Wärmepumpe

Abstract

 Eine Wärmepumpe gemäss der Erfindung zeichnet sich im Wesentlichen durch folgende Elemente aus:
- einen Hauptkreislauf mit Wärmetauschern (11, 12) zum Austauschen von Wärme zwischen einem Arbeitsmedium und einer Umgebung,
- einen Hauptkreislauf-Kompressor (1) zum Komprimieren des Arbeitsmediums von einem Hauptkreislauf-Saugdruck auf einen Hauptkreislauf-Arbeitsdruck,
- eine Hauptkreislauf-Expansionsdrossel (8) zwischen dem zweiten externen Wärmetauscher und dem ersten Wärmetauscher,
- wobei die Wärmetauscher, der Kompressor, und die Hauptkreislauf Expansionsdrossel zusammen zum Hauptkreislauf verbunden sind,
- einen Nebenkreislauf mit einem separaten Nebenkreislauf-Kompressor (2) und einer Nebenkreislauf-Expansionsdrossel (27), sowie
- einen dritten, internen Wärmetauscher (13) welcher dazu eingerichtet ist, Wärme vom Hauptkreislauf-Arbeitsmedium, welches auf dem Weg vom zweiten Wärmetauscher zu der Hauptkreislauf-Expansionsdrossel ist, auf das Nebenkreislauf-Wärmetauschmedium auf dem Nebenkreislauf-Saugdruck zu übertragen,
- wobei der Hauptkreislauf-Kompressor (1) und der Nebenkreisiauf-Kompressor (2) so angeordnet sind, dass der Hauptkreislauf-Saugdruck und der Nebenkreislauf-Saugdruck unabhängig voneinander sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe und ein Verfahren zum Übertragen von Wärmeenergie, sowie eine Wärmetauschereinheit.

[0002] Wärmepumpen sind Maschinen, welche in einem zyklischen Prozess einem ersten Medium Wärme bei einer ersten Temperatur entnehmen und einem zweiten Medium Wärme bei einer zweiten, höheren Temperatur zuführen. Wenn der Verwendungszweck primär das Erzeugen von Kälte am Ort des ersten Medium ist, spricht man oft auch von Kältemaschinen bzw. von der Kältetechnik. Im vorliegenden Text wird mit "Wärmepumpe", sofern nichts anderes vermerkt ist, immer sowohl eine Maschine, deren Primärzweck das zur-Verfügung-Stellen von Wärme durch Erwärmung des zweiten Mediums (Warmwasser, Flüssigkeit eines Heizungskreislaufs, zu erwärmendes Objekt), als auch eine Maschine (Kälte-und/oder Klimaanlage; Kühlmaschine, Kühlsystem), deren Primärzweck die Entnahme von Wärme aus dem ersten Medium ist, bezeichnet.

[0003] Bekannte Wärmepumpen arbeiten näherungsweise nach dem Carnot-Prozess, in welchem die vier Zustandsänderungen "Isotherme Expansion" (in einem kalten Wärmetauscher unter Zuführung von Wärme aus dem Wärmetauscher), "Adiabate Kompression" (in einem Kompressor=Verdichter unter Zuführung von externer Arbeit), "Isotherme Kompression" (in einem heissen Wärmetauscher unter Abgabe von Wärme an den Wärmetauscher) und "adiabate Expansion" (im allgemeinen in einem Expansionventil/einer Drossel) eines Arbeitsmediums ("Kältemittel", "Wärmemedium", "Wärmetauschmedium", "Kühlflüssigkeit", etc.) bewirkt werden. Für eine möglichst hohe Leistung wird das Arbeitsmedium so gewählt und auf die Arbeitstemperaturen in den Wärmetauschern abgestimmt, dass es bei der isothermen Expansion im kalten Wärmetauscher verdampft und bei der isothermen Kompression im heissen Wärmetauscher kondensiert.

[0004] Solche dem Carnot-Prinzip beruhende Wärmepumpen haben den Nachteil, dass sich das Verhältnis von nutzbarer zugeführter bzw. entnommener Wärmeenergie zur zugeführten Arbeit - der sogenannte COP-Wert - mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und dem heissen Wärmetauscher ungünstig entwickelt. Diese Temperaturdifferenz ist jedoch im Allgemeinen nicht frei wählbar, da die Temperatur des einen Wärmetauschers durch den Verbraucher gegeben ist - bspw. die Kühlschranktemperatur bei einem kühlenden System oder die Raum- oder Warmwassertemperatur bei einem heizenden System - und die Temperatur des anderen Wärmetauschers im Allgemeinen eine Umgebungs-, Abluft, Boden- oder Brunnenwassertemperatur ist. Oft ist die Temperaturdifferenz gerade dann besonders gross, wenn die Wärmepumpe grosse Leistungen zu erbringen hat, also bei kühlenden Systemen im Sommer und bei heizenden Systemen im Hochwinter.

[0005] Es wurde bereits vorgeschlagen, den COP-Wert einer Wärmepumpe dadurch zu verbessern, dass man dem kondensierten Arbeitsmedium vor der Expansion weiter Wärme entzieht, das Kondensat also unterkühlt. Dies kann in einem internen Wärmetauscher durch den Kontakt mit dem verdampften Arbeitsmedium vor der Kompression geschehen, wodurch dieses überhitzt wird und die zusätzliche Wärme nach der Kompression zusätzlich im Wärmetauscher anfällt. Nachteilig daran ist, dass sich keine Möglichkeit ergibt, diesen Prozess an die Entwicklung der Umgebungs- und gegebenenfalls Verbrauchertemperatur anzupassen. Aus diesem Grund muss auch darauf geachtet werden, dass die im internen Wärmetauscher übertragbare Wärmeleistung nicht zu hoch sein kann, weil ansonsten durch die Überhitzung das System in einen Zustand gebracht werden kann, in welchem die Stabilität der Komponenten nicht mehr gewährleistet ist.

[0006] Es wurde auch schon vorgeschlagen, dem mit einem sogenannten "economizer-Kreislauf' abzuhelfen. Dieser ist ein zuschaltbarer Injektionskreis, welcher nach dem einen Teil des kondensierten Arbeitsmediums abführt, auf einen mittleren Druck expandiert und anschliessend in einem (zweiten) internen Wärmetauscher dem im Hauptkreislauf fliessenden Arbeitsmedium weitere Wärme entzieht. Das sich auf dem mittleren Druck befindliche Wärmetauschmedium wird in den Kompressor injiziert und zwar an einer Stelle, an welcher das Wärmemedium des Hauptkreislaufs schon teilweise verdichtet ist. In der EP 2 107 322 wird vorgeschlagen, das teilweise Abführen des Arbeitsmediums für den Injektionskreislauf nach einem ersten internen Wärmetauscher vorzunehmen. In der US 2005/0160761 wird dieses Vorgehen für einen sogenannten Tandem-Kompressor vorgeschlagen, bei welchem zwei parallele Kompressoren das Arbeitsmedium einem gemeinsamen Sammler entnehmen und komprimiert einem weiteren gemeinsamen Sammler zuführen.

[0007] Das Vorgehen mit dem "Economizer" kann einen verbesserten COP-Wert bringen. Es hat aber den Nachteil, dass die Druck- und damit auch die Temperaturverhältnisse zwischen dem Arbeitsmedium im Hauptkreislauf und dem Arbeitsmedium im Injektionskreislauf durch die Plazierung des Economizer-Anschlusses am Verdichter vorgegeben ist - der Verdichter entspricht im Prinzip funktionell einem Paar von in Serie geschalteten Teilverdichtern. wobei das Arbeitsmedium des Injektionskreises zwischen den beiden Teilverdichtern injiziert wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass nicht alle Verdichtertypen für einen Ausbau als Economizer geeignet sind.

[0008] Ein weiterer Nachteil von bestehenden Wärmepumpen hängt mit der Regelung zusammen. Sobald ein geeignetes Sensorsystem einen Bedarf an Wärme bzw. Kühlleistung erkennt, werden Wärmepumpen gemäss dem Stand der Technik eingeschaltet, wobei bei aufwändigeren, teureren Systemen die Leistung der Wärmepumpe durch Regelung der vom Verdichter geleisteten Arbeit in einem gewissen Bereich durch eine geeignete Regelungseinheit, beispielsweise auf Basis eines Frequenzumformers regelbar sein kann. Nur schon aufgrund der Bauweise bestehender Verdichter kann die Leistung jedoch nicht stufenlos zwischen Null und einer Maximalleistung geregelt sein. Bei der sehr gängigen Verdichterbauweise "Zweikolbenverdichter" beispielsweise liegt die minimale Verdichterleistung oft bei ca. 60% der maximalen Verdichterleistung, weil bei kleineren Drehzahlen zu grosse Vibrationen entstehen würden. Aus diesem Grund werden Wärmepumpen gemäss dem Stand der Technik, wenn nur ein Bruchteil der Maximalleistung benötigt wird, immer in einem "on/off" Verfahren geregelt: Bei über- bzw. Unterschreiten einer bestimmten ersten Solltemperatur oder anderen Regelungsgrösse fährt die Wärmepumpe an und wird bei unter- bzw. Überschreiten einer entsprechenden zweiten Solltemperatur bzw. anderen Regelungsgrösse wieder ausgeschaltet. Durch dieses Vorgehen ergibt sich jedoch im immer wieder ein erhöhter Bedarf an für den Anfahrvorgang bezogener Leistung was sich insbesondere in Perioden mit einem kleineren, aber von null verschiedenen Wärme- bzw. Kälteleistungsbedarf negativ auf das Verhältnis von eingesetzter Leistung zu Nutzleistung und somit negativ auf die sogenannte Jahresarbeitszahl (JAZ) auswirkt. Die Jahresarbeitszahl ist das über ein ganzes Jahr gerechnete Verhältnis von Nutzenergie zu konsumierter Energie. In der Praxis wird die JAZ im Allgemeinen verschieden vom angegebenen COP-Wert sein, und sie stellt ein besseres Mass für die Effektivität einer Wärmepumpe dar als letzterer.

[0009] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile des Standes der Technik überwindet, welche einen verbesserten COP-Wert in einem sehr breiten Bereich von Betriebsparametem ermöglicht, und/oder welche Mittel aufweist, um auch die JAZ im Vergleich zu Wärmepumpen gemäss dem Stand der Technik zu verbessern.

[0010] Eine Wärmepumpe gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung zeichnet sich im Wesentlichen durch folgende Elemente aus:

• einen Hauptkreislauf mit einem ersten und einem zweiten externen Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen einem Hauptkreislauf-Arbeitsmedium und einer Umgebung auf einer ersten Temperatur bzw. einer zweiten, höheren Temperatur,
• einen Hauptkreislauf-Kompressor zum Komprimieren des Arbeitsmediums von einem Hauptkreislauf-Saugdruck auf einen Hauptkreislauf-Arbeitsdruck, wobei der Kompressor saugseitig mit dem ersten Wärmetauscher und austrittsseitig mit dem zweiten Wärmetauscher in Verbindung steht,
• eine Hauptkreislauf-Expansionsdrossel zwischen dem zweiten externen Wärmetauscher und dem ersten Wärmetauscher,
• wobei der ersten Wärmetauscher, der Kompressor, der zweite Wärmetauscher und die Hauptkreislauf-Expansionsdrossel zusammen zum Hauptkreislauf verbunden sind,
• einen Nebenkreislauf mit einem Nebenkreislauf-Kompressor, welcher vom ersten Kompressor separat ist und eingerichtet ist, ein Nebenkreistauf-Arbeitsmedium von einem Nebenkreislauf-Saugdruck auf einen Nebenkreislauf-Arbeitsdruck zu komprimieren, sowie eine Nebenkreislauf-Expansionsdrossel, und
• einen dritten, internen Wärmetauscher welcher dazu eingerichtet ist, Wärme vom Hauptkreislauf-Arbeitsmedium, welches auf dem Weg vom zweiten Wärmetauscher zu der Hauptkreislauf-Expansionsdrossel ist, auf das Nebenkreislauf-Wärmetauschmedium auf dem Nebenkreislauf-Saugdruck zu übertragen,
• wobei der Hauptkreislauf-Kompressor und der Nebenkreislauf-Kompressor so angeordnet sind, dass der Hauptkreislauf-Saugdruck und der Nebenkreislauf-Saugdruck unabhängig voneinander sind.

[0011] Dabei gehören der erste und der zweite Wärmetauscher optional aber nicht notwendigerweise zur Wärmepumpe. Sie können auch als separate Einheiten, an die die Wärmepumpe anschliessbar ist, vorhanden sein.

[0012] Dass die Saugdrücke (entsprechend den unteren Arbeitsdrücken der Kreisläufe) unabhängig sind bedeutet hier, dass die Eingänge des Hauptkreislauf-Kompressors und des Nebenkreislauf-Kompressors nicht direkt miteinander verbunden sind sondern mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden können. Die Unabhängigkeit kann je nach Ausführungsform beispielsweise bedeuten, dass bei einer Änderung des unteren Hauptkreislauf-Arbeitsdrucks - bspw. aufgrund geänderter Umgebungsbedingungen oder aufgrund eines Eingriffs eines Benutzers - sich beispielsweise der untere Arbeitsdruck des Nebenkreislaufs nicht notwendigerweise proportional mit ändert. Vielmehr kann sein, dass er sich beispielsweise nicht ändert oder durch geeignete Massnahmen unabhängig geregelt werden kann. Es wird hier nicht ausgeschlossen, dass der Hauptkreislauf-Arbeitsdruck und der Nebenkreislauf-Arbeitsdruck einander beispielsweise indirekt beeinflussen können, bspw. indem eine durch Änderung des einen Arbeitsdrucks bewirkte Temperaturänderung ohne Anpassung anderer Parameter eine Änderung auch des anderen Arbeitsdrucks nach sich ziehen würde, etc.; eine solche indirekte Beeinflussung wird in einem komplexen System wie einer Wärmepumpe sogar die Regel sein.

