[0001] Die Erfindung betrifft eine reversible Wärmepumpenvorrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb nach Patentanspruch 5.
[0002] Das thermodynamische Prinzip der Wärmepumpe ist allgemein bekannt und wird üblicherweise
zum Beheizen oder zum Kühlen von Temperierungsobjekten eingesetzt, etwa in Kühlschränken,
Klimaanlagen oder Sole-Wärmepumpen.
[0003] Eine Wärmepumpe weist dabei einen ersten Wärmeübertrager zur Wärmeaufnahme und einen
zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe auf. Die Wärmeübertrager sind über zwei Verbindungsleitungen
strömungstechnisch miteinander verbunden und bilden so einen Kreislauf für Kältemittel
aus. In einer der Verbindungsleitungen ist ein Verdichter und in der anderen ein Expansionsventil
angeordnet. Einer der Wärmeübertrager liegt so in Strömungsrichtung des Kältemittels
hinter dem Verdichter und einer hinter dem Expansionsventil.
[0004] Bei einer Aktivierung des Verdichters wird das Kältemittel mittels des Verdichters
komprimiert, wodurch sich die Temperatur des verdichteten Kältemittels erhöht. Beim
Durchströmen des sich anschließenden Wärmeübertragers gibt das warme Kältemittel Wärme
ab. Auf der Seite des anderen Wärmeübertragers wird das Kältemittel hingegen durch
eine Drossel entspannt. Dies senkt die Temperatur des entspannten Kältemittels, sodass
das Kältemittel in diesem Wärmeübertrager Wärme von einer Wärmequelle aufnehmen kann.
Je stärker das Kältemittel entspannt wird, desto geringer kann die Temperatur der
Wärmequelle sein, so zum Beispiel der Innenraum eines Gefrierschrankes.
[0005] Um den Wärmepumpenprozess zum Beheizen und zum Kühlen eines Temperierungsobjekts,
zum Beispiel eines Gebäudes, einsetzen zu können, ist aus dem Stand der Technik weiterhin
bekannt, die Strömungsrichtung des Kältemittels umkehrbar auszulegen. Bei derartigen
reversiblen Wärmepumpen kehrt sich die Wärmeaufnahme und -abgabe der Wärmeübertrager
in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung des Kältemittels um. Einer der Wärmeübertrager
korrespondiert dann zur Klimatisierung beispielsweise mit dem Gebäude und einer Peripherie
außerhalb des Gebäudes.
[0006] Zusätzlich ist bekannt, die Wärmepumpenvorrichtung neben der Beheizung und Kühlung
des Gebäudes auch zur Speisung eines weiteren Heizobjekts mit Wärme einzusetzen. So
kann beispielsweise neben der Beheizung und der Kühlung eines Gebäudes gleichzeitig
Wasser erwärmt werden.
[0007] Problematisch ist, dass unterschiedlich große Kühl- und Heizleistungen im Sommer
bzw. Winter vorliegen. Insbesondere bei Gebäuden mit moderner Wärmedämmung und großer
Glasfläche ist die erforderliche Kühlleistung im Sommer häufig größer als die geforderte
Heizleistung im Winter. Wenn eine bekannte Wärmepumpe auf die maximal zu erbringende
Leistung im Sommer ausgelegt ist, ist sie im Winter deutlich überdimensioniert. Dies
führt zu einem schlechten Wirkungsgrad [COP (Coefficient Of Performance)] der Wärmepumpe
im Winter. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis von eingesetzter Energie
zum Betrieb der Wärmepumpe zu abgegebener Energie am wärmeabgebenden Wärmeübertrager.
Die eingesetzte Energie ist hauptsächlich Antriebsenergie für den Verdichter, der
meist mit Strom betrieben wird.
[0008] Ein weiteres Problem liegt darin, dass für die Erwärmung von Warmwasser eigentlich
ein anderes Temperaturniveau notwendig ist als das am wärmeabgebenden Wärmeübertrager
meist vorliegende. Typischerweise wird Warmwasser stärker erwärmt, zum Beispiel auf
55 °C, als der Vorlauf einer Gebäudeheizung im Winter, zum Beispiel 45 °C. Den unterschiedlichen
Temperaturanforderungen wird im Stand der Technik jedoch nicht Rechnung getragen,
wodurch der Wirkungsgrad der reversiblen Wärmepumpenvorrichtung nicht optimal ist.
Gegebenenfalls ist sogar eine weitere Vorrichtung zur ergänzenden Nacherwärmung des
Warmwassers erforderlich.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Mängel des Standes der Technik zu beseitigen
und eine reversible Wärmepumpenvorrichtung mit angepasster Kühl- bzw.- Heizleistung
im Sommer bzw. Winter bereitzustellen, wobei die Wärmepumpenvorrichtung auch zur Erwärmung
eines weiteren Heizobjekts geeignet sein soll, insbesondere zur Erwärmung von Warmwasser,
und wobei das abweichende Temperaturniveau des zusätzlichen Heizobjekts berücksichtigt
wird, damit der Wirkungsgrad der Wärmepumpenvorrichtung hoch ist. Außerdem soll die
Wärmepumpenvorrichtung einfach und kostengünstig herstellbar, sowie unkompliziert
und sicher im Betrieb sein.
[0010] Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie des nebengeordneten
Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0011] Die Erfindung betrifft eine reversible Wärmepumpenvorrichtung mit einem Hauptkreislauf
für ein Kältemittel, der aus einer Hauptverdichterleitung mit einem Hauptverdichter
sowie einer Expansionsventilleitung mit einem ersten Expansionsventil besteht, wobei
ein Peripherie-Wärmeübertrager und ein Klima-Wärmeübertrager in dem Hauptkreislauf
angeordnet sind, wobei ein zweites Expansionsventil seriell zum ersten Expansionsventil
in der Expansionsventilleitung angeordnet ist, und wobei ein Warmwasser-Wärmeübertrager
über einen Vorlauf mit einem Zusatzverdichter und über einen Rücklauf mit einem dritten
Expansionsventil mit dem Hauptkreislauf strömungsverbunden ist, wobei der Vorlauf
mit der Hauptverdichterleitung strömungsverbunden ist, und wobei der Rücklauf zwischen
dem ersten und zweiten Expansionsventil mit der Expansionsventilleitung strömungsverbunden
ist.
[0012] Mittels dieser Wärmepumpenvorrichtung ist es nunmehr möglich, den Hauptkreislauf
in Abhängigkeit der Förderrichtung des Hauptverdichters zum Kühlen oder zum Heizen
eines dem Klima-Wärmeübertrager zugeordneten Temperierungsobjekts einzusetzen. Zur
Realisierung der Umkehrung der Strömungsrichtung sollte der Hauptverdichter bidirektional
sein. Eine technische Möglichkeit dies zu erreichen, ist den monodirektionalen Verdichter
mit einem Mehrwegeventil mit Umkehrschleife auszubilden.
