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Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen - Dokument DE3500252C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3500252C2 15.09.1994
Titel Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen
Anmelder Misawa Homes Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kinoshita, Teruo, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Schroeter, H., Dipl.-Phys., 7070 Schwäbisch Gmünd; Fleuchaus, L., Dipl.-Ing.; Lehmann, K., Dipl.-Ing., 81479 München; Wehser, W., Dipl.-Ing., 30161 Hannover; Gallo, W., Dipl.-Ing. (FH), Pat.-Anwälte, 86152 Augsburg
DE-Anmeldedatum 05.01.1985
DE-Aktenzeichen 3500252
Offenlegungstag 18.07.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.09.1994
IPC-Hauptklasse F25B 13/00
IPC-Nebenklasse F24J 3/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wärmepumpen zur Aufnahme von Wärme aus einem Wärmespeicher und zur Abgabe von Wärme an einen anderen Wärmespeicher werden häufig für Klimaanlagen, Warmwasserbereiter oder dgl. verwendet.

Dabei sind eine Reihe verschiedener Wärmepumpensysteme bekannt, die im folgenden kurz erläutert werden sollen:

Zum einen gibt es Systeme mit zwei Wärmespeichern, bei denen je ein Wärmetauscher für je einen Wärmespeicher vorhanden ist, welche miteinander durch eine Kältemittelleitung verbunden sind, wobei in Abhängigkeit von der Umlaufrichtung des Kältemittels einer der Wärmetauscher als Verdampfer und der andere als Kondensator verwendet wird, um einen Kältekreislauf herzustellen. Wenn ein Wärmetauscher in einem Speicher angeordnet ist, der als Wärmeträgerfluid beispielsweise Wasser enthält, wird, wenn der Wärmetauscher ein Kondensator ist, in diesem Speicher Warmwasser gesammelt, wohingegen kaltes Wasser gespeichert wird, wenn der Wärmetauscher ein Verdampfer ist.

Bei diesen bekannten Systemen kann in dem betreffenden Speicher nur warmes Wasser oder nur kaltes Wasser gespeichert und gesammelt werden, aber es ist nicht möglich, gleichzeitig sowohl warmes als auch kaltes Wasser in dem Speicher zu sammeln.

Als Beispiel für solche Wärmepumpensysteme wird auf die ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Sho 58-69 346 und 58-205 040 hingewiesen. Diese Vorrichtungen bestehen aus einer Warmwasserbereitungsanlage mit einer Wärmepumpe, bei der zwei Wärmetauscher für die Lieferung von Warmwasser in Reihe miteinander verbunden sind. Der erste Wärmetauscher für die Bereitung von Warmwasser wird hauptsächlich für den Wärmetausch während der Kondensation des Kältekreislaufes verwendet, wobei warmes Wasser mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur erzeugt wird. Der zweite Wärmetauscher zur Lieferung von Warmwasser wird hauptsächlich für den Wärmeaustausch in der Gasphase während der Kondensation verwendet, und ein Teil des durch den ersten Wärmetauscher erhitzten Warmwassers wird erneut erhitzt, um Warmwasser einer höheren Temperatur zu erzeugen.

Dieser Warmwassererzeuger wird in Haushaltungen verwendet, um Warmwasser mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur zum Baden, Waschen und Reinigen und um heißes Wasser mit verhältnismäßig hoher Temperatur als Zusatzwasser für Badezwecke zur Verfügung zu stellen. Bei diesem System sind die Nachteile der z. B. in der DE-PS 8 24 348 beschriebenen Technik vermieden, die darin bestehen, daß Warmwasser mit verhältnismäßig geringer Temperatur durch die Wärmepumpe zur Verfügung gestellt wird, während eine zusätzliche Wärmequelle wie beispielsweise eine elektrische Heizung erforderlich ist, um heißes Wasser bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu erzeugen. Bei der Wärmepumpenanlage gemäß den ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Sho 58-69 346 und 58-205 040 werden im Gegensatz zur DE-PS 8 24 348 nämlich zwei Sorten Warmwasser erzeugt, die sich in ihrer Temperatur unterscheiden.

Bei der Vorrichtung gemäß den ungeprüften japanischen Patentanmeldungen Sho 58-69 346 und 58-205 040 wird Wasser, das außerhalb durch Wärmetausch erwärmt wurde, in einen Wärmespeichertank eingeführt. Wenn kaltes Wasser in diesen Wärmespeichertank eingegeben wird, wird die Wärme des aus dem oberen Teil der Wärmespeichertanks entnommenen Wassers in den äußeren Wärmetauscher abgegeben, um kaltes Wasser zu erzeugen, was dann in den unteren Teil des Wärmespeichertanks eingeführt wird. Wenn Warmwasser in den Wärmespeichertank gegeben wird, wird die Wärme des vom unteren Teil des Wärmespeichertanks entnommenen Wassers durch den äußeren Wärmespeicher aufgenommen, um Warmwasser zu erzeugen, welches dann in den oberen Teil des Wärmespeichertanks eingeführt wird.

