DE102015008045B4

DE102015008045B4 - Kombination von Wärmetauschern bestehend aus Kondensator und Unterkühler für eine hocheffiziente Wärmepumpe, welche zum Heizen und Kühlen geeignet ist.

Info

Publication number: DE102015008045B4
Application number: DE102015008045.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2035-06-20
Also published as: DE102015008045A1

Abstract

Die erfindungsgemäße hocheffiziente Wärmepumpe verfügt mindestens über eine Kombination von zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern (4 + 6), einem Kältemittel (1a), einem Wärmespeicher (11) mit einem flüssigen Speichermedium (10), einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13), einem regelbaren Mischventil (22) mit einem integrierten drehbaren Teilungselement (32), einem regelbaren Expansionsventil (9), einem Kältemittelverdampfer (1), einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) und einer programmierbaren elektronischen Steuerung (14), mit den Merkmalen,
1.a) dass das im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe befindliche Kältemittel (1a), mittels eines drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) durch den geschlossenen Primärkreis der Wärmepumpe gepumpt wird, wobei sich das Kältemittel (1a) zunächst im Kältemittelverdampfer (1) erwärmt und dabei verdampft, sich im nachgeschalteten drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) durch starke Kompression nochmals erhitzt und anschließend über die Heißgasleitung (3) von oben in den ersten Wärmetauscher = Kondensator (4) gelangt, wobei das heiße Kältemittel (1a) in den Kondensator (4) hineinströmt, diesen durchströmt, sich dabei stark abkühlt, sich bei diesem Vorgang sowohl enthitzt als auch vollständig kondensiert und den Kondensator (4) als verflüssigtes Kältemittel (1a) am unteren Ausgang wieder verlässt,
1.b) wobei das im Kondensator (4) bereits verflüssigte Kältemittel (1a) anschließend über die Verbindungsleitung (5) von oben in einen zweiten Wärmetauscher = Unterkühler (6) gepumpt wird, worin das bereits verflüssigte Kältemittel (1a) in den Unterkühler (6) hineinströmt, diesen durchströmt, sich dabei nochmals stark abkühlt und dabei gleichzeitig vollständig unterkühlt, den Unterkühler (6) über die unten angeschlossene Kondensatleitung (7) wieder verlässt, anschließend durch das regelbare Expansionsventil (9) gedrückt wird, sich dabei stark entspannt und stark abgekühlt, um anschließend im Kältemittelverdampfer (1) durch zuströmende Umweltwärme wieder erwärmt zu werden,
1.c) wobei ein im Gegenstrom fließendes Speichermedium (10), welches sich im Wärmespeicher (11) befindet, mittels einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) aus dem Wärmespeicher (11) herausgesaugt wird, durch die untere Einströmungsleitung (30) von unten in den Wärmetauscher = Unterkühler (6) hinein gepumpt wird, diesen von unten nach oben durchströmt, den Unterkühler (6) an der obersten Stelle wieder verlässt um in das regelbare Mischventil (22) hinein zu strömen, wobei das Speichermedium (10) durch das im regelbaren Mischventil (22) integrierten drehbaren Teilungselement (32) geteilt wird, wobei ein Teil des Speichermediums (10) durch die mittlere Ausströmungsleitung (26) direkt in den Wärmespeicher (11) fließt und gleichzeitig ein zweiter Teil des Speichermediums (10) durch den Wärmetauscher = Kondensator (4) gepumpt wird, um anschließend über die obere Ausströmungsleitung (25) ebenfalls in den Wärmespeicher (11) zu fließen,
1.d) wobei das Speichermedium (10), welches im Sekundärkreis mittels der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) von unten nach oben durch den Unterkühler (6) gepumpt wird, die in der Unterkühlungsphase vorhandene Wärmeenergie des gegenströmenden Kältemittels (1a) nahezu vollständig aufnimmt, sich dabei stark erwärmt und den Unterkühler (6) in Richtung des regelbaren Mischventils (22) wieder verlässt,
1.e) wobei das Speichermedium (10) nach dem Eintritt in das regelbare Mischventil (22) durch das integrierte drehbare Teilungselement (32) in zwei verschiedene Volumenströme geteilt wird,
1 .f) wobei gleichzeitig ein gewisser einstellbarer Anteil des Speichermediums (10) direkt über die mittlere Ausströmungsleitung (26) in den Wärmespeicher (11) gepumpt wird und gleichzeitig ein zweiter einstellbarer Anteil des Speichermediums (10) in den nachgeschalteten Wärmetauscher = Kondensator (4) gepumpt wird,
1.g) wobei sich das Speichermedium (10) beim Durchströmen des Kondensators (4) durch das gegenströmende Kältemittel (1a) stark aufheizt, dabei sowohl die Wärmeenergie der Enthitzungsphase als auch die Wärmeenergie der Kondensationsphase des Kältemittels (1a) nahezu vollständig aufnimmt und den Kondensator (4) über die obere Ausströmungsleitung (25) wieder verlässt, um anschließend in den Wärmespeicher (11) gepumpt zu werden,
1.h) wobei insgesamt in den Wärmetauschern (4 + 6) sowohl eine vollständige Kondensation, als auch eine nahezu vollständige Unterkühlung des Kältemittels (1a), und gleichzeitig im Gegenstrom eine nahezu vollständige Aufheizung des Speichermediums (10) erzielt wird,
1.i) wobei die nahezu vollständige Unterkühlung des Kältemittels (1a) zu einem nahezu vollständigen Temperaturausgleich zwischen dem in der unteren Einströmungsleitung (30) einströmenden Speichermedium (10) und dem in der Kondensatleitung (7) ausströmenden Kältemittels (1a) führt,
1.j)wobei gleichzeitig der messbare Temperaturunterschied zwischen den beiden Leitungen (30 + 7), gemessen mit den Temperaturfühlern (24 + 21), gegen Null Kelvin geht, wobei gleichzeitig die durch die Wärmetauscher (4 +6) übertragene Wärmemenge gegen 100% geht,
1.k) wobei gleichzeitig die physikalisch maximal mögliche Wärmeübertragung der beiden Wärmetauscher (4 + 6) erreicht wird,
1.1) wobei gleichzeitig die gewünschte bzw. voreingestellte Vorlauftemperatur in der oberen Ausströmungsleitung (25), gemessen am Übergangstemperaturfühler oben (17), erreicht und gehalten wird,
1.m) wobei gleichzeitig sowohl das regelbare Expansionsventil (9), der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2), die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) als auch das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) mittels der eingebauten programmierbaren elektronischen Steuerung (14) so angesteuert und geregelt wird,
1.n) dass das regelbare Expansionsventil (9) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) möglichst weit geöffnet wird um möglichst viel unterkühltes Kältemittel (1a) hindurchströmen zu lassen, welches sich im nachgeschalteten Kältemittelverdampfer (1) durch die zugeführte Umweltwärme wieder stark erwärmen kann,
1.o) dass gleichzeitig der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) in kleinen Hertzstufen mit der für den momentanen Betriebspunkt kleinsten notwendigen Drehzahl angesteuert wird und dabei permanent in der Drehzahl variiert und nachgeregelt werden kann, um permanent möglichst wenig Strom zu verbrauchen,
1.p) dass gleichzeitig die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) in kleinen Hertzstufen mit der für den momentanen Betriebspunkt größten möglichen Drehzahl angesteuert wird, damit der Volumenstrom des Speichermediums (10) im Unterkühler (6) möglichst hoch ist um das Kältemittel (1a) möglichst stark unterkühlen zu können,
1.q) wobei gleichzeitig die Drehzahl der Ladepumpe (13) möglichst hoch sein soll, gleichzeitig aber nur so hoch sein darf, dass gleichzeitig die gewünschte bzw. eingestellte Vorlauftemperatur in der oberen Ausströmungsleitung (25), gemessen am Übergangstemperaturfühler oben (17), erreicht und gehalten wird,
1.r) dass gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) so geregelt bzw. eingestellt wird, dass die beiden Volumenströme des Speichermediums (10) in der oberen Ausströmungsleitung (25) und der mittleren Ausströmungsleitung (26) im optimalen Verhältnis zueinander geteilt werden,
1.s) dass gleichzeitig die übergebene bzw. getauschte Wärmemenge der beiden Fluide (1a + 10) in den beiden Wärmetauschern (4 + 6) immer optimal hoch ist,
1.t) dass sich gleichzeitig im Wärmespeicher (11) eine optimale Zwangsschichtung von oben nach unten ergibt, wobei sich im oberen Teil des Wärmespeichers (11) besonders heißes, im mittleren Teil warmes und im unteren Teil kühles Speichermedium (10) befindet,
1.u) wobei die hocheffiziente Wärmepumpe bei Erreichen der eingestellten Abschalttemperatur, welche im Wärmespeicher (11) durch den eingebauten Speichertemperaturfühler unten (16) gemessen wird, durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) abgeschaltet wird,
1.v) und wobei sich die Wärmepumpe bei einem sich wieder abkühlenden Speichertemperaturfühler unten (16) oder einem sich wieder abkühlenden Speichertemperaturfühler oben (31) nach einer in der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) einstellbaren Hysterese auch wieder einschaltet, um den Wärmespeicher (11) wieder von Neuem bis zur eingestellten Abschalttemperatur mit Wärme zu versorgen.

Description

Stand der Technik:
Es sind verschiedene Wärmetauscher-Systeme in Wärmepumpen von verschiedenen Anwendern bekannt. Diese verfügen jedoch weder über die erfindungsgemäße Kombination von Wärmetauschern mit einer drehzahlgeregelter Ladepumpe, einem regelbarem Mischventil mit einem integrierten drehbaren Teilungselement, noch über eine erfindungsgemäße programmierbare elektronische Steuerung, welche sowohl zur gezielten Teilung der Volumenströme des Speichermediums, als auch zur maximalen Unterkühlung des Kältemittels und damit zur Verbesserung der Arbeitszahlen einer Wärmepumpe führen. Wärmetauscher für Kälte- und Klimaanlagen sowie für Wärmepumpen wurden von vielen Erfindern in vielen Varianten angeordnet. Einige haben die Wärmetauscher ausschließlich im Inneren von Wärmespeichern angeordnet. Andere haben die Wärmetauscher sowohl im Inneren als auch im Äußeren angeordnet. Und wieder andere haben sich auf die Anordnung im Äußeren des Wärmespeichers beschränkt. Manche verzichten auch gänzlich auf den Einsatz von Wärmespeichern. Alle diese Erfindungen haben ihre Berechtigung, jedoch auch einen gemeinsamen Nachteil. Sie alle konzentrieren sich nur auf die sogenannte Heißgasabkühlung bzw. Enthitzung und die anschließende Kondensation bzw. Verflüssigung des Kältemittels. Die sehr wichtige Unterkühlungsphase wird dabei meist völlig vernachlässigt. Insbesondere wurde bisher auf eine hydraulische und regelungstechnisch optimierte Unterkühlung des Kältemittels bei gleichzeitiger Leistungsverminderung des Kältemittelkompressors verzichtet, da anscheinend das hydraulischregelungstechnische Wissen bezüglich des Unterkühlungsprozesses innerhalb des Carnot-Prozesses nicht genug bekannt war. Die gezielte bzw. vollständige Unterkühlung des Kältemittels bei einer gleichzeitigen Leistungsverminderung des Kältemittelkompressors führt jedoch zu einer starken Erhöhung des Wirkungsgrades und damit zur Verbesserung der Arbeitszahlen einer Kälteanlage, einer Klimaanlage oder einer Wärmepumpe.
Zur Beurteilung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe wurden folgende Druckschriften herangezogen:

D1: EP 2 860 469 A1 „Water Heater“
D2: DE 10 2010 005 698 A1 „Kombination von Wärmetauschern für Kältemittel“
D3: DE 601 07 901 T2 „Heisswasserzufuhrsystem mit einem Wärmepumpenkreis“
D4: AT 010 457 U1 „Anlage zur Versorgung von Verbrauchern mit Wärmeenergie unterschiedlicher Energieniveaus“

Beschreibung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer möglichst hocheffizienten Wärmepumpe eine Kombination von Wärmetauschern für ein Wärme abgebendes Kältemittel und ein Wärme aufnehmendes Speichermedium so anzuordnen und zu gestalten, dass der vorgeschaltete erste Wärmetauscher = Kondensator die Heißgasphase des Kältemittels vollständig abkühlen und gleichzeitig das Kältemittel vollständig verflüssigen kann, während der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher = Unterkühler das verflüssigte Kältemittel vollständig abkühlen bzw. vollständig unterkühlen kann. Der Unterkühlungsprozess soll dabei maximiert werden um die Effizienz der Wärmepumpe zu maximieren.
Das Ziel ist, das Kältemittel so weit zu unterkühlen, dass sich ein vollständiger Temperaturausgleich zwischen dem Zulauf des Speichermediums in der unteren Einströmungsleitung und dem ausströmenden Kältemittel in der Kondensatleitung einstellt. In diesem idealen Zustand liegt die Wärmeübertragung der beiden Wärmetauscher Kondensator und Unterkühler bei nahezu 100 Prozent.
Zwischen den Wärmetauschern soll ein regelbares Mischventil mit einem integrierten drehbaren Teilungselement so angeordnet sein, dass dieses den Fluss des Speichermediums in einem bestimmten einstellbaren Verhältnis teilen kann und dass das Speichermedium dabei in zwei verschiedene Volumenströme mit zwei verschiedenen Vorlauftemperaturen aufgeteilt wird, wobei es anschließend in zwei unterschiedlich angeordneten Ausströmungsleitungen (Mitte und oben) in den Wärmespeicher gepumpt wird.
Eine programmierbare elektronische Steuerung steuert ein regelbares Expansionsventil, einen drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor, eine hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe, ein regelbares Mischventil mit einem integrierten drehbaren Teilungselement gleichzeitig so an, dass die gewünschten Vorlauftemperaturen des Speichermediums in Richtung Wärmespeicher entstehen, dass gleichzeitig mittels der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe der optimalen Volumenströme des Speichermediums durch die Wärmetauscher entsteht, dass gleichzeitig die beiden Volumenströme des Speichermediums in der mittleren Ausströmungsleitung und der oberen Ausströmungsleitung in einem optimalen Verhältnis durch das regelbare Mischventil mit dem integrierten drehbaren Teilungselement geteilt werden und dass dabei gleichzeitig die geringste mögliche Kompressorleistung benötigt wird. Gleichzeitig soll auch die maximal mögliche Abkühlung und Unterkühlung des Kältemittels im nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher erreicht werden, damit das regelbare Expansionsventil im Außengerät der Wärmepumpe möglichst weit geöffnet werden kann, dadurch viel Kältemittel hindurchfließt und expandiert wird und damit viel Kältemittel über den nachgeschalteten Kältemittelverdampfer wieder erwärmt und verdampft wird, um anschließend durch den drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor wieder verdichtet zu werden.
Es soll dabei die Wärme in den Wärmetauschern durch die Heißgasabkühlung, die Kondensation und die Unterkühlung nahezu vollständig an das Speichermedium übergeben werden. Die Kältemittelleitung zwischen den Wärmetauschern soll dabei so angeordnet werden, dass die vollständige Verflüssigung bzw. Kondensation des Kältemittels im ersten Wärmetauscher begünstigt wird. Da die übertragene Energie ein mathematisches Produkt aus dem Volumenstrom und der Temperaturdifferenz ist, soll durch optimale Abstimmung der Komponenten ein Optimum an Leistung der Wärmetauscher Kombination erzielt werden.
Die hocheffiziente bzw. nahezu vollständige Energieübertragung des Kältemittels auf das Speichermedium bei gleichzeitig minimaler Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors, führt zu einer sehr hohen Arbeitszahl bzw. einem sehr hohen COP-Wert (coefficient of performance) der hocheffizienten Wärmepumpe.
Das Ergebnis dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist eine hohe Heizleistung der Wärmepumpe im Winter ohne dass ein zusätzliches elektrisches Heizelement wie ein elektrischer Heizstab oder ein elektrisches Heizregister hinzugeschaltet werden muss. In der Übergangszeit und im Sommer kann die Drehzahl des Kältemittelkompressors durch die erfindungsgemäße programmierbare elektronische Steuerung stark zurückgeregelt werden, da wesentlich weniger Heizleistung im Gebäude nötig ist.
Im Vergleich zu anderen Wärmepumpen, welche den Unterkühlungsprozess des Kältemittels vernachlässigen, ergeben sich für den Betreiber der erfindungsgemäßen hocheffizienten Wärmepumpe hohe Strom- und Kosteneinsparungen. Gleichzeitig entsteht ein hohes Einsparpotential gegenüber dem Heizbetrieb mit fossilen Brennstoffen wie Heizöl oder Erdgas. Hinzu kommt die mögliche Versorgung der Wärmepumpe mit Eigenstrom aus regenerativen Energiequellen wie Solarstrom (Photovoltaik), Wasserkraft, Windkraft usw., wobei die Betriebskosten dadurch nochmal erheblich gesenkt werden können. Im Zusammenhang mit der CO₂-Anreicherung in der Atmosphäre der Erde und der weltweiten Klimaerwärmung, ist der Einsatz von CO₂-neutralen Heizungsanlagen wie Wärmepumpen zukünftig unumgänglich bzw. zwingend notwendig. Aus diesen Gründen sind hocheffiziente Wärmepumpen zukünftig weltweit als ein fester Bestandteil des Umweltschutzes zu sehen.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine erfindungsgemäße Kombination von mehreren hintereinander geschalteten Wärmetauschern, einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe, einem regelbaren Mischventil mit einem integrierten drehbaren Teilungselement, einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor, einem regelbaren Expansionsventil, einem Vier-Wege-Umschaltventil, einem Umschaltventil Kühlung, einem Überströmventil Kühlung und einer programmierbaren elektronischen Steuerung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Kombination von Wärmetauschern, die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe, das regelbare Mischventil mit dem integrierten drehbaren Teilungselement, das regelbare Expansionsventil, der drehzahlgeregelte Kompressor, das Vier-Wege-Umschaltventil, das Umschaltventil Kühlung, das Überströmventil Kühlung und die erfindungsgemäße programmierbare elektronische Steuerung weisen im Wesentlichen folgende Bauteile und Funktionen auf:
Das mittels eines regelbaren Expansionsventils stark entspannte und dabei stark abgekühlte Kältemittel einer hocheffizienten Wärmepumpe wird anschließend in einem großen Kältemittelverdampfer mittels zugeführter Umweltwärme erhitzt und dabei verdampft, durch ein Vier-Wege-Umschaltventil einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor zugeführt, in diesem komprimiert und dabei stark erhitzt und anschließend durch eine sogenannte Heißgasleitung in den Primärkreis eines vorgeschalteten ersten, sehr groß ausgelegten Wärmetauschers = Kondensator gepumpt.
Der Kondensator kann je nach gewünschter Konstruktion aus einem Rohrbündelwärmetauscher, einem Koaxialwärmetauscher, einem Rippenrohrwärmetauscher, einem Segmentwärmetauscher, einem Schneckenwärmetauscher oder einem Plattenwärmetauscher bestehen.
Das Kältemittel, welches in der Regel aus einem fluoriertem Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Difluormethan oder Pentafluorethan oder aus einem Gemisch mehrerer derartiger Kältemittel besteht, strömt als gasförmiges Heißgas, ähnlich wie Heißdampf in einem Dampfkessel, in den Kondensator von oben hinein, durchströmt den Kondensator von oben nach unten, wird dabei abgekühlt bzw. enthitzt und anschließend sofort kondensiert bzw. verflüssigt und kühlt sich dabei so stark ab, dass es den Kondensator als vollkommen verflüssigtes Kältemittel wieder verlässt. Das vollkommen verflüssigte Kältemittel wird anschließend mittels einer Verbindungsleitung zu einem zweiten großen Wärmetauscher = Unterkühler gepumpt.
Der Unterkühler kann je nach gewünschter Konstruktion ebenfalls aus einem Rohrbündelwärmetauscher, einem Koaxialwärmetauscher, einem Rippenrohrwärmetauscher, einem Segmentwärmetauscher, einem Schneckenwärmetauscher oder einem Plattenwärmetauscher bestehen.
Das vollständig kondensierte bzw. verflüssigte Kältemittel strömt nun durch die Verbindungsleitung in den ebenfalls sehr groß ausgelegten Unterkühler hinein, durchfließt den Unterkühler von oben nach unten, wobei es nochmals möglichst stark abgekühlt bzw. unterkühlt wird und verlässt den Unterkühler durch die nachgeschaltete Kondensatleitung in Richtung des regelbaren Expansionsventils.
Die Oberfläche in den beiden Wärmetauschern Kondensator und Unterkühler kann je nach Ausführung aus glatten, gezahnten, lamellenartigen, gedrehten, schneckenartigen, gewellten oder gerippten Strukturen bestehen. Das Ziel ist, eine möglichst große Oberfläche zu erreichen, um möglichst viel Wärme austauschen zu können. Die Länge der Rohrkörper und die Anzahl der Windungen der eingesetzten Wärmetauscher bzw. die Anzahl der Platten von den eingesetzten Plattenwärmetauschern richten sich nach der erforderlichen wärmeübertragenden Oberfläche der Wärmetauscher bzw. der erforderlichen Wärmeleistung der jeweils eingesetzten Wärmepumpe im zu beheizenden Gebäude.
Wenn das Kältemittel nach dem Verlassen der Wärmetauscher durch das regelbare Expansionsventil gedrückt wird, entspannt es sich durch den abrupten Druckabfall sehr stark und kühlt sich dabei sehr stark ab. Das regelbare Expansionsventil besteht in der Regel aus einem Nadelventil oder einem Drehschieberventil. Bei der Entspannung im regelbaren Expansionsventil, wird das Kältemittel vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen bzw. in einen nebelartigen Zustand umgewandelt. Danach gelangt das Kältemittel wieder zum Kältemittelverdampfer, wo es erneut Wärme aus der Umwelt aufnehmen kann. Der Kältemittelverdampfer besteht in der Regel aus einem großflächigen rohrförmigen Wärmetauscher.
Die Wärmequellen aus der Umwelt, können Erdwärme (Geothermie Wärmepumpen mit Erdsonden oder Flächenkollektoren), Grundwasser (Wasser/Wasser Wärmepumpen) oder Umgebungsluft (Luft/Wasser Wärmepumpen) sein.
Anschließend wird das im Kältemittelverdampfer verdampfte Kältemittel mittels des Vier-Wege-Umschaltventils zum drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor geleitet, welcher das Kältemittel wieder verdichtet bzw. komprimiert, wobei sich das Kältemittel wieder stark erhitzt.
Der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor besteht bei Wärmepumpen in der Regel aus einem Scroll-Verdichter (Schneckenverdichter) oder einem Rollkolbenverdichter oder einem Doppelrollkolbenverdichter. Der Rollkolbenverdichter ist von der geometrischen Anordnung mit dem Drehkolbenmotor oder Wankelmotor vergleichbar. In seltenen Fällen kommen auch Hubkolbenverdichter oder Schraubenverdichter zum Einsatz.
Das Speichermedium, welches sich im Sekundärkreis der Wärmetauscher befindet, kann aus verschiedenen Flüssigkeiten bestehen. Das am häufigsten verwendete Speichermedium ist Wasser bzw. Heizungswasser. Das Speichermedium kann mittels einer Wasserenthärtungsanlage mit Ionenaustauscher enthärtet oder vollentsalzt um Ablagerungen wie Kalk zu vermeiden. Kalkablagerungen würden zu Leistungsminderungen sowohl der Wärmetauscher als auch der gesamten Wärmepumpe führen.
Dem Speichermedium kann zusätzlich ein Korrosionsschutzmittel und ein Schmiermittel zugesetzt. Das Korrosionsschutzmittel verhindert die Bildung von Rost bzw. Rostschlamm im Wärmespeicher, den Rohrleitungen und den Heizkörpern. Das Schmiermittel schmiert alle bewegliche Teile der Wärmepumpe und der Heizungsanlage und verlängert insbesondere die Lebensdauer der Ladepumpen und der Heizungsumwälzpumpen.
Je nach Gebäudenutzung kann bei einem selten bewohnten Gebäude (Ferienhaus, Berghütte usw.) dem Heizungswasser ein bestimmter Anteil an Frostschutzmittel wie z. B. Glykol beigemischt werden, um ein Einfrieren des Heizungswassers im Winter zu verhindern. Wenn die Wärmepumpe im Sommer als Kühlanlage bzw. Klimaanlage verwendet werden soll, wird ebenfalls häufig ein Frostschutzmittel wie Glykol eingesetzt um das Einfrieren der Wärmetauscher zu verhindern.
Die Anzahl der hintereinander geschalteten Wärmetauscher liegt in der Regel bei zwei oder drei und richtet sich nach der geforderten Übertragungsleistung, der gewünschten Kältemittelunterkühlung und dem Strömungswiderstand der Wärmetauscher.
Die Kombination der Wärmetauscher verfügt im Sekundärkreis (Heizungswasserkreis) erfindungsgemäß über einen unteren Durchflussmesser mit einem Eintrittstemperaturfühler und einer hocheffizienten drehzahlgeregelte Ladepumpe, welche das Speichermedium aus dem vorgeschalteten Wärmespeicher über die untere Einströmungsleitung in den Unterkühler pumpt. Die Temperatur des Speichermediums in der unteren Einströmungsleitung wird mit dem Eintrittstemperaturfühler gemessen. Der Eintrittstemperaturfühler kann als Tauchhülsenfühler oder als Anlegefühler ausgeführt werden und wird in der Regel als Widerstandsfühler z. B. PT 100 oder PT 1000 verwendet.
Das Speichermedium des Sekundärkreises strömt nun von unten nach oben im Gegenstrom zum Kältemittel des Primärkreises, damit die Wärmeübertragung maximiert wird. Das Speichermedium nimmt beim Durchströmen durch den Unterkühler möglichst die gesamte Unterkühlungswärme des gegenströmenden verflüssigten Kältemittels auf und verlässt den Unterkühler an der obersten Stelle wieder.
Das Speichermedium wird anschließend in das nachgeschaltete regelbare Mischventil hineingepumpt. Dort wird der Volumenstrom des Speichermediums mittels eines im regelbaren Mischventil integrierten drehbaren Teilungselementes geteilt. Ein gewisser Prozentsatz des Speichermediums verlässt das regelbare Mischventil über die mittlere Ausströmungsleitung und wird direkt in den Wärmespeicher gepumpt. Über den Durchflussmesser unten, den Eintrittstemperaturfühler und den Mittenleitungstemperaturfühler kann die aufgenommene Wärme des Speichermediums im Unterkühler gemessen bzw. berechnet werden.
Der zweite Teil des Speichermediums, welches nicht durch die mittlere Ausströmungsleitung gepumpt wurde, verlässt das regelbare Mischventil direkt in Richtung des Kondensators. Das Speichermedium fließt in den Kondensator von unten hinein, durchströmt den Kondensator von unten nach oben und nimmt dabei sowohl die gesamte Kondensationswärme als auch die gesamte Wärme der Heißgasenthitzung des gegenströmenden Kältemittels auf. Das Speichermedium verlässt anschließend den Kondensator an der obersten Stelle, wird durch das Umschaltventil Kühlung und den oberen Durchflussmesser gepumpt und strömt durch die obere Ausströmungsleitung in den Wärmespeicher. Das Umschaltventil Kühlung ist in diesem Fall (Heizfall) nicht aktiv bzw. so geschaltet, dass das Speichermedium nicht nach oben in die Vorlaufleitung Kühlung strömt, sondern direkt in den Wärmespeicher einströmen kann. Über den Durchflussmesser oben, den Übergangstemperaturfühler oben und den Mittenleitungstemperaturfühler kann die aufgenommene Wärmemenge des Speichermediums im Kondensator gemessen bzw. berechnet werden.
Wenn die gemessenen bzw. berechneten Wärmemengen sowohl des Kondensators als auch des Unterkühlers addiert werden, erhält man die gesamte erzeugte Wärmemenge der Wärmepumpe bzw. die Wärmemenge, welche in den Wärmespeicher hineingeströmt ist. Teilt man die erzeugte Wärmemenge durch den verbrauchten Strom innerhalb eines gewissen Zeitintervalls, so erhält man die Arbeitszahl der Wärmepumpe welche innerhalb dieses Zeitintervalls entstanden ist. Die Berechnung über ein ganzes Jahr hinweg, ergibt dann die sogenannte Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpe. Die Jahresarbeitszahl JAZ ist die wichtigste Kennzahl einer Wärmepumpe, da diese unmittelbar die Effizienz einer Wärmepumpe innerhalb eines Gebäudes angibt. Die JAZ einer Wärmepumpe sollte in jedem Fall über 3,0 liegen. Bei sehr guten Wärmepumpen liegt die JAZ über 4,0.
Da die Temperatur am Mittenleitungstemperaturfühler immer kühler als die Temperatur am Übergangstemperaturfühler oben ist, entsteht im Wärmespeicher eine thermische Zwangsschichtung. Dies bedeutet, dass es im oberen Teil des Wärmespeichers zwangsläufig immer heißer als im mittleren Teil des Wärmespeichers ist. Diese Zwangsschichtung ist sehr wichtig und sehr erwünscht, da eine hohe Temperaturdifferenz im Wärmespeicher insgesamt zu einem hohen Wirkungsgrad der Wärmepumpe und zu einer hohen Ausnutzung des Volumens des Speichermediums beiträgt. Die relativ hohe Temperatur des Speichermediums im oberen Teil des Wärmespeichers von 45°C bis 60°C ist für den Betrieb von Heizkörpern und der effektiven Brauchwasserbereitung nötig. Der mittlere Bereich des Speichers hat in der Regel eine Temperatur von 35°C bis 45°C. Der kühle Bereich im unteren Teil des Wärmespeichers von 25°C bis 35°C ist für die Unterkühlung des Kältemittels sehr wichtig, da das kühle Speichermedium direkt in den zweiten Wärmetauscher = Unterkühler gepumpt wird und somit in diesem Bereich das Kältemittel im Gegenstrom besonders stark unterkühlt werden soll.
Die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe, das regelbare Mischventil mit dem integrierten drehbaren Teilungselement, das regelbare Expansionsventil, das Vier-Wege-Umschaltventil, das Umschaltventil Kühlung, das Überströmventil Kühlung und der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor werden beim Heizbetrieb der Wärmepumpe von einer programmierbaren elektronischen Steuerung gleichzeitig so angesteuert, dass die Summe der aufgenommenen Wärmemengen des Unterkühlers und des Kondensators möglichst hoch ist, dass gleichzeitig die gewünschte bzw. voreingestellte Übergangstemperatur oben, gemessen durch den Übergangstemperaturfühler oben, erreicht und gehalten wird, dass gleichzeitig das regelbare Expansionsventil möglichst weit öffnen kann, dabei gleichzeitig möglichst viel Kältemittel in den Kältemittelverdampfer gepumpt wird, dass gleichzeitig das Vier-Wege-Umschaltventil auf Heizen steht, dass gleichzeitig das Umschaltventil Kühlung auf Heizen gestellt ist, dass gleichzeitig das Überströmventil Kühlung funktionslos ist und dass gleichzeitig der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor mit der im Augenblick zwar nötigen, aber gleichzeitig möglichst niedrigen bzw. stromsparendsten Drehzahl angesteuert wird.
Die erfindungsgemäße programmierbare elektronische Steuerung, welche in der Regel aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) besteht, verfügt sowohl über eine Platine bzw. einer Hardware mit einer genügenden Anzahl von Eingängen, Ausgängen, Relais und Fühlern, als auch über einen programmierbaren Mikroprozessor (CPU) mit einer speziell für diesen Zweck programmierten Software, welche die einzelnen erfindungsgemäßen Regelkriterien erfüllt.
Folgende Regelkriterien sind dabei erfindungsgemäß vorgesehen:

a) Die Durchflussmenge durch das regelbare Expansionsventil wird entsprechend der vorherrschenden Kondensattemperatur in der Kondensatleitung und der gewünschten Verdampfungstemperaturdifferenz am Kältemittelverdampfer geregelt. Die erzielte Verdampfungstemperatur hängt von der Temperatur des Wärme liefernden Mediums (Erdwärme, Grundwasser, Umgebungsluft) ab.
b) Das Vier-Wege-Ventil wird entsprechend des eingestellten Betriebs in der Stellung Heizen oder Kühlen betrieben, wobei das Umschalten von Heizen auf Kühlen mittels einer Magnetspule und eines Ventilschlitten geschieht.
c) Die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors kann sowohl witterungsgeführt nach der durch den Außentemperaturfühler gemessenen Außentemperatur als auch nach der gewünschten bzw. eingestellten Übergangstemperatur oben, welche durch den Übergangstemperaturfühler oben gemessen wird geregelt werden. Alternativ kann die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors sowohl nach den Abtaubedingungen der Wärmepumpe als auch nach den erhöhten Temperaturbedingungen bei der Brauchwassererwärmung geregelt werden.
d) Die Leistung der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe wird entweder nach der gewünschten Übertragungstemperatur oben, welche durch den Übergangstemperaturfühler oben gemessen wird, oder der gemessenen Unterkühlungstemperatur am Unterkühlungstemperaturfühler geregelt.
e) Die Stellung des regelbaren Mischventils mit dem integrierten drehbaren Teilungselement, welches für den prozentualen Anteil der beiden Volumenströme verantwortlich ist, wird entweder nach der gewünschten bzw. eingestellten Übergangstemperatur oben, welche mit dem Übergangstemperaturfühler oben gemessen wird, oder nach der maximal erzielbaren Wärmemenge der beiden Wärmetauscher geregelt.
f) Die Stellung des Umschaltventils Kühlung wird entsprechend dem Betriebszustand Heizen oder Kühlen angesteuert bzw. umgeschaltet.
g) Die Leistung der hocheffizienten drehzahlgeregelten Heizungsumwälzpumpe wird entweder nach der gewünschten Druckdifferenz im Heizungsnetz oder nach der gewünschten Rücklauftemperatur des Speichermediums geregelt.

Wie beschrieben kann die erfindungsgemäße hocheffiziente Wärmepumpe bei Bedarf auch auf Kühlung umgeschaltet werden. Dabei wird der Kältemittelkreislauf über ein in den Kältemittelkreislauf integriertes Vier-Wege-Umschaltventil umgekehrt. Das Kältemittel strömt jetzt nicht mehr von oben über die Heißgasleitung in den oberen Wärmetauscher, sondern umgekehrt über die Kondensatleitung von unten nach oben in den unteren Wärmetauscher hinein. Die beiden Medien Kältemittel und Speichermedium strömen jetzt nicht mehr im Gegenstrom sondern im Gleichstrom von unten nach oben. Die Wärmetauscher werden bei dieser Funktion nicht mehr beheizt sondern gekühlt.
Gleichzeitig wird die mittlere Ausströmungsleitung mittels des regelbaren Mischventils bzw. dem integrierten drehbaren Teilungselements ganz verschlossen, damit kein abgekühltes Speichermedium in den warmen Wärmespeicher gelangt. Der Wärmespeicher soll immer möglichst warm bleiben, um jederzeit warmes Brauchwasser zur Verfügung stellen zu können. Gleichzeitig wird das in der oberen Ausströmungsleitung integrierte Umschaltventil Kühlung so umgestellt, dass das nicht mehr aufgeheizte sondern abgekühlte Speichermedium nicht in den Wärmespeicher, sondern über die Vorlaufleitung Kühlung in das Gebäude gepumpt wird.
Das kalte Speichermedium wird jetzt mittels der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe durch verschiedene eingebaute Kühlaggregate, welche sich in den einzelnen Räumen des Gebäudes befinden, gepumpt. Die Kühlaggregate bestehen in der Regel aus an den Zimmerdecken der Räume befestigten Platten. Die Platten bestehen meistens aus durchströmten flächigen Paneelen aus Stahl, Kupfer oder Aluminium. Auch werden teilweise in den Gebäuden vorhandene Fußbodenheizungen, Wandheizungen oder sogenannte Bauteil- oder Betonkernaktivierungen im Sommer zum Kühlen genutzt. Durch diese horizontal oder vertikal angeordneten Kühlaggregate bzw. Kühlflächen kann dem Gebäude im Sommer viel Wärme entzogen werden. Das warme Gebäude kühlt sich ab und das durchströmende kalte Speichermedium erwärmt sich dabei.
Das erwärmte Speichermedium gelangt über die Rücklaufleitung Kühlung, die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe und die untere Einströmungsleitung wieder in die beiden Wärmetauscher, um durch das wesentlich kältere Kältemittel wieder erneut abgekühlt zu werden. Somit ist der Kühlkreislauf wieder geschlossen.
Das durch das Speichermedium erwärmte Kältemittel gelangt über das Vier-Wege-Umschaltventil und den drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor zum Kältemittelverdampfer und gibt die Wärme über den Kältemittelverdampfer wieder ab. Der Kältemittelverdampfer ist in dieser Funktion nicht mehr der Verdampfer sondern der Kondensator und die Wärmetauscher sind in dieser Funktion nicht mehr Kondensator und Unterkühler sondern die Kältemittelverdampfer. Die Funktionen sind also genau umgekehrt.
Kühlt sich der heiße Wärmespeicher zum Beispiel durch Brauchwasserentnahme im Laufe der Zeit ab und wird durch den im Wärmespeicher integrierten Speichertemperaturfühler oben oder den integrierten Speichertemperaturfühler unten wieder Wärme angefordert, kann die eingestellte Kühlfunktion der Wärmepumpe mittels der programmierbaren elektronischen Steuerung unverzüglich unterbrochen werden und wieder auf Heizbetrieb umgestellt werden. Ist der Wärmespeicher nach der Aufheizphase des Heizbetriebs wieder vollständig aufgeheizt, kann erneut auf Kühlung umgestellt werden. Dieser Funktionswechsel kann bei Bedarf beliebig oft wiederholt werden. Der Wärmespeicher bzw. die Brauchwasserbereitung haben in der Regel aus Komfortgründen Vorrang und die Kühlfunktion hat in der Regel Nachrang.
Ausführungsbeispiel:
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende, schematische Zeichnung und der Bezugszeichenliste näher erläutert.
1 der anhängenden Zeichnung zeigt schematisch eine Wärmepumpenheizung gemäß der Erfindung, welche in diesem Beispiel als Luft/Wasser-Wärmepumpe für Heizen und Kühlen ausgeführt ist, mit den entsprechenden Anordnungen der erfindungsgemäßen Bauteile.
Das Kältemittel (1a) einer Luft/Wasser-Wärmepumpe für Gebäudeheizung, Brauchwasserbereitung und Kühlung wird durch einen Kältemittelverdampfer (1) erhitzt, durch ein umschaltbares Vier-Wege-Umschaltventil (38) geleitet, durch einen drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) komprimiert, dabei nochmals stark erhitzt und anschließend durch eine Heißgasleitung (3) in den Primärkreis des ersten Wärmetauschers = Kondensator (4), welcher aus einem Plattenwärmetauscher aus Edelstahl besteht, gepumpt. Das Kältemittel (1a) strömt als gasförmiges Heißgas in den sehr groß ausgelegten Kondensator (4) von oben hinein, durchströmt den Kondensator (4), wird dabei abgekühlt bzw. enthitzt und anschließend kondensiert bzw. verflüssigt und kühlt sich dabei so stark ab, dass es den Kondensator (4) als vollkommen verflüssigtes Kältemittel (1a) wieder verlässt. Das verflüssigte Kältemittel (1a) wird über eine Verbindungsleitung (5) in den zweiten Wärmetauscher = Unterkühler (6) gepumpt. Da der Kondensator (4) sehr groß ausgelegt ist, befinden sich keine Heißgasanteile mehr im Kondensat der Verbindungsleitung (5), da sie im Kondensator (4) bereits vollständig verflüssigt wurden. Der zweite Wärmetauscher = Unterkühler (6) besteht in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einem Plattenwärmetauscher aus Edelstahl. Das bereits kondensierte Kältemittel strömt nun durch die Verbindungsleitung (5) in den ebenfalls sehr groß ausgelegten Unterkühler (6) hinein, durchfließt den Unterkühler (6), wobei es nochmals möglichst stark abgekühlt bzw. unterkühlt wird und verlässt den Unterkühler (6), um anschließend durch die Kondensatleitung (7) wieder zum Außengerät (8) der Luft/Wasser-Wärmepumpe zu gelangen. Dort wird das Kältemittel (1a) durch das regelbare Expansionsventil (9) gepumpt, wobei es sich dabei stark entspannt und stark abgekühlt. Da das flüssige Kältemittel (1a) in einem stark unterkühlten Zustand zum regelbaren Expansionsventil (9) gelangt, kann das regelbare Expansionsventil (9) relativ weit öffnen und relativ viel Kältemittel (1a) hindurchlassen. Danach gelangt das Kältemittel (1a) wieder in den Kältemittelverdampfer (1), worin es erneut viel Wärme aufnehmen kann. Anschließend durchströmt das Kältemittel (1a) das Vier-Wege-Umschaltventil (38), gelangt anschließend zum drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2), welcher das Kältemittel (1a) wieder stark komprimiert und dabei stark erhitzt und der Kreisprozess beginnt von neuem.
Die Größe und die Anzahl der Platten der verwendeten Edelstahl-Plattenwärmetauscher (4 + 6) richten sich nach der erforderlichen Wärmeleistung der Wärmepumpe bzw. nach der vorher berechneten Heizlast des Gebäudes.
Das Speichermedium (10) im Sekundärkreis ist in diesem Ausführungsbeispiel enthärtetes Heizungswasser, welchem ein spezielles Korrosionsschutzmittel und ein spezielles Schmiermittel zugesetzt wurde. Die Kombination der Wärmetauscher (4 + 6) verfügt im Sekundärkreis (Heizungswasserkreis) über eine hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13), welche das Speichermedium (10) aus dem Wärmespeicher (11) über die untere Einströmungsleitung (30) in den Unterkühler (6) pumpt. Der Volumenstrom des Speichermediums (10) wird an diesem Bereich durch den Durchflussmesser unten (29) gemessen. Die Temperatur in der unteren Einströmungsleitung (30) wird mit dem Eintrittstemperaturfühler (24) gemessen. Das Speichermedium (10) strömt nun von unten nach oben im Gegenstrom (Gegenstromprinzip) zum Kältemittel (1a), damit die maximal mögliche Wärmeübertragung erreicht wird. Im Gleichstrom würde man weniger Wärme übertragen können. Das Speichermedium (10) nimmt beim Durchströmen durch den Unterkühler (6) von unten nach oben nahezu die gesamte Unterkühlungswärme des gegenströmenden Kältemittels (1a) auf und verlässt den Unterkühler (6) an der obersten Stelle. Das Speichermedium (10) wird nun in das nachgeschaltete regelbare Mischventil (22) von unten hineingepumpt. Dort wird der Volumenstrom des Speichermediums (10) mittels eines integrierten drehbaren Teilungselementes (32) geteilt. Ein über die programmierbare elektronische Steuerung (14) einstellbarer Prozentsatz des Speichermediums (10) verlässt das regelbare Mischventil (22) über die mittlere Ausströmungsleitung (26) und wird direkt in den Wärmespeicher (11) gepumpt.
Über den Durchflussmesser unten (29), den Eintrittstemperaturfühler (24) und den Mittenleitungstemperaturfühler (23) kann die aufgenommene Wärme des Unterkühlers (6) gemessen bzw. berechnet werden. Beispielsweise beträgt die Wärmeleistung des Unterkühlers (6) bei einem Volumenstrom von 1,5 m³/h und einer Temperaturdifferenz von 6 Kelvin 10,44 kW.
Der zweite Teil des Speichermediums (10), welches nicht durch die mittlere Ausströmungsleitung (26) gepumpt wurde, verlässt das regelbare Mischventil (22) direkt in Richtung des Kondensators (4). Das Speichermedium (10) durchströmt den Kondensator (4) von unten nach oben und nimmt dabei nahezu sowohl die gesamte Kondensationswärme als auch nahezu die gesamte Wärme der Heißgasenthitzung des gegenströmenden Kältemittels (1a) auf. Das Speichermedium (10) verlässt anschließend den Kondensator (4) an der obersten Stelle, wird durch das Umschaltventil Kühlung (33) und durch die obere Ausströmungsleitung (25) in den Wärmespeicher (11) gepumpt. Dabei werden sowohl der Volumenstrom mittels des Durchflussmessers oben (27), als auch die Temperatur mittels des Übergangstemperaturfühlers oben (17) gemessen. Durch den gemessenen Volumenstrom und die beiden Temperaturfühler (17 + 23) lässt sich die erzeugte Wärmemenge des Kondensators (4) berechnen. Beispielsweise beträgt die Wärmeleistung des Kondensators (4) bei einem Volumenstrom von 1,0 m³/h und einer Temperaturdifferenz von 12 Kelvin 13,92 kW.
Die beiden berechneten Wärmemengen an den Wärmetauschern (4 + 6) werden nun addiert und anschließend durch den Stromverbrauch geteilt. So erhält man die Arbeitszahl bzw. den COP (coefficient of performance) der Wärmepumpe. In dem vorgenannten Beispiel beträgt die gesamte Wärmeleistung der beiden Wärmetauscher (4 + 6) 24,36 kW. Bei einer Stromaufnahme des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2), der beiden in der anhängenden Zeichnung nicht dargestellten Ventilatoren im Außengerät der Wärmepumpe (8), der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) und der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) von insgesamt 5,65 kW, ergibt sich bei einer momentanen Außentemperatur von +2°C, welche vom Außentemperaturfühler (15) gemessen wurde, eine momentane Arbeitszahl von 4,31.
Es ist in diesem Zusammenhang sehr wichtig, dass nicht nur die elektrische Leistung des Kältemittelkompressors (2), sondern alle für die Wärmepumpe relevanten Verbraucher hinzugerechnet werden. Lässt man diese Verbraucher weg, wird die Arbeitszahl logischerweise höher aber auch falsch. Die meisten Wärmepumpen werden mit zu hohen bzw. falschen Arbeitszahlen angegeben.
Alle Arbeitszahlen über ein ganzes Jahr integriert, ergeben die Jahresarbeitszahl JAZ. Rechnet man nicht nur den Kältemittelkompressor, sondern alle relevanten Verbraucher der Wärmepumpe mit ein, erhält man die sogenannte System-Jahresarbeitszahl SJAZ. Die System-Jahresarbeitszahl SJAZ liegt bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Wärmepumpe zwischen 3,5 und 4,5.
Da die Temperatur am Übergangstemperaturfühler oben (17) immer wesentlich wärmer als am Mittenleitungstemperaturfühler (23) ist, entsteht im Wärmespeicher (11) eine thermische Zwangsschichtung. Dies bedeutet, dass es im oberen Teil des Wärmespeichers (11) zwangsläufig immer wesentlich heißer als im mittleren Teil des Wärmespeichers (11) ist. Diese Schichtung bzw. Zwangsschichtung ist sehr wichtig und sehr erwünscht, weil die Effizienz bzw. die Arbeitszahl der Wärmepumpe stark von der vorherrschenden Temperaturdifferenz abhängig ist.
Die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13), das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32), das Umschaltventil Kühlung (33), das regelbare Expansionsventil (9), das Vier-Wege-Umschaltventil (38) und der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2) werden nun von der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) so angesteuert, dass die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) mit der optimalen Drehzahl läuft, dass der dadurch entstandene Volumenstrom des Heizungswassers im optimalen Bereich liegt, dass gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) die beiden Teilvolumenströme in einem durch die Software vorgegebenen optimalen Verhältnis teilt, dass gleichzeitig die Summe der aufgenommenen Wärmemengen des Unterkühlers (6) und des Kondensators (4) möglichst hoch ist, dass gleichzeitig die gewünschte bzw. voreingestellte Übergangstemperatur oben (17) erreicht und gehalten wird, dass gleichzeitig das regelbare Expansionsventil (9) durch das stark unterkühlte Kältemittel (1a) möglichst weit geöffnet wird und dass gleichzeitig der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2) mit einer möglichst niedrigen bzw. stromsparenden Drehzahl angesteuert wird.
Die programmierbare elektronische Steuerung (14), welche aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) besteht, verfügt über ausreichend viele Steuerungseingänge, Steuerungsausgänge, Relais und Temperaturfühler, einem ausreichend großen Rechner bzw. Mikroprozessor (CPU) und über eine speziell für diesen Zweck programmierten Software. Die Software verfügt darüber hinaus über mehrere selbstlernende Programmteile und mehrere Kommunikationsebenen, welche mit anderen Geräten wie beispielsweise anderen Wärmeerzeugern oder Photovoltaikanlagen kommunizieren können.
Folgende Regelkriterien müssen dabei mindestens berücksichtigt werden:

a. Die Durchflussmenge durch das regelbare Expansionsventil (9), welches in diesem Bespiel als Nadelventil ausgeführt ist, wird entsprechend der vorherrschenden Kondensattemperatur, welche am Unterkühlungstemperaturfühler (21) in der Kondensatleitung (7) gemessen wird, und der gewünschten Verdampfungstemperatur am Kältemittelverdampfer (1) geregelt. Die Verdampfungstemperatur hängt von der Temperatur des Wärme liefernden Mediums - in diesem Beispiel der vorhandenen Umgebungsluft - ab. Je kälter das unterkühlte Kältemittel (1a) in der Kondensatleitung (7) zum regelbaren Expansionsventil (9) fließt, umso weiter kann dieses öffnen und umso mehr Kältemittel kann hindurchfließen bzw. expandieren.
b. Das Vier-Wege-Umschaltventil (38) wird bei einer Umstellung der Wärmepumpe von Heizen auf Kühlen so umgeschaltet, dass der Kältemittelkreislauf nicht mehr heizt sondern kühlt und dass das Kältemittel (1a) in entgegengesetzter Richtung, also in Gleichstromrichtung von unten nach oben durch die Wärmetauscher (4 + 6) gepumpt wird.
c. Die Drehzahl bzw. die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) wird witterungsgeführt nach der am Außentemperaturfühler (15) gemessenen Außentemperatur vorgegeben.
d. Die Drehzahl bzw. die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) wird bei Überschreiten der gewünschten bzw. eingestellten Übergangstemperatur, welche am Übergangstemperaturfühler oben (17) gemessen wird, stufenweise mit Hilfe einer Feinstufenmodulation, welche in kleinen Hertzstufen regelt, zurückgeregelt.
e. Die Drehzahl bzw. die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) wird bei Unterschreiten der gewünschten bzw. eingestellten Übergangstemperatur, welche am Übergangstemperaturfühler oben (17) gemessen wird, stufenweise mit Hilfe einer Feinstufenmodulation, welche in kleinen Hertzstufen regelt, hoch geregelt.
f. Die Drehzahl bzw. die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) wird bei Brauchwassererwärmung bzw. erhöhtem Brauchwasserbedarf der Bewohner des Gebäudes mit Hilfe einer Feinstufenmodulation, welche in kleinen Hertzstufen regelt, hoch geregelt.
g. Die Drehzahl bzw. die Leistung des drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) wird beim Abtauvorgang der Wärmepumpe auf eine gewünschte Solldrehzahl geregelt.
h. Die Leistung der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) wird nach der gewünschten Übergangstemperatur oben (17), mit Hilfe einer Drehzahlregelung in feinen Stufen so geregelt, dass sich im Normalfall eine relativ hohe Drehzahl zwischen 50% und 100% ergibt.
i. Die Leistung der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) wird beim Abtauvorgang der Wärmepumpe auf eine voreingestellte Drehzahl hoch geregelt.
j. Die Stellung des regelbaren Mischventils (22) und damit die Teilung des Volumenstroms des Speichermediums (10) durch das integrierte drehbare Teilungselement (32), wird nach der gewünschten bzw. eingestellten Temperatur am Übergangstemperaturfühler oben (17) mit Hilfe einer Feinstufenregelung eingestellt. Die Übergangstemperatur oben hat dabei regelungstechnisch Vorrang.
k. Die Stellung des regelbaren Mischventils (22) und damit die Teilung des Volumenstroms, werden nach der maximal erzielbaren Wärmemenge der beiden Wärmetauscher (4 + 6) mit Hilfe einer Ansteuerung in feinen Stufen geregelt.
l. Das regelbare Mischventil (22) und das integrierte drehbare Teilungselement (32) werden bei der Umstellung der Wärmepumpe von Heizen auf Kühlen so eingestellt, dass die mittlere Ausströmungsleitung (26) vollkommen verschlossen wird.
m. Das Umschaltventil Kühlung (33) wird bei der Umstellung der Wärmepumpe von Heizen auf Kühlen so eingestellt, dass die obere Ausströmungsleitung (25) vollkommen verschlossen und die Vorlaufleitung Kühlung (34) vollkommen geöffnet wird.
n. Die Leistung der hocheffizienten drehzahlgeregelten Heizungsumwälzpumpe (12) wird entweder nach der gewünschten Druckdifferenz im Heizungsnetz oder nach der gewünschten Rücklauftemperatur des Speichermediums (10), gemessen am Rücklauftemperaturfühler (19), geregelt. Die Rücklauftemperatur, gemessen am Rücklauftemperaturfühler (19), spielt insbesondere beim hydraulischen Abgleich und bei der sogenannten Einrohrheizung, welche in vielen älteren Heizungssystemen eingebaut ist, eine große Rolle. Der Rücklauf des Heizungswassers aus dem Heizungsnetz sollte durch einen optimalen hydraulischen Abgleich immer maximal kühl sein, um den Wirkungsgrad bzw. die Arbeitszahl der Wärmepumpe zu erhöhen.