[0013] Zum Kühlen oder Heizen des Temperierungsobjekts sollte der Klima-Wärmeübertrager
demnach also mit einem Temperierungsobjekt korrespondieren, wobei das Temperierungsobjekt
vorzugsweise ein Gebäude ist. Gleichzeitig kann bei einem Wärmebedarf des Warmwassers,
dieses durch Aktivierung des Zusatzverdichters erwärmt werden. Dafür sollte der Warmwasser-Wärmeübertrager
mit einer Warmwasserbereitungseinrichtung korrespondieren. Letztere kann neben einem
Warmwasserspeicher auch eine zusätzliche konventionelle Heizeinrichtung aufweisen,
beispielsweise eine mit Strom oder Gas betriebene.
[0014] Die Anbindung des Warmwasser-Wärmeübertragers an den Hauptkreislauf wird insbesondere
durch das erfindungsgemäße zweite Expansionsventil in der Expansionsventilleitung
ermöglicht. Dieses erlaubt es, den Rücklauf des Warmwasser-Wärmeübertragers stets
mit dem vom Hauptverdichter druckbeaufschlagten Leitungsabschnitt des Hauptkreislaufs
zu verbinden. Die beiden Expansionsventile im Hauptkreislauf sollten hierfür öffenbar
sein, bspw. Mittels eines öffenbaren Ventilbypasses. Somit würde dann im Heiz- und
im Kühlbetrieb jeweils eines dieser Expansionsventile geöffnet im druckbeaufschlagten
Leitungsabschnitt des Hauptkreislaufs liegen. Weiterhin sollte der Vorlauf des Warmwasser-Wärmeübertragers
zwischen dem Hauptverdichter und dem Klima-Wärmeübertrager mit der Hauptverdichterleitung
strömungsverbunden sein. Hierdurch werden die Wärmeübertrager des Hauptkreislaufs
für den bestimmungsgemäßen Einsatz als Klima-Wärmeübertrager und Peripherie-Wärmeübertrager
definiert.
[0015] Während eines Heizbetriebs und bei Aktivierung des Zusatzverdichters können der Hauptverdichter
und der Zusatzverdichter in Reihe geschaltet sein. Das heißt, ein Teil des Kältemittels
wird in zwei Stufen verdichtet. Das etwas höhere erforderliche Temperaturniveau im
Warmwasser-Wärmeübertrager wird so durch die zusätzliche Verdichtung mit dem Zusatzverdichter
erreicht.
[0016] Im Kühlbetrieb ist die Temperaturdifferenz zwischen Klima-Wärmeübertrager und Warmwasser-Wärmeübertrager
wesentlich geringer als im Heizbetrieb. Daher ist im Kühlbetrieb eine einstufige Verdichtung
durch den Zusatzverdichter ausreichend, um das Warmwasser zu erwärmen. Im Kühlbetrieb
sind die beiden Verdichter daher parallel schaltbar. Durch Regelung der vom Zusatzverdichter
geförderten Kältemittelmenge kann die Wärme - in Abhängigkeit der erforderlichen Wärmemenge
zur Warmwasserbereitung - auf den Peripherie-Wärmeübertrager und den Warmwasser-Wärmeübertrager
verteilt werden. Somit liegt ein besonderer Vorteil der Wärmepumpenvorrichtung darin,
dass die im Sommer notwendige hohe Kühlleistung nicht komplett an die Peripherie abgegeben
wird, sondern große Teile dieser Wärme für die Erwärmung des Warmwassers eingesetzt
werden können. Nur die überschüssige Wärmemenge, die nicht zur Warmwasserbereitung
eingesetzt werden kann, wird durch den Peripherie-Wärmeübertrager an die Peripherie
abgegeben. Der Peripherie-Wärmeübertrager wird hierbei meist mit einer Umgebung korrespondieren,
insbesondere der Umgebung eines Gebäudes. Hierzu sind sowohl der Luftraum als auch
das Erdreich zu zählen.
[0017] Um den Warmwasser-Wärmeübertrager bei deaktiviertem Zusatzverdichter komplett vom
Hauptkreislauf abtrennen zu können, sollte das dritte Expansionsventil im Rücklauf
vom Warmwasser-Wärmeübertrager öffen- bzw. schließbar sein. Alternativ könnte ein
zusätzliches Verschlussventil im Rücklauf angeordnet werden. Sofern der Zusatzverdichter
bei Deaktivierung permeabel ist, sollte auch im Vorlauf ein verschließbares Ventil,
zum Beispiel ein zweites Verschlussventil, angeordnet sein.
[0018] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Strömungsverbindung zwischen
dem Rücklauf des Warmwasser-Wärmeübertragers und der Expansionsventilleitung eine
Mitteldruckflasche angeordnet ist. Eine solche Mitteldruckflasche bildet im Wesentlichen
einen Hohlraum aus, in welchem sich im Betrieb der Wärmepumpenvorrichtung an einem
Expansionsventil entspanntes Kältemittel in eine Gas- und eine Kondensatphase trennt.
[0019] Bei einer vorgesehenen Mitteldruckflasche sollte der Rücklauf des WarmwasserWärmeübertragers
mit einem geodätisch oberen Bereich der Mitteldruckflasche strömungsverbunden sein.
Dieser Bereich der Mitteldruckflasche ist derjenige, in welchem das Kältemittel in
Gasphase vorliegt. Die Expansionsventilleitung hingegen sollte mit einem geodätisch
unteren Bereich der Mitteldruckflasche strömungsverbunden sein. Aufgrund der höheren
Dichte sammelt sich in diesem Bereich der Mitteldruckflasche das als Flüssigkeit vorliegende
Kältemittel.
[0020] In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass im Vorlauf des Warmwasser-Wärmeübertragers
zwischen dem Zusatzverdichter und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung
ein regelbares Durchflussventil angeordnet ist. Hiermit kann die Menge des Kältemittels,
welches von dem Zusatzverdichter angesaugt wird, geregelt werden. Dies ist insbesondere
deshalb von Vorteil, da die Ansaugmenge und die Verdichtung mittels des Zusatzverdichters
nur beschränkt durch letzteren selbst vorgenommen werden kann. Das Durchflussventil
ermöglicht somit besonders gut die Regelung der Wärmeabnahmemenge durch den Warmwasser-Wärmeübertrager.
Zusätzlich ist es geeignet dazu, den Vorlauf vollständig vom Hauptkreislauf zu trennen,
wenn der Zusatzverdichter deaktiviert ist. Ein zusätzliches Verschlussventil im Vorlauf
erübrigt sich somit.
[0021] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind der Vorlauf und der Rücklauf des Warmwasser-Wärmeübertragers
über einen Bypass mit einem Regelventil strömungsverbunden, wobei der Bypass mit dem
Vorlauf zwischen dem Zusatzverdichter und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung
strömungsverbunden ist, und wobei der Bypass mit dem Rücklauf zwischen dem dritten
Expansionsventil und der Strömungsverbindung mit der Expansionsventilleitung strömungsverbunden
ist.
