[0001] Die Erfindung betrifft eine reversibel arbeitende Wärmepumpe, die in unterschiedlichen
Betriebsmodi betreibbar ist sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmepumpe.
[0002] Bei Wärmepumpen wird allgemein in einem Primärkreislauf ein Primärfluid geführt,
welches über zwei in den Primärkreislauf geschaltete Wärmetauscher Wärme aus einer
Wärmequelle zu einer Wärmesenke überträgt. Unter Wärmepumpe werden daher sowohl Wärmepumpen
im engeren Sinn verstanden, die für die Gebäudewärmetechnik zum Heizen/Kühlen von
Gebäuden und/oder zur Erzeugung von Warmwasser eingesetzt werden, als auch sogenannte
Kälteanlagen zur Erzeugung von Kälte im industriellen/gewerblichen Bereich, beispielsweise
zum Kühlen von bei der industriellen Produktion eingesetzten Medien oder von gewerblich/industriell
oder in der Medizin genutzten Anlagen. Die beiden Wärmetauscher im Primärkreislauf
werden in an sich bekannter Weise als Verdampfer bzw. als Kondensator/Verflüssiger
für das Primärfluid eingesetzt. Bei reversibel arbeitenden Wärmepumpen lässt sich
die Richtung des im Kreislauf geführten Primärfluids umschalten, wodurch die beiden
Wärmetauscher ihre Funktionen vertauschen. Der im Heizbetrieb wärmequellenseitig eingesetzte
Verdampfer bildet daher im Kühlbetrieb einen wärmesenkenseitigen Kondensator. Umgekehrt
bildet der im Heizbetrieb als wärmesenkenseitiger Kondensator eingesetzte Wärmetauscher
im Kühlbetrieb den wärmequellenseitigen Verdampfer.
[0003] Im Heizbetrieb wird Energie aus der Umgebung, beispielsweise der Luft, dem Grundwasser
oder dem Boden, als Wärmequelle entnommen und einer Verbraucherseite zum Heizen als
Wärmesenke zugeführt. Im Kühlbetrieb bildet demgegenüber die Umgebung die Wärmesenke,
die Wärme aus der Verbraucherseite aufnimmt, so dass auf der Verbraucherseite eine
Kühlung beispielsweise der Raumluft oder auch von Flüssigkeiten stattfindet.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine reversibel arbeitende Wärmepumpe sowie
ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, wobei ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
[0005] Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Danach ist eine reversibel arbeitende Wärmepumpe vorgesehen, die
in unterschiedlichen Betriebsmodi, nämlich insbesondere einem Heizbetrieb und einem
Kühlbetrieb, betreibbar ist. Die Wärmepumpe weist einen Primärkreislauf für ein Primärfluid
auf, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, der in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus
als Kondensator oder Verdampfer eingesetzt ist. Der Wärmetauscher ist jeweils zugleich
Teil eines Sekundärkreislaufs für ein Wärmetauscherfluid. Der Sekundärkreislauf und
das Wärmetauscherfluid dienen zum Wärmeübertrag von einer Wärmesenke oder einer Wärmequelle
in den Primärkreislauf. Im Sekundärkreislauf ist nunmehr eine Umschaltanordnung vorgesehen,
über die die Durchflussrichtung des Wärmetauscherfluids durch den Wärmetauscher in
Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus derart einstellbar ist, dass das Primärfluid
und das Wärmetauscherfluid in jedem der Betriebsmodi Im Gegenstromprinzip durch den
Wärmetauscher geführt werden.
[0006] Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausgestaltung und der speziellen Umschaltanordnung
ist gewährleistet, dass der Wärmetauscher unabhängig von dem gewählten Betriebsmodus
jeweils In der optimalen Gegenstromrichtung mit den beiden Fluiden beaufschlagt wird.
