DE10243170A1

DE10243170A1 - Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe mit Kältemittelverflüssiger

Info

Publication number: DE10243170A1
Application number: DE2002143170
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Schiefelbein; Michael Schaumlöffel; Steffen Smollich; Johannes Brugmann
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Die vorgestellte Wärmepumpe (1) weist einen Heizungswasserkessel (2) mit einem Volumen auf, welches in Abhängigkeit von der Heizleistung der Wärmepumpe (1) bei Ausfall einer Zwangsdurchströmung das Heizungsmedium nicht mehr als 5 K/min erwärmt. Für das Volumen des Heizungswasserkessels (2), in dem der Kältemittelverflüssiger (3) des Kältekreises angeordnet ist, ist in Abhängigkeit von der Heizleistung der Wärmepumpe (1) ein minimales Volumen gemäß V¶min¶[I] = Q[kW] x 2,87 angegeben. Mit je einem Temperaturfühler (13, 14) im Bereich des Vorlaufs und des Rücklaufs wird in einer Regelung eine Temperaturspreizung ermittelt, die das Ausbleiben der Zwangsumwälzung des Heizungsmediums im Heizungswasserkessel (2) erkennt und die Wärmepumpe (1) mit einer Regelabschaltung außer Betrieb nimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage mit einer Wärmepumpe und einem in die Wärmepumpe integrierten, mit Kältemittel durchflossenen Kältemittelverflüssiger, der in wärmeleitendem Kontakt mit dem Heizungswasser steht.

In der DE 100 24 044 A1 ist eine Wärmepumpe gezeigt, die mit Windenergie angetrieben ist und bei der der Verdampfer und Kondensator, je nachdem, ob die Anlage als Wärme- oder Kälteerzeuger arbeitet, direkt im Pufferspeicher für Heizung integriert ist.

Ein Wärmetauscher einer Wärmepumpe mit einem topfartigen Kältemittelverflüssiger ist aus der DE 31 50 470 A1 bekannt. Bei diesem Wärmetauscher mündet das Heißgas des Kältemittelkreislaufs in einen Behälter, der von einer Anzahl von Rohren für Warmwasser durchsetzt ist. Diese Rohre dienen als Kältemittelverflüssiger für das in den Behälter eingeführte Heißgas.

Aus der US 4,371,036 ist ein Wärmetauscher für den Gebrauch in einer Wärmepumpe bekannt. Spiralförmig ist eins oder sind mehrere Rohre zur Leitung von Kältemittel um eine Zentralleitung angeordnet. Diese Rohranordnung für den Durchfluß von Kältemittel ist innerhalb eines Behälters mit einem Mantel angeordnet, der von Wasser durchflossen ist. Das Wasser, das hier als wärmetragendes Medium beschrieben ist, durchfließt das Mantelrohr bzw. den Behälter in derselben Richtung wie das Kältemittel durch die spiralförmig gewickelten Rohre fließt.

Bei einem Verfahren und einer Heizungsanlage zur Gebäudeheizung gemäß DE 199 38 019 A1 ist ein Kondensator außerhalb einer Wärmepumpe in einem Warmwasserspeicher angeordnet. Der Kondensator ist über eine Kältemittel-Kreislaufleitung in den Kältekreislauf der Wärmepumpe einbezogen.

Mit den bekannten Verfahren sind demnach Wärmepumpen bekannt, bei denen die Wärmeübertragung vom Kältemittel auf das Heizmedium mit einem Wärmetauscher erfolgt, der im Gegenstrom oder Gleichstrom arbeitet und somit eine direkte Wärmeübertragung der angebotenen Heizleistung der Wärmepumpe auf das Heizungsmedium ermöglicht. Bei anderen Systemen liegt der Kondensator der Wärmepumpe in einem von der Wärmepumpe unabhängig angebrachten Warmwasserbehälter, womit eine von der Lieferung der Heizenergie der Wärmepumpe weitgehend unabhängige Speichermasse für Wärmenergie bereitgestellt ist.

