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Offenbart ist ein Heizmodul, das eine Wärmepumpe und einen elektrischen Heizer aufweist. Die Wärmepumpe und der elektrische Heizer sind ausgebildet, um einem Heizkreis Nutzwärme zuzuführen. Das Heizmodul ist derart ausgebildet, dass es in den Heizkreis integrierbar oder mit diesem verbindbar ist. Weiterhin sind ein Fahrzeug, ein Haushaltsgerät und ein Gebäudeheizungssystem, die das Heizmodul aufweisen, offenbart.
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Aufgrund einer vergleichsweise hohen Energieeffizienz werden Wärmepumpen für unterschiedliche Anwendungen zum Bereitstellen von Nutzwärme eingesetzt. Beispielsweise wird eine Wärmepumpe in Elektrofahrzeugen verwendet, um durch die gesteigerte Energieeffizienz eine Reichweite des Elektrofahrzeugs zu erhöhen. Als ein weiteres Beispiel können Wärmepumpen in Haushaltsgeräten eingesetzt werden, um eine höhere Energieeffizienzklasse für das Haushaltsgerät zu erreichen. Außerdem wird eine Wärmepumpe typischerweise auch in einem Gebäudeheizungssystem eingesetzt.
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Trotz ihrer guten Energieeffizienz weisen Wärmepumpen auch Nachteile bezüglich eines Ansprechverhaltens und einer Effizienz bei bestimmten Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel einer niedrigen Temperatur eines Reservoirs, dem die Wärmepumpe Wärme unter Aufwendung von technischer Arbeit entnimmt, auf. Um diese Nachteile zu mindern, kann eine Wärmepumpe mit einem elektrischen Heizer kombiniert werden.
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Ausgehend davon ist es offenbarungsgemäße Aufgabe, eine verbesserte Lösung zur kombinierten Verwendung einer Wärmepumpe mit einem elektrischen Heizer bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung und/oder den Figuren angegeben.
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Ein offenbarungsgemäßes Heizmodul weist eine Wärmepumpe und einen elektrischen Heizer auf. Die Wärmepumpe ist ausgebildet, um einem Reservoir Wärme unter Aufwendung von technischer Arbeit zu entnehmen und einem Heizkreis als Nutzwärme zuzuführen. Als Reservoir kann dabei Abwärme von einer anderen Komponenten, z.B. von einem Motor (Verbrennungsmotor oder Elektromotor) eines Fahrzeugs und/oder von einem Batteriepack eines Fahrzeugs, Umgebungswärme (Umgebungsluft oder ein anderes Fluid) oder aber auch eine weitere Wärmequelle (z.B. Solarkollektoren, Erdwärme usw.) verwendet werden. Der elektrische Heizer ist ausgebildet, um dem Heizkreis Nutzwärme zuzuführen. Darüber hinaus kann der elektrische Heizer bevorzugt ein schnelleres Ansprechverhalten als die Wärmepumpe aufweisen. Das Heizmodul ist derart ausgebildet, dass es in den Heizkreis integrierbar oder mit diesem verbindbar ist. Das bedeutet, der Heizkreis oder zumindest ein Abschnitt davon ist Bestandteil des Heizmoduls. Demzufolge sind die Wärmepumpe und der elektrische Heizkreis zusammen in den Heizkreis integrierbar oder mit diesem verbindbar. Folglich kann eine einfache und bauraumoptimierte Integration der Wärmepumpe und des elektrischen Heizers in den Heizkreis erfolgen.
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Das Heizmodul kann gemeinsame Anschlüsse zum Verbinden mit dem Heizkreis ausbilden oder aufweisen. Das bedeutet, dass die Wärmepumpe und der elektrische Heizer über einen gemeinsamen Zulauf und einen gemeinsamen Ablauf verfügen können. Das Heizmodul kann somit auf einfache Weise in den Heizkreis durch Zusammenfügen der gemeinsamen Anschlüsse mit entsprechenden Anschlüssen des Heizkreises verbunden oder in diesen integriert werden, so dass eine einfache Integration erreicht wird.