[0013] Im Allgemeinen wird der erste Wärmetauscher als Verdampfer und der zweite Wärmetauscher als Kondensator fungieren. Der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher kann/können als System mit mehreren Teil-Wärmetauschern ausgebildet sein, wobei das Verdampfen bzw. das Kondensieren in einem oder in mehreren dieser Teil-Wärmetauscher stattfinden kann.

[0014] Ein erster Vorteil des erfindungsgemässen Vorgehens gemäss dem ersten Aspekt ist, dass im dritten Wärmetauscher dem bereits verflüssigten Arbeitsmedium durch den Nebenkreislauf weitere Wärme entnommen werden kann. Dadurch wird das Arbeitsmedium unterkühlt. Nach der Expansion in der ersten Expansionsdrossel ergibt sich weniger sogenanntes Flashgas oder es gibt sogar praktisch gar kein Flashgas mehr. (In diesem Text wird der Begriff ,Flashgas' für den Dampfanteil des Arbeitsmediums bezeichnet, der im Allgemeinen bei dessen Übergang vom höheren Druck zum tieferen Druck entsteht). Das wirkt sich einerseits positiv auf die benötigte Dimension des Verdampfers aus; dieser muss weniger gross ausgelegt werden, um eine bestimmte Verdampferleistung zu erreichen. Zweitens wird mehr Wärme genutzt bzw. ist die Kühlleistung grösser, was einen erhöhten COP-Wert mit sich bringt.

[0015] Ein weiterer Vorteil des Vorgehens ist, dass der Saugdruck des Nebenkreislaufs und vorzugsweise auch der Arbeitsmediumsfluss im Nebenkreislauf als Regelparameter zur Verfügung stehen. Dadurch ergeben sich erweiterte Möglichkeiten der Regelung der Nutzleistung, was eine Verminderung oder gar eine Vermeidung der Ein- und Ausschaltvorgänge ermöglicht. Dies wirkt sich stark positiv auf die Jahresarbeitszahl aus.

[0016] Der Nebenkreislauf-Kompressor kann anders ausgebildet und/oder dimensioniert sein als der Hauptkreislauf-Kompressor. Er kann insbesondere kleiner sein. Auch kann er bei Bedarf auch auf einer anderen Kompressortechnologie beruhen als der Hauptkreislauf-Kompressor.

[0017] In allen Ausführungsformen kann der Nebenkreislauf-Kompressor eine Regelungseinheit zur Regelung einer Nebenkreislauf-Kompressor-Leistung aufweisen.

[0018] Gemäss besonderen Ausgestaltungen von Ausführungsformen der Erfindung kann ein vierter, ebenfalls interner Wärmetauscher vorhanden sein, mit welchem Wärme vom Nebenkreislauf-Wärmetauschmedium und/oder vom Hauptkreislauf-Wärmetauschmedium - oder, besonders bevorzugt, von einem regelbaren Teilfluss des Hauptkreislauf-Wärmetauschmediums und/oder des Nebenkreislauf Wärmetauschmediums - vor der entsprechenden Expansionsdrossel an Sauggas des Hauptkreislaufs übertragen werden kann, um dieses regelbar zu überhitzen.

[0019] Ein ebenfalls je nach Anwendung vorteilhaftes Merkmal ist - insbesondere in Kombination mit dem vierten Wärmetauscher - das Vorsehen von zwei Teilwärmetauschern für den zweiten Wärmetauscher. Ein erster Tellwärmetauscher, der beispielsweise zur Heisswassererwärmung genutzt werden kann, kühlt das überhitzte komprimierte Arbeitsmedium ab ohne es massgebend zu kondensieren. Ein zweiter Teilwärmetauscher, der beispielsweise einer Gebäudeheizung zugeordnet ist, dient dem Auskondensieren des Arbeitsmediums unter Abgabe der entsprechenden latenten Wärme.

[0020] Gemäss einer ersten Gruppe von Ausführungsformen ist das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium mit dem Nebenkreislauf-Arbeitsmedium identisch und sind der Hauptkreislauf-Kompressor und der Nebenkreislauf-Kompressor ausgangsseitig (d.h. auf der Heissgasseite/der Seite mit dem oberen Arbeitsdruck) verbunden. Der erste und der zweite Kompressor haben also bei dieser Gruppe von Ausführungsformen immer denselben oberen Arbeitsdruck, und der Haupt- und der Nebenkreislauf bilden einen Heissgasverbund. Für den Wärmewegtransport auf der heissen Seite (der Seite mit dem oberen Arbeitsdruck) kann daher ein gemeinsames Wärmetauschersystem verwendet werden. Das ergibt unter Umständen - insbesondere für Kältetechnik-Systeme - gar die Möglichkeit, bestehende Wärmepumpensysteme mit erfindungsgemässen Wärmepumpensystemen zu ersetzen. Das Arbeitsmedium für den Nebenkreislauf wird dann irgendwo zwischen dem zweiten Wärmetauscher und der Hauptkreislauf-Expansionsdrossel abgezweigt, wobei der Massenfluss des abgezweigten Mediums vorzugsweise regelbar ist. Besonders bevorzugt erfolgt das Abzweigen des Nebenkreislauf-Arbeitsmediums vom Hauptkreislauf-Arbeitsmedium zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem dritten, internen Wärmetauscher, wobei dem zweiten Wärmetauscher noch ein Arbeitsmedium-Sammler unmittelbar nachgeschaltet sein kann.

[0021] Die Unabhängigkeit der Saugdrücke des Haupt- und des Nebenkreislaufs wird bei Ausführungsformen der ersten Gruppe auch dadurch erwirkt, dass zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite je mindestens eine eigene Expansionsdrossel (d.h. ein geregeltes oder ungeregeltes Expansionsventil, eine Düse, ein Kapillarrohr, oder eine andere mechanische Einrichtung, die einen Masseübertrag von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite unter Beibehaltung eines Druckunterschieds ermöglicht; beispielsweise ist auch die Verwendung einer Turbine als Drossel nicht ausgeschlossen) vorhanden ist.

[0022] Ausführungsformen der ersten Gruppe können den Kompressoren nachgeschaltet einen Ölabscheider und/oder einen Ölsammler aufweisen, von welchem aus Schmieröl an die Kompressoren zurückgeführt wird. Zu diesem Zweck können der Hauptkreislauf-Kompressor und der Nebenkreislauf-Kompressor je einen unabhängigen Ölniveauregler aufweisen.

[0023] Zusätzlich zu einem ersten Hauptkreislauf-Kompressor kann der Hauptkreislauf zu diesem parallel geschaltet auch weitere Hauptkreislauf-Kompressoren aufweisen, um entsprechend die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe zu erhöhen. Auch der Nebenkreislauf kann bei Bedarf mehr als einen Kompressor aufweisen, wobei das nur in seltenen Fällen nötig und sinnvoll sein wird, weil für den Nebenkreislauf eine deutlich geringere Kompressionsleistung benötigt wird als für den Hauptkreislauf.

[0024] Es ist auch möglich, dass der Hauptkreislauf in mehrere Teil-Hauptkreisläufe unterteilt ist, die bspw. je mindestens einen Hauptkreislauf-Kompressor und eine Hauptkreislauf-Expansionsdrossel aufweisen. In einem solchen Fall können die Teil-Hauptkreisläufe einen Heissgasverbund bilden aber Wärme bei je unterschiedlichen Temperaturen aufnehmen, oder sie können auf der Verdampferseite verbunden sein und auf je unterschiedliche Drücke verdichten, so dass die Wärme bei unterschiedlichen Temperaturen abgegeben wird.

[0025] Wenn mehrere Teil-Hauptkreisläufe vorhanden sind, müssen im Falle eines Heissgasverbunds nicht alle der Teil-Hauptkreisläufe einen Nebenkreislauf aufweisen, oder es kann jeder der Teil-Hauptkreisläufe je einen eigenen Nebenkreislauf aufweisen, oder eine Mehrzahl von Nebenkreisläufen kann eine mehrstufige Unterkühlung bewirken, etc.; viele Varianten sind denkbar.

[0026] Auch eine vollständige Trennung in mehrere Hauptkreisläufe ist möglich, wobei dann nach der hier verwendeten Terminologie eine entsprechende Anzahl von eigenständigen Wärmepumpen vorhanden ist. In einem solchen Set-up können erfindungsgemässe Wärmepumpen miteinander und/oder mit Wärmepumpen gemäss dem Stand der Technik kombiniert werden.

[0027] Gemäss einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen des ersten Aspekts sind der Hauptkreislauf und der Nebenkreislauf vollständig separat voneinander, d.h. das Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs wird nie mit dem Arbeitsmedium des Nebenkreislaufs vermischt. Die Arbeitsmedien des Haupt- und des Nebenkreislaufs können dann gleich oder insbesondere auch verschieden sein.

[0028] Der zweite Wärmetauscher des Hauptkreislaufs und der Hochtemperatur-Wärmetauscher (Verflüssiger) des Nebenkreislaufs können optional auch bei Ausführungsformen der zweiten Gruppe in einem gemeinsamen Bauteil realisiert sein, nämlich in einem sogenannten Zweikreisverflüssiger. Es ist aber auch möglich, den zweiten Wärmetauscher des Hauptkreislaufs und den Hochtemperatur-Wärmetauscher des Nebenkreislaufs voneinander separat vorzusehen und beispielsweise auch auf ganz unterschiedlichen Temperaturen zu halten.

[0029] Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen der zweiten Gruppe von Ausführungsformen dann, wenn die Arbeitsmedien des Hauptkreislaufs und des Nebenkreislaufs voneinander verschieden sind. Es kann für beide Kreisläufe das optimale Arbeitsmedium ausgewählt werden. Eine spezielle Ausführungsform betrifft die Kühltechnik. Beispielsweise ermöglicht das Vorgehen gemäss der zweiten Gruppe von Ausführungsformen die Verwendung eines effizienten Arbeitsmediums, welches aus Sicherheitsgründen in Innenräumen (bspw. Supermarkthallen) nicht gestattet oder nur unter hohen Sicherheitsauflagen - beispielsweise in Maschinenräumen - zugelassen ist.

[0030] Gemäss Ausführungsformen der zweiten Gruppe ist das Nebenkreislauf-Arbeitsmedium Ammoniak oder ein entflammbarer Kohlenwasserstoff.

[0031] Ein bekanntermassen besonders vorteilhaftes Arbeitsmedium ist Ammoniak. Aus Sicherheitsgründen ist Ammoniak nicht für die Verwendung in Innenräumen zugelassen. Kühlsysteme befinden sich jedoch notgedrungen immer in Innenräumen. Gemäss dem Stand der Technik wird für Kühlsysteme daher jeweils ein Arbeitsmedium verwendet, welches einen weniger guten COP-Wert ermöglicht als Ammoniak. Das Vorgehen gemäss der zweiten Gruppe von Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht nun, dass der Nebenkreislauf mit Ammoniak oder einem anderen bspw. explosionsgefährlichen Arbeitsmedien mit sehr guten Wärmetransporteigenschaften wie Propan oder Isobutan betrieben wird, und - inklusive drittem Wärmetauscher - vollständig im Freien angeordnet ist, wodurch keine Sicherheitsbedenken bestehen.

[0032] Es sind auch Kombinationen zwischen der ersten und der zweiten Gruppe von Ausführungsformen denkbar, in denen das Arbeitsmedium im Hauptkreislauf (oder in einem Teil-Hauptkreislauf in mehreren Stufen unterkühlt wird: einer Stufe durch Wärmeabgabe an das Arbeitsmedium eines getrennten Nebenkreislaufs und eine Stufe durch Wärmeabgabe an das Arbeitsmedium in einem Nebenkreislauf, der in einem Heissgasverbund mit dem Hauptkreislauf verbunden ist. Das Hintereinanderschalten der beiden Stufen kann in wählbarer Reiheinfolge, bspw. abgestimmt auf die Eigenschaften der verschiedenen Arbeitsmedien erfolgen. Es sind auch parallele Anordnungen der beiden Unterkühlungsstufen denkbar, d.h. der Fluss des kondensierten Hauptkreislauf-Arbeitsmediums wird auf Teilflüsse unterteilt, welche je durch Arbeitsmedien verschiedener Nebenkreisläufe unterkühlt werden.

[0033] Eine weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die gewerbliche und industrielle Kälte-und Wärmetechnik. Es ist bekannt, sogenannte Verbundsysteme zu verwenden. Zur Abdeckung der maximalen benötigten Kälteleistung (oder Wärmeleistung; hier wird die in der Praxis eher häufiger vorkommende Anwendung in der Kältetechnik diskutiert) werden je nach Grösse und Anwendungsfall mehrere unter Umständen verschiedene Kompressoren in einem gemeinsamen Kreislauf zu einem Verbund zusammengeschaltet. Je nach benötigter Leistung sind dabei nicht alle Kompressoren in Betrieb. Je nach gewünschtem Aufwand wird mindestens ein Kompressor mit einem Frequenzumrichter gefahren, um Zwischenleistungen möglichst stufenlos regulieren zu können. Dabei arbeiten alle Kompressoren innerhalb eines bestimmten Regelfensters mit annähernd gleichen Bedingungen.