Bei dieser Vorrichtung ist es daher möglich, ein Vermischen von kaltem und warmem Wasser in dem Wärmespeichertank zu vermeiden und den Nutzungsgrad des Wärmetauschers zu verbessern. Allerdings ist es nicht möglich, den Wärmespeichertank zur Erzeugung von kaltem und warmem Wasser heranzuziehen.

Es ist offensichtlich, daß diese Wärmepumpensysteme nur entweder warmes oder kaltes Wasser herstellen können, während ein Wärmepumpensystem, das gleichzeitig zwei Sorten Warmwasser unterschiedlicher Temperatur, zwei Sorten Kaltwasser unterschiedlicher Temperatur oder kaltes und warmes Wasser herstellen kann, nicht zur Verfügung steht.

Aus dem JP-Abstract 54-26 553 A ist eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen bekannt, bei der zur Verbesserung der Heizcharakteristik ein äußerer Wärmetauscher (hier: Solarkollektor) mit einem verbesserten Kältemittelkreislauf kombiniert ist, bei dem sich zwei als Verdampfer bzw. Kondensator betriebene Wärmetauscher in einem gemeinsamen mit einem Wärmeträgerfluid gefüllten Wärmespeicher befinden, und mittels Umschaltventilen im Kühlkreislauf eine Umkehr der Zirkulationsrichtung des Kühlmittels und damit eine Heizung bzw. Kühlung von Wärmetauschern möglich ist. Die dabei gewählte Anordnung soll eine Verbesserung der Heizcharakteristik der Wärmepumpe ermöglichen. Sie sieht keine zusätzlichen Vorrichtungen im Inneren des Wärmespeichers vor, um die Temperaturbeschichtung zu unterstützen.

Aus der DE 77 20 282 U1 ist ein Wärmetauscher für ein Kühlgerät bekannt, dessen Kälteaggregat als Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung benutzt wird, wobei der Wärmetauscher einen Behälter zur Aufnahme des zu erwärmenden Wassers umfaßt, der durch zumindest eine Trennwand in zumindest zwei Abteilungen unterteilt ist, zwischen denen ein Wasserübertritt ermöglicht ist, wodurch die Bildung von übereinanderliegenden Wasserschichten mit unterschiedlicher Temperatur unterstützt wird.

Der Erfindung liegt vornehmlich die Aufgabe zugrunde, ein Wärmepumpensystem zu schaffen, bei dem die Nachteile bisheriger Anlagen vermieden sind und in einem Speicher eine Mehrzahl von Wärmeträgerfluidtemperaturen erzeugt werden kann, die einer unmittelbaren Nutzung für Heiz- und Kühlzwecke zugänglich sind.

Gemäß der Erfindung ist hierzu ein Wärmepumpensystem vorgesehen, bei dem ein Wärmeträgerfluid in einem Speicher unterschiedliche Temperaturen aufweist, die von einer oberen Schicht zu einer unteren Schicht in dem Speicher allmählich abnehmen, wobei gleichzeitig ein kaltes und ein heißes Wärmeträgerfluid erzeugt werden können.

Dabei soll ein Wärmepumpensystem angegeben werden, bei dem das gesamte Wärmeträgerfluid in einem Speicher auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, die so ausgelegt ist, daß sie schichtweise von oben nach unten in dem Speicher abnimmt. Es soll außerdem möglich sein, nur den oberen Teil des Wärmeträgerfluids im Tank auf eine hohe Temperatur zu erhitzen. Ferner soll die Möglichkeit bestehen, das Wärmeträgerfluid im Speicher auf im wesentlichen dieselbe Temperatur zu erhitzen.

Daneben soll die Möglichkeit vorhanden sein, das gesamte Wärmeträgerfluid im Speicher auf eine niedrige Temperatur zu kühlen, welche vom unteren Teil des Tanks ausgehend allmählich schichtweise erhöht werden kann.

Ferner soll es möglich sein, nur den unteren Teil des Wärmeträgerfluids im Speicher auf eine niedrige Temperatur abzukühlen.

Schließlich soll ein Wasserbereiter bereitgestellt werden, mit dem kaltes oder warmes Wasser bei einer bestimten Temperatur erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Lage, ein Wärmeträgerfluid aus dem Speicher zu entnehmen und in Wärmetauschern umzuwälzen, um eine Klimaanlage zu betreiben und warmem oder kalte Luft durch die Wärmetauscher zu erzeugen. Die Wärmepumpenvorrichtung kann mit Wasserbereitern kombiniert werden, um warmes und/oder kaltes Wasser mittels Wärmeaustausch durch das Wärmeträgerfluid im Speicher zu erzeugen und für die gewünschten Zwecke abzugeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, die ein Schaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wiedergibt.