[0022] Somit kann eine Kühlung des Kältemittels vor dem Zusatzverdichter erfolgen. Dies
ist insbesondere im Heizbetrieb sinnvoll, um die Sauggastemperatur und somit die Verdichtungstemperatur
des Zusatzverdichters reduzieren zu können. Das Kältemittel vor dem Zusatzverdichter
ist gasförmig und auch im Rücklauf hinter dem dritten Expansionsventil hat das Kältemittel
eine Gasform. Das Kältemittel aus dem Rücklauf wurde jedoch bereits im Warmwasser-Wärmeübertrager
abgekühlt und kann so als Dampf in den Vorlauf vor dem Zusatzverdichter dosiert eingespritzt
werden (Dampfzwischeneinspritzung). Letztlich wird durch die Dampfzwischeneinspritzung
auch der Zusatzverdichter vor Überhitzung geschützt.
[0023] Sofern ein regelbares Durchflussventil im Vorlauf des Warmwasser-Wärmeübertragers
vorgesehen ist, sollte der Bypass mit dem Vorlauf zwischen dem Zusatzverdichter und
dem Durchflussventil strömungsverbunden sein.
[0024] Ferner sollte das Regelventil verschließbar sein, da mit der Dampfzwischeneinspritzung
insbesondere im Heizbetrieb mit der zweistufigen Verdichtung Vorteile erzielt werden.
Im Kühlbetrieb wirken der Haupt- und der Zusatzverdichter entgegengesetzt, sodass
das Kältemittel vor dem Zusatzverdichter bereits eine sehr tiefe Temperatur aufweist.
[0025] Der Bypass könnte auch mit dem geodätisch oberen Bereich der Mitteldruckflasche verbunden
sein, denn funktional ist der an den oberen Bereich der Mitteldruckflasche angrenzende
Leitungsabschnitt bis zum dritten Expansionsventil eine Erweiterung dieses oberen
Bereichs.
[0026] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer reversiblen Wärmepumpenvorrichtung
mit einem Hauptkreislauf für ein Kältemittel, der aus einer Hauptverdichterleitung
mit einem Hauptverdichter sowie einer Expansionsventilleitung mit einem ersten Expansionsventil
besteht, wobei ein Peripherie-Wärmeübertrager und ein Klima-Wärmeübertrager in dem
Hauptkreislauf angeordnet sind, wobei ein zweites Expansionsventil seriell zum ersten
Expansionsventil in der Expansionsventilleitung angeordnet ist, und wobei ein Warmwasser-Wärmeübertrager
über einen Vorlauf mit einem Zusatzverdichter und über einen Rücklauf mit einem dritten
Expansionsventil mit dem Hauptkreislauf strömungsverbunden ist, wobei der Vorlauf
des Warmwasser-Wärmeübertragers zwischen dem Hauptverdichter und dem Klima-Wärmeübertrager
mit der Hauptverdichterleitung strömungsverbunden ist, wobei der Rücklauf zwischen
dem ersten und zweiten Expansionsventil mit der Expansionsventilleitung strömungsverbunden
ist, und wobei das erste Expansionsventil zwischen dem Peripherie-Wärmeübertrager
und dem zweiten Expansionsventil angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Aktivieren eines Heizbetriebs oder eines Kühlbetriebs des Hauptkreislaufs, wenn
ein Temperierungsbedarf am Klima-Wärmeübertrager vorliegt;
- b) Aktivieren eines Zusatzheizprogramms, wenn ein Wärmebedarf am Warmwasser-Wärmeübertrager
vorliegt;
wobei der Heizbetrieb folgende Unterschritte umfasst:
a1a) Aktivieren des Hauptverdichters, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels
in der Hauptverdichterleitung vom Peripherie-Wärmeübertrager in Richtung des Hauptverdichters
ausgerichtet ist;
a1b) Expandieren des Kältemittels am ersten Expansionsventil;
wobei der Kühlbetrieb folgende Unterschritte umfasst:
a2a) Aktivieren des Hauptverdichters, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels
in der Hauptverdichterleitung vom Hauptverdichter in Richtung des Peripherie-Wärmeübertragers
ausgerichtet ist;
a2b) Expandieren des Kältemittels am zweiten Expansionsventil;
und wobei das Zusatzheizprogramm folgende Unterschritte umfasst:
b1) Aktivieren des Zusatzverdichters, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels
im Vorlauf vom Zusatzverdichter zum Warmwasser-Wärmeübertrager ausgerichtet ist;
b2) Expandieren des Kältemittels am dritten Expansionsventil.
[0027] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, flexible auf die Temperierungsanforderungen
des Temperierungsobjekts und des Warmwassers zu reagieren. Der Hauptkreislauf kann
in Abhängigkeit der Förderrichtung des Hauptverdichters zum Kühlen oder zum Heizen
des dem Klima-Wärmeübertrager zugeordneten Temperierungsobjekts, vorzugsweise eines
Gebäudes, eingesetzt werden. Zur Realisierung der Umkehrung der Strömungsrichtung
sollte der Hauptverdichter bidirektional sein. Eine technische Möglichkeit dies zu
erreichen, ist mit einem Mehrwegeventil eine Umkehrschleife auszubilden. Um zwischen
einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb wechseln zu können, muss also der Hauptverdichter
umgeschaltet werden. Beispielsweise ist dies durch Umkehrung der Stromrichtung oder
aber mittels des beschriebenen Mehrwegeventils möglich.
[0028] Gleichzeitig kann bei einem Wärmebedarf des Warmwassers, dieses durch Aktivierung
des Zusatzverdichters erwärmt werden. Reicht die Wärme zur Warmwasserbereitung nicht
aus, könnte eine zusätzliche konventionelle Heizeinrichtung, bspw. eine mit Strom
oder Gas betriebene, hinzugeschaltet werden.
[0029] Die Anbindung des Warmwasser-Wärmeübertragers an den Hauptkreislauf wird insbesondere
durch das erfindungsgemäße zweite Expansionsventil in der Expansionsventilleitung
ermöglicht. Dieses erlaubt es, den Rücklauf des Warmwasser-Wärmeübertragers stets
mit dem vom Hauptverdichter druckbeaufschlagten Leitungsabschnitt des Hauptkreislaufs
zu verbinden. Die beiden Expansionsventile im Hauptkreislauf sollten hierfür öffenbar
sein. Alternativ könnten diese auch einen zu öffnenden Ventilbypass aufweisen. Die
Anordnung des ersten Expansionsventils zwischen dem Peripherie-Wärmeübertrager und
dem zweiten Expansionsventil ist in der Hauptsache für die Beschreibung des Verfahrens
wichtig, da die Funktion des ersten und zweiten Expansionsventils von der Förderrichtung
des Hauptverdichters abhängt. So expandiert das Kältemittel im Hauptkreislauf stets
am weiter stromabwärts liegenden Expansionsventil. Das weiter vorne liegende Ventil
sollte wenigstens teilweise, besser jedoch komplett geöffnet werden. Dies ist auch
durch einen Ventilbypass mit einem Verschlussventil umsetzbar. Entsprechend müsste
im Heizbetrieb folgender Unterschritt durchgeführt werden:
a1e) Öffnen des zweiten Expansionsventils;
und im Kühlbetrieb der Unterschritt:
a2e) Öffnen des ersten Expansionsventils.