Insgesamt lässt sich dadurch eine Erhöhung der Gesamtleistung, also der sogenannten
Leistungszahl der Wärmepumpe erzielen, so dass insgesamt der Energieverbrauch gegenüber
herkömmlichen reversibel arbeitenden Wärmepumpen reduziert werden kann. Bisherige
reversibel arbeltende Wärmepumpen sind nämlich überlicherweise entweder im Hinblick
auf den Heizbetrieb oder im Hinblick auf den Kühlbetrieb optimiert ausgelegt. Im jeweils
anderen Betriebsmodus werden Einbußen der Leistungszahlen hingenommen. In dem nicht
optimiert ausgelegten Betriebsmodus fließen Primärfluid und Wärmetauscherfluid in
der gleichen Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher, so dass der Wirkungsgrad des
Wärmetauschers nicht optimal ist.
[0007] Der Sekundärkreislauf ist hierbei vorzugsweise der verbraucherseitige Sekundärkreislauf.
Prinzipiell kann der Sekundärkreislauf jedoch auch ein umwälzseitiger Sekundärkreislauf
sein, beispielsweise ein Sekundärkreislauf mit Sole als Sekundärflüssigkeit zum Wärmetausch
mit dem Boden oder Grundwasser.
[0008] Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung weist die Wärmepumpe zwei Sekundärkreisläufe
auf, wobei in jedem der Sekundärkreisläufe eine Umschaltanordnung vorgesehen ist,
so dass auch im weiteren Sekundärkreislauf in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus
die Durchflussrichtung durch einen weiteren Wärmetauscher derart eingestellt ist,
dass das Primärfluid und ein weiteres Wärmetauscherfluid im Gegenstromprinzip geführt
werden. Vorzugsweise ist der weitere Sekundärkreislauf der umweltseitige Sekundärkreislauf,
bei dem das Sekundärfluid üblicherweise Sole ist. Durch diese Maßnahme wird daher
sowohl der umweltseitige - als auch der verbraucherseitige Wärmetauscher jeweils optimiert
im Gegenstrom beaufschlagt, so dass insgesamt ein hoher Wirkungsgrad der Wärmepumpe
erreicht ist.
[0009] Im Hinblick auf die Umschaltanordnung sind die beiden Sekundärkreisläufe vorzugsweise
identisch ausgebildet. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Umschaltanordnung
sowie die spezielle Ausgestaltung zur Umkehr der Durchflussrichtung in den beiden
Sekundärkreisläufen unterschiedlich ausgebildet sind.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Umschaltanordnung als ein Umschaltventil
und insbesondere als ein Vierwege-Umschaltventil ausgebildet. Durch das Umschaltventil
ist mit einem vergleichsweise geringen Aufwand ein zuverlässiges Umschalten der Durchflussrlchtung
erzielbar. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass mit dem Umschaltventil die Strömungs-
oder Durchflussrichtung sich unmittelbar umschalten lässt, also ohne eine Zwischenstellung,
wie es bei herkömmlichen Mischventilen der Fall ist.
[0011] Alternativ zu der Anordnung eines Umschaltventils besteht auch die Möglichkeit, beispielsweise
durch eine spezielle Schaltung von zwei gegenläufig arbeitenden Umwälzpumpen und entsprechenden
Steuer- oder Absperrventilen die Durchflussrichtung im Sekundärkreislauf betriebsmodusabhängig
umzuschalten.
[0012] Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist die Wärmepumpe Anschlüsse für eine
Wärmetauschvorrichtung auf, welche in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus entweder
als Wärmesenke oder als Wärmequelle wirkt. Verbraucherseitig ist diese Wärmetauschvorrichtung
im Heizbetrieb beispielsweise eine Vorrichtung zum Erwärmen von Brauch- oder Heizwasser
oder ein Luft-Wärmetauscher, der zum Heizen der Raumluft dient. Umgekehrt ist die
verbraucherseitige Wärmetauschvorrichtung im Kühlbetrieb als eine Wärmequelle ausgebildet,
die beispielsweise zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist oder die direkt als ein Luft-Wasser-Wärmetauscher
als Kühlgebläse ausgebildet ist. Im Falle eines umweltseitigen Sekundärkreislaufes
ist die Wärmetauschvorrichtung beispielsweise als eine durch den Boden geführte Wärrmetauscherrohranordnung
oder auch als ein spezieller Wärmetauscher zum Wärmetausch mit Grundwasser ausgebildet.