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Weiterhin kann das Heizmodul ein Gehäuse aufweisen, in das die Wärmepumpe und der elektrische Heizer aufgenommen sind. Die oben beschriebenen gemeinsamen Anschlüsse können dann an einer Außenseite des Gehäuses vorgesehenen sein, z.B. aus dem Gehäuse treten, um mit entsprechenden Anschlüssen des Heizkreises verbunden zu werden. Eine Form des Gehäuses kann an einen vorgesehenen Bauraum, in den das Heizmodul eingebaut werden soll, angepasst sein. Demzufolge kann eine bauraumangepasste Integration des Heizmoduls erfolgen.
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Der elektrische Heizer kann in oder an einer Leitung zu einem Wärmetauscher, der ausgebildet ist, um von einem Kondensator der Wärmepumpe abgegebene Nutzwärme in den Heizkreis zu überführen, angeordnet sein. Dabei kann der elektrische Heizer ein Abschnitt der Leitung zu dem Wärmetauscher sein. Der elektrische Heizer kann aber auch im Inneren der Leitung angeordnet sein und von einem in dem Heizkreis strömenden Fluid umströmt werden. Außerdem kann der elektrische Heizer an einer Außenseite der Leitung angebracht sein, wobei zumindest ein Abschnitt der Leitung als Wärmesenke ausgebildet sein kann. Die Wärmesenke kann beispielsweise durch Ausbilden der Leitung oder zumindest eines Abschnitts davon aus einem wärmeleitenden Material, z.B. Metall gebildet, sein. Weiterhin kann die Wärmesenke in die Leitung eingesetzt oder in diese einsetzbar sein. Auf diese Weise wird eine serielle Anordnung der Wärmepumpe, d.h. des Wärmetauschers, der mit dem Kondensator der Wärmepumpe in wärmeübertragender Weise verbunden ist, und des elektrischen Heizers erhalten. Das Heizmodul kann somit auf einfache Weise gebildet und in den Heizkreis integriert oder mit diesem verbunden werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann parallel zu dem Wärmetauscher, der in wärmeübertragender Weise mit dem Kondensator der Wärmepumpe verbunden ist, ein Bypass ausgebildet sein. Der elektrische Heizer kann dann in oder an dem Bypass angeordnet sein. Eine Anordnung des elektrischen Heizers kann in ähnlicher Weise zur oben beschriebenen Leitung erfolgen. Ein Fluidstrom durch die Leitung zu dem Wärmetauscher oder durch den Bypass kann mittels Ventile oder mittels einer Strömungsweiche eingestellt werden. Der Fluidstrom kann auch auf die Leitung zu dem Wärmetauscher und den Bypass aufgeteilt werden. Eine Zufuhr von Nutzwärme zu dem Heizkreis über die Wärmepumpe oder über den elektrische Heizer kann dann u.a. eingestellt werden, indem der Fluidstrom entsprechend durch die Leitung zu dem Wärmetauscher oder durch den Bypass geleitet wird.