[0030] Während eines Heizbetriebs und bei Aktivierung des Zusatzverdichters sind der Hauptverdichter
und der Zusatzverdichter in Reihe geschaltet. Das heißt, ein Teil des Kältemittels
wird in zwei Stufen verdichtet. Das etwas höhere erforderliche Temperaturniveau im
Warmwasser-Wärmeübertrager wird so durch die zusätzliche Verdichtung mit dem Zusatzverdichter
erreicht.
[0031] Im Kühlbetrieb ist die Temperaturdifferenz zwischen Klima-Wärmeübertrager und Warmwasser-Wärmeübertrager
wesentlich geringer als im Heizbetrieb. Deshalb ist im Kühlbetrieb eine einstufige
Verdichtung durch den Zusatzverdichter ausreichend, um das Warmwasser zu erwärmen.
Im Kühlbetrieb sind die beiden Verdichter daher parallel geschaltet. Durch Regelung
der vom Zusatzverdichter geförderten Kältemittelmenge kann die Wärme - in Abhängigkeit
der erforderlichen Wärmemenge zur Warmwasserbereitung - auf den Peripherie-Wärmeübertrager
und den Warmwasser-Wärmeübertrager verteilt werden. Somit liegt ein besonderer Vorteil
der Wärmepumpenvorrichtung darin, dass die im Sommer notwendige hohe Kühlleistung
nicht komplett an die Peripherie abgegeben wird, sondern große Teile dieser Wärme
für die Erwärmung des Warmwassers eingesetzt werden können. Nur die überschüssige
Wärmemenge, die nicht zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden kann, wird durch den
Peripherie-Wärmeübertrager an die Peripherie abgegeben.
[0032] Um den Warmwasser-Wärmeübertrager bei deaktiviertem Zusatzverdichter komplett vom
Hauptkreislauf abtrennen zu können, sollte das dritte Expansionsventil im Rücklauf
vom Warmwasser-Wärmeübertrager ebenfalls öffen- bzw. schließbar sein. Alternativ könnte
ein zusätzliches Verschlussventil im Rücklauf angeordnet werden. Ein zusätzlicher
Verfahrensschritt würde dann vorsehen, dass das dritte Expansionsventil bzw. das zusätzliche
Verschlussventil bei deaktiviertem Zusatzheizprogramm geschlossen wird.
[0033] Sofern der Zusatzverdichter bei Deaktivierung permeabel ist, sollte auch im Vorlauf
ein verschließbares Ventil, zum Beispiel ein zweites Verschlussventil, angeordnet
sein. Auch hier würde ein zusätzlicher Verfahrensschritt dann vorsehen, dass das zweite
Verschlussventil im Vorlauf bei deaktiviertem Zusatzheizprogramm geschlossen wird.
[0034] Folgende weitere Verfahrensschritte bedürfen keines aktiven Zutuns im Verfahren,
sondern resultieren aus den vorangegangenen Verfahrensschritten:
Dabei umfasst der Heizbetrieb folgende passiv resultierende Unterschritte:
a1f) Aufnahme von Wärme am auf der entspannten Seite liegenden Peripherie-Wärmeübertrager;
a1g) Abgabe von Wärme am auf der komprimierten Seite liegenden Klima-Wärmeübertrager;
[0035] Weiterhin umfasst der Kühlbetrieb folgende passive Unterschritte:
a2f) Abgabe von Wärme am auf der komprimierten Seite liegenden Peripherie-Wärmeübertrager;
a2g) Aufnahme von Wärme am auf der entspannten Seite liegenden Klima-Wärmeübertrager;
[0036] Aus dem Zusatzheizprogramm resultiert entsprechend nachstehender passive Unterschritte:
b3) Abgabe von Wärme am Warmwasser-Wärmeübertrager.
[0037] Die Wärmeauf- bzw. -abnahme führt dabei jeweils zu einer Temperaturabsenkung oder
-erhöhung des den jeweiligen Wärmeübertrager durchströmenden Kältemittels, sowie einer
Erwärmung oder Abkühlung der zugehörigen Wärmeübertragergegenseite, das heißt des
Temperierungsobjekts, der Umgebung und des Warmwassers.
[0038] Eine Weiterbildung des Verfahrens betrifft ein im Vorlauf des Warmwasser-Wärmeübertragers
zwischen dem Zusatzverdichter und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung
angeordnetes regelbares Durchflussventil, und folgenden Unterschritt:
c) Abgabe einer regelbaren Menge Kältemittel vom Hauptkreislauf an den Vorlauf des
Warmwasser-Wärmeübertragers mittels Regelung des Durchflussventils, wenn das Zusatzheizprogramm
aktiviert ist.
[0039] Hiermit kann die Menge des Kältemittels, welches von dem Zusatzverdichter angesaugt
wird, geregelt werden. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da die Ansaugmenge
und die Verdichtung mittels des Zusatzverdichters nur beschränkt durch letzteren selbst
vorgenommen werden kann. Das Durchflussventil ermöglicht somit besonders gut die Regelung
der Wärmeabnahmemenge durch den Warmwasser-Wärmeübertrager.
[0040] Zusätzlich ist es geeignet dazu, den Vorlauf vollständig vom Hauptkreislauf zu trennen,
wenn der Zusatzverdichter deaktiviert ist. Hierfür würde das Verfahren einen Schritt
umfassen, der ein Verschließen des Durchflussventils bei deaktiviertem Zusatzheizprogramm
vorsieht. Ein zusätzliches Verschlussventil im Vorlauf erübrigt sich somit.
[0041] Im Speziellen könnte der Heizbetrieb hierfür den nachstehenden weiteren Unterschritt
umfassen:
a1h) Verteilen der abzugebenden Wärme auf den Klima- und den Warmwasser-Wärmeübertrager
mittels Regelung des Durchflussventils, wenn das Zusatzheizprogramm aktiviert ist;
[0042] Der Kühlbetrieb wiederum könnte um folgenden Unterschritt ergänzt werden:
a2h) Verteilen der abzugebenden Wärme auf den Peripherie- und den Warmwasser-Wärmeübertrager
mittels Regelung des Durchflussventils, wenn das Zusatzheizprogramm aktiviert ist.
[0043] Weiterhin ist verfahrensgemäß in einer Variante ein Schritt im Heizbetrieb vorgesehen,
bei welchem ein [a1c)] Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels
im Klima- und im Warmwasser-Wärmeübertrager mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
und/oder des Zusatzverdichters erfolgt. Hierdurch ist die Wärme optimal auf die verschiedenen
Wärmeübertrager verteilbar. Zusätzlich kann im Kühlbetrieb ein [a2c)] Regeln der Drücke
und/oder der Temperatur des Kältemittels im Klima- und im Warmwasser-Wärmeübertrager
mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters und/oder des Zusatzverdichters
vorgenommen werden. Auch im Kühlbetrieb sind somit die Wärmebedarfe individuell an
die vorliegende Temperierungssituation anpassbar.