Auch in die Wärmepumpe integrierte Wasserspeicher sind bekannt. Besonders vorteilhaft bei den Zwangsdurchlauf-Wärmeerzeugern ist, dass der mittlere Temperaturabstand zwischen dem erwärmten Wasser und dem erhitzten, im Zwangsdurchlauf-Wärmeerzeuger kondensierenden und unterkühlenden Kältemittel klein gehalten werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe so zu gestalten, dass auch bei plötzlicher Unterbrechung des Volumenstroms des Heizungsmediums eine sichere Funktion der Wärmepumpe gewährleistet bleibt, eine Regelabschaltung der Wärmepumpe erfolgt und gleichzeitig die mittleren Temperaturabstände zwischen dem Kältemittel und dem Heizungswasser möglichst klein sind.

Gelöst ist die Aufgabe durch die Maßnahmen des Kennzeichens des Anspruchs 1.

Der Kältemittelverflüssiger einer Wärmepumpe ist dazu in die

Wärmepumpe selbst integriert und Bestandteil des Heizsystems. Der Kältemittelverflüssiger, in dem Kältemittel kondensiert, ist in einen Heizungswasserkessel eingesetzt, der ebenfalls Bestandteil der Wärmepumpe ist. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er ein so großes Wasservolumen beinhaltet, dass die für den Wärmeaustausch von kondensierendem Kältemittel auf das Wasser zur Verfügung stehende Fläche so groß ist, dass die von der Wärmepumpe erzeugte Heizenergie vom Kältemittel auf das ruhende Heizmedium möglich ist. Ruhendes Heizmedium liegt vor, wenn beispielsweise die Umwälzpumpe der Heizungsanlage ausfällt. Für diesen Fall ist es weiterhin zweckmäßig, das Volumen des Heizmediums so auszulegen, dass die Temperatur des Heizmediums pro Minute um etwa 5 K ansteigt. Bei einer Heizleistung der Wärmepumpe von 10 kW ergäbe sich in etwa ein Wasservolumen von 30 l.

Um eine Regelabschaltung bzw. einen thermisch kontrollierten Betrieb der Wärmepumpe regeln zu können, ist mindestens ein Temperaturfühler im Heizungswasserkessel angeordnet. In vorteilhafter Weise sind zwei Temperaturregler, einer im Bereich des Heizungswasser-Vorlaufs und einer im Bereich des Heizungswasser-Rücklaufs, angeordnet. Über die Temperaturspreizung zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur im Heizungswasserkessel selbst ist die Unterbrechung des Volumenstroms des Heizmediums detektierbar und die Wärmepumpe über eine Regelabschaltung im Betrieb begrenzt. Es erfolgt keine Druckerhöhung im Kältekreis, wodurch bei mangelnder Erkennung des Ausfalls des Heizmedium-Volumenstroms der Hochdruckwächter (HD-Wächter) der Wärmepumpe eine Notabschaltung durchführt. Die durch den sogenannten HD-Wächter eingeleitete Notabschaltung erfordert den Einsatz eines Kundendienstmechanikers, der vor Ort die Wärmepumpe wieder in den ordnungsgemäßen Zustand zurückversetzen muß.

Durch die Detektierung der Temperaturspreizung zwischen dem Temperaturfühler der Vorlauf- und der Rücklauftemperatur und einem Volumen des Heizungswasserkessels, das beispielsweise bei 10 kW Heizleistung der Wärmepumpe 30 l beträgt, erfolgt die sichere Detektierung des Ausfalls der Durchströmung des Heizungswasserkessels mit Heizungsmedium, und es wird die bis zur Regelabschaltung der Wärmepumpe von dieser gelieferte Heizenergie von der Masse des im Heizungswasserkessel befindlichen Heizungsmediums in so ausreichendem Maße aufgenommen, dass eine Notabschaltung über den Hochdruckwächter nicht erfolgt.

