WO2020200607A1 - Verfahren zum betreiben einer wärmepumpe, wärmepumpe, belüftungsanlage und fahrzeug - Google Patents

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Markus Schmitz
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat pump, in which, in a first operating mode of the heat pump, a refrigerant evaporates in an evaporator of the heat pump, the refrigerant absorbing thermal energy from the environment.
  • the refrigerant is fed via a compressor of the heat pump into a condenser of the heat pump, in which the refrigerant cools and condenses, the refrigerant emitting thermal energy.
  • the refrigerant is then fed back into the evaporator via an expansion valve of the heat pump.
  • a refrigerant circuit is established in which the refrigerant passes through the elements of the heat pump in the sequence evaporator - compressor - condenser - expansion module. This sequence is usually repeated several times.
  • a heat pump can be used, for example, in a ventilation system to heat air by means of the thermal energy specified by the refrigerant in the condenser. Since the condenser is arranged in an air duct of the Bellustungsan location.
  • the compressor can only be operated at ambient temperatures above a predetermined limit value. This means that the heat pump can only be operated at ambient temperatures above the specified limit value.
  • the heat pump is used in a ventilation system - as previously described - an electrical heating element is generally required in addition to the heat pump, which is also arranged in the air duct of the ventilation system. At ambient temperatures below the specified limit, the heat pump is deactivated and the heating element activated. The heating element is then used for direct heating of air. To do this, the heating element converts electrical energy into thermal energy and releases it into the air.
  • the heating element arranged in the air duct is large and heavy. Especially in the mobile sector, i. H. especially with vehicles, there is an effort to save weight and space. Large and heavy heating elements oppose this.
  • Another disadvantage is that the heat transfer from the surface of the heating element arranged in the air duct to air is relatively poor. In order to ensure sufficient heating of the air, high temperatures of the surface of the heating element are necessary. Because of the high temperatures, safety elements such as thermostats and / or Esti switches have to be provided.
  • An object of the invention is to provide an improved method for operating a heat pump which can be used in a larger temperature range than before. Due to the improved method, a heating element that can be used in parallel with the heat pump in the air duct of a ventilation system can preferably be dispensed with.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which, according to the invention, in a second operating mode of the heat pump, thermal energy is supplied to the refrigerant by means of a heating element of the heat pump. Furthermore, the refrigerant is fed via the compressor into the liquidizer of the heat pump, in which the refrigerant cools down and condenses, the refrigerant emitting thermal energy. In the second operating mode of the heat pump, the refrigerant is then fed back into the heating element via the expansion valve of the heat pump. In this way, the heat pump can be operated in a larger temperature range than before. In particular, the heat pump can be operated in the second operating mode according to the invention at ambient temperatures below the predetermined limit value.
  • the heat transfer to the refrigerant that applies to the heating element of the heat pump is better / more effective than heat transfer to air. Therefore, the heating element of the heat pump can be significantly smaller and lighter than a heating element that is separate from the heat pump. In this way, weight and space can be saved.
  • a refrigerant circuit is preferably established, in which the refrigerant passes through the elements of the heat pump in the sequence evaporator - compressor - condenser - expansion module. This sequence can be repeated several times.
  • a refrigerant circuit is preferably established, in which the refrigerant passes through the elements of the heat pump in the sequence heating element - compressor - condenser - expansion module. This sequence can be repeated several times.
  • the heating element converts electrical energy into thermal energy. That is, the heating element is preferably an electrical heating element.
  • the heating element can also be another heating element.
  • the heating element could also be operated with a hot fluid.
  • the refrigerant tel is heated above its condensation point by means of the heating element.
  • the refrigerant can be overheated by the heating element.
  • thermal energy can be supplied to the refrigerant at least partially by means of the heating element.
  • thermal energy can be supplied to the refrigerant exclusively by means of the heating element.
  • the heat pump is expediently operated at ambient temperatures above a predetermined limit value in the first operating mode.
  • the invention is also directed to a heat pump with an evaporator and a condenser.
  • An evaporator-side refrigerant line of the heat pump runs through the evaporator.
  • a refrigerant line on the condenser side leads through the condenser.
  • the ver evaporator-side refrigerant line is connected on the one hand via a compressor and on the other hand via an expansion valve with the condenser-side refrigerant line to form a refrigerant circuit.
  • the heat pump comprises a heating element.
  • the heat pump includes a further refrigerant line which leads through the heating element.
  • the further refrigerant line is connected in parallel to the evaporator-side refrigerant line.
  • a circuit for a refrigerant can be considered a refrigerant circuit.
  • the further refrigerant line is connected to the condenser-side refrigerant line on the one hand via the compressor and on the other hand via the expansi onsventil.
  • the further refrigerant line can be connected to the condenser-side refrigerant line to form a further refrigerant circuit.
  • the heating element is an electrical heating element.
  • the refrigerant lines of the heat pump expediently carry a refrigerant when the heat pump is in operation.
  • the heating element is preferably designed to supply thermal energy to a refrigerant carried in the further refrigerant line.
  • the heating element can be set up to supply thermal energy to a refrigerant passed through the heating element.
  • the heat pump advantageously comprises a first Wegeven valve, which is preferably arranged between the evaporator and the compressor.
  • the first way valve can be arranged in the coolant line between the evaporator and the compressor.
  • the heat pump comprises a second directional valve, which is preferably arranged between the expansion valve and the evaporator.
  • the second directional control valve can be arranged in the coolant line between the expansion valve and the evaporator.