[0044] Zur Absenkung der Temperatur des Kältemittels vor dem Zusatzverdichter im Heizbetrieb
sind der Vorlauf und der Rücklauf des Warmwasser-Wärmeübertragers in einer Verfahrensausgestaltung
über einen Bypass mit einem Regelventil strömungsverbunden, wobei der Bypass mit dem
Vorlauf zwischen dem Zusatzverdichter und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung
strömungsverbunden ist, und wobei der Bypass mit dem Rücklauf zwischen dem dritten
Expansionsventil und der Strömungsverbindung mit der Expansionsventilleitung strömungsverbunden
ist, und das Verfahren umfasst folgenden Unterschritt im Heizbetrieb:
a1d) Zumischen von Kältemittel in den Vorlauf über den Bypass durch Öffnen und/oder
Regeln des Regelventils im Bypass;
außerdem umfasst das Verfahren folgenden Unterschritt im Kühlbetrieb:
a2d) Schließen des Regelventils im Bypass.
[0045] Das Kältemittel vor dem Zusatzverdichter ist gasförmig und auch im Rücklauf hinter
dem dritten Expansionsventil hat das Kältemittel eine Gasform. Das Kältemittel aus
dem Rücklauf wurde jedoch bereits im Warmwasser-Wärmeübertrager abgekühlt und kann
so als Dampf in den Vorlauf vor dem Zusatzverdichter dosiert eingespritzt werden (Dampfzwischeneinspritzung).
Der Zusatzverdichter wird vor Überhitzung geschützt.
[0046] Sofern ein regelbares Durchflussventil im Vorlauf des Warmwasser-Wärmeübertragers
vorgesehen ist, sollte der Bypass mit dem Vorlauf zwischen dem Zusatzverdichter und
dem Durchflussventil strömungsverbunden sein.
[0047] Ferner sollte das Regelventil verschließbar sein, da mit der Dampfzwischeneinspritzung
lediglich im Heizbetrieb mit der zweistufigen Verdichtung Vorteile erzielt werden.
Entsprechend sollte das Regelventil im Heizbetrieb geregelt und im Kühlbetrieb geschlossen
werden.
[0048] Das Verfahren könnte optional außerdem vorsehen, dass im Kühlbetrieb das erste Expansionsventil
geschlossen und der Hauptverdichter deaktiviert, sowie der Zusatzverdichter aktiviert
werden, so dass die gesamte Wärme zur Warmwasserbereitung eingesetzt wird. Der Hauptverdichter
sollte dann nicht permeabel sein, zum Beispiel durch ein gesperrtes Mehrwegeventil.
Eine Dampfzwischeneinspritzung ist in diesem Falle nicht erforderlich.
[0049] Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine reversible Wärmepumpenvorrichtung mit Warmwasser-Wärmeübertrager im Heizbetrieb;
- Fig. 2
- die reversible Wärmepumpenvorrichtung aus Fig. 1 im Kühlbetrieb;
- Fig.3
- eine reversible Wärmepumpenvorrichtung mit Warmwasser-Wärmeübertrager, Dampfzwischeneinspritzung,
Mitteldruckflasche und Durchflussventil im Heizbetrieb; und
- Fig. 4
- die reversible Wärmepumpenvorrichtung aus Fig. 3 im Kühlbetrieb;
[0050] Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine reversible Wärmepumpenvorrichtung 1 mit einem Hauptkreislauf
2 für ein Kältemittel M, der aus einer Hauptverdichterleitung 211 mit einem bidirektional
ausgebildeten Hauptverdichter 21 sowie einer Expansionsventilleitung 212 mit einem
ersten Expansionsventil 31 besteht, in welchem ein Peripherie-Wärmeübertrager 11 und
ein Klima-Wärmeübertrager 12 angeordnet sind. Zusätzlich ist ein zweites Expansionsventil
32 seriell zum ersten Expansionsventil 31 in der Expansionsventilleitung 212 angeordnet.
Sowohl das erste Expansionsventil 31 als auch das zweite Expansionsventil 32 sind
öffenbar ausgeführt.
[0051] Wie man erkennt, ist ein Warmwasser-Wärmeübertrager 13 über einen Vorlauf 131 mit
einem Zusatzverdichter 22 und über einen Rücklauf 132 mit einem dritten Expansionsventil
33 mit dem Hauptkreislauf 2 strömungsverbunden. Das dritte Expansionsventil 33 ist
schließbar ausgeführt. Der Vorlauf 131 ist mit der Hauptverdichterleitung 211 strömungsverbunden,
insbesondere zwischen dem Hauptverdichter 21 und dem Klima-Wärmeübertrager 12. Der
Rücklauf 132 ist dahingegen zwischen dem ersten und zweiten Expansionsventil 31, 32
mit der Expansionsventilleitung 212 strömungsverbunden. Außerdem ist das erste Expansionsventil
31 zwischen dem Peripherie-Wärmeübertrager 11 und dem zweiten Expansionsventil 32
angeordnet.
[0052] Nicht näher dargestellt ist ein Korrespondieren des Peripherie-Wärmeübertragers 11
mit einer Umgebung, des Klima-Wärmeübertragers 12 mit einem Temperierungsobjekt, wobei
das Temperierungsobjekt vorzugsweise ein Gebäude ist, sowie des Warmwasser-Wärmeübertragers
13 mit einer Warmwasserbereitungseinrichtung.
[0053] Diese Wärmepumpenvorrichtung 1 kann nunmehr mit einem Verfahren betrieben werden,
das sich durch folgende Schritte auszeichnet:
- a) Aktivieren eines Heizbetriebs P1 (Fig. 1) oder eines Kühlbetriebs P2 (Fig. 2) des
Hauptkreislaufs 2, wenn ein Temperierungsbedarf am Klima-Wärmeübertrager 12 vorliegt;
- b) Aktivieren eines Zusatzheizprogramms P3 (Fig. 1 und 2), wenn ein Wärmebedarf am
Warmwasser-Wärmeübertrager 13 vorliegt;
wobei der Heizbetrieb P1 wie in Fig. 1 angedeutet folgende Unterschritte umfasst:
a1a) Aktivieren des Hauptverdichters 21, wobei die Strömungsrichtung R1 des Kältemittels
M in der Hauptverdichterleitung 211 vom Peripherie-Wärmeübertrager 11 in Richtung
des Hauptverdichters 21 ausgerichtet ist;
a1b) Expandieren des Kältemittels M am ersten Expansionsventil 31;
a1e) Öffnen des zweiten Expansionsventils 32;
wobei der Kühlbetrieb P2 wie in Fig. 2 gezeigt folgende Unterschritte umfasst:
a2a) Aktivieren des Hauptverdichters 21, wobei die Strömungsrichtung R1 des Kältemittels
M in der Hauptverdichterleitung 211 vom Hauptverdichter 21 in Richtung des Peripherie-Wärmeübertragers
11 ausgerichtet ist;
a2b) Expandieren des Kältemittels M am zweiten Expansionsventil 32;
a2e) Öffnen des ersten Expansionsventils 31;
und wobei das Zusatzheizprogramm P3 entsprechend beider Figuren 1 und 2 folgende Unterschritte
umfasst:
b1) Aktivieren des Zusatzverdichters 22, wobei die Strömungsrichtung R2 des Kältemittels
M im Vorlauf 131 vom Zusatzverdichter 22 zum Warmwasser-Wärmeübertrager 13 ausgerichtet
ist;
b2) Expandieren des Kältemittels M am dritten Expansionsventil 33.
