DE102007017311A1

DE102007017311A1 - Wärmepumpenvorrichtung

Info

Publication number: DE102007017311A1
Application number: DE102007017311A
Authority: DE
Inventors: Steffen Smollich
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: DE102007017311B4; EP1980803A1; EP1980803B1

Abstract

Bei einer Wärmepumpenvorrichtung mit einem Verdichter (10), einem Verflüssiger (20), einem Expansionsventil (40), einem Verdampfer (30) und einem ersten und zweiten Umschaltventil (50, 60) sind das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart angeordnet, dass der Verdichter (10), der Verflüssiger (20), das Expansionsventil (40) und der Verdampfer (30) jeweils an ihrem ersten Ende mit dem ersten Umschaltventil (50) und an ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Umschaltventil (60) gekoppelt sind. Durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile (50, 60) können der Verdampfer (40) und der Verflüssiger (20) sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen im Gegenstrom betrieben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung.
Wärmepumpen zur Erwärmung von Heizungswasser sind seit Jahren hinlänglich bekannt. Die Bereitstellung der Heizwärme bei Wärmepumpen erfolgt durch die Kondensation von Kältemittel unter hohem Druck und damit bei hoher Temperatur, während die Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Heizungswasser, abgeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in einem Drosselorgan, zum Beispiel einem Expansionsventil, entspannt und verdampft daraufhin unter Aufnahme von Umgebungswärme im Verdampfer der Wärmepumpe. Der Kältemitteldampf wird vom Verdichter der Wärmepumpe komprimiert, so dass er anschließend wieder im Kondensator der Wärmepumpe verflüssigt werden kann.
Wird der Kreislauf des Kältemittels umgekehrt, d. h., wird das Kältemittel in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verdampfer dient, unter Wärmeabgabe verflüssigt und in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verflüssigen dient, unter Wärmeaufnahme verdampft, so kann die Wärmepumpe zum Kühlen des Wärmeträgermediums wie beispielsweise des „Heizungswassers" eingesetzt werden. Im Kühlbetrieb kann das „Heizungswasser" dann beim Durchströmen der Raum-Heizflächen, die im Kühlbetrieb zu Raum-Kühlflächen werden, Wärme aus dem Raum aufnehmen, die dann an den im Kühlbetrieb als Verdampfer funktionierenden Verflüssiger der Wärmepumpe abgegeben wird, so dass das 'Heizungswasser' gekühlt wird.
Ein Nachteil herkömmlicher reversibler Heizungswärmepumpen zum Heizen und Kühlern besteht darin, dass sich beim Umkehren des Kältekreises die Durchströmungsrichtung der Wärmeaustauscher auf der Kältemittelseite ändert. Da die Strömungsrichtung auf der Sekundärseite, auf der entweder (Heizungs)Wasser oder Luft strömt, unverändert bleibt, wird dadurch mit der Umkehr des Kältekreises aus einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher ein Gleichstrom-Wärmeaustauscher mit verminderter Effizienz und vergrößertem mittleren Temperaturabstand zwischen Kältemittel und Wasser bzw. Luft. Dadurch sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe in einer der beiden Betriebsarten. Reversible Heizungswärmepumpen sind daher im Allgemeinen entweder für den Heiz- oder den Kühlbetrieb optimiert und erreichen in der jeweils anderen Betriebsart keine optimalen Leistungszahlen.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpenvorrichtung vorzusehen, die effektiv sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Wärmepumpe weist einen Verdichter 10, einen Verflüssiget 20, einen Verdampfer 30, ein Expansionsventil 40 und ein erstes und zweites Umschaltventil 50, 60 auf. Durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile 50, 60 kann der Verdampfer 40 und der Verflüssigen 20 sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen im Gegenstrom betrieben werden. Die beiden Umschaltventile 50, 60 sind dabei derart angeordnet, dass der Verflüssiget 20, das Expansionsventil 40, der Verdampfer 30 und der Verdichter 10 parallel zwischen dem ersten und zweiten Umschaltventil 50, 60 gekoppelt sind. Die beiden Umschaltventile sind vorzugsweise als ein 4-2-Wege-Umschaltventil ausgeführt.
Durch die Anordnung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann erreicht werden, dass der Verdampfer und der Verflüssiger sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb im Gegenstrom betrieben werden können, was eine effizientere Wärmeübertragung sowohl im Verdampfer als auch im Verflüssiger ermöglicht. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpenvorrichtung in einem Heizbetrieb geschaltet. Somit ist der Verdichter 10 mit dem Verflüssiger 20, der Verflüssiger 20 mit dem Expansionsventil 40, das Expansionsventil 40 mit dem Verdampfer 30 und der Verdampfer 30 mit dem Verdichter 10 gekoppelt.
In der Heizbetriebsart sind die beiden Umschaltventile 50, 60 derart geschaltet, dass das verdichtete Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiger und von dem Verflüssiger über das Expansionsventil 40 zu dem Verdampfer 30 und von dem Verdampfer 30 zurück zu dem Verdichter 10 fließen kann.
