DE3209761C2 - Wärmepumpenanlage - Google Patents
WärmepumpenanlageInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpenanlage, in welcher ein Kühlmittelkreis einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensor mit eingebautem Zusatzkühler und ein Expansionsventil enthält, wobei der Kondensor über eine Radiatorwasserheizpumpe an einen Radiatorkreis auf der Heizmediumseite angeschlossen ist. Zur Verbesserung der Betriebsweise bei möglichst geringen Wärmeverlusten ist nach der Erfindung vorgesehen, daß ein Heißgaswärmetauscher mit dem Kühlmittelkreis zwischen dem Kompressor und dem Kondensor verbunden ist, daß die Heizmediumseite des Heißgaswärmetauschers an eine Hauswasserheizvorrichtung angeschlossen ist, daß ein gesonderter Zusatzkühler zwischen den eingebauten Zusatzkühler und das Expansionsventil geschaltet ist, und daß die Heizmediumseite des gesonderten Zusatzkühlers an einen gesonderten Heizkreis angeschlossen ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpenanlage
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Wärmepumpenanlage Ist aus der DE-OS
Π 144 bekannt. Diese hat einen Kühlmittelkreis, der einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensor
und ein Expansionsventil aufweist, wobei der Kondensor Ober eine Radiatorwasserpumpe mit einem Radiatorkreis
auf der Helzmedlumselte verbunden Ist, wobei ein Heizgaswärmetauscher
mit dem KUhlmlttelkrels zwischen dem Kompressor und dem Kondensor verbunden 1st und
wobei die Helzmedlumselte des Heißgaswärmetauschers mit einer Hauswasserhelzvorrlchtung verbunden Ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung .1st es, eine Wärmepumpenanlage dieser Art so weiterzubilden, daß
bei nicht wesentlich größerem Konstruktionsaufwand und gutem Wirkungsgrad schnell eine ausreichende
Temperatur des Hauswarmwassers und des Radiatorwassers zur Verfügung gestellt wird.
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Bereitung des Hauswannwassers In ausreichender Menge und Temperatur Ist nicht nur eine ausreichende
Temperatur Im Helßgaswännetauscher erforderlich, sondern auch eine schnelle Anpassungsmöglichkeit
bei gutem Wirkungsgrad. Wenn der HelßEaswärmetauscher
selbst die notwendige Temperatur nlcU leisten
kann, ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, die Temperatur
des Hauswarmwassers durch den Anschluß des Kondensors as den Injektor zu erhöhen. Hierdurch
werden der Heißgaswärmetauscher und der Kondensor Insgesamt zu Hauswanr.wasserbereltung ausgenutzt, was
die Möglichkeit ergibt, während kürzeren Perioden eine
ausreichende Menge des Hauswarmwassers ohne eine Überdimensionierung des Heißgaswärmetauschers zu
liefern. Das gewünschte Resultat wird in eftwr ökonomisch
vorteilhaften Weise durch die Ausnutzung der vorhandenen Wärmetauschoberflächen erreicht. Dabei
kann eine selbsttätige Regelung Ober eine Steueranlage erreicht werden, wenn die Hauswarmwassertemperatur
und/oder die Radioatorwassertemperatur einen vorbestimmten
Wert unterschreiten. Gleichzeitig wird sichergestellt, daß die Pumpe des Kühlmediumkreises des
Verdampfers eingeschaltet ist, wenn die erforderliche
Hauswarmwasser- tew. Radiatorwasserlieferung zu erfolgen hat.
Mit Hilfe der Merkmale des Anspruchs 2 wird sichergestellt,
daß bei Bedarf zunächst die Hauswarmwasserversorgung mit der gewünschten Temperatur und erst
danach die Hochregelung der Radiatorwassertempcralur
erfolgt, wenn beide Sollwerte unterschritten sind.
Bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage erfolgt die parallele Beheizung von Hauswasser und
Radiatorwasser bei einer möglichst niedrigen Kondensationstemperatur.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung AusfOhrungsbelspiele
der Erfindung zur näheren Erläuterung beschrieben.