[0034] Das erfindungsgemässe Vorgehen sieht nun vor, dass nebst mehreren Kompressoren im Hauptkreislauf ein Kompressor im Nebenkreislauf vorhanden ist. Die Feinregulierung der Kälteleistung kann über den Nebenkreislauf erfolgen. Das erfindungsgemässe Vorgehen ermöglicht einen individuellen Ansaugdruck (entsprechend auch dem Verdampfungsdruck) im Nebenkreislauf, wodurch bei angehobenem Verdampfungsdruck auch der COP-Wert besser wird. Dadurch können die übrigen, direkt arbeitenden Kompressoren kleiner gewählt werden und können immer an ihrem optimalen Arbeitspunkt arbeiten, da nur der Nebenkreislauf für die Feinregulierung benötigt wird. Es ergeben sich nicht nur energetische Vorteile, sondern auch Investitionsvorteile.

[0035] Insbesondere bei Kälteanlagen ist - ausser beim Abtauen - ein on/off-Betrieb für eine Kühlstelle mit Vorteil zu vermeiden. Dazu ist es möglich, eine Expansion mit einer stetig veränderbaren Überhitzung einzusetzen. Die Kühlstelle kann beispielsweise durch Regelung des Expansionsventils (und/oder eines vorgeschalteten Ventils) so betrieben werden, dass die vorgegebene Solltemperatur nicht ganz erreicht wird erreichen, wobei immer beim Erreichen einer Temperatur, die um eine programmierbare Differenz höher liegt der Arbeitsmediumfluss durch eine zunehmende Überhitzung reduziert wird. Über die Zeit wird dann das gesamte System träger und ausgeglichener. Das sonst übliche on/off-Verhalten einer Kühlstelle (in Verbundsystemen können bis zu 30 Stück und mehr davon vorhanden sein) bringt immer eine gewisse Unruhe in das System.

[0036] Ausserdem kann eine Kälteanlage (eine analoge Übertragung auf Wärmepumpen zu Heiz- und/oder Warmwasserlieferungszwecken ist möglich) so geregelt werden, dass die Verdampfungstemperatur/der Sauggasdruck angehoben wird (durch eine Leistungsreduktion des Hauptkreislauf-Kompressors/der Hauptkreislauf Kompressoren), wenn das Expansionsventil/die Expansionsventile und/oder vorgeschaltete regelnde Ventile einen geringen Öffnungsgrad haben, d.h. wenig Arbeitsmedium verdampft werden muss, um die entsprechende Kühlstelle auf ihre Solltemperatur zu bringen. Eine solche Anhebung der Verdampfungstemperatur hat einen verbesserten COP-Wert zur unmittelbaren Folge. Bei dann grösser oder kleiner werdender Kältelast kann die regelbare Unterkühlung den Mehr- oder Minderbedarf ausregeln, sodass der/die Kompressor(en) im Hauptkreislauf durchlaufen kann/können. Bei geringerer Kältelast sinkt die notwendige Unterkühlungsleistung, diese wird durch einen Anstieg der Verdampfungstemperatur im Unterkühlungskreislauf erreicht mit einem dadurch verbundenen höheren COP.

[0037] In Ausführungsformen, welchen eine zuschaltbare Verbindung zwischen dem Eingang des mindestens einen Hauptkreislauf-Kompressors und dem Eingang des mindestens einen Nebenkreislauf-Kompressors existiert, kann bei (noch) geringerer Kältelast auch vorgesehen sein, dass der Hauptkreislauf-Kompressor dann ganz ausgeschaltet wird. Wenn also dann festgestellt wird, dass der Nebenkreislauf-Kompressor den bzw. einen Hauptkreislauf-Kompressor leistungsmäßig ersetzen kann, schaltet eben der Hauptkreislauf-Kompressor ab und der Nebenkreisverdichter fährt hoch. Es kann vorgesehen sein, dass das nur dann geschieht, wenn die Leistung bei einer deutlich höheren Verdampfungstemperatur erbracht werden kann als der im Hauptnetz.

[0038] Zusätzlich zu den und/oder anstelle der vorstehend diskutierten Wärmetauscher(n) können Ausführungsformen beider Gruppen der Erfindung noch weitere Wärmetauscher aufweisen:

• Insbesondere in Ausführungsformen, die der Wärmegewinnung dienen, einen Unterkühlungs-Wärmetauscher, in welchem das Arbeitsmedium vor dessen Expansion auf den niedrigeren Druck mit dem ersten Medium (also dem Medium, das als Wärmequelle dient) in thermischen Kontakt gebracht wird und dieses so vor dessen Eintritt in den eigentlichen ersten Wärmetauscher (Verdampfer) aufwärmt. Durch die dadurch bewirkte weitere Unterkühlung kann das Arbeitsmedium im zweiten Wärmetauscher mehr Wärme aufnehmen, d.h. es kühlt das erste Medium weiter ab als wenn das Arbeitsmedium nicht unterkühlt wäre. Zusätzlich ist das erste Medium auch auf einer höheren Temperatur, was die dem Arbeitsmedium bei der Unterkühlung entzogene Wärmemenge kompensiert. Es resultiert eine insgesamt vergrösserte nutzbare Wärmemenge. In Ausführungsformen, in denen das erste Medium Luft ist, beeinflusst das Aufwärmen der Luft auch den Taupunkt positiv. Ein ähnlicher positiver Effekt kann dadurch erwirkt werden, dass durch die höhere Verdampfungstemperatur der COP-Wert höher ist; dadurch verringern sich unter Umständen ebenfalls die erforderlichen Abtauzyklen.
  Ein solcher Unterkühlungs-Wärmetauscher wird im Allgemeinen, aber nicht notwendigerweise, dem dritten, internen Wärmetauscher nachgeschaltet sein. Der Unterkühlungswärmetauscher kann mit dem Verdampfer in einer den Strom des ersten Mediums regulierenden Wärmetauschereinheit integriert sein.
• In Ausführungsformen der Kältetechnik kann ebenfalls ein Unterkühlungs-Wärmetauscher (oder Luft-Unterkühler) vorhanden sein, der das Arbeitsmedium nach dessen Kondensation in thermischen Kontakt mit der Umgebungsluft bringt und dieses so noch etwas unterkühlt, da die Kondensationstemperatur bei solchen Ausführungsformen im Allgemeinen einige Grad über der Umgebungstemperatur liegen muss.
  Ein solcher Luft-Unterkühler wird im Allgemeinen dem dritten, internen Wärmetauscher vorgeschaltet sein, da das durch diesen unterkühlte Arbeitsmedium aufgrund der reduzierten Temperatur kaum mehr Wärme an die Umgebung abgeben kann.

[0039] Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Entnehmen von Wärme von einem ersten Medium und zum Übertragen von Wärme an ein zweites Medium. Dieses Verfahren kann beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe der vorstehend beschriebenen Art sein. Die vorstehend diskutierten Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen können als entsprechende Verfahrensschritte bzw. mit entsprechenden Mitteln in unterschiedlichen Ausgestaltungen des Verfahrens realisiert sein. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

a. Verdampfen eines Hauptkreislauf-Arbeitsmediums unter Aufnahme von Wärme vom ersten Medium bei einem ersten Druck,

b. Komprimieren des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums auf einen zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck,

c. Kondensieren des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums beim zweiten Druck unter Abgabe von Wärme an das zweite Medium,

d. Bringen des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums auf den ersten Druck, wobei die Schritte a. bis d. in einem zyklischen Prozess durchgeführt werden,

e. Verdampfen eines Nebenkreislauf-Arbeitsmediums bei einem dritten Druck unter Aufnahme von Wärme aus dem kondensierten Hauptkreislauf-Arbeitsmedium zwischen den Schritten c. und d., und

f. Komprimieren des Nebenkreislauf-Arbeitsmediums auf einen vierten Druck, der höher ist als der dritte Druck,

wobei die Schritte e. und f. in einem zyklischen Prozess eines Nebenkreislaufs durchgeführt werden und wobei der dritte Druck vom ersten Druck unabhängig gewählt wird.

[0040] Bei Ausgestaltungen der ersten Gruppe ist das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium mit dem Nebenkreislauf-Arbeitsmedium identisch, der vierte Druck entspricht dem zweiten Druck und das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium wird mit dem Nebenkreislauf-Arbeitsmedium nach der Kompression zusammengeführt. Erst nach der Wärmeabgabe an das zweite Medium wird der Nebenkreislauf wieder abgezweigt, und auf den unabhängigen dritten Druck gebracht.

[0041] Bei Ausgestaltungen der zweiten Gruppe ist das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium vom Nebenkreislauf-Arbeitsmedium unabhängig, und der vierte Druck kann vom zweiten Druck verschieden sein. Trotzdem kann auch für die Kondensierung des Nebenkreislauf-Arbeitsmediums Wärme an das zweite Medium abgegeben werden, beispielsweise in einem gemeinsamen Zweikreis-Verflüssiger.

[0042] Weitere der vorstehend diskutierten Merkmale von Ausgestaltungen der Wärmepumpe äussern sich in entsprechenden Varianten des Verfahrens.

[0043] Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Wärmempumpe, beispielsweise nach dem ersten Aspekt, zur Verfügung gestellt, die aufweist:

• Ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme aus einem ersten Medium in einem ersten Wärmetauscher und zur Abgabe von Wärme an ein zweites Medium in einem zweiten Wärmetauscher,
• einen Kompressor zum Komprimieren des Arbeitsmediums auf einen Arbeitsdruck, wobei der Kompressor saugseitig mit dem ersten Wärmetauscher (11) und austrittsseitig mit dem zweiten Wärmetauscher in Verbindung steht,
• eine Expansionsdrossel zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem ersten Wärmetauscher,
• wobei der ersten Wärmetauscher, der Kompressor, der zweite Wärmetauscher und die Expansionsdrossel zusammen zu einem Kreislauf verbunden sind,
• einen weiteren, internen Wärmetauscher und ein Regelungsmittel,
• wobei das Regelungsmittel dazu befähigt ist, einen regelbaren Anteil des Arbeitsmediums, wenn es zwischen dem zweiten Wärmetauscher und der Expansionsdrossel fliesst, dem weiteren Wärmetauscher zuzuführen und in thermischen Kontakt mit Arbeitsmedium zu bringen, welches auf einem Saugdruck ist, der tiefer ist als der Arbeitsdruck.

[0044] Der weitere, interne Wärmetauscher ist nach einer ersten Variante ein Sauggasüberhitzer, entsprechend dem vierten Wärmetauscher gemäss Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung. In diesen Ausführungsformen ist der Saugdruck, auf dem sich das Wärme aufnehmende Arbeitsmedium im weiteren Wärmetauscher befindet, der Saugdruck des Kompressors (des Hauptkreislauf-Kompressors in Ausführungsformen mit Nebenkreislauf).

[0045] Gemäss einer zweiten Variante weist die Wärmepumpe einen zweiten Kompressor (Nebenkreislauf-Kompressor) und eine zweite Expansionsdrossel (Nebenkreislauf-Expansionsdrossel) auf, und der weitere, interne Wärmetauscher ist der Verdampfer des Nebenkreislaufs und entspricht dem dritten, internen Wärmetauscher von Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung.

[0046] Selbstverständlich sind wie vorstehend und nachstehend dargelegt auch Kombinationen der beiden Varianten möglich.

[0047] Zwar ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt, das Arbeitsmedium des Kreislaufs vor der Expansion zu unterkühlen, beispielsweise durch einen Kontakt mit dem Sauggas. Es hat sich aber gezeigt, dass das nur in einem beschränkten Mass sinnvoll ist, da bei zu grossem Wärmeübergang je nach Zustand der Wärmepumpe das Sauggas rasch zu fest erhitzt wird und die Wärmepumpe in unstabile Bereiche gelangen kann. Gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung wird nun der Anteil von Wärmemedium, welcher unterkühlt wird, regelbar und somit auch die Überhitzung des Sauggases. Der interne Wärmeübergang kann sowohl an das Wärme-,Angebot' (die Wärmemenge, die auf der Seite des ersten Wärmetauschers der Umgebung entzogen werden kann oder muss) als auch an die abzugebende Wärme (Wärmebedarf; bzw. Aussentemperatur bei kühlenden Systemen) angepasst werden.

[0048] Auch Wärmepumpen gemäss dem zweiten Aspekt können mit einem Unterkühlungs-Wärmetauscher versehen sein, welcher das Arbeitsmedium vor der Expansion weiter unterkühlt und dabei das erste Medium, welchem im ersten Wärmetauscher Wärme entzogen wird, aufwärmen.

[0049] Wärmepumpen gemäss der ersten Variante des zweiten Aspekts und/oder Wärmepumpen gemäss dem zweiten Aspekt mit Unterkühlungs-Wärmetauscher sind besonders für die Wärmegewinnung geeignet, d.h. für Wärmepumpen dessen primärer Zweck das zur-Verfügung-Stellen von Nutzwärme ist.

