WO2017157808A1 - Heat pump system having heat exchangers, method for operating a heat pump system, and method for producing a heat pump system - Google Patents

Heat pump system having heat exchangers, method for operating a heat pump system, and method for producing a heat pump system Download PDF

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WO2017157808A1
WO2017157808A1 PCT/EP2017/055732 EP2017055732W WO2017157808A1 WO 2017157808 A1 WO2017157808 A1 WO 2017157808A1 EP 2017055732 W EP2017055732 W EP 2017055732W WO 2017157808 A1 WO2017157808 A1 WO 2017157808A1
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heat pump
switch
stage
heat
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PCT/EP2017/055732
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Oliver Kniffler
Holger Sedlak
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Efficient Energy Gmbh
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B30/02Heat pumps of the compression type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2339/00Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04Details of condensers
    • F25B2339/047Water-cooled condensers
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    • F25B7/00Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit

Definitions

  • Heat pump system with heat exchangers Method for operating a heat pump system and method for producing a heat pump system
  • the present invention relates to heat pumps for heating, cooling or for any other application of a heat pump.
  • Figures 8A and 8B illustrate a heat pump as described in European patent EP 2016349 B1.
  • the heat pump initially comprises an evaporator 10 for evaporating water as the working fluid in order to produce a steam in a working steam line 12 on the output side.
  • the evaporator includes an evaporation space (not shown in FIG. 8A) and is configured to generate an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C. in the evaporation space.
  • the water is e.g.
  • the water vapor is supplied through the suction line 12 to a compressor / condenser system 14, which has a turbomachine, such as a centrifugal compressor, for example in the form of a turbocompressor, which is designated 16 in FIG. 8A.
  • the turbomachine is designed to compress the working steam to a vapor pressure at least greater than 25 hPa.
  • 25 hPa corresponds to a liquefaction temperature of about 22 ° C, which can already be a sufficient heating flow temperature of a floor heating, at least on relatively warm days.
  • pressures greater than 30 hPa can be generated with the turbomachine 16, wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 ° C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 ° C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C.
  • Floor- Heaters are designed to heat adequately with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.
  • the turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam.
  • a condenser 18 By liquefying the energy contained in the working steam is supplied to the condenser 18, to then be supplied via the flow 20a a heating system.
  • the working fluid flows back into the condenser via the return line 20b.
  • the steam is so much energy withdrawn that this is liquefied and also participates in the heating circuit.
  • a material entry into the condenser or the heating system takes place, which is regulated by a drain 22, such that the condenser has a water level in its condenser, which remains despite the constant supply of water vapor and thus condensate always below a maximum level.
  • the water to be evaporated could first be heated by a heat exchanger from an external heat source.
  • the medium is also used directly there, when thinking of a house with underfloor heating, the water that is of the Evaporator comes to circulate directly in the underfloor heating.
  • a heat exchanger can also be arranged on the condenser side, which is fed with the feed line 20a and which has the return line 20b, this heat exchanger cooling the water in the condenser and thus a separate underfloor heating liquid, which will typically be water, heating up.
  • turbomachines have the properties that they - similar to an aircraft turbine - the compressed medium not with problematic substances, such as oil, in connection. Instead, the water vapor is compressed only by the turbine or the turbocompressor, but not associated with oil or other purity impairing medium and thus contaminated.
  • the distilled water discharged through the drain can thus - if no other regulations stand in the way - be readily returned to the groundwater. Alternatively, however, it may also be e.g. be infiltrated in the garden or in an open area, or it may be fed via the canal, if required by regulations - to a sewage treatment plant.
  • FIG. 8B shows a table for illustrating various pressures and the evaporation temperatures associated with these pressures, with the result that, in particular for water as the working medium, rather low pressures are to be selected in the evaporator.
  • DE 4431887 A1 discloses a heat pump system with a lightweight, large volume high performance centrifugal compressor.
  • a vapor exiting a second stage compressor has a saturation temperature which exceeds the ambient temperature or that of available cooling water, thereby allowing for heat removal.
  • the compressed vapor is transferred from the second stage compressor to the condenser unit, which consists of a packed bed which is internally half of a cooling water spraying device on a top, which is supplied by a water circulation pump, is provided.
  • the compressed water vapor rises in the condenser through the packed bed where it passes in direct countercurrent contact with the downwardly flowing cooling water.
  • the vapor condenses and the latent heat of condensation absorbed by the cooling water is expelled to the atmosphere via the condensate and the cooling water, which are removed together from the system.
  • the condenser is continuously purged with non-condensable gases by means of a vacuum pump via a pipeline.
  • WO 2014072239 A1 discloses a condenser with a condensation zone for condensing vapor to be condensed in a working fluid.
  • the condensation zone is formed as a volume zone and has a lateral boundary between the upper end of the condensation zone and the lower end.
  • the condenser comprises a steam introduction zone which extends along the lateral end of the condensation zone and is designed to supply condensing vapor laterally across the lateral boundary into the condensation zone.
  • heat pump systems in particular, when heat pump systems are to be used for heating or cooling, for example, but not exclusively in the area of low or medium power disadvantageous if the heat pump systems run unreliable or very bulky.
  • a problem can occur when the working fluid is kept at a relatively low pressure, for example, as is the case with water as a working fluid. Then, especially when using pumps, it must be ensured that the pressure in the working fluid on the suction side of the pump does not become too low. If this were to occur, then the activity of the pump, namely, when the pump impels energy to the fluid, would cause bubbles to form in the fluid. These bubbles then fall in again together.
  • cavitation This process is referred to as "cavitation.” If cavitation takes place at all or with a certain intensity, it can lead to damage to the pump impeller in the long term, resulting in a reduced service life of the heat pump system If this decreasing efficiency of the pump is absorbed by a higher pumping power, this leads to an energy consumption which in principle would not have to be and thus to a reduced efficiency of the heat pump system leads a already damaged by excessive cavitation, but still run-capable pump that the pumped pumping volume is smaller, which also results in a reduced efficiency of the heat pump system.
  • a heat pump system with heat exchangers is how the heat pump system can be put into operation, the heat exchangers are to be joined at a first commissioning or commissioning after a maintenance stop.
  • a heat exchanger on the cold water side and a heat exchanger on the hot water or cooling water side is provided.
  • these heat exchangers which are typically very heavy, they should be conveniently coupled with pumps and heat pump stages, and in addition they are maintenance-friendly and in particular also installed in such a way that commissioning or decommissioning of the heat pump system is as simple and therefore safe and service-friendly can take place.
  • the object of the present invention is to provide an improved heat pump system, a method for manufacturing a heat pump system and a method for operating a heat pump system.
  • a heat pump system according to claim 1, a method for producing a heat pump system according to claim 31 or a method for operating a heat pump system according to claim 32.
  • the heat exchangers are located at the bottom of the heat pump system, below the pumps.
  • Such a heat pump system comprises a heat pump unit with at least one and preferably several heat pump stages.
  • a first heat exchanger is provided on a side to be cooled.
  • a second heat exchanger is provided on a side to be heated.
  • the heat pump system has an operating position in which the first pump and the second pump are arranged above the first and second heat exchangers.
  • the heat pump unit is disposed with the one or more heat pump stages above the first and second pumps.
  • the heat exchangers are typically the heaviest.
  • the pump module is arranged in the exemplary embodiment, wherein, optionally, when using a plurality of heat pump stages, a mixer module is again arranged above the pump module.
  • the one or more containers with the one of the plurality of compressors of the heat pump stages are arranged at the highest point.
  • a particular advantage with the arrangements of the compressors at the highest point is that they are dry in the off-state. Then, namely, the working fluid, such as water, runs downwards due to gravity.
  • heat exchangers are e.g. mounted in a heat pump system rack.
  • Pumpenmodui possibly the mixer or
  • the heat exchangers are arranged lying here. This results in that when filling the heat pump system at a first startup or commissioning after a maintenance interval no air bubbles take place that the
  • Heat pump system is therefore self-venting.
  • all pumps are arranged in downpipes, not in risers.
  • the pumps are arranged so that the suction side of the pump is arranged as far down in the downpipe as possible.
  • kinetic energy is already released from the drop height of the water column. and the pressure on the suction side of the pump is higher than in a bottom-up riser.
  • the minimum water column on the suction side of the pump is smaller than required by the pump manufacturer.
  • cavitation at all or excessive cavitation can be prevented.
  • a compact heat pump system is achieved, which does not require a particularly large space for use. This is because the pipe connections in front of the suction side of the pump can be made short. This makes the entire system more compact and thus less bulky. Also weight savings can be achieved by a more compact design.
  • the heat pump system is provided with pumps located at the bottom. Therefore, alternatively to the described first aspect according to the second aspect of the present invention, in the operating position, the first and second pumps are disposed below the heat pump unit at a lower end of the heat pump unit. Moreover, in this arrangement, in the operating position, the first heat exchanger and the second heat exchanger are also disposed below the heat pump unit at the lower end adjacent to the pumps.
  • the pumps are arranged at the lowest point of the heat pump system.
  • the pumps are installed horizontally, so that the maximum back pressure exists in front of the suction side of the pump. This avoids cavitation efficiently and thus damaging the pump wheels.
  • the necessary dynamic pressure upstream of the suction side of the pump determines the smallest possible height difference between the heat pump stage, ie the container with condenser, evaporator and compressor and the corresponding pump.
  • the heat exchanger is mounted upright in the second aspect, so that air pockets are avoided during filling.
  • the necessary pipe connection from the heat exchanger back into the evaporator or in the condenser shorter, because the heat exchanger itself, which may typically have considerable lengths, is effectively used as a double connection line.
  • the heat pump system is not operated with only a single heat pump stage, but with two or more heat pump stages.
  • the heat pump stage with a first compressor, a first condenser and a first evaporator in a sense in chain with a second or further heat pump stage with a second compressor, a second condenser and a second evaporator connected.
  • the first condenser outlet of the first condenser is connected to a second evaporator inlet of the second evaporator of the further heat pump stage via a connecting line.
  • the warmest liquid of the heat pump stage is introduced into the evaporator, ie the coldest area of the further heat pump stage, in order to be cooled there again.
  • the heat pump stages are therefore not connected in parallel, but in chain.
  • the input of the condenser of the first heat pump stage can be coupled to the output of the evaporator of the other heat pump stage or, as is preferred in certain embodiments, be guided in a controllable path module to the heat pump system with the heat pump stage and the other heat pump stage in to operate various operating modes optimally adapted to the heating or cooling task.
  • the first condenser of the heat pump stage is arranged in the operating position above the second evaporator of the further heat pump stage, so that the working fluid due to gravity from the first condenser into the second evaporator flows in the connecting line.
  • a DC link pump is only necessary to bring working fluid from the evaporator of the further heat pump stage back to a higher level with respect to the operating position in the condenser of the heat pump stage, ie the first heat pump stage.
  • a heat pump system with two heat pump stages can be operated efficiently with only three pumps, namely a first pump coupled to the input to the cold side heat exchanger, a second pump coupled to the input to the heat side heat exchanger, and a second pump DC link pump, which is coupled to the output of the evaporator of the further heat pump stage.
  • the arrangement of further heat pump stages can also take place as a chain circuit, in turn, when the respective condenser of the lower heat pump stage above the respective evaporator of the higher heat pump stage are arranged, again pumps can be saved.
  • the third stage or further stages can also be coupled in parallel or in series or in another way with the two heat pumps connected in chain.
  • the space that results below the higher level heat pump stage is preferably used to accommodate a path module that is controllable to implement various modes of operation.
  • Various modes of operation include a high power mode, a mid power mode, a free cooling mode or a low power mode, and according to the third aspect of the present invention, a controller is provided to set the controllable path module to implement at least two of these four modes of operation. In other embodiments, three and in still other embodiments, all four modes of operation are implemented.
  • further operating modes ie more than four operating modes, can be implemented.
  • the arrangement of the two heat pump stages and the interconnection of the heat pump stages according to a derailleur ie by connecting the condenser outlet of the condenser of the first stage with the evaporator inlet of the evaporator of the further stage allows the already existing infrastructure to be used in each operating mode. Both heat pump stages are therefore regardless of whether they are active, so whether the respective compressor is running or not, flows through the working fluid. Thus, no bypass lines or valves are needed. Instead, to get from one mode of operation to another mode of operation, the paths are switched in a 2x2-way switch array.
  • an efficient working fluid transport device is used. It has been found that working fluid accumulates in the evaporator of the lower stage, ie the stage which is thermodynamically arranged on the side to be heated.
  • a self-regulating system the z. B. may have an overflow and a U-tube used.
  • the U-tube is connected to a bottleneck in front of a pump in the evaporator circuit of the higher tank. Due to the increased flow speed in front of the pump, the pressure drops and water from the U-tube can be absorbed.
  • the system is self-regulating insofar as a stable water level is established in the U-tube, which is sufficient for the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a heat pump stage with an entangled evaporator / condenser arrangement
  • FIG. 2A is a schematic representation of a heat pump system with bottom heat exchangers according to the first aspect of the present invention.
  • 2B is a schematic representation of a heat pump system with bottom-mounted pumps according to the second aspect of the present invention; a schematic representation of a heat pump system with chain connected first and further heat pump stage according to the third aspect of the present invention; a schematic representation of two fixed-chain heat pump stages; a schematic representation of coupled with controllable directional switches in chain heat pump stages. a schematic representation of a controllable roadside module with three inputs and three outputs; a table showing the various connections of the controllable road module for different modes of operation; a schematic representation of the heat pump system of Figure 4A with additional self-regulating liquid equalization between the heat pump stages.
  • HLM high performance mode
  • MKM middle power mode
  • FKM free cooling mode
  • NLM low power mode
  • a table showing the operating states of various components in the various operating modes a table showing the operating states of the two coupled controllable 2x2-way switch; a table showing the temperature ranges for which the operation modes are appropriate; a schematic representation of the coarse / fine control of the operating modes on the one hand and the speed control on the other; a schematic representation of a known heat pump system with water as a working fluid; and
  • Fig. 8B is a table showing various pressure / temperature situations for water as the working fluid.
  • FIG. 1 shows a heat pump 100 with an evaporator for evaporating working fluid in an evaporator space 102.
  • the heat pump further comprises a condenser for liquefying evaporated working fluid in a condenser space 104 bounded by a condenser bottom 106.
  • the evaporator space 102 is at least partially surrounded by the condenser space 104.
  • the evaporator chamber 102 is separated from the condenser space 104 by the condenser bottom 106.
  • the condenser bottom is connected to an evaporator bottom 108 to define the evaporator space 102.
  • a compressor 1 10 is provided above the evaporator chamber 102 or elsewhere, which is not detailed in Fig. 1, but which is in principle designed to compress vaporized working fluid and as compressed steam 1 12 in the condenser space 104 to conduct.
  • the condenser space is also limited to the outside by a capacitor wall 1 14.
  • the capacitor wall 1 4 is also attached to the evaporator bottom 108 as the capacitor bottom 106.
  • the dimensioning of the capacitor base 106 in the area forming the interface to the evaporator base 108 is such that the capacitor base in the embodiment shown in FIG. 1 is completely surrounded by the capacitor space wall 14. This means that the condenser space, as shown in FIG.
  • the dimensioning can be selected according to the required performance class of the heat pump, but preferably takes place in the dimensions mentioned.
  • a very compact design is achieved, which is also easy and inexpensive to produce, because the number of interfaces, especially for the almost vacuum evaporator space can be easily reduced if the evaporator bottom is carried out in accordance with preferred embodiments of the present invention, that it includes all fluid supply and discharge lines and thus no liquid supply and discharge lines from the side or from above are necessary.
  • the operating direction of the heat pump is as shown in FIG. This means that the evaporator bottom defines in operation the lower portion of the heat pump, but apart from connecting lines with other heat pumps or to corresponding pump units.
  • the steam generated in the evaporator chamber rises and is deflected by the motor and is fed from top to bottom in the condenser space, and that the condenser liquid is guided from bottom to top, and then fed from above into the condenser space and then flows in the condenser space from top to bottom, such as by individual droplets or by small liquid streams, to react with the preferably cross-fed compressed steam for purposes of condensation.
  • the interlocking arrangement is thus optimal in that each functional space there is given the large volume, where this functional space also requires the large volume.
  • the evaporator compartment has the large volume below while the condenser compartment has the large volume at the top.
  • the corresponding small volume which remains there for the respective functional space where the other functional space has the large volume, also contributes to an increase in efficiency compared with a heat pump in which the two functional elements are arranged one above the other, as is shown in FIG WO 2014072239 A1 is the case.
  • the compressor is arranged at the top of the condenser space such that the compressed steam is deflected by the compressor on the one hand and at the same time fed into an edge gap of the condenser space.
  • a condensation is achieved with a particularly high efficiency, because a cross-flow direction of the steam is achieved to a condensing condensation condensing down.
  • This cross-flow condensation is particularly effective in the upper area where the evaporator space is large, and does not require a particularly large area in the lower area where the condenser space is small in favor of the evaporator space, yet still allows condensation of vapor particles penetrated up to this area allow.
  • An evaporator bottom which is connected to the condenser bottom, is preferably designed such that it controls the condenser inlet and outlet and the evaporator inlet and outlet. run in addition, although in addition still certain bushings for sensors in the evaporator or in the condenser may be present. This ensures that no feedthroughs of lines for the condenser inlet and outlet are required by the near-vacuum evaporator. This will make the entire heat pump less prone to failure because any passage through the evaporator would be a potential leak.
  • the condenser bottom is at the points where the condenser feeds and outlets are provided with a respective recess, going to the extent that in the evaporator space, which is defined by the condenser bottom, no capacitor to / discharges.
  • the condenser space is limited by a condenser wall, which is also attachable to the evaporator bottom.
  • the evaporator bottom thus has an interface for both the condenser wall and the condenser bottom and additionally has all liquid feeds for both the evaporator and the condenser.
  • the evaporator bottom is configured to have spigots for the individual feeders that have a cross section that is different from a cross section of the opening on the other side of the evaporator bottom.
  • the shape of the individual connecting pieces is then designed so that the shape or cross-sectional shape changes over the length of the connecting piece, but the pipe diameter, which plays a role for the flow velocity, is almost equal within a tolerance of ⁇ 10%. This prevents water flowing through the connection pipe from cavitating. This ensures due to the good obtained by the formation of the connecting pieces flow conditions that the corresponding pipes / lines can be made as short as possible, which in turn contributes to a compact design of the entire heat pump.
  • the evaporator bottom of the condenser feed is almost divided in the form of a "glasses" in a two- or multi-part flow.
  • a strong and at the same time particularly uniform condenser flow is achieved from top to bottom, which makes it possible that a highly efficient condensation of the steam also introduced from above into the condenser is achieved.
  • Another smaller dimensioned feed in the evaporator bottom for condenser water may also be provided to connect a hose which supplies cooling fluid to the compressor motor of the heat pump, not the cold, the liquid supplied to the evaporator is used for cooling, but the warmer, the condenser supplied Liquid, which is still cool enough in typical operating situations to cool the heat pump motor.
  • the evaporator bottom is characterized by the fact that it has a combination functionality. On the one hand, it ensures that no capacitor feed lines have to be passed through the evaporator, which is under very low pressure. On the other hand, it represents an interface to the outside, which preferably has a circular shape, as in a circular shape as much evaporator surface remains. All inlets and outlets pass through one evaporator base and from there into either the evaporator space or the condenser space.
  • a production of the evaporator floor of plastic injection molding is particularly advantageous because the advantageous relatively complicated shapes of the inlet / outlet nozzles in plastic injection molding can be carried out easily and inexpensively.
  • it is due to the execution of the evaporator bottom as easily accessible workpiece readily possible to produce the evaporator bottom with sufficient structural stability, so that he can withstand the low evaporator pressure in particular without further ado.
  • FIG. 2A shows a heat pump system with a heat pump unit comprising at least one heat pump stage 200, wherein the at least one heat pump stage 200 comprises an evaporator 202, a compressor 204 and a condenser 206. Further, a first heat exchanger 212 is provided on a side to be cooled. In addition, a second heat exchanger 214 is provided on a side to be heated. The heat pump system further includes a first pump 208 coupled to the first heat exchanger 212 and a second pump 210 coupled to the second heat exchanger 214.
  • the heat pump system has an operating position, ie a position in which it is normally operated. This operating position is as shown in Fig. 2A.
  • the first pump 208 and the second pump 210 are above the first heat exchanger 212 and the second heat exchanger 210.
  • exchanger 214 arranged.
  • the heat pump unit comprising the at least one heat pump stage 200 is disposed above the first pump 208 and the second pump 210.
  • the first heat exchanger 212 comprises an inlet 240 and a drain 241.
  • the inlet 240 and the outlet 241 are coupled to the heat pump unit.
  • the heat pump unit has only a single heat pump stage, as exemplified in FIG.
  • the inlet 240 is into the heat exchanger 212 via the pump 208 with an evaporator drain 220 via a conduit 208 upstream of the pump 208 and a pipeline 230 coupled to the pump 208.
  • the drain 241 from the heat exchanger 212 is coupled to the evaporator inlet 222 of the evaporator 202 via a pipe 234.
  • a condenser outlet 224 of the condenser or condenser 206 is coupled via the pump 210 and a pipe 236 to an inlet 242 in the second heat exchanger 214.
  • a drain 243 of the second heat exchanger 214 is coupled via a pipe to a condenser inlet 226 of the condenser 206.
  • the tubes 228, 232, 234, 238 may also be coupled to other elements, particularly if the heat pump unit has not only the one step 208 but two stages, as exemplified in FIGS 3B, 4A, 5, 6A to 6D.
  • the heat pump unit may comprise any number of stages, that is to say, for example, other than two stages, also three stages, four, five, etc. stages.
  • the inlet and the outlet of the first heat exchanger in the operating position are arranged perpendicular or at least at an angle less than 45 ° to a vertical.
  • a suction side of the pump 208 is coupled via the pipe 228 to the heat pump unit and here by way of example to the evaporator outlet 220. It should also be noted that in operation, as in the conduit 234, as shown by the arrows, in the conduit 228, a flow of working fluid flows from top to bottom in operation.
  • the inlet 242 in the second heat exchanger and the outlet 243 from the second heat exchanger with pipes 234, 236, 238 are connected, with the intermediate pump 208 or 210
  • These pipes are as far as possible perpendicular and in any case in an angle less than 45 °.
  • This optimum alignment of the heat pump system and in particular the individual components of the heat pump system is achieved, because in particular the suction sides of the pump 208, 210 each in one preferably vertical downpipe 228 and 234 are arranged.
  • an optimal dynamic pressure is present in front of the respective pump, to the effect that the pumps 208, 210 operate without or only with a very low cavitation.
  • the heat exchangers 212, 214 are arranged horizontally.
  • the two pumps 208, 210 are arranged closer to the first heat exchanger and the second heat exchanger 214 than at a connection point on the heat pump unit. This means that the tube 228 is longer than the tube 230, and that also the tube 234 is longer than the tube 236.
  • the heat pump unit is configured such that at least one inlet or outlet of an evaporator or condenser of a heat pump stage connected to the first heat exchanger or the second heat exchanger is arranged to be vertically downwardly or vertically out of the heat pump stage in the operating position Angle less than 45 ° from a vertical exit from the heat pump stage.
  • the outlets 220, 234 and the inlets 222, 226 are drawn vertically, with this position being preferred.
  • the heat pump stage 200 is preferably formed in the entangled arrangement, as has also been described with reference to FIG. 1, namely that a steam supply channel 250, through which steam is passed from the evaporator 202 to the compressor 204, extends in the corresponding condenser.
  • the heat pump stage 200 is preferably formed in the entangled arrangement, as has also been described with reference to FIG. 1, namely that a steam supply channel 250, is passed through the steam from the evaporator 202 to the compressor 204, through the condenser 206th extends.
  • the steam supply passage between the compressor 204 and the condenser 206, shown at 251 is mounted above the condenser 206.
  • the condenser 204 is also arranged to extend above the condenser 206, so that in an off-state, working fluid travels away from the compressor due to gravity. The compressor is thus in a dry state when the heat pump stage 200 is deactivated, which is done by the compressor motor 204 is turned off.
  • the at least one heat pump stage is designed to hold a pressure at which the water can evaporate at temperatures below 50 ° C.
  • the evaporation into the first heat pump stage will take place, for example, at temperatures of 20 ° C to 30 ° C and will be the Evaporation in the second heat pump stage, for example at temperatures between 40 ° C and 50 ° C.
  • the temperatures may be lower, as exemplified by FIG. 8 or FIG. 7C.
  • the entire heat pump system is mounted on a support frame, which is not shown.
  • the first and second heat exchangers 212, 214 are attached to the bottom of the support frame.
  • the first pump and the second pump are connected to one another by a pump holder and are fastened as a pump module to the carrier frame above the first and second heat exchangers 212, 214.
  • the at least one heat pump stage is then arranged above the pump carrier.
  • the heat pump system is formed with two stages and has a height that is less than 2.50 m, a width that is less than 2 m, and a depth that is less than 1 m.
  • Fig. 2A shows the first aspect, in which the heat pump system has the heat exchangers arranged at a lower end.
  • FIG. 2B shows the second aspect, in which the pumps are located at the bottom and in preferred implementations of the second aspect, the heat exchangers 212, 214 are arranged upright and / or next to the pumps.
  • FIG. 2B shows a heat pump system including the heat pump stage 200 with the first compressor 204, the first condenser 206, and the first Evaporator 202 has.
  • an expansion device 207 is provided to provide fluid equalization between the condenser 206 and the evaporator 202.
  • the first heat exchanger 212 and the second heat exchanger 214 are associated with a side to be cooled or a side to be heated.
  • first pump 208 and the second pump 210 are provided, wherein the first pump 208 is coupled to the first heat exchanger 212, and wherein the second pump 210 is coupled to the second heat exchanger 214.
  • the heat pump plant has an operating position which is as schematically illustrated in FIG. 2B.
  • the first and second pumps are arranged in the operating position below the heat pump unit 200 at a lower end of the heat pump system. Moreover, in the operating position, the first heat exchanger and the second heat exchanger are also disposed below the heat pump unit at the lower end adjacent to the pumps 208, 210, as shown schematically in FIG. 2B. In particular, the first pump 208 and the second pump 210 are arranged so that a pumping direction of the respective pump in the operating position is horizontal or deviates by at most ⁇ 45 ° from the horizontal.
  • the heat exchanger 212 is arranged so that the second port 241, which is the drain from the first heat exchanger 212, is located in the operating direction above the first port 240, which constitutes the inlet.
  • the outlet that is to say the second connection 243
  • the outlet is arranged in the operating position above the inlet 242 or the first connection 242 of the second heat exchanger 214.
  • the standing arrangement is advantageous because it avoids trapped air when filling the heat exchanger.
  • the pipe connection due to the vertical position of the heat exchanger, the pipe connection, and in particular the pipe 232 or 238, is shorter compared to a horizontal arrangement. This is due to the fact that the extent of the heat exchanger is used in a sense already as a connecting pipe. The heat exchanger is thus used not only as a heat exchanger element, but also as a connecting line.
  • the pumps are arranged as far down as possible, and preferably horizontally, so that the necessary dynamic pressure upstream of the suction side of the pump is achieved by a maximum long vertical pipe in front of the pump at a given height of the entire heat pump system readily to a pump cavitation avoid it.
  • the first tube 228, through which the evaporator exit 220 is coupled to the suction side of the pump 208 includes a bend, wherein it is preferred that the bend be located closer to the suction side of the pump 208 than to the evaporator exit 220.
  • the curvature in the second tube 234 from the condenser exit 224 to the suction side of the pump 210 is closer to the pump than to the condenser exit 224 to have as long a vertical distance as possible to achieve the necessary back pressure, thus already the falling working medium gets a good boost of kinetic energy.
  • FIG. 3A shows a third aspect of a heat pump system, wherein the third stage heat pump system may have any arrangement of pumps or heat exchangers, however, as will be shown with reference to FIGS To use arrangement according to the first aspect.
  • the arrangement according to the second aspect ie with as far as possible arranged below pumps and preferably stationary heat exchangers can be used.
  • a heat pump installation as shown in FIG. 3A, comprises a heat pump stage 200, ie stage n + 1 with a first evaporator 202, a first compressor 204 and a first condenser 206, the evaporator 202 above the steam duct 250 with the first Compressor 204 is coupled, and as soon as the compressor 204 is coupled via the steam channel 251 with the condenser 206. It is preferred to use the entangled arrangement again, but any arrangements in the heat pump stage 200 may be used.
  • the inlet 222 into the evaporator 202 and the outlet 220 from the evaporator 202 depending on the implementation with either an area to be cooled or with a heat exchanger, such as the heat exchanger 212 to the area to be cooled or with another pre-arranged heat pump stage, namely, for example, connected to the heat pump stage n, where n is an integer greater than or equal to zero.
  • the heat pump system in FIG. 3A comprises a further heat pump stage 300, ie the stage n + 2, with a second evaporator 302, a second heat pump stage 300.
  • the outlet 224 of the first condenser is connected to an evaporator inlet 322 of the second evaporator 320 via a connecting line 332.
  • the output 320 of the evaporator 302 of the further heat pump stage 300 may be connected to the inlet to the condenser 206 of the first heat pump stage 200 as shown by a dashed connection line 334, as implemented.
  • the output 320 of the evaporator 302 may also be connected to a controllable path module to achieve alternative implementations.
  • a derailleur circuit is achieved due to the fixed connection of the condenser outlet 224 of the first heat pump stage with the evaporator inlet 322 of the further heat pump stage.
