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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung für Brauchwasser.
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Brauchwasserwärmepumpen verwenden beispielsweise die Umgebungsluft als Energiequelle und übertragen die Nutzwärme unter Verwendung eines Wärmetauschers und eines Verflüssigers auf ein Heizungsmedium, welches wiederum die Wärme auf einen Brauchwasserinhalt des Speichers überträgt.
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Aus
DE 102 43 170 A1 ist eine Wärmepumpe mit einem Heizungswasserkessel bekannt. Der Heizungswasserkessel weist ein Volumen auf, welches in Abhängigkeit von der Heizleistung der Wärmepumpe bei Ausfall einer Zwangsdurchströmung das Heizungsmedium nicht mehr als 5 K/min erwärmt wird. Für das Volumen des Heizungswasserkessels ist in Abhängigkeit von der Heizleistung der Wärmepumpe ein minimales Volumen angegeben. Mit einem Temperaturfühler im Bereich des Vorlaufs und des Rücklaufs wird in einer Regelung eine Temperaturspreizung ermittelt, die das Ausbleiben der Zwangsumwälzung des Heizungsmediums im Heizungswasserkessel erkennt und die Wärmepumpe mit einer Regelabschaltung außer Betrieb nimmt.
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Aus
DE 29 18 256 A1 ist ein Warmwasserbereiter bekannt, dessen Abdeckflansch unmittlebar und zwischenraumfrei auf die obere Deckelwandung mit dichtender Überdeckung der Öffnung aufgesetzt ist und mittels Flanschschrauben mitsamt dem Wärmetauscher angeflanscht ist.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer Brauchwasserwärmepumpe mit einer direkten Verflüssigung gemäß dem Stand der Technik. In einem Wärmeaustauscher 4, welcher als ein gewendeltes Kupferrohr ausgeführt sein kann, wird das Kältemittel KM enthitzt und kondensiert. Die Wärme des Kältemittels KM wird auf Brauchwasser übertragen. Der Kältekreis besteht dabei aus einem Verdampfer 1, einem Kompressor 2, einem Hochdruckwächter 3, einem Verflüssiger 4 und einem thermischen Expansionsventil 5. Ein Lüfter 6 transportiert die zu enthitzende und zu entfeuchtende Luft durch den Verdampfer 1. Das Brauchwasser wird in einem vorzugsweise emaillierten Stahlbehälter 7 gespeichert und durch die Wärme des Kältemittels übertragen. Der Stahlbehälter 7 ist mit einem Wärme dämmenden Material wie beispielsweise PUR-Schaum 8 zusammen mit dem Verflüssiger 4 eingeschäumt.
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Während eines Zapfvorganges wird warmes Wasser WW aus dem Speicher 7 gezapft und kaltes Wasser KW fließt in den Speicher hinein. Entsprechend der Leistung der Wärmepumpe kann relativ viel Zeit benötigt werden, um das nachfließende kalte Wasser KW wieder auf ein nutzbares, vorzugsweise hohes Temperaturniveau zu bringen.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmepumpe vorzusehen, welche weniger Zeit benötigt, um nachfließendes kaltes Wasser KW zu erwärmen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Somit wird eine Wärmepumpe für Brauchwasser vorgesehen. Neben einem Verflüssiger und einem Speicher für Brauchwasser weist die Wärmepumpe eine zusätzliche Wärmeübertragungseinheit in dem Speicher auf. Zur Erhöhung des Brauchwasserkomforts ist somit ein weiterer Wärmeübertrager in dem Speicher, d. h. im Brauchwasser, vorgesehen, so dass eine Nachheizzeit entsprechend verkürzt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Wärmeübertragungseinheit ein elektrisch direkt heizendes Element auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Verflüssiger als gewendeltes Rohr ausgestaltet, und die Wärmeübertragungseinheit ist innerhalb des gewendelten Rohres angeordnet. Die platzsparende Anordnung des Verflüssigers der Wärmepumpe mit dem zusätzlichen Heizkörper erweist sich durch ihre kompakte Ausführung als vorteilhaft. Die Anordnung des zusätzlichen Heizkörpers innerhalb der Wendeln des Verflüssigers ist ferner hinsichtlich des Transportes vorteilhaft.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verflüssigers der Wärmepumpe von 1,
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3–3a zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines wendelförmigen Verflüssigers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrischen Zusatzheizkörpers,
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplung des Verflüssigers und des Zusatzheizkörpers,
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6 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer Wärmepumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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7 zeigt ein T-H-Diagramm gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
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8 zeigt eine Schnittansicht eines Verflüssigers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, und
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9 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In einem Wärmeaustauscher 4, welcher als ein gewendeltes Kupferrohr ausgeführt sein kann, wird das Kältemittel KM enthitzt und kondensiert. Die Wärme des Kältemittels KM wird auf das Brauchwasser übertragen. Der Kältekreis besteht dabei aus einem Verdampfer 1, einem Kompressor 2, einem Hochdruckwächter 3, einem Verflüssiger 4 und einem thermischen Expansionsventil 5. Ein Lüfter 6 transportiert die zu enthitzende und zu entfeuchtende Luft durch den Verdampfer 1. Das Brauchwasser wird in einem vorzugsweise emaillierten Stahlbehälter 7 gespeichert. Der Stahlbehälter 7 ist mit einem Wärme dämmenden Material wie beispielsweise PUR-Schaum 8 zusammen mit dem Verflüssiger 4 eingeschäumt.