Wie die Zeichnung zeigt, ist eine Abgabeöffnung 1a eines Kompressors 1 für ein Kältemittel, der die Zirkulation des Kältemittels erzwingt, mit einem Anschluß 2a eines Vierwegeventils 2 verbunden, während eine Ansaugöffnung 1b des Kompressors 1 für das Kältemittel mit einem weiteren Anschluß 2b des Vierwegeventils 2 verbunden ist. Das Vierwegeventil 2 dient zum Wechseln der Durchlaufrichtung des Kältemittels.

Die beiden übrigen Anschlüsse 2c und 2d des Vierwegeventils 2 sind mit einem äußeren Wärmetauscher 4 (zweiter Wärmetauscher) für den Wärmetausch von Außenluft mit dem Kältemittel beziehungsweise mit einem Anschluß 6a eines Wärmetauschers 6 verbunden, der im oberen Teil eines Speichers 5 angeordnet ist, der ein Wärmeträgerfluid enthält.

Der andere Anschluß 6b des Wärmetauschers 6 ist über ein Leitungsteil 7 für das Kältemittel mit einem Anschluß 8a eines Wärmetauschers 8 verbunden, der im unteren Teil des Speichers 5 angeordnet ist und dessen anderer Anschluß 8b über eine Expansionsvorrichtung 9, z. B. ein Kapillarrohr oder ein Expansionsventil, mit einem Anschluß 4a des äußeren Wärmetauschers 4 verbunden ist. Parallel zum Leitungsteil 7 ist eine Expansionsleitung 11 mit einem Expansionsventil 10 geschaltet, wobei zwei Absperrventile 12 und 13 so angeordnet sind, daß das Kältemittel wahlweise durch den Leitungsteil 7 oder die Expansionsleitung 11 strömt.

Die ersten Wärmetauscher 6 und 8 im Speicher 5 sowie der äußere, zweite Wärmetauscher 4 können entweder als Kondensator oder als Verdampfer arbeiten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem Speicher 5 zwei Wärmetauscher 6 und 8 angeordnet, aber es besteht auch die Möglichkeit, wenigstens drei Wärmetauscher im Speicher 5 vorzusehen, die in vertikaler Richtung voneinander getrennt sind. Der Kältemittel-Kompressor 1, die Wärmetauscher 6 und 8, das Expansionsventil 9 und der äußere Wärmetauscher 4 sind hintereinander durch eine Kältemittelleitung 15 verbunden und bilden dadurch einen Wärmepumpenkreislauf.

Die Kältemittelleitung 15 ist durch eine Bypassleitung 21 kurzgeschlossen, so daß der Wärmetauscher 6 im Speicher 5 und das Expansionsventil 10 umgangen werden können. Eine weitere Bypassleitung 22 zum Kurzschließen der Kältemittelleitung 15 ist so angeordnet, daß der untere Wärmetauscher 8 umgangen werden kann. In den beiden Bypassleitungen 21 und 22 sind Absperrventile 23 bzw. 24 angeordnet. Durch Öffnen oder Schließen der Absperrventile 12 bzw. 13 fließt das Kältemittel durch den Wärmetauscher 6 entweder über den Leitungsteil 7 oder durch das Expansionsventil 10. Durch Öffnen oder Schließen des Absperrventils 23 wird festgelegt, ob das Kältemittel durch den Wärmetauscher 6 strömt oder diesen über die Bypassleitung 21 umgeht.

Eine Bypassleitung 27 mit einem Ventil 26 zum Öffnen und Schließen dieser Leitung ist parallel zu der Reihenschaltung aus Expansionsventil 9 und äußerem Wärmetauscher 4 geschaltet. Zwischen die Bypassleitung 27 und die Reihenschaltung aus Expansionsventil 9 und äußerem Wärmetauscher 4 ist ein Absperrventil 32 geschaltet, so daß bei geöffnetem Ventil 26 das verdampfte Kältemittel nicht in den äußeren Wärmetauscher 4 strömt.

