KÄLTEMITTELABSCHEIDUNG IM HEIZUNGSKREISLAUF

Abstract

 Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält: eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel (11) betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse (9) und das Gehäuse in einem Gebäude befinden, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager (1), der mit dem brennbaren Kältemittel (11) auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser (10) auf der anderen Seite verbunden ist, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider (2), der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager (1) angeordnet ist, im Gehäuse (9) der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil (4), welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider (2) angeordnet ist, eine Heizkreispumpe (5), welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil (4) angeordnet ist, mindestens einen Heizwärmeverbraucher (8) mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf, zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe (5) ein weiteres Sicherheitsventil (6), zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager (1) einen Wasserausgleichsbehälter (7), wobei das Sicherheitsventil (4) im Wärmepumpengehäuse (9) einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil (6) zwischen Heizkreispumpe (5) und dem Heizwärmeverbraucher (8) aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen (4, 6) eingestellt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Abscheidung von Kältemittel, welches leckagebedingt aus einem Kältekreis einer Wärmepumpe in einen Heizungskreislauf gelangt ist. Solche Leckagen sind ausgesprochen selten, können aber schwere Folgen haben, wenn das Kältemittel brennbar ist. Seit bekannt geworden ist, dass die bisherigen Sicherheitskältemittel in höchstem Maße klimaschädlich sind, wenn sie in die Umwelt gelangen, werden als Ersatz häufig brennbare Kältemittel verwendet.

[0002] Diese haben sehr gute thermodynamische Eigenschaften und erlauben einen hocheffizienten Betrieb. Beispiele hierfür sind R290, R600a, R1270, R32 und R441a. Sie müssen allerdings unter höherem Arbeitsdruck betrieben werden als die bisherigen Kältemittel, was dazu führen kann, dass bei einer Undichtigkeit im Kondensator-Wärmetauscher, der die Wärme vom Kältemittel an den Heizungskreislauf überträgt, durch eine solche Undichtigkeit Kältemittel in den Heizungskreislauf eintreten kann, der regelmäßig bei einem geringeren Arbeitsdruck betrieben wird und im Wesentlichen aus Wasser besteht.

[0003] Das kann lange unbemerkt geschehen, wenn die Leckage klein ist. In einem solchen Fall macht sich der Verlust an Kältemittel im Kältemittelkreislauf kaum bemerkbar und ein Druckanstieg im Heizungskreislauf ist auch kaum zu beobachten. Auffällig wird eine solche Leckage am Luftabscheider des Heizungskreislaufs, der in solchen Fällen oft über eine Trenneinrichtung für Luft und gasförmiges Kältemittel verfügt und als Entlüftungsventil ausgeführt ist. Hierfür existieren eine Reihe geeigneter Bauarten im Stand der Technik, auf die der Fachmann Zugriff hat.

[0004] Wenn bei einer Leckage Kältemittel in den Heizkreis eintritt, aber nicht vollständig am Entlüftungsventil des Kältemittel/Luft-Abscheiders abgegeben werden kann, sammelt sich das Kältemittel im Heizkreis an. Dabei verdrängt die entstehende Kältemittelansammlung in der Konsequenz Heizungswasser.

[0005] Wenn die Wärmepumpe oben im zu beheizenden Gebäude aufgestellt ist, also oberhalb der Heizkreisinstallationen, bilden der Kältemittel/Luft-Abscheider und das Sicherheitsventil in der Wärmepumpe den höchsten Punkt der Gebäudeheizkreisinstallation. Der geodätische Druckunterschied zwischen dem Sicherheitsventil in der Wärmepumpe und weiteren Sicherheitsventilen in der Gebäudeheizkreisinstallation wird durch die Kältemittelansammlung reduziert.

[0006] Um zu verhindern, dass Kältemittel mit dem Heizungswasser in die Heizkreishydraulik transportiert wird, muss der Umlauf des Heizungswassers in einem solchen Fall unterbunden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Heizungspumpe in Strömungsrichtung direkt hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider und dem Sicherheitsventil angeordnet wird. Wenn die Kältemittelansammlung die Pumpe erreicht und das Pumpengehäuse gasförmig füllt, ist keine Förderung von Heizungswasser mehr möglich, da Heizungspumpen Kreiselpumpen sind und kein Gas fördern können.