[0054] Durch dieses Verfahren ergeben sich passive Verfahrensschritte, welche kein aktives
Zutun erfordern, wobei der Heizbetrieb P1 wie in Fig. 1 abgebildet folgende passive
Unterschritte umfasst:
a1f) Aufnahme von Wärme Q1zu am auf der entspannten Seite liegenden Peripherie-Wärmeübertrager 11;
a1g) Abgabe von Wärme Q2ab am auf der komprimierten Seite liegenden Klima-Wärmeübertrager 12;
wobei der Kühlbetrieb P2 wie in Fig. 2 gezeigt folgende passive Unterschritte umfasst:
a2f) Abgabe von Wärme Q1ab am auf der komprimierten Seite liegenden Peripherie-Wärmeübertrager 11;
a2g) Aufnahme von Wärme Q2zu am auf der entspannten Seite liegenden Klima-Wärmeübertrager 12;
und wobei das Zusatzheizprogramm P3 folgenden passiven Unterschritt umfasst:
b3) Abgabe von Wärme Q3ab am Warmwasser-Wärmeübertrager 13.
[0055] Nicht erkennbar, jedoch optional durchführbar sind im Heizbetrieb P1 der Unterschritt:
a1c) Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels M im Klima- und im
Warmwasser-Wärmeübertrager 12, 13 mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
21 und/oder des Zusatzverdichters 22;
und im Kühlbetrieb P2 der Unterschritt:
a2c) Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels M im Klima- und im
Warmwasser-Wärmeübertrager 12, 13 mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
21 und/oder des Zusatzverdichters 22;
[0056] Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine reversible Wärmepumpenvorrichtung 1 mit einem Hauptkreislauf
2 für ein Kältemittel M, der aus einer Hauptverdichterleitung 211 mit einem Hauptverdichter
21 sowie einer Expansionsventilleitung 212 mit einem ersten Expansionsventil 31 besteht.
In dem Hauptkreislauf 2 sind ein Peripherie-Wärmeübertrager 11 und ein Klima-Wärmeübertrager
12 angeordnet. Zusätzlich ist ein zweites Expansionsventil 32 seriell zum ersten Expansionsventil
31 in der Expansionsventilleitung 212 angeordnet. Sowohl das erste Expansionsventil
31 als auch das zweite Expansionsventil 32 sind öffenbar ausgeführt, insbesondere
jeweils mittels eines Ventilbypasses 310, 320 mit Verschlussventil 311, 321.
[0057] Wie man erkennt, ist ein Warmwasser-Wärmeübertrager 13 über einen Vorlauf 131 mit
einem Zusatzverdichter 22 und über einen Rücklauf 132 mit einem dritten Expansionsventil
33 mit dem Hauptkreislauf 2 strömungsverbunden. Das dritte Expansionsventil 33 ist
schließbar ausgeführt. Der Vorlauf 131 ist mit der Hauptverdichterleitung 211 strömungsverbunden,
insbesondere zwischen dem Hauptverdichter 21 und dem Klima-Wärmeübertrager 12. Der
Rücklauf 132 ist dahingegen zwischen dem ersten und zweiten Expansionsventil 31, 32
mit der Expansionsventilleitung 212 strömungsverbunden. Außerdem ist das erste Expansionsventil
31 zwischen dem Peripherie-Wärmeübertrager 11 und dem zweiten Expansionsventil 32
angeordnet.
[0058] In der Strömungsverbindung zwischen dem Rücklauf 132 des Warmwasser-Wärmeübertragers
13 und der Expansionsventilleitung 212 befindet sich eine Mitteldruckflasche 40. Diese
bildet im Wesentlichen einen Hohlraum aus, in welchem sich im Betrieb der Wärmepumpenvorrichtung
1 an den Expansionsventilen 31, 32, 33 entspanntes Kältemittel M, in eine Gasphase
G und eine Kondensatphase F trennt. Dabei ist die Mitteldruckflasche 40 mit einem
nicht gezeigten Maximalstandsbegrenzer mit Warneinrichtung für die Flüssigkeit/das
Kondensat F ausgerüstet. Der Rücklauf 132 des Warmwasser-Wärmeübertragers 13 ist mit
einem geodätisch oberen Bereich der Mitteldruckflasche 40 strömungsverbunden. Dieser
Bereich der Mitteldruckflasche M ist derjenige, in welchem das Kältemittel M in Gasphase
G vorliegt. Die Expansionsventilleitung 212 hingegen ist mit einem geodätisch unteren
Bereich der Mitteldruckflasche 40 strömungsverbunden. Aufgrund der höheren Dichte
sammelt sich in diesem Bereich der Mitteldruckflasche 40 das als Kondensat/Flüssigkeit
F vorliegende Kältemittel M. Nur schematisch angedeutet ist ein Abfangblech 41 zum
Abfangen mitgerissener Kältemitteltropfen. Dieses ist nur notwendig, wenn die Rohrleitung
des Bypasses 60 direkt mit der Mitteldruckflasche 40 strömungsverbunden ist. Je größer
der Querschnitt der Leitung im Bereich des Abfangblechs 41 ist, desto geringer ist
die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels M, wodurch dieses eher abgefangen werden
kann. Deshalb sitzt das Abfangblech 41 im geodätisch oberen Bereich der Mitteldruckflasche
40 und erstreckt sich über deren Querschnitt.
[0059] Ferner ist im Vorlauf 131 des Warmwasser-Wärmeübertragers 13 zwischen dem Zusatzverdichter
22 und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung 211 ein regelbares Durchflussventil
50 angeordnet. Hiermit kann die Menge des Kältemittels M, welches von dem Zusatzverdichter
22 angesaugt wird, geregelt werden. Zusätzlich ist das Durchflussventil 50 schließbar,
sodass es den Vorlauf 131 vom Hauptkreislauf 2 trennen kann.
[0060] Erkennbar ist weiterhin eine Strömungsverbindung des Vorlaufs 131 und des Rücklaufs
132 des Warmwasser-Wärmeübertragers 13 über einen Bypass 60 mit einem Regelventil
61. Insbesondere ist der Bypass 60 mit dem Vorlauf 131 zwischen dem Zusatzverdichter
22 und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung 211 strömungsverbunden.
Das andere Ende des Bypasses 60 ist mit dem Rücklauf 132 zwischen dem dritten Expansionsventil
33 und der Strömungsverbindung mit der Expansionsventilleitung 212 strömungsverbunden.
[0061] Der bidirektionale Hauptverdichter 21 weist die Besonderheit auf, dass er einen monodirektionalen
Verdichter 213 und ein Mehrwegeventil 214 mit Umkehrschleife 215 umfasst. Durch Umschalten
des Mehrwegeventils 214, wie es mit dem radialen Pfeil in dessen Zentrum angedeutet
ist, kann die Förderrichtung des monodirektionalen Verdichters 213 umgekehrt werden.