Es zeigt
Flg. 1 ein Blockdiagramm einer die Erfindung aufweisenden
Wärmepumpenanlage,
Flg. 2 und 3 unterschiedliche Benutzungsweisen eines
gesonderten Zusatzkühlers der Wärmepumpe bei unterschiedlichen Wärmequellen, und
Fig. 4 den Wärmeinhalt des Kühlmittels In unterschiedlichen
Abschnitten der Wärmepumpe.
Flg. 1 veranschaulicht einen Verdampfer 1, dessen
Kühlmedium (Sole)-Selte an einen Bodenheizkreis bei a-a angeschlossen Ist. Der KOhlmittelkrels des Verdampfers
1 weist einen Kompressor 4 auf. der an einen Heißgaswärmetauscher 8 angeschlossen ist. Dem Heißgaswärmetauscher
8 folgt ein Kondensor S, der mit einem Zusatzkühler 6 kombiniert ist, wobei ein Empfänger 7
zwischen den Kondensor S und den Zusatzkühler 6 geschaltet Ist. Der Auslaß des Zusatzkühlers 6 1st an
einen gesonderten Zusatzkühler 10 angeschlossen, welcher mit dem Verdampfer 1 Ober ein Expansionsventil
U in Verbindung steht. Das Ventil Il kann In
Abhängigkeit der Temperatur In der Leitung zwischen dem Verdampfer 1 und dem Kompressor 4 In an sich
bekannter Welse betätigt werden. Die Helzmedlumselte
des gesonderten Zusatzkühlers 10 ist mit einem gesonderten Helzkrels bei b-b verbunden.
Die Heizmediumseite des Heißgaswärmetauschers 8 Ist an eine Hauswasserhelzvorrlchtung 9 angeschlossen,
die mit Kaltwasser versorgt wird und von welcher Warmwasser
abgezogen wird.
serleitungen verbunden. Die Temperatur in dem Kessel,
der den Warmwasserbehälter umgibt, wird von einer Hauswarmwassertemperatur-Abfuhleinrichtung 20 abgefohlt,
welche an eine Steueranlage 19 angeschlossen ist. Ein Injektor 12 ist in die Zuführleitung von dem Heißgaswärmetauscher
8 zu der Hauswasserheizvorrichtung 9 geschaltet. Der Injektor 12 ist außerdem mit dem HeizmediumausIaS
des Kondensors 5 über ein Rückschlagventil 14 in Reihe mit einer Hauswasserheizpumpe 13
verbunden. Die Rückführungsleitung von der Hauswasserheizvorrichtung 9 ist über eine Leitung 15 mit dem
Heißgaswärmetauscher 8 und dem Heizmediumeinlaß der Kondensor-Zusatzkühler-Kombinatlon 5, 6 verbunden.
Eine Überströmleitung 24, die die Zufuhrleitung an den Heizmediumauslaß des Kondensors S anschließt, ist
zwischen den Heißgaswärmetauscher 8 und den Injektor 12 Ober ein Thermostatventil geschaltet.
Der Heizmediumauslaß des Kondensors 5 ist Ober eine Radiatorheizpumpe 16 und ein Rückschlagventil 17 an
einen Kreis angeschlossen, der eine Anzahl von Radiatoren 18 enthält. Dieser Kreis ist auch au den Heizmediumeinlaß
der Kondensor-Zusatzkühlei·· Kombination
S, 6 angeschlossen. Es ist auch möglich, einen Heizdampfkessel 25 an den Radiatorkreis über ein Nebenschlußventil
anzuschließen, beispielsweise einen Heizölkessel für eine Zusatzbeheizung. Die Temperatur des
Radii torkreises wird von einer Radlatorkreistemperatur-Abrühleinrichtung
21 abgefühlt, die mit der Steueranlage 19 verbunden ist.
Eine Einrichtung 22 zum Abfohlen der Umgebungslufitemperatur,
die an die Steueranlage 19 angeschlossen ist. befindet sich ebenfalls in der Anlage. Die Steueranlage
19 betätigt eine Pumpe 2 des Kühlmedlumkreises, den Kompressor 4, die Hauswasserheizpumpe 13 und die
Kadialorwasserheizpumpe 16. Der Heißgaswärmetau- JS
scher 8 der Anlage und der gesonderte Zusatzkühler 10
können auch mit einer elektrischen Heizvorrichtung, ζ. Β. einem elektrischen Heizelement, ausgestattet sein,
um für zusatzliche Beheizung zu sorgen.