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Das Heizmodul kann eine Steuereinheit aufweisen, die ausgebildet ist, um einen Betrieb der Wärmepumpe und des elektrischen Heizers, also des Heizmoduls, zu steuern. Die Steuereinheit kann dabei in dem Gehäuse aufgenommen sein. An einer Außenseite des Gehäuses kann/können in diesem Fall ein oder mehrere Verbinder, z.B. Stecker und/oder Buchse(n), zum Verbinden der Steuereinheit mit einer Datenschnittstelle und/oder einer elektrischen Energieversorgung vorgesehen sein. Die Steuereinheit kann sowohl einen Betrieb der Wärmepumpe als auch des elektrischen Heizers steuern. Die Steuereinheit kann auch außerhalb des Gehäuses bereitgestellt sein und über einen oder mehrere Verbinder Steuersignale an die Wärmepumpe oder den elektrischen Heizer übertragen. Demzufolge ist eine bessere Koordination des Betriebs der beiden Einheiten möglich. Außerdem können Sensoren, die für die Steuerung/Regelung der Wärmepumpe und des elektrischen Heizers erforderlich sind, z.B. ein Temperatursensor zum Erfassen einer Vorlauftemperatur in dem Heizkreis und/oder ein Temperatursensor zum Erfassen einer Umgebungstemperatur, gemeinsam genutzt werden. Auf diese Weise können Komponenten und folglich auch Kosten eingespart werden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um den Betrieb der Wärmepumpe und des elektrischen Heizers entsprechend einem eingestellten Modus aus einer Mehrzahl von Modi zu steuern. Der Modus kann dabei entsprechend einer Vorgabe von einem Nutzer eingestellt werden. Der Modus kann aber auch in Abhängigkeit eines Betriebs eines übergeordneten Systems, in dem das Heizmodul verwendet wird, eingestellt werden. Beispielsweise kann in einem Elektrofahrzeug bei geringer Reichweite ein Energiesparmodus gewählt werden und in der Steuereinheit des Heizmoduls kann dann ein entsprechender Modus eingestellt werden. Auf diese Weise kann der Betrieb des Heizmoduls an den Betrieb des übergeordneten Systems, d.h. des Elektrofahrzeugs, des Haushaltsgeräts oder des Gebäudeheizungssystems, angepasst werden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um in einem Effizienz-Modus die Wärmepumpe mit einer vorgegebenen Leistung zu betreiben. Die vorgegebene Leistung kann im Wesentlichen eine Nennleistung der Wärmepumpe sein. Bevorzugt kann der elektrische Heizer nicht betrieben werden. Demzufolge wird bei der Zufuhr der Nutzwärme zu dem Heizkreis eine hohe Effizienz erreicht.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um in einem Maximalleistungs-Modus die Wärmepumpe mit im Wesentlichen ihrer Nennleistung zu betreiben und den elektrischen Heizer zu betreiben, um zusätzliche Leistung bereitzustellen. Demzufolge kann eine Wärmepumpe auf eine geringere Nennleistung ausgelegt sein und zusätzliche Leistung kann in Sondersituation, z.B. geringe Wärme des Reservoirs, durch den elektrischen Heizer bereitgestellt werden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um in einem Lebensdaueroptimierungs-Modus die Wärmepumpe, mit einer Leistung zu betreiben, bei der eine längere Lebensdauer zu erwarten ist. Bevorzugt kann die Wärmepumpe konstant mit dieser Leistung betrieben werden. Die Leistung kann bevorzugt 60 bis 80 % der Nennleistung sein. Weiter bevorzugt kann die Leistung 70 % der Nennleistung sein. Die Steuereinheit kann zudem ausgebildet sein, den elektrischen Heizer zu betreiben, um in einem Bedarfsfalls zusätzliche Leistung bereitzustellen. Bevorzugt kann der Heizer mit seiner Nennleistung betrieben werden. Durch einen derartigen Betrieb wird die Lebensdauer der Wärmepumpe verlängert. Durch Betreiben der Wärmepumpe mit konstanter Leistung können zudem häufige Lastwechsel vermieden werden. Leistungsspitzen können durch entsprechenden Betrieb des elektrischen Heizers abgefangen werden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um in einem Konstantleistungs-Modus die Wärmepumpe mit konstanter Leistung zu betreiben und den elektrischen Heizer mit einer vorgegebenen Leistung zu betreiben, so dass Leistungsspitzen und -einbrüche durch Anpassung des Betriebs des elektrischen Heizers kompensierbar sind. Demzufolge werden Lastwechsel beim Betrieb der Wärmepumpe vermieden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um in einem Schnellstart-Modus den elektrischen Heizer mit einer vorgegebenen Leistung zu betreiben und die Wärmepumpe so zu betrieben, dass sie eine Bereitstellung der vorgegebenen Leistung fortschreitend übernimmt. Demzufolge wird zunächst eine schnelle Bereitstellung von Nutzwärme erreicht und die Wärmepumpe kann in schonender Weise hochgefahren werden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um in einem Notbetrieb-Modus den elektrischen Heizer zu betreiben, um einen Ausfall der Wärmepumpe zumindest teilweise zu kompensieren. Bei dem Ausfall der Wärmepumpe kann es sich um einen vollständigen oder einen teilweisen Ausfall handeln. Demzufolge kann die Wärmepumpe nicht länger die erforderliche Nutzwärme an den Heizkreis bereitstellen. In diesem Fall kann dann der elektrische Heizer zur Bereitstellung von Nutzwärme verwendet werden. Demzufolge kann dem Heizkreis selbst bei einem Ausfall der Wärmepumpe weiterhin die erforderliche Nutzwärme oder zumindest ein Teil der Nutzwärme zugefügt werden.
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Der elektrische Heizer kann auf Basis eines konstanten oder eines variablen Widerstandsverhaltens aufgebaut sein. So ist ein PTC-Heizer mit variablem Widerstandsverlauf möglich oder ein Schichtheizer, ein Heizer mit Rohrheizelementen oder ein Platinenheizer mit konstantem Widerstand. Derartige Heizer stellen ein schnelles Ansprechverhalten bereit und können auf einfache Weise in eine Fluidleitung integriert werden.
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Ein offenbarungsgemäßes Fahrzeug weist das Heizmodul gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Hybrid-Fahrzeug oder ein Elektrofahrzeug. Demzufolge kann eine einfache Integration einer Wärmepumpe und eines elektrischen Heizers in einen Heizkreis des Fahrzeugs erfolgen.
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Ein offenbarungsgemäßes Haushaltsgerät weist das Heizmodul gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf. Das Haushaltsgerät kann dabei beispielsweise ein Wäschetrockner, eine Waschmaschine oder eine Spülmaschine sein. Demzufolge kann eine einfache Integration einer Wärmepumpe und eines elektrischen Heizers in einen Heizkreis des Haushaltsgeräts erfolgen.
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Ein offenbarungsgemäßes Gebäudeheizungssystem weist das Heizmodul gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf. Demzufolge kann eine einfache Integration einer Wärmepumpe und eines elektrischen Heizers in einen Heizkreis des Gebäudeheizungssystems erfolgen.
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Nachfolgend wird die Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Heizmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der ein elektrischer Heizer in oder an einer Leitung zu einem Wärmetauscher, der an einem Kondensator einer Wärmepumpe vorgesehen ist, angeordnet ist;
- 2 ein Heizmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der ein elektrischer Heizer in oder an einem Bypass, der zu dem Wärmetauscher parallel ausgebildet ist, der an dem Kondensator der Wärmepumpe vorgesehen ist, angeordnet ist; und
- 3 ein Heizmodul gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der ein elektrischer Heizer in oder an der Leitung zu dem Wärmetauscher und ein weiterer elektrischer Heizer in oder an dem Bypass angeordnet sind.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es ist anzumerken, dass die Beschreibung der Ausführungsform als nicht abschließend anzusehen ist.
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1 zeigt ein Heizmodul 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Heizmodul 1 weist eine Wärmepumpe 2 und einen elektrischen Heizer 4 auf.
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Die Wärmepumpe 2 ist ausgebildet, um einem Reservoir 6 Wärme unter Aufwendung von technischer Arbeit zu entnehmen und einem Heizkreis 8 als Nutzwärme zuzuführen. Die Wärmepumpe 2 weist hierzu einen Verdampfer 10, der mit dem Reservoir 6 mittels eines Wärmetauschers 12 in wärmeübertragender Weise verbunden ist, einen Kompressor 14, einen Kondensator 16, der dem Heizkreis 8 Nutzwärme über einen Wärmetauscher 18 zuführen kann, und ein Expansionsventil 20 auf. Der Verdampfer 10, der Kompressor 14, der Kondensator 16 und das Expansionsventil 20 sind über einen Kältekreislauf 22, in dem Kältemittel bei Betrieb der Wärmepumpe 2 zyklisch strömt, miteinander verbunden.
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Der Verdampfer 10 entnimmt dem Reservoir 6 Wärme unter Verwendung des Wärmetauschers 12. Als Reservoir 6 können unterschiedliche Wärmequellen verwendet werden. Beispiele hierfür sind Abwärme eines Motors, wie etwa eines Verbrennungsmotors und/oder eines Elektromotors, Abwärme eines Batteriepacks, Umgebungsluft oder eine andere Wärmequelle, wie etwa Solarkollektoren oder Erdwärme. Die Wärme kann dem Wärmetauscher 12, d.h. dem Verdampfer 10, mittels eines Fluidkreislaufs oder eines Fluidkanals zugeführt werden.
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Das Kältemittel, das sich im Verdampfer 10 befindet, absorbiert die durch den Wärmetauscher 12 zugeführte Wärme und verdampft, wodurch Wärme an das Kältemittel übertragen wird. Dieser Vorgang erfolgt bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur.
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Nachdem das Kältemittel im Verdampfer 10 verdampft ist, wird es in den Kompressor 14 geleitet, da der Kompressor 14 das Kältemittel während des Komprimiervorgangs ansaugt und so für eine zyklische Strömung des Kältemittels in dem Kältekreislauf 22 sorgt. In dem Kompressor 14 wird das Kältemittel komprimiert und so auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur gebracht.
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Im Kondensator 16 wird das komprimierte, gasförmige Kältemittel kondensiert und wieder in den flüssigen Zustand überführt. Dies erfolgt, indem die Wärme, die das Kältemittel aufgenommen hat, über den Wärmetauscher 18 an den Heizkreis 8 abgegeben wird.
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Durch das Expansionsventil 20 wird der Druck des Kältemittels gesteuert, da es einen Druckunterschied zwischen einem Hochdruckbereich vor dem Expansionsventil 20 und einem Niederdruckbereich nach dem Expansionsventil 20 bereitstellt. Das Expansionsventil 20 senkt folglich den Druck des Kältemittels beim Übergang vom Hochdruck- zum Niederdruckbereich. Auf diese Weise wird die Temperatur des Kältemittels gesenkt, so dass es in dem Verdampfer 10 erneut Wärme aufnehmen kann.
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Der elektrische Heizer 4 ist ausgebildet, um dem Heizkreis 8 Nutzwärme zuzuführen. Der elektrische Heizer 4 kann bevorzugt ein schnelleres Ansprechverhalten als die Wärmepumpe 2 aufweisen. Als elektrischer Heizer 4 können solche auf Basis eines konstanten oder eines variablen Widerstandsverhaltens verwendet werden. So ist ein PTC-Heizer mit variablem Widerstandsverlauf möglich oder ein Schichtheizer, ein Heizer mit Rohrheizelementen oder ein Platinenheizer mit konstantem Widerstand. Der elektrischer Heizer 4 kann in oder an einer (Fluid-)Leitung, z.B. einem Rohr, angeordnet sein.
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Wie in 1 zu sehen, ist das Heizmodul 1 derart ausgebildet, dass es in den Heizkreis 8 integrierbar oder mit diesem verbindbar ist. Beispielsweise kann der Heizkreis 8 oder zumindest ein Abschnitt des Heizkreises 8 durch das Heizmodul 1 gebildet sein. Für den Fall, dass das Heizmodul 1 mit dem Heizkreis 8 verbindbar ausgebildet ist, können Anschlüsse 24 und 26 zum Verbinden des Heizmoduls 1 mit entsprechenden Anschlüssen des Heizkreis 8 gebildet oder vorgesehen sein. Folglich können die Wärmepumpe 2 und der elektrische Heizer 4 durch einen gemeinsamen Verbindungsvorgang mit dem Heizkreis 8 verbunden werden.
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Weiterhin können die Wärmepumpe 2 und der elektrische Heizer 4 in einem Gehäuse 28 aufgenommen sein, so dass eine Integration oder eine Verbindung des Heizmoduls 1 mit dem Heizkreis 8 weiter vereinfacht wird. Das Gehäuse 28 kann dabei auch ein für die Wärmepumpe 2 vorgesehenes Gehäuse sein. Das Gehäuse 28 kann bevorzugt an einen vorgesehenen Bauraum angepasst werden, so dass eine passende Integration in ein übergeordnetes System, wie etwa ein Fahrzeug, ein Haushaltsgerät oder ein Gebäudeheizungssystem, erreicht wird.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der elektrische Heizer 4 in oder an einer Leitung 30 zu dem Wärmetauscher 18 angeordnet. Das bedeutet, dass der Wärmetauscher 18, d.h. der Kondensator 16 der Wärmepumpe 2, und der elektrische Heizer 4 seriell angeordnet sind. Aufgrund der seriellen Anordnung kann eine Summenleistung der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4 auf einfache Weise eingestellt werden.
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Zur Steuerung eines Betriebs des Heizmoduls 1 ist eine Steuereinheit 32 vorgesehen, die ausgebildet ist, um einen Betrieb der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4 zu steuern. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Steuereinheit 32 auch in dem Gehäuse 28 aufgenommen. Um eine einfache Verbindung mit einer Steuereinheit eines übergeordneten Systems zu ermöglichen, ist an der Außenseite des Gehäuses 28 ein Verbinder 34 vorgesehen. Der Verbinder 34 kann dabei als Buchse oder Stecker ausgebildet sein. Selbstverständlich kann über den Verbinder 34 auch eine elektrische Energieversorgung des Heizmoduls 1, d.h. der Steuereinheit 32, der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4, bereitgestellt werden. Zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die Wärmepumpe 2 und den elektrischen Heizer 4 kann die Steuereinheit 32 eine integrierte oder separate Energieversorgungseinheit (nicht gezeigt) aufweisen. Selbstverständlich können auch weitere Verbinder an dem Gehäuse 28 vorgesehen sein. Außerdem kann die Steuereinheit 32 auch außerhalb des Gehäuses 28 vorgesehen sein. Über den Verbinder 34 können dann Steuersignale an die Wärmepumpe 2 und den elektrischen Heizer 4 übertragen werden. Die Energieversorgungseinheit kann bei dieser Modifikation weiterhin in dem Gehäuse 28 aufgenommen sein. In allen Fällen wird jedoch der Vorteil erreicht, dass eine Steuerung der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4 mittels einer einzigen Steuereinheit 32 erfolgt.
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Weiterhin kann das Heizmodul 1 einen oder mehrere Sensoren zum Zweck einer Steuerung der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4 aufweisen. Beispielhaft sei hier ein Temperatursensor 36 genannt, der eine Vorlauftemperatur des Heizkreises 8 misst. Der Temperatursensor 36 kann dabei ein Thermoelement, ein NTC-Widerstand oder ein Platinmesswiderstand sein. Folglich kann durch die Verwendung der einen Steuereinheit 32, um den Betrieb der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4 zu steuern, auch die Anzahl von benötigten Sensoren reduziert werden.
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Die Steuereinheit 32 kann ausgebildet sein, um den Betrieb der Wärmepumpe 2 und des elektrischen Heizers 4 entsprechend einem eingestellten Modus aus einer Mehrzahl von Modi zu steuern. Der Modus kann entsprechend einer Vorgabe von einem Nutzer eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich wird der Modus auch durch eine Einstellung des übergeordneten Systems vorgegeben. Einzelne Modi werden nachfolgend beschrieben.
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In einem Effizienz-Modus kann die Steuereinheit 32 die Wärmepumpe 2 mit einer vorgegebenen Leistung betreiben. Die vorgegebene Leistung kann insbesondere auf im Wesentlichen die Nennleistung der Wärmepumpe 2 festgelegt sein. Bevorzugt wird der elektrische Heizer 4 dann nicht betreiben. Demzufolge kann eine hohe Effizienz bei der Bereitstellung der Nutzwärme erreicht werden.
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In einem Maximalleistungs-Modus kann die Steuereinheit 32 die Wärmepumpe 2 mit im Wesentlichen ihrer Nennleistung betreiben. Weiterhin kann sie den elektrischen Heizer 4 betreiben, um zusätzliche Leistung bereitzustellen. Die Leistung des elektrischen Heizers 4 kann bis im Wesentlichen auf seine Nennleistung eingestellt werden. Demzufolge kann eine hohe Summenleistung bereitgestellt werden. Dieser Modus ist zu wählen, wenn ein schneller Erwärmvorgang gewünscht ist oder eine Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe, z.B. aufgrund einer geringen Wärme in dem Reservoir 6, limitiert ist.
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In einem Lebensdaueroptimierungs-Modus kann die Wärmepumpe 2 durch die Steuereinheit 32 mit einer Leistung betrieben werden, bei der eine längere Lebensdauer der Wärmepumpe 2 zu erwarten ist. Bevorzugt wird die Leistung konstant beibehalten, um Lastwechsel der Wärmepumpe 2 zu vermeiden. Die Leistung, bei der die längere Lebensdauer zu erwarten ist, liegt im Bereich zwischen 60 und 80 %, bevorzugt 70%, der Nennleistung der Wärmepumpe 2. Für den Fall, dass eine höhere Leistung zum Erwärmen des Heizkreises 8 benötigt wird, kann diese durch einen Betrieb des elektrischen Heizer 4 bereitgestellt werden. Demzufolge kann die Lebensdauer der Wärmepumpe 2 verlängert werden.
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In einem Konstantleistungs-Modus kann die Steuereinheit 32 die Wärmepumpe 2 mit konstanter Leistung betreiben. Die Leistung kann dabei wiederum auf 60 bis 80 %, bevorzugt 70 %, der Nennleistung der Wärmepumpe 2 eingestellt sein. Es kann aber auch eine höhere bzw. niedrigere Leistung gewählt werden. Der elektrische Heizer 4 wird im Konstantleistungs-Modus mit einer vorgegebenen Leistung betrieben und Leistungsspitzen und -einbrüche werden dann durch Anpassung des Betriebs des elektrischen Heizers 4 kompensiert. Demzufolge kann die Wärmepumpe 2 konstant mit einer vorgegebenen Leistung betrieben werden, so dass Lastwechsel vermieden werden. Durch entsprechenden Betrieb des elektrischen Heizers 4 kann trotzdem ein dynamisches Leistungsprofil bereitgestellt werden.
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In einem Schnellstart-Modus kann die Steuereinheit 32 den elektrischen Heizer 4 mit einer vorgegebenen Leistung betreiben. Die Wärmepumpe 2 wird so betrieben, dass sie die vorgegebenen Leistung fortschreitend bereitstellt. Das heißt, die Wärmepumpe 2 wird kontinuierlich auf die vorgegebene Leistung hochgefahren. Gleichzeitig wird die Leistung des elektrischen Heizers entsprechend reduziert. Demzufolge können die mechanischen Komponenten der Wärmepumpe 2 auf schonende Weise in Betrieb genommen werden.
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In einem Notbetrieb-Modus kann die Steuereinheit 32 den elektrischen Heizer 4 betreiben, um einen (Teil-)Ausfall der Wärmepumpe 2 zu kompensieren. Bei dem Ausfall der Wärmepumpe 2 kann es sich um einen vollständigen oder einen teilweisen Ausfall handeln. Demzufolge kann die Wärmepumpe 2 nicht länger die erforderliche Nutzwärme an den Heizkreis 8 bereitstellen. In diesem Fall kann dann der elektrische Heizer 4 zur Bereitstellung von Nutzwärme verwendet werden. Demzufolge kann dem Heizkreis 8 selbst bei einem Ausfall der Wärmepumpe 2 weiterhin die benötigte Nutzwärme oder ein Teil der Nutzwärme bereitgestellt werden.