[0007] Die Kältemittelansammlung des gasförmigen Kältemittels dehnt sich in der Folge weiter aus und verdrängt das Heizungswasser zwischen den Sicherheitsventilen der Wärmepumpe und dem Gebäudeheizkreis. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe ist dabei geringer, als der Öffnungsdruck der anderen Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis. Wenn es im Gebäudeheizkreis mehrere Wärmeerzeuger gibt, sind weitere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis erforderlich. Der geodätische Druckunterschied zwischen den Positionen der Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis und in der Wärmepumpe wird dadurch aufgehoben. Das verdrängte Wasser wird in ein in einem Heizsystem immer vorhandenes Ausdehnungsgefäß gedrückt.

[0008] Dies führt zu einem Druckanstieg im gesamten Gebäudeheizkreis, bis der niedrigere Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe erreicht ist und dieses Sicherheitsventil öffnet. Das Kältemittel tritt dann an einer definierten Position in der Wärmepumpe aus dem Heizsystem aus und kann wie beschrieben sicher abgeleitet oder aufgefangen werden. Es kann dabei durchaus sein, dass ein anderes Sicherheitsventil im Gebäudeheizkreis zuerst öffnet, dort wird dann Heizungswasser abgegeben, wodurch der geodätische Druckunterschied weiter verringert wird. Sofern andere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis öffnen, kann aus denen kein Kältemittel austreten, sondern nur Heizungswasser.

[0009] Wenn also mehrere Sicherheitsventile im Gebäudeheizkreis innerhalb eines Gebäudes vorhanden sind, muss gewährleistet werden, dass dasjenige Sicherheitsventil öffnet, welches sich im Gehäuse der Wärmepumpe befindet und welches über einen Abscheider von gasförmigem Kältemittel verfügt. Dies geschieht in der oben beschriebenen Weise. Hierzu existiert einschlägiger Stand der Technik, der jedoch den Einfluss der geodätischen Höhe nicht berücksichtigt.

[0010] Die EP 3 351 868 B1 beschreibt eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kältekreis und einem als Heizkreislauf gebildeten Fluidkreislauf mit den üblichen Einrichtungen sowie Sicherheitsventilen. Hierbei wird darauf geachtet, dass im Falle eines Kältemittelaustritts das Kältemittel nur im Kältekreisgehäuse austreten kann. Hierzu wird einerseits ein Druckregelventil im Heizkreislauf zwischen dem Kondensator und dem Heizungskörper vorgesehen, welches den Durchfluss bei einem Druckanstieg stoppt. Weiterhin können ein Sicherheitsventil zwischen Kondensatorauslass und dem Druckregelventil und ein Entlüftungsventil zwischen Druckregelventil und Heizkörper vorgesehen werden. Die geodätische Höhe spielt keine Rolle.

[0011] Die DE 10 2020 103 743 A1 beschreibt eine Wärmepumpenanlage, bei der, jeweils in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums gesehen, ein der Heizkreispumpe nachgeschaltetes Rückschlagventil und ein dem Wärmeübertrager zum Primärkreis nachgeschaltetes Sicherheitsventil vorgesehen werden. Damit wird eine Rückströmung in den Sekundärkreislauf im Falle einer Leckage verhindert und in Strömungsrichtung findet ein Abblasen bei Druckerhöhung statt. Zur statischen Höhe, weiteren Sicherheitsventilen und der entsprechenden Positionierung all dieser Maßnahmen schweigt die DE 10 2020 103 743 A1.

[0012] Die DE 10 2019 123 513 A1 beschreibt ein Wärmepumpensystem mit einem Kältekreis und einem als Heizkreislauf gebildeten Fluidkreislauf mit den üblichen Einrichtungen sowie Sicherheitsventilen. Im Heizkreislauf werden saugseitig zur Umwälzpumpe ein Sicherheitsventil und Entlüftungen vorgesehen, druckseitig folgen der Umwälzpumpe ein erstes Strömungsbeeinflussungsmittel im Vorlauf des Heizungssystems und ein weiteres Strömungsbeeinflussungsmittel im Rücklauf. Konkret handelt es ich bei den Strömungsbeeinflussungsmitteln um einen Druckminderer und ein Rückschlagventil. Die geodätische Höhe spielt auch hierbei keine Rolle.