Durch die Anordnung des Anschlusses des Heizungsvorlaufs im oberen Bereich des Heizungswasserkessels und des Heizungsrücklaufs im unteren Teil des Heizungswasserkessels ist im Heizungswasserkessel eine energetisch günstige Temperaturschichtung erzielt. Eine thermische Schichtung der Heizmedium-Temperatur im Heizungswasserkessel ist durch die Ausführungsform des Kältemittelverflüssigers in drei verschiedene Bereich erreicht. Von oben nach unten im Heizungswasserkessel angeordnet ist der Kältemittelenthitzer, gefolgt im mittleren Bereich des Heizungswasserkessels von einem Kältemittelverflüssiger und im unteren Bereich des Heizungswasserkessels gefolgt von einem Kältemitlelunterkühler. Der Effekt der Temperaturschichtung ist weiterhin dadurch erreicht, dass der Speicher schlank ausgeführt ist und sich das Verhältnis der Höhe zum Durchmesser wie ca. > 1,5:1 verhält.

Mit der Temperaturschichtung ist es weiterhin möglich, auf eine Umwälzpumpe für das Heizmedium zu verzichten. Über die natürliche Konvektion des Wassers erfolgt im Heizungswasserkessel eine Auftriebsbewegung, die dazu ausreichend ist, das Heizungsmedium im Heizungskreis umzutreiben. Durch diese Maßnahme ist der Ausfall einer nicht vorhandenen Umwälzpumpe ausgeschlossen, d.h. die Möglichkeit, dass es zu einem Erliegen des Heizungsmedium-Volumenstroms kommt, ist um das Fehlerpotential des Versagens der Umwälzpumpe vermindert.

Weiterhin ist durch den integrierten Heizungswasserkessel das sonst bei seriellen Pufferspeichern erforderliche Überstromventil eingespart.

Das Mindest-Wasservolumen des Heizungswasserkessels lässt sich berechnen als V_min[I]=Q [kW] × 2,87, wobei eine weitere Bedingung die zulässige Temperatursteigung von 5 K/min erreicht werden soll.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Heizungswasserkessels berechnet sich seine maximale Größe mit der Formel V_max[I]=Q [kW] × 8,61. Dabei ist berücksichtigt, dass das Bauvolumen der Wärmepumpe möglichst klein und trotzdem die Bedingung der zulässigen Temperatursteigerung von 5 k/min eingehalten ist.

Der Kältemittelverflüssiger kann in vorteilhafter Weise im Heizungswasserkessel selbst, z.B. als Rohrwendel im Heizungswasserkessel oder als Rollbond-Wärmetauscher um den Heizungswasserkessel herum angeordnet sein. Als weiteres Integrationsbestandteil ist es vorteilhaft, im Heizungswasserkessel eine elektrische Direktheizung einzubauen, die bei einer festgelegten Vorlauf- und/oder Rücklauftemperatur automatisch eingeschaltet wird.

In der Zeichnung zeigen

1 eine Wärmepumpe schematisch mit Heizungswasserkessel und im Heizungswasserkessel integriertem Kältemittelverflüssiger des Kältemittelkreislaufs,

2 ein Diagramm mit Bereich für das Volumen eines Heizungswasserkessels in Abhängigkeit von der Heizleistung,