[0013] Die Wärmepumpe Ist nunmehr derart ausgebildet, dass unabhängig von dem jeweiligen
Betriebsmodus die Durchflussrichtung des Sekundärfluids durch die Wärmetauschvorrichtung
gleich ist. D.h. an einem jeweiligen Anschluss ist jeweils unabhängig von dem jeweils
eingestellten Betriebsmodus entweder der Vorlauf oder der Rücklauf der Wärmetauschvorrichtung
anzuschließen. Dies erlaubt, eine derartige Wärmepumpe als Ersatz in einer bereits
bestehenden Anlage einzusetzen. Insbesondere können die Wärmetauschvorrichtungen auf
Verbraucherseite oder auch Umweltseite mit entsprechenden Umwälzpumpen in herkömmlicher
Art und Weise beaufschlagt werden.
[0014] Vorzugsweise ist dabei zwischen dem Wärmetauscher des Primärkreislaufes und den Anschlüssen
ein erster Teilkreislauf des Sekundärkreislaufs ausgebildet, in dem die Umschaltanordnung
angeordnet ist. Die Umschaltanordnung ist daher vorzugsweise innerhalb der als eine
Baueinheit ausgebildeten Wärmepumpe angeordnet. Eine derartige Wärmepumpe zeichnet
sich dadurch aus, dass sämtliche Komponenten, die für ihren Betrieb notwendig sind,
innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses integriert sind und dass lediglich noch die verbraucherseitigen
bzw. umweltseitigen Rohre angeschlossen werden müssen. Weiterer Installationsaufwand
besteht nicht. Weiterhin besteht die Möglichkeit, herkömmliche Wärmepumpen mit beschriebener
Umschaltanordnung nachzurüsten bzw. auszustatten. Die Umschaltanwendung kann auch
außerhalb der Baueinheit angebracht sein.
[0015] Weiterhin ist gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung vorgesehen, dass im Sekundärkreislauf,
insbesondere im verbraucherseitigen Sekundärkreislauf, zwei Temperatursensoren zur
Messung einer Vorlauftemperatur und einer Rücklauftemperatur vorgesehen sind, wobei
jedem Betriebsmodus einer der Temperatursensoren zugeordnet ist und die von diesem
Temperatursensor gemessene Temperatur für eine Regelung des Wärmepumpenbetriebs in
dem Betriebsmodus herangezogen wird, der dem jeweiligen Temperatursensor zugeordnet
ist. Die Temperatursensoren sind hierbei vorzugsweise zwischen der Umschaltanordnung
und dem Wärmetauscher angeordnet. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass unabhängig
von dem jeweils eingestellten Betriebsmodus jeweils die für eine Regelung und Steuerung
des Wärmepumpenbetriebs geeignete Temperatur erfasst wird.
[0016] Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb
einer Wärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die im Hinblick auf die Wärmepumpe
angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltung sind sinngemäß auch auf das Verfahren
zu übertragen.
[0017] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Die beiden Figuren zeigen schematisch und jeweils in stark vereinfachten Darstellungen
- Fig. 1
- eine reversibel arbeitende Wärmepumpenanlage in einem Heizbetrieb und
- Fig. 2
- die Wärmepumpenanlage in einem Kühlbetrieb.