  • the further coolant line is connected on the one hand to the first directional control valve and on the other hand to the second directional control valve.
  • the further coolant line can be switched parallel to the first coolant line via the directional control valves.
  • the further coolant line can be connected to the second coolant line - in particular to the second coolant circuit - via the directional control valves.
  • the directional control valves are expediently set up to switch between the first-mentioned refrigerant circuit and the further refrigerant circuit.
  • the directional control valves are set up to activate the first-mentioned refrigerant circuit and, in particular at the same time, to deactivate the further refrigerant circuit. In this way, thermal energy can be supplied to the refrigerant in the evaporator.
  • the directional control valves are set up to deactivate the first-mentioned refrigerant circuit and - in particular at the same time - to activate the further refrigerant circuit. In this way, thermal energy can be supplied to the refrigerant by means of the heating element.
  • the directional control valves can be set up to activate both refrigerant circuits, in particular simultaneously. In this way, thermal energy can be supplied to at least part of the refrigerant by means of the heating element. Furthermore, thermal energy can be supplied in this way to part of the refrigerant in the evaporator.
  • the directional control valves can also be set up to deactivate both refrigerant circuits - in particular at the same time. In this way the heat pump can be deactivated.
  • the directional control valves can be controlled by means of electrical signals.
  • the directional control valves can, for example, be designed as solenoid valves. In principle, however, other directional control valves are also conceivable.
  • At least one of the directional control valves is preferably designed as a 3-way valve.
  • each of the directional control valves can be designed as a 3-way valve.
  • the invention is directed to a ventilation system with the aforementioned heat pump and / or one of its developments.
  • the ventilation system also has an air duct in which the condenser of the heat pump is arranged.
  • the heat pump in particular its condenser, is expediently set up for heating air in the air duct.
  • a separate electric heating element for direct heating of air can be dispensed with in the air duct.
  • the ventilation system can be a ventilation system with a heating function.
  • the ventilation system can also be an air conditioning system.
  • the heat pump - especially in a further operating mode - can also be used as a cooling device.
  • the invention is directed to a vehicle with the aforementioned ventilation system and / or one of its developments.
  • vehicle also includes an interior where the air duct of the ventilation system opens into the interior.
  • air to be conducted into the interior is passed through the air duct.
  • the in the condenser from Thermal energy given off by refrigerant can heat the air in the air duct. Then the heated air can be supplied to the interior.
  • the vehicle can for example be designed as a rail vehicle.
  • the vehicle can also be designed as a bus, truck or other vehicle.
  • FIG 2 shows a vehicle with a ventilation system, which the
  • the heat pump 2 has an evaporator 4 and a condenser 6.
  • the heat pump 2 also has an evaporator-side Käl teschtechnisch 8, which leads through the evaporator 4 through.
  • the heat pump 2 also has a condenser-side refrigerant line 10, which leads through the condenser 6.
  • the evaporator-side refrigerant line 8 can, for example, run in a meandering manner within the evaporator 4.
  • the condenser-side refrigerant line 10 can also run in a meandering manner within the condenser 6 (not shown).
  • the evaporator-side refrigerant line 8 is connected to the condenser-side refrigerant line 10 on the one hand via a compressor 12 and on the other hand via an expansion valve 14.
  • the evaporator-side refrigerant line 8 is connected to the condenser-side refrigerant line 10 to form a refrigerant circuit 16.
  • the refrigerant circuit 16 is indicated in FIG. 1 by arrows.
  • the heat pump 2 also has a heating element 18.
  • the heating element 18 is designed as an electrical heating element.
  • the heat pump 2 also has a further refrigerant line 20, which leads through the heating element 18.
  • the further refrigerant line 20 is connected in parallel to the evaporator-side refrigerant line 8.
  • the further refrigerant line 20 is connected to the condenser-side refrigerant line 10 on the one hand via the compressor 12 and on the other hand via the expansion valve 14.
  • the further refrigerant line 20 is connected to the condenser-side refrigerant line 10 to form a further refrigerant circuit 22.
  • the further refrigerant circuit 22 is indicated in Figure 1 by arrows.
  • the heat pump 2 has a first directional control valve 24 which is arranged between the evaporator 4 and the compressor 12.
  • the heat pump 2 has a second directional control valve 26 which is arranged between the expansion valve 14 and the evaporator 4 Ver.
  • the further coolant line 20 is connected on the one hand to the first directional control valve 24 and on the other hand to the second directional control valve 26.
  • the furtherdeschlei device 20 is connected to the evaporator-side refrigerant line 8 paral lel.
  • the further coolant line 20 is also connected to the condenser-side refrigerant line 10 to the further refrigerant circuit 22.
  • the directional control valves 24, 26 can be controlled by means of electrical signals.
  • the directional control valves 24, 26 are each designed as a solenoid valve.
  • the directional control valves 24, 26 are set up to switch between the first-mentioned refrigerant circuit 16 and the second refrigerant circuit 22.
  • the refrigerant lines 8, 10, 20 of the heat pump 2 carry a refrigerant when the heat pump is in operation.
  • the heat pump 2 has (at least) two operating modes. In the first operating mode of the heat pump 2, the refrigerant is guided through the first-mentioned refrigerant circuit 16. This means that in the first operating mode the first-mentioned refrigerant circuit 16 is activated and the further refrigerant circuit 22 is deactivated.