[0062] Nicht näher dargestellt ist in Fig. 3 und Fig. 4 ein Korrespondieren des Peripherie-Wärmeübertragers
11 mit einer Umgebung, des Klima-Wärmeübertragers 12 mit einem Temperierungsobjekt,
wobei das Temperierungsobjekt vorzugsweise ein Gebäude ist, sowie des Warmwasser-Wärmeübertragers
13 mit einer Warmwasserbereitungseinrichtung.
[0063] Diese Wärmepumpenvorrichtung 1 kann nunmehr mit einem Verfahren betrieben werden,
das sich durch folgende Schritte auszeichnet:
- a) Aktivieren eines Heizbetriebs P1 (Fig. 3) oder eines Kühlbetriebs P2 (Fig. 4) des
Hauptkreislaufs 2, wenn ein Temperierungsbedarf am Klima-Wärmeübertrager 12 vorliegt;
- b) Aktivieren eines Zusatzheizprogramms P3 (Fig. 3 und 4), wenn ein Wärmebedarf am
Warmwasser-Wärmeübertrager 13 vorliegt;
wobei der Heizbetrieb P1 wie in Fig. 3 angedeutet folgende Unterschritte umfasst:
a1a) Aktivieren des Hauptverdichters 21, wobei die Strömungsrichtung R1 des Kältemittels
M in der Hauptverdichterleitung 211 vom Peripherie-Wärmeübertrager 11 in Richtung
des Hauptverdichters 21 ausgerichtet ist;
a1b) Expandieren des Kältemittels M am ersten Expansionsventil 31;
a1e) Öffnen des zweiten Expansionsventils 32 durch Öffnen eines zweiten Verschlussventils
321 in einem zweiten Ventilbypass 320;
wobei der Kühlbetrieb P2 wie in Fig. 2 gezeigt folgende Unterschritte umfasst:
a2a) Aktivieren des Hauptverdichters 21, wobei die Strömungsrichtung R1 des Kältemittels
M in der Hauptverdichterleitung 211 vom Hauptverdichter 21 in Richtung des Peripherie-Wärmeübertragers
11 ausgerichtet ist;
a2b) Expandieren des Kältemittels M am zweiten Expansionsventil 32;
a2e) Öffnen des ersten Expansionsventils 31 durch Öffnen eines ersten Verschlussventils
311 in einem ersten Ventilbypass 310;
und wobei das Zusatzheizprogramm P3 entsprechend beider Figuren 3 und 4 folgende Unterschritte
umfasst:
b1) Aktivieren des Zusatzverdichters 22, wobei die Strömungsrichtung R2 des Kältemittels
M im Vorlauf 131 vom Zusatzverdichter 22 zum Warmwasser-Wärmeübertrager 13 ausgerichtet
ist;
b2) Expandieren des Kältemittels M am dritten Expansionsventil 33.
[0064] Durch dieses Verfahren ergeben sich passive Verfahrensschritte, wobei der Heizbetrieb
P1 wie in Fig. 3 abgebildet folgende passive Unterschritte umfasst:
a1f) Aufnahme von Wärme Q1zu am auf der entspannten Seite liegenden Peripherie-Wärmeübertrager 11;
a1g) Abgabe von Wärme Q2ab am auf der komprimierten Seite liegenden Klima-Wärmeübertrager 12;
wobei der Kühlbetrieb P2 wie in Fig. 4 folgende passive Unterschritte umfasst:
a2f) Abgabe von Wärme Q1ab am auf der komprimierten Seite liegenden Peripherie-Wärmeübertrager 11;
a2g) Aufnahme von Wärme Q2zu am auf der entspannten Seite liegenden Klima-Wärmeübertrager 12;
und wobei das Zusatzheizprogramm P3 folgenden passiven Unterschritt umfasst:
b3) Abgabe von Wärme Q3ab am Warmwasser-Wärmeübertrager 13.
[0065] Nicht erkennbar, jedoch optional durchführbar sind im Heizbetrieb P1 die Unterschritte:
a1c) Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels M im Klima- und im
Warmwasser-Wärmeübertrager 12, 13 mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
21 und/oder des Zusatzverdichters 22;
a1d) Zumischen von Kältemittel M in den Vorlauf 131 über den Bypass 60 durch Öffnen
und/oder Regeln des Regelventils 61 im Bypass 60;
a1h) Verteilen der abzugebenden Wärme (Q2ab, Q3ab) auf den Klima- und den Warmwasser-Wärmeübertrager (12, 13) mittels Regelung des
Durchflussventils (50), wenn das Zusatzheizprogramm (P3) aktiviert ist;
a1i) Regeln der abzugebenden Wärmen (Q2ab, Q3ab) am Klima- und am Warmwasser-Wärmeübertrager (12, 13) mittels Regelung der Verdichtung
des Hauptverdichters (21) und/oder des Zusatzverdichters (22);
im Kühlbetrieb P2 die Unterschritte:
a2c) Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels M im Klima- und im
Warmwasser-Wärmeübertrager 12, 13 mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
21 und/oder des Zusatzverdichters 22;
a2d) Schließen des Regelventils 61 im Bypass 60;
a2h) Verteilen der abzugebenden Wärme (Q1ab, Q3ab) auf den Peripherie- und den Warmwasser-Wärmeübertrager (11, 13) mittels Regelung
des Durchflussventils (50), wenn das Zusatzheizprogramm (P3) aktiviert ist;
a2i) Regeln der aufzunehmenden Wärme (Q2zu) am Klima-Wärmeübertrager (12) und der abzugebenden Wärme (Q3ab) am Warmwasser-Wärmeübertrager (13) mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
(21) und/oder des Zusatzverdichters (22);
sowie bei aktiviertem Zusatzheizprogramm P3:
c) Abgabe einer regelbaren Menge Kältemittel M vom Hauptkreislauf 2 an den Vorlauf
131 des Warmwasser-Wärmeübertragers 13 mittels Regelung des Durchflussventils 50;
und bei deaktiviertem Zusatzheizprogramm P3:
d) Schließen des Durchflussventils 50.