BcI der zuvor beschriebenen Anlage weist der Kohlmttielkreis
einen Heißgaswärmetauscher 8 zwischen dem Kompressor 4 und dem Kondensor 5 auf. Ein gesonderter
Zusatzkühler 10 ist zwischen der Kondensor-Zusatzkuhler-Kombinatlon
5, 6 und dem Expansionsventil 11 vorgesehen. Darüber hinaus sind eine Radiatorheizpumpe
16 für den Radiatorkreis und eine Wasserheizpumpe 13 für den Hauswasserhelzkrels an den Helzmedlumauslaß
des Kondensors 5 angeschlossen. Die Temperatur des Hauswasserhelzkrelses wird von der Hauswassertemperatur-Abfuhlelnrlchtung
2Q abgefühlt. Der Heißgaswärmetauscher 8 gibt Wärme an diesen Kreis
über seinen Heizauslaß ab. Wenn die mit der Einrichtung 20 abgefühlte Temperatur durch die Wärmeübertragung
aufgrund der Zirkulation durch natürliche Konvektion nicht auf den gewünschten Pegel angehoben ist, wird die
Hauswasserheizpumpe 13 angeschaltet, die Wasser von dem Kondensor 5 durch den Injektor 12 ?u der Hauswasserheizvorrichtung
9 pumpt. Der Injektor 12 ist an die Zufuhrleitung der Hauswasserheizvorrlchtur.g 9 angeschlossen.
Außerdem verhindert der Injektor 12 einen Kurzschlußstrom des Heißgaswärmetauschers 8, wenn
die Hauswasserheizpumpe 13 betätigt wird. Während der
Bciricbszcit der Hauswasserpumpe 13 ist die Radlatorhci/.pumpe
16 außer Betrieb.
Wie erwähnt, empfängt die Steueranlage 13 ankommende
Signale bezüglich der Temperatur In der Hauswasserheizvorrichtung 9 und der Radlatorwasserrückführungslcltung
und bezüglich der Außentemperatur. Beim Abfühlen der Temperatur in der Steueraalage 19 wird der
Hauswannwassertemperatur Vorrang gegeben, wodurch, wenn die Wassertemperatur unterhalb eines festgelegten
Wertes liegt, die Hauswasserheizpumpe 13 angeschaltet wird, während die Radiatorheizpumpe 16 in dem Radiatorkreis
außer Betrieb gehalten wird. Dieser Betriebszustand hält solange an. bis die Hauswannwassertemperatur
den festliegenden Wert erreicht hat. Hierbei werden die gesamte Kondensorfläche und der Heißgaswännetauscher
8 für die Hauswasserheizung genutzt. Dies ist wichtig, da es eine gute Möglichkeit schafft, die Temperaturdifferenz
zwischen der KondensaUonstetnperatur und der Temperatur des an die Hauswasserheizvorrfchtung
9 abgegebenen Wassers auf einem Minimum zu halten. Wenn die Hauswarmwassertemperatur hoch
genug ist, wird die Hauswasserheizpumpe 13 abgeschaltet und statt dessen die Radiatorheizpumpe 16 angeschaltet.
Wenn die Temperatur in der Radiatorwasserleitung unterhalb des bevorzugten W*-.'..» liegt, d. h. wenn
ein Aufheizen erforderlich ist. läuft d'e Radlatorhelzpumpe
16 so lange weiter, bis die gewünschte Radiatortemperatur erreicht ist. Während dieser Betriebsperiode
kann das Hauswarmwasser immer noch aufgrund der zuvor erwähnten Zirkulation durch natürliche Konvektion
über den Heißgaswärmetauscher 8 erwärmt werden. Die Heizmediumpumpe 2 und der Kompressor 4 sind
in Betrieb, wenn in einem der Kreise ein Beheizen erforderlich ist. Wenn eine zusätzliche Aliheizung in dem
Hauswasserheizkreis notwendig ist. wird beispielsweise eic elektrisches Heizelement in dem Heißgaswärmetauscher
8 eingesetzt. Wenn in dem Radiatorwasserkreis eine zusätzliche Beheizung notwendig ist, kann ein Öl-
oder elektrischer Heizkessel 25 an die Radiatorwasserzufuhrleitung über ein Nebenschlußventil, wie oben
erwähnt, angeschlossen werden. Die zusätzliche Beheizung mittels eines elektrischen Elementes in dem Heißgaswärmetauscher
8 kann auch dann ausgeführt »erden, wenn beide Pumpen 13 und 16 parallel betrieben werden.