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Wie bereits erwähnt, können die einzelnen Modi entsprechend einer Einstellung eines übergeordneten Systems, in dem das Heizmodul 1 verbaut bzw. verwendet wird, eingestellt werden. Beispielsweise kann der Effizienz-Modus eingestellt werden, wenn eine Reichweite eines Elektrofahrzeugs niedrig ist, d.h. die Reichweite einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Der Lebensdaueroptimierungs-Modus kann bei Einstellung eines Schon-Modus eingestellt werden. Der Schnellstart-Modus oder der Maximalleistungs-Modus können für ein schnelles Erwärmen gewählt werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Heizmoduls 1, bei dem ein elektrischer Heizer 40 in einem Bypass 42 angeordnet ist, der zu der Leitung 30 zu dem Wärmetauscher 18 parallel ausgebildet ist. In der Leitung 30 ist in dieser Ausführungsform kein elektrischer Heizer angeordnet.
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Eine Strömung des Fluids durch die Leitung 30 oder den Bypass 42 wird vorliegend durch entsprechende Stellung der Ventile 44 und 46 gesteuert. Ein Betrieb der Ventile 44 und 46 kann dabei durch die Steuereinheit 32 erfolgen. Alternativ zu den beiden gezeigten Ventilen 44, 46 kann auch eine Strömungsweiche verwendet werden.
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Die weiteren Komponenten des Heizmoduls 1 aus 2 entsprechen denen des in 1 gezeigten Heizmoduls 1, so dass auf deren Beschreibung zur obigen Ausführungsform verwiesen wird.
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3 zeigt eine andere Ausführungsform des Heizmoduls 1, bei dem der elektrische Heizer 4 in der Leitung 30 und der elektrische Heizer 40 in dem Bypass 42 angeordnet sind.
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Eine Strömung des Fluids durch die Leitung 30 oder den Bypass 42 wird dabei durch entsprechende Stellung der Ventile 44 und 46 gesteuert. Ein Betrieb der Ventile 44 und 46 erfolgt durch die Steuereinheit 32. Alternativ zu den beiden gezeigten Ventilen 44, 46 kann auch eine Strömungsweiche verwendet werden.
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Die weiteren Komponenten des Heizmoduls 1 aus 3 entsprechen denen des in 1 gezeigten Heizmoduls 1, so dass auf deren Beschreibung zur obigen Ausführungsform verwiesen wird.
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Die oben beschriebenen Heizmodule 1 können in einem Fahrzeug, z.B. einem Hybrid-Fahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, verwendet werden. Als Reservoir kann dabei Abwärme von anderen Komponenten, z.B. von einem Motor (Verbrennungsmotor oder Elektromotor) in dem Fahrzeug und/oder von einem Batteriepack in dem Fahrzeug, Umgebungswärme (Umgebungsluft oder ein anderes Fluid) oder aber auch eine weitere Wärmequelle (z.B. Solarkollektoren) verwendet werden.
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Die oben beschriebenen Heizmodule 1 können auch in einem Haushaltsgerät, z.B. einem Geschirrspüler, einer Waschmaschine oder einem Wäschetrockner, verwendet werden. Als Reservoir 6 kann Umgebungswärme (Umgebungsluft oder ein anderes Fluid) oder eine weitere Wärmequelle (z.B. Solarkollektoren) verwendet werden.
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Weiterhin ist die Verwendung der oben beschriebenen Heizmodule in einem Gebäudeheizungssystem möglich. Als Reservoir 6 kann Umgebungswärme (Außenluft oder Erdwärme) verwendet werden. Es kann aber auch eine andere Wärmequelle (z.B. Solarkollektoren) eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizmodul
- 2
- Wärmepumpe
- 4
- elektrischer Heizer
- 6
- Reservoir
- 8
- Heizkreis
- 10
- Verdampfer
- 12
- Wärmetauscher
- 14
- Kompressor
- 16
- Kondensator
- 18
- Wärmetauscher
- 20
- Expansionsventil
- 22
- Kältekreislauf
- 24
- Anschluss
- 26
- Anschluss
- 28
- Gehäuse
- 30
- Leitung
- 32
- Steuereinheit
- 34
- Verbinder
- 36
- Temperatursensor
- 40
- elektrischer Heizer
- 42
- Bypass
- 44
- Ventil
- 46
- Ventil