  • This derailleur ensures that each heat pump stage must work with the lowest possible temperature spread, so with the smallest possible difference between the heated working fluid and the cooled working fluid.
  • By connecting in series, so by a chain circuit such heat pump stages is thus achieved that nevertheless a sufficiently large total spread is achieved.
  • the total spread is thus divided into several individual spreads.
  • the derailleur is particularly advantageous because it allows much more efficient operation.
  • the consumption of compressor power for two stages, each of which has to cope with a smaller temperature spread is smaller than the compressor power for a single heat pump stage, which must reach a large temperature spread.
  • the requirements for the individual components with two stages connected in chain are technically more relaxed.
  • the condenser exit 324 of the condenser 306 of the further heat pump stage 300 may be coupled to the area to be warmed, as illustrated by heat exchanger 214, for example, with reference to FIG. 3B.
  • the output 324 of the condenser 306 of the second heat pump stage can again be coupled via a connecting tube to an evaporator of a further heat pump stage, that is to say the (n + 3) heat pump stage.
  • FIG. 3A shows a chain circuit of any number of heat pump stages, in particular the chain circuit of the heat pump stage (n + 1), denoted by 200, and the other heat pump stage 300, denoted by (n + 2) is, is detailed and the n-heat Pump stage as well as the (n + 3) - heat pump stage not as a heat pump stage, but each can be designed as a heat exchanger or as to be cooled or heated area.
  • the condenser of the first heat pump stage 200 is disposed above the evaporator 302 of the second heat pump stage, so that the working fluid flows through the connection pipe 332 due to gravity.
  • the condenser is arranged above the evaporator anyway.
  • This implementation is particularly advantageous because even with heat pump stages aligned with each other, the liquid already flows from the first stage condenser into the second stage evaporator through the connection line 332.
  • this dimension, shown at 340 in FIG. 3B is preferably 20 cm, since then, for the described implementation, optimal water flow from the first stage 200 to the second stage 300 via the connection line 332 occurs. This also ensures that in the connecting line 332 no special pump is needed. This pump is therefore saved.
  • the output 320 is connected via the pipe 334 to the suction side of the pump 330.
  • the pump side of the pump 330 is connected via the tube 336 to the inlet 226 of the condenser.
  • the chain circuit of the two stages shown in Fig. 3B corresponds to Fig. 3A with the connection 334.
  • the intermediate circuit pump 330 is also like the other two pumps 208 and 210 arranged below, since then in the intermediate circuit 334 cavitation can be prevented because due to the placement of the intermediate circuit pump 330 in the downpipe 334 a sufficient back pressure of the pump is achieved.
  • the first stage includes the expansion element 207 and the second stage comprises an expansion element 307.
  • the expansion element 207 is dispensable.
  • the expansion element 307 in the lower stage is preferably used.
  • the first stage may be constructed without an expansion element and only one expansion element 307 is provided in the second stage.
  • the expansion element 207 is also provided in the heat pump stage 200.
  • the expansion element 207 is also helpful despite the fact that it may not deliver liquefied working fluid into the evaporator, but only heated steam.
  • an overflow arrangement 502 is arranged in the second evaporator 302 of the second heat pump stage in order to carry away working fluid from a predefined maximum working fluid level in the second evaporator 302.
  • a liquid line 504, 506, 508 is provided, which is coupled on the one hand to the overflow arrangement 502, and on the other hand is coupled to a suction side of the first pump 208 at a coupling point 512.
  • a pressure reducer 510 which is preferably designed as a pressure reducer according to Bemoulli, that is to say as a pipe or tube strangulation, is present on the coupling part 512.
  • the fluid conduit includes a first connecting portion 504, a U-shaped portion 506 and a second connecting portion 508.
  • the U-shaped portion 506 has a vertical height in the operating position that is at least 5 cm and preferably 5 cm. This gives a self-regulating system that works without a pump. If the water level in the evaporator 302 of the lower container 300 is too high, working fluid will flow into the U-tube 506 via the connecting line 504.
  • the U-tube is coupled to the suction side of the pump 208 via the connecting line 508 at the coupling point 512 at the pressure reducer. Due to the increased flow rate in front of the pump due to the constriction 510, the pressure drops and water from the U-tube 506 can be absorbed. In the U-tube, a stable water level is established, which corresponds to the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank. ters is enough. At the same time, however, the U-tube 506 is a vapor barrier, in that no vapor from the evaporator 302 can enter the suction side of the pump 208.
  • the expansion elements 207 and 307 are preferably also designed as overflow arrangements, in order to bring working fluid into the respective evaporator when a predetermined level in a respective condenser is exceeded.
  • Figures 4A and 5 already show a detailed illustration of a steerable roadside module due to the upper 2x2 way switch 421 and the lower 2x2 way switch 422.
  • Figure 4B shows a general implementation of the steerable road module 420 passing through the two serially connected ones 2x2-way switches 421 and 422 may be implemented, but which may alternatively be implemented.
  • the controllable path module 420 of FIG. 4B is coupled to a controller 430 to be controlled by it via a control line 431.
  • the controller receives as input signals sensor signals 432 and outputs pump control signals 436 and / or compressor motor control signals 434.
  • the compressor motor control signals 434 lead to the compressor motors 204, 304 as shown in FIG. 4A, for example, and the pump control signals 436 lead to the pumps 208, 210
  • the pumps 208, 210 can be designed to be fixed, ie uncontrolled, because they run in any of the operating modes described with reference to FIGS. 7A, 7B anyway. Only the intermediate circuit pump 330 could therefore be controlled by a pump control signal 436.
  • the controllable path module 420 includes a first input 401, a second input 402, and a third input 403. As shown, for example, in FIG. 4A, the first input 401 is connected to the drain 241 of the first heat exchanger 212. In addition, the second input 402 of the controllable path module is connected to the return or outlet 243 of the second heat exchanger 214. In addition, the third input 403 of the controllable path module 420 is connected to a pump side of the intermediate circuit pump 330. A first output 41 1 of the controllable path module 420 is coupled to an input 222 in the first heat pump stage 200. A second output 412 of the controllable path module 420 is connected to an input 226 in the condenser 206 of the first heat pump stage. In addition, a third output 413 of the controllable path module 420 is connected to the input 326 in the condenser 306 of the second heat pump stage 300.
  • controllable path module 420 The various input / output connections achieved by the controllable path module 420 are shown in FIG. 4C.
  • the first input 401 is connected to the first output 41 1. Furthermore, the second input 402 is connected to the third output 413. In addition, the third input 403 is connected to the second output 412, as shown in line 451 of FIG. 4C.
  • HLM high performance mode
  • the first input 401 is connected to the first output 41 1.
  • the second input 402 is connected to the second output 412.
  • the third input 403 is connected to the third output 413, as shown in line 452.
  • Line 453 shows the free cooling mode in which the first input is connected to the second output, ie the input 401 to the output 412.
  • the second input 402 is connected to the first output 41 1.
  • the third input 403 is connected to the third output 413.
  • NLM low power mode
  • the first input 401 is connected to the third output 413.
  • the second input 402 is connected to the first output 41 1.
  • the third input 403 is connected to the second output 412.
  • the controllable path module It is preferred to implement the controllable path module through the two serially arranged 2-way switches 421 and 422, as shown for example in FIG. 4A, or as also shown in FIGS. 6A to 6D.
  • the first 2-way switch 421 has the first input 401, the second input 402, the first output 41 1 and a second output 414, which is connected via an interconnect 406 to an input 401.
  • gear 404 of the second 2-way switch 422 is coupled.
  • the 2-way switch has the third input 403 as an additional input and the second output 412 as an output and the third output 413 also as an output.
  • the positions of the two 2x2-way switches 421 are shown in tabular form in FIG. 7B. Fig.
  • FIG. 6A shows the two positions of the switches 421, 422 in the high power mode (HLM). This corresponds to the first line in FIG. 7B.
  • Fig. 6B shows the position of the two switches in the mid-power mode.
  • the upper switch 421 is exactly the same in the mid-power mode as it is in the high-power mode. Only the lower switch 422 has been switched.
  • the free cooling mode illustrated in FIG. 6C the bottom switch is the same as in the mid-power mode. Only the upper switch has been switched.
  • the lower switch 422 is switched compared to the free cooling mode, while the lower power switch is equal to its free cooling mode position. This ensures that only one switch needs to be switched from one neighboring mode to the next mode, while the other switch can remain in its position. This simplifies the entire switching action from one operating mode to the next.
  • Fig. 7A shows the activities of the individual compressor motors and pumps in the various modes. In all modes, the first pump 208 and the second pump 210 are active. The intermediate circuit pump is active in the high power mode, the mid power mode, and the free cooling mode, but is deactivated in the low power mode.
  • the first stage compressor motor 204 is active in high power mode, mid power mode, and free cooling mode, and is deactivated in low power mode.
  • the second stage compressor motor is only active in high power mode but disabled in mid power mode, free cooling mode and low power mode.
  • FIG. 4A illustrates the low power mode in which the two motors 204, 304 are deactivated, and in which the intermediate circuit pump 330 is also activated.
  • Fig. 3B shows the to some extent coupled high performance mode in which both motors and all pumps are active. 5 again shows the high-performance mode, in which the switch positions are such that exactly the configuration according to FIG. 3B is obtained.
  • FIGS. 6A and 6C also show various temperature sensors.
  • a sensor 602 measures the temperature at the outlet of the first heat exchanger 212, ie at the return from the side to be cooled.
  • a second sensor 604 measures the temperature at the return of the side to be heated, ie from the second heat exchanger 214.
  • another temperature sensor 606 measures the temperature at the outlet 220 of the first stage evaporator, which temperature is typically the coldest temperature.
  • a further temperature sensor 608 is provided which measures the temperature in the connection line 332, that is, at the output of the first stage condenser, indicated 224 in other figures.
  • the temperature sensor 610 measures the temperature at the outlet of the second stage evaporator 300, that is to say at the outlet 320 of FIG. 3B, for example.
  • the temperature sensor 612 measures the temperature at the output 324 of the second stage condenser 306, which temperature in full power mode is the warmest temperature in the system.
  • FIGS. 7C and 7D the various stages or operating modes of the heat pump system, as shown for example with reference to FIGS. 6A to 6D, and is also illustrated with reference to the other figures.
  • DE 10 2012 208 174 A1 discloses a heat pump with a free cooling mode.
  • the evaporator inlet is connected to a return from the area to be heated.
  • the condenser inlet is connected to a return from the area to be cooled.
  • the free cooling mode already achieves a considerable increase in efficiency, in particular for outside temperatures lower than e.g. 22 ° C.
  • This free cooling mode or (FKM) is shown at line 453 in FIG. 4C and is particularly shown in FIG. 6C.
  • the output of the cold side heat exchanger is connected to the input to the first stage condenser.
  • the output from the heat-side heat exchanger 214 is coupled to the first-stage evaporator inlet, and the input to the heat-side heat exchanger 214 is connected to the second-stage condenser outlet 300.
  • the second stage is deactivated so that the condenser outlet 338 of FIG. 6C has, for example, the same temperature as the condenser inlet 413.
  • the second stage evaporator effluent 334 also has the same temperature as the condensate second stage, so that the second stage 300 is thermodynamically "short-circuited.”
  • the compressor motor is deactivated, working fluid flows through this stage, so the second stage is still used as an infrastructure, but due to the deactivated compressor motor.
  • a heat pump comprises an evaporator having a evaporator inlet and an evaporator outlet and a condenser having a condenser inlet and a condenser outlet.
  • a switching device is provided to operate the heat pump in an operating mode or other operating mode.
  • the heat pump In the one operating mode, the low-power mode, the heat pump is completely bypassed, in that the return of the area to be cooled is connected directly to the trace of the area to be heated.
  • the return of the area to be heated is connected to the trace of the area to be cooled.
  • the evaporator is assigned to the area to be cooled and the condenser is assigned to the area to be heated.
  • the evaporator in the bypass mode, the evaporator is not connected to the area to be cooled, nor is the condenser connected to the area to be cooled, but both areas are effectively "shorted."
  • the heat pump is not bypassed
  • the switching means is arranged to connect a return of the area to be cooled with the condenser inlet and a return of the warming
  • the switching device is designed in the normal mode in order to control the return flow of the gas to be cooled. To connect with the evaporator inlet and to connect the return of the area to be heated with the condenser inlet.
  • a heat exchanger may be provided at the output of the heat pump, that is, on the condenser side, or at the inlet of the heat pump, ie on the evaporator side, to decouple the inner heat pump cycle from the outer circuit in terms of liquid.
  • the evaporator inlet is the inlet of the heat exchanger coupled to the evaporator.
  • the evaporator outlet constitutes the outlet of the heat exchanger, which in turn is coupled to the evaporator.
  • the condenser outlet is a heat exchanger outlet
  • the condenser inlet is a heat exchanger inlet, on the side of the heat exchanger that is not coupled to the actual condenser.
  • the heat pump can be operated without input-side or output-side heat exchanger.
  • a heat exchanger which then comprises the return or trace to the cooling area or to the area to be heated, may be provided at the entrance to the area to be cooled or at the entrance to the area to be heated.
  • the heat pump is used for cooling such that the area to be cooled is, for example, a room in a building, a computer room or, in general, a cold room while the area to be heated is e.g. is a roof of a building or similar location where a heat dissipation device can be placed to deliver heat to the environment.
  • the area to be cooled is the environment from which energy is to be extracted and the area to be heated is the "utility", such as the interior of a building, a house or a building to be tempered space.
  • the heat pump is thus able to switch from the lock-up mode to either the free cooling mode or, if such a free-cooling mode is not established, to the normal mode.
  • the heat pump is advantageous in that it becomes particularly efficient when there are outside temperatures, for example less than 16 ° C, which is often the case, at least in the northern and southern hemispheres distant from the equator. This ensures that outside temperatures, where direct cooling is possible, the heat pump can be completely taken out of service.
  • the radial wheel can be stopped and no energy needs to be put into the heat pump.
  • the heat pump may still be in a standby mode or the like, but since it is only a standby mode, it will consume only a small amount of power.
  • valveless heat pumps as they are preferably used, a thermal short circuit can be avoided by complete bridging of the heat pump in contrast to the free cooling mode.
  • the switching device in the first operating mode, ie in the low-power or bypass mode, completely separates the return of the area to be cooled or the trace of the area to be cooled from the evaporator, so that no fluid connection between the inlet and outlet of the evaporator and more to the area to be cooled. This complete separation will also be beneficial on the condenser side.
  • a temperature sensor device which detects a first temperature with respect to the evaporator or a second temperature with respect to the liquefier.
  • the heat pump has a controller, which is coupled to the temperature sensor device and is designed to control the switching device depending on one or more temperatures detected in the heat pump, so that the switching device switches from the first to the second operating mode or vice versa.
  • the implementation of the switching device can be implemented by an input switch and an output switch, which each have four inputs and four outputs and can be switched depending on the mode. Alternatively, however, the switching device can also be implemented by a plurality of individual cascaded switches, each having an input and two outputs.
  • the couplers are preferably also designed to be integrated as switches or integrated in the input / output switch.
  • a first temperature sensor is used on the evaporator side as a special temperature sensor and a second temperature sensor is used on the condenser side as the second temperature sensor, with a more direct measurement is preferred.
  • the evaporator-side measurement is used in particular to provide a speed control of the temperature lifter, e.g. a compressor of the first and / or second stage, while the condenser-side measurement or even an ambient temperature measurement is used to perform a mode control, that is to say around the heat pump, e.g. to switch from the bypass mode to the free cooling mode when a temperature is no longer in the very cold temperature range, but in the medium cold temperature range.
  • the switching device will bring the heat pump into a normal mode with first active stage or with two active stages.
  • a first stage In a two-stage heat pump, however, in this normal mode, which corresponds to the medium power mode, only a first stage will be active, while the second stage is still inactive, so is not powered and therefore requires no energy. Only when the temperature continues to rise, in a very warm area, in addition to the first heat pump stage or in addition to the first pressure stage, a second pressure stage is activated, which in turn has an evaporator, a temperature booster typically in the form of a radial compressor and a condenser. The second pressure stage can be connected in series or in parallel or serially / parallel to the first pressure stage.
  • the cold from the outside does not completely penetrate the heat pump system and beyond in the room to be cooled, making the room to be cooled even colder than it should be. It is preferred, by means of a sensor signal on the trace in the area to be cooled or at the return of the cooled to provide a control signal that can be used by a heat dissipation device mounted outside the heat pump to control the heat output, ie, to reduce when the temperatures get too cold.
  • the heat dissipation device is, for example, a liquid / air heat exchanger, with a pump for circulating the liquid brought into the area to be heated.
  • the heat dissipation device may include a fan to transport air into the air heat exchanger. Additionally or alternatively, a three-way mixer may be provided to partially or completely short the air heat exchanger.
  • the heat dissipation device so for example, the pump, the fan or the three-way Controlled in order to further reduce the heat output, so that a temperature level is maintained, in the heat pump system and in the area to be cooled, which in this case may be above the outdoor temperature level.
  • the waste heat can even be used for heating the "room to be cooled” if the outside temperatures are too cold.
  • a total control of the heat pump is made so that a "fine control" of the heat pump is made depending on a temperature sensor output of a temperature sensor on the evaporator side, so a speed control in the different modes, eg the free cooling mode, the normal mode with first In the bypass mode, while the mode switchover is performed by a temperature sensor output of a condenser temperature sensor as a coarse control, only a condenser side temperature mode switches from the bypass mode (or NLM ) in the free cooling mode (or FKM) and / or in the normal mode (MLM or HLM), wherein the evaporator-side temperature output signal is not taken to decide whether a switch takes place
  • the evaporator-side temperature output signal is used for the speed control of the radial compressor or for the control of the heat dissipation devices, but not the condenser-side sensor output signal.
  • FIGS. 7A to 7D show an overview of various modes in which the heat pump according to FIGS. 1, 2, 8A, 9A can be operated. If the temperature of the area to be heated is very cold, such as less than 16 ° C, the operating mode selection will activate the first mode of operation in which the heat pump is bypassed and the heat output device control signal 36b is generated in the area 16 to be heated. If the temperature of the area to be heated, ie area 16 of FIG. 1, is in a medium cold temperature range, e.g. in a range between 16 ° C and 22 ° C, the operating mode control will activate the free cooling mode, in which, due to the low temperature spread, the first stage of the heat pump can operate with low power.
  • the heat pump is operated in the normal mode, but in the normal mode with a first heat pump stage.
  • a second heat pump stage is activated, which also works in normal mode and already supports the first stage continuously.
  • a speed control or "fine control” of a centrifugal compressor within the Temperaturanhebers 34 of Fig. 1 in the temperature ranges “medium cold”, “warm”, “very warm” made to operate the heat pump always only with the heat / cooling capacity, the required by the actual requirements.
  • the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
  • the temperature ranges are “very cold”, “medium cold”, “warm”, “very warm” for different temperature ranges, the respective average temperature of very cold to medium cold, too warm, too hot respectively larger.
  • the regions may be directly adjacent to each other. However, in embodiments, the regions may also overlap and be at the stated temperature level or at any other higher or lower temperature level.
  • the heat pump is preferably operated with water as a working medium. However, other means may be used depending on the requirement.
  • the condenser temperature is in a very cold temperature range
  • the first mode of operation is set in response to the controller 430. If it is found in this mode that the evaporator temperature is lower than a setpoint temperature, a reduction in the heat output is achieved by a control signal at the heat dissipation device. However, if the condenser temperature is in the mid-cold range, then in response, it is expected to switch to the free cooling mode from controller 430, as represented by lines 431 and 434. In this case, if the evaporator temperature is greater than a desired temperature, this leads in response to an increase in the speed of the compressor radial compressor via the control line 434.
  • the first Stage is taken into normal operation, which is done by a signal on line 434.
  • the evaporator temperature is still greater than a setpoint temperature, then this will increase the speed of the first stage again via the control signal on line 434.
  • a second stage is connected in Normai mode in response to this, which in turn is done by a signal on line 434.
  • a control of the first and / or the second stage is made to respond to a changed situation.
  • the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
  • the controller 430 is configured to detect a condition for transition from the mid-power mode to the high-power module. Then, the compressor 304 is started in the further heat pump stage 300. Only after a predetermined time greater than one minute has elapsed, and preferably even greater than four or even five minutes, will the controllable path module switch from the mid-power mode to the high-power mode. This ensures that can be easily switched from a standstill, with the running of the compressor motor before switching ensures that the pressure in the evaporator is smaller than the pressure in the compressor.
  • the temperature ranges in FIG. 7C can be varied.
  • the threshold temperatures between a very cold temperature and a medium cold temperature, ie the value 16 ° C in Fig. 7C and between the medium cold temperature and the warm temperature, ie the value 22 ° C in Fig. 7C and the value between the warm and very warm temperature, so the value 28 ° C in Fig. 7C merely by way of example.
  • the threshold temperature between warm and very warm, in which a switchover from the mid-power mode to the high-power mode takes place is between 25 and 30 ° C.
  • the threshold temperature between warm and medium cold ie, when switching between the free cooling mode and the middle power mode, in a temperature range between 18 and 24 ° C.
  • the threshold temperature at which between the medium cold mode and is switched to the very cold mode in a range between 12 and 20 ° C, the values are preferably selected as shown in the table in Fig. 7C, but, as stated, can be set differently in said areas ,
  • the heat pump system can also be operated in four operating modes, which are also different, but all are at a different absolute level, so that the terms "very cold”, “medium cold”, “warm”, “ very warm “are to be understood only relative to each other, but should not represent absolute temperature values.
  • FIGS. 6A to 6D likewise represent flowcharts of a corresponding method according to the invention.
  • control may be implemented as software or hardware, for example, by element 430 in FIG. 4B, as well as for the tables in FIGS. 4C, 4D, or 7A, 7B, 7C, 7D.
  • the implementation of the controller may be on a non-volatile storage medium, a digital or other storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer system such that the corresponding method of pumping heat or operating a heat pump is running.
  • the invention thus also encompasses a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus also be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Abstract

The invention relates to a heat pump system comprising a heat pump unit having at least one heat pump stage (200), wherein the at least one heat pump stage (200) has an evaporator (202), a compressor (204), and a condenser (206); a first heat exchanger (212) on a side to be cooled; a second heat exchanger (214) on a side to be heated; a first pump (208), which is coupled to the first heat exchanger (212); and a second pump (210), which is coupled to the second heat exchanger (214); wherein the heat pump system has an operating position, wherein, in the operating position, the first pump (208) and the second pump (210) are arranged above the first heat exchanger (212) and the second heat exchanger (214), and wherein the heat pump unit is arranged above the first pump (208) and the second pump (210).

Description

Wärmepumpenanlage mit Wärmetauschern, Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage und Verfahren zum Hersteilen einer Wärmepumpenanlage  Heat pump system with heat exchangers, method for operating a heat pump system and method for producing a heat pump system
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen zum Heizen, Kühlen oder für eine sonstige Anwendung einer Wärmepumpe. Fig. 8A und Fig. 8B stellen eine Wärmepumpe dar, wie sie in dem europäischen Patent EP 2016349 B1 beschrieben ist. Die Wärmepumpe umfasst zunächst einen Verdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in Fig. 8A nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15 °C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist z.B. Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Es können alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendet werden. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese "Wasserstoffe", die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als "R 718" bekannt ist, ein für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie- Differenz- Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z.B. R134a entspricht. The present invention relates to heat pumps for heating, cooling or for any other application of a heat pump. Figures 8A and 8B illustrate a heat pump as described in European patent EP 2016349 B1. The heat pump initially comprises an evaporator 10 for evaporating water as the working fluid in order to produce a steam in a working steam line 12 on the output side. The evaporator includes an evaporation space (not shown in FIG. 8A) and is configured to generate an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C. in the evaporation space. The water is e.g. Groundwater, in the ground free or in collector pipes circulating brine, so water with a certain salinity, river water, seawater or seawater. It can be used all types of water, ie calcareous water, lime-free water, saline water or salt-free water. This is because all types of water, all of these "hydrogens", have the favorable water property, namely that water, also known as "R 718", is an enthalpy difference ratio useful for the heat pump process of 6, which is more than 2 times the typical usable enthalpy difference ratio of eg R134a corresponds.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z.B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in Fig. 8A mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumin- dest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22 °C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24 °C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36 °C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45 °C entspricht. Fußboden- heizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45 °C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können. The water vapor is supplied through the suction line 12 to a compressor / condenser system 14, which has a turbomachine, such as a centrifugal compressor, for example in the form of a turbocompressor, which is designated 16 in FIG. 8A. The turbomachine is designed to compress the working steam to a vapor pressure at least greater than 25 hPa. 25 hPa corresponds to a liquefaction temperature of about 22 ° C, which can already be a sufficient heating flow temperature of a floor heating, at least on relatively warm days. In order to generate higher flow temperatures, pressures greater than 30 hPa can be generated with the turbomachine 16, wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 ° C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 ° C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C. Floor- Heaters are designed to heat adequately with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Ar- beitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme (-energie) zu entziehen, weiche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt. Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt. Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Darüber kann, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher not- wendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt verwendet, werden, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen. The turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam. By liquefying the energy contained in the working steam is supplied to the condenser 18, to then be supplied via the flow 20a a heating system. The working fluid flows back into the condenser via the return line 20b. According to the invention, it is preferable to extract from the high-energy steam directly through the colder heating water the heat (energy) absorbed by the heating water so that it heats up. The steam is so much energy withdrawn that this is liquefied and also participates in the heating circuit. Thus, a material entry into the condenser or the heating system takes place, which is regulated by a drain 22, such that the condenser has a water level in its condenser, which remains despite the constant supply of water vapor and thus condensate always below a maximum level. As has already been stated, it is preferred to take an open circuit, ie to evaporate the water, which is the heat source, directly without a heat exchanger. Alternatively, however, the water to be evaporated could first be heated by a heat exchanger from an external heat source. In addition, in order to avoid losses for the second heat exchanger, which has hitherto necessarily been present on the condenser side, the medium is also used directly there, when thinking of a house with underfloor heating, the water that is of the Evaporator comes to circulate directly in the underfloor heating.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet wer- den, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt. Alternatively, however, a heat exchanger can also be arranged on the condenser side, which is fed with the feed line 20a and which has the return line 20b, this heat exchanger cooling the water in the condenser and thus a separate underfloor heating liquid, which will typically be water, heating up.
Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strö- mungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zu- geführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist. Due to the fact that water is used as the working medium, and due to the fact that only the evaporated portion of the groundwater is fed into the turbomachine, the purity of the water does not matter. The streams ming machine, as well as the condenser and possibly directly coupled floor heating always supplied with distilled water, so that the system has a reduced maintenance compared to today's systems. In other words, the system is self-cleaning, since only distilled water is always supplied to the system and the water in the outlet 22 is thus not polluted.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie - ähnlich einer Flugzeugturbine - das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Stattdessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen die Reinheit beeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt. In addition, it should be noted that turbomachines have the properties that they - similar to an aircraft turbine - the compressed medium not with problematic substances, such as oil, in connection. Instead, the water vapor is compressed only by the turbine or the turbocompressor, but not associated with oil or other purity impairing medium and thus contaminated.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit - wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen - ohne Weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es jedoch auch z.B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten - einer Kläranlage zugeführt werden. Die Kombination von Wasser als Arbeitsmitte! mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz- Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems, und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneut- raier Wärmepumpenprozess geschaffen. The distilled water discharged through the drain can thus - if no other regulations stand in the way - be readily returned to the groundwater. Alternatively, however, it may also be e.g. be infiltrated in the garden or in an open area, or it may be fed via the canal, if required by regulations - to a sewage treatment plant. The combination of water as a working center! with the two times better usable enthalpy difference ratio compared to R134a and due to the reduced requirements for the integrity of the system, and due to the use of the turbomachine, which efficiently and without purity impairments the required compression factors are achieved created an efficient and environmentally friendly heat pump process.
Fig. 8B zeigt eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und den diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen, woraus sich ergibt, dass insbesondere für Wasser als Arbeitsmedium recht niedrige Drücke im Verdampfer zu wählen sind. FIG. 8B shows a table for illustrating various pressures and the evaporation temperatures associated with these pressures, with the result that, in particular for water as the working medium, rather low pressures are to be selected in the evaporator.
Die DE 4431887 A1 offenbart eine Wärmepumpenanlage mit einem leichtgewichtigen, großvolumigen Hochleistungs-Zentrifugalkompressor. Ein Dampf, der einen Kompressor einer zweiten Stufe verlässt, besitzt eine Sättigungstemperatur, die die Umgebungstemperatur oder diejenige eines verfügbaren Kühlwassers übersteigt, wodurch eine Wärme- abfuhr ermöglicht wird. Der komprimierte Dampf wird von dem Kompressor der zweiten Stufe in die Kondensatoreinheit überführt, die aus einer Schüttschicht besteht, die inner- halb einer Kühlwassersprüheinrichtung an einer Oberseite, die durch eine Wasserzirkulationspumpe versorgt wird, vorgesehen ist. Der komprimierte Wasserdampf steigt in dem Kondensor durch die Schüttschicht an, wo sie in direktem Gegenstromkontakt mit dem nach unten strömenden Kühlwasser gelangt. Der Dampf kondensiert und die latente Wärme der Kondensation, die durch das Kühlwasser absorbiert wird, wird an die Atmosphäre über das Kondensat und das Kühlwasser ausgestoßen, die zusammen aus dem System entfernt werden. Der Kondensor wird kontinuierlich mit nicht kondensierbaren Gasen mittels einer Vakuumpumpe über eine Rohrleitung gespült. DE 4431887 A1 discloses a heat pump system with a lightweight, large volume high performance centrifugal compressor. A vapor exiting a second stage compressor has a saturation temperature which exceeds the ambient temperature or that of available cooling water, thereby allowing for heat removal. The compressed vapor is transferred from the second stage compressor to the condenser unit, which consists of a packed bed which is internally half of a cooling water spraying device on a top, which is supplied by a water circulation pump, is provided. The compressed water vapor rises in the condenser through the packed bed where it passes in direct countercurrent contact with the downwardly flowing cooling water. The vapor condenses and the latent heat of condensation absorbed by the cooling water is expelled to the atmosphere via the condensate and the cooling water, which are removed together from the system. The condenser is continuously purged with non-condensable gases by means of a vacuum pump via a pipeline.
Die WO 2014072239 A1 offenbart einen Verflüssiger mit einer Kondensationszone zum Kondensieren von zu kondensierendem Dampf in einer Arbeitsflüssigkeit. Die Kondensationszone ist als Volumenzone ausgebildet und hat eine seitliche Begrenzung zwischen dem oberen Ende der Kondensationszone und dem unteren Ende. Ferner umfasst der Verflüssiger eine Dampfeinleitungszone, die sich entlang des seitlichen Endes der Kondensationszone erstreckt und ausgebildet ist, um zu kondensierenden Dampf seitlich über die seitliche Begrenzung in die Kondensationszone zuzuführen. Damit wird, ohne das Volumen des Verflüssigers zu vergrößern, die tatsächliche Kondensation zu einer Volumenkondensation gemacht, weil der zu verflüssigende Dampf nicht nur frontal von einer Seite in ein Kondensationsvolumen bzw. in die Kondensationszone eingeleitet wird, sondern seitlich und vorzugsweise von allen Seiten. Damit wird nicht nur sichergestellt, dass das zur Verfügung gestellte Kondensationsvolumen bei gleichen äußeren Abmessungen im Vergleich zu einer direkten Gegenstromkondensation vergrößert wird, sondern dass gleichzeitig auch die Effizienz des Kondensators verbessert wird, weil der zu verflüssigende Dampf in der Kondensationszone eine Stromrichtung quer zu der Strömungsrichtung der Kondensationsflüssigkeit aufweist. WO 2014072239 A1 discloses a condenser with a condensation zone for condensing vapor to be condensed in a working fluid. The condensation zone is formed as a volume zone and has a lateral boundary between the upper end of the condensation zone and the lower end. Further, the condenser comprises a steam introduction zone which extends along the lateral end of the condensation zone and is designed to supply condensing vapor laterally across the lateral boundary into the condensation zone. Thus, without increasing the volume of the condenser, the actual condensation is made into a volume condensation, because the vapor to be liquefied is introduced not only head-on from one side into a condensation volume or into the condensation zone, but laterally and preferably from all sides. This not only ensures that the condensation volume provided is increased at the same external dimensions compared to a direct countercurrent condensation, but that at the same time the efficiency of the capacitor is improved because the vapor to be liquefied in the condensation zone, a current direction transverse to the flow direction having the condensation liquid.
Bei Wärmepumpenanlagen ist insbesondere dann, wenn Wärmepumpenanlagen zum Heizen oder Kühlen eingesetzt werden sollen, zum Beispiel aber nicht ausschließlich im Bereich kleiner bzw. mittlerer Leistungen nachteilhaft, wenn die Wärmepumpenanlagen unzuverlässig laufen bzw. sehr sperrig sind. Eine solche Problematik kann auftreten, wenn die Arbeitsflüssigkeit z.B. bei relativ niedrigem Druck gehalten wird, wie es beispielsweise bei Wasser als Arbeitsflüssigkeit der Fall ist. Dann ist insbesondere bei der Verwendung von Pumpen zu beachten, dass der Druck in der Arbeitsflüssigkeit auf der Saugseite der Pumpe nicht zu gering wird. Würde dies nämlich auftreten, dann würde die Aktivität der Pumpe, nämlich wenn das Pumpenrad der Flüssigkeit Energie zuführt, dazu führen, dass in der Flüssigkeit Blasen entstehen. Diese Blasen fallen dann wieder in sich zusammen. Dieser Vorgang wird als„Kavitieren" bezeichnet. Findet ein Kavitieren überhaupt bzw. mit einer bestimmten Intensität statt, so kann diese auf die Dauer zu Beschädigungen der Pumpenräder und damit zu einer reduzierten Standzeit der Wärmepumpenanlage führen. Darüber hinaus führt ein bereits beschädigtes, jedoch noch laufendes Pumpenrad dazu, dass die Pumpeffizienz nachlässt. Wenn diese nachlassende Effizienz der Pumpe mit einer höheren Pumpleistung aufgefangen wird, führt dies zu einem Energieverbrauch, der prinzipiell nicht sein müsste und damit zu einer reduzierten Effizienz der Wärmepumpenanlage. Wird dagegen die Pumpleistung nicht kompensiert, so führt eine bereits durch zu starke Kavitation beschädigte, jedoch noch lauffähige Pumpe dazu, dass das geförderte Pumpvolumen kleiner wird, was ebenfalls in einer reduzierten Effizienz der Wärmepumpenanlage resultiert. In heat pump systems, in particular, when heat pump systems are to be used for heating or cooling, for example, but not exclusively in the area of low or medium power disadvantageous if the heat pump systems run unreliable or very bulky. Such a problem can occur when the working fluid is kept at a relatively low pressure, for example, as is the case with water as a working fluid. Then, especially when using pumps, it must be ensured that the pressure in the working fluid on the suction side of the pump does not become too low. If this were to occur, then the activity of the pump, namely, when the pump impels energy to the fluid, would cause bubbles to form in the fluid. These bubbles then fall in again together. This process is referred to as "cavitation." If cavitation takes place at all or with a certain intensity, it can lead to damage to the pump impeller in the long term, resulting in a reduced service life of the heat pump system If this decreasing efficiency of the pump is absorbed by a higher pumping power, this leads to an energy consumption which in principle would not have to be and thus to a reduced efficiency of the heat pump system leads a already damaged by excessive cavitation, but still run-capable pump that the pumped pumping volume is smaller, which also results in a reduced efficiency of the heat pump system.
Weitere Aspekte einer Wärmepumpenanlage mit Wärmetauschern besteht darin, wie die Wärmepumpenanlage in Betrieb genommen werden kann, wobei bei einer ersten Inbe- triebnahme oder bei einer Inbetriebnahme nach einem Wartungsstopp die Wärmetauscher zu befüilen sind. So ist prinzipiell ein Wärmetauscher auf der Kaltwasserseite und ein Wärmetauscher an der Warmwasser- oder Kühlwasserseite vorgesehen. Für diese Wärmetauscher, die typischerweise sehr schwer sind, gilt, dass sie mit Pumpen und Wärmepumpenstufen günstig gekoppelt werden sollen, und dass sie zusätzlich wartungs- freundlich sind und insbesondere auch derart installiert sind, dass eine Inbetriebnahme oder Außerbetriebnahme der Wärmepumpenanlage möglichst einfach und damit sicher und servicefreundlich stattfinden kann. Other aspects of a heat pump system with heat exchangers is how the heat pump system can be put into operation, the heat exchangers are to be joined at a first commissioning or commissioning after a maintenance stop. Thus, in principle, a heat exchanger on the cold water side and a heat exchanger on the hot water or cooling water side is provided. For these heat exchangers, which are typically very heavy, they should be conveniently coupled with pumps and heat pump stages, and in addition they are maintenance-friendly and in particular also installed in such a way that commissioning or decommissioning of the heat pump system is as simple and therefore safe and service-friendly can take place.
Ein weiterer Punkt, der eine erhebliche Rolle spielt, ist die Verwendung von mehreren Wärmepumpenstufen in einer Wärmepumpenanlage und die Verkopplung der Wärmepumpenstufen untereinander oder mit diversen Pumpen oder diversen Wärmetauschern, um eine optimale Wärmepumpenanlage zu schaffen, die effizient arbeitet, die eine gute Standzeit hat, oder die flexibel für diverse Betriebsbedingungen einsetzbar ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Wärmepumpenanlage, ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage zu schaffen. Another point that plays a significant role is the use of several heat pump stages in a heat pump plant and the coupling of the heat pump stages with each other or with various pumps or various heat exchangers to create an optimal heat pump system that works efficiently, which has a good life, or which can be used flexibly for various operating conditions. The object of the present invention is to provide an improved heat pump system, a method for manufacturing a heat pump system and a method for operating a heat pump system.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanlage nach Patentanspruch 1 , ein Verfah- ren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage nach Patentanspruch 31 oder ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage nach Patentanspruch 32 gelöst. Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Wärmetauscher unten in der Wärmepumpenanlage angeordnet, und zwar unterhalb der Pumpen. Eine solche Wärmepumpenanlage umfasst eine Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer und vorzugswei- se mehreren Wärmepumpenstufen. Ferner ist ein erster Wärmetauscher an einer zu kühlenden Seite vorgesehen. Darüber hinaus ist ein zweiter Wärmetauscher an einer zu erwärmenden Seite vorgesehen. Ferner existiert eine erste Pumpe, die mit dem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, und eine zweite Pumpe, die mit dem zweiten Wärmetauscher gekoppelt ist. Die Wärmepumpenanlage hat eine Betriebsposition, in der die erste Pumpe und die zweite Pumpe oberhalb des ersten und des zweiten Wärmetauschers angeordnet sind. Darüber hinaus ist die Wärmepumpeneinheit mit der einen oder den mehreren Wärmepumpenstufen oberhalb der ersten und der zweiten Pumpe angeordnet. This object is achieved by a heat pump system according to claim 1, a method for producing a heat pump system according to claim 31 or a method for operating a heat pump system according to claim 32. In one aspect of the present invention, the heat exchangers are located at the bottom of the heat pump system, below the pumps. Such a heat pump system comprises a heat pump unit with at least one and preferably several heat pump stages. Furthermore, a first heat exchanger is provided on a side to be cooled. In addition, a second heat exchanger is provided on a side to be heated. Further, there is a first pump coupled to the first heat exchanger and a second pump coupled to the second heat exchanger. The heat pump system has an operating position in which the first pump and the second pump are arranged above the first and second heat exchangers. In addition, the heat pump unit is disposed with the one or more heat pump stages above the first and second pumps.
Vorteile dieser Anordnung gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der tiefe Schwerpunkt. Die Wärmetauscher sind typischerweise am schwersten. Oberhalb der Wärmetauscher ist bei dem Ausführungsbeispiel das Pumpenmodul angeordnet, wobei ferner gegebenenfalls bei der Verwendung mehrerer Wärmepumpenstufen ein Mischermodul wieder oberhalb des Pumpenmoduls angeordnet ist. Der eine oder die mehreren Behälter mit dem einen der den mehreren Verdichtern der Wärmepumpenstufen sind am höchsten Punkt ange- ordnet. Ein besonderer Vorteil bei den Anordnungen der Verdichter am höchsten Punkt besteht darin, dass sie im Aus-Zustand trocken sind. Dann läuft nämlich die Arbeitsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, aufgrund der Schwerkraft nach unten ab. Advantages of this arrangement according to one aspect of the invention is the low center of gravity. The heat exchangers are typically the heaviest. Above the heat exchangers, the pump module is arranged in the exemplary embodiment, wherein, optionally, when using a plurality of heat pump stages, a mixer module is again arranged above the pump module. The one or more containers with the one of the plurality of compressors of the heat pump stages are arranged at the highest point. A particular advantage with the arrangements of the compressors at the highest point is that they are dry in the off-state. Then, namely, the working fluid, such as water, runs downwards due to gravity.
Diese Anordnung mit unten vorgesehenen Wärmetauschern zeichnet sich durch einen leichten Aufbau aus. Zunächst werden die Wärmetauscher z.B. in einem Wärmepumpen- anlagengestell montiert. Dann wird das Pumpenmodui, gegebenenfalls das Mischer- bzw.This arrangement with below provided heat exchangers is characterized by a lightweight construction. First, the heat exchangers are e.g. mounted in a heat pump system rack. Then the Pumpenmodui, possibly the mixer or
Wegemodul und schließlich die eine oder die mehreren Wärmepumpenstufen aufgesetzt.Wegemodul and finally the one or more heat pump stages attached.
Vorzugsweise werden hier die Wärmetauscher liegend angeordnet. Dies führt dazu, dass beim Befüllen der Wärmepumpenanlage bei einer ersten Inbetriebnahme oder bei einer Inbetriebnahme nach einem Wartungsintervall keine Lufteinschlüsse stattfinden, dass diePreferably, the heat exchangers are arranged lying here. This results in that when filling the heat pump system at a first startup or commissioning after a maintenance interval no air bubbles take place that the
Wärmepumpenanlage also selbstentlüftend ist. Heat pump system is therefore self-venting.
Darüber hinaus wird es bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt, dass sämtliche Pumpen in Fallrohren, also nicht in Steigrohren angeordnet sind. Insbesondere sind die Pum- pen so angeordnet, dass die Saugseite der Pumpe im Fallrohr möglichst weit unten angeordnet ist. Damit wird bereits kinetische Energie aus der Fallhöhe der Wassersäule ge- wonnen und der Druck auf der Saugseite der Pumpe ist höher als in einer von unten nach oben verlaufenden Steigleitung. Damit wird die minimale Wassersäule auf der Saugseite der Pumpe kleiner als vom Pumpenhersteller gefordert. Damit kann zum einen eine Kavitation überhaupt bzw. eine zu starke Kavitation verhindert werden. Zum anderen wird eine kompakte Wärmepumpenanlage erreicht, die für einen Einsatz keinen besonders großen Raum in Anspruch nimmt. Dies liegt daran, dass die Rohrverbindungen vor der Saugseite der Pumpe kurz gemacht werden können. Damit wird die gesamte Anlage kompakter und damit weniger sperrig. Auch Gewichtseinsparungen können durch einen kompakteren Aufbau erreicht werden. In addition, it is preferred in this embodiment that all pumps are arranged in downpipes, not in risers. In particular, the pumps are arranged so that the suction side of the pump is arranged as far down in the downpipe as possible. Thus kinetic energy is already released from the drop height of the water column. and the pressure on the suction side of the pump is higher than in a bottom-up riser. Thus, the minimum water column on the suction side of the pump is smaller than required by the pump manufacturer. On the one hand cavitation at all or excessive cavitation can be prevented. On the other hand, a compact heat pump system is achieved, which does not require a particularly large space for use. This is because the pipe connections in front of the suction side of the pump can be made short. This makes the entire system more compact and thus less bulky. Also weight savings can be achieved by a more compact design.
Bei einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wärmepumpenanlage mit Pumpen versehen, die ganz unten angeordnet sind. Daher wird alternativ zu dem beschriebenen ersten Aspekt gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung in der Betriebsposition die erste und die zweite Pumpe unterhalb der Wärmepumpeneinheit an einem unteren Ende der Wärmepumpenanlage angeordnet. Darüber hinaus sind bei dieser Anordnung in der Betriebsposition der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher ebenfalls unterhalb der Wärmepumpeneinheit am unteren Ende neben den Pumpen angeordnet. Um also einer Kavitation effizient vorzubeugen, werden die Pumpen am tiefsten Punkt der Wärmepumpenanlage angeordnet. Darüber hinaus werden die Pumpen waagerecht eingebaut, so dass der maximale Staudruck vor der Saugseite der Pumpe existiert. Damit wird effizient Kavitation vermieden und damit die Beschädigung der Pumpräder. Der nötige Staudruck vor der Saugseite der Pumpe bestimmt den kleinstmöglichen Höhenunterschied zwischen der Wärmepumpenstufe, also dem Behälter mit Verflüssiger, Verdampfer und Verdichter und der entsprechenden Pumpe. Vorzugs- weise wird der Wärmetauscher bei dem zweiten Aspekt aufrecht montiert, damit beim Befüllen Lufteinschlüsse vermieden werden. Darüber hinaus wird durch die stehende Lage der Wärmetauscher die nötige Rohrverbindung vom Wärmetauscher zurück in den Verdampfer bzw. in den Verflüssiger kürzer, weil der Wärmetauscher selbst, der typischerweise beträchtliche Längen haben kann, als Verbindungsleitung gewissermaßen doppelt genutzt wird. In a second aspect of the present invention, the heat pump system is provided with pumps located at the bottom. Therefore, alternatively to the described first aspect according to the second aspect of the present invention, in the operating position, the first and second pumps are disposed below the heat pump unit at a lower end of the heat pump unit. Moreover, in this arrangement, in the operating position, the first heat exchanger and the second heat exchanger are also disposed below the heat pump unit at the lower end adjacent to the pumps. In order to efficiently prevent cavitation, the pumps are arranged at the lowest point of the heat pump system. In addition, the pumps are installed horizontally, so that the maximum back pressure exists in front of the suction side of the pump. This avoids cavitation efficiently and thus damaging the pump wheels. The necessary dynamic pressure upstream of the suction side of the pump determines the smallest possible height difference between the heat pump stage, ie the container with condenser, evaporator and compressor and the corresponding pump. Preferably, the heat exchanger is mounted upright in the second aspect, so that air pockets are avoided during filling. In addition, due to the vertical position of the heat exchanger, the necessary pipe connection from the heat exchanger back into the evaporator or in the condenser shorter, because the heat exchanger itself, which may typically have considerable lengths, is effectively used as a double connection line.
Bei einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wärmepumpenanlage nicht mit lediglich einer einzigen Wärmepumpenstufe betrieben, sondern mit zwei oder mehreren Wärmepumpenstufen. Hierbei wird die Wärmepumpenstufe mit einem ersten Verdich- ter, einem ersten Verflüssiger und einem ersten Verdampfer gewissermaßen in Kette mit einer zweiten bzw. weiteren Wärmepumpenstufe mit einem zweiten Verdichter, einem zweiten Verflüssiger und einem zweiten Verdampfer geschaltet. Hierzu wird der erste Verflüssigerausgang des ersten Verflüssigers mit einem zweiten Verdampfereingang des zweiten Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe über eine Verbindungsleitung verbunden. Damit wird die wärmste Flüssigkeit der Wärmepumpenstufe in den Verdamp- fer, also das kälteste Gebiet der weiteren Wärmepumpenstufe eingeleitet, um dort wieder gekühlt zu werden. Die Wärmepumpenstufen werden also nicht parallel geschaltet, sondern in Kette. Je nach Implementierung kann der Eingang des Verflüssigers der ersten Wärmepumpenstufe mit dem Ausgang des Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe gekoppelt werden oder aber, wie es bei bestimmten Ausführungsbeispielen bevorzugt wird, in ein steuerbares Wegemodul geführt werden, um die Wärmepumpenanlage mit der Wärmepumpenstufe und der weiteren Wärmepumpenstufe in diversen an die Heizung bzw. Kühlungsaufgabe optimal angepassten Betriebsmodi zu betreiben. In a third aspect of the present invention, the heat pump system is not operated with only a single heat pump stage, but with two or more heat pump stages. Here, the heat pump stage with a first compressor, a first condenser and a first evaporator in a sense in chain with a second or further heat pump stage with a second compressor, a second condenser and a second evaporator connected. For this purpose, the first condenser outlet of the first condenser is connected to a second evaporator inlet of the second evaporator of the further heat pump stage via a connecting line. In this way, the warmest liquid of the heat pump stage is introduced into the evaporator, ie the coldest area of the further heat pump stage, in order to be cooled there again. The heat pump stages are therefore not connected in parallel, but in chain. Depending on the implementation of the input of the condenser of the first heat pump stage can be coupled to the output of the evaporator of the other heat pump stage or, as is preferred in certain embodiments, be guided in a controllable path module to the heat pump system with the heat pump stage and the other heat pump stage in to operate various operating modes optimally adapted to the heating or cooling task.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung, der die Kettenschaltung zweier Wärmepumpenstufen betrifft, ist der erste Verflüssiger der Wärmepumpenstufe in der Betriebsposition oberhalb des zweiten Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe angeordnet, so dass die Arbeitsflüssigkeit aufgrund der Schwerkraft von dem ersten Verflüssiger in den zweiten Verdampfer in der Verbindungsleitung fließt. Damit kann hier eine Pumpe eingespart werden. Eine Zwischenkreispumpe ist le- diglich nötig, um Arbeitsflüssigkeit vom Verdampfer der weiteren Wärmepumpenstufe wieder auf ein höheres Niveau bezüglich der Betriebsposition in den Verflüssiger der Wärmepumpenstufe, also der ersten Wärmepumpenstufe, zu bringen. Damit kann eine Wärmepumpenanlage mit zwei Wärmepumpenstufen effizient mit lediglich drei Pumpen betrieben werden, nämlich einer ersten Pumpe, die mit dem Eingang in den kälteseitigen Wärmetauscher gekoppelt ist, einer zweiten Pumpe, die mit dem Eingang in den wärme- seitigen Wärmetauscher gekoppelt ist, und einer Zwischenkreispumpe, die mit dem Ausgang des Verdampfers der weiteren Wärmepumpenstufe gekoppelt ist. In preferred embodiments of the third aspect of the present invention, which relates to the derailleur of two heat pump stages, the first condenser of the heat pump stage is arranged in the operating position above the second evaporator of the further heat pump stage, so that the working fluid due to gravity from the first condenser into the second evaporator flows in the connecting line. This can be saved here a pump. A DC link pump is only necessary to bring working fluid from the evaporator of the further heat pump stage back to a higher level with respect to the operating position in the condenser of the heat pump stage, ie the first heat pump stage. Thus, a heat pump system with two heat pump stages can be operated efficiently with only three pumps, namely a first pump coupled to the input to the cold side heat exchanger, a second pump coupled to the input to the heat side heat exchanger, and a second pump DC link pump, which is coupled to the output of the evaporator of the further heat pump stage.
Die Anordnung von weiteren Wärmepumpenstufen kann ebenfalls als Kettenschaltung stattfinden, wobei wiederum dann, wenn die jeweiligen Verflüssiger der niedrigeren Wärmepumpenstufe oberhalb des jeweiligen Verdampfers der höheren Wärmepumpenstufe angeordnet sind, auch hier wieder Pumpen eingespart werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Stufe oder weitere Stufen auch parallel oder seriell oder auf andere Weise mit den beiden in Kette geschalteten Wärmepumpen gekoppelt werden. Der Raum, der sich unter der höher angeordneten Wärmepumpenstufe ergibt, wird vorzugsweise dafür verwendet, um ein Wegemodul unterzubringen, das steuerbar ist, um verschiedene Betriebsmodi zu implementieren. Diverse Betriebsmodi umfassen einen Hochleistungsmodus, einen Mittelleistungsmodus, einen Freikühlungsmodus oder einen Niederleistungsmodus, wobei gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Steuerung vorgesehen ist, um das steuerbare Wegemodul so einzustellen, dass wenigstens zwei dieser vier Betriebsmodi implementiert werden. Bei anderen Ausführungsformen werden drei und bei wieder anderen Ausführungsformen werden alle vier Betriebsmodi implementiert. Durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Wärmepumpen- stufen können weitere Betriebsmodi, also mehr als vier Betriebsmodi implementiert werden. The arrangement of further heat pump stages can also take place as a chain circuit, in turn, when the respective condenser of the lower heat pump stage above the respective evaporator of the higher heat pump stage are arranged, again pumps can be saved. Alternatively or additionally, the third stage or further stages can also be coupled in parallel or in series or in another way with the two heat pumps connected in chain. The space that results below the higher level heat pump stage is preferably used to accommodate a path module that is controllable to implement various modes of operation. Various modes of operation include a high power mode, a mid power mode, a free cooling mode or a low power mode, and according to the third aspect of the present invention, a controller is provided to set the controllable path module to implement at least two of these four modes of operation. In other embodiments, three and in still other embodiments, all four modes of operation are implemented. By using a larger number of heat pump stages, further operating modes, ie more than four operating modes, can be implemented.
Aufgrund der Anordnung der Pumpen und der Wärmetauscher gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt werden fast nur noch gerade Punkt-zu-Punkt Verbindungen erreicht, die für einen kompakten Aufbau und eine Kavitationsvermeidung günstig sind. Due to the arrangement of the pumps and the heat exchangers according to the first or the second aspect almost only point-to-point connections are achieved, which are favorable for a compact construction and a Kavitationsvermeidung.
Durch den Höhenunterschied der beiden Behälter kann, wie es dargelegt worden ist, auf eine Pumpe zwischen dem Verflüssigerausgang des höheren Behälters und dem Verdampfereingang des niedrigeren Behälters verzichtet werden. Der durch den Höhenunter- schied der beiden Behälter entstehende Platz wird für den steuerbaren Wegeumschalter eingesetzt, durch den die Wärmepumpenanlage in unterschiedliche Modi umgeschaltet werden kann, um eine optimale Anpassung an diverse Betriebsbedingungen zu erreichen. Due to the difference in height of the two containers, it can be dispensed with a pump between the condenser outlet of the higher container and the evaporator inlet of the lower container, as has been explained. The space created by the height difference between the two containers is used for the controllable diverter switch, which can be used to switch the heat pump system to different modes in order to achieve optimum adaptation to various operating conditions.
Die Anordnung der beiden Wärmepumpenstufen und die Verschaltung der Wärmepum- penstufen gemäß einer Kettenschaltung, also durch Verbinden des Verflüssigerausgangs des Verflüssigers der ersten Stufe mit dem Verdampfereingang des Verdampfers der weiteren Stufe ermöglicht, dass in jedem Betriebsmodus die bereits vorhandene Infrastruktur eingesetzt wird. Beide Wärmepumpenstufen werden daher unabhängig davon, ob sie aktiv sind, also ob der jeweilige Verdichter läuft oder nicht, durch die Arbeitsflüssigkeit durchströmt. Es werden somit keine Bypassleitungen oder Ventile benötigt. Stattdessen werden, um von einem Betriebsmodus zu einem anderen Betriebsmodus zu kommen, die Wege in einem 2x2-Wege-Schalter-Array umgeschaltet. The arrangement of the two heat pump stages and the interconnection of the heat pump stages according to a derailleur, ie by connecting the condenser outlet of the condenser of the first stage with the evaporator inlet of the evaporator of the further stage allows the already existing infrastructure to be used in each operating mode. Both heat pump stages are therefore regardless of whether they are active, so whether the respective compressor is running or not, flows through the working fluid. Thus, no bypass lines or valves are needed. Instead, to get from one mode of operation to another mode of operation, the paths are switched in a 2x2-way switch array.
Dies ermöglicht es, dass eine inaktive Wärmepumpenstufe, also eine Wärmepumpenstu- fe, bei der der Verdichter nicht aktiv ist, bei der also auf Verdampfer- und Verflüssigerseite der gleiche Druck herrscht, ohne weitere Maßnahmen durch Starten des Verdichters in den Betrieb genommen werden kann. Die Anlage ist somit derart ausgebildet, dass hierfür keine speziellen Anfahr- oder Evakuierungsmaßnahmen nötig sind, sondern eine Wärmepumpenstufe wird gestartet, wenn der Verdichter in Betrieb genommen wird, und wird gestoppt, wenn der Verdichter außer Betrieb genommen wird. Dennoch werden die Zuläu- fe für den Verdampfer und den Verflüssiger und die Abläufe aus dem Verdampfer und dem Verflüssiger einer Stufe trotz deaktiviertem Verdichter nach wie vor durchströmt. Dies stellt sicher, dass eine optimale Bereitschaft erreicht wird, ohne dass hierfür ein besonderer Energieverbrauch stattfinden muss. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine effiziente Arbeitsflüssigkeitstrans- porteinrichtung eingesetzt. Es hat sich herausgestellt, dass sich Arbeitsflüssigkeit im Verdampfer der niedrigeren Stufe, also der Stufe, die auf der zu erwärmenden Seite thermo- dynamisch angeordnet ist, ansammelt. Um hier einen Ausgleich wieder zum Verdampfer im höher liegenden Behälter zu ermöglichen, wird ein selbstregelndes System, das z. B. einen Überlauf und ein U-Rohr haben kann, eingesetzt. Das U-Rohr ist an eine Engstelle vor einer Pumpe im Verdampferkreis des höheren Behälters angeschlossen. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vor der Pumpe sinkt der Druck und Wasser aus dem U-Rohr kann aufgenommen werden. Das System ist insoweit selbstregelnd, weil sich im U-Rohr ein stabiler Wasserstand einstellt, der dem Druck vor der Pumpe in der Engstelle und im Verdampfer des niedrigeren Behälters genügt. This makes it possible for an inactive heat pump stage, ie a heat pump stage in which the compressor is not active, in which the same pressure prevails on the evaporator and condenser side, without further measures by starting the compressor in the operation can be taken. The system is thus designed so that no special start-up or evacuation measures are necessary, but a heat pump stage is started when the compressor is put into operation, and is stopped when the compressor is taken out of service. Nevertheless, the feeds for the evaporator and the condenser and the effluents from the evaporator and the condenser of a stage are still flowed through despite the compressor being deactivated. This ensures that optimum readiness is achieved without the need for special energy consumption. In a further embodiment, an efficient working fluid transport device is used. It has been found that working fluid accumulates in the evaporator of the lower stage, ie the stage which is thermodynamically arranged on the side to be heated. To allow compensation here again to the evaporator in the higher-lying container, a self-regulating system, the z. B. may have an overflow and a U-tube used. The U-tube is connected to a bottleneck in front of a pump in the evaporator circuit of the higher tank. Due to the increased flow speed in front of the pump, the pressure drops and water from the U-tube can be absorbed. The system is self-regulating insofar as a stable water level is established in the U-tube, which is sufficient for the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Wärmepumpenstufe mit verschränkter Verdampfer/Kondensiereranordnung; Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. 1 shows a schematic diagram of a heat pump stage with an entangled evaporator / condenser arrangement;
Fig. 2A eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit unten liegenden Wärmetauschern gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung; 2A is a schematic representation of a heat pump system with bottom heat exchangers according to the first aspect of the present invention.