2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel. In 2 ist die Wärmepumpenvorrichtung im Kühlbetrieb gezeigt. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1. Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 und der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 anders geschaltet sind, um einen Kühlbetrieb zu ermöglichen. Gemäß 2 fließt das Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiget 30, von dem Verflüssiget 30 zu dem Expansionsventil 40, und von dort zu dem Verdampfer 20 und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter 10. Durch die Ausgestaltung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann somit erreicht werden, dass auch in dem Kühlbetrieb, d. h. wenn der Kältekreislauf umgekehrt wird, sowohl der Verflüssiget als auch der Verdampfer im Gegenstrom betrieben werden können.
Der in 2 gezeigte Kältekreislauf kann ebenfalls zur Kreisumkehrabtauung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet werden.
3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 3 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1 oder 2. Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 3 und den Wärmepumpenvorrichtungen gemäß 1 oder 2 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 abgeschaltet sind. Gemäß 3 kann das Kältemittel von dem Verdampfer 20 zu dem Verflüssiger 30 und von dem Verflüssiger 30 über das Umschaltventil 50 wieder zurück zu dem Verdichter 10 fließen. Das Kältemittel in dem Verdampfer 20 kann über das Umschaltventil 50 zu dem Expansionsventil 40 und wiederum über das Umschaltventil 60 zu dem Verdampfer 20 fließen. Somit ist der Kältekreis in zwei separate Kreisläufe aufgeteilt worden.
In 3 ist eine Situation gezeigt, bei der der Verdampfer einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mittels Heißgasabtauung abgetaut wird.
Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 stellt ebenfalls eine Betriebsart zur Kreisumkehrabtauung dar. Die Kreisumkehrabtauung ist gegenüber der Heißgasabtauung die energetisch effizientere Form, luftbeaufschlagte Verdampfer zu enteisen, da hier anteilig Wärme zum Abtauen genutzt wird, die mit einer Leistungszahl größer 1 erzeugt wurde. Diese Wärme wird z. B. bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch Wasser bereitgestellt. Kritisch ist der Zustand, wenn bei der Kreisumkehrabtauung das Wasser bis in die Nähe des Gefrierpunktes abgekühlt wird. In diesem Fall muß die Abtauung beendet werden.
Die Abtauung wird vorrangig durch die Kreisumkehr vorgenommen. Durch die Möglichkeit beide Abtauverfahren anwenden zu können, kann wenn sich während der Kreisumkehrabtauung Betriebszustände ergeben, bei denen der Verflüssiger (Verdampfer während des Abtauens) droht einzufrieren, das Abtauen des luftbeaufschlagten Verdampfers (während des Abtauens Verflüssiger) durch die Heißgasabtauung fortgesetzt werden. Damit ist ein störungsfreier und energetisch effizienter Abtaubetrieb gewährleistet.
Wenn zeotropes Kältemittel bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet wird, dann bildet sich bedingt durch die niedrigere Temperatur des Kältemittels am Verdampfereintritt verhältnismässig mehr Eis oder Reif an der Luftaustrittsseite des Verdampfers. Wenn der Verdampfer während des Abtauens als Kreuzgegenströmer anstelle eines Kreuzgleichströmers geschaltet wird, kann eine verbesserte Abtauung vorgesehen werden. In einem derartigen Fall tritt das Heißgas mit der höchsten Temperatur an der Stelle in den Verdampfer, wo die größte Eisbildung bzw. Reifbildung auftritt.

Claims

Wärmepumpenvorrichtung, mit einem Verdichter (10), einem Verflüssiger (20), einem Expansionsventil (40), einem Verdampfer (30), und einem ersten und zweiten Umschaltventil (50, 60), wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart angeordnet sind, dass der Verdichter, der Verflüssiger (20), das Expansionsventil (40) und der Verdampfer (30) jeweils an ihrem ersten Ende mit dem ersten Umschaltventil (50) und an ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Umschaltventil (60) gekoppelt sind.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) ein 4-2-Wege-Umschaltventil ist.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart geschaltet sind, dass der Verflüssiger (30) an seinem ersten Ende mit dem Verdichter (10) und an seinem zweiten Ende mit dem Expansionsventil (40) gekoppelt ist, wenn eine erste Betriebsart, z. B. Heizen, aktiviert ist.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart geschaltet sind, dass der Verflüssiger (20) mit seinem ersten Ende mit dem Expansionsventil (40) und mit seinem zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist, wenn eine zweite Betriebsart, z. B. Kühlen, aktiviert ist.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) derart geschaltet sind, dass der Verflüssiger (30) an seinem ersten und zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist.