DE102007017311B4

DE102007017311B4 - Verfahren zum Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102007017311B4
Application number: DE102007017311.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Smollich
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: DE102007017311A1; EP1980803B1; EP1980803A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, welche einen Verdichter (10), einen von Wasser durchströmten ersten Wärmetauscher (20), ein Expansionsventil (40), einen mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) und ein erstes und zweites Umschaltventil (50, 60) aufweist, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) in wenigstens einer ersten und einer zweiten Betriebsart der Wärmepumpenvorrichtung derart schaltbar sind, dass der Verdichter (10), der von Wasser durchströmte erste Wärmetauscher (20), das Expansionsventil (40) und der mit Luft beaufschlagte zweite Wärmetauscher (30) jeweils an ihrem ersten Ende mit dem ersten Umschaltventil (50) und an ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Umschaltventil (60) koppelbar sind, mit den Schritten:in der ersten Betriebsart Heizen, Schalten des ersten und des zweiten Umschaltventils (50, 60) derart, dass der von Wasser durchströmte erste Wärmetauscher (20) als Verflüssiger an seinem ersten Ende mit dem Verdichter (10) und an seinem zweiten Ende mit dem Expansionsventil (40) gekoppelt ist wobei das verdichtete Kältemittel von dem Verdichter (10) zu dem ersten Wärmetauscher (20) und von dem ersten Wärmetauscher (20) über das Expansionsventil (40) zu dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) und von dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) zurück zu dem Verdichter (10) fließt,in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung, Schalten des ersten und zweiten Umschaltventils (50, 60) derart, dass der erste Wärmetauscher (20) als Verdampfer mit seinem ersten Ende mit dem Expansionsventil (40) und mit seinem zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist,wobei das Kältemittel in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung von dem Verdichter (10) zu dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) als Verflüssiger, von dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) zu dem Expansionsventil (40), und von dort zu dem ersten Wärmetauscher (20) als Verdampfer und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter (10) fließt, undwobei die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) und die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den von Wasser durchströmten ersten Wärmetauscher (20) sowohl in der ersten Betriebsart Heizen als auch in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung jeweils gleich ist, wobei durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile (50, 60), der mit Luft beaufschlagte zweite Wärmetauscher (30) und der von Wasser durchströmte erste Wärmetauscher (20) sowohl beim Heizen als auch bei der Kreisumkehrabtauung im Gegenstrom betrieben werden, wozu die beiden Umschaltventile (50, 60) dabei derart angeordnet sind, dass der erste von Wasser durchströmte Wärmetauscher (20), das Expansionsventil (40), der zweite von Luft durchströmte Wärmetauscher (30) und der Verdichter (10) parallel zwischen dem ersten und zweiten Umschaltventil (50, 60) gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.
Wärmepumpen zur Erwärmung von Heizungswasser sind seit Jahren hinlänglich bekannt. Die Bereitstellung der Heizwärme bei Wärmepumpen erfolgt durch die Kondensation von Kältemittel unter hohem Druck und damit bei hoher Temperatur, während die Wärme an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Heizungswasser, abgeben wird. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in einem Drosselorgan, zum Beispiel einem Expansionsventil, entspannt und verdampft daraufhin unter Aufnahme von Umgebungswärme im Verdampfer der Wärmepumpe. Der Kältemitteldampf wird vom Verdichter der Wärmepumpe komprimiert, so dass er anschließend wieder im Kondensator der Wärmepumpe verflüssigt werden kann.
Wird der Kreislauf des Kältemittels umgekehrt, d.h., wird das Kältemittel in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verdampfer dient, unter Wärmeabgabe verflüssigt und in dem Wärmeaustauscher, der im Heizbetrieb als Verflüssiger dient, unter Wärmeaufnahme verdampft, so kann die Wärmepumpe zum Kühlen des Wärmeträgermediums wie beispielsweise des „Heizungswassers“ eingesetzt werden. Im Kühlbetrieb kann das „Heizungswasser“ dann beim Durchströmen der Raum-Heizflächen, die im Kühlbetrieb zu Raum-Kühlflächen werden, Wärme aus dem Raum aufnehmen, die dann an den im Kühlbetrieb als Verdampfer funktionierenden Verflüssiger der Wärmepumpe abgegeben wird, so dass das ‚Heizungswasser‘ gekühlt wird.