  • the refrigerant evaporates in the evaporator 4, the refrigerant absorbing thermal energy 28 from the environment (receptacle 30).
  • the refrigerant is then fed into the condenser 6 via the compressor 12.
  • the refrigerant cools down and condenses, the refrigerant releasing thermal energy 28 (releasing 32).
  • the refrigerant is then fed back into the evaporator 4 via the expansion valve 14.
  • the refrigerant is passed through the second refrigerant circuit 22.
  • the refrigerant is passed through the heating element 18 instead of through the evaporator 4.
  • the first-mentioned refrigerant circuit 16 is deactivated and the further refrigerant circuit 22 is activated.
  • thermal energy 28 is supplied to the refrigerant by means of the heating element 18 of the heat pump 2 (not shown).
  • the heating element 18 converts electrical energy into thermal energy.
  • the refrigerant is heated above its condensation point by means of the heating element 18.
  • the refrigerant is then fed into the liquid 6 via the compressor 12.
  • the refrigerant cools down and condenses, the refrigerant giving off thermal energy 28 (discharge 32).
  • the refrigerant is then fed back into the heating element 18 via the expansion valve 14.
  • the heat pump 2 is operated in the first operating mode.
  • the heat pump 2 is operated in the second operating mode.
  • the heat pump 2 - in addition to or instead of the second operating mode - has a third operating mode.
  • the refrigerant can be passed through the first-mentioned refrigerant circuit 16 and through the further refrigerant circuit 22. That is, in the third operating mode of the heat pump 2, the refrigerant can be guided partly through the first-mentioned refrigerant circuit 16 and partly through the further refrigerant circuit 22. In this way, in the third operating mode, part of the refrigerant can flow through the evaporator 4 and part of the refrigerant can flow through the heating element 18.
  • FIG. 2 shows a vehicle 34 with a ventilation system 36 which has the heat pump 2 from FIG.
  • the vehicle 34 is designed as a rail vehicle in this example. Especially in rail vehicles is one
  • the ventilation system 36 has an air duct 38.
  • the condenser 6 of the heat pump 2 is in the air duct 38 is arranged.
  • the vehicle 34 has an interior 40 into which the air duct 38 of the ventilation system 36 opens.
  • Air 42 is guided through the air duct 38.
  • the air 42 guided through the air duct 38 can be air 42 from the environment.
  • the flow of air 42 through air duct 38 is shown in FIG. 2 by arrows.
  • the refrigerant When the heat pump 2 is in operation, the refrigerant emits thermal energy 28 when it is in the condenser 6 (release 32, see FIG. 1).
  • the output 32 of the thermal energy 28 takes place both in the first and in the second operating mode of the heat pump (or also in the third operating mode, if available). In this way, the air 42 guided through the air duct 38 can be heated. The heated air is then passed into the interior 40.
  • the air 42 guided through the air duct 38 can thus be heated by means of the heat pump 2, in particular by means of its condenser 6.
  • a separate heating unit for direct heating of the air 42 in addition to the heat pump 2 can thus be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (2), wobei in einem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe (2) ein Kältemittel in einem Verdampfer (4) der Wärmepumpe (2) verdampft, wobei das Kältemittel thermische Energie (28) aus der Umgebung aufnimmt (30). Weiter wird das Kältemittel über einen Verdichter (12) der Wärmepumpe (2) in einen Verflüssiger (6) der Wärmepumpe (2) geführt, in welchem das Kältemittel abkühlt und auskondensiert, wobei das Kältemittel thermische Energie (28) abgibt (32). Im ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe (2) wird außerdem das Kältemittel über ein Expansionsventil (14) der Wärmepumpe (2) wieder in den Verdampfer (4) geführt. Um ein verbessertes Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe (2) zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass in einem zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe (2) mittels eines Heizelements (18) der Wärmepumpe (2) dem Kältemittel thermische Energie (28) zugeführt wird. Weiter wird das Kältemittel über den Verdichter (12) in den Verflüssiger (6) der Wärmepumpe (2) geführt, in welchem das Kältemittel abkühlt und auskondensiert, wobei das Kältemittel thermische Energie (28) abgibt (32). In einem zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe (2) wird außerdem das Kältemittel über das Expansionsventil (14) der Wärmepumpe (2) wieder in das Heizelement (18) geführt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, Wärmepumpe, Belüf tungsanlage und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wär mepumpe, bei dem in einem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe ein Kältemittel in einem Verdampfer der Wärmepumpe verdampft, wobei das Kältemittel thermische Energie aus der Umgebung aufnimmt. Das Kältemittel wird über einen Verdichter der Wär mepumpe in einen Verflüssiger der Wärmepumpe geführt, in wel chem das Kältemittel abkühlt und auskondensiert, wobei das Kältemittel thermische Energie abgibt. In dem ersten Be triebsmodus der Wärmepumpe wird dann das Kältemittel über ein Expansionsventil der Wärmepumpe wieder in den Verdampfer ge führt .
In dem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe stellt sich also ein Kältemittelkreislauf ein, bei dem das Kältemittel die Elemente der Wärmepumpe in der Abfolge Verdampfer - Verdich ter - Verflüssiger - Expansionsmodul durchläuft. Diese Abfol ge wird in der Regel mehrmals wiederholt.
Eine Wärmepumpe kann beispielsweise in einer Belüftungsanlage zur Erwärmung von Luft mittels der im Verflüssiger vom Kälte mittel angegebenen thermischen Energie eingesetzt werden. Da zu ist der Verflüssiger in einem Luftkanal der Belüftungsan lage angeordnet.