[0013] Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält

• eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse und das Gehäuse in einem Gebäude befinden,
• im Gehäuse der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager, der mit dem brennbaren Kältemittel auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser auf der anderen Seite verbunden ist,
• im Gehäuse der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider, der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager angeordnet ist,
• im Gehäuse der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil, welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider angeordnet ist,
• eine Heizkreispumpe, welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil angeordnet ist,
• mindestens einen Heizwärmeverbraucher mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf,
• zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe ein weiteres Sicherheitsventil,
• zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager einen Wasserausgleichsbehälter,
• wobei das Sicherheitsventil im Wärmepumpengehäuse einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil zwischen Heizkreispumpe und dem Heizwärmeverbraucher aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen ist.

[0014] Die Installation eignet sich besonders für außen aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpen, diese werden oft auf dem Dach eines Gebäudes oder eines Anbaus, etwa einer Garage installiert. Die Heizkreispumpe sollte direkt nach dem Sicherheitsventil und dem Kältemittel/Luft-Abscheider angeordnet sein, idealerweise auch im Gehäuse der Wärmepumpe. Hierbei ist klar, dass in Systemen mit mehreren Gebäudeheizkreisen jeder der Heizkreise eine Heizkreispumpe hat, wobei das oben Beschriebene sinngemäß analog gilt.

[0015] Sofern im Heizungskreislauf mehrere Sicherheitsventile zum Einsatz kommen, gilt der oben beschriebene Zusammenhang zwischen den Öffnungsdrucken paarweise für den Öffnungsdruck des Sicherheitsventils im Wärmepumpengehäuse und dem jeweiligen Sicherheitsventil im Heizungskreislauf.

[0016] Vorzugsweise kommt dies zur Anwendung, wenn die Wärmepumpe oben im Gebäude oder auf dem Gebäude angeordnet wird, etwa auf einem Dachboden oder einem Flachdach im Rahmen einer Nachrüstungsmaßnahme, und somit oberhalb der Verbraucher, etwa Fußbodenheizungen in darunterliegenden Stockwerken. Die Erfindung ist aber auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt. Sie ist auch anwendbar, wenn die Wärmepumpe über eine Sommerumschaltung auf Kühlwasser verfügt, welches anstatt von Warmwasser durch die Rohrleitungen der Fußbodenheizung geführt wird oder in Kühldecken zum Einsatz kommt.

[0017] Die Erfindung wird anhand von Fig. 1 und Tabelle 1 näher erläutert. Es zeigen:

• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeninstallation,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeninstallation mit einem zweiten Wärmeerzeuger,
• Tabelle 1 einen Vergleich der sich einstellenden Drücke.

[0018] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Wärmepumpeninstallation mit einem Innenwärmeübertrager 1, der auf der einen Seite von brennbarem Kältemittel 11 durchströmt wird und auf der anderen Seite von Heizungswasser 10. Betrachtet wird nur der hier vereinfachte Heizungskreislauf, der ebenso als Kühlwasserkreislauf betrieben werden kann, wenn die Wärmepumpe über eine entsprechende Umschaltung für den Sommerbetrieb verfügt. Hierbei wird das Heizkreiswasser10 aus dem Innenwärmeübertrager 1 kommend zunächst in den Kältemittel/Luft-Abscheider 2 geführt, wo Luftzusammen mit gasförmigem Kältemittel abgeschieden und über das Entlüftungsventil 3 abgeführt wird, sofern eine Leckage im Kältemittel/Luft-Abscheider stattgefunden hat. Diese Abscheidung kann im Leckagefall unvollständig sein.

[0019] Nachfolgend strömt das Heizkreiswasser am Sicherheitsventil 4 in der Wärmepumpe vorbei. Nicht gezeigt ist die weitere Behandlung der entlüfteten Gase und der im Sicherheitsventil 4 gegebenenfalls angefallenen Stoffe, diese Behandlung erfolgt je nach Aufstellung, Umgebung und Bauart der Wärmepumpe unterschiedlich und ist hier nicht Gegenstand. Sowohl das Entlüftungsventil als auch das Sicherheitsventil befinden sich dabei im Gehäuse 9 der Wärmepumpe. Die nachfolgende Heizkreispumpe 5 kann sich ebenfalls innerhalb des Gehäuses 9 der Wärmepumpe befinden, wie hier gezeigt, sie kann aber auch an einer anderen Stelle vor den Wärmenutzern platziert werden. Vorteilhaft ist hierbei, wenn im Falle einer Leckage das gasförmige Kältemittel möglichst schnell das Pumpengehäuse füllt und dann keine Förderung von Heizungswasser mehr möglich ist.

[0020] Zwischen der Heizkreispumpe 5 und dem Wärmeübertrager des Heizwärmeverbrauchers 8 des Heizkreises befindet sich das Sicherheitsventil 6, welches die nachfolgenden Wärmeübertrager, meistens Fußbodenheizungen, vor einer Drucküberlastung schützt. Bevor das Heizkreiswasser wieder zum Innenwärmeübertrager 1 zurückgeführt wird, findet im Ausgleichsbehälter 7 der Mengenausgleich aufgrund der Wärmeausdehnung des Heizkreiswassers statt.

[0021] Fig. 1 zeigt auch die Position der Druckstufen p1 bis p6, die in diesem vereinfachten, aber typischen Heizkreislauf zu erwarten sind.

[0022] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Wärmepumpeninstallation mit einem zweiten Wärmeerzeuger, in diesem Beispiel einem elektrischen Zusatzheizer 12. Dieser ist zwischen dem Sicherheitsventil 4 der Wärmepumpe und dem Sicherheitsventil 6 des Gebäudeheizkreises an der tiefsten Stelle zwischen den beiden Sicherheitsventilen angeordnet.

[0023] Tabelle 1 zeigt die Druckverläufe im Wasser des Heizkreislaufs für das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel im Normalfall in Spalte 1 und im fortgeschrittenen Leckagefall in Spalte 2.

Tabelle 1

Druck	barü normal	barü leck
p1	1,3	2,5
p2	1,3	2,5
p3	1,9	2,5
p4	2,4	2,5
p5	1,9	2,5
p6	1,4	2,5

[0024] Die Leckage setzt in diesem Fall den gesamten Heizkreislauf unter Druck, wobei dieser Druck von den Verhältnissen im Innenwärmetauscher und der Temperatur des brennbaren Kältemittels abhängt, er könnte auch höher werden. Das gasförmige Kältemittel bewirkt dabei, dass Heizkreiswasser in das Ausgleichsgefäß 7 gedrückt wird, bis ein erstes Sicherheitsventil öffnet. Eine Förderung durch die Heizkreispumpe 5 findet nicht mehr statt, sobald das gasförmige Kältemittel die Heizkreispumpe 5 erreicht hat. Bevor es dann in die Heizwärmeverbraucher 8 des Heizkreises gelangen kann, muss das Sicherheitsventil 4 öffnen, das Sicherheitsventil 6 darf jedoch erst öffnen, wenn der geodätische Druckausgleich erfolgt ist. Dies wird erreicht, indem das Sicherheitsventil 4 bei einem geringeren Druck öffnen muss als das Sicherheitsventil 6.

[0025] Hierbei ist der Unterschied der geodätischen Höhe der beiden Sicherheitsventile in Rechnung zu stellen. Im Normalbetrieb steht außer dem dynamischen Druckunterschied aufgrund der Strömungsdruckverluste und dem Ausgleich durch die Heizkreispumpe auch der jeweilige statische Druck der Wassersäule als Druck am Sicherheitsventil an. Im vorliegenden Fall ist das der Druckunterschied zwischen den Drücken p5 und p6 bzw. p1 und p5, hier als 0,5 bis 0,6 bar, was ungefähr zwei Stockwerken entspricht. Würde man beide Sicherheitsventile auf denselben Druck einstellen, würde stets das tiefer gelegene Ventil zuerst ansprechen und öffnen.