Ein Nachteil herkömmlicher reversibler Heizungswärmepumpen zum Heizen und Kühlern besteht darin, dass sich beim Umkehren des Kältekreises die Durchströmungsrichtung der Wärmeaustauscher auf der Kältemittelseite ändert. Da die Strömungsrichtung auf der Sekundärseite, auf der entweder (Heizungs)Wasser oder Luft strömt, unverändert bleibt, wird dadurch mit der Umkehr des Kältekreises aus einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher ein Gleichstrom-Wärmeaustauscher mit verminderter Effizienz und vergrößertem mittleren Temperaturabstand zwischen Kältemittel und Wasser bzw. Luft. Dadurch sinkt die Leistungszahl der Wärmepumpe in einer der beiden Betriebsarten. Reversible Heizungswärmepumpen sind daher im Allgemeinen entweder für den Heiz- oder den Kühlbetrieb optimiert und erreichen in der jeweils anderen Betriebsart keine optimalen Leistungszahlen.
DE 12 29 558 B beschreibt eine Wärmepumpe mit einem ersten und zweiten Wärmetauscher, welche jeweils als Verflüssiger oder Verdampfer betrieben werden können.
US 6 990 826 B1 zeigt eine Wärmepumpe mit zwei Wärmetauschern, welche jeweils als Verdampfer und Verflüssiger betrieben werden können.
WO 02/ 053 399 A1 zeigt eine Wärmepumpe mit einem ersten und zweiten Wärmetauscher, welche jeweils als Verdampfer oder Verflüssiger betrieben werden können.
JP 2001 - 304 714 A zeigt eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger.
EP 0 019 736 A2 zeigt eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpenvorrichtung vorzusehen, die effektiv sowohl im Heiz- als auch im Kühlbetrieb arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Wärmepumpe weist einen Verdichter 10, einen ersten Wärmetauscher 20 als Verflüssiger, einen zweiten Wärmetauscher 30 als Verdampfer, ein Expansionsventil 40 und ein erstes und zweites Umschaltventil 50, 60 auf. Durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile 50, 60 kann der zweite Wärmetauscher (Verdampfer) 30 und der erste Wärmetauscher (Verflüssiger) 20 sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen im Gegenstrom betrieben werden. Die beiden Umschaltventile 50, 60 sind dabei derart angeordnet, dass der erste Wärmetauscher (Verflüssiger) 20, das Expansionsventil 40, der zweite Wärmetauscher (Verdampfer) 30 und der Verdichter 10 parallel zwischen dem ersten und zweiten Umschaltventil 50, 60 gekoppelt sind. Die beiden Umschaltventile sind vorzugsweise als ein 4-2-Wege-Umschaltventil ausgeführt.
Durch die Anordnung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann erreicht werden, dass der Verdampfer und der Verflüssiger sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb im Gegenstrom betrieben werden können, was eine effizientere Wärmeübertragung sowohl im Verdampfer als auch im Verflüssiger ermöglicht. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpenvorrichtung in einem Heizbetrieb geschaltet. Somit ist der Verdichter 10 mit dem ersten Wärmetauscher (Verflüssiger) 20, der erste Wärmetauscher 20 mit dem Expansionsventil 40, das Expansionsventil 40 mit dem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) 30 und der zweite Wärmetauscher 30 mit dem Verdichter 10 gekoppelt.
In der Heizbetriebsart sind die beiden Umschaltventile 50, 60 derart geschaltet, dass das verdichtete Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem Verflüssiger und von dem Verflüssiger über das Expansionsventil 40 zu dem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) 30 und von dem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) 30 zurück zu dem Verdichter 10 fließen kann.
2 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In 2 ist die Wärmepumpenvorrichtung im Kühlbetrieb gezeigt. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1. Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 und der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 anders geschaltet sind, um einen Kühlbetrieb zu ermöglichen. Gemäß 2 fließt das Kältemittel von dem Verdichter 10 zu dem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) 30, von dem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) 30 zu dem Expansionsventil 40, und von dort zu dem ersten Wärmetauscher (Verdampfer) 20 und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter 10. Durch die Ausgestaltung der beiden Umschaltventile 50, 60 kann somit erreicht werden, dass auch in dem Kühlbetrieb, d. h. wenn der Kältekreislauf umgekehrt wird, sowohl der Verflüssiger als auch der Verdampfer im Gegenstrom betrieben werden können.