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Um kaltes Wasser KW, welches in den Speicher 7 nach einem Zapfvorgang nachströmt, schnell aufzuwärmen, ist eine zusätzliche Wärmeübertragungseinheit 9 in dem Speicher vorgesehen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Verflüssigers 4 von 1. Durch die entsprechende Befestigung des Zusatzheizkörpers wird eine schwingungsarme Ankopplung realisiert. Am unteren Ende des Wärmetauschers 12 wird der Zusatzheizkörper 13 angeordnet. Entlang der Pfeilrichtung 10 tritt ein Kältemittel KM durch die Heißgasleitung 10 in den Behälter ein und wird in der wendelförmigen Rohrschlange 12 enthitzt. Durch die Flüssigkeitsleitung 11, die in dem Bereich X durch eine Doppelrohrkonstruktion gedämpft ist, verlässt das Kältemittel KM den Brauchwasserspeicher 7.
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Ferner ist eine Schutzanode 16 im unteren Bereich angeordnet. Diese Schutzanode 16 dient dem Korrosionsschutz 15. Der Wärmetauscher 12 wird vorzugsweise aus einem Rohrstück gefertigt, so dass sich keine Verbindungslötstellen im Brauchwasser befinden. Dies ist insbesondere wichtig für den Einsatz von brennbaren Kältemitteln wie beispielsweise R290.
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3 zeigt einen Aufbau eines wendelförmigen Verflüssigers gemäß 2. Um eine platzsparende Lösung für den Zusatzheizkörper 13 innerhalb des Verflüssigerwendels vorzusehen, wird zwischen der letzten Wendel 18 ein Halteelement 17 angeordnet, welches eine Bohrung 19 aufweist. In diese Bohrung wird eine Tauchhülse 16 des Zusatzheizkörpers geschoben.
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4 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrischen Zusatzheizkörpers von 2. Dabei weist der Heizkörper 13 eine Tauchhülse 16 auf. Über die Tauchhülse 16 wird ein Rohrstück 20 angeordnet, welches einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Bohrung ist. Insbesondere im Kompressorbetrieb können druckinduzierte Schwingungen auf das Verflüssigerwendel übertragen werden, was zu akustischen Problemen führen kann. Um diese akustischen Probleme zu beseitigen, wird eine definierte Vorspannung vorgesehen und die Wendelsegmente werden durch Lötpunkte 22 mit dem Doppelrohr innerhalb der Strecke X befestigt. Hierbei werden die Lötpunkte 22 insbesondere nicht bei den letzten drei bis sieben Wendeln angebracht. Beim Anziehen des Heizflansches 13 mit den Flanschschrauben 21 sorgt das Rohrstück für eine Vorspannung des wendelförmigen Verflüssigers 12 mit dem Heizflansch 13. Aus Korrosionsschutzgründen ist zwischen dem Zusatzheizkörper 13 und dem Verflüssigermaterial eine elektrisch leitende Verbindung angeordnet, welche durch eine Verwendung des Rohrstückes beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material wie Kupfer ausgeführt ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes des wendelförmigen Verflüssigers von 3 zusammen mit dem elektrischen Heizkörper von 4. Hierbei ist das Rohrstück 20 sowie der elektrische Heizkörper 13 mit der Tauchhülse 16 zu sehen.
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Eine Wärmepumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beruht auf einer Wärmepumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn ein zusätzlicher Heizkörper 9 in dem Speicher 7 zusätzlich zum Verflüssiger 4 angeordnet wird, muss das Regelkonzept der Wärmepumpe entsprechend angepasst werden, um den Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit möglichst groß zu halten, d. h. die Jahresheizarbeit des zusätzlichen Heizkörpers 9 sollte möglichst gering sein.
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6 zeigt ein Schaltbild einer Wärmepumpe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Basierend auf diesem Schaltbild wird ein Regelkonzept implementiert, bei dem der Anteil der Wärmepumpe an der Jahresheizarbeit gegenüber dem elektrisch direkt betriebenen Zusatzheizkörper möglichst groß ist, ohne dabei das Komfortbedürfnis nach einer möglichst großen Mischwassermenge zu vernachlässigen.