Ein Problem ist, dass der Verdichter nur bei Umgebungstempe raturen oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts betreibbar ist. Das heißt, dass auch die Wärmepumpe nur bei Umgebungs temperaturen oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts betrieben werden kann.
Wird die Wärmepumpe in einer Belüftungsanlage - wie zuvor be schrieben - eingesetzt, so ist in der Regel zusätzlich zu der Wärmepumpe ein elektrisches Heizelement nötig, welches eben falls in dem Luftkanal der Belüftungsanlage angeordnet ist. Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des vorgegebenen Grenz werts wird dann die Wärmepumpe deaktiviert und das Heizele ment aktiviert. Das Heizelement wird dann zur direkten Erwär mung von Luft eingesetzt. Dazu wandelt das Heizelement elekt rische Energie in thermische Energie um und gibt diese an die Luft ab.
Das im Luftkanal angeordnete Heizelement ist groß und schwer. Besonders im mobilen Bereich, d. h. besonders bei Fahrzeugen, ist es eine Bestrebung, Gewicht und Platz zu sparen. Große und schwere Heizelemente stehen dem entgegen.
Ein weiterer Nachteil ist, dass der Wärmeübergang von der Oberfläche des im Luftkanal angeordneten Heizelements auf Luft relativ schlecht ist. Um eine ausreichende Erwärmung der Luft zu gewährleisten, sind hohe Temperaturen der Oberfläche des Heizelements nötig. Aufgrund der hohen Temperaturen müs sen wiederum Sicherheitselemente wie Thermostate und/oder Esti-Schalter vorgesehen werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe anzugeben, welches in einem größeren Temperaturbereich als bisher benutzt werden kann. Vorzugsweise kann aufgrund des verbesserten Verfahrens auf ein parallel zu der Wärmepumpe verwendbares Heizelement im Luftkanal einer Belüftungsanlage verzichtet werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs ge nannten Art, bei dem erfindungsgemäß in einem zweiten Be triebsmodus der Wärmepumpe mittels eines Heizelements der Wärmepumpe dem Kältemittel thermische Energie zugeführt wird. Weiter wird das Kältemittel über den Verdichter in den Ver flüssiger der Wärmepumpe geführt, in welchem das Kältemittel abkühlt und auskondensiert, wobei das Kältemittel thermische Energie abgibt. In dem zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe wird dann das Kältemittel über das Expansionsventil der Wär mepumpe wieder in das Heizelement geführt. Auf diese Weise kann die Wärmepumpe in einem größeren Tempe raturbereich als bisher betrieben werden. Insbesondere kann die Wärmepumpe bei Umgebungstemperaturen unterhalb des vorge gebenen Grenzwerts in dem erfindungsgemäßen zweiten Betriebs modus betrieben werden.
Auf diese Weise kann bei Belüftungsanlagen darauf verzichtet werden, im Luftkanal zusätzlich zu der Wärmepumpe ein separa tes Heizelement vorzusehen.
Ferner ist der für das Heizelement der Wärmepumpe geltende Wärmeübergang auf das Kältemittel besser/effektiver als ein Wärmeübergang auf Luft. Deshalb kann das Heizelement der Wär mepumpe deutlich kleiner und leichter sein als ein zu der Wärmepumpe separates Heizelement. Auf diese Weise kann Ge wicht und Platz gespart werden.
Vorzugsweise stellt sich im ersten Betriebsmodus der Wärme pumpe ein Kältemittelkreislauf ein, bei dem das Kältemittel die Elemente der Wärmepumpe in der Abfolge Verdampfer - Ver dichter - Verflüssiger - Expansionsmodul durchläuft. Diese Abfolge kann mehrmals wiederholt werden.
Vorzugsweise stellt sich im zweiten Betriebsmodus der Wärme pumpe ein Kältemittelkreislauf ein, bei dem das Kältemittel die Elemente der Wärmepumpe in der Abfolge Heizelement - Ver dichter - Verflüssiger - Expansionsmodul durchläuft. Diese Abfolge kann mehrmals wiederholt werden.
Es ist bevorzugt, wenn das Heizelement elektrische Energie in thermische Energie umwandelt. Das heißt, dass das Heizelement vorzugsweise ein elektrisches Heizelement ist.
Prinzipiell kann das Heizelement auch ein anderes Heizelement sein. Beispielsweise könnte das Heizelement auch mit einem heißen Fluid betrieben werden.
Zweckmäßigerweise wird mittels des Heizelements das Kältemit tel über seinen Kondensationspunkt erhitzt. Insbesondere kann das Kältemittel mittels des Heizelements überhitzt werden.
Auf diese Weise kann eine Kondensation in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verflüssiger vermieden werden.
Im zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe kann dem Kältemittel zumindest teilweise mittels des Heizelements thermische Ener gie zugeführt werden. Beispielsweise kann dem Kältemittel im zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe ausschließlich mittels des Heizelements thermische Energie zugeführt werden.
Vorzugsweise wird unter der Verwendung von Wegeventilen zwi schen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet.
Die Wärmepumpe wird zweckmäßigerweise bei Umgebungstemperatu ren oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts im ersten Be triebsmodus betrieben.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn die Wärmepumpe bei Umgebungs temperaturen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts im zweiten Betriebsmodus betrieben wird.