Diese Wärmequelle kann natürlich auch als Wärmenv.erve
benutzt werden. Wie erwähnt, 1st ein besonderer Zusatzkühler 10 in dem Kühlmittelkreis zwischen den
Kondensor 5 und das Expansionsventil 11 geschaltet. Wenn der Verdampfer 1 an den Bodenheizkreis 26
(Fig. 2) angeschlossen ist, kann ein Niedrigtemperaturkreis 27, z. B. für das Beheizen bestimmter Kellerräume,
an die Heizmediumseite b-b des besonderen Zusatzkühlers 10 in Übereinstimmung mit der Alternative I In
Flg. 2 angeschlossen werden. Nach der Alternative Il von FI g. 2 ist der Heizmediumseite b-b des besonderen
Zusatzkühlers 10 an einen Luftheizkreis 30 angeschlossen. Die zugeführte Lnft 28 wird beispielsweise von
eine-:. Gebläse 29 Ober den besonderen ZusatzKQhler 10
aus der Atmosphäre angesaugt.
Wenn der Verd«.tnpfer 1 der Wärmepumpcnanlage an
einen Luftwärmetauscher 34 angeschlossen ist. kann dei besondere Zusatzkühler 10 zum Entfrosten des Wärmetauschers
eingesetzt werden. Dies kann In der Weise erfolgen, wie dies an dem Ausführungsbeispiel von
Flg. 3 gezeigt 1st. Der Luftwärmetauscher 34 mit seiner
Abtropfschale 37 und dem Gebläse lsi bei a-c an den
Verdampfer 1 angeschlossen. Die Heizmediumseite b-b des gesonderten Zusatzkühlers 10 ist an einen Speicherkessel
31 angeschlossen. Der Wärmeinhalt des Zusatzkühlers 10 wird auf den Speicherkessel 31 übertragen
und erwärmt diesen. Der Speicherkessel 31 ist über eine Pumpe 32 In Reihe mit einem Rückschlagventil 33 über
die Leitung zu dem Luftwärmetauscher 34 verbunden. Benachbart dazu Ist eine Temperaturnbfühleinrichtuns
36 vorgesehen, welche dazu geeignet Ist, die Pumpe 32
Ober eine (nicht dargestellte) Steuervorrichtung zu betätigen. Wenn die Temperatur des Luftwärmetauschers 34
unterhalb eines vorgegebenen Pegels liegt, beispielsweise +5° C, was bedeutet, daß der Luftwärmelauscher 34 der
Eisbildung ausgesetzt sein könnte, ist die Steuervorrichtung so ausgebildet, daß die Pumpe 32 In regelmäßigen
Intervallen betätigt wird. Das erwärmte Medium In dem
Speicherkessel 31 wird dann durch den Wärmetauscher 34 gefördert und heizt diesen zum Enteisen auf. Die to
Abtropfschale wird vorzugsweise gleichzeitig elektrisch erhitzt, um diese zu enteisen. Wahrend der Entelsungsperiode
Ist die Wärmepumpenanlage abgeschaltet, d. h. das Gebläse 34 des Lu ft Wärmetauschers, die Kühlmediumpumpe
2 und der Kompressor 4. Die Dauer des Entelsungslntervalles betragt wenige Minuten. Die
Perlode zwischen den Intervallen hängt von der Luftfeuchtigkeit
und der Geblasegestaltung ab. Die Zelt zwischen zwei Intervallen beträgt etwa I bis 3 Stunden.
Es ist natürlich möglich, das Enteisen auch in Beziehung
zu den herrschenden Entelsungserfordernissen automatisch zu steuern.