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Der Kompressor M1 sowie die elektrische Zusatzheizung E werden jeweils über einen separaten Temperaturregler mit einer entsprechenden Spannung versorgt. Die elektrische Zusatzheizung E wird über eine Regler/Begrenzerkombination 401 mit Spannung versorgt. Im Gegensatz dazu wird der Lüftermotor sowie der Kompressor über den Hochdruckbegrenzer 403, den Frostschutzwächter 404 und den Regler 402 mit Spannung versorgt. Der Lüftermotor M2 ist immer dann angeschaltet, wenn der Kompressor M1 mit Spannung versorgt ist. Der Lüftermotor M2 ist über einen dreipoligen Schalter S2 in mehreren Stufen betreibbar. So kann vorteilhafterweise der Betrieb des Lüftermotors M2 unabhängig von dem Kompressorbetrieb aufrecht erhalten werden. Der Temperaturregler 402 kann beispielsweise auf einen für die Wärmepumpe für Brauchwasser betriebssicheren, fest eingestellten Wert von beispielsweise 60°C ausgelegt sein.
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Die elektrische Zusatzheizung E wird über ein Schütz 406, welches als selbsthaltendes Schlitz geschaltet ist, implementiert. Wird jedoch eine höhere Brauchwassertemperatur als 60°C gewünscht, so kann mit dem gedrückten Schalter S1 die Spule K des Schützes in eine Selbsthaltungsfunktion gesetzt werden. Bis zu der dem Regler 402 eingestellten Temperatur arbeiten die Zusatzheizung E und der Kompressor M1 (d. h. ebenfalls der Lüfter M2) im Parallelbetrieb. Wird jedoch die am Regler M1 eingestellte Temperatur größer als die Grenztemperatur des Reglers 402, wenn die an dem Regler 402 eingestellte Grenztemperatur erreicht wird, dann wird der Kompressormotor M1 und der Lüftermotor M2 ausgeschaltet. Die elektrische Zusatzheizung 6 heizt dann so lange weiter, bis die entsprechende Abschalttemperatur am Temperaturregler M1 erreicht ist. Wenn der Temperaturregler M1 ausgeschaltet ist, dann wird die Spannungsversorgung der Selbsthaltung des Schützes 406 unterbrochen und der Heizbetrieb der elektrischen Zusatzheizung beendet.
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Somit wird gewährleistet, dass nach einem Zapfvorgang nur die Wärmepumpe für die Nachheizarbeit verwendet wird, ohne dass dabei die elektrische Zusatzheizung zum Decken des Wärmebedarfs verwendet wird. Dies erfolgt so lange, bis der Schalter S1 erneut betätigt wird. Die maximale Temperatur des Brauchwassers wird beim Betrieb der elektrischen Zusatzheizung durch den Regler F1 begrenzt.
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Bei der Wärmepumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erweist es sich als nachteilig, dass enthitztes flüssiges Kältemittel über den Weg X den Speicher 7 verlässt und längs dieses Weges X wieder Wärme aus dem Brauchwasser aufnimmt und ggf. verdampft. Dies wirkt sich nachteilig auf die Effektivität des Kreisprozesses aus.
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8 zeigt ein Diagramm der spezifischen Enthalpie H aufgetragen über die Zeit. Die dunkelgraue Arbeitsfläche 1 des Kältekreises wird ohne Unterkühlung generiert, da das bereits verflüssigte Kältemittel Wärme aus dem Speicher 7 bzw. dem Brauchwasser innerhalb des Speichers aufnimmt und damit die spezifische Kältearbeit um den Betrag dH reduziert. Ferner wird ein gewisses Maß an Wärme dem Brauchwasser in dem Speicher entnommen. Die Arbeitsfläche II zeigt einen Kältekreisprozess mit ausreichender Unterkühlung.
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9 zeigt eine Schnittansicht eines wendelförmigen Verflüssigers gemäß 3. Über das Rohrende A, d. h. der Kältemittelaustritt des Verflüssigers, wird ein Außenrohr 100 angeordnet und an seinen Enden mit dem Wärmeaustauschrohr A dichtgelötet. Das eingeschlossene Gas behindert den Wärmeübertrag zwischen dem Verflüssigerinnenrohr und dem Brauchwasser. Somit kann die gewünschte Unterkühlung sichergestellt werden. Hierzu wird das Profil des Rohres an den Enden entsprechend umgeformt. Der ringförmige Luftspalt zwischen dem Kältemittelrohr und dem Außenrohr 100 sollte vorzugsweise nicht kleiner als 1 mm sein.