[0066] Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt,
sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
[0067] Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale
und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und
Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
[0068]
- 1
- Wärmepumpenvorrichtung
- 11
- Peripherie-Wärmeübertrager
- 12
- Klima-Wärmeübertrager
- 13
- Warmwasser-Wärmeübertrager
- 131
- Vorlauf
- 132
- Rücklauf
- 2
- Hauptkreislauf
- 21
- Hauptverdichter
- 211
- Hauptverdichterleitung
- 212
- Expansionsventilleitung
- 213
- Verdichter
- 214
- Mehrwegeventil
- 215
- Umkehrschleife
- 22
- Zusatzverdichter
- 31
- erstes Expansionsventil
- 310
- erster Ventilbypass
- 311
- erstes Verschlussventil
- 32
- zweites Expansionsventil
- 320
- zweiter Ventilbypass
- 321
- zweites Verschlussventil
- 33
- drittes Expansionsventil
- 40
- Mitteldruckflasche
- 50
- Durchflussventil
- 60
- Bypass
- 61
- Regelventil
- G
- Gasform
- F
- Flüssigkeit
- M
- Kältemittel
- P1
- Heizbetrieb
- P2
- Kühlbetrieb
- P3
- Zusatzheizprogramm
- R1
- Strömungsrichtung
- R2
- Strömungsrichtung
- Q1ab
- Wärme
- Q1zu
- Wärme
- Q2ab
- Wärme
- Q2zu
- Wärme
- Q3ab
- Wärme
1. Reversible Wärmepumpenvorrichtung (1) mit einem Hauptkreislauf (2) für ein Kältemittel
(M), der aus einer Hauptverdichterleitung (211) mit einem Hauptverdichter (21) sowie
einer Expansionsventilleitung (212) mit einem ersten Expansionsventil (31) besteht,
wobei ein Peripherie-Wärmeübertrager (11) und ein Klima-Wärmeübertrager (12) in dem
Hauptkreislauf (2) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Expansionsventil (32) seriell zum ersten Expansionsventil (31) in der
Expansionsventilleitung (212) angeordnet ist, und dass ein Warmwasser-Wärmeübertrager
(13) über einen Vorlauf (131) mit einem Zusatzverdichter (22) und über einen Rücklauf
(132) mit einem dritten Expansionsventil (33) mit dem Hauptkreislauf (2) strömungsverbunden
ist, wobei der Vorlauf (131) mit der Hauptverdichterleitung (211) strömungsverbunden
ist, und wobei der Rücklauf (132) zwischen dem ersten und zweiten Expansionsventil
(31,32) mit der Expansionsventilleitung (212) strömungsverbunden ist.
2. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömungsverbindung zwischen dem Rücklauf (132) des Warmwasser-Wärmetauschers
(13) und der Expansionsventilleitung (212) eine Mitteldruckflasche (40) angeordnet
ist.
3. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass im Vorlauf (131) des Warmwasser-Wärmeübertragers (13) zwischen dem Zusatzverdichter
(22) und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung (211) ein regelbares
Durchflussventil (50) angeordnet ist.
4. Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (131) und der Rücklauf (132) des Warmwasser-Wärmeübertragers (13) über
einen Bypass (60) mit einem Regelventil (61) strömungsverbunden sind, wobei der Bypass
(60) mit dem Vorlauf (131) zwischen dem Zusatzverdichter (22) und der Strömungsverbindung
mit der Hauptverdichterleitung (211) strömungsverbunden ist, und wobei der Bypass
(60) mit dem Rücklauf (132) zwischen dem dritten Expansionsventil (33) und der Strömungsverbindung
mit der Expansionsventilleitung (212) strömungsverbunden ist.
5. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1
bis 4, wobei der Vorlauf (131) des Warmwasser-Wärmeübertragers (13) zwischen dem Hauptverdichter
(21) und dem Klima-Wärmeübertrager (12) mit der Hauptverdichterleitung (211) strömungsverbunden
ist, und wobei das erste Expansionsventil (31) zwischen dem Peripherie-Wärmeübertrager
(11) und dem zweiten Expansionsventil (32) angeordnet ist, umfassend die folgenden
Schritte:
a) Aktivieren eines Heizbetriebs (P1) oder eines Kühlbetriebs (P2) des Hauptkreislaufs
(2), wenn ein Temperierungsbedarf am Klima-Wärmeübertrager (12) vorliegt;
b) Aktivieren eines Zusatzheizprogramms (P3), wenn ein Wärmebedarf am Warmwasser-Wärmeübertrager
(13) vorliegt;
wobei der Heizbetrieb (P1) folgende Unterschritte umfasst:
a1a) Aktivieren des Hauptverdichters (21), wobei die Strömungsrichtung (R1) des Kältemittels
(M) in der Hauptverdichterleitung (211) vom Peripherie-Wärmeübertrager (11) in Richtung
des Hauptverdichters (21) ausgerichtet ist;
a1b) Expandieren des Kältemittels (M) am ersten Expansionsventil (31);
wobei der Kühlbetrieb (P2) folgende Unterschritte umfasst:
a2a) Aktivieren des Hauptverdichters (21), wobei die Strömungsrichtung (R1) des Kältemittels
(M) in der Hauptverdichterleitung (211) vom Hauptverdichter (21) in Richtung des Peripherie-Wärmeübertragers
(11) ausgerichtet ist;
a2b) Expandieren des Kältemittels (M) am zweiten Expansionsventil (32);
und wobei das Zusatzheizprogramm (P3) folgende Unterschritte umfasst:
b1) Aktivieren des Zusatzverdichters (22), wobei die Strömungsrichtung (R2) des Kältemittels
(M) im Vorlauf (131) vom Zusatzverdichter (22) zum Warmwasser-Wärmeübertrager (13)
ausgerichtet ist;
b2) Expandieren des Kältemittels (M) am dritten Expansionsventil (33).
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass im Vorlauf (131) des Warmwasser-Wärmeübertragers (13) zwischen dem Zusatzverdichter
(22) und der Strömungsverbindung mit der Hauptverdichterleitung (211) ein regelbares
Durchflussventil (50) angeordnet ist, und dass folgenden Unterschritt umfasst:
c) Abgabe einer regelbaren Menge Kältemittel (M) vom Hauptkreislauf (2) an den Vorlauf
(131) des Warmwasser-Wärmeübertragers (13) mittels Regelung des Durchflussventils
(50), wenn das Zusatzheizprogramm (P3) aktiviert ist.
7. Verfahren nach Anspruche 5 oder 6,
umfassend den folgenden Schritt im Heizbetrieb (P1):
a1c) Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels (M) im Klima- und
im Warmwasser-Wärmeübertrager (12, 13) mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
(21) und/oder des Zusatzverdichters (22).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
umfassend den folgenden Schritt im Kühlbetrieb (P2):
a2c) Regeln der Drücke und/oder der Temperatur des Kältemittels (M) im Klima- und
im Warmwasser-Wärmeübertrager (12, 13) mittels Regelung der Verdichtung des Hauptverdichters
(21) und/oder des Zusatzverdichters (22).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf (131) und der Rücklauf (132) des Warmwasser-Wärmeübertragers (13) über
einen Bypass (60) mit einem Regelventil (61) strömungsverbunden sind, wobei der Bypass
(60) mit dem Vorlauf (131) zwischen dem Zusatzverdichter (22) und der Strömungsverbindung
mit der Hauptverdichterleitung (211) strömungsverbunden ist, und wobei der Bypass
(60) mit dem Rücklauf (132) zwischen dem dritten Expansionsventil (33) und der Strömungsverbindung
mit der Expansionsventilleitung (212) strömungsverbunden ist, und umfassend den folgenden
Unterschritt im Heizbetrieb (P1):
a1 d) Zumischen von Kältemittel (M) in den Vorlauf (131) über den Bypass (60) durch
Öffnen und/oder Regeln des Regelventils (61) im Bypass (60);
und umfassend den folgenden Unterschritt im Kühlbetrieb (P2):
a2d) Schließen des Regelventils (61) im Bypass (60).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
gekennzeichnet durch den folgenden Unterschritt im Heizbetrieb (P1):
a1e) Öffnen des zweiten Expansionsventils (32);
und
gekennzeichnet durch den folgenden Unterschritt im Kühlbetrieb (P2):
a2e) Öffnen des ersten Expansionsventils (31).