Flg. 4 veranschaulicht den KOhlmlttelkrels der Wärmepumpenanlage einschließlich der wesentlichen
Bestandteile dieses Kreises. In Reihe geschaltet sind der Verdampfer 1, der Kompressor 4, der HelQgaswärmetauscher
8. die Kondensor-Zusatzkühler-Komblnatlon S, 6,
der besondere Zusatzkahler 10 und das Expansionsventil 11. Ein Halogenkuhlmittel wird In dem Kühlmlttelkrels
verwendet, beispielsweise Freon und eine jener Typen R22 oder R502. Die untere Darstellung In Flg. 4 veranschaulicht
den wesentlichen Verlauf des Zustandgraphen des verwendeten Kältemittels. Die Achsen ν und>>
geben die Enthalpie / und den Druck P wieder, Pl ist der
Verdampfungsdruck und Pl der Kondensationsdruck des verwendeten Kühimiücis. in dem Graphen wird der
Verlauf der Wärmeabsorption In dem Verdampfer 1 durch die Zustandsveränderung A-B dargestellt, der
Kompressionsverlauf In dem Kompressor 4 durch B-C. die Wärmeabgabe in dem Heißgaswärmetauscher 8
durch C-D, die Wärmeabgabe in der Kondensator-Zusatzkühler-Komblnaiion
S, 6 durch D-E, die Wärmeabgabe in dem gesonderten Zusatzkühler 10
durch E-F und schließlich wird der Verlauf der Drosselung in dem Expansionsventil U durch die Zustandsänderung
F-A veranschaulicht.
Um eine maximale Ausnutzung der Wärme des KOhI-mlttelausgangsstromes
des Empfängers (d. h. vor der Drosselung und Zuführung zu dem Verdampfer) zu erhalten, kann die ZusatzkOhlung bekanntlich mittels
zuströmendem Radiatorwasser erhalten werden. In dem in Flg. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel Ist
deswegen ein Zusatzkühler 6, der diese Funktion erfüllt,
mit dem Kondensor 5 kombiniert. Die Temperaturänderung des Wassers des Radiatorkreises kann in der GrO-ßenordnung
von 10° C liegen. Folglich kann die Zusatzkühlung des Kondensates um 8 bis 9° C bei einem vernünftigen
thermischen Wirkungsgrad des Zusatzkühlers 6 erfolgen. Mit einem Kühlmittel vom Typ R22 beispielsweise
führt dies zu einer Verbesserung des Kühleffektes unter praktischen Gegebenheiten von 7 bis 8%, wodurch
ein verbesserter Heizeffekt in der Größenordnung von 5% beim Betrieb der Wärmepumpenanlage erreichbar ist. Es
ist auch möglich, den jährlichen Heizfaktor um diesen
Prozentsatz zu verbessern. Normalerweise kann der Bedarf an elektrischer Energie in einer Wärmepumpenanlage
mit einem Zusatzkühlerkreis um etwa 400 kWh pro Jahr im Vergleich zu Ausführungsformen ohne einen
solchen Zusatzkühler 6 gesenkt werden.
Stromabwärts des Zusatzkühlers 6 hat dfe Flüssigkeit
eine Temperatur, welche unter den häufigsten Betriebsbedingungen Raumtemperatur beachtlich übersteigt.
Durch Anschluß des gesonderten Zusatzkühlers IO kann der Wärmeinhalt dieser Flüssigkeit entzogen und zur
Beheizung eines Niedrigtemperaturkreises genut/.i werden. Ein Beispiel einer solchen Nutzung Ist das
beschriebene Verfahren zum Enteisen eines Luftwärmetauschers 34, wenn ein solcher vorgesehen Ist. Es Ist
somit möglich, die Verluste zu nutzen, die sonst beim Entspannen In dem Expansionsventil H verlorengingen.