In einem Raum ist ein Wärmetauscher 41 für eine Klimanalage, z. B. ein Kühl- und Heizgerät angeordnet, und das Wärmeträgerfluid wird durch ein Umwälzorgan durch diesen Wärmetauscher und den Speicher 5 gedrückt, um dadurch die Lufttemperatur in dem Raum zu steuern. Hierzu ist ein elektromagnetisches Dreiwegeventil 43 vorgesehen, von dem ein Anschluß über eine Wärmeträgerfluidleitung 44, in die eine Umwälzpumpe 42 geschaltet ist, mit einer Ansaugöffnung 41a des Wärmetauschers 41 verbunden ist. Die anderen beiden Anschlüsse des Dreiwegeventils 43 sind über Wärmeträgerfluidleitungen 45 und 46 mit Abgabeöffnungen 45a bzw. 46a verbunden, welche in dem Speicher 5 entsprechend der Höhe des Wärmetauschers 6 bzw. des Wärmetauschers 8 angeordnet sind. Eine Abgabeöffnung 41b des Wärmetauschers 41 ist über eine Wärmeträgerfluidleitung 48 mit einem Anschluß eines elektromagnetischen Dreiwegeventils 47 verbunden, dessen andere beiden Anschlüsse über Wärmeträgerfluidleitungen 51 und 52 mit einer Abgabeöffnung 51a bzw. 52a verbunden sind, die in Höhe des Wärmetauschers 6 bzw. des Wärmetauschers 8 in das Wärmeträgerfluid ragen. Über das Dreiwegeventil 43 kann entweder die Wärmeträgerfluidleitung 45 oder die Wärmeträgerfluidleitung 46 angesteuert werden, während über das Dreiwegeventil 47 entweder die Wärmeträgerfluidleitung 52 oder die Wärmeträgerfluidleitung 51 gewählt werden kann, so daß das Wärmeträgerfluid im Speicher in den Wärmetauscher 41 gelangt und dort einen Wärmeaustausch mit der Luft im Raum durchführt, um anschließend in den Speicher 5 zurückgeführt zu werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält außerdem Mittel zur Versorgung mit kaltem oder warmem Wasser einer vorbestimten Temperatur durch Wärmeaustausch des Wärmeträgerfluids, dessen Temperatur im Speicher 5 geregelt wird, mit dem Wasser.

Hierzu sind in dem Speicher 5 dritte Wärmetauscher 61 und 62 getrennt voneinander in unterschiedlichen Höhen angeordnet, die den Höhen der Wärmetauscher 6 bzw. 8 entsprechen. Wasser normaler Temperatur kann je nach der Stellung eines elektromagnetischen Dreiwegeventils 64 über eine Wasserzufuhrleitung 65 einer Ansaugöffnung 61a des Wärmetauschers 61 oder über eine Wasserzufuhrleitung 66 einer Ansaugöffnung 62a des Wärmetauschers 62 zugeführt werden. In den Wärmetauschern 61 und 62 findet ein Wärmetausch zwischen diesem Wasser und dem Wärmeträgerfluid statt, wodurch kaltes oder warmes Wasser einer vorbestimmten Temperatur bereitet wird. Das auf diese Weise erzeugte, kalte oder warme Wasser wird über Wasserleitungen 68 und 69, die mit Abgabeöffnungen 61b bzw. 62b verbunden sind, nach außen abgegeben. Eine Rückflußleitung 71 mit einem Absperrventil 72 ist mit der Wasserleitung 68 verbunden, wodurch über eine Wasserzufuhröffnung 71a der Rückflußleitung 71 Wasser in den Speicher 5 eingeleitet werden kann.

Im beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmeträgerfluid Wasser.

Nachstehend wird die Betriebsweise des Systems gemäß der Erfindung beschrieben, wobei aus Vereinfachungsgründen angenommen werden soll, daß das Wärmeträgerfluid im Speicher 5 Wasser ist.

Fall 1: Der Speicher 5 enthält gleichzeitig warmes und kaltes Wasser

Die Ventile 12, 23, 24, 31 und 32 sind geschlossen, während die Ventile 13 und 26 geöffnet sind. Das Vierwegeventil 2 befindet sich in der mit durchgehenden Linien angegebenen Stellung A, so daß der Anschluß 2a mit dem Anschluß 2d und der Anschluß 2b mit dem Anschluß 2c verbunden sind. Auf diese Weise wird Hochtemperatur- und Hochdruck-Kältemittel von dem Kompressor 1 zum Wärmespeicher 6 geleitet.

Das vom Kältemittel-Kompressor 1 abgegebene, verdampfte Hochtemperatur- Hochdruck-Kältemittel gibt im Wärmetauscher 6 Wärme ab, weil dieser als Kondensator arbeitet. Durch diese Wärmeabgabe wird das Wasser im oberen Teil des Speichers 5 aufgeheizt und in Warmwasser umgewandelt, während das Kältemittel zu einem Hochdruck-Mitteltemperatur-Kältemittel kondensiert. Da das Ventil 13 offen ist, strömt das Kältemittel über das Expansionsventil 10 und wird durch adiabatische Expansion in ein Niedrigtemperatur-Niedrigdruck-Kältemittel verwandelt. Dieses Kältemittel wird dann zu dem Wärmetauscher 8 geleitet. Dieser arbeitet im vorliegenden Falls als Verdampfer, so daß das verdampfte Kältemittel dem Wasser im unteren Teil des Speichers 5 Wärme entzieht und dieses Wasser abkühlt. Aus dem Wärmetauscher 8 strömt das Niedrigtemperatur-Niedrigdruck-Kältemittel über das Ventil 26, das Zweiwegeventil 2 und einen Zwischenspeicher 3 zum Kompressor 1 zurück, wodurch es erneut auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur gebracht wird.