Ferner ist die Erfindung gerichtet auf eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer und einen Verflüssiger. Eine verdampfersei tige Kältemittelleitung der Wärmepumpe führt durch den Ver dampfer hindurch. Außerdem führt eine verflüssigerseitige Kältemittelleitung durch den Verflüssiger hindurch. Die ver dampferseitige Kältemittelleitung ist einerseits über einen Verdichter und andererseits über ein Expansionsventil mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung zu einem Kältemittel kreislauf verbunden.
Erfindungsgemäß umfasst die Wärmepumpe ein Heizelement. Au ßerdem umfasst die Wärmepumpe eine weitere Kältemittellei tung, die durch das Heizelement hindurch führt. Die weitere Kältemittelleitung ist zu der verdampferseitigen Kältemittel leitung parallel geschaltet.
Auf diese Weise kann die Wärmepumpe in einem größeren Tempe raturbereich als bisher betreibbar sein. Als Kältemittelkreislauf kann ein Kreislauf für ein Kältemit tel aufgefasst werden.
Es ist zweckmäßig, wenn die weitere Kältemittelleitung einer seits über den Verdichter und andererseits über das Expansi onsventil mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung verbunden ist. Insbesondere kann die weitere Kältemittellei tung mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung zu einem weiteren Kältemittelkreislauf verbunden sein.
Es ist bevorzugt, wenn das Heizelement ein elektrisches Heiz element ist.
Zweckmäßigerweise führen die Kältemittelleitungen der Wärme pumpe im Betrieb der Wärmepumpe ein Kältemittel.
Vorzugsweise ist das Heizelement dazu eingerichtet, einem in der weiteren Kältemittelleitung geführten Kältemittel thermi sche Energie zuzuführen. Insbesondere kann das Heizelement dazu eingerichtet sein, einem durch das Heizelement hindurch geführten Kältemittel thermische Energie zuzuführen.
Die Wärmepumpe umfasst vorteilhafterweise ein erstes Wegeven til, welches vorzugsweise zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordnet ist. Insbesondere kann das erste Wege ventil in der Kühlmittelleitung zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordnet sein.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Wärmepumpe ein zweites Wegeventil umfasst, welches vorzugsweise zwischen dem Expan sionsventil und dem Verdampfer angeordnet ist. Insbesondere kann das zweite Wegeventil in der Kühlmittelleitung zwischen dem Expansionsventil und dem Verdampfer angeordnet sein.
Zweckmäßigerweise ist die weitere Kühlmittelleitung einer seits an das erste Wegeventil und andererseits an das zweite Wegeventil angeschlossen. Insbesondere kann die weitere Kühlmittelleitung über die Wegeventile zu der ersten Kühlmittelleitung parallel geschal tet sein. Weiter kann die weitere Kühlmittelleitung über die Wegeventile mit der zweiten Kühlmittelleitung - insbesondere zu dem zweiten Kühlmittelkreislauf - verbunden sein.
Zweckmäßigerweise sind die Wegeventile dazu eingerichtet, zwischen dem erstgenannten Kältemittelkreislauf und dem wei teren Kältemittelkreislauf umzuschalten.
Es ist vorteilhaft, wenn die Wegeventile dazu eingerichtet sind, den erstgenannten Kältemittelkreislauf zu aktivieren und - insbesondere gleichzeitig - den weiteren Kältemittel kreislauf zu deaktivieren. Auf diese Weise kann dem Kältemit tel in dem Verdampfer thermische Energie zugeführt werden.
Weiter ist vorteilhaft, wenn die Wegeventile dazu eingerich tet sind, den erstgenannten Kältemittelkreislauf zu deakti vieren und - insbesondere gleichzeitig - den weiteren Kälte mittelkreislauf zu aktivieren. Auf diese Weise kann dem Käl temittel thermische Energie mittels des Heizelements zuge führt werden.
Die Wegeventile können dazu eingerichtet sein, beide Käl temittelkreisläufe - insbesondere gleichzeitig - zu aktivie ren. Auf diese Weise kann zumindest einem Teil des Kältemit tels thermische Energie mittels des Heizelements zugeführt werden. Weiter kann auf diese Weise einem Teil des Kältemit tels in dem Verdampfer thermische Energie zugeführt werden.
Weiter können die Wegeventile dazu eingerichtet sein, beide Kältemittelkreisläufe - insbesondere gleichzeitig - zu deak tivieren. Auf diese Weise kann die Wärmepumpe deaktiviert werden .
Es ist vorteilhaft, wenn die Wegeventile mittels elektrischer Signale steuerbar sind. Die Wegeventile können zum Beispiel als Magnetventile ausge bildet sein. Prinzipiell sind jedoch auch andere Wegeventile denkbar .
Vorzugsweise ist zumindest eines der Wegeventile als 3-Wege- ventil ausgebildet. Insbesondere kann jedes der Wegeventile jeweils als 3-Wegeventil ausgebildet sein.
Ferner ist die Erfindung auf eine Belüftungsanlage mit der zuvor genannten Wärmepumpe und/oder eine seiner Weiterbildun gen gerichtet. Die Belüftungsanlage weist außerdem einen Luftkanal auf, in welchem der Verflüssiger der Wärmepumpe an geordnet ist.
Zweckmäßigerweise ist die Wärmepumpe, insbesondere dessen Verflüssiger, zum Erwärmen von Luft im Luftkanal eingerich tet .
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Wärmepumpe kann in dem Luftkanal auf ein zur Wärmepumpe separates elekt risches Heizelement zum direkten Erwärmen von Luft verzichtet werden .