[0050] Gemäss einem weiteren, dritten Aspekt der Erfindung wird eine Wärmetauschereinheit zur Wärmegewinnung aus einem strömenden Gas, insbesondere Luft, Verfügung gestellt, welcher für die Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen ersten Aspekts der Erfindung, für Ausführungsformen des zweiten Aspekts, und auch für andere Wärmepumpen geeignet ist und welcher aufweist:

• einen Verdampfer mit einer ersten durch das Gas durchströmbaren Verdampfer-Wärmetauschfläche und einer zweiten, durch das Gas durchströmbaren Verdampfer-Wärmetauschfläche, wobei ein Arbeitsmedium regelbar in einem Niedrigdruckzustand entweder mit der ersten oder der zweiten oder der ersten und der zweiten Wärmetauschfläche in Kontakt bringbar ist,
• eine erste Abtaustrecke, auf welcher das Arbeitsmedium in einem Hochdruckzustand mit der ersten Wärmetauschfläche in thermischen Kontakt bringbar ist, und eine zweite Abtaustrecke, in welcher das Arbeitsmedium im Hochdruckzustand mit der zweiten Wärmetauschfläche in thermischen Kontakt bringbar ist,
• wobei die erste Abtaustrecke so mit dem Verdampfer verbunden ist, dass das Arbeitsmedium nach einem Durchlaufen der ersten Abtaustrecke und einem Expandieren auf den Niedrigdruckzustand zur zweiten Verdampfer-Wärmetauschfläche führbar ist und die zweite Abtaustrecke so mit dem Verdampfer verbunden ist, dass das Arbeitsmedium nach einem Durchlaufen der zweiten Abtaustrecke und einem Expandieren auf den Niedrigdruckzustand zur ersten Verdampfer-Wärmetauschfläche führbar ist.

[0051] Vorzugsweise ist der Luftstrom so regelbar, dass im ersten Abtauzustand (wenn Arbeitsmedium durch die erste Abtaustrecke geführt wird) die Luft nur die zweite Verdampfer-Wärmetauschfläche durchströmt und umgekehrt.

[0052] In einem Normalbetrieb wird kein Arbeitsmedium durch die Abtaustrecken geführt, und die Luft durchströmt beide Verdampfer-Wärmetauschtlächen.

[0053] Es wird also gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, das verdichtete Arbeitsmedium beim Betrieb des Kreislaufs zum Abtauen zu verwenden, und zwar vorzugsweise nach der Wärmeabgabe im zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger). Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, wo vorgeschlagen wird, den Kältekreislauf zum Abtauen umzukehren, wobei dann dort Wärme entzogen wird, wo sonst Wärme abgegeben wird. Durch das Vorgehen gemäss dem weiteren Aspekt der Erfindung - insbesondere durch die vorstehend beschriebene Wärmetauschereinheit - wird also ermöglicht, dass ein Abtauen des Wärmetauschers bei laufendem Betrieb stattfindet, während gleichzeitig Wärme konsumiert werden kann (wenn auch nicht in voller Leistung, so doch in substantiellem Umfang).

[0054] In Ausführungsformen des dritten Aspekts ist in der Wärmetauschereinheit ein Strom des Gases so regelbar, dass in einem ersten Abtauzustand, wenn Arbeitsmedium durch die erste Abtaustrecke geführt wird das Gas nur die zweite Verdampfer-Wärmetauschfäche durchströmt und in einem zweiten Abtauzustand, wenn Arbeitsmedium durch die zweite Abtaustrecke geführt wird, das Gas nur die erste Verdampfer-Wärmetauschfläche durchströmt.

[0055] Weiter kann in unterschiedlichen Ausführungsformen des dritten Aspekts die Wärmetauschereinheit einen Unterkühlungs-Wärmetauscher aufweisen, durch welchen das Arbeitsmedium im Hochdruckzustand in einem Normalbetrieb mit dem Gas in Wärmetauschkontakt gebracht wird, bevor diese die Verdampfer-Wärmetauschflächen durchströmt.

[0056] Gemäss einem weiteren bevorzugten Merkmal wird das Arbeitsmedium im Hochdruckzustand im Normalbetrieb in einem Unterkühlungs-Wärmetauscher der Wärmetauschereinheit mit der Luft in Wärmetauschkontakt gebracht, bevor diese die Verdampfer-Wärmetauschflächen durchströmt.

[0057] Der Wärmetauschereinheit können ein Expansionsventil oder mehr pro Wärmetauschfläche je ein eigenes Expansionsventil zugeordnet sein. Im ersteren Fall (ein Expansionsventil) ist dem Expansionsventil ein mehr-Weg-Regelungsventil oder pro Wärmetauschfläche je ein Regelungsventil nachgeschaltet, das den Fluss des Arbeitsmediums auf dem niedrigen Druck auf die Wärmetauschflächen verteilt bzw. beim Abtauvorgang stoppt. Im zweiten Fall (pro Wärmetauschfläche je ein Expansionsventil) bestimmen die Expansionsventile und/oder ggf. optionale vorgeschaltete Regelungsventile diesen Fluss.

[0058] Das Konstruktionsprinzip der Wärmetauschereinheit lässt sich ohne weiteres auch auf drei oder mehr Wärmetauschflächen verallgemeinern.

[0059] Die Wärmetauschereinheit gemäss dem weiteren Aspekt der Erfindung kann beispielsweise in sämtlichen Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung verwendet werden, die der Wärmegewinnung dienen. Sie kann aber auch in anderen Wärmepumpen zum Einsatz kommen.

[0060] Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren beschrieben. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder analoge Elemente. Es zeigen:

• Figur 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wärmepumpe;
• Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wärmepumpe;
• Figur 3 ein Log-p-H-Diagramm;
• Figuren 4, 5 und 6 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Wärmepumpe;
• Fig. 7 ein Teil eines Verbundsystems zur Kühlung einer Mehrzahl von (nicht gezeichneten) Kühlstellen;
• Figur 8 ein im Aussenbereich angeordnetes Teilsystem einer Kühlanlage, welche eine erfindungsgemässe Wärmepumpe aufweist;
• Figur 9 ein Teil eines Verbundsystems mit einer Mehrzahl von Nebenkreisläufen; und
• Figur 10 eine Wärmepumpe mit einer Wärmetauschereinheit mit Abtaufunktion.

[0061] In den Figuren wird der Fluss des Arbeitsmediums mit Linien dargestellt, wobei ausgezogene Linien den Fluss von mehrheitlich flüssigem Arbeitsmedium und gepunktete Linien den Fluss von mehrheitlich gasförmigem Medium in einem Normalbetrieb illustrieren; es soll nicht ausgeschlossen sein, dass eine Wärmepumpe auch anders, bspw. in einem Umkehrbetrieb betrieben werden kann. Fein gestrichelte Linien illustrieren den Ölrückfluss.

[0062] Die Wärmepumpe gemäss Figur 1 weist einen Hauptkreislauf der an sich bekannten Art auf. Vom Hauptkreislauf-Kompressor 1 wird gasförmiges Arbeitsmedium angesaugt, das im ersten Wärmetauscher 11 (Verdampfer) unter Zufuhr von Wärme Q von einer Wärmequelle verdampft wurde. Als Wärmequelle kommt bspw. die Luft, eine Sole, Wasser, direkt das Erdreich und/oder irgend eine anderen geeignete Wärmequelle in Frage; auch Kombinationen von Wärmequellen, bspw. auch mit parallel und/oder in Serie geschalteten Teilwärmetauschern kommen in Frage. Bei Kälteanlagen wird die Wärmequelle primär das zu kühlende Objekt sein, also bspw. die Luft in einem Kühlraum, Gefrierschrank oder Kühlschrank, eine zu kühlende Wärmetransportflüssigkeit, etc.

[0063] In Figur 1 wird wie in den nachfolgenden Figuren der verwendete Kompressor als Kolben-Kompressor dargestellt. Es versteht sich, dass in allen Ausführungsformen der Erfindung auch andere Kompressoren als Kolben-Kompressoren zum Einsatz kommen können.

[0064] Das durch den Hauptkreislauf-Kompressor 1 verdichtete, gasförmige Arbeitsmedium gelangt über einen Ölabscheider 3 in den zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger/Kondensator) 12 in welchem das Arbeitsmedium gegebenenfalls auf die Verflüssigungstemperatur gekühlt wird und kondensiert und dabei Wärme abgibt, die im Falle der Anwendung zur Wärmegewinnung als Nutzwärme anfällt, beispielsweise durch Abgabe an eine Flüssigkeit 18, welche in einer Gebäudeheizung zirkuliert. In der Figur wird eine solche Flüssigkeit 18 grob gestrichelt illustriert.

[0065] Bei der Anwendung in der Kältetechnik wird der zweiter Wärmetauscher oft die Wärme direkt an die Umgebungsluft abgeben, so dass dann keine solche Flüssigkeit zur Aufnahme der Wärme vorhanden ist. Es gibt auch die sog. Rückkühlung. Dabei wird bspw. die Wärme im Aggregateraum an einen Platten- oder Bündelrohrwärmetauscher übertragen und anschliessend per Sole an einen Rückkühler im Aussenbereich überführt und dort abgeführt.

[0066] Je nach Wärmetauschfläche und Temperatur des die Wärme aufnehmenden Mediums findet im zweiten Wärmetauscher 12 auch eine leichte Unterkühlung des Arbeitsmediums statt, d.h. das Arbeitsmedium wird wenig unter die Verflüssigungstemperatur gekühlt. Eine starke solche Unterkühlung an dieser Stelle wäre jedoch nachteilig, da das heissen würde, dass der obere Arbeitsdruck und damit die Kondensationstemperatur bei diesem oberen Arbeitsdruck markant höher gewählt werden müsste als durch die Temperatur des die Wärme aufnehmenden Mediums vorgegeben. Ein allzu hoher oberer Arbeitsdruck wirkt sich nachteilig auf den COP-Wert aus.

[0067] Das kondensierte Arbeitsmedium wird in einem optionalen aber vorteilhaften Arbeitsmedium-Sammler 6 gesammelt. Anschliessend gelangt es durch den dritten Wärmetauscher 13, dessen Funktion noch näher beschrieben wird, über ein Magnetventil 7 zum Expansionsventil 8, wo es - unter Umständen unter Verdampfung eines Anteils des Arbeitsmediums - auf den unteren Arbeitsdruck des Hauptkreislaufs expandiert und dabei auf die entsprechende Verdampfungstemperatur abgekühlt wird. Durch die Unterkühlung, welche das Arbeitsmedium im dritten Wärmetauscher 13 erfährt, wird auch bewirkt, dass bei der Expansion - also vor dem Eintritt in den ersten Wärmetauscher - eine anteilsmässig kleinere Menge des Arbeitsmediums oder gar kein Arbeitsmedium verdampft wird (kleinerer Flashgasanteil). Solches bereits bei der Expansion verdampftes Arbeitsmedium würde für die anschliessende Wärmeaufnahme im ersten Wärmetauscher 11 im Wesentlichen nicht mehr zur Verfügung stehen. Dadurch, dass der Flashgasanteil reduziert wird, muss auch der Wärmetauscher 11 nicht so gross dimensioniert werden wie das gemäss dem Stand der Technik zu erfolgen hätte.

[0068] Für den Nebenkreislauf wird ein Anteil des flüssigen Arbeitsmediums nach dem zweiten Wärmetauscher 12 - und ggf. mit Vorteil nach dem Sammler 6 - entnommen und - hier via ein regulierendes Magnetventil 26 über eine Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 dem dritten Wärmetauscher zugeführt. Im Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 expandiert das Wärmetauschmedium auf einen unteren Nebenkreislauf-Arbeitsdruck und nimmt die diesem Arbeitsdruck entsprechende Verdampfungstemperatur ein. Dadurch kann es im dritten Wärmetauscher dem Arbeitsmedium im Hauptkreislauf Wärme entnehmen und dieses dadurch markant unterkühlen. Dabei verdampft das Wärmetauschmedium im Nebenkreislauf. Durch den Nebenkreislauf-Kompressor 2 wird es auf den oberen Arbeitsdruck des Hauptkreislaufs verdichtet und mit dem Hauptkreislauf zusammengeführt.

[0069] Es wäre auch möglich, das Arbeitsmedium für den Nebenkreislauf dem Hauptkreislauf anstatt unmittelbar nach dem zweiten Wärmetauscher - also am Punkt P1 - erst nach dem dritten Wärmetauscher 13 zu entnehmen, also am Punkt P2. Ein solches Vorgehen hätte den Vorteil, dass der COP-Wert weiter verbessert werden könnte, weil auch im Nebenkreislauf unterkühltes Arbeitsmedium verwendet werden könnte.

[0070] Die Ölrückführung in beide Kompressoren 1, 2 erfolgt über ein gemeinsames Ölrückführungssystem, welches nebst dem Ölabscheider 3 auch einen Ölsammler 4 und für jeden Kompressor 1, 2 je einen Ölniveauregler 5 aufweist.

[0071] Anstelle einer solchen gemeinsamen Ölrückführung könnte auch jeder der Kompressoren je einen Ölabscheider mit einer eigenen Ölrückführung aufweisen, wobei dann der Ölabscheider vor dem Zusammentreffpunkt der Kompressorausgänge angeordnet sein sollte.

