DE202008008351U1 - Wärmepumpensystem - Google Patents

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Abstract

Wärmepumpensystem mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel und einer Verdichteranordnung (2), einem Kondensator (4), einer Expansionseinrichtung (6) und einem Verdampfer (8), der durch Energiekopplung mit einer Erdwärmesonde (10) betrieben ist, wobei Kondensationswärme des Kältemittels zum Beheizen eines Mediums verwendbar ist, wobei der Verdampfer (8) in einem Drucktopf (22) aufgenommen ist, in den die Erdwärmesonde (10) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (8) ein Plattenwärmeaustauscher (26) ist, in dem der Wärmeträger der Erdwärmesonde (10) kondensiert und das Kältemittel verdampft wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Nutzung von fossilen Energien gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland immer mehr an Bedeutung, da der Treibhauseffekt der Atmosphäre im wesentlichen auf das Verbrennen fossiler Primärenergieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) zurückzuführen ist. Durch den verstärkten Einsatz regenerativer und geothermischer Energien kann eine Verminderung der Kohlendioxidemission in die Atmosphäre erreicht werden.
  • Die Bundesrepublik Deutschland verwendet für Raumheizungen 30,9% ihrer gesamten Endenergie in einem Temperaturbereich unter 100°C. In diesem Temperaturbereich ist die Arbeitsfähigkeit der Wärme, der so genannte Exergiegehalt gering. Das führt dazu, dass herkömmliche Verbrennungsheizungen auf Erdgas- bzw. Erdölbasis eine erhebliche Entwertung der als Exergie gespeicherten chemischen Brennstoffenergie durch Verbrennung und anschließenden Wärmeübergang auf die genannten tieferen Temperaturen vornehmen, was zu exergetischen Primärenergie-Nutzungsgraden von nur ca. 6% führt.
  • Kesselsysteme, beispielsweise im Betrieb mit Heizöl oder Erdgas sind praktisch am Ende ihrer technischen Entwicklung angekommen. Derartige Systeme erreichen einen Nutzungsgrad, der geringfügig unter dem physikalischen Maximum liegt.
  • Wärmepumpen als thermodynamische Heizung können exergetische Primärenergienutzungsgrade von etwa dem vierfachen erreichen, da sie Wärme aus der Umgebung aufnehmen und diese auf die für die Beheizung erforderliche Temperatur pumpen. Als Energieträger kommen dabei beispielsweise die Energie der Umgebungsluft, der Oberflächengewässer oder Oberflächen naher Bodenschichten in Frage. Geothermische Energie zur Beheizung von Gebäuden kann durch Nutzung warmer hydrothermaler Tie fengewässer direkt verwendet werden, bei der Anwendung von Erdwärmesonden bis ca. 300 m Tiefe jedoch nur indirekt mit Wärmepumpenanlagen, die Erdwärme im Temperaturbereich von 10°C bis 20°C auf ein für die Gebäudebeheizung nutzbares Temperaturniveau (35°C oder höher) anheben.
  • Etwa 52% aller in Deutschland im Jahr 2006 installierten Heizungswärmepumpen nutzen Erdwärme als Wärmequelle, wobei bei ca. 35% der Anlagen vertikale Erdwärmesonden zur Nutzung der Erdwärme verwendet wurden.
  • Als Wärmeträger für diese Erdwärmetauscher werden gegenwärtig häufig einphasige Arbeitsstoffe, wie Wasser-Glykol oder Wasser-Salzmischungen verwendet, die durch die Sonden zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt werden (Solesonden). Nachteilig bei derartigen Sonden ist, dass diese Soleflüssigkeiten in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft sind, was eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich macht. Des weiteren ist bei diesen Anlagen eine Pumpe zum Umwälzen der einphasigen Flüssigkeit erforderlich, wodurch der Energiebedarf und der vorrichtungstechnische Aufwand der Anlage erheblich erhöht ist. Eine derartige Solesonde ist beispielsweise aus www.hakagerodur.ch bekannt.
