Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression gemäß der Erfindung;

2 eine Ausführungsform der Erfindung wie in 1 gezeigt, jedoch zusätzlich mit einem internen Wärmetauscher ausgestattet;

3 eine Ausführungsform der Erfindung, wobei der Direktverdampfer als Erdreichsonde ausgebildet ist;

4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei der Direktverdampfer in Form mehrerer Verdampferleitungen horizontal im Erdreich vergraben ist.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur zyklischen Dampfkompression mit überkritischem Druck auf der Hochdruckseite, die die wesentlichen Elemente der Erfindung in einem Strömungskreislauf miteinander verbindet. Eines dieser Elemente ist ein Direktverdampfer 1, der bei einem solchen System mit Direktverdampfung im Erdreich eingebettet ist und aus zumindest einer, in der Regel aber mehreren Verdampferleitungen besteht. Die Verdampferleitungen bestehen vorzugsweise aus Metallrohren, die zum Schutz mit einer Kunststoffummantelung umgeben sind. In dem Direktverdampfer 1 wird das Arbeitsfluid – beispielsweise CO₂ – verdampft, wodurch es Wärme aus der Umgebung, also beispielsweise dem umgebenden Erdreich, aufnimmt. In anderen Ausführungsformen kann dieser Direktverdampfer aber auch einem Gewässer oder der umgebenden Luft Wärmeenergie entziehen. Das größtenteils verdampfte Arbeitsfluid wird anschließend einem Niederdrucksammler 2 zugeführt. Dabei ist das Arbeitsfluid aber nicht in einem überhitzten Zustand, was bedeutet, dass immer noch Flüssigkeitsreste vorhanden sein können. Solche Flüssigkeitsreste werden im Niederdrucksammler 2 abgeschieden, der somit gleichzeitig eine Funktion als Speicher für das Arbeitsfluid wahrnehmen kann. Der Direktverdampfer 1 wird damit in überflutetem Zustand betrieben. Der Niederdrucksammler 2 ist dabei in der Regel zwar direkt an den Direktverdampfer angeschlossen, befindet sich aber vorzugsweise bereits oberhalb der Erdoberfläche.

Im nächsten Prozessschritt wird das gasförmige Arbeitsfluid einem Verdichter 3 zugeführt, der das gasförmige Arbeitsfluid auf überkritischen Druck komprimiert. Das bedeutet, das Arbeitsfluid ist nach dem Verdichter 3 auf einer Temperatur, die oberhalb der kritischen Temperatur des Arbeitsfluids liegt und somit kann das Arbeitsfluid bei dieser Kompression nicht mehr in den flüssigen Zustand überführt werden. Anschließend durchläuft das Arbeitsfluid einen Gaskühler 4, in welchem es abgekühlt wird und Wärmeenergie abgibt, die dem Heizungssystem eines Gebäudes (hier nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem Wärmeenergie mittels eines einzigen Kreislaufs von einem Wärmereservoir wie beispielsweise dem Erdreich dem Heizungssystem zugeführt, wobei ein Zwischenkreislauf zwischen dem Erdreich und dem zyklischen, transkritischen Dampfkompressionssystem entfällt. Damit entfällt auch der Energieaufwand zum Umwälzen eines Zwischenkreislauf mit beispielsweise einer Sole aus Frostschutzmittel. Die Umwälzung des erfindungsgemäßen Kreislaufs erfolgt hierbei allein durch die Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite.

Nach dem Gaskühler 4 befindet sich das Arbeitsfluid immer noch in gasförmigem Zustand, da der Arbeitspunkt im überkritischen Bereich liegt. Das Arbeitsfluid wird in der Folge durch eine Drossel 5 geleitet, die dann das Arbeitsfluid entspannt und abkühlt und somit in den unterkritischen Zustand bringt. Das bedeutet, dass nach der Drossel 5 zumindest teilweise ein flüssiges Arbeitsfluid vorliegt, welches anschließend wieder in den Direktverdampfer 1 eingebracht wird, um dort dem Erdreich durch Verdampfen wiederum Wärme zu entziehen.

In 2 ist eine alternative Ausführung der Erfindung schematisch gezeigt. Während die Komponenten gemäß 1 auch im Kreislauf gemäß 2 beinhaltet sind, enthält der dargestellte Kreislauf zusätzlich einen internen Wärmetauscher 6, der das Arbeitsfluid erwärmt, bevor es in den Verdichter 3 eintritt. Das Arbeitsfluid wird dabei in einen überhitzten Zustand gebracht, was bedeutet, dass es keine flüssigen Bestandteile mehr enthält. Die Wärmeenergie, die hierzu benötigt wird, erhält das Arbeitsfluid im Wärmeaustausch mit dem entgegenströmenden Arbeitsfluid des Hochdruckkreislaufs zwischen dem Gaskühler 4 und der Drossel 5. Neben dem Vorteil, dass so am Verdichter 3 nur gasförmiges Arbeitsfluid ankommt, ergibt sich eine Verbesserung der Energiebilanz, da das Arbeitsfluid, welches vom Direktverdampfer 1 kommt, zusätzlich erwärmt wird und auf der anderen Seite das Arbeitsfluid, welches der Drossel 5 und anschließend dem Erdreich zugeführt wird, nochmals Wärmeenergie abgeben kann, die sonst für den Kreisprozess verloren geht.

In den 3 und 4 sind jeweils Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, mit denen unterschiedliche Ausgestaltungen des Direktverdampfers 1 erläutert werden sollen. In der 3 ist der Direktverdampfer 1 als sogenannte Erdsonde ausgeführt. Dies bedeutet, dass zur Einbringung des Direktverdampfers mit seinen in der Regel mehreren Verdampferleitungen zunächst eine Bohrung in die Erdoberfläche eingebracht wird und dann anschließend der Direktverdampfer in diese Bohrung eingebaut wird. Damit soll ausgenutzt werden, dass sich die Erdtemperatur mit zunehmender Tiefe erhöht und somit ein besseres Wärmereservoir für eine Wärmepumpe darstellt. Um von der Temperaturerhöhung mit zunehmender Tiefe wesentlich zu profitieren, wird hierzu typischerweise auf Tiefen von ca. 30 bis zu 150 m oder mehr gebohrt. Neben dem erwähnten Effekt, dass somit die Wärme der tieferen Erdschichten genutzt werden kann, ist hierbei auch vorteilhaft, dass nur auf einen vergleichsweise kleinen Querschnitt der Erdoberfläche zurückgegriffen werden muss, wodurch eine solche Erdsonde auf einem Grundstück vergleichsweise platzsparend angebracht werden kann.

Eine Alternative zu einer solchen Erdsonde ist in 4 dargestellt, wo ein Direktverdampfer mit drei Verdampferleitungen schematisch gezeigt ist und als sogenannter Erdreichhorizontal-Verdampfer typischerweise horizontal zwischen 0,8 und 1,6 Meter unter der Erdoberfläche vergraben wird. Natürlich kann die Anzahl der Verdampferleitungen auch hier variiert werden, wobei typischerweise bis zu 20 Verdampferleitungen eingesetzt werden können. Gegenüber einer Erdsonde wie in 3 dargestellt entfällt hier die Notwendigkeit einer Tiefenbohrung, andererseits ist ein größerer Bereich an Erdoberfläche notwendig, um dieses Direktverdampfersystem einzubringen.