Fig. 2B eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit unten liegenden Pumpen gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit in Kette geschalteter erster und weiterer Wärmepumpenstufe gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung; eine schematische Darstellung von zwei fest in Kette geschalteten Wärmepumpenstufen; eine schematische Darstellung von mit steuerbaren Wegeschaltern gekoppelten in Kette geschalteten Wärmepumpenstufen. eine schematische Darstellung eines steuerbaren Wegemoduls mit drei Eingängen und drei Ausgängen; eine Tabelle zur Darstellung der verschiedenen Verbindungen des steuerbaren Wegemoduls für verschiedene Betriebsmodi; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage von Fig. 4A mit zusätzlichem selbstregelndem Flüssigkeitsausgleich zwischen den Wärmepumpenstufen; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Hochleistungsmodus (HLM) betrieben wird; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Mittelleistungsmodus (MKM) betrieben wird; eine schematische Darstellung der W rmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Freikühlungsmodus (FKM) betrieben wird; eine schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen, die im Niederleistungsmodus (NLM) betrieben wird; eine Tabelle zur Darstellung der Betriebszustände diverser Komponenten in den verschiedenen Betriebsmodi; eine Tabelle zur Darstellung der Betriebszustände der beiden gekoppelten steuerbaren 2x2-Wegeschalter; eine Tabelle zur Darstellung der Temperaturbereiche für die die Betriebsmodi geeignet sind; eine schematische Darstellung der Grob/Fein-Steuerung über die Betriebsmodi einerseits und die Drehzahlsteuerung andererseits; eine schematische Darstellung einer bekannten Wärmepumpenanlage mit Wasser als Arbeitsmittel; und 2B is a schematic representation of a heat pump system with bottom-mounted pumps according to the second aspect of the present invention; a schematic representation of a heat pump system with chain connected first and further heat pump stage according to the third aspect of the present invention; a schematic representation of two fixed-chain heat pump stages; a schematic representation of coupled with controllable directional switches in chain heat pump stages. a schematic representation of a controllable roadside module with three inputs and three outputs; a table showing the various connections of the controllable road module for different modes of operation; a schematic representation of the heat pump system of Figure 4A with additional self-regulating liquid equalization between the heat pump stages. a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in the high performance mode (HLM); a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in the middle power mode (MKM); a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in the free cooling mode (FKM); a schematic representation of the heat pump system with two stages, which is operated in low power mode (NLM); a table showing the operating states of various components in the various operating modes; a table showing the operating states of the two coupled controllable 2x2-way switch; a table showing the temperature ranges for which the operation modes are appropriate; a schematic representation of the coarse / fine control of the operating modes on the one hand and the speed control on the other; a schematic representation of a known heat pump system with water as a working fluid; and
Fig. 8B eine Tabelle zur Darstellung verschiedener Druck/Temperatursituationen für Wasser als Arbeitsflüssigkeit. Fig. 8B is a table showing various pressure / temperature situations for water as the working fluid.
Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer zum Verdampfen von Arbeitsflüssigkeit in einem Verdampferraum 102. Die Wärmepumpe umfasst ferner einen Kondensator zum Verflüssigen von verdampfter Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensatorraum 104, der von einem Kondensatorboden 106 begrenzt ist. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, die als Schnittdarstellung oder als Seitenansicht angesehen werden kann, ist der Verdampferraum 102 zumindest teilweise von dem Kondensatorraum 104 umgeben. Ferner ist der Verdampferraum 102 durch den Kondensatorboden 106 von dem Kondensatorraum 104 getrennt. Darüber hinaus ist der Kondensatorboden mit einem Verdampferboden 108 verbunden, um den Verdampferraum 102 zu definieren. In einer Implementierung ist oberhalb am Verdampferraum 102 oder an anderer Stelle ein Kompressor 1 10 vorgesehen, der in Fig. 1 nicht näher ausgeführt ist, der jedoch prinzipiell ausgebildet ist, um verdampfte Arbeitsflüssigkeit zu komprimieren und als komprimierten Dampf 1 12 in den Kondensatorraum 104 zu leiten. Der Kondensatorraum ist ferner nach außen hin durch eine Kondensatorwand 1 14 begrenzt. Die Kondensatorwand 1 4 ist ebenfalls wie der Kondensatorboden 106 an dem Verdampferboden 108 befestigt. Insbesondere ist die Dimensionierung des Kondensatorbodens 106 in dem Bereich, der die Schnittstelle zum Verdampferboden 108 bildet, so, dass der Kondensatorboden bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vollständig von der Kondensatorraumwand 1 14 umgeben ist. Dies bedeutet, dass sich der Kondensatorraum, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, bis zum Ver- dampferboden erstreckt, und dass sich der Verdampferraum gleichzeitig sehr weit nach oben, typischerweise nahezu durch fast den gesamten Kondensatorraum 104 erstreckt. Diese "verschränkte" oder ineinandergreifende Anordnung von Kondensator und Verdampfer, die sich dadurch auszeichnet, dass der Kondensatorboden mit dem Verdampferboden verbunden ist, liefert eine besonders hohe Wärmepumpeneffizienz und erlaubt daher eine besonders kompakte Bauform einer Wärmepumpe. Größenordnungsmäßig ist die Dimensionierung der Wärmepumpe z.B. in einer zylindrischen Form so, dass die Kondensatorwand 1 14 einen Zylinder mit einem Durchmesser zwischen 30 und 90 cm und einer Höhe zwischen 40 und 100 cm darstellt. Die Dimensionierung kann jedoch je nach erforderliche Leistungsklasse der Wärmepumpe gewählt werden, findet je- doch vorzugsweise in den genannten Dimensionen statt. Damit wird eine sehr kompakte Bauform erreicht, die zudem einfach und günstig herstellbar ist, weil die Anzahl der Schnittstellen, insbesondere für den fast unter Vakuum stehenden Verdampferraum ohne weiteres reduziert werden kann, wenn der Verdampferboden gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dahin gehend ausgeführt wird, dass er sämt- liehe Flüssigkeits-Zu- und Ableitungen umfasst und damit keine Flüssigkeits-Zu- und Ableitungen von der Seite oder von oben nötig sind. FIG. 1 shows a heat pump 100 with an evaporator for evaporating working fluid in an evaporator space 102. The heat pump further comprises a condenser for liquefying evaporated working fluid in a condenser space 104 bounded by a condenser bottom 106. As shown in FIG. 1, which may be viewed as a sectional view or as a side view, the evaporator space 102 is at least partially surrounded by the condenser space 104. Furthermore, the evaporator chamber 102 is separated from the condenser space 104 by the condenser bottom 106. In addition, the condenser bottom is connected to an evaporator bottom 108 to define the evaporator space 102. In one implementation, a compressor 1 10 is provided above the evaporator chamber 102 or elsewhere, which is not detailed in Fig. 1, but which is in principle designed to compress vaporized working fluid and as compressed steam 1 12 in the condenser space 104 to conduct. The condenser space is also limited to the outside by a capacitor wall 1 14. The capacitor wall 1 4 is also attached to the evaporator bottom 108 as the capacitor bottom 106. In particular, the dimensioning of the capacitor base 106 in the area forming the interface to the evaporator base 108 is such that the capacitor base in the embodiment shown in FIG. 1 is completely surrounded by the capacitor space wall 14. This means that the condenser space, as shown in FIG. 1, extends to the evaporator bottom, and that the evaporator space at the same time extends very far upwards, typically almost through almost the entire condenser space 104. This "entangled" or interlocking arrangement of condenser and evaporator, which is characterized in that the condenser bottom is connected to the evaporator bottom, provides a particularly high heat pump efficiency and therefore allows a particularly compact design of a heat pump. The order of magnitude of the dimensioning of the heat pump, for example, in a cylindrical shape so that the condenser wall 1 14 is a cylinder with a diameter between 30 and 90 cm and a height between 40 and 100 cm. However, the dimensioning can be selected according to the required performance class of the heat pump, but preferably takes place in the dimensions mentioned. Thus, a very compact design is achieved, which is also easy and inexpensive to produce, because the number of interfaces, especially for the almost vacuum evaporator space can be easily reduced if the evaporator bottom is carried out in accordance with preferred embodiments of the present invention, that it includes all fluid supply and discharge lines and thus no liquid supply and discharge lines from the side or from above are necessary.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Betriebsrichtung der Wärmepumpe so ist, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass der Verdampferboden im Betrieb den unteren Abschnitt der Wärmepumpe definiert, jedoch abgesehen von Verbindungsleitungen mit anderen Wärmepumpen oder zu entsprechenden Pumpeneinheiten. Dies bedeutet, dass im Betrieb der im Verdampferraum erzeugte Dampf nach oben steigt und durch den Motor umgelenkt wird und von oben nach unten in den Kondensatorraum eingespeist wird, und dass die Kondensatorflüssigkeit von unten nach oben geführt wird, und dann von oben in den Kondensatorraum zugeführt wird und dann im Kondensatorraum von oben nach unten fließt, wie beispielsweise durch einzelne Tröpfchen oder durch kleine Flüssigkeitsströme, um mit dem vorzugsweise quer zugeführten komprimierten Dampf zu Zwecken einer Kondensation zu reagieren. Diese ineinander "verschränkte" Anordnung, dahin gehend, dass der Verdampfer fast vollständig oder sogar vollständig innerhalb des Kondensators angeordnet ist, ermöglicht eine sehr effiziente Ausführung der Wärmepumpe mit optimaler Platzausnutzung. Nachdem der Kondensatorraum sich bis zum Verdampferboden hin erstreckt, ist der Kondensatorraum innerhalb der gesamten "Höhe" der Wärmepumpe oder zumindest innerhalb eines wesentlichen Abschnitts der Wärmepumpe ausgebildet. Gleichzeitig ist jedoch auch der Verdampferraum so groß als möglich, weil er sich ebenfalls nahezu fast über die ge- samte Höhe der Wärmepumpe erstreckt. Durch die ineinander verschränkte Anordnung im Gegensatz zu einer Anordnung, bei der der Verdampfer unterhalb des Kondensators angeordnet ist, wird der Raum optimal genutzt. Dies ermöglicht zum einen einen besonders effizienten Betrieb der Wärmepumpe und zum anderen einen besonders platzspa- renden und kompakten Aufbau, weil sowohl der Verdampfer als auch der Verflüssiger sich über die gesamte Höhe erstrecken. Damit geht zwar die "Dicke" des Verdampferraums und auch des Verflüssigerraums zurück. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Reduktion der "Dicke" des Verdampferraums, der sich innerhalb des Kondensators verjüngt, unproblematisch ist, weil die Hauptverdampfung im unteren Bereich stattfindet, wo der Verdampferraum nahezu das gesamte Volumen, das zur Verfügung steht, ausfüllt. Andererseits ist die Reduktion der Dicke des Kondensatorraums besonders im unteren Bereich, also dort wo der Verdampferraum nahezu den gesamten zur Verfügung stehenden Bereich ausfüllt, unkritisch, weil die Hauptkondensation oben stattfindet, also dort, wo der Verdampferraum bereits relativ dünn ist und damit ausreichend Platz für den Kondensa- torraum zurücklässt. Die ineinander verschränkte Anordnung ist somit optimal dahin gehend, dass jedem Funktionsraum dort das große Volumen gegeben wird, wo dieser Funktionsraum das große Volumen auch benötigt. Der Verdampferraum hat unten das große Volumen, während der Kondensatorraum oben das große Volumen hat. Dennoch trägt auch das entsprechende kleine Volumen, das für den jeweiligen Funktionsraum dort ver- bleibt, wo der andere Funktionsraum das große Volumen hat, zu einer Effizienzsteigerung bei im Vergleich zu einer Wärmepumpe, bei der die beiden Funktionselemente übereinander angeordnet sind, wie es z.B. in der WO 2014072239 A1 der Fall ist. It should also be noted that the operating direction of the heat pump is as shown in FIG. This means that the evaporator bottom defines in operation the lower portion of the heat pump, but apart from connecting lines with other heat pumps or to corresponding pump units. This means that in operation, the steam generated in the evaporator chamber rises and is deflected by the motor and is fed from top to bottom in the condenser space, and that the condenser liquid is guided from bottom to top, and then fed from above into the condenser space and then flows in the condenser space from top to bottom, such as by individual droplets or by small liquid streams, to react with the preferably cross-fed compressed steam for purposes of condensation. This intertwined arrangement, in that the evaporator is located almost completely or even completely within the condenser, allows for a very efficient heat pump design with optimum space utilization. After the condenser space extends to the evaporator bottom, the condenser space is formed within the entire "height" of the heat pump or at least within a substantial portion of the heat pump. At the same time, however, the evaporation chamber is as large as possible because it is also almost almost velvet height of the heat pump extends. By interlocking arrangement in contrast to an arrangement in which the evaporator is arranged below the condenser, the space is used optimally. This allows for a particularly efficient operation of the heat pump and on the other hand a particularly space-saving and compact design, because both the evaporator and the condenser extend over the entire height. Although this is the "thickness" of the evaporator chamber and the condenser space back. It has been found, however, that the reduction of the "thickness" of the evaporator space, which tapers within the condenser, is straightforward because the main evaporation takes place at the bottom, where the evaporator space fills up almost all of the available volume. On the other hand, the reduction of the thickness of the condenser space, especially in the lower area, ie where the evaporator space fills almost the entire available area, uncritical, because the main condensation takes place above, ie where the evaporator chamber is already relatively thin and thus sufficient space for leaves the condenser space. The interlocking arrangement is thus optimal in that each functional space there is given the large volume, where this functional space also requires the large volume. The evaporator compartment has the large volume below while the condenser compartment has the large volume at the top. Nevertheless, the corresponding small volume, which remains there for the respective functional space where the other functional space has the large volume, also contributes to an increase in efficiency compared with a heat pump in which the two functional elements are arranged one above the other, as is shown in FIG WO 2014072239 A1 is the case.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Kompressor derart an der Oberseite des Kondensatorraums angeordnet, dass der komprimierte Dampf durch den Kompressor einerseits umgelenkt und gleichzeitig in einen Randspalt des Kondensatorraums eingespeist wird. Damit wird eine Kondensation mit besonders hoher Effizienz erreicht, weil eine Querstromrichtung des Dampfes zu einer herabfiießenden Kondensationsflüssigkeit erreicht wird. Diese Kondensation mit Querströmung ist besonders im oberen Bereich, wo der Verdampferraum groß ist, wirksam und benötigt im unteren Bereich, wo der Kondensatorraum zugunsten des Verdampferraums klein ist, keinen besonders großen Bereich mehr, um dennoch eine Kondensation von bis zu diesem Bereich vorgedrungenen Dampfpartikeln zu erlauben. Ein Verdampferboden, der mit dem Kondensatorboden verbunden ist, ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er den Kondensator-Zu- und Ablauf und den Verdampfer-Zu- und Ab- lauf in sich aufnimmt, wobei zusätzlich noch bestimmte Durchführungen für Sensoren in den Verdampfer bzw. in den Kondensator vorhanden sein können. Damit wird erreicht, dass keine Durchführungen von Leitungen für den Kondensator-Zu- und Ablauf durch den nahezu unter Vakuum stehenden Verdampfer nötig sind. Dadurch wird die die gesamte Wärmepumpe weniger fehleranfällig, weil jede Durchführung durch den Verdampfer eine Möglichkeit für ein Leck darstellen würde. Dazu ist der Kondensatorboden an den Stellen, an denen die Kondensator-Zu- und Abläufe sind, mit einer jeweiligen Aussparung versehen, dahin gehend, dass in dem Verdampferraum, der durch den Kondensatorboden definiert wird, keine Kondensator-Zu/Abführungen verlaufen. In preferred embodiments, the compressor is arranged at the top of the condenser space such that the compressed steam is deflected by the compressor on the one hand and at the same time fed into an edge gap of the condenser space. Thus, a condensation is achieved with a particularly high efficiency, because a cross-flow direction of the steam is achieved to a condensing condensation condensing down. This cross-flow condensation is particularly effective in the upper area where the evaporator space is large, and does not require a particularly large area in the lower area where the condenser space is small in favor of the evaporator space, yet still allows condensation of vapor particles penetrated up to this area allow. An evaporator bottom, which is connected to the condenser bottom, is preferably designed such that it controls the condenser inlet and outlet and the evaporator inlet and outlet. run in addition, although in addition still certain bushings for sensors in the evaporator or in the condenser may be present. This ensures that no feedthroughs of lines for the condenser inlet and outlet are required by the near-vacuum evaporator. This will make the entire heat pump less prone to failure because any passage through the evaporator would be a potential leak. For this purpose, the condenser bottom is at the points where the condenser feeds and outlets are provided with a respective recess, going to the extent that in the evaporator space, which is defined by the condenser bottom, no capacitor to / discharges.
Der Kondensatorraum wird durch eine Kondensatorwand begrenzt, die ebenfalls an dem Verdampferboden anbringbar ist. Der Verdampferboden hat somit eine Schnittstelle sowohl für die Kondensatorwand als auch den Kondensatorboden und hat zusätzlich sämtliche Flüssigkeits-Zuführungen sowohl für den Verdampfer als auch den Verflüssiger. The condenser space is limited by a condenser wall, which is also attachable to the evaporator bottom. The evaporator bottom thus has an interface for both the condenser wall and the condenser bottom and additionally has all liquid feeds for both the evaporator and the condenser.
Bei bestimmten Ausführungen ist der Verdampferboden ausgebildet, um Anschlussstutzen für die einzelnen Zuführungen zu haben, die einen Querschnitt haben, der sich von einem Querschnitt der Öffnung auf der anderen Seite des Verdampferbodens unterscheidet. Die Form der einzelnen Anschlussstutzen ist dann so ausgebildet, dass sich die Form bzw. Querschnittsform über der Länge des Anschlussstutzens verändert, jedoch der Rohrdurchmesser, der für die Strömungsgeschwindigkeit eine Rolle spielt, in einer Toleranz von ± 10 % nahezu gleich ist. Damit wird verhindert, dass durch den Anschlussstutzen fließendes Wasser zu kavitieren beginnt. Damit wird aufgrund der guten durch die Formung der Anschlussstutzen erhaltenen Strömungsverhältnisse sichergestellt, dass die entsprechenden Rohre/Leitungen so kurz wie möglich gemacht werden können, was wiederum zu einer kompakten Bauform der gesamten Wärmepumpe beiträgt. In certain embodiments, the evaporator bottom is configured to have spigots for the individual feeders that have a cross section that is different from a cross section of the opening on the other side of the evaporator bottom. The shape of the individual connecting pieces is then designed so that the shape or cross-sectional shape changes over the length of the connecting piece, but the pipe diameter, which plays a role for the flow velocity, is almost equal within a tolerance of ± 10%. This prevents water flowing through the connection pipe from cavitating. This ensures due to the good obtained by the formation of the connecting pieces flow conditions that the corresponding pipes / lines can be made as short as possible, which in turn contributes to a compact design of the entire heat pump.
Bei einer speziellen Implementierung des Verdampferbodens wird der Kondensatorzulauf nahezu in Form einer "Brille" in einen zwei- oder mehrteiligen Strom aufgeteilt. Damit ist es möglich, die Kondensatorflüssigkeit im Kondensator an seinem oberen Abschnitt an zwei oder mehreren Punkten gleichzeitig einzuspeisen. Damit wird eine starke und gleichzeitig besonders gleichmäßige Kondensatorströmung von oben nach unten erreicht, die es ermöglicht, dass eine hocheffiziente Kondensation des ebenfalls von oben in den Kondensator eingeführten Dampfes erreicht wird. Eine weitere kleiner dimensionierte Zuführung im Verdampferboden für Kondensatorwasser kann ebenfalls vorgesehen sein, um damit einen Schlauch zu verbinden, der dem Kompressormotor der Wärmepumpe Kühlflüssigkeit zuführt, wobei zur Kühlung nicht die kalte, dem Verdampfer zugeführte Flüssigkeit verwendet wird, sondern die wärmere, dem Kondensator zugeführte Flüssigkeit, die jedoch immer noch bei typischen Betriebssituationen kühl genug ist, um den Motor der Wärmepumpe zu kühlen. In a specific implementation of the evaporator bottom of the condenser feed is almost divided in the form of a "glasses" in a two- or multi-part flow. Thus, it is possible to simultaneously feed the capacitor liquid in the condenser at its upper portion at two or more points. Thus, a strong and at the same time particularly uniform condenser flow is achieved from top to bottom, which makes it possible that a highly efficient condensation of the steam also introduced from above into the condenser is achieved. Another smaller dimensioned feed in the evaporator bottom for condenser water may also be provided to connect a hose which supplies cooling fluid to the compressor motor of the heat pump, not the cold, the liquid supplied to the evaporator is used for cooling, but the warmer, the condenser supplied Liquid, which is still cool enough in typical operating situations to cool the heat pump motor.
Der Verdampferboden zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Kombinationsfunktionalität hat. Zum einen stellt er sicher, dass keine Kondensatorzuleitungen durch den unter sehr geringem Druck stehenden Verdampfer hindurchgeführt werden müssen. Andererseits stellt er eine Schnittstelle nach außen dar, die vorzugsweise eine kreisrunde Form hat, da bei einer kreisrunden Form möglichst viel Verdampferfläche verbleibt. Alle Zu- und Ableitungen führen durch den einen Verdampferboden und laufen von dort in entweder den Verdampferraum oder den Kondensatorraum. Insbesondere eine Herstellung des Ver- dampferbodens aus Kunststoffspritzguss ist besonders vorteilhaft, weil die vorteilhaften relativ komplizierten Formgebungen der Zu/Ablaufstutzen in Kunststoffspritzguss ohne weiteres und preisgünstig ausgeführt werden können. Andererseits ist es aufgrund der Ausführung des Verdampferbodens als gut zugängliches Werkstück ohne weiteres möglich, den Verdampferboden mit ausreichender struktureller Stabilität herzustellen, damit er insbesondere dem niedrigen Verdampferdruck ohne weiteres standhalten kann. The evaporator bottom is characterized by the fact that it has a combination functionality. On the one hand, it ensures that no capacitor feed lines have to be passed through the evaporator, which is under very low pressure. On the other hand, it represents an interface to the outside, which preferably has a circular shape, as in a circular shape as much evaporator surface remains. All inlets and outlets pass through one evaporator base and from there into either the evaporator space or the condenser space. In particular, a production of the evaporator floor of plastic injection molding is particularly advantageous because the advantageous relatively complicated shapes of the inlet / outlet nozzles in plastic injection molding can be carried out easily and inexpensively. On the other hand, it is due to the execution of the evaporator bottom as easily accessible workpiece readily possible to produce the evaporator bottom with sufficient structural stability, so that he can withstand the low evaporator pressure in particular without further ado.
In der vorliegenden Anmeldung betreffen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente, wobei nicht alle Bezugszeichen in allen Zeichnungen, sofern sie sich wiederholen, erneut dargelegt werden. In the present application, like reference numerals refer to like or equivalent elements, and not all reference numerals are repeated in all drawings as they repeat themselves.
Fig. 2A zeigt eine Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpeneinheit, die wenigstens eine Wärmepumpenstufe 200 umfasst, wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe 200 einen Verdampfer 202, einen Verdichter 204 und einen Verflüssiger 206 aufweist. Ferner ist ein erster Wärmetauscher 212 an einer zu kühlenden Seite vorgesehen. Dar- über hinaus ist ein zweiter Wärmetauscher 214 an einer zu erwärmenden Seite vorgesehen. Die Wärmepumpenanlage umfasst darüber hinaus eine erste Pumpe 208, die mit dem ersten Wärmetauscher 212 gekoppelt ist, und eine zweite Pumpe 210, die mit dem zweiten Wärmetauscher 214 gekoppelt ist. Die Wärmepumpenanlage hat eine Betriebsposition, also eine Position, in der sie normal betrieben wird. Diese Betriebsposition ist so, wie sie in Fig. 2A dargestellt ist. In der Betriebsposition sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 oberhalb des ersten Wärmetauschers 212 und des zweiten Wärme- tauschers 214 angeordnet. Darüber hinaus ist die Wärmepumpeneinheit, die die wenigstens eine Wärmepumpenstufe 200 umfasst, oberhalb der ersten Pumpe 208 und der zweiten Pumpe 210 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 212 umfasst einen Zulauf 240 und einen Ablauf 241. Der Zulauf 240 und der Ablauf 241 sind mit der Wärmepumpeneinheit gekoppelt. Bei der Implementierung, bei der die Wärmepumpeneinheit lediglich eine einzige Wärmepumpenstufe hat, wie sie beispielhaft in Fig. 2A bei 200 dargestellt ist, ist der Zulauf 240 in den Wärmetauscher 212 über die Pumpe 208 mit einem Verdampferablauf 220 über eine Rohrleitung 208 vor der Pumpe 208 und eine Rohrleitung 230 nach der Pumpe 208 gekoppelt. Darüber hinaus ist der Ablauf 241 aus dem Wärmetauscher 212 mit dem Verdampferzulauf 222 des Verdampfers 202 über eine Rohrleitung 234 gekoppelt. Darüber hinaus ist ein Kondensiererablauf 224 des Kondensierers bzw. Verflüssigers 206 über die Pumpe 210 und ein Rohr 236 mit einem Zulauf 242 in den zweiten Wärmetauscher 214 gekoppelt. Außerdem ist ein Ablauf 243 des zweiten Wärmetauschers 214 über ein Rohr mit einem Kondensierer bzw. Verflüssigerzulauf 226 des Verflüssigers 206 gekoppelt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Rohre 228, 232, 234, 238 auch mit anderen Elementen gekoppelt sein können, insbesondere dann, wenn die Wärmepumpeneinheit nicht nur die eine Stufe 208, sondern zwei Stufen aufweist, wie es beispielhaft in den Fig. 3A, 3B, 4A, 5, 6A bis 6D gezeigt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Wärmepumpeneinheit eine beliebige Anzahl von Stufen, also beispielsweise außer zwei Stufen auch drei Stufen, vier, fünf, etc. Stufen umfassen kann. FIG. 2A shows a heat pump system with a heat pump unit comprising at least one heat pump stage 200, wherein the at least one heat pump stage 200 comprises an evaporator 202, a compressor 204 and a condenser 206. Further, a first heat exchanger 212 is provided on a side to be cooled. In addition, a second heat exchanger 214 is provided on a side to be heated. The heat pump system further includes a first pump 208 coupled to the first heat exchanger 212 and a second pump 210 coupled to the second heat exchanger 214. The heat pump system has an operating position, ie a position in which it is normally operated. This operating position is as shown in Fig. 2A. In the operating position, the first pump 208 and the second pump 210 are above the first heat exchanger 212 and the second heat exchanger 210. exchanger 214 arranged. In addition, the heat pump unit comprising the at least one heat pump stage 200 is disposed above the first pump 208 and the second pump 210. The first heat exchanger 212 comprises an inlet 240 and a drain 241. The inlet 240 and the outlet 241 are coupled to the heat pump unit. In the implementation where the heat pump unit has only a single heat pump stage, as exemplified in FIG. 2A at 200, the inlet 240 is into the heat exchanger 212 via the pump 208 with an evaporator drain 220 via a conduit 208 upstream of the pump 208 and a pipeline 230 coupled to the pump 208. In addition, the drain 241 from the heat exchanger 212 is coupled to the evaporator inlet 222 of the evaporator 202 via a pipe 234. In addition, a condenser outlet 224 of the condenser or condenser 206 is coupled via the pump 210 and a pipe 236 to an inlet 242 in the second heat exchanger 214. In addition, a drain 243 of the second heat exchanger 214 is coupled via a pipe to a condenser inlet 226 of the condenser 206. It should be noted, however, that the tubes 228, 232, 234, 238 may also be coupled to other elements, particularly if the heat pump unit has not only the one step 208 but two stages, as exemplified in FIGS 3B, 4A, 5, 6A to 6D. It should be noted, however, that the heat pump unit may comprise any number of stages, that is to say, for example, other than two stages, also three stages, four, five, etc. stages.
