor (1) geschakeld kan worden door middel van een in de bypassleiding aanwezige regelklep (7) in het circuit van het warmteoverdrachtsmedium en een of meer stuurkleppen (9, 12) in de waterleiding (15).

2. Warmtepomp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in de watertoevoerleiding zich een regelklep (11) bevindt waarmee tijdens koelen de hoeveelheid leidingwater door de tweede warmtewisselaar (5) geregeld wordt, welkeregelklep gestuurd wordt door de druk van het warmteoverdrachtsmedium ter plaatse van de tweede warmtewisselaar, en dat een bypassleiding parallel aan de regelklep (11) aanwezig is, in welke bypassleiding een verdere regelklep (17) aanwezig is waarmee tijdens verwarmen de hoeveelheid leidingwater door de tweede warmtewisselaar (5) geregeld wordt.