[0072] Figur 2 zeigt eine Variante der Wärmepumpe nach Figur 1, welche speziell für das Zur-Verfügung-Stellen von Warmwasser und einer Heizung in Gebäuden geeignet ist. Im Unterschied zur Wärmepumpe nach Figur 1 ist ein vierter, innerer Wärmetauscher 14 gezeichnet. Ein beispielsweise regulierbarer Anteil des vom Hauptkreislauf abgezweigten Arbeitsmediums wird dafür verwendet, im vierten Wärmetauscher das Hauptkreislauf-Sauggas - also das vom Hauptkreislauf-Kompressor 1 angesaugte, im ersten Wärmetauscher 11 verdampfte Arbeitsmedium zu überhitzen, also über die Verdampfungstemperatur hinaus zu erwärmen. In der abgebildeten Ausführungsform ist das stetig regelnde Dreiwegventil 29 dazu ausgebildet, den Anteil von über den vierten Wärmetauscher 14 geführtem Arbeitsmedium zu regeln. Es kann so auch dazu beitragen zu vermeiden, dass Flüssigkeitspartikel in den Ansaugbereich des Verdichters gelangen, und dass bei Brauchwarmwasserbetrieb eine ausreichende Überhitzung, bei Heizbetrieb eine energetisch vernünftige Erhitzung erwirkt wird.

[0073] Das gasförmige Arbeitsmedium ist auch nach dem Verdichter überhitzt, das heisst seine Temperatur ist markant über der Kondensationstemperatur beim oberen Arbeitsdruck. Dadurch wird ermöglicht, dass in einem ersten Teil-Wärmetauscher 12.1 des zweiten Wärmetauschers Wärme an ein Medium abgegeben wird um dieses auf eine Temperatur zu erwärmen, die markant über der Kondensationstemperatur liegt. Eine geeignete Anwendung ist beispielsweise die Erwärmung von Brauchwasser (Warmwasser) 18.1 im ersten Teil-Wärmetauscher 12.1. Erst der zweite Teil-Wärmetauscher 12.2 wirkt als Kondensator und wärmt beispielsweise eine Wärmetauschflüssigkeit 18.2 einer Raumheizung auf.

[0074] Der erste und der zweite Teil-Wärmetauscher können beieinander angeordnet und sogar ineinander verschachtelt sein. Sie können sich aber auch an gänzlich unterschiedlichen Orten befinden.

[0075] Zwar ist die im zweiten Teil-Wärmetauscher übertragbare Wärmemenge im allgemeinen markant grösser als die im ersten Teil-Wärmetauscher abgegebene Wärme, weil die latente Wärme des Arbeitsmediums dort anfällt. Trotzdem kann eine Anordnung wie in Fig. 2 gezeichnet sehr sinnvoll sein, insbesondere weil in Haushalten oft die in Form von Warmwasser bezogene Wärme markant geringer ist als die bei einer geringeren Temperatur bezogene Heizwärme. Durch Einstellen eines geeigneten Arbeitsmedium-Flusses im Nebenkreislauf durch den vierten Wärmetauscher 14 kann die im ersten Teil-Wärmetauscher 12.1 nutzbare Wärmemenge ausserdem reguliert werden.

[0076] Eine Anordnung mit einem vierten Wärmetauscher 14, welcher eine Überhitzung des Sauggases bewirkt, kann auch für Kühlsysteme sinnvoll sein, wobei bei solchen oft nicht zwei Teil-Wärmetauscher für den zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) benötigt werden.

[0077] Anhand von Figur 3 lässt sich ein Vorzug des erfindungsgemässen Vorgehens erläutern. Figur 3 zeigt eine Darstellung des Druckes p (logarithmische Skala) in Abhängigkeit von der Enthalpie H. Die ausgezogene Kurve 41 zeigt die Grenze des Nassdampfgebiets, in welchem die flüssige und gasförmige Phase des Arbeitsmediums auch im thermischen Gleichgewicht koexistieren können.

[0078] In an sich bekannter Art weist der Zyklus (im Hautpkreislauf) die Schritte "isobare Expansion" 51 (hauptsächlich im Verdampfer 11), "adiabate Kompression" 52 (im Kompressor 1), "isobare Kompression" 53 (hauptsächlich im zweiten Wärmetauscher 12) und "adiabate Expansion" 54 (im Expansionsventil 8) auf. Durch die erfindungsgemässe Unterkühlung des Arbeitsmediums wird dem Hauptkreislauf die zusätzliche Wärmemenge Δ entzogen; mit dieser wird das Arbeitsmedium im Nebenkreislauf verdampft (Linie 56). Bei einer Abzweigung des Arbeitsmediums an Punkt 1 erfolgt die adiabate Expansion im Nebenkreislauf aus dem nicht bzw. nur wenig unterkühlten Zustand (Linie 57); bei einer Abzweigung am Punk 2 mit einer Unterkühlung, die im Wesentlichen der Unterkühlung im Hauptkreislauf entspricht (gestrichelte Linie 58). Sofern - optional — das Arbeitsmedium im vierten Wärmetauscher 14 überhitzt wird, fällt im Hauptkreislauf die Überhitzungswärme U an, ansonsten folgt die adiabate Kompression 52 entlang der gestrichelten Linie.

[0079] Die Verbesserung des COP-Werts, welche durch die zusätzliche Wärmemenge Δ erreichbar ist, fällt umso mehr ins Gewicht, je grösser die Differenz Δp zwischen dem oberen und unteren Arbeitsdruck der Wärmepumpe ist; diese Differenz wird durch die externen Bedingungen vorgegeben.

[0080] Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmepumpe, wie sie speziell für das Zur-Verfügung-Stellen von Warmwasser und/oder einer Gebäudeheizung geeignet ist. Von der Ausführungsform gemäss Figur 2 unterscheidet sich die Ausführungsform gemäss Figur 4 insbesondere dadurch, dass im Hauptkreislauf eine weitere Unterkühlungsstufe vorhanden ist. Nach dem dritten Wärmetauscher gelangt das Arbeitsmedium in einen (ersten) Unterkühlungs-Wärmetauscher 61, in welchem es in Kontakt mit dem Medium kommt, welchem die Wärme entnommen wird (bspw. Luft, Brunnenwasser, eine Sole etc.). Dadurch wird dieses Medium erwärmt und das Arbeitsmedium weiter unterkühlt. Aufgrund der Unterkühlung und der Erwärmung des Mediums (Luft. Wasser, eine Sole etc.) kann das Arbeitsmedium nach der Abkühlung durch Expansion im Expansionsventil 8 mehr Wärme aus dem Medium aufnehmen.

[0081] In bestimmten Konfigurationen kann es sogar sinnvoll sein, einen optionalen zweiten Unterkühlungs-Wärmetauscher 62 vorzusehen, in welchem das Arbeitsmedium nach Durchgang durch den ersten Unterkühlungs-Wärmetauscher 61 in Kontakt mit dem Medium gelangt, nachdem dieses den eigentlichen Verdampfer 11 durchlaufen hat und dort abgekühlt wurde. Durch diesen Kontakt mit dem noch kälteren Medium erfolgt eine weitere Unterkühlung. Zwar wird in dieser Konstellation die im zweiten Unterkühlungs-Wärmetauscher 62 vom Arbeitsmedium abgegebene Wärme an die Umgebung abgegeben und nicht direkt vom System genutzt. Trotzdem kann die zusätzliche Unterkühlung vorteilhaft sein, bspw. zur weiteren Reduktion von im E:cpansionsventil anfallendem Gas ("Flashgas") und dem dadurch unter Umständen einfacher auszulegenden Verdampfer.

[0082] Der Fluss des Mediums (Luft, Wasser, Sole etc.), welchem die genutzte Wärme entzogen wird, wird in den Figuren durch Blockpfeile dargestellt.

[0083] Der vierte Wärmetauscher 14 und das entsprechende drei-Weg-Ventil 29 sind optional.

[0084] Die Ausführungsform gemäss Figur 5 weist die folgenden Merkmale auf, die sie von den Ausführungsformen der Figuren 1, 2 und 4 unterscheiden. Diese Merkmale können je für sich oder in beliebiger Kombination (sofern nicht anders angegeben) bei jeglichen erfindungsgemässen Wärmepumpen realisiert sein:

• Ein erstes drei-Weg-Umkehrventil 71 und eine entsprechende Verbindungsleitung 72 ermöglichen je nach Ventilzustand eine saugseitige Verbindung zwischen den Kompressoren 1, 2 des Haupt- und des Nebenkreislaufs. Dadurch wird die Regelbarkeit der Wärmepumpenleistung weiter verbessert, was nachstehend noch eingehender erläutert wird.
• Ein zweites drei-Weg-Umkehrventil 73 ermöglicht das zu- und Wegschalten des optionalen ersten Teil-Wärmetauschers 12.1 - beispielsweise ja nach Jahreszeit. Analoges wäre auch für den zweiten Teil-Wärmetauscher denkbar (wobei dann der erste Teil-Wännetauscher zum Verflüssiger würde), bspw. wenn nur Warmwasser erzeugt werden muss.
• Das drei-Weg Ventil 29, welches den Arbeitsmediumfluss in den vierten Wärmetauscher 14 regelt, ist am Abzweigungspunkt P1 bzw. P2 angeordnet. Der in den vierten Wärmetauscher abgezweigte Strang verzweigt sich am Punkt P3 zwischen einem Teilstrang, welcher in den Hauptkreislauf zurückgeführt wird (in der Figur 5 entsprechend dem oberen Teilstrang) und einem Teilstrang, welcher dem Nebenkreislauf entspricht. Die jeweils in den Haupt- und den Nebenkreislauf geführten Arbeitsmediummengen werden hier direkt durch die jeweiligen Expansionsventile 8, 27 und/oder - wie in der dargestellten Ausführungsform - die vorgeschalteten Magnetventile 7, 26 (sofern vorhanden) geregelt. Auch andere Regelungseinrichtungen sind selbstverständlich denkbar.
  Dieses Merkmal hat den Vorteil, dass bei Bedarf auch die im Haupkreislauf fliessende Teilmenge des Arbeitsmediums dem vierten Wärmetauscher zur Verfügung steht.
• Das im Nebenkreislauf fliessende Arbeitsmedium wird durch einen dritten Unterkühlungs-Wärmetauscher 66 geführt, bevor es im Expansionsventil abgeführt wird. Dadurch wird das Medium (Luft, Wasser, Sole etc.) noch weiter vorgewärmt, bevor es in den eigentlichen Verdampfer 11 gelangt und kann dort mehr Wärme abgeben. Ausserdem ist das Arbeitsmedium beim Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 unter Umständen wesentlich kälter als die Verdampfungstemperatur im Nebenkreislauf. Dadurch gibt es weniger in den dritten Wärmetauscher 13 eintretendes Flashgas. Es resultiert ein Leistungsgewinn bei der Wärmeübertragung im dritten Wärmetauscher 13, also folglich eine verbesserte Unterkühlung des Arbeitsmediums im Hauptkreislauf.
• Ein drittes drei-Weg-Umkehrventil 76 (sinnvoll insbesondere in Kombination mit dem dritten Unterkühlungs-Wärmetauscher) stellt eine Verbindung zwischen dem Nebenkreislauf (nach dem dritten Unterkühlungs-Wärmetauscher 66 aber vor dem Expansionsventil 27) und dem Hauptkreislauf (vorzugsweise vor dem Unterkühlungs-Wärmetauscher 61) her. In Betriebszuständen, in denen der dritte Wärmetauscher nicht genutzt wird und das Expansionsventil 27 des Nebenkreislaufs geschlossen ist, kann dadurch trotzdem der dritte Unterkühlungs-Wärmetauscher 66 genutzt werden.
• Der erste Wärmetauscher/Verdampfer 11 ist mit den gegebenenfalls vorhandenen Unterkühlungs-Wärmetauschern 61, 66 integriert und als Verdampfer-Einheit mit Unterkühler 81 ausgebildet.

[0085] Das erste drei-Weg-Umkehrventil 71 - sofern vorhanden - ermöglicht folgende Betriebszustände:

Betriebszustand 1: nur der kleinere, zweite Kompressor 2 arbeitet: der Nebenkreislauf ist ausser Betrieb. Das erste drei-Weg-Umkehrventil 71 führt das vom Verdampfer 11 herkommende und gegebenenfalls durch den vierten Wärmetauscher 14 geführte Arbeitsmedium dem Nebenkreislauf-Kompressor zu, welcher so den Hauptkreislauf in Gang hält. Das Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 ist geschlossen und der dritte Wärmetauscher 13 hat keine Funktion. Dieser Betriebszustand eignet sich für Situationen, in welchen eine nur sehr kleine Heizleistung benötigt wird, und in welchen auch ein auf das realistische Minimum regulierte Leistung des Hauptkreislauf-Kompressors 1 schon zu gross wäre und einen An- und Abschaltbetrieb erfordern würde.

[0086] Im Betriebszustand 1 können das dritte drei-Weg-Umkehrventil 76 - falls vorhanden

• und das drei-Weg-Ventil 29 optional so geschaltet sein, dass das Wärmetauschmedium durch den dritten Unterkühlungs-Wärmetauscher 66 geführt wird, bevor es via den zweiten Unterkühlungs-Wärmetauscher 61 zum Expansionsventil 8 gelangt.

[0087] Betriebszustand 2: Wenn die erforderliche Heizleistung so gross ist, dass sie durch den zweiten Kompressor (d.h. des Nebenkreislauf-Kompressors 2) auch bei maximaler Drehzahl nicht mehr zur Verfügung gestellt werden kann, kann - gegebenenfalls nach einer gewissen Beruhigungszeit - der Betriebszustand 2 eingestellt werden. Dazu werden der Nebenkreislauf-Kompressor 2 aus- und der Hauptkreislauf-Kompressor 1 eingeschaltet, und das erste drei-Weg-Umkehrventil 71 führt das vom Verdampfer 11 herkommende und gegebenenfalls durch den vierten Wärmetauscher 14 geführte Arbeitsmedium dem ersten Kompressor 1 zu. Das Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 bleibt geschlossen.