In diesem Kreislauf findet ein Wärmepumpenzyklus statt, bei dem Wasser im unteren Teil des Speichers 5 als Niedrigtemperatur-Wärmequelle und Wasser im oberen Teil des Speichers 5 als Hochtemperatur-Wärmequelle verwendet wird, so daß im oberen Teil des Speichers 5 warmes und im unteren Teil kaltes Wasser angesammelt wird. Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Gewichte zwischen warmem und kaltem Wasser findet keine Durchmischung statt.

Fall 2: Der Speicher 5 enthält warmes Wasser

In diesem Fall bestehen drei Möglichkeiten zur Speicherung von Wasser.

Nach der ersten Möglichkeit werden beide Wärmetauscher 6 und 8 als Kondensatoren verwendet. Dabei sind die Ventile 13, 23, 24 und 26 geschlossen, während die Ventile 12, 31 und 32 geöffnet sind.

Das Kältemittel strömt bei hoher Temperatur und hohem Druck, ausgehend von dem Kompressor 1, in den Wärmetauscher 6 und anschließend in den Wärmetauscher 8, wobei es kondensierte Wärme abgibt. Dadurch wird das Wasser im oberen und im unteren Teil des Speichers 5 erwärmt, während das Kältemittel kondensiert und eine mittlere bzw. eine niedrige Temperatur erhält. Durch das Expansionsventil 9 werden Temperatur und Druck des Kältemittels erniedrigt und bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck verdampft und in diesem Zustand zum Kompressor 1 zurückgeführt wird, wo es auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau gebracht wird.

Bei diesem Kreislauf wird das Wasser im oberen und im unteren Teil des Speichers 5 erhitzt, so daß im gesamten Speicher 5 erhitztes Wärmeträgerfluid gespeichert werden kann. Das durch den unteren Wärmetauscher 8 erwärmte Wasser verleiht dem Wasser im Speicher durch Konvektion eine im wesentliche gleichmäßige Temperatur, und das Wasser im oberen Teil des Speichers wird durch den oberen Wärmetauscher 6 nochmals erwärmt. Dadurch kann im oberen Teil Wasser hoher Temperatur und im unteren Teil Wasser mittlerer Temperatur erzeugt werden. Für den Fall, daß wenigstens drei Wärmetauscher in dem Speicher angeordnet sind, wird eine entsprechende Zahl von Schichten von Wasser erzeugt, bei denen die Temperatur vom unteren Teil ausgehend allmählich ansteigt.

Bei der zweiten Möglichkeit ist nur der Wärmetauscher 6 in Betrieb, während der Wärmetauscher 8 nicht arbeitet. In diesem Fall sind die Ventile 13, 23 und 26 geschlossen, während die Ventile 12, 24, 31 und 32 geöffnet sind. Der Wärmetauscher 6 arbeitet in der oben beschriebenen Weise, um warmes Wasser im oberen Teil des Speichers 5 zu erzeugen. Das aus dem Wärmetauscher 6 kommende Kältemittel wird über die Ventile 12, 24, 31 und 32 dem Kompressor 1 zurückgeführt. Da der Wärmetauscher 8 nicht in Betrieb ist, wird nur im oberen Teil des Speichers 5 warmes Wasser angesammelt. Da bei diesem Verfahren nur im oberen Teil eine ausreichende Menge von Warmwasser erzeugt wird, ist dieses geeignet für ein schnelles Aufheizen.

Bei der dritten Möglichkeit ist nur der untere Wärmetauscher 8 als Kondensator eingesetzt, während der obere Wärmetauscher 6 nicht in Betrieb ist. Dabei sind die Ventile 12, 13, 24 und 26 geschlossen, während die Ventile 23, 31 und 32 geöffnet sind. Das vom Kompressor 1 abgegebene Kältemittel strömt über die Bypassleitung 21 direkt in den Wärmetauscher 8 und gibt dort Wärme ab. Da der obere Wärmetauscher 6 nicht arbeitet, wird das gesamte Wasser im Speicher 5 nur durch den unteren Wärmetauscher 8 durch Konvektion gleichförmig aufgeheizt.

Fall 3: Der Speicher 5 enthält kaltes Wasser

Wie im Fall 2, bei dem der Speicher 5 warmes Wasser enthält, gibt es auch hier drei Möglichkeiten.