In bezug auf den angeschlossenen Helßgaswärmetauscher 8 Ist zu erwähnen, daß Wärme zum Beheizen des
Hauswarmwassers auf relativ hohe Temperaturen entzogen werden kann, auch wenn bei niedrigen Kondensationstemperaturen
gearbeitet wird. Bei einer Kondensationstemperatur von beispielsweise 4Ö* C kann das Hauswarmwasser
In bestimmtem Maße auf etwa 80" C erhitzt werden. In dem Heißgaswärmetauscher 8 kann eine
Wärmemenge extrahiert werden, die etwa 25* der gesamten Wärmeabgabe In dem Kreis entspricht. Durch
die zuvor beschriebene Anordnung mit dem Heißgaswärmetauscher 8, der Hauswasserheizpumpe 13 und der
Radlat.orhelzpumpe 16 sind die verschiedenen TempcraturpegeU
die In dem Hauswarmwasserkreis und dem RadlatOfXrels herrschen, voneinander getrennt. Es kann
beispielsweise erwähnt werden, daß bei einer gewünschten Temperatur des Hauswarmwassers von 50" C die
Hauswasserheizpumpe 13 bei 45° C gestartet werden und
In Betrieb bleiben kann, bis eine Wassertemperatur von
etwa 55* C erreicht Ist. Bezüglich der Radlatorwasscrtcmperatur
kann beispielsweise erwähnt werden, dall bei einer Außentemperatur von -10" C und einer gewünschten
Temperatur des Radiatorrückflußwassers von 40" C die Rädiätüfheizpüffipc 16 bei etwa 37° C startet und
solange läuft, bis 41° C erreicht sind. Bei einer Außentemperatur von +5° C und einer Rückflußwassertemperatur
von 30° C startet die Pumpe bei etwa 28 C und läuft solange, bis die Rückflußwassertemperatur etwa 32° C
erreicht hat.
Claims (2)
1. Wärmepumpetwidage mit einem Kühlmittelkreis,
der einen Verdampfer (1), einen Kompressor s (4), einen Heißgaswärmetauscher (8), einen Kondensor
(S) und ein Expansionsventil (II) aufweist, wobei
die Heizmediumseite des Heißgaswärmetauschers (8) mit einer Hauswasserhelzvorrlchtung (9) und der
Kondensor (5) aber eine Radiatorheizpumpe (16) mit einem Radiatorkreis auf der Heizmediumseite verbunden
Ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführleitung von dem Helßgaswännetauscher (8) zu
der Hauswasserheizvorrichtung (9) ein Injektor (12) angeordnet Ist, daß der Injektor (12) Ober ein Rockschlagventil
(14) und eine Hauswasserhelzpumpe (13) mit dem HeizmedlumausIaB des Kondensors (S)
verbunden 'st. daß eine Leitung (IS) einerseits mit der
Rückfuhntngsleitung von der Hauswasserhelzvorrlchtung
(9) zu dem Heißgaswärmetauscher (8) und andererseits
mit dem Kondensor (S) verbunden Ist, daß die Hauswasserhelzpumpe (13) von einer Hauswassertemperatur-Abfuhleinrichtung
(20) zur Lieferung eines Wasserstromes Ober den Injektor (12) betätigbar
ist, wenn die Hauswannwasscatemperatur unterhalb
eines vorbestimmten Wertes liegt, und daß die Radiatorheizpumpe (16) Ober eine Radlatorkreistemperatur-Abfühlelnrlchtung
(21) zur Lieferung eines Wasserstromes durch den Radiatorkreis betätigbar ist,
wenn die Radiatorwassertemperatur unterhalb eines vorbestimmten Wertes Hegt, * AeI die Pumpe (2) des
Kuhlmediumkreises des Verdampfers (I) gleichzeitig mit der Hauswasserhelzpumpe (r t) bzw. der Radiatorheizpumpe
(16) betatlgbar ist.
2. Warmepumpenaniage nach Anspruch i, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hauswarmwassertemperatur-Abfahleinrichtungen
(20) der Hauswarmwasserversorgung den Vorrang gibt. Indem bei Unterschreiten
des vorbestimmten Temperaturwertes die Hauswasserhelzpumpe (13) zunächst betätigt wird, während
die Radiatorheizpumpe (16) außer Betrieb 1st, bis eine
vorgegebene Hauswarmwassertemperatur erreicht Ist, und erst dann die Radiatorheizpumpe (16) betätigt
wird, bis eine vorbes'lmmte Radiatorwassertemperatur
erreicht ist.
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