[0088] Auch Betriebszustand 2 können das dritte drei-Weg-Umkehrventil 76 - falls vorhanden - und das drei-Weg-Ventil 29 optional so geschaltet sein, dass das Wärmetauschmedium durch den dritten Unterkühlungs-Wärmetauscher 66 geführt wird, bevor es via den zweiten Unterkühlungs-Wärmetauscher 61 zum Expansionsventil 8 gelangt.

[0089] Im Betriebszustand 2 wird im Prinzip eine stufenlose Regelung der Heizleistung zwischen der minimalen und der maximalen Drehzahl des Hauptkreislauf-Kompressors ermöglicht.

[0090] Es kann jedoch aus Gründen der Effektivität schon vor dem Erreichen der maximalen Drehzahl sinnvoll sein, dass durch Zuschalten des Nebenkreislauf-Kompressors 2 in den Betriebszustand 3 gewechselt wird. Dies insbesondere weil sich der höhere COP-Wert des Nebenkreislaufs (wegen der geringeren Druckdifferenz daselbst) positiv auf den Gesamt-COP auswirkt.

[0091] Betriebszustand 3: Auch im Betriebszustand 3 führt wie im Betriebszustand 2 das erste drei-Weg-Umkehrventil 71 das vom Verdampfer 11 herkommende und gegebenenfalls durch den vierten Wärmetauscher 14 geführte Arbeitsmedium dem ersten Kompressor (Hauptkreislauf-Kompressor 1) zu. Zusätzlich arbeitet auch der Nebenkreislauf-Kompressor, und das Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 ist in Betrieb. Der Saugdruck des Nebenkreislauf-Kompressors wird auf einen Wert geregelt, welcher beispielsweise einer Verdampfungstemperatur entspricht, die mindestens 5K über derjenigen des Hauptkreislaufs liegt. Im dritten Wärmetauscher wird dem Arbeitsmedium im Hauptkreislauf Wärme entzogen, wie das anhand der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausführlich erläutert wurde. Das dritte drei-Weg-Umkehrventil 76 - sofern vorhanden - ist so geschaltet, dass dort kein Arbeitsmedium vom Nebenkreislauf (bspw. vom dritten Unterkühlungs-Wärmetauscher 66 herkommend) in den Hauptkreislauf gelangen kann.

[0092] In allen drei Betriebszuständen kann der erste Teil-Wärmetauscher 12.1 zur Erzeugung von Warmwasser zu- oder weggeschaltet sein, wenn ein zweites drei-Weg-Umkehrventil 73 vorhanden ist.

[0093] Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmepumpe, die speziell für das Zur-Verfügung-Stellen von Warmwasser und/oder einer Gebäudeheizung geeignet ist. Die Ausführungsform stellt eine Variante der Ausführungsform gemäss Figur 5 dar und unterstützt ebenfalls die vorstehend beschriebenen drei Betriebszustände. Es bestehen jedoch folgende Unterschiede zur Ausführungsform gemäss Figur 5:

• ein optionaler fünfter Wärmetauscher 85 dient wie der vierte Wärmetauscher 14 als Sauggasüberhitzer, jedoch für den Nebenkreislauf. Im fünften Wärmetauscher wird das Sauggas des Nebenkreislaufs - d.h. das Arbeitsmedium zwischen dem dritten Wärmetauscher 13 und dem zweiten Kompressor 2 - in Kontakt mit dem kondensierten Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs vor der Expansion gebracht, um dieses leicht zu unterkühlen und dabei erwärmt zu werden. In der gezeichneten Ausführungsform wird der Anteil des kondensierten Arbeitsmediums durch den fünften Wärmetauscher geleitet, welcher unmittelbar danach (oder davor) auch im vierten Wärmetauscher das Sauggas des Hauptkreislaufs überhitzt; damit geschieht die Überhitzung - je nach Bedarf, reguliert durch das Ventil 29 - im Haupt-und Nebenkreislauf parallel, was oft sinnvoll ist, weil Haupt- und Nebenkreislauf je zu einem Heissgasverbund zusammengeschlossen sind.
• Die Abzweigung des kondensierten Arbeitsmediums für den Nebenkreislauf erfolgt an einem zum Punkt P2 der vorstehenden Figuren im Wesentlichen äquivalenten Punkt, das heisst für den Nebenkreislauf wird unterkühltes Arbeitsmedium abgezweigt. In der dargestellten Ausführungsform geschieht das nach dem Unterkühlungs-Wärmetauscher 61, damit das Arbeitsmedium im Nebenkreislauf möglichst unterkühlt expandiert und ein Minimum an Flashgas im dritten Wärmetauscher ist; es wäre aber auch ohne weiteres möglich das Arbeitsmedium vor dem Unterkühlungs-Wärmetauscher 61 abzuzweigen.
• Der dritte Unterkühlungs-Wärmeauscher 66 kann dadurch entfallen, und auch das dritte drei-Weg-Umkehrventil 76 ist nicht vorhanden. Dies bringt sowohl apparativ als auch regelungstechnisch eine Vereinfachung im Vergleich zur Ausführungsform gemäss Figur 5. Die jeweiligen Anteile von in den Haupt-und in den Nebenkreislauf geführtem Arbeitsmedium werden nur durch die Expansionsventile 8, 26 und/oder - sofern vorhanden - die vorgeschalteten Magnetventile 7, 26 geregelt.

[0094] Die Merkmale "fünfter Wärmetauscher" und "Abzweigung von unterkühltem Arbeitsmedium für den Nebenkreislauf" können unabhängig voneinander implementiert werden, d.h. es können wie in Fig. 6 gezeichnet beide Merkmale vorhanden sein, aber es können auch nur das eine, nur das andere, oder keines der beiden Merkmale vorhanden sein; dies in Kombination mit beliebigen Merkmalen anderer beschriebener Ausführungsformen.

[0095] Anhand von Figur 7 wird noch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wärmepumpe beschrieben, wie sie insbesondere für Anwendungen in der industriellen Kühl- oder eventuell auch Heizungstechnik vorteilhaft sein kann. In Figur 7 sind der bzw. die Verdampfer sowie das/die diesen/diesem vorgeschaltete(n) Expansionsventil(e) nicht gezeichnet. In Anwendungen in der Kältetechnik können insbesondere eine Mehrzahl von Verdampfern mit je einem Expansionsventil oder mit mindestens teilweise gemeinsamem Expansionsventil/gemeinsamen Expansionsventilen vorhanden sein, womit eine Mehrzahl von Kühlstellen betrieben werden kann. Der Übergang zu der Kühlstelle den Kühlstellen (bzw. zur Wärmequelle) ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 91 bezeichnet. Von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet sich die Ausführungsform gemäss Figur 7 durch nachfolgende Merkmale. Diese Merkmale können je für sich, in Kombination und in beliebiger Kombination (sofern nicht anders angegeben) mit anderen vorteilhaften vor- und/oder nachstehend beschriebenen Merkmalen bei jeglichen erfindungsgemässen Wärmepumpen realisiert sein:

• Der Hauptkreislauf weist einen Verdichter-Verbund mit einer Mehrzahl von Hauptkreislauf-Kompressoren 1.1, 1.2, 1.3 auf. Verdichter-Verbunde mit mehreren parallel geschalteten Verdichtern (Kompressoren) sind an sich vom Stand der Technik her bekannt. Die Kombination mit dem erfindungsgemässen Nebenkreislauf hat nebst den diskutierten allgemeinen Vorteilen bei Verbundsystemen den zusätzlichen Vorteil, dass der Saugdruck des Nebenkreislaufs einen zusätzlichen Regelungsparameter darstellt. Das ermöglicht eine stufenlose Regelung der Leistung auch in Leistungsbereichen, in denen das bis anhin nicht oder nur mit individueller Leistungsregelung mit eigenem Frequenzumformer für jeden einzelnen Verdichtern eines Verbunds möglich war.
• Im Hauptkreislauf ist vor der Abzweigung des Nebenkreislaufs an Punkt P1 oder Punkt P2 und vor dem dritten Wärmetauscher 13 einen Unterkühlungs-Wärmetauscher 68 auf. Durch diesen wird durch Abgabe von Wärme an die Umgebung das Arbeitsmedium schon leicht unterkühlt, bevor es in den dritten Wärmetauscher gelangt. Dieses Vorgehen ist insbesondere bei Kühlsystemen von Vorteil, wirken sich doch auch kleine abgegebene Wärmemengen unmittelbar und vorteilhaft auf die Kühlleistung aus. Nebst dem als zweiter Sammler 6.2 fungierenden eigentlichen Arbeitsmedium-Sammler ist ein erster Trenn-Sammler 6.1 vorhanden, der verhindert, dass nicht verflüssigte Arbeitsmedium-Anteile in den Unterkühlungs-Wärmetauscher 68 gelangen und so diesen zum Verflüssiger machen können.

[0096] Figur 8 zeigt eine Ausführungsform der zweiten Gruppe von Ausführungsformen, d. h. mit einem getrennten Nebenkreislauf. Die dargestellte Ausführungsform ist besonders für die Kühltechnik, insbesondere für grössere Anlagen geeignet. Vom Hauptkreislauf ist in Figur 8 nur ein Ausschnitt mit dem zweiten Wärmetauscher 12, dem Sammler 6 und dem dritten, internen Wärmetauscher 13 gezeichnet. Der erste Wärmetauscher/Verdampfer - bzw. das System von Verdampfern bei einer grösseren Kälteanlage - sowie der erste Kompressor bzw. die wie in Fig. 7 bspw. parallel geschalteten ersten Kompressoren - sind beispielsweise im Innern eines Gebäudes vorhanden und in Figur 8 nicht gezeichnet. In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 92 schematisch die Grenze zwischen einem Gebäudeinnenbereich und einem Gebhäudeaussenbereich, welcher bspw. an einer schattigen Stelle auf einem Gebäudedach oder in einem Innenhof vorhanden sein kann.

[0097] Der Nebenkreislauf kann mit einem Arbeitsmedium betrieben werden, welches vom Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs verschieden ist. Insbesondere kann ein Arbeitsmedium verwendet werden, welches für den im Durchschnitt zu erwartenden Saugdruck des Nebenkreislaufs optimiert ist und/oder welches besonders effektiv aber für Anwendungen im Gebäudeinnenbereich nicht zugelassen ist.

[0098] Beispielsweise kann das Arbeitsmedium des Nebenkreislaufs Ammoniak sein. Ammoniak ist wegen seiner grossen Verdampfungswärme ein bekanntermassen hocheffektives Arbeitsmedium für grössere Kühlanlagen. Es ist aber im Gebäudeinnenbereich in vielen Situationen nicht zugelassen, weil bei seinem Austreten eine Explosionsgefahr entstehen kann. Ammoniak ist im Aussenbereich jedoch harmlos, da es keine Umweltschäden verursacht und im Freien auch keine Konzentrationen entstehen können, die eine Explosionsgefahr mit sich bringen würden. Es ist eine Erkenntnis, die auf der vorliegenden Erfindung beruht, dass durch den Nebenkreislauf die vorteilhaften Eigenschaften von Ammoniak als Arbeitsmedium auch für Anlagen nutzbar gemacht werden können, in denen die Kühlstellen so liegen, dass ein Einsatz von Ammoniak an den Kühlstellen nicht zulässig oder nicht vertretbar ist. Durch den Einsatz von Ammoniak im Nebenkreislauf wird der COP-Wert der Anlage als Ganzer positiv beeinflusst.

[0099] Ähnliche Überlegungen gelten auch für andere Arbeitsmedien mit sehr guten Wärmetransporteigenschaften wie Propan oder Isobutan.

[0100] Weil der Nebenkreislauf keinen Heissgasverbund mit dem Hauptkreislauf bildet, kann er im Prinzip einen separaten, eigenen zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) aufweisen. Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn der Haupt- und der Nebenkreislauf einen gemeinsamen zwei-Kreis-Verflüssiger 12 haben, in welchem also die Verdampfungswärme beider Kreisläufe an einen gemeinsamen Verbund abgegeben werden, die - sofern nötig - gemeinsame Konvektionsmittel, bspw. einen gemeinsamen Lüfter aufweisen können. Im Falle einer Anwendung in der Kältetechnik erfolgt die Abgabe der Wärme in vielen Fällen an die Umgebungsluft, wobei ein oder mehrere geeignete Lüfter (nicht gezeichnet) als Konvektionsmittel für einen ständigen Luftaustausch vorhanden sein können. Die das jeweilige Arbeitsmedium führenden Gefässe können in ihren Materialien unterschiedlich sein; bspw. kann gegebenenfalls das Ammoniak des Nebenkreislaufs in Stahlgefässen zirkulieren, während ein anderes, weniger reaktives Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs mindestens bereichsweise in Gefässen aus einer Kupferlegierung geführt wird.

[0101] Im Nebenkreislauf wird das im zweiten Wärmetauscher 12 verflüssigte Arbeitsmedium in einem Wärmetausch-Sammler 106 gesammelt. Von dort gelangt es über das Nebenkreislauf-Expansionsventil 27 - optional wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen ebenfalls mit vorgeschaltetem Regelungsventil (Magnetventil) 26 - in den dritten Wärmetauscher 13, wo es unter Entzug von Wärme vom Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs verdampft. Über einen Abscheider 101, in welchem eventuell verbleibende Flüssigkeitströpfchen gesammelt und verdampft werden (auch im Bereich des Abscheiders kann optional ein weiterer Wärmetauscherkontakt mit kondensiertem Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs oder auch des Nebenkreislaufs für die weitere Unterkühlung stattfinden), gelangt das Nebenkreislauf-Arbeitsmedium zum Nebenkreislauf-Kompressor 2, welcher das Gas verdichtet und erwärmt wieder dem zweiten Wärmetauscher zuführt.

[0102] Im Hauptkreislauf kann nach dem zweiten Wärmetauscher/Verflüssiger 12 ein optionaler Unterkühlungs-Wärmetauscher (Luftunterkühler) 68 vorhanden sein, in welchem vor dem Eintritt in den dritten Wärmetauscher das Arbeitsmedium des Hauptkreislaufs im Kontakt mit der Umgebungsluft vor-unterkühlt wird. Der Luftunterkühler 68 kann im Prinzip als auch als Teil-Wärmetauscher des zweiten Wärmetauschers aufgefasst werden, wenn dieser die Wärme an die Umgebung abgibt, wobei jedoch vorzugsweise der Sammler 6 vor dem Luftunterkühler 68 angeordnet ist, damit der Kondensationsprozess nicht zum Teil in den Luftunterkühler 68 verlagert wird.

[0103] In Figur 9 ist ein Verbundsystem abgebildet, welches eine Mehrzahl von Nebenkreisläufen aufweist. Das Verbundsystem gemäss Figur 9 ist beispielsweise geeignet für die gewerbliche oder industrielle Kühltechnik, und zwar für Anwendungen, bei denen das Verbundsystem Kühlung auf zwei verschiedene Temperaturen gewährleisten soll. Beispielsweise können in einem Supermarkt Kühlstellen mit Temperaturen von leicht über 0° und Kühlstellen mit Temperaturen von weniger als - 10° (Tiefkühler) vorhanden sein; ähnliches gilt in anderen Betrieben - bspw. Grossmetzgereien. Auch kann mit einem Verbundsystem beispielsweise eine Klimaanlage und zusätzlich Kühlstellen betrieben werden.

[0104] Die erste Gruppe von Hauptkreislauf-Kompressoren 1.1, 1.2, 1.3 saugt Gas von den ersten Kühlstellen 91.1 auf einem ersten Druck - entsprechend einer ersten Kühltemperatur - an. Die erste Gruppe von Hauptkreislauf-Kompressoren 1.1, 1.2, 1.3 bildet einen Heissgasverbund mit einer zweiten Gruppe von Hauptkreislauf-Kompressoren 1.4. 1.5, 1.6, welche Gas von den zweiten Kühlstellen 91.2 auf einem zweiten Druck - entsprechend einer zweiten Kühltemperatur - ansaugt.

[0105] Ein erster Nebenkreislauf mit einem ersten Nebenkreislauf-Kompressor 2.1 und einem ersten Nebenkreislauf-Expansionsventil 27.1 ist entsprechend der Ausführungsform gemäss Figur 8 ausgebildet und weist ein von den Hauptkreisläufen separates Arbeitsmedium auf, beispielsweise Ammoniak. Wie in Figur 8 kann ein der zweite Wärmetauscher als Zweikreisverflüssiger vorhanden sein, welcher sowohl das Arbeitsmedium des Heissgasverbunds der Hauptkreisläufe als auch das Arbeitsmedium des ersten Nebenkreislaufs verflüssigt.

[0106] Nach dem optionalen Luftunterkühler 68 wird dem kondensierten Arbeitsmedium des Heissgasverbunds im ersten internen Wärmetauscher 13.1 (entsprechend einem dritten Wärmetauscher gemäss der vorstehend verwendeten Terminologie) weitere Wärme entzogen.

[0107] Am Punkt P1 - oder alternativ auch am Punkt P2, analog zu vorstehend beschriebenen Ausführungsformen - wird Arbeitsmedium für den zweiten Nebenkreislauf mit dem zweiten Nebenkreislauf-Kompressor 2.2 und dem zweiten Nebenkreislauf-Expansionsventil 27.2 abgezweigt. Der zweite Nebenkreislauf bildet mittels des zweiten internen Wärmetauschers 13.2 (des ,dritten' Wärmetauschers bezogen auf den zweiten Nebenkreislauf) eine zweite Unterkühlungsstufe für das kondensierte Arbeitsmedium der Hauptkreisläufe. Das im zweiten internen Wärmetauscher verdampfte Arbeitsmedium des zweiten Nebenkreislaufs gelangt auf einem individuell regelbaren zweiten Saugdruck zum zweiten Nebenkreislauf-Kompressor 2.2, der das Arbeitsmedium auf den Arbeitsdruck des Heissgasverbunds komprimiert und diesem zuführt.

[0108] Ein regelbarer Teil des Arbeitsmediums der Hauptkreisläufe wird anschliessend an die zweite Unterkühlungsstufe zu den ersten Kühlstellen geführt, wo es auf den Saugdruck der ersten Gruppe von ersten Kompressoren expandiert und anschliessend in Kontakt mit den Wärmetauscheinrichtungen der ersten Kühlstellen verdampft wird.

[0109] Ein weiterer, ebenfalls regelbarer Teil des Arbeitsmediums gelangt zur dritten Unterkühlungsstufe mit dem dritten internen Wärmetauscher 13.3. Das Arbeitsmedium für den dritten Nebenkreislauf mit dem dritten Nebenkreislauf-Kompressor 2.3 und dem dritten Nebenkreislauf-Expansionsventil 27.3 wird in der dargestellten Ausführungsform am Punkt P3 oder alternativ am Punkt P4 abgezweigt. Auch der Saugdruck des dritten Nebenkreislaufs ist individuell einstellbar; er wird im Allgemeinen tiefer als der Saugdruck des zweiten Nebenkreislaufs sein. Auch der dritte Nebenkreislauf-Kompressor 2.3 komprimiert auf den Arbeitsdruck des Heissgasverbunds.

[0110] Nach der dritten Unterkühlungsstufe gelangt der entsprechende Teil des Arbeitsmediums zu den zweiten Kühlstellen 91.2, wo es auf den Saugdruck der der zweiten Gruppe von ersten Kompressoren expandiert und anschliessend in Kontakt mit den Wärmetauscheinrichtungen der zweiten Kühlstellen verdampft wird. Im Allgemeinen werden die Kühlstellen so eingerichtet, dass die Temperatur der zweiten Kühlstellen kleiner ist als die Temperatur der ersten Kühlstellen, so dass das stärker unterkühlte Arbeitsmedium den kälteren Kühlstellen mit dem niedrigeren Saugdruck zur Verfügung steht; dies ist aber keine notwendige Bedingung.

[0111] Es sind viele mögliche, nicht gezeichnete Varianten der Ausführungsform gemäss Figur 9 denkbar. Beispielsweise kann die Anzahl von ersten Kompressoren jeder Gruppe den Bedürfnissen angepasst werden und je nach benötigter Kühlleistung zwischen eins und einer Zahl sein, die deutlich grösser als die jeweils gezeichneten drei ist; auch kann die Anzahl der Kompressoren der beiden Gruppe voneinander verschieden sein.

[0112] Weiter wäre es möglich, die Teile des Arbeitsmediums, das den beiden Hauptkreisläufen zugeführt wird, auch vor der zweiten Unterkühlungsstufe voneinander zu verzweigen. Dadurch wird in beiden Hauptkreisläufen (d.h. für beide Kühlstellengruppen) nur je zweistufig unterkühlt, und die Unterkühlung wird individuell anpassbar. Solches ist insbesondere auch vorteilhaft in Situationen, in denen nicht a priori klar sondern situationsabhängig ist, welche der beiden Gruppen von Kühlstellen die grössere Kühlleistung bezieht.

[0113] Auch ist es möglich, nur entweder den zweiten und den dritten Nebenkreislauf (mit oder ohne in-Serie-Schaltung für die zweiten Kühlstellen - oder nur den ersten und den zweiten Nebenkreislauf - mit dann nur einer Gruppe von Kühlstellen - vorzusehen.

[0114] Zur Figur 8 oder 9 oder deren Varianten analoge Ausführungsformen sind auch für das zur-Verfügung-Stellen von Wärme zu Heiz- und/oder Warmwassererzeugungszwecken denkbar, wobei dann zusätzlich noch Mittel vorhanden sein können, wie sie in Figuren 2 und 4-6 beschrieben sind, bspw. Sauggasüberhitzer, zweite Teil-Wärmetauscher des zweiten Wärmetauschers, etc.

[0115] Auch für das zur-Verfügung-Stellen von Wärme zu Heiz- und/oder Warmwassererzeugungszwecken kann anstelle eines einzigen ersten Wärmetauschers (Verdampfers) eine Mehrzahl von ersten Verdampfern, unter Umständen mit je eigenen, unabhängigen Expansionsventilen und ggf. auch mit eigenen Hauptkreislauf-Kompressoren verwendet werden. Bspw. kann parallel eine Brunnenanlage oder Erdsonde und eine Luft-Wasser(-Sole) Wärmequelle verwendet werden, welche unter Umständen sogar eine Verdampfung bei verschiedenen Verdampfungstemperaturen vorsehen können.

[0116] Umgekehrt sind Merkmale wie das erste drei-Wege-Umkehrventil 71, durch welches verschiedene Betriebszustände möglich werden, auch in der Kältetechnik denkbar.

[0117] Anhand von Figur 10 wird noch eine Wärmetauschereinheit 81 beschrieben, wie sie in Ausführungsformen zum Einsatz kommen kann, die eine Unterkühlung im Kontakt mit dem Medium vorsehen, welchem anschliessend durch den Verdampfer die Wärme entzogen wird, die für das Verdampfen des expandierten Mediums benötigt wird. Von den vorsehend beschriebenen Ausführungsformen betrifft das insbesondere Ausführungsformen der Figuren 4-6. Die Wärmetauschereinheit (Verdampfereinheit) 81 ist insbesondere eine Wärmetauschereinheit einer Luftwärmepumpe (Luft-Wasser-Wärmepumpe), d.h. die Wärmequelle ist Luft, die bspw. mit nicht dargestellten Lüftern durch die Einheit transportiert wird.

[0118] Die Unterkühlung im Kontakt mit dem Wärmequellenmedium, hat erstens wie bereits diskutiert dann eine mögliche Effizienzsteigerung zur Folge, wenn durch die Unterkühlung der Flashgasanteil reduziert werden und dadurch die im Wärmetauscher entziehbare Wärme vergrössert werden kann. Zweitens kann je nach Auslegung ein weiterer Vorteil bestehen, indem die Abtauproblematik reduziert wird, indem die in den eigentlichen Verdampfer einströmende Luft wärmer ist.

[0119] Der Wärmetauscher gemäss Figur 10 ermöglicht ausserdem das Abtauen von trotzdem entstehendem Eis im Verdampfer mit Hilfe des nicht expandierten, warmen Arbeitsmedium.

[0120] Die Wärmetauschereinheit 81 gemäss Figur 10 weist zwei Expansionsventile 8.1, 8.2 und optional zugeordnete Magnetventile 7.1, 7.2 auf. Das kondensierte Arbeitsmedium wird in einem Normalbetrieb vom Sammler 6 herkommend durch das Abtauventil 111 dessen Ausgang II zugeleitet und gelangt via den Unterkühlungs-Wärmetauscher 61 zu beiden Expansionsventilen 8.1, 8.2, die beide einen geregelten Fluss Arbeitsmediums expandieren und dem eigentlichen Verdampfer 11 zuführen. Eine Luftstromregelung mit einem Prallblech 112 und/oder anderen Mitteln (Jalousie etc.) ist so eingerichtet, dass der Luftstrom (illustriert durch Blockpfeile) den Wärmetauscher möglichst gleichmässig durchströmt.

[0121] Sobald abgetaut werden soll, leitet das Abtauventil 111 mindestens einen Teil des Arbeitsmediums zum den Ausgang III. Zum Abtauen der in der Figur oberen Verdampferhälhe 11.1 öffnet ausserdem das entsprechende obere Magnetventil 114.1, während das untere Magnetventil 114.2 geschlossen bleibt. Der Lamellen der Luftstromregelung 112 schliessen, so dass die Luft nur noch die untere Wärmetauscherhälfte durchströmt. Das Arbeitsmedium gelangt vom Ausgang III des Abtauventils über das obere Magnetventil 114.1, eine erste Abtaustrecke 113.1, ein Rückschlagventil 115 und die untere Abtaurückleitung 116.1 (dort entgegen der Pfeilrichtung in Fig. 10) zum unteren Expansionsventil 8.2, mit welchem die untere Verdampferhälfte weiterhin betrieben wird.

[0122] Zum Abtauen der unteren Verdampferhälfte wird das obere Magnetventil 114.1 geschlossen, das untere Magnetventil 114.2 geöffnet und der Luftstrom nur durch die obere Verdampferhälfte gerichtet. Das Arbeitsmedium läuft vom unteren Magnetventil 114.2 über die zweite Abtaustrecke 113.2, das Rückschlagventil 115 und die obere Abtaurückleitung 116.2 zum oberen Expansionsventil 8.1.