Bei der ersten Möglichkeit arbeiten beide Wärmetauscher 6 und 8 als Verdampfer. Dabei sind die Ventile 13, 23, 24 und 26 geschlossen, während die Ventile 12, 31 und 32 geöffnet sind. Das Vierwegeventil 2 ist in die Stellung B umgeschaltet, die gestrichelt ist und bei der die Anschlüsse 2a und 2c bzw. 2b und 2d miteinander verbunden sind. Auf diese Weise strömt verdampftes Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittel vom Kompressor 1 zu dem äußeren Wärmetauscher 4.

Das Kältemittel gibt am äußeren Wärmetauscher 4 Wärme ab und wird durch adiabatische Expansion im Expansionsventil 9 auf eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck gebracht. Das kondensierte Kältemittel strömt dann durch den unteren Wärmetauscher 8, das Ventil 12 und den oberen Wärmetauscher 6, wobei es verdampft und Wärme aufnimmt, um auf diese Weise das Wasser im unteren und oberen Teil des Speichers 5 abzukühlen. Das Kältemittel verdampft dabei und nimmt eine niedrige Temperatur bei niedrigem Druck an, um anschließend im Kompressor 1 auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur zurückgeführt zu werden.

Bei diesem Kreislauf wird Wasser sowohl im oberen als auch im unteren Teil des Speichers 5 abgekühlt, der somit insgesamt als Kühlspeicher für kaltes Wasser arbeitet.

Besonders durch die Abkühlung des Wassers mittels des oberen Wärmetauschers 6 wird das gesamte Wasser im Speicher auf eine im wesentliche gleichmäßige Temperatur durch Konvektion abgekühlt, und da dieses abgekühlte Wasser durch den unteren Wärmetauscher nochmals abgekühlt wird, ergeben sich zwei Schichten kalten Wassers unterschiedlicher Temperatur im Speicher 5, wobei die Temperatur in der unteren Schicht niedriger ist.

Bei der zweiten Methode ist nur der untere Wärmetauscher 8 als Verdampfer in Betrieb, während der obere Wärmetauscher 6 nicht arbeitet. Dabei sind die Ventile 12, 13, 24 und 26 geschlossen, während die Ventile 23, 31 und 32 geöffnet sind. Durch den unteren Wärmetauscher 8 ist im unteren Teil des Speichers 5 kaltes Wasser angesammelt.

Das vom Kompressor 1 abgegebene Kältemittel kondensiert im äußeren Wärmetauscher 4, der als Kondensator arbeitet und dabei Wärme abgibt, und das Expansionsventil 9 bewirkt eine adiabatische Expansion des Kältemittels, welches anschließend in den unteren Wärmetauscher 8 strömt und in diesem verdampft, wodurch das Wasser im unteren Teil des Speichers abgekühlt wird. Das das Ventil 23 geöffnet ist, fließt das Kältemittel über die Bypassleitung 21 unter Umgehung des oberen Wärmetauschers 6 zum Kompressor 1 zurück.

Somit wird nur das Wasser im unteren Teil des Speichers 5 auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt, weil der Unterschied des spezifischen Gewichtes zwischen dem Wasser im oberen und im unteren Teil eine Durchmischung verhindert.

Entsprechend ist für den Fall, daß der untere Wärmetauscher 8 nicht verwendet wird und der obere Wärmetauscher 6 als Verdampfer arbeitet, eine gleichmäßige Abkühlung des Wassers im Speicher durch Konvektion zu erreichen.

Anschließend wird erläutert, wie die Luft in einem Raum abgekühlt oder erwärmt und dadurch die Raumtemperatur durch Wärmeaustausch mit dem Wärmemedium im Speicher 5, dessen Temperatur mit den oben angegebenen Möglichkeiten geregelt wird, gesteuert werden kann. Zu Beginn wird das Wärmemedium des Speichers 5, dessen Temperatur durch das oben erläuterte Wärmepumpensystem geregelt wird, dem Wärmetauscher 41 für eine Klimaanlage zugeführt, wodurch mittels Wärmeaustausch zwischen dem Wärmemedium und der Luft die Raumtemperatur entsprechend der eingestellten Temperatur des Wärmemediums eingestellt werden kann. Je größer die Zahl der Wärmetauscher im Speicher 5 ist, um so größer ist die Anzahl der Schichten des Wärmeträgerfluids mit unterschiedlicher Temperatur, weshalb Wärmeträgerfluid mit unterschiedlicher Temperatur in den Wärmetauscher 41 geleitet werden kann, so daß die Genauigkeit der Temperatursteuerung für die Abkühlung oder Aufheizung verbessert wird.