Auf diese Weise kann Platz und Gewicht gespart werden.
Die Belüftungsanlage kann eine Belüftungsanlage mit einer Heizfunktion sein. Weiter kann die Belüftungsanlage eine Klimaanlage sein. Insbesondere kann die Wärmepumpe - insbe sondere in einem weiteren Betriebsmodus - auch als Kühlgerät verwendet werden.
Weiter ist die Erfindung auf ein Fahrzeug mit der zuvor ge nannten Belüftungsanlage und/oder eine seiner Weiterbildungen gerichtet. Das Fahrzeug umfasst außerdem einen Innenraum, wo bei der Luftkanal der Belüftungsanlage in den Innenraum mün det .
Zweckmäßigerweise wird in den Innenraum zu leitende Luft durch den Luftkanal hindurch geführt. Die im Verflüssiger vom Kältemittel abgegebene thermische Energie kann die Luft im Luftkanal erwärmen. Dann kann die erwärmte Luft dem Innenraum zugeführt werden.
Das Fahrzeug kann beispielsweise als Schienenfahrzeug ausge bildet sein. Weiter kann das Fahrzeug als Bus, Lastwagen oder anderes Fahrzeug ausgebildet sein.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltun gen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammenge fasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweck mäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weite ren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der er findungsgemäßen Wärmepumpe, der Belüftungsanlage und dem Fahrzeug kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit gegen ständlich formuliert zu sehen und umgekehrt.
Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfin dung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das je weilige Zahlwort eingeschränkt sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die da rin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit iso liert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung einge- bracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert wer den .
Es zeigen:
FIG 1 eine Wärmepumpe und
FIG 2 ein Fahrzeug mit einer Belüftungsanlage, welche die
Wärmepumpe aus FIG 1 aufweist.
FIG 1 zeigt schematisch eine Wärmepumpe 2. Die Wärmepumpe 2 weist einen Verdampfer 4 und einen Verflüssiger 6 auf.
Die Wärmepumpe 2 weist außerdem eine verdampferseitige Käl temittelleitung 8 auf, die durch den Verdampfer 4 hindurch führt. Weiter weist die Wärmepumpe 2 eine verflüssigerseitige Kältemittelleitung 10 auf, die durch den Verflüssiger 6 hin durchführt .
Die verdampferseitige Kältemittelleitung 8 kann innerhalb des Verdampfers 4 beispielsweise mäanderförmig verlaufen. Auch die verflüssigerseitige Kältemittelleitung 10 kann innerhalb des Verflüssigers 6 beispielsweise mäanderförmig verlaufen (nicht gezeigt) .
Die verdampferseitige Kältemittelleitung 8 ist einerseits über einen Verdichter 12 und andererseits über ein Expansi onsventil 14 mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung 10 verbunden. Insbesondere ist die verdampferseitige Käl temittelleitung 8 mit der verflüssigerseitigen Kältemittel leitung 10 zu einem Kältemittelkreislauf 16 verbunden. Der Kältemittelkreislauf 16 ist in FIG 1 durch Pfeile angedeutet.
Die Wärmepumpe 2 weist außerdem ein Heizelement 18 auf. Das Heizelement 18 ist als elektrisches Heizelement ausgebildet.
Ferner weist die Wärmepumpe 2 eine weitere Kältemittelleitung 20 auf, die durch das Heizelement 18 hindurch führt. Die weitere Kältemittelleitung 20 ist zu der verdampferseiti gen Kältemittelleitung 8 parallel geschaltet.
Die weitere Kältemittelleitung 20 ist einerseits über den Verdichter 12 und andererseits über das Expansionsventil 14 mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung 10 verbunden. Insbesondere ist die weitere Kältemittelleitung 20 mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung 10 zu einem weiteren Kältemittelkreislauf 22 verbunden. Der weitere Kältemittel kreislauf 22 ist in FIG 1 durch Pfeile angedeutet.
Die Wärmepumpe 2 weist ein erstes Wegeventil 24 auf, welches zwischen dem Verdampfer 4 und dem Verdichter 12 angeordnet ist .
Außerdem weist die Wärmepumpe 2 ein zweites Wegeventil 26 auf, welches zwischen dem Expansionsventil 14 und dem Ver dampfer 4 angeordnet ist.
Die weitere Kühlmittelleitung 20 ist einerseits an das erste Wegeventil 24 und andererseits an das zweite Wegeventil 26 angeschlossen. Auf diese Weise ist die weitere Kühlmittellei tung 20 zu der verdampferseitigen Kältemittelleitung 8 paral lel geschaltet. Auf diese Weise ist die weitere Kühlmittel leitung 20 außerdem mit der verflüssigerseitigen Kältemittel leitung 10 zu dem weiteren Kältemittelkreislauf 22 verbunden.
Die Wegeventile 24, 26 sind mittels elektrischer Signale steuerbar. In diesem Beispiel sind die Wegeventile 24, 26 je weils als Magnetventil ausgebildet.
Die Wegeventile 24, 26 sind dazu eingerichtet, zwischen dem erstgenannten Kältemittelkreislauf 16 und dem zweiten Kälte mittelkreislauf 22 umzuschalten.
Die Kältemittelleitungen 8, 10, 20 der Wärmepumpe 2 führen im Betrieb der Wärmepumpe ein Kältemittel.