[0018] Eine Wärmepumpenanlage 2 gemäß den Fig. 1 und 2 umfasst als zentrale Komponente eine
Wärmepumpe 4, die üblicherweise als eine Baueinheit ausgebildet ist, und die beispielsweise
anschlussfertig an den Endverbraucher geliefert wird. Die Wärmepumpe 4 umfasst einen
Primärkreislauf 6, in dem ein Primärfluid P im Kreislauf geführt wird.
[0019] Der Primärkreislauf 6 weist einen ersten verbraucherseitigen Wärmetauscher 8 sowie
einen zweiten, umweltseitigen Wärmetauscher 10 auf. Jeder dieser beiden Wärmetauscher
8,10 dient zum Wärmetausch mit einem jeweiligen Wärmetauscher- oder Sekundärfluid
S1,S2 eines verbraucherseitigen Sekundärkreislaufes 12 bzw. eines umweltseitigen Sekundärkreislaufes
14. In jedem der beiden Sekundärkreisläufe 12,14 ist eine als ein Vierwege-Umschaltventil
16 ausgebildete Umschaltanordnung vorgesehen. Diese ist zwischen dem jeweiligen Wärmetauscher
8,10 und jeweils zwei ausgangsseitigen Anschlüssen 18A,B geschaltet. Der Primärkreislauf
6 umfasst weitere nicht näher dargestellte jedoch an sich bekannte und teilweise notwendige
Komponenten, wie beispielsweise einen Verdichter und eine Drossel zum Verdichten bzw.
Entspannen des Primärfluids P.
[0020] Die einzelnen Fluide P, S1, S2 sind übliche für derartige reversible Wärmepumpenanlagen
2 eingesetzte Fluide. Auf der Umweltseite ist das Sekundärfluid S2 beispielsweise
eine Sole, auf Verbraucherseite ist das Sekundärfluid S1 üblicherweise Wasser. Im
Unterschied zu dem Primärfluid P befinden sich die Sekundärfluide S1, S2 dauernd im
flüssigen Zustand, ausgenommen bei Luft als Sekundärfluid.
[0021] Auf der Verbraucherseite sind weiterhin an den Zuleitungen zu dem verbraucherseitigen
Wärmetauscher 8 jeweils ein Temperatursensor 20A,B vorgesehen, die zur Messung einer
Temperatur T1 bzw. einer Temperatur T2 des Sekundärfluids S1 in dem jeweiligen Rohrieitungsabschnitt
vorgesehen sind.
[0022] Durch das Umschaltventil 16 sind die Sekundärkreisläufe 12,14 in zwei Teilkreisläufe,
nämlich einen innerhalb der Wärmepumpe 4 ausgebildeten ersten Teilkreislauf 12A,14A
sowie einen nach dem Umschaltventil 16 ausgebildeten zweiten Teilkreislauf 12B,14B
unterteilt. Die zweiten Teilkreisläufe 12B,14B sind dabei im Wesentlichen außerhalb
der Wärmepumpe ausgebildet und bilden jeweils einen Umwälzkreislauf, in dem das von
der Wärmepumpe 4 bereitgestellte erwärmte bzw. gekühlte Medium umgewälzt wird. Hierzu
ist jeweils in dem zweiten Teilkreislauf 12B, 14B eine Umwälzpumpe 22 bzw. eine Wärmetauschvorrichtung
24A auf Verbraucherseite sowie eine Wärmetauschervorrichtung 24B auf der Umweltseite
angeordnet.
[0023] Im in Fig. 1 dargestellten Heizbetrieb wirkt der umweltseitige Wärmetauscher 10 als
Verdampfer, in dem durch Übertrag der Wärme aus der Umwelt das Primärfluid P verdampft
wird. Der verbraucherseitige Wärmetauscher 8 dient in diesem Fall als Kondensator/Verfiüssiger,
in dem die Wärme aus dem Primärfluid P auf das Sekundärfluid S1 übertragen wird, so
dass das Primärfluid P wieder verflüssigt wird. Betrieb und Ablauf einer derartigen
Wärmepumpe 4 sind an sich bekannt. Durch die Umwälzpumpen 22 wird das im Kondensator
10 erwärmte Wasser der Wärmetauschervorrichtung 24A zugeleitet und dient dort beispielsweise
zum Erwärmen von Brauchwasser und/oder Heizwasser.