[0123] Damit ist ohne zusätzlichen Stromverbrauch und ohne Unterbrechung des Betriebs ein Abtauen mit dem Arbeitsmedium möglich, wobei die für das Abtauen benötigte Wärme dem Luftstrom gleich (in der jeweils anderen Verdampferhälfte) gleich wieder entzogen wird und daher nicht verloren geht, weil das Arbeitsmedium um diese Abtauwärme unterkühlt wird und der Luft entsprechend mehr Wärme entzogen werden kann.

[0124] Wie in Figur 10 dargestellt ist, ist die Wärmetauschereinheit 81 auch geeignet für den Einsatz Wärmepumpensystemen, die ohne Nebenkreislauf mit eigenem Nebenkreislauf-Kompressor auskommen. Er ist aber insbesondere auch geeignet für den Einsatz in Wärmepumpensystemen mit Nebenkreislauf gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung.

[0125] In den Wärmepumpen gemäss Figuren 1, 2, 4-7 und 9 ist nebst dem ersten Aspekt auch der zweite Aspekt realisiert (die Wärmepumpe gemäss Figur 8 entspricht dem ersten Aspekt). Die Ausführungsformen gemäss Figuren 2 und 4-6 entsprechen dabei einer Kombination der ersten Variante mit der zweiten Variante (Sauggasüberhitzer). Anhand von Figur 11 wird noch eine einfache Wärmepumpe beschrieben, welche den zweiten Aspekt der Erfindung realisiert, aber keinen Nebenkreislauf aufweist. Ein regelbarer Anteil des Arbeitsmediums wird nach der Verflüssigung (und nach dem Sammler 6) durch das stetig regelnde Dreiwegventil 29 abgezweigt und dem Sauggasüberhitzer 14 (entsprechend dem vierten Wärmetauscher) zugeführt, wo Wärme an das Sauggas des Kompressors 1 abgegeben wird. In der dargestellten Ausführungsform ist weiterhin ein Unterkühler 61 der vorstehend beschriebenen Art vorhanden.

[0126] Die Fachperson wird erkennen, dass die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung nur eine Auswahl vom Möglichkeiten darstellen, mit denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Insbesondere sind weitere Kombinationen denkbar. Ausserdem gilt für alle Ausführungsformen: Wenn nicht anders erwähnt und von der Funktion her benötigt, können Anordnungen und Ausgestaltung der gezeichneten Ventile auch anders als in den verwendeten Darstellung ausgebildet und angeordnet sein. Zusätzlich zu den gezeichneten Mitteln können weitere Elemente vorhanden sein, die der Fachperson an sich bekannt sind, bspw. Filter, Regelungen etc.

Ansprüche

1. Eine Wärmepumpe, aufweisend:

- Ein Hauptkreislauf-Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme aus einem ersten Medium in einem ersten Wärmetauscher (11) und zur Abgabe von Wärme an ein zweites Medium in einem zweiten Wärmetauscher (12, 12.1, 12.2),

- einen Hauptkreislauf-Kompressor (1; 1.1-1.6) zum Komprimieren des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums von einem Hauptkreislauf-Saugdruck auf einen Hauptkreislauf-Arbeitsdruck, wobei der Hauptkreislauf-Kompressor (1; 1.1-1.6) saugseitig mit dem ersten Wärmetauscher (11) und austrittsseitig mit dem zweiten Wärmetauscher (12, 12.1, 12.2) in Verbindung steht,

- eine Hauptkreislauf-Expansionsdrossel (8; 8.1, 8.2) zwischen dem zweiten Wärmetauscher (12; 12.1, 12.2) und dem ersten Wärmetauscher (11),

- wobei der ersten Wärmetauscher (11), der Hauptkreislauf-Kompressor (1; 1.1-1.6), der zweite Wärmetauscher (12; 12.1, 12.2) und die Hauptkreislauf-Expansionsdrossel (8; 8.1, 8.2) zusammen zu einem Hauptkreislauf verbunden sind,
gekennzeichnet durch

- einen Nebenkreislauf mit einem Nebenkreislauf-Kompressor (2; 2.1, 2.2, 2.3), welcher vom ersten Kompressor separat ist und eingerichtet ist, ein Nebenkreislauf-Arbeitsmedium von einem Nebenkreislauf-Saugdruck auf einen Nebenkreislauf-Arbeitsdruck zu komprimieren, sowie eine Nebenkreislauf-Expansionsdrossel (27; 27.1, 27.2. 27.3), und

- einen dritten internen Wärmetauscher (13) welcher dazu eingerichtet ist, Wärme vom Hauptkreislauf-Arbeitsmedium nach dessen Abgabe von Wärme an das zweite Medium und bevor es durch die Hauptkreislauf-Expansionsdrossel (8; 8.1, 8.2) gelangt, auf das Nebenkreislauf-Wärmetauschmedium zu übertragen, welches sich auf dem Nebenkreislauf-Saugdruck befindet;

- wobei der Hauptkreislauf-Saugdruck und der Nebenkreislauf-Saugdruck unabhängig voneinander führbar sind.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, aufweisend einen vierten Wärmetauscher (14), welcher zur Übertragung von Wärme vom Hauptkreislauf-Arbeitsmedium auf dem Hauptkreislauf Arbeitsdruck und/oder vom Nebenkreislauf-Arbeitsmedium auf dem Nebenkreislauf-Arbeitsdruck an das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium auf dem Hauptkreislauf-Saugdruck zu übertragen um dieses zu überhitzen.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Wärmetauscher zwei Teil-Wärmetauscher (12.1, 12.2) aufweist, in denen Wärme bei unterschiedlichen Temperaturen an das zweite Medium bzw. an zweite Medien abgegeben werden kann.

4. Wärmepumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium mit dem Nebenkreislauf-Arbeitsniedlum identisch ist und Hauptkreislauf-Kompressor und der Nebenkreislauf-Kompressor ausgangsseitig verbunden sind.

5. Wärmepumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Hauptkreislauf-Kompressoren, die ausgangsseitig miteinander verbunden sind, wobei die Hauptkreislauf-Kompressoren oder eine Mehrzahl der Hauptkreislauf-Kompressoren beispielsweise auch eingangsseitig miteinander verbunden sind.

6. Wärmepumpe nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine zuschaltbare Verbindung (72) zwischen einem Eingang des Hauptkreislauf-Kompressors (1; 1.1-1.6) und einem Eingang des Nebenkreislauf-Kompressors (2; 2.1, 2.2, 2.3), durch welchen in einem Betriebszustand mit reduzierter Leistung der Hauptkreislauf mit dem Nebenkreislauf-Kompressors (2; 2.1, 2.2, 2.3) betreibbar ist.

7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium jederzeit separat vom Nebenkreislauf-Arbeitsmedium und vorzugsweise verschieden von diesem ist.

8. Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (11) für die Anordnung innerhalb eines Gebäudes ausgerüstet und vorgesehen ist und dass der Nebenkreislauf vollständig ausserhalb des Gebäudes angeordnet werden kann.

9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 4-6 und einem der Ansprüche 7-8, aufweisend mindestens zwei Nebenkreisläufe, wobei das Nebenkreislauf-Arbeitsmedium eines ersten der Nebenkreisläufe mit dem Hauptkreislauf-Arbeitsmedium identisch ist und der Nebenkreislauf-Kompressors des ersten der Nebenkreisläufe ausgangsseitig mit dem Hauptkreislauf-Kompressor verbunden ist und das Nebenkreislauf-Arbeitsmedium eines zweiten der Nebenkreisläufe vom Hauptkreislauf-Arbeitsmedium separat ist, wobei pro Nebenkreislauf je ein dritter Wärmetauscher vorhanden ist und das Haupkreislauf-Arbeitsmedium durch diese dritten Wärmetauscher mehrstufig abkühlbar ist.

10. Wärmepumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Unterkühlungs-Wärmetauscher (61, 62, 66, 68, 85) in welchem das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium und/oder das Nebenkreislauf-Arbeitsmedium auf dem Hauptkreislauf-Arbeitsdruck bzw. auf dem Nebenkreislauf-Arbeitsdruck Wärme an die Umgebungsluft und/oder das erste Medium abgibt.

11. Wärmepumpe nach Anspruch 10, wobei im Unterkühlungs-Wärmetauscher (61, 66) das Hauptkreislauf-Arbeitsmedium Wärme an das erste Medium abgibt bevor dieses in den ersten Wärmetauscher (11) gelangt.

12. Wärmetauschereinheit (81) zur Wärmegewinnung aus einem strömenden Gas, insbesondere Luft, insbesondere als Wärmetauschereinheit für einen ersten Wärmetauscher (11) einer Wärmepumpe nach einer der vorangehenden Ansprüche, aufweisend:

- einen Verdampfer (11) mit einer ersten durch das Gas durchströmbaren Verdampfer-Wärmetauschtläche (11.1) und einer zweiten, durch das Gas durchströmbaren Verdampfer-Wärmetauschfläche (11.2), wobei ein Arbeitsmedium regelbar in einem Niedrigdruckzustand entweder mit der ersten oder der zweiten oder der ersten und der zweiten Wärmetauschfläche in Kontakt bringbar ist,

- eine erste Abtaustrecke (113.1), auf welcher das Arbeitsmedium in einem Hochdruckzustand mit der ersten Wärmetauschfläche in thermischen Kontakt bringbar ist, und eine zweite Abtaustrecke (113.2), in welcher das Arbeitsmedium im Hochdruckzustand mit der zweiten Wärmetauschfläche in thermischen Kontakt bringbar ist,

- wobei die erste Abtaustrecke (113.1) so angeordnet ist, dass das Arbeitsmedium nach einem Durchlaufen der ersten Abtaustrecke (113.1) und einem Expandieren auf den Niedrigdruckzustand zur zweiten Verdampfer-Wärmetauschfläche (11.2) führbar ist und die zweite Abtaustrecke (113.2) so angeordnet ist, dass das Arbeitsmedium nach einem Durchlaufen der zweiten Abtaustrecke (113.2) und einem Expandieren auf den Niedrigdruckzustand zur ersten Verdampfer-Wärmetauschfläche (11.1) führbar ist.

13. Wärmetauschereinheit nach einem Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein Abtauventil (111), das in einem ersten Schaltzustand das Arbeitsmedium der ersten und der zweiten Wärmetauschfläche zuführt und in einem zweiten Schaltzustand in einem Abbaubetrieb das Arbeitsmedium wahlweise der ersten oder der zweiten Abtaustrecke zuführbar ist.

14. Verfahren zum Entnehmen von Wärme von einem ersten Medium und zum Übertragen von Wärme an ein zweites Medium, insbesondere durch Betreiben einer Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1-14, aufweisend die Verfahrensschritte:

a. Verdampfen eines Hauptkreislauf-Arbeitsmediums unter Aufnahme von Wärme vom ersten Medium bei einem ersten Druck,

b. Komprimieren des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums auf einen zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck,

c. Kondensieren des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums beim zweiten Druck unter Abgabe von Wärme an das zweite Medium,

d. Bringen des Hauptkreislauf-Arbeitsmediums auf den ersten Druck, wobei die Schritte a. bis d. in einem zyklischen Prozess durchgeführt werden,
gekennzeichnet durch die weiteren Schritte

e. Verdampfen eines Nebenkreislauf-Arbeitsmediums bei einem dritten Druck unter Aufnahme von Wärme aus dem kondensierten Hauptkreislauf-Arbeitsmedium zwischen den Schritten c. und d., und

f. Komprimieren des Nebenkreislauf-Arbeitsmediums auf einen vierten Druck, der höher ist als der dritte Druck,

wobei die Schritte e. und f. in einem zyklischen Prozess eines Nebenkreislaufs durchgeführt werden und wobei der dritte Druck vom ersten Druck unabhängig gewählt wird.

15. Eine Wärmepumpe, beispielsweise nach einem der Ansprüche 1-14, beispielsweise mit einer Wärmetauschereinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 18, aufweisend:

- Ein Arbeitsmedium zur Aufnahme von Wärme aus einem ersten Medium in einem ersten Wärmetauscher (11) und zur Abgabe von Wärme an ein zweites Medium in einem zweiten Wärmetauscher (12, 12.1, 12.2),

- einen Kompressor (1; 1.1-1.6) zum Komprimieren des Arbeitsmediums auf einen Arbeitsdruck, wobei der Kompressor (1; 1.1-1.6) saugseitig mit dem ersten Wärmetauscher (11) und austrittsseitig mit dem zweiten Wärmetausche (12, 12.1, 12.2) in Verbindung steht,

- eine Expansionsdrossel (8; 8.1, 8.2) zwischen dem zweiten Wärmetauscher (12; 12.1, 12.2) und dem ersten Wärmetauscher (11),

- wobei der ersten Wärmetauscher (11), der Kompressor (1; 1.1-1.6), der zweite Wärmetauscher (12; 12.1, 12.2) und die Expansionsdrossel (8; 8.1, 8.2) zusammen zu einem Kreislauf verbunden sind,
gekennzeichnet durch

- einen weiteren, internen Wärmetauscher (13, 14), und ein Regelungsmittel (29; 26),

- wobei das Regelungsmittel (29; 26) dazu befähigt ist, einen regelbaren Anteil des Arbeitsmediums, wenn es zwischen dem zweiten Wärmetauscher und der Expansionsdrossel fliesst, dem weiteren Wärmetauscher (13, 14) zuzuführen und in thermischen Kontakt mit Arbeitsmedium zu bringen, welches auf einem Saugdruck ist, der tiefer ist als der Arbeitsdruck.

Zeichnung