Durch die erfindungsgemäße Zwangsschichtung im Wärmespeicher (11), bildet das Speichermedium (10) eine Temperaturschichtung in Schwerkraftrichtung aus, wobei höher gelegene Flüssigkeitsschichten eine höhere Temperatur aufweisen als niedriger gelegene Flüssigkeitsschichten. Die Temperaturen betragen im oberen Bereich des Wärmespeichers (11) beispielsweise 50°C bis 60°C. In der Mitte des Wärmespeichers (11) stellen sich Temperaturen von ca. 35°C bis 45°C ein. Im unteren Bereich des Wärmespeichers (11) herrschen Temperaturen zwischen 25°C und 30°C vor. Die Temperaturunterschiede bzw. Temperaturspreizung im Wärmespeicher (11) sollen im Regelfall immer relativ hoch sein. Beispielsweise beträgt die Temperaturdifferenz zwischen dem Speichertemperaturfühler oben (31) und dem Speichertemperaturfühler unten (16) bei der erfindungsgemäßen Anordnung ca. 20 bis ca. 30 Kelvin. Bei diesen Bedingungen sind die Arbeitszahlen der erfindungsgemäßen hocheffizienten Wärmepumpe sehr hoch. Wenn die Arbeitszahlen innerhalb der einzelnen Aufheizzyklen des Wärmespeichers (11) hoch sind, dann ist die Jahresarbeitszahl JAZ der Wärmepumpe über 12 Monate gerechnet ebenfalls hoch. Ist die Jahresarbeitszahl JAZ hoch, dann ist der Jahresstromverbrauch JSV der Wärmepumpe relativ niedrig und der Betreiber der Wärmepumpe hat im Vergleich zu anderen Wärmepumpen oder anderen Brennstoffen wie Heizöl, Erdgas oder Pellets relativ geringe Betriebskosten. Wird die Wärmepumpe im Gebäude zusammen mit einer Photovoltaikanlage betrieben, können die Stromkosten zusätzlich gesenkt werden. In diesem Fall kommuniziert die programmierbare elektronische Steuerung (14) mit dem installierten Wechselrichter der Photovoltaikanlage. Auch kann die programmierbare elektronische Steuerung (14) mit einem zusätzlichen Stromspeicher oder einem zusätzlichen Home-Manager kommunizieren. Zusätzlich sind die sogenannten Smart-Grid Funktionen in die programmierbare elektronische Steuerung (14) bereits integriert.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittelverdampfer
1a: Kältemittel
2: Drehzahlgeregelter Kältemittelkompressor
3: Heißgasleitung
4: Erster Wärmetauscher = Kondensator
5: Verbindungsleitung
6: Zweiter Wärmetauscher = Unterkühler
7: Kondensatleitung
8: Außengerät der Wärmepumpe
9: Regelbares Expansionsventil
10: Speichermedium
11: Wärmespeicher
12: Hocheffiziente drehzahlgeregelte Heizungsumwälzpumpe
13: Hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe
14: Programmierbare elektronische Steuerung
15: Außentemperaturfühler
16: Speichertemperaturfühler unten
17: Übergangstemperaturfühler oben
18: Vorlauftemperaturfühler
19: Rücklauftemperaturfühler
20: Kondensattemperaturfühler
21: Unterkühlungstemperaturfühler
22: Regelbares Mischventil
23: Mittenleitungstemperaturfühler
24: Eintrittstemperaturfühler
25: Obere Ausströmungsleitung
26: Mittlere Ausströmungsleitung
27: Durchflussmesser oben
28: Durchflussmesser Mitte
29: Durchflussmesser unten
30: Untere Einströmungsleitung
31: Speichertemperaturfühler oben
32: Integriertes drehbares Teilungselement
33: Umschaltventil Kühlung
34: Vorlaufleitung Kühlung
35: Überströmventil Kühlung
36: Überströmleitung Kühlung
37: Rücklaufleitung Kühlung
38: Vier-Wege-Umschaltventil