Bei dem in Fig. 2A gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Zulauf und der Ablauf des ers- ten Wärmetauschers in der Betriebsposition senkrecht oder wenigsten in einem Winkel kleiner als 45° zu einer Senkrechten angeordnet. Ferner ist eine Saugseite der Pumpe 208 über das Rohr 228 mit der Wärmepumpeneinheit und hier beispielhaft mit dem Verdampferablauf 220 gekoppelt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass in der Leitung 228 genauso wie in der Leitung 234, wie es durch die Pfeile dargestellt ist, in Betrieb eine Strömung an Arbeitsflüssigkeit von oben nach unten fließt. Entsprechend sind auch der Zulauf 242 in den zweiten Wärmetauscher und der Ablauf 243 aus dem zweiten Wärmetauscher mit Rohren 234, 236, 238 verbunden, und zwar mit der dazwischengeschalteten Pumpe 208 bzw. 210 Auch diese Rohre sind soweit als möglich senkrecht und auf jeden Fall in einem Winkel kleiner als 45° angeordnet. Damit wird eine optimale Ausrichtung der Wärmepumpenanlage und insbesondere der einzelnen Komponenten der Wärmepumpenanlage erreicht, weil besonders die Saugseiten der Pumpen 208, 210 jeweils in einem möglichst senkrechten Fallrohr 228 bzw. 234 angeordnet sind. Damit ist vor der jeweiligen Pumpe ein optimaler Staudruck vorhanden, dahingehend, dass die Pumpen 208, 210 ohne oder nur mit einer sehr geringen Kavitation arbeiten. Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Wärmetauscher 212, 214 liegend angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass beim Befüllen der Anlage keine Lufteinschlüsse im Wärmetauscher stattfinden, dass die Wärmetauscher also selbstentlüftend sind. Liegend bedeutet ferner, dass die Wärmetauscher quaderförmig sind, und damit eine Grundfläche haben, die flächenausdehnungsmäßig kleiner als die Seitenfläche ist. Der Wärmetauscher 212 und der Wärmetauscher 214 haben somit eine längliche Form, wobei die längere Seite des Quaders liegend, also horizontal bzw. in einem Winkel kleiner als 45° bezüglich der Horizontalen angeordnet ist. In the embodiment shown in Fig. 2A, the inlet and the outlet of the first heat exchanger in the operating position are arranged perpendicular or at least at an angle less than 45 ° to a vertical. Furthermore, a suction side of the pump 208 is coupled via the pipe 228 to the heat pump unit and here by way of example to the evaporator outlet 220. It should also be noted that in operation, as in the conduit 234, as shown by the arrows, in the conduit 228, a flow of working fluid flows from top to bottom in operation. Accordingly, the inlet 242 in the second heat exchanger and the outlet 243 from the second heat exchanger with pipes 234, 236, 238 are connected, with the intermediate pump 208 or 210 These pipes are as far as possible perpendicular and in any case in an angle less than 45 °. This optimum alignment of the heat pump system and in particular the individual components of the heat pump system is achieved, because in particular the suction sides of the pump 208, 210 each in one preferably vertical downpipe 228 and 234 are arranged. Thus, an optimal dynamic pressure is present in front of the respective pump, to the effect that the pumps 208, 210 operate without or only with a very low cavitation. In addition, it is preferred that the heat exchangers 212, 214 are arranged horizontally. This has the advantage that when filling the system no air pockets in the heat exchanger take place, so that the heat exchanger are self-venting. Lying also means that the heat exchangers are parallelepiped-shaped, and thus have a base area which is smaller in area than the side surface. The heat exchanger 212 and the heat exchanger 214 thus have an elongated shape, wherein the longer side of the cuboid lying, so horizontally or at an angle less than 45 ° is arranged with respect to the horizontal.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die beiden Pumpen 208, 210 näher an dem ersten Wärmetauscher bzw. dem zweiten Wärmetauscher 214 angeordnet sind als an einem Anschlusspunkt an der Wärmepumpeneinheit. Dies bedeutet, dass das Rohr 228 länger als das Rohr 230 ist, und dass auch das Rohr 234 länger als das Rohr 236 ist. It should also be noted that the two pumps 208, 210 are arranged closer to the first heat exchanger and the second heat exchanger 214 than at a connection point on the heat pump unit. This means that the tube 228 is longer than the tube 230, and that also the tube 234 is longer than the tube 236.
Ferner ist die Wärmepumpeneinheit so ausgebildet, dass wenigstens ein Einlass oder ein Auslass eines Verdampfers oder Verflüssigers einer Wärmepumpenstufe, der mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, so angeordnet ist, dass er aus der Wärmepumpenstufe in Betriebsposition senkrecht nach unten oder in einem Winkel kleiner als 45° von einer Vertikalen aus der Wärmepumpenstufe austritt. Die Auslässe 220, 234 bzw. die Einlasse 222, 226 sind senkrecht gezeichnet, wobei diese Position bevorzugt wird. Darüber hinaus ist die Wärmepumpenstufe 200 vorzugsweise in der verschränkten Anordnung ausgebildet, wie sie auch anhand von Fig. 1 beschrieben worden ist, dass sich nämlich ein Dampfzuführungskanal 250, durch den Dampf vom Verdampfer 202 zum Verdichter 204 geleitet wird, in dem entsprechenden Kondensierer erstreckt. Darüber hinaus ist die Wärmepumpenstufe 200 vorzugsweise in der verschränk- ten Anordnung ausgebildet, wie sie auch anhand von Fig. 1 beschrieben worden ist, dass sich nämlich ein Dampfzuführungskanal 250, durch den Dampf vom Verdampfer 202 zum Verdichter 204 geleitet wird, durch den Verflüssiger 206 erstreckt. Darüber hinaus ist der Dampfzuführungskanal zwischen dem Verdichter 204 und dem Kondensierer 206, der bei 251 gezeichnet ist, oberhalb des Verflüssigers 206 angebracht. Außerdem ist der Verflüssiger 204, wie es in Fig. 2A gezeigt ist, ebenfalls so angeordnet, dass er sich oberhalb des Verflüssigers 206 erstreckt, so dass in einem Aus-Zustand Arbeitsflüssigkeit von dem Verdichter weg aufgrund der Schwerkraft läuft. Der Verdichter ist also in einem trockenen Zustand, wenn die Wärmepumpenstufe 200 deaktiviert ist, was dadurch geschieht, dass der Verdichtermotor 204 ausgeschaltet wird. Further, the heat pump unit is configured such that at least one inlet or outlet of an evaporator or condenser of a heat pump stage connected to the first heat exchanger or the second heat exchanger is arranged to be vertically downwardly or vertically out of the heat pump stage in the operating position Angle less than 45 ° from a vertical exit from the heat pump stage. The outlets 220, 234 and the inlets 222, 226 are drawn vertically, with this position being preferred. Moreover, the heat pump stage 200 is preferably formed in the entangled arrangement, as has also been described with reference to FIG. 1, namely that a steam supply channel 250, through which steam is passed from the evaporator 202 to the compressor 204, extends in the corresponding condenser. In addition, the heat pump stage 200 is preferably formed in the entangled arrangement, as has also been described with reference to FIG. 1, namely that a steam supply channel 250, is passed through the steam from the evaporator 202 to the compressor 204, through the condenser 206th extends. In addition, the steam supply passage between the compressor 204 and the condenser 206, shown at 251, is mounted above the condenser 206. In addition, as shown in Fig. 2A, the condenser 204 is also arranged to extend above the condenser 206, so that in an off-state, working fluid travels away from the compressor due to gravity. The compressor is thus in a dry state when the heat pump stage 200 is deactivated, which is done by the compressor motor 204 is turned off.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass vorzugsweise als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe ausgebildet ist, um einen Druck zu halten, bei dem das Wasser bei Temperaturen unter 50 °C verdampfen kann. Insbesondere bei der zweistufigen Anordnung, auf die noch Bezug nehmend auf Fig. 3A, 3B, 4A, 6A bis 6D und 5 hingewiesen wird, wird die Verdampfung in die erste Wärmepumpenstufe beispielsweise bei Temperaturen von 20 °C bis 30 °C stattfinden und wird die Verdampfung in der zweiten Wärmepumpenstufe z.B. bei Temperaturen zwischen 40 °C und 50 °C stattfinden. Je nach Implementierung können die Temperaturen jedoch niedriger sein, wie es beispielhaft anhand von Fig. 8 oder Fig. 7C dargestellt ist. In addition, it should be noted that water is preferably used as the working medium, wherein the at least one heat pump stage is designed to hold a pressure at which the water can evaporate at temperatures below 50 ° C. In particular, in the two-stage arrangement, with reference still to FIGS. 3A, 3B, 4A, 6A to 6D and 5, the evaporation into the first heat pump stage will take place, for example, at temperatures of 20 ° C to 30 ° C and will be the Evaporation in the second heat pump stage, for example at temperatures between 40 ° C and 50 ° C. However, depending on the implementation, the temperatures may be lower, as exemplified by FIG. 8 or FIG. 7C.
Vorzugsweise ist die gesamte Wärmepumpenanlage an einem Trägergestell montiert, das nicht gezeigt ist. Insbesondere sind der erste und der zweite Wärmetauscher 212, 214 unten an dem Trägergestell befestigt. Darüber hinaus sind die erste Pumpe und die zwei- te Pumpe durch einen Pumpenhalter miteinander verbunden und sind als Pumpenmodul an dem Trägergestell oberhalb des ersten und des zweiten Wärmetauschers 212, 214 befestigt. Die wenigstens eine Wärmepumpenstufe ist dann oberhalb des Pumpenträgers angeordnet. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Wärmepumpenanlage mit zwei Stufen ausgebildet und hat eine Höhe, die kleiner als 2,50 m ist, eine Breite, die kleiner als 2 m ist und eine Tiefe, die kleiner als 1 m ist. Preferably, the entire heat pump system is mounted on a support frame, which is not shown. In particular, the first and second heat exchangers 212, 214 are attached to the bottom of the support frame. In addition, the first pump and the second pump are connected to one another by a pump holder and are fastened as a pump module to the carrier frame above the first and second heat exchangers 212, 214. The at least one heat pump stage is then arranged above the pump carrier. In preferred embodiments, the heat pump system is formed with two stages and has a height that is less than 2.50 m, a width that is less than 2 m, and a depth that is less than 1 m.
Fig. 2A zeigt den ersten Aspekt, bei dem die Wärmepumpenanlage an einem unteren Ende angeordnet die Wärmetauscher aufweist. Fig. 2A shows the first aspect, in which the heat pump system has the heat exchangers arranged at a lower end.
Dagegen zeigt Fig. 2B den zweiten Aspekt, bei dem die Pumpen ganz unten angeordnet sind und bei bevorzugten Implementierungen des zweiten Aspekts die Wärmetauscher 212, 214 stehend und/oder neben den Pumpen angeordnet sind. Insbesondere ist gemäß dem zweiten Aspekt in Fig. 2B einen Wärmepumpenanlage gezeigt, die die Wärmepumpenstufe 200 mit dem ersten Verdichter 204, dem ersten Verflüssiger 206 und dem ersten Verdampfer 202 aufweist. Darüber hinaus ist, wie es auch in Fig. 2A gezeigt ist, ein Expansionsorgan 207 vorgesehen, um den Flüssigkeitsausgleich zwischen dem Verflüssiger 206 und dem Verdampfer 202 zu schaffen. Darüber hinaus sind der erste Wärmetauscher 212 und der zweite Wärmetauscher 214 einer zu kühlenden Seite bzw. einer zu erwär- menden Seite zugeordnet. Darüber hinaus ist die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 vorgesehen, wobei die erste Pumpe 208 mit dem ersten Wärmetauscher 212 gekoppelt ist, und wobei die zweite Pumpe 210 mit dem zweiten Wärmetauscher 214 gekoppelt ist. Wieder hat die Wärmepumpenanlage eine Betriebsposition, die so ist, wie sie schematisch in Fig. 2B dargestellt ist. In contrast, Fig. 2B shows the second aspect, in which the pumps are located at the bottom and in preferred implementations of the second aspect, the heat exchangers 212, 214 are arranged upright and / or next to the pumps. In particular, according to the second aspect, FIG. 2B shows a heat pump system including the heat pump stage 200 with the first compressor 204, the first condenser 206, and the first Evaporator 202 has. Moreover, as also shown in FIG. 2A, an expansion device 207 is provided to provide fluid equalization between the condenser 206 and the evaporator 202. In addition, the first heat exchanger 212 and the second heat exchanger 214 are associated with a side to be cooled or a side to be heated. In addition, the first pump 208 and the second pump 210 are provided, wherein the first pump 208 is coupled to the first heat exchanger 212, and wherein the second pump 210 is coupled to the second heat exchanger 214. Again, the heat pump plant has an operating position which is as schematically illustrated in FIG. 2B.
Die erste und die zweite Pumpe sind in der Betriebsposition unterhalb der Wärmepumpeneinheit 200 an einem unteren Ende der Wärmepumpenanlage angeordnet. Darüber hinaus sind in der Betriebsposition der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher ebenfalls unterhalb der Wärmepumpeneinheit an dem unteren Ende neben den Pumpen 208, 210 angeordnet, wie es schematisch in Fig. 2B gezeigt ist. Insbesondere sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 so angeordnet, dass eine Pumprichtung der jeweiligen Pumpe in der Betriebsposition waagrecht verläuft oder um höchstens ± 45° von der Waagrechten abweicht. Darüber hinaus sind die beiden Wärmetauscher 212, 214 bzw. wenigstens einer der beiden Wärmetauscher 212, 214 stehend angeord- net, wobei der erste Anschluss 240, 242 des ersten bzw. zweiten Wärmetauschers 212, 214 mit einer Pumpseite der jeweiligen Pumpe 208, 210 gekoppelt ist, und wobei der zweite Anschluss 241 , 243 des ersten bzw. zweiten Wärmetauschers 212 bzw. 214 oberhalb des jeweiligen ersten Anschlusses 240, 242 des entsprechenden Wärmetauschers angeordnet ist. In anderen Worten ist der Wärmetauscher 212 so angeordnet, dass der zweite Anschluss 241 , der den Ablauf von dem ersten Wärmetauscher 212 darstellt, in der Betriebsrichtung oberhalb des ersten Anschlusses 240 angeordnet ist, der den Zulauf darstellt. Entsprechend ist bei dem zweiten Wärmetauscher 214 der Ablauf, also der zweite Anschluss 243 in Betriebsposition oberhalb des Zulaufs 242 bzw. des ersten Anschlusses 242 des zweiten Wärmetauschers 214 angeordnet. Die stehende Anordnung ist von Vorteil, weil damit beim Befüllen der Wärmetauscher Lufteinschlüsse vermieden werden. Darüber hinaus wird durch die stehende Lage des Wärmetauschers die Rohrverbindung, und insbesondere das Rohr 232 bzw. 238 kürzer im Vergleich zu einer liegenden Anordnung. Dies liegt daran, dass die Erstreckung des Wärmetauschers gewissermaßen bereits als Verbindungsrohr eingesetzt wird. Der Wärmetauscher wird also nicht nur als Wärmetauscherelement, sondern auch als Verbindungsleitung benutzt. Darüber hinaus sind die Pumpen soweit als möglich unten angeordnet, und zwar vorzugsweise waagrecht, so dass der nötige Staudruck vor der Saugseite der Pumpe durch ein maximal langes vertikales Rohr vor der Pumpe bei vorgegebener Höhe der gesamten Wärmepumpenanlage ohne Weiteres erreicht wird, um eine Pumpenkavitation zu vermei- den. Ferner umfasst das erste Rohr 228, durch das der Verdampferausgang 220 mit der Saugseite der Pumpe 208 gekoppelt ist, eine Krümmung, wobei es bevorzugt wird, dass die Krümmung näher an der Saugseite der Pumpe 208 als an dem Verdampferausgang 220 angeordnet ist. Entsprechend ist auch die Krümmung in dem zweiten Rohr 234 von dem Kondensiererausgang 224 zur Saugseite der Pumpe 210 näher an der Pumpe als an dem Kondensiererausgang 224 angeordnet, um eine möglichst lange senkrechte Strecke zu haben, durch die der nötige Staudruck erreicht wird, durch die also bereits das herabstürzende Arbeitsmedium einen guten Schub an kinetischer Energie erhält. The first and second pumps are arranged in the operating position below the heat pump unit 200 at a lower end of the heat pump system. Moreover, in the operating position, the first heat exchanger and the second heat exchanger are also disposed below the heat pump unit at the lower end adjacent to the pumps 208, 210, as shown schematically in FIG. 2B. In particular, the first pump 208 and the second pump 210 are arranged so that a pumping direction of the respective pump in the operating position is horizontal or deviates by at most ± 45 ° from the horizontal. In addition, the two heat exchangers 212, 214 or at least one of the two heat exchangers 212, 214 arranged standing, wherein the first port 240, 242 of the first and second heat exchanger 212, 214 coupled to a pump side of the respective pump 208, 210 is, and wherein the second port 241, 243 of the first and second heat exchanger 212 and 214, respectively, above the respective first port 240, 242 of the corresponding heat exchanger is arranged. In other words, the heat exchanger 212 is arranged so that the second port 241, which is the drain from the first heat exchanger 212, is located in the operating direction above the first port 240, which constitutes the inlet. Accordingly, in the second heat exchanger 214, the outlet, that is to say the second connection 243, is arranged in the operating position above the inlet 242 or the first connection 242 of the second heat exchanger 214. The standing arrangement is advantageous because it avoids trapped air when filling the heat exchanger. In addition, due to the vertical position of the heat exchanger, the pipe connection, and in particular the pipe 232 or 238, is shorter compared to a horizontal arrangement. This is due to the fact that the extent of the heat exchanger is used in a sense already as a connecting pipe. The heat exchanger is thus used not only as a heat exchanger element, but also as a connecting line. In addition, the pumps are arranged as far down as possible, and preferably horizontally, so that the necessary dynamic pressure upstream of the suction side of the pump is achieved by a maximum long vertical pipe in front of the pump at a given height of the entire heat pump system readily to a pump cavitation avoid it. Further, the first tube 228, through which the evaporator exit 220 is coupled to the suction side of the pump 208, includes a bend, wherein it is preferred that the bend be located closer to the suction side of the pump 208 than to the evaporator exit 220. Similarly, the curvature in the second tube 234 from the condenser exit 224 to the suction side of the pump 210 is closer to the pump than to the condenser exit 224 to have as long a vertical distance as possible to achieve the necessary back pressure, thus already the falling working medium gets a good boost of kinetic energy.
Fig. 3A zeigt einen dritten Aspekt einer Wärmepumpenanlage, wobei die Wärmepumpen- anläge der dritten Stufe eine beliebige Anordnung an Pumpen oder Wärmetauschern aufweisen kann, wobei jedoch, wie es noch anhand der Fig. 3B, 4A, 5 dargelegt wird, bevorzugt wird, die Anordnung gemäß dem ersten Aspekt zu verwenden. Alternativ kann jedoch auch die Anordnung gemäß dem zweiten Aspekt, also mit soweit als möglich unten angeordneten Pumpen und vorzugsweise stehenden Wärmetauschern eingesetzt werden. FIG. 3A shows a third aspect of a heat pump system, wherein the third stage heat pump system may have any arrangement of pumps or heat exchangers, however, as will be shown with reference to FIGS To use arrangement according to the first aspect. Alternatively, however, the arrangement according to the second aspect, ie with as far as possible arranged below pumps and preferably stationary heat exchangers can be used.
Insbesondere umfasst eine Wärmepumpenanlage, wie sie in Fig. 3A gezeigt ist, eine Wärmepumpenstufe 200, d.h. die Stufe n+1 mit einem ersten Verdampfer 202, einem ersten Verdichter 204 und einem ersten Verflüssiger 206, wobei der Verdampfer 202 über dem Dampfkanal 250 mit dem Verdichter 204 gekoppelt ist, und sobald der Verdichter 204 über den Dampfkanal 251 mit dem Verflüssiger 206 gekoppelt ist. Es wird bevorzugt, wieder die verschränkte Anordnung zu verwenden, es können jedoch auch beliebige Anordnungen in der Wärmepumpenstufe 200 eingesetzt werden. Der Eingang 222 in den Verdampfer 202 und der Ausgang 220 aus dem Verdampfer 202 sind je nach implemen- tierung entweder mit einem zu kühlenden Gebiet oder mit einem Wärmetauscher, wie beispielsweise dem Wärmetauscher 212 zu dem zu kühlenden Gebiet oder mit einer weiteren vorher angeordneten Wärmepumpenstufe, nämlich beispielsweise der Wärmepumpenstufe n verbunden, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich Null ist. Darüber hinaus umfasst die Wärmepumpenanlage in Fig. 3A eine weitere Wärmepumpenstufe 300, d.h. die Stufe n+2, mit einem zweiten Verdampfer 302, einem zweiten Ver- dichter 304 und einem zweiten Verflüssiger 306. Insbesondere ist der Ausgang 224 des ersten Verflüssigers mit einem Verdampfereingang 322 des zweiten Verdampfers 320 über eine Verbindungsleitung 332 verbunden. Der Ausgang 320 des Verdampfers 302 der weiteren Wärmepumpenstufe 300 kann je nach Implementierung mit dem Einlass in den Verflüssiger 206 der ersten Wärmepumpenstufe 200 verbunden sein, wie es durch eine gestrichelte Verbindungsleitung 334 gezeigt ist. Der Ausgang 320 des Verdampfers 302 kann jedoch auch, wie es noch anhand der Fig. 4A, 6A bis 6D und 5 dargestellt ist, mit einem steuerbaren Wegemodul verbunden sein, um alternative Implementierungen zu erreichen. Generell ist jedoch aufgrund der festen Verbindung des Verflüssigerausgangs 224 der ersten Wärmepumpenstufe mit dem Verdampfereingang 322 der weiteren Wärmepumpenstufe eine Kettenschaltung erreicht. In particular, a heat pump installation, as shown in FIG. 3A, comprises a heat pump stage 200, ie stage n + 1 with a first evaporator 202, a first compressor 204 and a first condenser 206, the evaporator 202 above the steam duct 250 with the first Compressor 204 is coupled, and as soon as the compressor 204 is coupled via the steam channel 251 with the condenser 206. It is preferred to use the entangled arrangement again, but any arrangements in the heat pump stage 200 may be used. The inlet 222 into the evaporator 202 and the outlet 220 from the evaporator 202, depending on the implementation with either an area to be cooled or with a heat exchanger, such as the heat exchanger 212 to the area to be cooled or with another pre-arranged heat pump stage, namely, for example, connected to the heat pump stage n, where n is an integer greater than or equal to zero. In addition, the heat pump system in FIG. 3A comprises a further heat pump stage 300, ie the stage n + 2, with a second evaporator 302, a second heat pump stage 300. In particular, the outlet 224 of the first condenser is connected to an evaporator inlet 322 of the second evaporator 320 via a connecting line 332. The output 320 of the evaporator 302 of the further heat pump stage 300 may be connected to the inlet to the condenser 206 of the first heat pump stage 200 as shown by a dashed connection line 334, as implemented. However, as shown with reference to FIGS. 4A, 6A through 6D and 5, the output 320 of the evaporator 302 may also be connected to a controllable path module to achieve alternative implementations. In general, however, a derailleur circuit is achieved due to the fixed connection of the condenser outlet 224 of the first heat pump stage with the evaporator inlet 322 of the further heat pump stage.
Diese Kettenschaltung stellt sicher, dass jede Wärmepumpenstufe mit einer möglichst geringen Temperaturspreizung arbeiten muss, also mit einer möglichst geringen Differenz zwischen der erwärmten Arbeitsflüssigkeit und der gekühlten Arbeitsflüssigkeit. Durch Hintereinanderschalten, also durch eine Kettenschaltung solcher Wärmepumpenstufen wird damit erreicht, dass dennoch eine ausreichend große Gesamtspreizung erreicht wird. Die Gesamtspreizung wird somit in mehrere Einzelspreizungen aufgeteilt. Die Kettenschaltung ist insbesondere deswegen von besonderem Vorteil, weil damit wesentlich effi- zienter gearbeitet werden kann. Der Verbrauch an Verdichterleistung für zwei Stufen, die jeweils eine kleinere Temperaturspreizung bewältigen müssen, ist kleiner als die Verdichterleistung für eine einzige Wärmepumpenstufe, die eine große Temperaturspreizung erreichen muss. Außerdem sind die Anforderungen an die einzelnen Komponenten bei zwei in Kette geschalteten Stufen in technischer Hinsicht entspannter. This derailleur ensures that each heat pump stage must work with the lowest possible temperature spread, so with the smallest possible difference between the heated working fluid and the cooled working fluid. By connecting in series, so by a chain circuit such heat pump stages is thus achieved that nevertheless a sufficiently large total spread is achieved. The total spread is thus divided into several individual spreads. The derailleur is particularly advantageous because it allows much more efficient operation. The consumption of compressor power for two stages, each of which has to cope with a smaller temperature spread, is smaller than the compressor power for a single heat pump stage, which must reach a large temperature spread. In addition, the requirements for the individual components with two stages connected in chain are technically more relaxed.
Wie es in Fig. 3A gezeigt ist, kann der Verflüssigerausgang 324 des Verflüssigers 306 der weiteren Wärmepumpenstufe 300 mit dem zu wärmenden Gebiet gekoppelten, wie es z.B. Bezug nehmend auf Fig. 3B anhand des Wärmetauschers 214 dargestellt ist. Alternativ kann jedoch auch der Ausgang 324 des Verflüssigers 306 der zweiten Wärmepumpen- stufe wieder über ein Verbindungsrohr mit einem Verdampfer einer weiteren Wärmepumpenstufe, also der (n+3)-Wärmepumpenstufe gekoppelt sein. Fig. 3A zeigt somit je nach Implementierung eine Kettenschaltung von z.B. vier Wärmepumpenstufen, wenn n=1 genommen wird. Wenn jedoch n beliebig genommen wird, zeigt Fig. 3A eine Kettenschaltung von beliebig vielen Wärmepumpenstufen, wobei insbesondere die Kettenschaltung der Wärmepumpenstufe (n+1 ), die mit 200 bezeichnet ist, und der weiteren Wärmepumpenstufe 300, die mit (n+2) bezeichnet ist, detaillierter ausgeführt ist und die n- Wärme- pumpenstufe genauso wie die (n+3)- Wärmepumpenstufe auch nicht als Wärmepumpenstufe, sondern jeweils als Wärmetauscher oder als zu kühlendes bzw. zu erwärmendes Gebiet ausgeführt sein kann. Vorzugsweise ist, wie es z.B. in Fig. 3B gezeigt ist, der Verflüssiger der ersten Wärmepumpenstufe 200 oberhalb des Verdampfers 302 der zweiten Wärmepumpenstufe angeordnet, so dass die Arbeitsflüssigkeit durch die Verbindungsleitung 332 aufgrund der Schwerkraft fließt. Insbesondere bei der in Fig. 3B gezeigten speziellen Implementierung der einzelnen Wärmepumpenstufen ist der Verflüssiger ohnehin oberhalb des Verdamp- fers angeordnet. Diese Implementierung ist besonders günstig, weil selbst bei miteinander ausgerichteten Wärmepumpenstufen die Flüssigkeit bereits aus dem Verflüssiger der ersten Stufe in den Verdampfer der zweiten Stufe durch die Verbindungsleitung 332 fließt. Zusätzlich wird es jedoch bevorzugt, einen Höhenunterschied zu erreichen, der wenigstens 5 cm zwischen der Oberkante der ersten Stufe und der Oberkante der zweiten Stufe umfasst. Diese Abmessung, die bei 340 in Fig. 3B gezeigt ist, beträgt jedoch vorzugsweise 20 cm, da dann für die beschriebene Implementierung eine optimale Wasserleitung von der ersten Stufe 200 zu der zweiten Stufe 300 über die Verbindungsleitung 332 stattfindet. Dadurch wird ferner erreicht, dass in der Verbindungsleitung 332 keine spezielle Pumpe benötigt wird. Diese Pumpe wird daher eingespart. Es wird lediglich die Zwischen- kreispumpe 330 benötigt, um von dem Ausgang 320 des Verdampfers der zweiten Stufe 300, die niedriger als die erste Stufe angeordnet ist, die Arbeitsflüssigkeit zurück in den Kondensierer der ersten Stufe, also in den Eingang 226 zu bringen. Hierzu ist der Ausgang 320 über die Rohrleitung 334 mit der Saugseite der Pumpe 330 verbunden. Die Pumpseite der Pumpe 330 ist über das Rohr 336 mit dem Eingang 226 des Kondensie- rers verbunden. Die in Fig. 3B gezeigte Kettenschaltung der beiden Stufen entspricht Fig. 3A mit der Verbindung 334. Vorzugsweise ist die Zwischenkreispumpe 330 ebenfalls wie die beiden anderen Pumpen 208 und 210 unten angeordnet, da dann auch in der Zwischenkreisleitung 334 eine Kavitation verhindert werden kann, weil aufgrund der Platzierung der Zwischenkreispumpe 330 im Fallrohr 334 ein ausreichender Staudruck der Pum- pe erreicht wird. As shown in FIG. 3A, the condenser exit 324 of the condenser 306 of the further heat pump stage 300 may be coupled to the area to be warmed, as illustrated by heat exchanger 214, for example, with reference to FIG. 3B. Alternatively, however, the output 324 of the condenser 306 of the second heat pump stage can again be coupled via a connecting tube to an evaporator of a further heat pump stage, that is to say the (n + 3) heat pump stage. Thus, depending on the implementation, FIG. 3A shows a chain circuit of, for example, four heat pump stages when n = 1 is taken. However, if n is taken arbitrarily, FIG. 3A shows a chain circuit of any number of heat pump stages, in particular the chain circuit of the heat pump stage (n + 1), denoted by 200, and the other heat pump stage 300, denoted by (n + 2) is, is detailed and the n-heat Pump stage as well as the (n + 3) - heat pump stage not as a heat pump stage, but each can be designed as a heat exchanger or as to be cooled or heated area. Preferably, as shown in FIG. 3B, for example, the condenser of the first heat pump stage 200 is disposed above the evaporator 302 of the second heat pump stage, so that the working fluid flows through the connection pipe 332 due to gravity. In particular, in the specific implementation of the individual heat pump stages shown in FIG. 3B, the condenser is arranged above the evaporator anyway. This implementation is particularly advantageous because even with heat pump stages aligned with each other, the liquid already flows from the first stage condenser into the second stage evaporator through the connection line 332. In addition, however, it is preferred to achieve a height difference that includes at least 5 cm between the top of the first stage and the top of the second stage. However, this dimension, shown at 340 in FIG. 3B, is preferably 20 cm, since then, for the described implementation, optimal water flow from the first stage 200 to the second stage 300 via the connection line 332 occurs. This also ensures that in the connecting line 332 no special pump is needed. This pump is therefore saved. Only the intermediate circuit pump 330 is required to bring the working fluid back from the outlet 320 of the second stage evaporator 300, which is lower than the first stage, back into the first stage condenser, that is, into the inlet 226. For this purpose, the output 320 is connected via the pipe 334 to the suction side of the pump 330. The pump side of the pump 330 is connected via the tube 336 to the inlet 226 of the condenser. The chain circuit of the two stages shown in Fig. 3B corresponds to Fig. 3A with the connection 334. Preferably, the intermediate circuit pump 330 is also like the other two pumps 208 and 210 arranged below, since then in the intermediate circuit 334 cavitation can be prevented because due to the placement of the intermediate circuit pump 330 in the downpipe 334 a sufficient back pressure of the pump is achieved.