Wenn beispielsweise warmes Wasser im oberen Teil des Speichers 5 oder im gesamten Speicher 5 angesammelt ist, sind die Warmwasserleitungen 44 und 45 durch das elektromagnetische Dreiwegeventil 43 miteinander verbunden, so daß das warme Wasser mittels der Umwälzpumpe 42 und über die Ansaugöffnung 45a entnommen und dem Wärmetauscher 41 zugeführt wird. Der Rücklauf des Wassers in den unteren Teil des Speichers 5 erfolgt dann über das elektromagnetische Dreiwegeventil 47 und die Abgabeöffnung 52a der Leitung 52. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher 41 eine stetige Heizung ausführen, ohne daß eine Durchmischung mit dem warmen Wasser hoher Temperatur im oberen Teil des Speichers stattfindet. Wenn beide Wärmetauscher 6 und 8 als Kondensatoren arbeiten, befinden sich im oberen und im unteren Teil des Speichers 5 Warmwasser mit zwei unterschiedlichen Temperaturen. Wenn daher dem Wärmetauscher 41 Warmwasser vom unteren Teil des Speichers mit niedrigerer Temperatur zugeführt wird, ist auch die Raumheizung entsprechend geringer.

Wenn im Speicher 5 oder nur in dessen unterem Teil kaltes Wassser gespeichert ist und dem unteren Teil des Speichers 5 über die Ansaugöffnung 46a der Leitung 46 entnommen wird, um dem Wärmetauscher 41 über das Dreiwegeventil 43 zugeführt zu werden, worauf es über das Dreiwegeventil 47 und die Abgabeöffnung 51a in den oberen Teil des Speichers 5 zurückgeführt wird, führt der Wärmetauscher 41 eine stetige Kühlung durch, ohne daß dabei eine Vermischung mit dem kalten Wasser niedriger Temperatur im oberen Teil des Speichers stattfindet. Sofern beide Wärmetauscher 6 und 8 als Verdampfer arbeiten, ist die Temperatur des kalten Wassers im unteren Teil geringer als diejenige des kalten Wassers im oberen Teil des Speichers, so daß eine Kühltemperatur entsprechend der Entnahme von kaltem Wasser und dessen Zuführung in den Wärmetauscher 41 gewählt werden kann.

Wenn im oberen Teil des Speichers 5 heißes Wasser und im unteren Teil kaltes Wasser gespeichert sind, kann entsprechend der Stellung der Dreiwegeventile 43 und 47 entweder heißes oder kaltes Wasser in den Wärmetauscher 41 geleitet werden. Entsprechend führt dieser eine Aufheizung oder eine Kühlung durch.

Wenn der Speicher 5 aufgrund des oben erläuterten Wärmepumpensystems mehrere Schichten des Wärmeträgerfluids mit unterschiedlicher Temperatur enthält, kann bei Betrieb eines in einer bestimmten, eine gewünschte Temperatur aufweisenden Schicht liegenden Wärmetauschers heißes oder kaltes Wasser der gewünschten Temperatur nach außen abgegeben werden.

Wenn hierzu beispielsweise die Wasserzufuhrleitung 65 aufgrund der Stellung des Dreiwegeventils 64 gewählt ist, wird von der Leitung 63 Wasser über die genannte Zufuhrleitung 65 in den oberen Wärmetauscher 61 geleitet, das nach Wärmeaustausch mit dem oberen Wärmeträgerfluid im Speicher 5 über die Leitung 68 abgegeben wird. Wenn aufgrund der Stellung des Dreiwegeventils 64 der untere Wärmetauscher 62 gewählt ist, wird diesem über die Wasserzufuhrleitung 66 Wasser zugeführt, das nach dem Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgerfluid im unteren Teil des Speichers 5 über die Wasserleitung 69 nach außen abgegeben wird. Die Temperatur des jeweils abgegebenen Wassers hängt von der Temperatur des Wärmeträgerfluids im Speicher 5 ab. Wenn beispielsweise das Wärmeträgerfluid im Speicher 5 im oberen Bereich eine größere Temperatur als im unteren Bereich hat, ist das von der Leitung 68 abgegebene Wasser wärmer als das von der Leitung 69 abgegebene Wasser. Das System kann so ausgelegt werden, daß durch den Betrieb aller Wärmetauscher 61 und 62 gleichzeitig Wasser verschiedener Temperaturen abgegeben werden kann.

Das Ventil 72 ist geöffnet, wenn Wasser in den Speicher 5 eingegeben wird, der als Wärmeträgerfluid ebenfalls Wasser enthält.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält der Speicher 5 keine besonderen Bauteile. Bei der Erfindung kann jedoch eine wärmeisolierende Zwischenplatte 75 im Speicher angeordnet sein, die Verbindungsöffnungen aufweist, so daß im mittleren Teil des Speichers 5 eine Zirkulation stattfinden kann. Wenn bei einer derartigen Maßnahme im oberen Teil warmes und im unteren Teil kaltes Wasser enthalten ist, wird dadurch die Wärmeisolierung besonders gut verstärkt.