Die Wärmepumpe 1 weist einen in einem Heizungswasserkessel 2 integrierten Kältemittelverflüssiger 3 auf. Dieser ist zur Temperaturschichtung im Heizungswasserkessel 2 in drei Bereiche, nämlich den Kältemittelenthitzer 4, den Kältemittelverflüssiger 5 und den Kältemittelunterkühler 6 im unteren Bereich aufgeteilt. Eine elektrische Direktheizung 7 in Form beispielsweise eines Rohrheizkörpers, der gewendelt oder mäanderförmig aufgebaut ist, ist ebenfalls im Heizungswasserkessel 2 angeordnet. Der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 1 besteht weiterhin aus einem Expansionsventil 8, einem Verdampfer 9 sowie einem Verdichter 10. Der Heizungswasserkessel weist im unteren Bereich einen Anschluß 11 für eine nicht dargestellte Rücklaufleitung und einen Anschluß 12 oben im Heizungswasserkessel für eine Vorlaufleitung eines nicht dargestellten Heizungssystems auf. An eine nicht dargestellte Regelung sind die Temperaturfühler 13, 14 angeschlossen. Der Temperaturfühler 13 dient zur Messung der Speichertemperatur t_V im oberen Bereich des Heizungswasserkessels (2), die im wesentlichen die Vorlauftemperatur ermittelt. Der unten im Heizungswasserkessel angeordnete Temperaturfühler 14 dient zur Messung der Rücklauftemperatur t_R im Speicher.
In 2 ist durch eine untere kurze V_min[I] und eine obere kurze V_m _ax[I] ein Bereich (4) des Volumens des Heizungswasserkessels 2 eingegrenzt, in dem die Randbedingung der zulässigen Temperatursteigerung von 5 k eingehalten ist. Darüber hinaus, im Bereich B, der nach oben offen ist, gilt ebenfalls die Bedingung der zulässigen Temperatursteigerung von 5 k, jedoch ist eine sinnvolle Baugröße des Kessels überschritten.

Claims

Wärmepumpe für eine Heizungsanlage mit einem integrierten, mit Kältemittel durchflossenen Kältemittelverflüssiger, der in wärmeleitendem Kontakt mit dem Heizungsmedium steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen eines Heizungswasserkessels (2), mit dem der Kältemittelverflüssiger (3) in wärmeleitenden Kontakt steht und/oder in dem sich der Kältemittelverflüssiger (3) befindet, so bemessen ist, dass sich das darin befindliche ruhende Heizungsmedium bei Ausbleiben einer Zwangsumwälzung um nicht mehr als 5 K während einer Minute des Betriebs der Wärmepumpe (1) erwärmt, und wobei das Volumen des Heizungswasserkessels (2) in Abhängigkeit von der Heizleistung der Wärmepumpe (1) nach V[I]=Q[kW] × Z, wobei gilt Z = < 2,87, bemessen ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Heizungswasserkessels (2) mindestens das 1,5-fache seines Durchmessers oder Querschnitts ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kältemittelverflüssiger (3) in einem mit Heizungswasser gefüllten Heizungswasserkessel (2) befindet und/oder der Kältemittelverflüssiger (3) um den Heizungswasserkessel (2) herum angeordnet ist.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverflüssiger (3) als Rohrwendel im Heizungswasserkessel (2) nahezu über dessen gesamte innere Höhe angeordnet ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverflüssiger (3) als Rollbond-Wärmetauscher um den Heizungswasserkessel (2) von außen herumgelegt ist.
Heizungsanlage nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverflüssiger (3) in drei Funktionsbereiche Enthitzer (4), Verflüssiger (5) und Unterkühler (6) aufgeteilt ist.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsvorlauf (t_V) im oberen Bereich und der Heizungsrücklauf (t_R) im unteren Bereich des Heizungswasserkessels (2) angeordnet ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizungswasserkessel (2) in seinem maximalen Volumen durch die Abhängigkeit V[I]=Q[kW] × 8,61 bestimmt ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizungswasserkessel (2) eine elektrische Direktheizung (7) eingebaut ist.
Heizungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer festgelegten Vorlauf- (t_V) und/oder Rücklauftemperatur (t_R) von einer Regelung (4) automatisch die elektrische Direktheizung (7) eingeschaltet wird.
Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizungswasserkessel (2) mindestens ein Temperaturfühler angeordnet ist, der einen Temperaturwert an die Regelung (4) übermittelt, oder dass bei mehreren Temperaturfühlern (13, 14) die Temperaturen an die Regelung (4) übermittelt werden, ein Mischwert der Heizungswassertemperaturen gebildet wird und entweder der Temperaturwert, der Mischwert oder der Differenzwert der Heizungswassertemperaturen in der Regelung (4) verarbeitet wird.