Obgleich in Fig. 3B die Konfiguration gemäß dem ersten Aspekt gezeigt ist, dass also die Wärmetauscher 212, 214 unterhalb der Pumpen 208, 210 und 330 angeordnet sind, kann auch die Anordnung der Pumpen 208, 210 neben den Wärmetauschern 212, 214 ver- wendet werden, wie es gemäß dem zweiten Aspekt dargelegt worden ist. Wie es in Fig. 3B gezeigt ist, umfasst die erste Stufe das Expansionselement 207 und die zweite Stufe ein Expansionselement 307. Da jedoch über die Verbindungsleitung 332 ohnehin Arbeitsfiüssigkeit aus dem Verfiüssiger 206 der ersten Stufe austritt, ist das Expansionselement 207 entbehrlich. Dagegen wird das Expansionselement 307 in der unte- ren Stufe vorzugsweise verwendet. So kann bei einem Ausführungsbeispiel die erste Stufe ohne Expansionselement gebaut werden, und es wird lediglich ein Expansionselement 307 in der zweiten Stufe vorgesehen. Da es jedoch bevorzugt wird, alle Stufen gleich zu bauen, ist auch in der Wärmepumpenstufe 200 das Expansionselement 207 vorgesehen. Wenn dasselbe implementiert ist, um eine Blasensiedung zu unterstützen, ist das Expan- sionselement 207 trotz der Tatsache, dass es unter Umständen keine verflüssigte Arbeitsflüssigkeit in den Verdampfer leitet, sondern lediglich erwärmten Dampf, ebenfalls hilfreich. Although the configuration according to the first aspect is shown in FIG. 3B, ie that the heat exchangers 212, 214 are arranged below the pumps 208, 210 and 330, the arrangement of the pumps 208, 210 next to the heat exchangers 212, 214 can also be used as set out in the second aspect. As shown in FIG. 3B, the first stage includes the expansion element 207 and the second stage comprises an expansion element 307. However, since working fluid exits the first stage conditioner 206 via the connection line 332, the expansion element 207 is dispensable. In contrast, the expansion element 307 in the lower stage is preferably used. Thus, in one embodiment, the first stage may be constructed without an expansion element and only one expansion element 307 is provided in the second stage. However, since it is preferable to make all stages the same, the expansion element 207 is also provided in the heat pump stage 200. When implemented to aid in bubble boiling, the expansion element 207 is also helpful despite the fact that it may not deliver liquefied working fluid into the evaporator, but only heated steam.
Dennoch hat sich herausgestellt, dass sich bei der in Fig. 3B gezeigten Anordnung Ar- beitsflüssigkeit in dem Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 ansammelt. Es wird daher, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, eine Maßnahme vorgenommen, um Arbeitsflüssigkeit aus dem Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 in den Verdampferkreis der ersten Stufe 200 zu bringen. Hierfür ist eine Überlaufanordnung 502 in dem zweiten Verdampfer 302 der zweiten Wärmepumpenstufe angeordnet, um ab einem vordefinierten maximalen Arbeitsflüssigkeitspegel in dem zweiten Verdampfer 302 Arbeitsflüssigkeit wegzuführen. Ferner ist eine Flüssigkeitsleitung 504, 506, 508 vorgesehen, die einerseits mit der Überlaufanordnung 502 gekoppelt ist, und die andererseits mit einer Saugseite der ersten Pumpe 208 an einer Koppelstelle 512 gekoppelt ist. An der Koppelstelie 512 ist ein Druckminderer 510 vorhanden, der vorzugsweise als Druckminde- rer nach Bemoulli, also als eine Rohr- oder Schlauchengstelle ausgebildet ist. Die Flüssigkeitsleitung umfasst einen ersten Verbindungsabschnitt 504, einen U-förmigen Abschnitt 506 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 508. Vorzugsweise hat der U-förmige Abschnitt 506 eine vertikale Höhe in der Betriebsposition, die wenigstens gleich 5 cm und vorzugsweise 5 cm ist. Damit wird ein selbstregelndes System erhalten, das ohne Pum- pe arbeitet. Bei zu hohem Wasserstand in dem Verdampfer 302 des unteren Behälters 300 läuft Arbeitsflüssigkeit über die Verbindungsleitung 504 in das U-Rohr 506. Das U- Rohr ist über die Verbindungsleitung 508 an der Koppelstelle 512 an dem Druckminderer mit der Saugseite der Pumpe 208 gekoppelt. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vor der Pumpe aufgrund der Engstelle 510 sinkt der Druck und Wasser aus dem U- Rohr 506 kann aufgenommen werden. Im U-Rohr stellt sich ein stabiler Wasserstand ein, der dem Druck vor der Pumpe in der Engstelle und im Verdampfer des niedrigeren Behäl- ters genügt. Gleichzeitig stellt das U-Rohr 506 jedoch eine Dampfbarriere dar, dahingehend, dass kein Dampf aus dem Verdampfer 302 in die Saugseite der Pumpe 208 gelangen kann. Die Expansionsorgane 207 bzw. 307 sind vorzugsweise ebenfalls als Überlaufanordnungen ausgebildet, um bei Überschreiten eines vorbestimmten Pegels in einem jeweiligen Verflüssiger Arbeitsflüssigkeit in den jeweiligen Verdampfer zu bringen. Damit werden die Füllstände sämtlicher Behälter, also sämtlicher Verflüssiger und Verdampfer in beiden Wärmepumpenstufen automatisch, ohne Aufwand und ohne Pumpen aber selbstregelnd eingestellt. Dies ist insbesondere von Vorteil, weil damit Wärmepumpenstufen je nach Betriebsmodus in Betrieb oder außer Betrieb genommen werden können. Nevertheless, it has been found that in the arrangement shown in FIG. 3B, working fluid accumulates in the evaporator 302 of the second heat pump stage 300. Therefore, as shown in FIG. 5, a measure is taken to bring working fluid from the evaporator 302 of the second heat pump stage 300 into the first stage evaporator circuit 200. For this purpose, an overflow arrangement 502 is arranged in the second evaporator 302 of the second heat pump stage in order to carry away working fluid from a predefined maximum working fluid level in the second evaporator 302. Furthermore, a liquid line 504, 506, 508 is provided, which is coupled on the one hand to the overflow arrangement 502, and on the other hand is coupled to a suction side of the first pump 208 at a coupling point 512. A pressure reducer 510, which is preferably designed as a pressure reducer according to Bemoulli, that is to say as a pipe or tube strangulation, is present on the coupling part 512. The fluid conduit includes a first connecting portion 504, a U-shaped portion 506 and a second connecting portion 508. Preferably, the U-shaped portion 506 has a vertical height in the operating position that is at least 5 cm and preferably 5 cm. This gives a self-regulating system that works without a pump. If the water level in the evaporator 302 of the lower container 300 is too high, working fluid will flow into the U-tube 506 via the connecting line 504. The U-tube is coupled to the suction side of the pump 208 via the connecting line 508 at the coupling point 512 at the pressure reducer. Due to the increased flow rate in front of the pump due to the constriction 510, the pressure drops and water from the U-tube 506 can be absorbed. In the U-tube, a stable water level is established, which corresponds to the pressure in front of the pump in the constriction and in the evaporator of the lower tank. ters is enough. At the same time, however, the U-tube 506 is a vapor barrier, in that no vapor from the evaporator 302 can enter the suction side of the pump 208. The expansion elements 207 and 307 are preferably also designed as overflow arrangements, in order to bring working fluid into the respective evaporator when a predetermined level in a respective condenser is exceeded. Thus, the levels of all containers, so all condenser and evaporator in both heat pump stages automatically, without effort and without pumps but set self-regulating. This is particularly advantageous because it allows heat pump stages to be run or shut down depending on the operating mode.
Fig. 4A und 5 zeigen bereits eine detaillierte Darstellung eines steuerbaren Wegemoduls aufgrund des oberen 2x2-Wege-Schalters 421 und des unteren 2x2-Wege-Schalters 422. Fig. 4B zeigt eine allgemeine Implementierung des steuerbaren Wegemoduls 420, das durch die beiden seriell geschalteten 2x2-Wege-Schalter 421 und 422 implementiert werden kann, das jedoch auch alternativ implementiert werden, kann. Figures 4A and 5 already show a detailed illustration of a steerable roadside module due to the upper 2x2 way switch 421 and the lower 2x2 way switch 422. Figure 4B shows a general implementation of the steerable road module 420 passing through the two serially connected ones 2x2-way switches 421 and 422 may be implemented, but which may alternatively be implemented.
Das steuerbare Wegemodul 420 von Fig. 4B ist mit einer Steuerung 430 gekoppelt, um von dieser über eine Steuerleitung 431 angesteuert zu werden. Die Steuerung empfängt als Eingangssignale Sensorsignale 432 und liefert ausgangsseitig Pumpensteuersignale 436 und/oder Verdichtermotorensteuersignale 434. Die Verdichtermotorensteuersignale 434 führen zu den Verdichtermotoren 204, 304, wie sie beispielsweise in Fig. 4A gezeigt sind, und die Pumpensteuersignale 436 führen zu den Pumpen 208, 210, 330. Je nach Implementierung können die Pumpen 208, 210 jedoch fest, also ungesteuert ausgeführt werden, weil sie ohnehin in jedem der anhand der Fig. 7A, 7B beschriebenen Betriebsmodi laufen. Lediglich die Zwischenkreispumpe 330 könnte daher durch ein Pumpensteuersignal 436 gesteuert werden. Das steuerbare Wegemodul 420 umfasst einen ersten Eingang 401 , einen zweiten Eingang 402 und einen dritten Eingang 403. Wie es beispielsweise in Fig. 4A gezeigt ist, ist der erste Eingang 401 mit dem Ablauf 241 des ersten Wärmetauschers 212 verbunden. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 des steuerbaren Wegemoduls mit dem Rücklauf bzw. Ablauf 243 des zweiten Wärmetauschers 214 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 des steuerbaren Wegemoduls 420 mit einer Pumpseite der Zwischenkreispumpe 330 verbunden. Ein erster Ausgang 41 1 des steuerbaren Wegemoduls 420 ist mit einem Eingang 222 in die erste Wärmepumpenstufe 200 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang 412 des steuerbaren Wegemoduls 420 ist mit einem Eingang 226 in den Verflüssiger 206 der ersten Wärme- pumpenstufe verbunden. Darüber hinaus ist ein dritter Ausgang 413 des steuerbaren Wegemoduls 420 mit dem Eingang 326 in den Verflüssiger 306 der zweiten Wärmepumpenstufe 300 verbunden. The controllable path module 420 of FIG. 4B is coupled to a controller 430 to be controlled by it via a control line 431. The controller receives as input signals sensor signals 432 and outputs pump control signals 436 and / or compressor motor control signals 434. The compressor motor control signals 434 lead to the compressor motors 204, 304 as shown in FIG. 4A, for example, and the pump control signals 436 lead to the pumps 208, 210 However, depending on the implementation, the pumps 208, 210 can be designed to be fixed, ie uncontrolled, because they run in any of the operating modes described with reference to FIGS. 7A, 7B anyway. Only the intermediate circuit pump 330 could therefore be controlled by a pump control signal 436. The controllable path module 420 includes a first input 401, a second input 402, and a third input 403. As shown, for example, in FIG. 4A, the first input 401 is connected to the drain 241 of the first heat exchanger 212. In addition, the second input 402 of the controllable path module is connected to the return or outlet 243 of the second heat exchanger 214. In addition, the third input 403 of the controllable path module 420 is connected to a pump side of the intermediate circuit pump 330. A first output 41 1 of the controllable path module 420 is coupled to an input 222 in the first heat pump stage 200. A second output 412 of the controllable path module 420 is connected to an input 226 in the condenser 206 of the first heat pump stage. In addition, a third output 413 of the controllable path module 420 is connected to the input 326 in the condenser 306 of the second heat pump stage 300.
Die verschiedenen Eingang/Ausgang-Verbindungen, die durch das steuerbare Wegemo- dul 420 erreicht werden, sind in Fig. 4C dargestellt. The various input / output connections achieved by the controllable path module 420 are shown in FIG. 4C.
In einem Modus, dem Hochleistungsmodus (HLM) ist der erste Eingang 401 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Ferner ist der zweite Eingang 402 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden, wie es in der Zeile 451 von Fig. 4C dargestellt ist. In a high performance mode (HLM) mode, the first input 401 is connected to the first output 41 1. Furthermore, the second input 402 is connected to the third output 413. In addition, the third input 403 is connected to the second output 412, as shown in line 451 of FIG. 4C.
Im Mittelleistungsmodus (MLM), in dem lediglich die erste Stufe aktiv ist und die zweite Stufe inaktiv ist, also der Verdichtermotor 304 der zweiten Stufe 300 abgeschaltet ist, ist der erste Eingang 401 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Ferner ist der zweite Ein- gang 402 mit dem zweiten Ausgang 412 verbunden. Darüber hinaus ist der dritte Eingang 403 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden, wie es in Zeile 452 dargestellt ist. Zeile 453 zeigt den Freikühlungsmodus, in dem der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist, also der Eingang 401 mit dem Ausgang 412. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Schließlich ist der dritte Eingang 403 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. In the mid-power mode (MLM) where only the first stage is active and the second stage is inactive, that is, the second stage compressor motor 304 is off, the first input 401 is connected to the first output 41 1. Furthermore, the second input 402 is connected to the second output 412. In addition, the third input 403 is connected to the third output 413, as shown in line 452. Line 453 shows the free cooling mode in which the first input is connected to the second output, ie the input 401 to the output 412. In addition, the second input 402 is connected to the first output 41 1. Finally, the third input 403 is connected to the third output 413.
Im Niederleistungsmodus (NLM), der in Zeile 454 dargestellt ist, ist der erste Eingang 401 mit dem dritten Ausgang 413 verbunden. Darüber hinaus ist der zweite Eingang 402 mit dem ersten Ausgang 41 1 verbunden. Schließlich ist der dritte Eingang 403 mit dem zwei- ten Ausgang 412 verbunden. In low power mode (NLM), shown at line 454, the first input 401 is connected to the third output 413. In addition, the second input 402 is connected to the first output 41 1. Finally, the third input 403 is connected to the second output 412.
Es wird bevorzugt, das steuerbare Wegemodul durch die zwei seriell angeordneten 2- Wege-Schalter 421 und 422 zu implementieren, wie sie z.B. in Fig. 4A dargestellt sind, oder wie sie auch in den Fig. 6A bis 6D dargestellt sind. Hierbei hat der erste 2-Wege- Schalter 421 den ersten Eingang 401 , den zweiten Eingang 402, den ersten Ausgang 41 1 und einen zweiten Ausgang 414, der über eine Zwischenverbindung 406 mit einem Ein- gang 404 des zweiten 2-Wege-Schalters 422 gekoppelt ist. Der 2-Wege-Schalter hat den dritten Eingang 403 als zusätzlichen Eingang und den zweiten Ausgang 412 als Ausgang und den dritten Ausgang 413 ebenfalls als Ausgang. Die Stellungen der beiden 2x2-Wege-Schalter 421 sind in Fig. 7B tabellarisch dargestellt. Fig. 6A zeigt die beiden Stellungen der Schalter 421 , 422 im Hochleistungsmodus (HLM). Dies entspricht der ersten Zeile in Fig. 7B. Fig. 6B zeigt die Stellung der beiden Schalter im Mittelleistungsmodus. Der obere Schalter 421 ist im Mittelleistungsmodus genau gleich wie im Hochleistungsmodus. Lediglich der untere Schalter 422 ist umgeschaltet worden. Im Freikühlungsmodus, der in Fig. 6C dargestellt ist, ist der untere Schalter gleich wie im Mittelleistungsmodus. Lediglich der obere Schalter ist umgeschaltet worden. Im Niederleistungsmodus schließlich ist der untere Schalter 422 im Vergleich zum Freikühlungsmodus umgeschaltet, während der obere Schalter im Niederleistungsmodus gleich seiner Stellung im Freikühlungsmodus ist. Damit wird sichergestellt, dass von einem benachbar- ten Modus zum nächsten Modus immer nur ein Schalter umgeschaltet werden muss, während der andere Schalter auf seiner Position verharren kann. Dies vereinfacht die gesamte Umschaltmaßnahme von einem Betriebsmodus zum nächsten. It is preferred to implement the controllable path module through the two serially arranged 2-way switches 421 and 422, as shown for example in FIG. 4A, or as also shown in FIGS. 6A to 6D. In this case, the first 2-way switch 421 has the first input 401, the second input 402, the first output 41 1 and a second output 414, which is connected via an interconnect 406 to an input 401. gear 404 of the second 2-way switch 422 is coupled. The 2-way switch has the third input 403 as an additional input and the second output 412 as an output and the third output 413 also as an output. The positions of the two 2x2-way switches 421 are shown in tabular form in FIG. 7B. Fig. 6A shows the two positions of the switches 421, 422 in the high power mode (HLM). This corresponds to the first line in FIG. 7B. Fig. 6B shows the position of the two switches in the mid-power mode. The upper switch 421 is exactly the same in the mid-power mode as it is in the high-power mode. Only the lower switch 422 has been switched. In the free cooling mode illustrated in FIG. 6C, the bottom switch is the same as in the mid-power mode. Only the upper switch has been switched. Finally, in the low power mode, the lower switch 422 is switched compared to the free cooling mode, while the lower power switch is equal to its free cooling mode position. This ensures that only one switch needs to be switched from one neighboring mode to the next mode, while the other switch can remain in its position. This simplifies the entire switching action from one operating mode to the next.
Fig. 7A zeigt die Aktivitäten der einzelnen Verdichtermotoren und Pumpen in den ver- schiedenen Modi. In allen Modi sind die erste Pumpe 208 und die zweite Pumpe 210 aktiv. Die Zwischenkreispumpe ist in dem Hochleistungsmodus, dem Mittelleistungsmodus und dem Freikühlungsmodus aktiv, jedoch ist im Niederleistungsmodus deaktiviert. Fig. 7A shows the activities of the individual compressor motors and pumps in the various modes. In all modes, the first pump 208 and the second pump 210 are active. The intermediate circuit pump is active in the high power mode, the mid power mode, and the free cooling mode, but is deactivated in the low power mode.
Der Verdichtermotor 204 der ersten Stufe ist im Hochleistungsmodus, im Mittelleistungs- modus und im Freikühlungsmodus aktiv, und ist im Niederleistungsmodus deaktiviert. Darüber hinaus ist der Verdichtermotor der zweiten Stufe lediglich im Hochleistungsmodus aktiv, jedoch im Mittelleistungsmodus, im Freikühlungsmodus und im Niederleistungsmodus deaktiviert. Es sei darauf hingewiesen, dass Fig. 4A den Niederleistungsmodus darstellt, in dem die beiden Motoren 204, 304 deaktiviert sind, und in dem auch die Zwischenkreispumpe 330 aktiviert ist. Dagegen zeigt Fig. 3B den gewissermaßen festgekoppelten Hochleistungsmodus, bei dem beide Motoren und alle Pumpen aktiv sind. Fig. 5 zeigt wiederum den Hochleistungsmodus, bei dem die Schalterstellungen so sind, dass genau die Konfigurati- on gemäß Fig. 3B erhalten wird. Fig. 6A und 6C zeigen ferner verschiedene Temperatursensoren. Ein Sensor 602 misst die Temperatur am Ausgang des ersten Wärmetauschers 212, also am Rücklauf von der zu kühlenden Seite. Ein zweiter Sensor 604 misst die Temperatur am Rücklauf der zu wärmenden Seite, also vom zweiten Wärmetauscher 214. Ferner misst ein weiterer Tem- peratursensor 606 die Temperatur am Ausgang 220 des Verdampfers der ersten Stufe, wobei diese Temperatur typischerweise die kälteste Temperatur ist. Darüber hinaus ist ein weiterer Temperatursensor 608 vorgesehen, der die Temperatur in der Verbindungsleitung 332 misst, also am Ausgang des Kondensierers der ersten Stufe, der in anderen Figuren mit 224 bezeichnet ist. Darüber hinaus misst der Temperatursensor 610 die Tem- peratur am Ausgang des Verdampfers der zweiten Stufe 300, also am Ausgang 320 von Fig. 3B beispielsweise. The first stage compressor motor 204 is active in high power mode, mid power mode, and free cooling mode, and is deactivated in low power mode. In addition, the second stage compressor motor is only active in high power mode but disabled in mid power mode, free cooling mode and low power mode. It should be noted that FIG. 4A illustrates the low power mode in which the two motors 204, 304 are deactivated, and in which the intermediate circuit pump 330 is also activated. In contrast, Fig. 3B shows the to some extent coupled high performance mode in which both motors and all pumps are active. 5 again shows the high-performance mode, in which the switch positions are such that exactly the configuration according to FIG. 3B is obtained. FIGS. 6A and 6C also show various temperature sensors. A sensor 602 measures the temperature at the outlet of the first heat exchanger 212, ie at the return from the side to be cooled. A second sensor 604 measures the temperature at the return of the side to be heated, ie from the second heat exchanger 214. Further, another temperature sensor 606 measures the temperature at the outlet 220 of the first stage evaporator, which temperature is typically the coldest temperature. In addition, a further temperature sensor 608 is provided which measures the temperature in the connection line 332, that is, at the output of the first stage condenser, indicated 224 in other figures. In addition, the temperature sensor 610 measures the temperature at the outlet of the second stage evaporator 300, that is to say at the outlet 320 of FIG. 3B, for example.
Schließlich misst der Temperatursensor 612 die Temperatur am Ausgang 324 des Verflüssigers 306 der zweiten Stufe 300, wobei diese Temperatur im Vollleistungsmodus die wärmste Temperatur im System ist. Finally, the temperature sensor 612 measures the temperature at the output 324 of the second stage condenser 306, which temperature in full power mode is the warmest temperature in the system.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 7C und 7D auf die verschiedenen Stufen bzw. Betriebsmodi der Wärmepumpenanlage, wie sie beispielsweise anhand der Fig. 6A bis 6D dargestellt ist, und auch anhand der anderen Figuren dargestellt ist, eingegangen. Hereinafter, referring to FIGS. 7C and 7D, the various stages or operating modes of the heat pump system, as shown for example with reference to FIGS. 6A to 6D, and is also illustrated with reference to the other figures.
Die DE 10 2012 208 174 A1 offenbart eine Wärmepumpe mit einem Freikühlungsmodus. Im Freikühlungsmodus ist der Verdampfereinlass mit einem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet verbunden. Ferner ist der Verflüssigereinlass mit einem Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet verbunden. Durch den Freikühlungsmodus wird bereits eine erhebli- che Effizienzsteigerung erreicht, und zwar insbesondere für Außentemperaturen kleiner als z.B. 22 °C. DE 10 2012 208 174 A1 discloses a heat pump with a free cooling mode. In the free cooling mode, the evaporator inlet is connected to a return from the area to be heated. Further, the condenser inlet is connected to a return from the area to be cooled. The free cooling mode already achieves a considerable increase in efficiency, in particular for outside temperatures lower than e.g. 22 ° C.
Dieser Freikühlungsmodus oder (FKM) ist in Zeile 453 in Fig. 4C dargestellt und ist insbesondere in Fig. 6C dargestellt. So ist insbesondere der Ausgang des kälteseitigen Wärme- tauschers mit dem Eingang in den Kondensierer der ersten Stufe verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgang aus dem wärmeseitigen Wärmetauscher 214 mit dem Verdampfereingang der ersten Stufe gekoppelt, und ist der Eingang in den wärmeseitigen Wärmetauscher 214 mit dem Kondensiererablauf der zweiten Stufe 300 verbunden. Die zweite Stufe ist jedoch deaktiviert, so das der Kondensiererablauf 338 von Fig. 6C bei- spielsweise dieselbe Temperatur wie der Kondensierereinlauf 413 hat. Darüber hinaus hat auch der Verdampferablauf 334 der zweiten Stufe dieselbe Temperatur wie der Konden- sierereinlauf 413 der zweiten Stufe, so dass die zweite Stufe 300 thermodynamisch gewissermaßen„kurzgeschlossen" ist. Diese Stufe wird jedoch, obgleich der Verdichtermotor deaktiviert ist, von Arbeitsflüssigkeit durchströmt. Die zweite Stufe wird daher nach wie vor als Infrastruktur verwendet, ist jedoch aufgrund des abgeschalteten Verdichtermotors deaktiviert. This free cooling mode or (FKM) is shown at line 453 in FIG. 4C and is particularly shown in FIG. 6C. In particular, the output of the cold side heat exchanger is connected to the input to the first stage condenser. Moreover, the output from the heat-side heat exchanger 214 is coupled to the first-stage evaporator inlet, and the input to the heat-side heat exchanger 214 is connected to the second-stage condenser outlet 300. However, the second stage is deactivated so that the condenser outlet 338 of FIG. 6C has, for example, the same temperature as the condenser inlet 413. In addition, the second stage evaporator effluent 334 also has the same temperature as the condensate second stage, so that the second stage 300 is thermodynamically "short-circuited." However, although the compressor motor is deactivated, working fluid flows through this stage, so the second stage is still used as an infrastructure, but due to the deactivated compressor motor.
Soll nun z.B. vom Mittelleistungsmodus in den Hochleistungsmodus umgeschaltet werden, also von einem Modus, in dem die zweite Stufe deaktiviert ist und die erste Stufe aktiv ist, in einen Modus, in dem beide Stufen aktiv sind, so wird es bevorzugt, zunächst einmal den Verdichtermotor eine bestimmte Zeit, die beispielsweise größer als eine Minute ist und vorzugsweise 5 Minuten beträgt, laufenzulassen, bevor dann der Schalter 422 von der in Fig. 6B gezeigten Schalterstellung in die in Fig. 6A gezeigte Schalterstellung umgeschaltet wird. Eine Wärmepumpe gemäß einem Aspekt umfasst einen Verdampfer mit einem Ver- dampfereinlass und einem Verdampferauslass sowie einen Verflüssiger mit einem Ver- flüssigereinlass und einem Verflüssigerauslass. Darüber hinaus ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, um die Wärmepumpe in einem Betriebsmodus oder einem anderen Betriebsmodus zu betreiben. In dem einen Betriebsmodus, dem Niederleistungsmodus wird die Wärmepumpe komplett überbrückt, dahingehend, dass der Rücklauf des zu kühlenden Gebietes direkt mit dem Hinlauf des zu wärmenden Gebietes verbunden wird. Darüber hinaus wird in diesem Überbrückungsmodus oder Niederleistungsmodus der Rücklauf des zu wärmenden Gebietes mit dem Hinlauf des zu kühlenden Gebietes verbunden. Typischerweise ist der Verdampfer dem zu kühlenden Gebiet zugeordnet und ist der Verflüssiger dem zu wärmenden Gebiet zugeordnet. Should now be e.g. From the middle power mode to the high power mode, that is, from a mode in which the second stage is deactivated and the first stage is active, to a mode in which both stages are active, it is preferred to first of all set the compressor motor a certain time , which is, for example, greater than one minute, and preferably 5 minutes, to run before then the switch 422 is switched from the switch position shown in Fig. 6B to the switch position shown in Fig. 6A. A heat pump according to one aspect comprises an evaporator having a evaporator inlet and an evaporator outlet and a condenser having a condenser inlet and a condenser outlet. In addition, a switching device is provided to operate the heat pump in an operating mode or other operating mode. In the one operating mode, the low-power mode, the heat pump is completely bypassed, in that the return of the area to be cooled is connected directly to the trace of the area to be heated. Moreover, in this lock-up mode or low-power mode, the return of the area to be heated is connected to the trace of the area to be cooled. Typically, the evaporator is assigned to the area to be cooled and the condenser is assigned to the area to be heated.
In dem Überbrückungsmodus wird der Verdampfer jedoch nicht mit dem zu kühlenden Gebiet verbunden und wird ferner auch der Verflüssiger nicht mit dem zu kühlenden Gebiet verbunden, sondern beide Gebiete werden gewissermaßen „kurzgeschlossen". In dem zweiten alternativen Betriebsmodus wird dagegen die Wärmepumpe nicht überbrückt, sondern, bei noch relativ niedrigen Temperaturen typischerweise im Freiküh- lungsmodus betrieben, oder aber im Normalmodus mit einer oder zwei Stufen. Im Frei- kühlungsmodus ist die Umschalteinrichtung ausgebildet, um einen Rücklauf des zu kühlenden Gebietes mit dem Verflüssigereinlass zu verbinden und um einen Rücklauf des wärmenden Gebietes mit dem Verdampfereiniass zu verbinden. Dagegen ist die Umschalteinrichtung im Normalmodus ausgebildet, um den Rücklauf des zu kühlenden Ge- bietes mit dem Verdampfereinlass zu verbinden und den Rücklauf des zu wärmenden Gebietes mit dem Verflüssigereinlass zu verbinden. However, in the bypass mode, the evaporator is not connected to the area to be cooled, nor is the condenser connected to the area to be cooled, but both areas are effectively "shorted." In the second alternative mode of operation, on the other hand, the heat pump is not bypassed In the free cooling mode, the switching means is arranged to connect a return of the area to be cooled with the condenser inlet and a return of the warming In contrast, the switching device is designed in the normal mode in order to control the return flow of the gas to be cooled. To connect with the evaporator inlet and to connect the return of the area to be heated with the condenser inlet.