Aus der Beschreibuung des Ausführungsbeispiels der Erfindung geht hervor, daß im Wärmepumpensystem nicht nur kalte Flüssigkeit oder warme Flüssigkeit gespeichert werden kann, sondern alle Arten von warmer oder kalter Flüssigkeit mit unterschiedlichen Temperaturen oder gleichzeitig warme und kalte Flüssigkeit. Damit ist es beispielsweise möglich, gleichzeitig Warmwasser zur Heizung und Kaltwasser zur Kühlung zur Verfügung zu stellen, wodurch die Anpassungsfähigkeit des Wärmepumpensystems im Vergleich zu bisherigen Systemen erheblich verbessert ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen, mit einem Kältekreislauf, in welchem ein Kompressor, ein erstes Expansionsventil, Wärmetauscher zum Kondensieren und Verdampfen eines Kältemittels, und Umschaltventile zum Umkehren des Kältekreislaufs vorgesehen sind, wobei mindestens ein oberer und ein unterer Wärmetauscher in einem Wärmespeicher angeordnet sind und ein Außenwärmetauscher für einen Wärmetauscher mit einer Außentemperatur vorgesehen ist, mit einem Wärmeträgerkreislauf, in welchem ein Wärmeträgerfluid umgewälzt wird sowie Umschaltventile angeordnet sind, die in einer ersten Schaltstellung eine Zufuhr des Wärmeträgers in den oberen Teil des Wärmespeichers und eine Entnahme des Wärmeträgers im unteren Teil des Wärmespeichers bzw. in einer zweiten Schaltstellung eine umgekehrte Zufuhr und Entnahme des Wärmeträgers ermöglichen, und mit einem Nutzwärmetauscher im Wärmeträger-Kreislauf, welcher zum Kühlen oder Heizen von Nutzräumen ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Kältekreislauf zwei Expansionsventile (9, 10) vorgesehen sind, von denen ein erstes Expansionsventil (9) vor dem Außenwärmetauscher (4) und ein zweites Expansionsventil (10) zwischen dem oberen (6) und unteren Wärmetauscher (8) angeordnet sind, mit einer ersten Bypassleitung (27), welche die Kältemittelleitung (15) zwischen dem Eingang des ersten Expansionsventils (9) und dem Ausgang (4a) des Außenwärmetauschers (4) überbrückt, sowie mit einer zweiten Bypassleitung (7), die das zweite Expansionsventil (10) überbrückt, und mit Schaltventilen (12, 13, 26, 31) zum wahlweisen Durchströmen einer Bypassleitung (7, 27) bzw. der überbrückbaren Kältemittelleitung (15).
  2. 2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger Wasser verwendet wird.
  3. 3. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umschaltventile (2) zum Umkehren des Kältekreislaufs Vierwegeventile verwendet werden.
  4. 4. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schaltventile (12, 26, 13, 31) in den Bypassleitungen (7, 27) und in den zugehörigen, überbrückbaren Kältemittelleitungen (15, 11) Absperrventile verwendet werden.
  5. 5. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelleitung (15) eine dritte Bypassleitung (21) enthält, die den oberen Wärmetauscher (6) im Wärmespeicher (5) und das zweite Expansionsventil (10) überbrückt und mit einem Schaltventil (23) versehen ist.
  6. 6. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelleitung (15) eine vierte Bypassleitung (22) enthält, die den unteren Wärmetauscher (8) im Wärmespeicher (5) überbrückt und mit einem Schaltventil (24) versehen ist.
  7. 7. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzwärmetauscher (41) zum Heizen oder Kühlen von Raumluft ausgebildet ist.
  8. 8. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck eines gleichzeitigen Nutzbarmachens der hohen und tiefen Temperaturen im Wärmespeicher (5) in analoger Weise zum oberen (6) und unteren Wärmetauscher (8) zusätzlich mindestens zwei weitere Wärmetauscher (61, 62) im Wärmespeicher (5) angeordnet sind, die über einen separaten Wasserkreislauf ansteuerbar sind.
  9. 9. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmespeicher (5) zwischen dem oberen (6) und unteren Wärmetauscher (8) eine wärmeisolierende Platte (75) mit Zirkulationsöffnungen für den Wärmeträger vorgesehen ist.
  10. 10. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schaltventil (23) in der dritten Bypassleitung (21) ein Absperrventil verwendet wird.
  11. 11. Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schaltventil (24) in der vierten Bypassleitung (22) ein Absperrventil verwendet wird.
  12. 12. Wärmepumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Bypassleitung (27) und die Reihenschaltung aus erstem Expansionsventil (9) und äußererm Wärmetauscher (4) ein Absperrventil (32) geschaltet ist.






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