Der in 2 gezeigte Kältekreislauf kann ebenfalls zur Kreisumkehrabtauung einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet werden.
3 zeigt eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 3 entspricht dem Aufbau der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 1 oder 2. Der Unterschied zwischen der Wärmepumpenvorrichtung gemäß 3 und den Wärmepumpenvorrichtungen gemäß 1 oder 2 besteht darin, dass die beiden Umschaltventile 50, 60 abgeschaltet sind. Gemäß 3 kann das Kältemittel von dem ersten Wärmetauscher (Verdampfer) 20 zu dem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) 30 und von dem zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger) 30 über das Umschaltventil 50 wieder zurück zu dem Verdichter 10 fließen. Das Kältemittel in dem ersten Wärmetauscher (Verdampfer) 20 kann über das Umschaltventil 50 zu dem Expansionsventil 40 und wiederum über das Umschaltventil 60 zu dem ersten Wärmetauscher (Verdampfer) 20 fließen. Somit ist der Kältekreis in zwei separate Kreisläufe aufgeteilt worden.
In 3 ist eine Situation gezeigt, bei der der Verdampfer einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mittels Heißgasabtauung abgetaut wird.
Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß 2 stellt ebenfalls eine Betriebsart zur Kreisumkehrabtauung dar. Die Kreisumkehrabtauung ist gegenüber der Heißgasabtauung die energetisch effizientere Form, luftbeaufschlagte Verdampfer zu enteisen, da hier anteilig Wärme zum Abtauen genutzt wird, die mit einer Leistungszahl größer 1 erzeugt wurde. Diese Wärme wird z.B. bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch Wasser bereitgestellt. Kritisch ist der Zustand, wenn bei der Kreisumkehrabtauung das Wasser bis in die Nähe des Gefrierpunktes abgekühlt wird. In diesem Fall muss die Abtauung beendet werden.
Die Abtauung wird vorrangig durch die Kreisumkehr vorgenommen. Durch die Möglichkeit beide Abtauverfahren anwenden zu können, kann wenn sich während der Kreisumkehrabtauung Betriebszustände ergeben, bei denen der Verflüssiger (Verdampfer während des Abtauens) droht einzufrieren, das Abtauen des luftbeaufschlagten Verdampfers (während des Abtauens Verflüssiger) durch die Heißgasabtauung fortgesetzt werden. Damit ist ein störungsfreier und energetisch effizienter Abtaubetrieb gewährleistet.
Wenn zeotropes Kältemittel bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe verwendet wird, dann bildet sich bedingt durch die niedrigere Temperatur des Kältemittels am Verdampfereintritt verhältnismässig mehr Eis oder Reif an der Luftaustrittsseite des Verdampfers. Wenn der Verdampfer während des Abtauens als Kreuzgegenströmer anstelle eines Kreuzgleichströmers geschaltet wird, kann eine verbesserte Abtauung vorgesehen werden. In einem derartigen Fall tritt das Heißgas mit der höchsten Temperatur an der Stelle in den Verdampfer, wo die größte Eisbildung bzw. Reifbildung auftritt.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, welche einen Verdichter (10), einen von Wasser durchströmten ersten Wärmetauscher (20), ein Expansionsventil (40), einen mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) und ein erstes und zweites Umschaltventil (50, 60) aufweist, wobei das erste und zweite Umschaltventil (50, 60) in wenigstens einer ersten und einer zweiten Betriebsart der Wärmepumpenvorrichtung derart schaltbar sind, dass der Verdichter (10), der von Wasser durchströmte erste Wärmetauscher (20), das Expansionsventil (40) und der mit Luft beaufschlagte zweite Wärmetauscher (30) jeweils an ihrem ersten Ende mit dem ersten Umschaltventil (50) und an ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Umschaltventil (60) koppelbar sind, mit den Schritten: in der ersten Betriebsart Heizen, Schalten des ersten und des zweiten Umschaltventils (50, 60) derart, dass der von Wasser durchströmte erste Wärmetauscher (20) als Verflüssiger an seinem ersten Ende mit dem Verdichter (10) und an seinem zweiten Ende mit dem Expansionsventil (40) gekoppelt ist wobei das verdichtete Kältemittel von dem Verdichter (10) zu dem ersten Wärmetauscher (20) und von dem ersten Wärmetauscher (20) über das Expansionsventil (40) zu dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) und von dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) zurück zu dem Verdichter (10) fließt, in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung, Schalten des ersten und zweiten Umschaltventils (50, 60) derart, dass der erste Wärmetauscher (20) als Verdampfer mit seinem ersten Ende mit dem Expansionsventil (40) und mit seinem zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist, wobei das Kältemittel in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung von dem Verdichter (10) zu dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) als Verflüssiger, von dem mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) zu dem Expansionsventil (40), und von dort zu dem ersten Wärmetauscher (20) als Verdampfer und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter (10) fließt, und wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den mit Luft beaufschlagten zweiten Wärmetauscher (30) und die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den von Wasser durchströmten ersten Wärmetauscher (20) sowohl in der ersten Betriebsart Heizen als auch in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung jeweils gleich ist, wobei durch das Vorsehen der beiden Umschaltventile (50, 60), der mit Luft beaufschlagte zweite Wärmetauscher (30) und der von Wasser durchströmte erste Wärmetauscher (20) sowohl beim Heizen als auch bei der Kreisumkehrabtauung im Gegenstrom betrieben werden, wozu die beiden Umschaltventile (50, 60) dabei derart angeordnet sind, dass der erste von Wasser durchströmte Wärmetauscher (20), das Expansionsventil (40), der zweite von Luft durchströmte Wärmetauscher (30) und der Verdichter (10) parallel zwischen dem ersten und zweiten Umschaltventil (50, 60) gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: in einer dritten Betriebsart Kühlen, Schalten des ersten und zweiten Umschaltventils (50, 60) derart, dass der erste Wärmetauscher (20) als Verdampfer mit seinem ersten Ende mit dem Expansionsventil (40) und mit seinem zweiten Ende mit dem Verdichter (10) gekoppelt ist, wobei das Kältemittel in der dritten Betriebsart Kühlen von dem Verdichter (10) zu dem zweiten Wärmetauscher (30) als Verflüssiger, von dem zweiten Wärmetauscher (30) zu dem Expansionsventil (40), und von dort zu dem ersten Wärmetauscher (20) als Verdampfer und schließlich wieder zurück zu dem Verdichter (10) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: in einer vierten Betriebsart Heißgasabtauung, schalten des ersten und zweiten Umschaltventils (50, 60) derart, dass das Kältemittel von dem ersten Wärmetauscher (20) über das zweite Umschaltventil (60) über das Expansionsventil (40) zum ersten Umschaltventil (50) und wieder zurück zum ersten Wärmetauscher (20) fließt, wobei das Kältemittel vom Verdichter (10) über das zweite Umschaltventil (60) zum zweiten Wärmetauscher (30) und über das erste Umschaltventil (50) wieder zurück zum Verdichter (10) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel ein zeotropes Kältemittel verwendet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Luft-Wasser-Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei der zweite Wärmetauscher (30) während der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung als Kreuzgegenströmer geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Heißgas mit der höchsten Temperatur an der Stelle in den zweiten Wärmetauscher (30) eintritt, wo die größte Eisbildung bzw. Reifbildung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der zweiten Betriebsart Kreisumkehrabtauung anteilig Wärme zum Abtauen genutzt wird, die mit einer Leistungszahl größer 1 erzeugt wurde, diese Wärme mit der Luft/Wasser-Wärmepumpe durch Wasser bereitgestellt wird, wobei die Kreisumkehrabtauung beendet wird, wenn das Wasser bis in die Nähe des Gefrierpunktes abgekühlt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 7, wobei die Abtauung vorrangig durch die zweite Betriebsart Kreisumkehr vorgenommen wird, wobei wenn der zweite Wärmetauscher (30), der als Verflüssiger arbeitet, während des Abtauens arbeitet, droht einzufrieren, das Abtauen des luftbeaufschlagten zweiten Wärmetauschers (30), der während des Abtauens als Verflüssiger arbeitet, durch eine vierte Betriebsart Heißgasabtauung fortgesetzt wird.