Je nach Ausführungsform kann am Ausgang der Wärmepumpe, also verflüssigerseitig, oder am Eingang der Wärmepumpe, also verdampferseitig, ein Wärmetauscher vorgesehen sein, um den inneren Wärmepumpenkreislauf von dem äußeren Kreislauf flüssigkeitsmäßig zu entkoppeln. In diesem Fall stellt der Verdampfereinlass den Einlass des Wärmetauschers dar, der mit dem Verdampfer gekoppelt ist. Darüber hinaus stellt in diesem Fall der Verdampferauslass den Auslass des Wärmetauchers dar, welcher wiederum mit dem Verdampfer festgekoppelt ist. Depending on the embodiment, a heat exchanger may be provided at the output of the heat pump, that is, on the condenser side, or at the inlet of the heat pump, ie on the evaporator side, to decouple the inner heat pump cycle from the outer circuit in terms of liquid. In this case, the evaporator inlet is the inlet of the heat exchanger coupled to the evaporator. Moreover, in this case, the evaporator outlet constitutes the outlet of the heat exchanger, which in turn is coupled to the evaporator.
Analog hierzu ist auf Verflüssigerseite der Verflüssigerauslass ein Wärmetauscherauslass und ist der Verflüssigereinlass ein Wärmetauschereinlass, und zwar auf der Seite des Wärmetauschers, die nicht mit dem tatsächlichen Verflüssiger festgekoppelt ist. Similarly, at the condenser side, the condenser outlet is a heat exchanger outlet, and the condenser inlet is a heat exchanger inlet, on the side of the heat exchanger that is not coupled to the actual condenser.
Alternativ kann jedoch die Wärmepumpe ohne eingangsseitigen oder ausgangsseitigen Wärmetauscher betrieben werden. Dann könnte z.B. am Eingang in das zu kühlende Gebiet oder am Eingang in das zu wärmende Gebiet jeweils ein Wärmetauscher vorgesehen sein, welcher dann den Rücklauf bzw. Hinlauf zu dem kühlenden Gebiet oder zu dem zu wärmenden Gebiet umfasst. Alternatively, however, the heat pump can be operated without input-side or output-side heat exchanger. Then, for example, A heat exchanger, which then comprises the return or trace to the cooling area or to the area to be heated, may be provided at the entrance to the area to be cooled or at the entrance to the area to be heated.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Wärmepumpe zum Kühlen eingesetzt, so dass das zu kühlende Gebiet beispielsweise ein in den Raum eines Gebäudes, ein Rechnerraum oder allgemein ein Kühlraum ist, während das zu wärmende Gebiet z.B. ein Dach eines Gebäudes oder eine ähnliche Stelle ist, an der ein Wärmeabgabegerät platziert werden kann, um Wärme an die Umgebung abzugeben. Wird die Wärmepumpe jedoch alternativ hierzu zum Heizen verwendet, so ist das zu kühlende Gebiet die Umwelt, aus der Energie entzogen werden soll und das zu wärmende Gebiet die„Nutzanwendung", also beispielsweise das Innere eines Gebäudes, eines Hauses oder eines zu tem- perierenden Raumes. In preferred embodiments, the heat pump is used for cooling such that the area to be cooled is, for example, a room in a building, a computer room or, in general, a cold room while the area to be heated is e.g. is a roof of a building or similar location where a heat dissipation device can be placed to deliver heat to the environment. However, if the heat pump is alternatively used for heating, the area to be cooled is the environment from which energy is to be extracted and the area to be heated is the "utility", such as the interior of a building, a house or a building to be tempered space.
Die Wärmepumpe ist somit in der Lage, von dem Überbrückungsmodus entweder in den Freikühlungsmodus oder, falls ein solcher Freikühiungsmodus nicht ausgebildet ist, in den Normalmodus umzuschalten. Generell ist die Wärmepumpe dahingehend vorteilhaft, dass sie besonders effizient wird, wenn Außentemperaturen vorliegen, die z.B. kleiner als 16 °C sind, was zumindest in der nördlichen und südlichen Hemisphäre entfernet vom Äquator häufig der Fall ist. Damit wird erreicht, dass zu Außentemperaturen, bei denen eine direkte Kühlung möglich ist, die Wärmepumpe komplett außer Betrieb genommen werden kann. Im Falle einer Wärmepumpe mit einem Radialkompressor zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger kann das Radialrad gestoppt werden, und es muss in die Wärmepumpe keine Energie mehr gesteckt werden. Alternativ kann die Wärmepumpe jedoch noch in einem Bereit- schaftsmodus oder etwas Ähnlichem laufen, der jedoch, da er nur ein Bereitschaftsmodus ist, nur einen geringen Stromverbrauch mit sich bringt. Insbesondere bei ventillosen Wärmepumpen, wie sie vorzugsweise eingesetzt werden, kann durch komplette Überbrückung der Wärmepumpe im Gegensatz zum Freikühlungsmodus ein Wärmekurzschluss vermieden werden. The heat pump is thus able to switch from the lock-up mode to either the free cooling mode or, if such a free-cooling mode is not established, to the normal mode. In general, the heat pump is advantageous in that it becomes particularly efficient when there are outside temperatures, for example less than 16 ° C, which is often the case, at least in the northern and southern hemispheres distant from the equator. This ensures that outside temperatures, where direct cooling is possible, the heat pump can be completely taken out of service. In the case of a heat pump with a radial compressor between the evaporator and the condenser, the radial wheel can be stopped and no energy needs to be put into the heat pump. Alternatively, however, the heat pump may still be in a standby mode or the like, but since it is only a standby mode, it will consume only a small amount of power. Especially with valveless heat pumps, as they are preferably used, a thermal short circuit can be avoided by complete bridging of the heat pump in contrast to the free cooling mode.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass die Umschalteinrichtung im ersten Betriebsmodus, also im Niederleistungs- oder Überbrückungsmodus den Rücklauf des zu kühlenden Gebietes oder den Hinlauf des zu kühlenden Gebietes von dem Verdampfer komplett trennt, so dass keine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einlass bzw. Auslass des Verdampfers und dem zu kühlenden Gebiet mehr existiert. Diese komplette Trennung wird ebenfalls auf der Verflüssigerseite vorteilhaft sein. Moreover, it is preferred that in the first operating mode, ie in the low-power or bypass mode, the switching device completely separates the return of the area to be cooled or the trace of the area to be cooled from the evaporator, so that no fluid connection between the inlet and outlet of the evaporator and more to the area to be cooled. This complete separation will also be beneficial on the condenser side.
Bei Implementierungen ist eine Temperatursensoreinrichtung vorgesehen, die eine erste Temperatur bezüglich des Verdampfers oder eine zweite Temperatur bezüglich des Ver- flüssigers erfasst. Ferner hat die Wärmepumpe eine Steuerung, die mit der Temperatursensoreinrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um abhängig von einer oder mehreren in der Wärmepumpe erfassten Temperaturen die Umschalteinrichtung zu steuern, so dass die Umschalteinrichtung von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus oder umgekehrt umschaltet. Die Implementierung der Umschalteinrichtung kann durch einen Ein- gangs-Schalter und einen Ausgangs-Schalter implementiert werden, welche jeweils vier Eingänge und vier Ausgänge aufweisen und je nach Modus schaltbar sind. Alternativ kann die Umschalteinrichtung jedoch auch durch mehrere einzelne kaskadiert angeordnete Umschalter implementiert werden, die jeweils einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen. Ferner kann als Kopplungselement zum Koppeln der Überbrückungsleitung mit dem Hinlauf in das zu wärmende Gebiet oder der Koppler zum Koppeln der Überbrückungsleitung mit dem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet als einfache Drei-Anschluss-Kombination ausgebildet sein, also als ein Flüssigkeitsaddierer. Bei Implementierungen wird jedoch bevor- zugt, um eine optimale Entkopplung zu haben, die Koppler ebenfalls als Umschalter bzw. in dem Eingangs-Schalter bzw. Ausgangs-Schalter integriert auszuführen. In implementations, a temperature sensor device is provided which detects a first temperature with respect to the evaporator or a second temperature with respect to the liquefier. Furthermore, the heat pump has a controller, which is coupled to the temperature sensor device and is designed to control the switching device depending on one or more temperatures detected in the heat pump, so that the switching device switches from the first to the second operating mode or vice versa. The implementation of the switching device can be implemented by an input switch and an output switch, which each have four inputs and four outputs and can be switched depending on the mode. Alternatively, however, the switching device can also be implemented by a plurality of individual cascaded switches, each having an input and two outputs. Furthermore, as a coupling element for coupling the bridging line with the Hinlauf in the area to be heated or the coupler for coupling the bridging line with the Hinlauf in the area to be cooled as a simple three-terminal combination may be formed, ie as a liquid adder. In implementations, however, in order to have optimum decoupling, the couplers are preferably also designed to be integrated as switches or integrated in the input / output switch.
Darüber hinaus wird als spezieller Temperatursensor ein erster Temperatursensor auf Verdampferseite verwendet und wird als zweiter Temperatursensor ein zweiter Tempera- tursensor auf Verflüssigerseite verwendet, wobei eine umso direktere Messung bevorzugt wird. Die verdampferseitige Messung wird insbesondere dazu verwendet, um eine Drehzahlsteuerung des Temperaturanhebers also z.B. eines Kompressors der ersten und/oder zweiten Stufe, vorzunehmen, während die verflüssigerseitige Messung oder aber auch eine Umgebungstemperaturmessung eingesetzt wird, um eine Modussteuerung durchzu- führen, also um die Wärmepumpe z.B. von dem Überbrückungsmodus in den Freiküh- lungsmodus umzuschalten, wenn eine Temperatur nicht mehr im sehr kalten Temperaturbereich liegt, sondern im mittelkalten Temperaturbereich. Liegt die Temperatur jedoch weiter oben, also in einem warmen Temperaturbereich, so wird die Umschalteinrichtung die Wärmepumpe in einen Normalmodus mit erste aktiver Stufe oder mit zwei aktiven Stufen bringen. In addition, a first temperature sensor is used on the evaporator side as a special temperature sensor and a second temperature sensor is used on the condenser side as the second temperature sensor, with a more direct measurement is preferred. The evaporator-side measurement is used in particular to provide a speed control of the temperature lifter, e.g. a compressor of the first and / or second stage, while the condenser-side measurement or even an ambient temperature measurement is used to perform a mode control, that is to say around the heat pump, e.g. to switch from the bypass mode to the free cooling mode when a temperature is no longer in the very cold temperature range, but in the medium cold temperature range. However, if the temperature is higher, ie in a warm temperature range, then the switching device will bring the heat pump into a normal mode with first active stage or with two active stages.
Bei einer zweistufigen Wärmepumpe wird bei diesem Normalmodus, der dem Mittelleistungsmodus entspricht, jedoch lediglich eine erste Stufe aktiv sein, während die zweite Stufe noch inaktiv ist, also nicht mit Strom versorgt wird und daher keine Energie benötigt. Erst wenn die Temperatur weiter ansteigt, und zwar in einen sehr warmen Bereich, dann wird zusätzlich zur ersten Wärmepumpenstufe bzw. zusätzlich zur ersten Druckstufe eine zweite Druckstufe aktiviert, welche wiederum einen Verdampfer, einen Temperaturanheber typischerweise in Form eines Radialkompressors und einen Verflüssiger aufweist. Die zweite Druckstufe kann seriell oder parallel oder seriell/parallel mit der ersten Druckstufe verschaltet sein. In a two-stage heat pump, however, in this normal mode, which corresponds to the medium power mode, only a first stage will be active, while the second stage is still inactive, so is not powered and therefore requires no energy. Only when the temperature continues to rise, in a very warm area, in addition to the first heat pump stage or in addition to the first pressure stage, a second pressure stage is activated, which in turn has an evaporator, a temperature booster typically in the form of a radial compressor and a condenser. The second pressure stage can be connected in series or in parallel or serially / parallel to the first pressure stage.
Um sicherzustellen, dass im Überbrückungsmodus, also wenn die Außentemperaturen bereits relativ kalt sind, die Kälte von außen nicht komplett in das Wärmepumpensystem und darüber hinaus in den zu kühlenden Raum eindringt, also den zu kühlenden Raum noch kälter macht, als er eigentlich sein sollte, wird es bevorzugt, anhand eines Sensorsignals am Hinlauf in das zu kühlende Gebiet oder am Rücklauf des zu kühlenden Ge- biets ein Steuersignal zu liefern, das von einem außerhalb der Wärmepumpe angebrachten Wärmeabgabegerät verwendet werden kann, um die Wärmeabgabe zu steuern, d.h. dann, wenn die Temperaturen zu kalt werden, zu reduzieren. Das Wärmeabgabegerät ist beispielsweise ein Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher, mit einer Pumpe zum Umwälzen der in das zu wärmende Gebiet gebrachten Flüssigkeit. Ferner kann das Wärmeabgabegerät einen Ventilator aufweisen, um Luft in den Luftwärmetauscher zu transportieren. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Drei-Wege-Mischer vorgesehen sein, um den Luftwärmetauscher teilweise oder ganz kurzzuschließen. Abhängig von dem Hinlauf in das zu kühlende Gebiet, der in diesem Überbrückungsmodus jedoch nicht mit dem Verdampfer- auslass, sondern mit dem Rücklauf aus dem zu wärmenden Gebiet verbunden ist, wird das Wärmeabgabegerät, also beispielsweise die Pumpe, der Ventilator oder der Drei- Wege-Mischer gesteuert, um die Wärmeabgabe immer weiter zu reduzieren, damit ein Temperaturniveau beibehalten wird, und zwar in dem Wärmepumpensystem und in dem zu kühlenden Bereich, das in diesem Fall oberhalb des Außentemperaturniveaus liegen kann. Damit kann die Abwärme sogar zum Heizen des„zu kühlenden" Raums verwendet werden, wenn die Außentemperaturen zu kalt sind. To ensure that in the bypass mode, ie when the outside temperatures are already relatively cold, the cold from the outside does not completely penetrate the heat pump system and beyond in the room to be cooled, making the room to be cooled even colder than it should be, It is preferred, by means of a sensor signal on the trace in the area to be cooled or at the return of the cooled to provide a control signal that can be used by a heat dissipation device mounted outside the heat pump to control the heat output, ie, to reduce when the temperatures get too cold. The heat dissipation device is, for example, a liquid / air heat exchanger, with a pump for circulating the liquid brought into the area to be heated. Further, the heat dissipation device may include a fan to transport air into the air heat exchanger. Additionally or alternatively, a three-way mixer may be provided to partially or completely short the air heat exchanger. Depending on the trace in the area to be cooled, which is connected in this bridging mode but not with the evaporator outlet, but with the return from the area to be heated, the heat dissipation device, so for example, the pump, the fan or the three-way Controlled in order to further reduce the heat output, so that a temperature level is maintained, in the heat pump system and in the area to be cooled, which in this case may be above the outdoor temperature level. Thus, the waste heat can even be used for heating the "room to be cooled" if the outside temperatures are too cold.
Bei einem weiteren Aspekt wird eine gesamte Steuerung der Wärmepumpe so vorgenommen, dass abhängig von einem Temperatursensorausgangssignal eines Temperatur- sensors auf Verdampferseite eine„Feinsteuerung" der Wärmepumpe vorgenommen wird, also eine Drehzahlsteuerung in den verschiedenen Modi, also z.B. dem Freikühlungsmodus, dem Normalmodus mit erster Stufe und dem Normalmodus mit zweiter Stufe und auch eine Steuerung des Wärmeabgabegeräts im Überbrückungsmodus, während eine Modusumschaltung anhand eines Temperatursensorausgangssignals eines Temperatur- sensors auf Verflüssigerseite als Grobsteuerung vorgenommen wird. Damit wird also lediglich aufgrund eines verflüssigerseitigen Temperatursensors eine Betriebsmodusum- schaltung vom Überbrückungsmodus (oder NLM) in den Freikühlungsmodus (oder FKM) und/oder in den Normalmodus (MLM oder HLM) vorgenommen, wobei zur Entscheidung, ob eine Umschaltung stattfindet, das verdampferseitige Temperaturausgangssignal nicht genommen wird. Allerdings wird für die Drehzahlsteuerung des Radialverdichters bzw. für die Steuerung der Wärmeabgabegeräte wiederum lediglich das verdampferseitige Temperaturausgangssignal verwendet, nicht jedoch das verflüssigerseitige Sensorausgangssignal. Es sei darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung bezüglich der Anordnung und der Zweistufigkeit, sowie bezüglich der Verwendung des Überbrückungsmodus, der Ansteuerung des Wärmeabgabegeräts in dem Überbrü- ckungsmodus oder Freikühlungsmodus und die Ansteuerung des Radialverdichters in dem Freikühlungsmodus oder dem normalen Betriebsmodus oder bezüglich der Verwendung von zwei Sensoren, wobei ein Sensor zur Betriebsmodusumschaltung und der an- dere Sensor zur Feinsteuerung eingesetzt wird, unabhängig voneinander eingesetzt werden können. Allerdings können diese Aspekte jedoch auch in Paaren, oder in größeren Gruppen oder auch zusammen kombiniert werden. In another aspect, a total control of the heat pump is made so that a "fine control" of the heat pump is made depending on a temperature sensor output of a temperature sensor on the evaporator side, so a speed control in the different modes, eg the free cooling mode, the normal mode with first In the bypass mode, while the mode switchover is performed by a temperature sensor output of a condenser temperature sensor as a coarse control, only a condenser side temperature mode switches from the bypass mode (or NLM ) in the free cooling mode (or FKM) and / or in the normal mode (MLM or HLM), wherein the evaporator-side temperature output signal is not taken to decide whether a switch takes place However, only the evaporator-side temperature output signal is used for the speed control of the radial compressor or for the control of the heat dissipation devices, but not the condenser-side sensor output signal. It should be noted that the various aspects of the present invention with respect to the arrangement and the two-stage, as well as with respect to the use of the Bridging mode, the activation of the heat dissipation device in the bypass mode or free cooling mode and the control of the centrifugal compressor in the free cooling mode or the normal operating mode or the use of two sensors, one sensor for operating mode switching and the other sensor for fine control is used independently can be used from each other. However, these aspects can also be combined in pairs, or in larger groups or together.
Fig. 7A bis 7D zeigen eine Übersicht über verschiedene Modi, in der die Wärmepumpe gemäß Fig. 1 , Fig. 2, Fig. 8A, 9A betreibbar ist. Ist die Temperatur des zu wärmenden Gebietes sehr kalt, wie beispielsweise kleiner als 16 °C, so wird die Betriebsmodusauswahl den ersten Betriebsmodus aktivieren, in dem die Wärmepumpe überbrückt ist und das Steuersignal 36b für das Wärmeabgabegerät im zu wärmenden Gebiet 16 erzeugt wird. Ist die Temperatur des zu wärmenden Gebietes, also des Gebietes 16 von Fig. 1 in einem mittelkalten Temperaturbereich, also z.B. in einem Bereich zwischen 16 °C und 22 °C, so wird die Betriebsmodussteuerung den Freikühlungsmodus aktivieren, in dem aufgrund der geringen Temperaturspreizung die erste Stufe der Wärmepumpe leistungsarm arbeiten kann. Befindet sich jedoch die Temperatur des zu wärmenden Gebietes in einem warmen Temperaturbereich, also beispielsweise zwischen 22 °C und 28 °C, so wird die Wärmepumpe in dem normalen Modus betrieben, jedoch in dem Normalmodus mit einer ersten Wärmepumpenstufe. Wird dagegen die Außentemperatur sehr warm sein, also in einem Temperaturbereich zwischen 28 °C und 40 °C, so wird eine zweite Wärmepumpenstufe aktiviert, die ebenfalls im Normalmodus arbeitet und die bereits laufend die erste Stufe unterstützt. FIGS. 7A to 7D show an overview of various modes in which the heat pump according to FIGS. 1, 2, 8A, 9A can be operated. If the temperature of the area to be heated is very cold, such as less than 16 ° C, the operating mode selection will activate the first mode of operation in which the heat pump is bypassed and the heat output device control signal 36b is generated in the area 16 to be heated. If the temperature of the area to be heated, ie area 16 of FIG. 1, is in a medium cold temperature range, e.g. in a range between 16 ° C and 22 ° C, the operating mode control will activate the free cooling mode, in which, due to the low temperature spread, the first stage of the heat pump can operate with low power. However, if the temperature of the area to be heated in a warm temperature range, for example between 22 ° C and 28 ° C, the heat pump is operated in the normal mode, but in the normal mode with a first heat pump stage. However, if the outside temperature is very warm, ie in a temperature range between 28 ° C and 40 ° C, a second heat pump stage is activated, which also works in normal mode and already supports the first stage continuously.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw.„Feinsteuerung" eines Radialverdichters innerhalb des Temperaturanhebers 34 von Fig. 1 in den Temperaturbereichen„mittelkalt", „warm", „sehr warm" vorgenommen, um die Wärmepumpe immer nur mit der Wärme/Kälteleistung zu betreiben, die von den tatsächlichen Voraussetzungen gerade gefor- dert wird. Preferably, a speed control or "fine control" of a centrifugal compressor within the Temperaturanhebers 34 of Fig. 1 in the temperature ranges "medium cold", "warm", "very warm" made to operate the heat pump always only with the heat / cooling capacity, the required by the actual requirements.
Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verflüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche„sehr kalt",„mittelkalt",„warm", „sehr warm" für verschiedene Temperaturbereiche stehen, deren jeweils mittlere Temperatur von sehr kalt zu mittelkalt, zu warm, zu sehr warm jeweils größer wird. Die Bereiche können, wie es anhand von Fig. 7C dargestellt worden ist, direkt aneinander angrenzen. In Ausführungsformen können die Bereiche jedoch auch überlappen und auf dem genannten Temperaturniveau oder einem anderen insgesamt höheren oder niedrigeren Temperaturniveau liegen. Femer wird die Wärmepumpe vorzugsweise mit Wasser als Arbeitsmittel betrieben. Je nach Anforderung können jedoch auch andere Mittel eingesetzt werden. Preferably, the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature. It should be noted that the temperature ranges are "very cold", "medium cold", "warm", "very warm" for different temperature ranges, the respective average temperature of very cold to medium cold, too warm, too hot respectively larger. As shown with reference to FIG. 7C, the regions may be directly adjacent to each other. However, in embodiments, the regions may also overlap and be at the stated temperature level or at any other higher or lower temperature level. Furthermore, the heat pump is preferably operated with water as a working medium. However, other means may be used depending on the requirement.
Dies ist in Fig. 7D tabellarisch dargestellt. Ist die Verflüssigertemperatur in einem sehr kalten Temperaturbereich, wird als Reaktion von der Steuerung 430 der erste Betriebsmodus eingestellt. Wird in diesem Modus festgestellt, dass die Verdampfertemperatur kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wird durch ein Steuersignal beim Wärmeabgabegerät eine Reduktion der Wärmeabgabe erreicht. Ist die Verflüssigertemperatur jedoch im mittelkalten Bereich, so ist als Reaktion darauf eine Umschaltung in den Freikühlungsmodus von der Steuerung 430 zu erwarten, wie es durch die Leitungen 431 und 434 dargestellt ist. Ist hier die Verdampfertemperatur größer als eine Soll-Temperatur, so führt dies in Reaktion zu einer Erhöhung der Drehzahl des Radialverdichters des Kompressors über die Steuerleitung 434. Wird wiederum festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf die erste Stufe in den Normalbetrieb genommen, was durch ein Signal auf der Leitung 434 geschieht. Wird wiederum festgestellt, dass bei einer bestimmten Drehzahl des Kompressors dennoch die Verdampfertemperatur größer als eine Soll-Temperatur ist, dann führt dies zu einer Erhö- hung der Drehzahl der ersten Stufe wieder über das Steuersignal auf der Leitung 434. Wird schließlich festgestellt, dass die Verflüssigertemperatur in einem sehr warmen Temperaturbereich ist, so wird als Reaktion hierauf eine zweite Stufe im Normaibetrieb zugeschaltet, was wiederum durch ein Signal auf der Leitung 434 geschieht. Je nachdem, ob die Verdampfertemperatur größer oder kleiner als eine Soll-Temperatur ist, wie es durch Signale auf der Leitung 432 signalisiert wird, wird dann eine Steuerung der ersten und/oder der zweiten Stufe vorgenommen, um auf eine veränderte Situation zu reagieren. This is tabulated in FIG. 7D. If the condenser temperature is in a very cold temperature range, the first mode of operation is set in response to the controller 430. If it is found in this mode that the evaporator temperature is lower than a setpoint temperature, a reduction in the heat output is achieved by a control signal at the heat dissipation device. However, if the condenser temperature is in the mid-cold range, then in response, it is expected to switch to the free cooling mode from controller 430, as represented by lines 431 and 434. In this case, if the evaporator temperature is greater than a desired temperature, this leads in response to an increase in the speed of the compressor radial compressor via the control line 434. If it is again determined that the condenser temperature is in a warm temperature range, in response to this the first Stage is taken into normal operation, which is done by a signal on line 434. Again, if it is determined that at a certain speed of the compressor, the evaporator temperature is still greater than a setpoint temperature, then this will increase the speed of the first stage again via the control signal on line 434. Finally, it is determined that the Condenser temperature is in a very warm temperature range, then a second stage is connected in Normai mode in response to this, which in turn is done by a signal on line 434. Depending on whether the evaporator temperature is greater or less than a desired temperature, as signaled by signals on the line 432, then a control of the first and / or the second stage is made to respond to a changed situation.
Somit wird eine transparente und effiziente Steuerung erreicht wird, die zum einen eine „Grobabstimmung" aufgrund der Modusumschaltung und zum anderen eine„Feinabstim- mung" aufgrund der temperaturabhängigen Drehzahleinstellung erreicht, dahingehend, dass immer nur so viel Energie verbraucht werden muss, wie gerade tatsächlich benötigt wird. Diese Vorgehensweise, bei der es auch nicht zu ständigen An- Abschaltungen in einer Wärmepumpe kommt, wie beispielsweise bei bekannten Wärmepumpen mit Hysterese stellt auch sicher, dass aufgrund des kontinuierlichen Betriebs keine Anlaufverluste entstehen. Thus, a transparent and efficient control is achieved, which on the one hand achieves a "coarse tuning" due to the mode switching and on the other hand a "fine tuning" due to the temperature-dependent speed setting, to the effect that only as much energy has to be consumed as just actually needed becomes. This procedure, in which there is also no permanent on-off in a heat pump, such as in known heat pumps with hysteresis also ensures that due to the continuous operation no start-up losses.
Vorzugsweise wird eine Drehzahlsteuerung bzw.„Feinsteuerung" eines Radialverdichters innerhalb des Verdichtermotors von Fig. 1 in den Temperaturbereichen „mittelkalt", „warm", „sehr warm" vorgenommen, um die Wärmepumpe immer nur mit der Wärme/Kälteleistung zu betreiben, die von den tatsächlichen Voraussetzungen gerade gefor- dert wird. Preferably, a speed control or "fine control" of a centrifugal compressor within the compressor motor of Fig. 1 in the temperature ranges "medium cold", "warm", "very warm" made to operate the heat pump always only with the heat / cooling capacity, of the actual prerequisites are being demanded.
Vorzugsweise wird die Modusumschaltung von einem verflüssigerseitigen Temperatursensor gesteuert, während die Feinsteuerung bzw. das Steuersignal für den ersten Betriebsmodus von einer verdampferseitigen Temperatur abhängt. Preferably, the mode switching is controlled by a condenser-side temperature sensor, while the fine control or the control signal for the first operating mode depends on an evaporator-side temperature.