[0024] Wie zu erkennen ist, ist das Umschaltventil 16 derart geschaltet, dass das Sekundärfluid
S1 im ersten Teilkreislauf 12A eine Richtung und damit eine Durchflussrichtung durch
den Kondensator 8 einnimmt, die derart gewählt ist, dass das Sekundärfluid S1 und
das Primärfluid P im Gegenstromprinzip durch den Kondensator 8 fließen.
[0025] In gleicher Weise ist auch das Umschaltventil 16 auf der Umweltseite geschaltet,
so dass auch der Verdampfer 10 im Gegenstromprinzip betrieben wird.
[0026] In Fig. 2 ist nunmehr der Kühlbetrieb dargestellt, bei dem das Primärfluid P in entgegengesetzter
Richtung strömt. Um das Gegenstromprinzip in den beiden Wärmetauschern 8,10 aufrecht
zu erhalten, sind die beiden Umschaltventil 16 jetzt derart geschaltet, dass auch
in dem jeweiligen Teilkreislauf 12A,14A die Flussrichtung des Sekundärfluids S1,S2
sich geändert hat. Gleichzeitig bleibt jedoch die Flussrichtung in den zweiten Teilkreisläufen
12B,14B gleich, verändert sich daher nicht in Abhängigkeit des jeweils eingestellten
Betriebsmodus.
[0027] Für den Fall, dass als umweltseitiger Wärmetauscher 10 ein Luft-Primärfluid-Wärmetauscher
vorgesehen ist, der aus der Umgebungsluft die Wärme entnimmt (bzw. in die Umgebungsluft
die Wärme abgibt), so ist von Zeit zu Zeit ein Abtauen dieses umweltseitigen Wärmetauschers
10 aufgrund von Kondenswasserbildung der Luftfeuchtigkeit an Wärmetauscherflächen
erforderlich. Im Abtaubetrieb ist das Primärfluid P in gleicher Weise wie im Kühlbetrieb
gemäß Fig. 2 geführt. Allerdings ist bei der Verwendung eines Luft-Primärfluid-Wärmetauschers
als umweltseitigen Wärmetauschers 10 kein umweltseitiger Sekundärkreislauf 14 ausgebildet.
[0028] Die Regelung der Wärmepumpenanlage 2 wird über eine Regeleinrichtung 26 vorgenommen.
Diese Regeleinrichtung 26 erlaubt zugleich eine manuelle Bedienung, beispielsweise
zum Vorgeben einer gewünschten Raumtemperatur bzw. zum Umschalten zwischen dem Heiz-
und dem Kühlbetrieb. In Abhängigkeit dieser manuell vorgegebenen Parameter erfolgt
ansonsten die Regelung des Wärmepumpenbetriebs vollautomatisch. Als Regelgröße wird
hierbei im Falle des Heizbetriebs auf die Rücklauftemperatur, also auf die Temperatur
T2, zurückgegriffen. Im Falle des Kühlbetriebs wird auf die Vorlauftemperatur zurückgegriffen,
die aufgrund des Umschaltens ebenfalls durch die Temperatur T2 gebildet ist.