Die Wärmepumpe 2 weist (zumindest) zwei Betriebsmodi auf. Im ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe 2 wird das Kältemittel durch den erstgenannten Kältemittelkreislauf 16 geführt. Das heißt, dass im ersten Betriebsmodus der erstgenannte Kälte mittelkreislauf 16 aktiviert ist und der weitere Kältemittel kreislauf 22 deaktiviert ist.
Im ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe 2 verdampft das Kälte mittel in dem Verdampfer 4, wobei das Kältemittel thermische Energie 28 aus der Umgebung aufnimmt (Aufnahme 30) . Dann wird das Kältemittel über den Verdichter 12 in den Verflüssiger 6 geführt. In dem Verflüssiger 6 kühlt das Kältemittel ab und kondensiert aus, wobei das Kältemittel thermische Energie 28 abgibt (Abgabe 32) . Das Kältemittel wird dann über das Expan sionsventil 14 wieder in den Verdampfer 4 geführt.
Im zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe 2 wird das Kältemit tel durch den zweiten Kältemittelkreislauf 22 geführt. Das heißt, dass das Kältemittel im zweiten Betriebsmodus der Wär mepumpe 2 - anstatt durch den Verdampfer 4 - durch das Heiz element 18 geführt wird. Das heißt weiter, dass im zweiten Betriebsmodus der erstgenannte Kältemittelkreislauf 16 deak tiviert ist und der weitere Kältemittelkreislauf 22 aktiviert ist .
Im zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe 2 wird mittels des Heizelements 18 der Wärmepumpe 2 dem Kältemittel thermische Energie 28 zugeführt (nicht dargestellt) . Dazu wandelt das Heizelement 18 elektrische Energie in thermische Energie um. Mittels des Heizelements 18 wird das Kältemittel über seinen Kondensationspunkt erhitzt.
Dann wird das Kältemittel über den Verdichter 12 in den Ver flüssiger 6 geführt. In dem Verflüssiger 6 kühlt das Kälte mittel ab und kondensiert aus, wobei das Kältemittel thermi sche Energie 28 abgibt (Abgabe 32) . Das Kältemittel wird dann über das Expansionsventil 14 wieder in das Heizelement 18 ge führt .
Bei Umgebungstemperaturen oberhalb eines vorgegebenen Grenz- werts wird die Wärmepumpe 2 im ersten Betriebsmodus betrie ben .
Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des vorgegebenen Grenz werts wird die Wärmepumpe 2 im zweiten Betriebsmodus betrie ben .
Zwischen den Betriebsmodi kann unter der Verwendung von den Wegeventilen 24, 26 umgeschaltet werden.
Das heißt, dass unter der Verwendung von den Wegeventilen 24, 26 zwischen dem erstgenannten Kältemittelkreislauf 16 und dem weiteren Kältemittelkreislauf 22 umgeschaltet werden kann.
Ferner ist es möglich, dass die Wärmepumpe 2 - zusätzlich oder anstatt des zweiten Betriebsmodus - einen dritten Be triebsmodus aufweist.
Im dritten Betriebsmodus der Wärmepumpe 2 kann das Kältemit tel durch den erstgenannten Kältemittelkreislauf 16 und durch den weiteren Kältemittelkreislauf 22 geführt werden. Das heißt, im dritten Betriebsmodus der Wärmepumpe 2 kann das Kältemittel zum Teil durch den erstgenannten Kältemittel kreislauf 16 und zum Teil durch den weiteren Kältemittel kreislauf 22 geführt werden. Auf diese Weise kann im dritten Betriebsmodus ein Teil des Kältemittels den Verdampfer 4 durchströmen und ein Teil des Kältemittels das Heizelement 18 durchströmen .
FIG 2 zeigt ein Fahrzeug 34 mit einer Belüftungsanlage 36, welche die Wärmepumpe 2 aus FIG 1 aufweist.
Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel aus FIG 1, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen ver wiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Elemente werden grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erwähnte Merkmale sind in das folgende Ausführungsbei spiel übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind. Das Fahrzeug 34 ist in diesem Beispiel als Schienenfahrzeug ausgeführt. Insbesondere in Schienenfahrzeugen ist eine
Platz- und Gewichtsersparnis von besonderer Bedeutung.
Die Belüftungsanlage 36 weist einen Luftkanal 38 auf. Der Verflüssiger 6 der Wärmepumpe 2 ist in dem Luftkanal 38 ange ordnet .
Das Fahrzeug 34 weist einen Innenraum 40 auf, in welchen der Luftkanal 38 der Belüftungsanlage 36 mündet.
Durch den Luftkanal 38 wird Luft 42 geführt. Beispielsweise kann die durch den Luftkanal 38 geführte Luft 42 Luft 42 aus der Umgebung sein. Die Strömung der Luft 42 durch den Luftka- nal 38 hindurch ist in FIG 2 durch Pfeile dargestellt.
Im Betrieb der Wärmepumpe 2 gibt das Kältemittel, wenn es sich im Verflüssiger 6 befindet, thermische Energie 28 ab (Abgabe 32, vgl. FIG 1) . Die Abgabe 32 der thermischen Ener gie 28 erfolgt sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebs modus der Wärmepumpe (bzw. auch im dritten Betriebsmodus, falls vorhanden) . Auf diese Weise kann die durch den Luftka nal 38 geführte Luft 42 erwärmt werden. Die erwärmte Luft wird dann in den Innenraum 40 geleitet.