Bei einer Modusumschaltung ist die Steuerung 430 ausgebildet ist, um eine Bedingung für einen Übergang von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodul zu erfassen. Dann wird der Verdichter 304 in der weiteren Wärmepumpenstufe 300 gestartet. Erst nach Versteichen einer vorbestimmten Zeit, die größer als eine Minute ist und vorzugs- weise sogar größer als vier oder sogar fünf Minuten ist, wird das steuerbare Wegemodul von dem Mittelleistungsmodus zu dem Hochleistungsmodus umzuschalten. Damit wird erreicht, dass einfach aus dem Stand umgeschaltet werden kann, wobei das Laufenlassen des Verdichtermotors vor der Umschaltung sicherstellt, dass der Druck im Verdampfer kleiner wird als der Druck im Verdichter. In mode switching, the controller 430 is configured to detect a condition for transition from the mid-power mode to the high-power module. Then, the compressor 304 is started in the further heat pump stage 300. Only after a predetermined time greater than one minute has elapsed, and preferably even greater than four or even five minutes, will the controllable path module switch from the mid-power mode to the high-power mode. This ensures that can be easily switched from a standstill, with the running of the compressor motor before switching ensures that the pressure in the evaporator is smaller than the pressure in the compressor.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Temperaturbereiche in Fig. 7C variiert werden können. Insbesondere sind die Schwellentemperaturen, zwischen einer sehr kalten Temperatur und einer mittelkalten Temperatur, also der Wert 16 °C in Fig. 7C sowie zwischen der mittelkalten Temperatur und der warmen Temperatur, also der Wert 22 °C in Fig. 7C und der Wert zwischen der warmen und der sehr warmen Temperatur, also der Wert 28 °C in Fig. 7C lediglich beispielhaft. Vorzugsweise ist die Schwellentemperatur zwischen warm und sehr warm, in der eine Umschaltung vom Mittelleistungsmodus zum Hochleistungsmodus stattfindet, zwischen 25 und 30 °C. Ferner ist die Schwellentemperatur zwischen warm und mittelkalt, wenn also zwischen dem Freikühlungsmodus und dem Mittelleis- tungsmodus umgeschaltet wird, in einem Temperaturbereich zwischen 18 und 24 °C. Schließlich ist die Schwellentemperatur, bei der zwischen dem mittelkalten Modus und dem sehr kalten Modus umgeschaltet wird, in einem Bereich zwischen 12 und 20 °C, wobei die Werte vorzugsweise so gewählt sind, wie sie in der Tabelle in Fig. 7C gezeigt sind, jedoch, wie gesagt, in den genannten Bereichen unterschiedlich eingestellt werden können. It should be noted that the temperature ranges in FIG. 7C can be varied. In particular, the threshold temperatures, between a very cold temperature and a medium cold temperature, ie the value 16 ° C in Fig. 7C and between the medium cold temperature and the warm temperature, ie the value 22 ° C in Fig. 7C and the value between the warm and very warm temperature, so the value 28 ° C in Fig. 7C merely by way of example. Preferably, the threshold temperature between warm and very warm, in which a switchover from the mid-power mode to the high-power mode takes place, is between 25 and 30 ° C. Furthermore, the threshold temperature between warm and medium cold, ie, when switching between the free cooling mode and the middle power mode, in a temperature range between 18 and 24 ° C. Finally, the threshold temperature at which between the medium cold mode and is switched to the very cold mode, in a range between 12 and 20 ° C, the values are preferably selected as shown in the table in Fig. 7C, but, as stated, can be set differently in said areas ,
Je nach Implementierung und Anforderungsprofil kann die Wärmepumpenanlage jedoch auch in vier Betriebsmodi betrieben werden, die sich ebenfalls unterscheiden, jedoch alle auf einem anderen absoluten Niveau sind, so dass die Bezeichnungen„sehr kalt",„mittel- kalt", „warm", „sehr warm" lediglich relativ zueinander zu verstehen sind, jedoch keine absoluten Temperaturwerte darstellen sollen. Depending on the implementation and requirement profile, however, the heat pump system can also be operated in four operating modes, which are also different, but all are at a different absolute level, so that the terms "very cold", "medium cold", "warm", " very warm "are to be understood only relative to each other, but should not represent absolute temperature values.
Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist. So stellen beispielsweise die in den Fig. 6A bis 6D beschriebenen Blockschaltbilder gleichermaßen Flussdiagramme eines entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Although certain elements are described as device elements, it should be understood that this description is likewise to be regarded as a description of steps of a method and vice versa. Thus, for example, the block diagrams described in FIGS. 6A to 6D likewise represent flowcharts of a corresponding method according to the invention.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steuerung beispielsweise durch das Element 430 in Fig. 4B als Software oder Hardware implementiert werden kann, wobei dies auch für die Tabellen in den Fig. 4C, 4D, oder 7A, 7B, 7C, 7D gilt. Die Implementierung der Steuerung kann auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium, einem digitalen oder anderen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren zum Pumpen von Wärme bzw. zum Betreiben einer Wärmepumpe ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer- Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit auch als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durch- führung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft. It should also be appreciated that the control may be implemented as software or hardware, for example, by element 430 in FIG. 4B, as well as for the tables in FIGS. 4C, 4D, or 7A, 7B, 7C, 7D. The implementation of the controller may be on a non-volatile storage medium, a digital or other storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer system such that the corresponding method of pumping heat or operating a heat pump is running. In general, the invention thus also encompasses a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus also be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims

Patentansprüche claims
Wärmepumpenanlage mit folgenden Merkmalen: einer Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einem ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einem zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; einer ersten Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und einer zweiten Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, wobei die Wärmepumpenanlage eine Betriebsposition hat, wobei in der Betriebsposition die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) oder des zweiten Wärmetauschers (214) angeordnet sind, und wobei die Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210) angeordnet ist. A heat pump system comprising: a heat pump unit having at least one heat pump stage (200), said at least one heat pump stage (200) having an evaporator (202), a compressor (204) and a condenser (206); a first heat exchanger (212) on a side to be cooled; a second heat exchanger (214) on a side to be heated; a first pump (208) coupled to the first heat exchanger (212); and a second pump (210) coupled to the second heat exchanger (214), the heat pump system having an operating position, wherein in the operating position the first pump (208) or the second pump (210) is above the first heat exchanger (212). or the second heat exchanger (214) are arranged, and wherein the heat pump unit above the first pump (208) and the second pump (210) is arranged.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1 , bei der der erste Wärmetauscher (212) einen Zulauf (240) und einen Ablauf (241 ) aufweist, wobei der Zulauf (240) und der Ablauf (241 ) mit der Wärmepumpeneinheit gekoppelt sind, wobei der Zulauf (240) senkrecht oder wenigstens in einem Winkel kleiner als 45° zu einer Senkrechten angeordnet ist, wobei eine Saugseite der ersten Pumpe (208) in dem Zulauf (228, 230, 240) an- geordnet ist, und wobei im Betrieb der Wärmepumpe eine Strömung an Arbeitsflüssigkeit von oben nach unten durch den Zulauf (228, 230, 240) fließt. Heat pump system according to claim 1, wherein the first heat exchanger (212) has an inlet (240) and a drain (241), wherein the inlet (240) and the outlet (241) are coupled to the heat pump unit, wherein the inlet (240) is arranged perpendicular or at least at an angle less than 45 ° to a vertical, wherein a suction side of the first pump (208) in the inlet (228, 230, 240) is arranged, and wherein during operation of the heat pump, a flow of working fluid flows from top to bottom through the inlet (228, 230, 240).
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Wärmetauscher (214) einen Zulauf (242, 236, 234) und einen Ablauf (243, 238) aufweist, wobei der Zulauf (234, 236, 242) oder der Ablauf (238, 243) mit der Wärmepumpeneinheit gekoppelt ist, wobei der Ablauf oder der Zulauf senkrecht oder wenigstens in einem Winkel kleiner als 45° zu einer Senkrechten angeordnet ist, wobei eine Saugseite der zweiten Pumpe (210) in dem Zulauf (234, 236, 242) angeordnet ist, und wobei im Betrieb eine Strömung an Arbeitsflüssigkeit von oben nach unten durch den Zulauf fließt. Heat pump system according to claim 1 or 2, wherein the second heat exchanger (214) has an inlet (242, 236, 234) and a drain (243, 238), wherein the inlet (234, 236, 242) or the outlet (238, 243) is coupled to the heat pump unit, wherein the drain or the inlet is arranged perpendicular or at least at an angle less than 45 ° to a vertical, wherein a suction side of the second pump (210) in the inlet (234, 236, 242) is, and wherein in operation, a flow of working fluid flows from top to bottom through the inlet.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Wärmetauscher (212) oder der zweite Wärmetauscher (214) liegend angeordnet ist. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the first heat exchanger (212) or the second heat exchanger (214) is arranged lying.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) näher an dem ersten Wärmetauscher (212) oder bzw. an dem zweiten Wärmetauscher (214) angeordnet sind als einem Anschlusspunkt an der Wärmepumpeneinheit. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the first pump (208) or the second pump (210) are arranged closer to the first heat exchanger (212) or to the second heat exchanger (214) as a connection point to the heat pump unit.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpeneinheit so ausgebildet ist, dass wenigstens ein Auslass eines Verdampfers oder Verflüssigers einer Wärmepumpenstufe, der mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, so angeordnet ist, dass er aus der Wärmepumpenstufe in Betriebsposition senkrecht nach unten oder in einem Winkel kleiner als 45° von einer Vertikalen aus der Wärmepumpenstufe austritt. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the heat pump unit is formed so that at least one outlet of an evaporator or condenser of a heat pump stage, which is connected to the first heat exchanger or the second heat exchanger is arranged so that it from the heat pump stage in the operating position perpendicular down or at an angle less than 45 ° from a vertical exit from the heat pump stage.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpeneinheit so ausgebildet ist, dass wenigstens ein Einlass (222, 226) eines Verdampfers oder Verflüssigers einer Wärmepumpenstufe, der mit dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, so ausgebildet ist, dass er aus der Wärmepumpenstufe in Betriebsposition senkrecht nach unten oder in einem Winkel kleiner als 45° von einer Vertikalen aus der Wärmepumpenstufe austritt. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the heat pump unit is configured such that at least one inlet (222, 226) of an evaporator or condenser of a heat pump stage connected to the first heat exchanger or the second heat exchanger is configured to be vertically downward from the heat pump stage in the operating position or exiting the heat pump stage at an angle less than 45 ° from a vertical.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpenstufe so ausgebildet ist, dass sich ein Dampfansaugkanal (250) durch den Verflüssiger erstreckt. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the heat pump stage is formed so that a Dampfansaugkanal (250) extends through the condenser.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpenstufe so ausgebildet ist, dass sich der Verdichter (204) oberhalb des Verflüssigers (206) erstreckt, so dass in einem Aus-Zustand des Verdichters (204) Flüssigkeit von dem Verdichter weg aufgrund der Schwerkraft läuft. A heat pump system as claimed in any one of the preceding claims, wherein the heat pump stage is configured to extend the compressor (204) above the condenser (206) so that in an off state of the compressor (204), liquid moves away from the compressor due to gravity running.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgebildet ist, um als Arbeitsmedium Wasser zu verwenden, wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe ausgebildet ist, um eine Druck zu halten, bei dem das Wasser bei Temperaturen unter 60 °C verdampfen kann. Heat pump system according to one of the preceding claims, which is designed to use water as a working medium, wherein the at least one heat pump stage is designed to hold a pressure at which the water can evaporate at temperatures below 60 ° C.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgende Merkmale aufweist: ein Trägergestell, wobei der erste Wärmetauscher (212) und der zweite Wärmetauscher (214) unten an dem Trägergestell befestigt sind, wobei die erste Pumpe (208) und die zweite Pumpe (210) durch einen Pumpenhalter miteinander befestigt sind, und wobei der Pumpenhaiter an dem Trägergestell oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) und des zweiten Wärmetauschers (214) befestigt ist, und wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe oberhalb des Pumpenhalters angeordnet ist. A heat pump system according to any one of the preceding claims, further comprising: a support frame, wherein the first heat exchanger (212) and the second heat exchanger (214) are mounted at the bottom of the support frame, the first pump (208) and the second pump (210 ) are fastened together by a pump holder, and wherein the pump holder on the support frame is mounted above the first heat exchanger (212) and the second heat exchanger (214), and wherein the at least one heat pump stage is arranged above the pump holder.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wärmepumpeneinheit die Wärmepumpenstufe (200) sowie eine weitere Wärmepumpenstufe (300) aufweist. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein the heat pump unit comprises the heat pump stage (200) and a further heat pump stage (300).
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Verdampferausgang (220) der Wärmepumpenstufe über ein erstes Fallrohr (228) mit einer Saugseite der ersten Pumpe (208) verbunden ist, wobei das Fallrohr in Betriebsposition senkrecht ist oder einen Winkel von höchstens 45° zu einer Vertikalen hat. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein an evaporator outlet (220) of the heat pump stage via a first downpipe (228) is connected to a suction side of the first pump (208), wherein the downpipe in the operating position is perpendicular or at an angle of at most 45 ° has a vertical.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 12 oder 13, bei der ein Verflüssigerausgang (224) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) über ein zweites Fallrohr (338) mit einer Saugseite der zweiten Pumpe (210) verbunden ist, wobei das Fallrohr (338) in Betriebsposition senkrecht ist oder einen Winkel von höchstens 45° zu einer Vertikalen hat. A heat pump system according to claim 12 or 13, wherein a condenser outlet (224) of the further heat pump stage (300) is connected to a suction side of the second pump (210) via a second downcomer (338), the downcomer (338) being vertical in the operating position or has an angle of at most 45 ° to a vertical.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Verflüssigerausgang (224) der Wärmepumpenstufe (200) mit einem Verdampfereingang (322) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) durch ein Zwi- schenkreisrohr (332) verbunden ist, wobei in dem Zwischenkreisrohr (332) keine Pumpe angeordnet ist, und wobei die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) so ausgebildet und angeordnet sind, dass im Betrieb ein Verflüssigerarbeitsflüssigkeitspegel der Wärmepumpenstufe höher als ein Ver- dampferarbeitsflüssigkeitspegel in der weitere Wärmepumpenstufe (300) ist. Heat pump installation according to one of the preceding claims, in which a condenser outlet (224) of the heat pump stage (200) is connected to an evaporator inlet (322) of the further heat pump stage (300) by means of an intermediate circuit tube (332), none being present in the intermediate circuit tube (332) And wherein the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) are configured and arranged such that, in operation, a condenser working fluid level of the heat pump stage is higher than an evaporator working fluid level in the further heat pump stage (300).
16. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, die ferner eine Zwi- schenkreispumpe (330) aufweist, die unterhalb der Wärmepumpenstufe (200) und der weiteren Wärmepumpenstufe (300) angeordnet ist und mit einem Verdampferausgang (320) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) über ein Fallrohr (334) verbunden ist, das mit einer Saugseite der Zwischenkreispumpe (330) verbunden ist. 16. A heat pump system according to any one of claims 12 to 15, further comprising an intermediate circuit pump (330) disposed below the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) is arranged and with an evaporator outlet (320) of the further heat pump stage (300) via a downpipe (334) is connected, which is connected to a suction side of the intermediate circuit pump (330).
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei der die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) jeweils einen Verdichter (204, 304) haben, der oberhalb eines jeweiligen Kondensierers (206, 306) angeordnet ist, und wobei die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) so zueinander angeordnet sind, dass ein Radialrad des zweiten Verdichters um wenigstens 5 cm tiefer als ein Radialrad des ersten Verdichters (204) angeordnet ist. A heat pump system according to any one of claims 12 to 16, wherein the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) each have a compressor (204, 304) disposed above a respective condenser (206, 306), and wherein the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) are arranged relative to one another such that a radial wheel of the second compressor is arranged at least 5 cm lower than a radial wheel of the first compressor (204).
Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei der die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) eine äußere Gehäuseabmessung haben, die innerhalb einer Toleranz von 5 cm gleich ist, wobei das Gehäuse der Wärmepumpenstufe (200) höher als das Gehäuse der weiteren Wärmepumpenstufe (300) angeordnet ist, so dass eine Unterseite des Gehäuses der Wärmepumpenstufe (200) höher als eine Unterseite des Gehäuses der weiteren Wärmepumpenstufe (300) ist. A heat pump system according to any one of claims 12 to 17, wherein the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) have an outer casing dimension equal to within a tolerance of 5 cm, the casing of the heat pump stage (200) being higher than the casing the further heat pump stage (300) is arranged, so that a bottom of the housing of the heat pump stage (200) is higher than a bottom of the housing of the further heat pump stage (300).
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 18, bei der unterhalb der Wärmepumpenstufe (200) und oberhalb der ersten Pumpe (208), der zweiten Pumpe (210) oder der Zwischenkreispumpe (330) ein steuerbares Wegemodul (420) angeordnet ist, um wenigstens zwei Eingänge in das Wegemodul mit wenigstens zwei Ausgängen aus dem Wegemodul zu verbinden. Heat pump system according to claim 18, wherein below the heat pump stage (200) and above the first pump (208), the second pump (210) or the intermediate circuit pump (330) a controllable path module (420) is arranged to at least two inputs in the Wegemodul to connect with at least two outputs from the way module.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 19, bei der das steuerbare Wegemodul (420) folgende Anschlüsse aufweist: einen Rücklauf von dem ersten Wärmetauscher (212) als ersten Eingang (404); einen Rücklauf von dem zweiten Wärmetauscher (214) als zweiten Eingang (402); eine Pumpseite einer Zwischenkreispumpe (330) als dritten Eingang (403); einen Zulauf in den Verdampfer (204) der Wärmepumpenstufe (200) als ersten Ausgang (41 1 ); einen Zulauf in den Verflüssiger (206) der Wärmepumpenstufe (200) als zweiten Ausgang (412); und einen Zulauf in den Verfiüssiger (306) der weiteren Wärmepumpenstufe (300) als dritten Ausgang (413), und wobei das steuerbare Wegemodul (420) ausgebildet ist, um abhängig von einem Steuersignal (431 ) einen oder mehrere Eingänge mit einem oder mehreren Ausgängen zu verbinden. The heat pump system of claim 19, wherein the controllable path module (420) includes: a return from the first heat exchanger (212) as a first input (404); a return from the second heat exchanger (214) as a second input (402); a pump side of a DC link pump (330) as a third input (403); an inlet into the evaporator (204) of the heat pump stage (200) as a first output (41 1); an inlet into the condenser (206) of the heat pump stage (200) as a second outlet (412); and an inlet into the condenser (306) of the further heat pump stage (300) as a third output (413), and wherein the controllable path module (420) is adapted to one or more inputs with one or more outputs depending on a control signal (431) connect to.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 19 oder 20, die ferner eine Steuerung (430) aufweist, um die Wärmepumpeneinheit und das steuerbare Wegemodul (420) anzusteuern, um die Wärmepumpenanlage in einem von wenigsten zwei unterschiedlichen Modi zu betreiben, wobei die Wärmepumpenanlage ausgebildet ist, um wenigstens zwei Modi auszuführen, die aus einer Gruppe von Modi ausgewählt sind, die folgende Modi aufweist: einen Hochleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (100) und die weitere Wärmepumpenstufe (200) aktiv sind; einen Mittelleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist; einen Freikühlungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) aktiv ist und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv ist und der zweite Wärmetauscher (214) mit einem Verdampfereinlass (222) der Wärmepumpenstufe (200) gekoppelt ist; und einen Niederleistungsmodus, in dem die Wärmepumpenstufe (200) und die weitere Wärmepumpenstufe (300) inaktiv sind. The heat pump system of claim 19 or 20, further comprising a controller (430) for controlling the heat pump unit and the controllable path module (420) to operate the heat pump system in one of at least two different modes, the heat pump system being formed by at least two Execute modes selected from a group of modes having the following modes: a high power mode in which the heat pump stage (100) and the further heat pump stage (200) are active; a mid-power mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive; a free cooling mode in which the heat pump stage (200) is active and the further heat pump stage (300) is inactive and the second heat exchanger (214) is coupled to an evaporator inlet (222) of the heat pump stage (200); and a low power mode in which the heat pump stage (200) and the further heat pump stage (300) are inactive.
22. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 21 , bei der die Wärmepumpenstufe (200) oder die weitere Wärmepumpenstufe (300) dann inaktiv ist, wenn ein Verdichtermotor (204, 304) der entsprechenden Wärmepumpenstufe abgeschaltet ist. 22. Heat pump system according to claim 21, wherein the heat pump stage (200) or the further heat pump stage (300) is then inactive when a compressor motor (204, 304) of the corresponding heat pump stage is switched off.
23. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 21 oder 22, bei der im Hochleistungsmodus und im Mittelleistungsmodus und im Freiküh- lungsmodus die erste Pumpe (208), die zweite Pumpe (210) und die Zwischen- kreispumpe (330) aktiv sind, und bei der im Niederleistungsmodus die erste Pumpe und die zweite Pumpe aktiv sind, und die Zwischenkreispumpe (330) inaktiv ist. 23. A heat pump system according to claim 21 or 22, wherein in the high power mode and in the mid power mode and in the free cooling mode the first pump (208), the second pump (210) and the intermediate circuit pump (330) are active and in the low power mode the first pump and the second pump are active and the intermediate circuit pump (330) is inactive.
24. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei der das steuerbare Wegemodul (420) ausgebildet ist, um in einem Hochleistungsmodus den ersten Eingang (401 ) mit dem ersten Ausgang (411 ) zu verbinden, um den zweiten Eingang (402) mit einem dritten Ausgang (413) zu verbinden, und um den dritten Eingang (403) mit dem zweiten Ausgang (412) zu verbinden, um in einem Mittelleistungsmodus den ersten Eingang (401 ) mit dem ersten Ausgang (41 1 ) zu verbinden, den zweiten Eingang (402) mit dem zweiten Ausgang (412) zu verbinden, und den dritten Eingang (403) mit dem dritten Ausgang (413) zu verbinden, um in einem Freikühlungsmodus den ersten Eingang (401 ) mit dem zweiten Ausgang zu verbinden, den zweiten Eingang (402) mit dem ersten Ausgang zu verbinden, und den dritten Eingang (403) mit dem dritten Ausgang zu verbinden, und um in einem Niederleistungsmodus den ersten Eingang (401 ) mit dem dritten Ausgang zu verbinden, den zweiten Eingang (402) mit dem ersten Ausgang zu verbinden, und den dritten Eingang (403) mit dem zweiten Ausgang (412) zu verbinden. 24. Heat pump system according to one of claims 19 to 23, wherein the controllable path module (420) is designed to connect the first input (401) to the first output (411) in a high-performance mode, with the second input (402) to connect a third output (413), and to connect the third input (403) to the second output (412) to connect the first input (401) to the first output (41 1) in a mid-power mode, the second one Connect the input (402) to the second output (412), and connect the third input (403) to the third output (413) to connect the first input (401) to the second output in a free cooling mode; To connect input (402) to the first output, and to connect the third input (403) to the third output, and to connect the first input (401) to the third output in a low power mode, the second input (402) to the first exit verb inden, and to connect the third input (403) to the second output (412).
25. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei der das steuerbare Wegemodul (420) einen ersten Umschalter (421 ) mit zwei Schalterpositionen und einen zweiten Umschalter (422) mit zwei Schalterpositionen aufweist, wobei ein Ausgang (14) des ersten Schalters mit einem Eingang (404) des zweiten Schalters verbunden ist (406). 25. Heat pump system according to one of claims 19 to 24, wherein the controllable path module (420) has a first switch (421) with two switch positions and a second switch (422) with two switch positions, wherein an output (14) of the first switch is connected (406) to an input (404) of the second switch.
26. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 25, bei der die jeweils zwei Schalterpositionen vier Betriebsmodi mit unterschiedlichen Leistungsstufen definieren, wobei bei einer Umschaltung von einer Leistungsstufe zu einer nächsthöheren oder nächstniedrigeren Leistungsstufe immer nur ein Umschalter umgeschaltet wird und der andere Umschalter auf seiner Position bleibt. 26. Heat pump system according to claim 25, wherein the two switch positions define four operating modes with different power levels, wherein when switching from one power level to a next higher or next lower power level always only one switch is switched and the other switch remains in position.
27. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei der der steuerbare Wegeschalter (420) einen ersten Umschalter (421 ) und einen zweiten Umschalter (422) mit jeweils zwei Schalterpositionen aufweist, wobei der erste Umschalter folgende Merkmale aufweist: einen ersten Umschaltereingang, der mit dem ersten Eingang (401 ) verbunden ist, einen zweiten Umschaltereingang, der mit dem zweiten Eingang (402) gekoppelt ist, einen ersten Umschalterausgang, der mit dem ersten Ausgang (41 1 ) gekoppelt ist, und einen zweiten Umschalterausgang, wobei der zweite Umschalter (422) folgende Merkmale aufweist: einen ersten Umschaltereingang, der mit dem zweiten Umschalterausgang des ersten Umschalters gekoppelt ist, einen zweiten Umschaltereingang, der mit dem dritten Eingang (413) gekoppelt ist, einen ersten Umschalterausgang, der mit dem zweiten Ausgang (412) gekoppelt ist, und einen zweiten Umschalterausgang, der mit dem dritten Ausgang (413) gekoppelt ist. 27. Heat pump system according to one of claims 19 to 26, wherein the controllable path switch (420) has a first switch (421) and a second switch (422) each having two switch positions, wherein the first switch comprises the following features: a first switch input, which is connected to the first input (401), a second switch input coupled to the second input (402), a first switch output coupled to the first output (41 1), and a second switch output, the second one Switch (422) comprises: a first switch input coupled to the second switch output of the first switch, a second switch input coupled to the third input (413), a first switch output coupled to the second output (412) and a second switch output coupled to the third output (413).
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 27, bei der der erste Umschalter ausgebildet ist, um in einer ersten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden und den zweiten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um in einer zweiten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um den zweiten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden, oder wobei der zweite Umschalter (422) ausgebildet ist, um in einer ersten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden, und um den zweiten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um in einer zweiten Schalterposition den ersten Umschaltereingang mit dem zweiten Umschalterausgang zu verbinden, und um den zweiten Umschaltereingang mit dem ersten Umschalterausgang zu verbinden. The heat pump system of claim 27, wherein the first switch is configured to connect the first switch input to the first switch output in a first switch position and to connect the second switch input to the second switch output and to connect the first switch input to the second switch input in a second switch position To connect switch output, and to connect the second switch input to the first switch output, or wherein the second switch (422) is adapted to connect the first switch input to the first switch output in a first switch position, and the second switch input to the second To connect switch output, and in a second switch position to connect the first switch input to the second switch output, and to connect the second switch input to the first switch output.
Wärmepumpenanlage nach Anspruch 28, bei der das steuerbare Wegemodul (420) ausgebildet ist, um in einem Hochleistungsmodus den ersten Umschalter in der ersten Schalterposition zu betreiben, und um den zweiten Umschalter (422) in der ersten Umschalterposition zu betreiben, oder um in einem Mittelleistungsmodus den ersten Umschalter (421 ) in der ersten Umschalterposition und den zweiten Umschalter (422) in der zweiten Umschalterposition zu betreiben, oder um in einem Freikühlungsmodus den ersten Umschalter (421 ) in der zweiten Umschalterposition und den zweiten Umschalter (422) in der ersten Umschalterposition zu betreiben, oder um in einem Niederleistungsmodus den ersten Umschalter (421 ) in der zweiten Umschalterposition zu betreiben, und um den zweiten Umschalter (422) in der zweiten Umschalterposition zu betreiben. The heat pump system of claim 28, wherein the controllable path module (420) is configured to operate in a high power mode the first switch in the first switch position and to operate the second switch (422) in the first switch position or in a mid power mode to operate the first changeover switch (421) in the first changeover position and the second changeover switch (422) in the second changeover position, or in a free cooling mode the first changeover switch (421) in the second changeover position and the second changeover switch (422) in the first changeover position to operate, or to operate in a low power mode the first switch (421) in the second switch position and to operate the second switch (422) in the second switch position.
Wärmepumpenanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine Höhe der Wärmepumpenanlage kleiner als 2,50 m ist, bei der eine Breite der Wärmepumpenanlage kleiner als 2 m ist, und bei der eine Tiefe der Wärmepumpenanlage kleiner als 1 m ist. Heat pump system according to one of the preceding claims, wherein a height of the heat pump system is smaller than 2.50 m, in which a width of the heat pump system is less than 2 m, and in which a depth of the heat pump system is less than 1 m.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einem ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einem zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; einer ersten Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und einer zweiten Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, mit folgenden Schritten: A method of manufacturing a heat pump system comprising a heat pump unit having at least one heat pump stage (200), the at least one heat pump stage (200) including an evaporator (202), a compressor (204) and a condenser (206); a first heat exchanger (212) on a side to be cooled; a second heat exchanger (214) on a side to be heated; a first pump (208) coupled to the first heat exchanger (212); and a second pump (210) coupled to the second heat exchanger (214), comprising the steps of:
Anordnen der ersten Pumpe (208) oder der zweiten Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) oder des zweiten Wärmetauschers (214), und Arranging the first pump (208) or the second pump (210) above the first heat exchanger (212) or the second heat exchanger (214), and
Anordnen der Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210). Placing the heat pump unit above the first pump (208) and the second pump (210).
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmepumpeneinheit mit wenigstens einer Wärmepumpenstufe (200), wobei die wenigstens eine Wärmepumpenstufe (200) einen Verdampfer (202), einen Verdichter (204) und einen Verflüssiger (206) aufweist; einem ersten Wärmetauscher (212) an einer zu kühlenden Seite; einem zweiten Wärmetauscher (214) an einer zu erwärmenden Seite; einer ersten Pumpe (208), die mit dem ersten Wärmetauscher (212) gekoppelt ist; und einer zweiten Pumpe (210), die mit dem zweiten Wärmetauscher (214) gekoppelt ist, mit folgenden Schritten: A method of operating a heat pump system having a heat pump unit with at least one heat pump stage (200), the at least one heat pump stage (200) having an evaporator (202), a compressor (204) and a condenser (206); a first heat exchanger (212) on a side to be cooled; a second heat exchanger (214) on a side to be heated; a first pump (208) coupled to the first heat exchanger (212); and a second pump (210) coupled to the second heat exchanger (214), comprising the steps of:
Bringen der Wärmepumpenanlage in eine Betriebsposition, wobei in der Betriebsposition die erste Pumpe (208) oder die zweite Pumpe (210) oberhalb des ersten Wärmetauschers (212) oder des zweiten Wärmetauschers (214) angeordnet sind, und wobei die Wärmepumpeneinheit oberhalb der ersten Pumpe (208) und der zweiten Pumpe (210) angeordnet ist; und Bring the heat pump system in an operating position, wherein in the operating position, the first pump (208) or the second pump (210) above the first Heat exchanger (212) or the second heat exchanger (214) are arranged, and wherein the heat pump unit above the first pump (208) and the second pump (210) is arranged; and
Aktivieren der Wärmepumpenstufe in der Betriebsposition. Activation of the heat pump stage in the operating position.
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