[0026] Da dies hier nicht erwünscht sein kann, muss die Druckdifferenz aufgrund der geodätischen Höhe bei der Wahl der Sicherheitsventile und ihres Öffnungsdrucks berücksichtigt werden. Daher müssen sich die beiden Sicherheitsventile auch im Normalbetrieb unterscheiden. Im vorliegenden Beispielfall ist das Sicherheitsventil 4 auf einen Öffnungsdruck zwischen 2 und 2,4 bar_ü und das Sicherheitsventil 6 auf einen Öffnungsdruck von 3 bar_ü einzustellen, also um mindestens ein Δp von 0,6 bar höher als das Sicherheitsventil in der Wärmepumpe. Diese Bedingung soll durch die Installation aufgehoben werden. Damit können Höhenunterschiede bis zu 15 Metern verwirklicht werden, wobei an der Heizungspumpe ein Mindestdruck zur Vermeidung von Kavitation eingehalten werden muss. Der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils in der Wärmepumpe wird möglichst hoch, aber unter Berücksichtigung von Toleranzen geringer gewählt als der Öffnungsdruck des Sicherheitsventils im Gebäudeheizkreis. Das ermöglicht es, baugleiche Geräte auch in anderen Installationen zu verwenden, in denen die Wärmepumpe den niedrigsten Punkt im Heizsystem bildet.

Bezugszeichenliste

[0027] 

1

Innenwärmeübertrager

2

Kältemittel/Luft-Abscheider

3

Entlüftungsventil des Kältemittel/Luft-Abscheiders

4

Sicherheitsventil in der Wärmepumpe

5

Heizkreispumpe

6

Sicherheitsventil im Heizkreis

7

Ausdehnungsgefäß

8

Heizwärmeverbraucher

9

Wärmepumpengehäuse

10

Heizkreiswasser

11

Kältemittel

12

Elektrischer Zusatzheizer

p1

Druck am Kältemittel/Luft-Abscheider

p2

Druck am Sicherheitsventil in der Wärmepumpe

p3

Druck nach Heizkreispumpe

p4

Druck am Sicherheitsventil im Heizkreis

p5

Druck am Ausdehnungsgefäß

p6

Druck am Eintritt des Innenwärmeübertragers

Δp

Differenzdruck der Sicherheitsventile 4 und 6

Ansprüche

1. Installation einer Wärmepumpe in einem Gebäude, wobei die Installation enthält

- eine Wärmepumpe, die mit einem brennbaren Kältemittel (11) betrieben wird, wobei sich die Wärmepumpe in einem Gehäuse (9) und das Gehäuse in einem Gebäude befinden,

- im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Innenwärmeübertrager (1), der mit dem brennbaren Kältemittel (11) auf der einen Seite und mit dem Heizkreiswasser (10) auf der anderen Seite verbunden ist,

- im Gehäuse (9) der Wärmepumpe einen Kältemittel/Luft-Abscheider (2), der abströmseitig im Heizkreis hinter dem Innenwärmeübertrager (1) angeordnet ist,

- im Gehäuse (9) der Wärmepumpe ein Sicherheitsventil (4), welches abströmseitig im Heizkreis hinter dem Kältemittel/Luft-Abscheider (2) angeordnet ist,

- eine Heizkreispumpe (5), welche abströmseitig im Heizkreis hinter dem Sicherheitsventil (4) angeordnet ist,

- mindestens einen Heizwärmeverbraucher (8) mit einem Warmwasserzulauf und einem Warmwasserrücklauf,

- zwischen dem Warmwasserzulauf und der Heizkreispumpe (5) ein weiteres Sicherheitsventil (6),

- zwischen dem Warmwasserrücklauf und dem Innenwärmeübertrager (1) einen Wasserausgleichsbehälter (7),

dadurch gekennzeichnet, dass
das Sicherheitsventil (4) im Wärmepumpengehäuse (9) einen geringeren Öffnungsdruck als im Sicherheitsventil (6) zwischen Heizkreispumpe (5) und dem Heizwärmeverbraucher (8) aufweist und der Unterschied im Öffnungsdruck größer als der Druckunterschied aufgrund der geodätischen Höhe der Wassersäule zwischen den beiden Sicherheitsventilen (4, 6) eingestellt ist.

Zeichnung