[0029] Bezugszeichenliste
- 2
- Wärmepumpenanlage
- 4
- Wärmepumpe
- 6
- Primärkreislauf
- 8
- verbraucherseitiger Wärmetauscher
- 10
- umweltseitiger Wärmetauscher
- 12
- verbraucherseitiger Sekundärkreislauf
- 12A,14A
- erster Teilkreislauf
- 12B,14B
- zweiter Teilkreislauf
- 14
- umweltseitiger Sekundärkreislauf
- 16
- Umschaltventil
- 18A,B
- Anschlüsse
- 20A,B
- Temperatursensor
- 22
- Umwälzpumpe
- 24A,B
- Wärmetauschvorrlchtung
- 26
- Regeleinrichtung
- P
- Primärfluid
- S1,S2
- Sekundärfluid
- T1,T2
- Temperatur
1. Wärmepumpe (4), die in unterschiedlichen Betriebsmodi betreibbar ist, die einen Primärkreislauf
(6) für ein Primärfluid (P) aufweist, in dem ein Wärmetauscher (8,10) angeordnet ist,
der in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus als Kondensator oder Verdampfer eingesetzt
ist und der zugleich Teil eines Sekundärkreislaufs (12,14) für ein Wärmetauscherfluid
(S1,S2) ist, wobei im Sekundärkreislauf (12,14) eine Umschaltanordnung (16) vorgesehen
ist, über die die Durchflussrichtung des Wärmetauscherfluids (S1,S2) durch den Wärmetauscher
(8,10) in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus derart einstellbar ist, dass das
das Primärfluid (P) und das Wärmetauscherfluid in jedem Betriebsmodus im Gegenstromprinzip
durch den Wärmetauscher (8;10) geführt werden.
2. Wärmepumpe (4) nach Anspruch 1, bei der ein weiterer Wärmetauscher (10;8) im Primärkreislauf
(6) angeordnet ist, der in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus gegengleich zum
Wärmetauscher (8;10) als Verdampfer oder Kondensator eingesetzt ist, und der zugleich
Teil eines weiteren Sekundärkreislaufs (14;12) für ein weiteres Wärmetauscherfluid
(S2;S1) ist, wobei im weiteren Sekundärkreislauf (14;12) eine weitere Umschaltanordnung
(16) vorgesehen ist, über die die Durchflussrichtung des weiteren Wärmetauscherfluids
(S2;S1) durch den weiteren Wärmetauscher (14;12) in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus
derart einstellbar ist, dass das Primärfluid (P) und das weitere Wärmetauscherfluid
(S2;S1) in jedem Betriebsmodus im Gegenstromprinzip durch den weiteren Wärmetauscher
(14;12) geführt werden.
3. Wärmepumpe (4) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Umschaltanordnung (16) ein Umschaltventil
insbesondere ein Vierwege-Umschaltventil ist.
4. Wärmepumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Anschlüsse (18A,B) für
eine in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus als Wärmesenke oder als Wärmequelle
wirkende Wärmetauschvorrichtung (24A,B) aufweist, die im angeschlossenen Zustand Teil
des Sekundärkreislaufes (12,14) ist, wobei die Durchflussrichtung des Sekundärfluids
(S1,S2) durch die Wärmetauschvorrichtung (24A,B) unabhängig von dem gewählten Betriebsmodus
gleich ist.
5. Wärmepumpe (4) nach Anspruch 4, bei der zwischen dem Wärmetauscher (8,10) und den
Anschlüssen (18A,B) ein erster Teilkreislauf (12A,14A) des Sekundärkreislaufs (12,14)
ausgebildet ist, in dem die Umschaltanordnung (16) angeordnet ist.
6. Wärmepumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Sekundärkreisläuf
(12,14) zwei Temperatursensoren (20A,B) zur Messung einer Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur
vorgesehen sind, wobei jedem Betriebsmodus einer der Temperatursensoren (20A,B) zugeordnet
ist und die von diesem Temperatursensor (20A,B) gemessene Temperatur (T1,T2) für eine
Regelung des Wärmepumpenbetriebs in dem Betriebsmodus, der dem jeweiligen Temperatursensor
(20A,B) zugordnet ist, herangezogen wird.
7. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus die Umschaltanordnung (16) derart
eingestellt wird, dass das Primärfluid (P) und das Wärmetauscherfluid (S1; S2) in
jedem Betriebsmodus im Gegenstromprinzip durch den Wärmetauscher (8;10) geführt werden.