In beiden Betriebsmodi, d. h. bei Umgebungstemperaturen ober halb sowie unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts, kann die durch den Luftkanal 38 geführte Luft 42 somit mittels der Wärmepumpe 2, insbesondere mittels ihres Verflüssigers 6, er wärmt werden.
Im Luftkanal 38 kann damit auf eine separate Heizeinheit zur direkten Erwärmung der Luft 42 zusätzlich zur Wärmepumpe 2 verzichtet werden.
Auf diese Weise kann Platz und Gewicht gespart werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein geschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
Bezugs zeichenliste
2 Wärmepumpe
4 Verdampfer
6 Verflüssiger
8 verdampferseitige Kältemittelleitung
10 verflüssigerseitige Kältemittelleitung
12 Verdichter
14 Expansionsventil
16 Kältemittelkreislauf
18 Heizelement
20 weitere Kältemittelleitung
22 weiterer Kältemittelkreislauf
24 Ventil
26 Ventil
28 thermische Energie
30 Aufnahme
32 Abgabe
34 Fahrzeug
36 Belüftungsanlage
38 Luftkanal
40 Innenraum
42 Luft

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (2),
wobei in einem ersten Betriebsmodus der Wärmepumpe (2)
- ein Kältemittel in einem Verdampfer (4) der Wärmepumpe (2) verdampft, wobei das Kältemittel thermische Energie (28) aus der Umgebung aufnimmt (30),
- das Kältemittel über einen Verdichter (12) der Wärmepum pe (2) in einen Verflüssiger (6) der Wärmepumpe (2) ge führt wird, in welchem das Kältemittel abkühlt und aus kondensiert, wobei das Kältemittel thermische Energie (28) abgibt (32),
- das Kältemittel über ein Expansionsventil (14) der Wär mepumpe (2) wieder in den Verdampfer (4) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zweiten Betriebsmodus der Wärmepumpe (2)
- mittels eines Heizelements (18) der Wärmepumpe (2) dem Kältemittel thermische Energie (28) zugeführt wird,
- das Kältemittel über den Verdichter (12) in den Verflüs siger (6) der Wärmepumpe (2) geführt wird, in welchem das Kältemittel abkühlt und auskondensiert, wobei das Kältemittel thermische Energie (28) abgibt (32),
- das Kältemittel über das Expansionsventil (14) der Wär mepumpe (2) wieder in das Heizelement (18) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (18) elektrische Energie in thermische Ener gie (28) umwandelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels des Heizelements (18) das Kältemittel über seinen Kondensationspunkt erhitzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
unter der Verwendung von Wegeventilen (24, 26) zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmepumpe (2) bei Umgebungstemperaturen oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts im ersten Betriebsmodus betrieben wird und bei Umgebungstemperaturen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts im zweiten Betriebsmodus betrieben wird.
6. Wärmepumpe (2) mit einem Verdampfer (4) und einen Verflüs siger ( 6 ) ,
wobei eine verdampferseitige Kältemittelleitung (8) der Wär mepumpe (2) durch den Verdampfer (4) hindurchführt und eine verflüssigerseitige Kältemittelleitung (10) durch den Ver flüssiger (6) hindurchführt, wobei die verdampferseitige Käl temittelleitung (8) einerseits über einen Verdichter (12) und andererseits über ein Expansionsventil (14) mit der verflüs sigerseitigen Kältemittelleitung (10) zu einem Kältemittel kreislauf (16) verbunden ist,
gekennzeichnet durch
ein Heizelement (18) und eine weitere Kältemittelleitung (20), die durch das Heizelement (18) hindurch führt und die zu der verdampferseitigen Kältemittelleitung (8) parallel geschaltet ist.
7. Wärmepumpe (2) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die weitere Kältemittelleitung (20) einerseits über den Ver dichter (12) und andererseits über das Expansionsventil (14) mit der verflüssigerseitigen Kältemittelleitung (10) zu einem weiteren Kältemittelkreislauf (22) verbunden ist.
8. Wärmepumpe (2) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (18) ein elektrisches Heizelement ist.
9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
gekennzeichnet durch
ein erstes Wegeventil (24), welches zwischen dem Verdampfer (4) und dem Verdichter (12) angeordnet ist, und ein zweites Wegeventil (26), welches zwischen dem Expansions ventil (14) und dem Verdampfer (4) angeordnet ist,
wobei die weitere Kühlmittelleitung (20) einerseits an das erste Wegeventil (24) und andererseits an das zweite Wegeven til (26) angeschlossen ist.
10. Wärmepumpe (2) nach Anspruch 7 und Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wegeventile (24, 26) dazu eingerichtet sind, zwischen dem erstgenannten Kältemittelkreislauf (16) und dem weiteren Käl temittelkreislauf (22) umzuschalten.
11. Wärmepumpe (2) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wegeventile (24, 26) mittels elektrischer Signale steuer bar sind.
12. Wärmepumpe (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wegeventile (24, 26) als Magnetventile ausgebildet sind.
13. Belüftungsanlage (36) mit einer Wärmepumpe (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 12 und einem Luftkanal (38), in welchem der Verflüssiger (6) der Wärmepumpe (2) angeordnet ist.
14. Fahrzeug (34) mit einer Belüftungsanlage (36) nach An spruch 13 und einem Innenraum (40), wobei der Luftkanal (38) der Belüftungsanlage (36) in den Innenraum (40) mündet.
15. Fahrzeug (34) nach Anspruch 14,
welches als Schienenfahrzeug ausgebildet ist.
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