Claims

Die erfindungsgemäße hocheffiziente Wärmepumpe verfügt mindestens über eine Kombination von zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern (4 + 6), einem Kältemittel (1a), einem Wärmespeicher (11) mit einem flüssigen Speichermedium (10), einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13), einem regelbaren Mischventil (22) mit einem integrierten drehbaren Teilungselement (32), einem regelbaren Expansionsventil (9), einem Kältemittelverdampfer (1), einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) und einer programmierbaren elektronischen Steuerung (14), mit den Merkmalen, 1.a) dass das im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe befindliche Kältemittel (1a), mittels eines drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) durch den geschlossenen Primärkreis der Wärmepumpe gepumpt wird, wobei sich das Kältemittel (1a) zunächst im Kältemittelverdampfer (1) erwärmt und dabei verdampft, sich im nachgeschalteten drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) durch starke Kompression nochmals erhitzt und anschließend über die Heißgasleitung (3) von oben in den ersten Wärmetauscher = Kondensator (4) gelangt, wobei das heiße Kältemittel (1a) in den Kondensator (4) hineinströmt, diesen durchströmt, sich dabei stark abkühlt, sich bei diesem Vorgang sowohl enthitzt als auch vollständig kondensiert und den Kondensator (4) als verflüssigtes Kältemittel (1a) am unteren Ausgang wieder verlässt, 1.b) wobei das im Kondensator (4) bereits verflüssigte Kältemittel (1a) anschließend über die Verbindungsleitung (5) von oben in einen zweiten Wärmetauscher = Unterkühler (6) gepumpt wird, worin das bereits verflüssigte Kältemittel (1a) in den Unterkühler (6) hineinströmt, diesen durchströmt, sich dabei nochmals stark abkühlt und dabei gleichzeitig vollständig unterkühlt, den Unterkühler (6) über die unten angeschlossene Kondensatleitung (7) wieder verlässt, anschließend durch das regelbare Expansionsventil (9) gedrückt wird, sich dabei stark entspannt und stark abgekühlt, um anschließend im Kältemittelverdampfer (1) durch zuströmende Umweltwärme wieder erwärmt zu werden, 1.c) wobei ein im Gegenstrom fließendes Speichermedium (10), welches sich im Wärmespeicher (11) befindet, mittels einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) aus dem Wärmespeicher (11) herausgesaugt wird, durch die untere Einströmungsleitung (30) von unten in den Wärmetauscher = Unterkühler (6) hinein gepumpt wird, diesen von unten nach oben durchströmt, den Unterkühler (6) an der obersten Stelle wieder verlässt um in das regelbare Mischventil (22) hinein zu strömen, wobei das Speichermedium (10) durch das im regelbaren Mischventil (22) integrierten drehbaren Teilungselement (32) geteilt wird, wobei ein Teil des Speichermediums (10) durch die mittlere Ausströmungsleitung (26) direkt in den Wärmespeicher (11) fließt und gleichzeitig ein zweiter Teil des Speichermediums (10) durch den Wärmetauscher = Kondensator (4) gepumpt wird, um anschließend über die obere Ausströmungsleitung (25) ebenfalls in den Wärmespeicher (11) zu fließen, 1.d) wobei das Speichermedium (10), welches im Sekundärkreis mittels der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) von unten nach oben durch den Unterkühler (6) gepumpt wird, die in der Unterkühlungsphase vorhandene Wärmeenergie des gegenströmenden Kältemittels (1a) nahezu vollständig aufnimmt, sich dabei stark erwärmt und den Unterkühler (6) in Richtung des regelbaren Mischventils (22) wieder verlässt, 1.e) wobei das Speichermedium (10) nach dem Eintritt in das regelbare Mischventil (22) durch das integrierte drehbare Teilungselement (32) in zwei verschiedene Volumenströme geteilt wird, 1 .f) wobei gleichzeitig ein gewisser einstellbarer Anteil des Speichermediums (10) direkt über die mittlere Ausströmungsleitung (26) in den Wärmespeicher (11) gepumpt wird und gleichzeitig ein zweiter einstellbarer Anteil des Speichermediums (10) in den nachgeschalteten Wärmetauscher = Kondensator (4) gepumpt wird, 1.g) wobei sich das Speichermedium (10) beim Durchströmen des Kondensators (4) durch das gegenströmende Kältemittel (1a) stark aufheizt, dabei sowohl die Wärmeenergie der Enthitzungsphase als auch die Wärmeenergie der Kondensationsphase des Kältemittels (1a) nahezu vollständig aufnimmt und den Kondensator (4) über die obere Ausströmungsleitung (25) wieder verlässt, um anschließend in den Wärmespeicher (11) gepumpt zu werden, 1.h) wobei insgesamt in den Wärmetauschern (4 + 6) sowohl eine vollständige Kondensation, als auch eine nahezu vollständige Unterkühlung des Kältemittels (1a), und gleichzeitig im Gegenstrom eine nahezu vollständige Aufheizung des Speichermediums (10) erzielt wird, 1.i) wobei die nahezu vollständige Unterkühlung des Kältemittels (1a) zu einem nahezu vollständigen Temperaturausgleich zwischen dem in der unteren Einströmungsleitung (30) einströmenden Speichermedium (10) und dem in der Kondensatleitung (7) ausströmenden Kältemittels (1a) führt, 1.j)wobei gleichzeitig der messbare Temperaturunterschied zwischen den beiden Leitungen (30 + 7), gemessen mit den Temperaturfühlern (24 + 21), gegen Null Kelvin geht, wobei gleichzeitig die durch die Wärmetauscher (4 +6) übertragene Wärmemenge gegen 100% geht, 1.k) wobei gleichzeitig die physikalisch maximal mögliche Wärmeübertragung der beiden Wärmetauscher (4 + 6) erreicht wird, 1.1) wobei gleichzeitig die gewünschte bzw. voreingestellte Vorlauftemperatur in der oberen Ausströmungsleitung (25), gemessen am Übergangstemperaturfühler oben (17), erreicht und gehalten wird, 1.m) wobei gleichzeitig sowohl das regelbare Expansionsventil (9), der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2), die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) als auch das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) mittels der eingebauten programmierbaren elektronischen Steuerung (14) so angesteuert und geregelt wird, 1.n) dass das regelbare Expansionsventil (9) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) möglichst weit geöffnet wird um möglichst viel unterkühltes Kältemittel (1a) hindurchströmen zu lassen, welches sich im nachgeschalteten Kältemittelverdampfer (1) durch die zugeführte Umweltwärme wieder stark erwärmen kann, 1.o) dass gleichzeitig der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) in kleinen Hertzstufen mit der für den momentanen Betriebspunkt kleinsten notwendigen Drehzahl angesteuert wird und dabei permanent in der Drehzahl variiert und nachgeregelt werden kann, um permanent möglichst wenig Strom zu verbrauchen, 1.p) dass gleichzeitig die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) in kleinen Hertzstufen mit der für den momentanen Betriebspunkt größten möglichen Drehzahl angesteuert wird, damit der Volumenstrom des Speichermediums (10) im Unterkühler (6) möglichst hoch ist um das Kältemittel (1a) möglichst stark unterkühlen zu können, 1.q) wobei gleichzeitig die Drehzahl der Ladepumpe (13) möglichst hoch sein soll, gleichzeitig aber nur so hoch sein darf, dass gleichzeitig die gewünschte bzw. eingestellte Vorlauftemperatur in der oberen Ausströmungsleitung (25), gemessen am Übergangstemperaturfühler oben (17), erreicht und gehalten wird, 1.r) dass gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) so geregelt bzw. eingestellt wird, dass die beiden Volumenströme des Speichermediums (10) in der oberen Ausströmungsleitung (25) und der mittleren Ausströmungsleitung (26) im optimalen Verhältnis zueinander geteilt werden, 1.s) dass gleichzeitig die übergebene bzw. getauschte Wärmemenge der beiden Fluide (1a + 10) in den beiden Wärmetauschern (4 + 6) immer optimal hoch ist, 1.t) dass sich gleichzeitig im Wärmespeicher (11) eine optimale Zwangsschichtung von oben nach unten ergibt, wobei sich im oberen Teil des Wärmespeichers (11) besonders heißes, im mittleren Teil warmes und im unteren Teil kühles Speichermedium (10) befindet, 1.u) wobei die hocheffiziente Wärmepumpe bei Erreichen der eingestellten Abschalttemperatur, welche im Wärmespeicher (11) durch den eingebauten Speichertemperaturfühler unten (16) gemessen wird, durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) abgeschaltet wird, 1.v) und wobei sich die Wärmepumpe bei einem sich wieder abkühlenden Speichertemperaturfühler unten (16) oder einem sich wieder abkühlenden Speichertemperaturfühler oben (31) nach einer in der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) einstellbaren Hysterese auch wieder einschaltet, um den Wärmespeicher (11) wieder von Neuem bis zur eingestellten Abschalttemperatur mit Wärme zu versorgen.
Kombination von Wärmetauschern (4 + 6) nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die hocheffiziente Wärmepumpe im Bedarfsfall mittels der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) von Heizen auf Kühlen umgestellt werden kann, wobei das im Außengerät (8) eingebaute Vier-Wege-Umschaltventil (38) so umgeschaltet werden kann, dass der Kältemittelkreislauf des Kältemittels (1a) umgekehrt wird, wobei gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) in eine Endstellung gefahren wird, wodurch die mittlere Ausströmungsleitung (26) verschlossen wird, wobei gleichzeitig durch das Umschaltventil Kühlung (33) die obere Ausströmungsleitung (25) zum Wärmespeicher (11) hin verschlossen wird und gleichzeitig die Vorlaufleitung Kühlung (34) geöffnet wird, wobei durch das eingebaute Überströmventil Kühlung (35) immer eine Zwangsumwälzung des Speichermediums (10) sichergestellt ist und wobei die programmierbare elektronische Steuerung (14) nach Bedarf von Kühlen auf Heizen und von Heizen auf Kühlen umschalten kann.
Kombination von Wärmetauschern (4 + 6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Einströmungsleitung (30), die mittlere Ausströmungsleitung (26) und die obere Ausströmungsleitung (25) über die eingebauten Durchflussmesser (29 + 28 + 27) verfügen um die Durchflussmengen messen zu können, wobei an diesen Leitungen zusätzlich die Temperaturfühler (24 + 23 + 17) befestigt sind, um die jeweiligen Temperaturen messen zu können, wodurch jeweils die übertragenen Wärmemengen der Wärmetauscher (4 + 6) aus dem mathematischen Produkt von Volumenstrom und Temperaturdifferenz berechnet werden können und somit die gesamte produzierte Wärmemenge der Wärmepumpe ermittelt bzw. berechnet werden kann.
Kombination von Wärmetauschern (4 + 6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebauten Durchflussmesser (29 + 28 + 27) mit den Temperaturfühlern (24 + 23 + 17) aus geeichten Wärmemengenzählern bestehen.
Kombination von Wärmetauschern (4 + 6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (11) um einen oder mehrere Wärmespeicher erweitert werden kann, wobei diese Speicher sowohl heizungsseitig als auch brauchwasserseitig in Reihe geschaltet werden.
Kombination von Wärmetauschern nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Abtauvorgang der Wärmepumpe, mittels der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) durch Umschalten des Vier-Wege-Ventils (38) der Kältemittelfluss des Kältemittels (1a) umgekehrt wird, dass gleichzeitig die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) mit maximaler Drehzahl angesteuert wird, dass gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) so angesteuert wird, dass der Zufluss des Speichermediums zum Kondensator (4) verschlossen wird, gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) so angesteuert wird, dass der Zufluss des Speichermediums zur mittleren Ausströmungsleitung (26) voll geöffnet wird und dass gleichzeitig das regelbare Expansionsventil (9) und der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2) so angesteuert werden, dass der vereiste Kältemittelverdampfer (1) möglichst schnell und effizient enteist bzw. abgetaut werden kann.