  • Aus der DE 42 115 76 A1 sind auch zweiphasige Systeme bekannt, bei denen ein Wärmeträger verwendet wird der in einer Heizzone verdampft und in einer Kühlzone kondensiert wird. Derartige zweiphasige Systeme weisen eine höhere energetische Effizienz auf, da keine Umwälzpumpe benötigt wird. Bei der Wärmeübertragung vom Wärmeträger der Erdwärmesonde auf das Kältemittel einer Wärmepumpe haben die einphasigen Wärmeträger des weiteren den Nachteil, dass in Folge der nicht kongruenten Temperaturverläufe des Wärmeträgers und eines Kältemittels mit Einstoffverhalten im Kältemittelverdampfer der Wärmepumpen Wärmetauscherverluste entstehen, da das Kältemittel bei im wesentlichen konstanter Temperatur verdampft und der Wärmeträger von der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur abgekühlt wird. Dieser Nachteil besteht bei zweiphasigen Wärmeträgern nicht.
  • In der DE 298 24 676 U1 der Anmelderin wird eine Erdwärmesonde beschrieben, bei der als Wärmeträger CO2 verwendet wird. Der wesentliche Vorteil dieses Wärmeträgers liegt in der guten Umweltverträglichkeit, so dass bei einer Leckage des Erdwärmerohres keine Umweltgefährdung zu befürchten ist. Des weiteren weist CO2 gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln ein vernachlässigbares Treibhauspotential auf. Diese Erdwärmesonde ist thermodynamisch mit einem Verdampfer eines Wärmepumpensystems verbunden, das darüber hinaus eine Verdichteranordnung, einen Kondensator und eine Entspannungseinrichtung für das im Kreislauf geführte Kältemittel hat.
  • In der DE 31 15 743 A1 ist ein Wärmepumpensystem gezeigt, bei dem ebenfalls die Kondensationswärme aus dem Kreislaufprozess der Erdwärmesonde zum Verdampfen des Kältemittels einer Wärmepumpe ausgenutzt wird. Bei dieser bekannten Lösung ist die Wärmepumpe im Abstand zur Erdwärmesonde angeordnet, so dass die thermodynamische und mechanische Ankopplung insbesondere im Hinblick auf Wärmeverluste problematisch ist.
  • In der DE 20 2004 015 819 U1 ist ein Wärmepumpensystem gezeigt, bei dem die Bauelemente der Wärmepumpe, d. h. eine Verdichteranordnung, ein Kondensator, eine Entspannungseinrichtung und ein Verdampfer in einem kompakten Wärmepumpenkopf aufgenommen sind, der thermisch und mechanisch mit der CO2-Erdwärmesonde gekoppelt ist. Dieser Wärmepumpenkopf lässt sich vergleichsweise einfach im Werk vormontieren und kann dann vor Ort mit geringem Montageaufwand mit der in den Erdboden eingesetzten Erdwärmesonde verbunden werden. Aufgrund der kompakten Ausführung lassen sich auch die Wärmeverluste der Wärmepumpe auf ein Minimum reduzieren.
  • Bei dieser bekannten Lösung ist der Verdampfer des Kältemittelkreislaufs als Rohrwärmetauscher in einem Druckbehälter ausgebildet, dessen Rohrwendel aus Kupfer hergestellt sind. Die Fertigung derartiger Kupferrohrwendeln ist äußerst aufwändig, darüber hinaus ist der Kupferpreis in jüngster Zeit übermäßig gestiegen.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Wärmepumpensystem kostengünstiger und einfacher auszuführen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird als Verdampfer für den Kältemittelkreislauf ein in einem Drucktopf angeordneter Plattenwärmeaustauscher verwendet. Ein derartiger Wärmetauscher ist aufgrund seines einfachen Aufbaus sehr günstig herzustellen und kann mit unterschiedlichen Geometrien als Standardapparat bezogen werden.
  • Der vorrichtungstechnische Aufwand zur Herstellung des Drucktopfs lässt sich weiter verringern, wenn der Wärmeträger-Kondensatauslass des Plattenwärmeaustauschers frei in den Drucktopf einmündet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmeträgereinlass des Plattenwärmeaustauschers über ein Rohr mit der Erdwärmesonde verbunden. Alternativ kann der gasförmige Wärmeträger auch über ein Standrohr frei in den oberen Bereich des Drucktopfes und von dort in den Plattenwärmeaustauscher eintreten.
  • Die Verfahrensparameter werden vorzugsweise so eingestellt, dass im Drucktopf und im Plattenwärmeaustauscher sowohl kältemittelseitig als auch wärmeträgerseitig etwa der gleiche Druck herrscht, so dass der Plattenwärmeaustauscher in erster Näherung druckausgeglichen ist. Dadurch wird es ermöglicht, Plattenwärmeaustauscher einzusetzen, die eigentlich für Drücke unterhalb des im Drucktopf auftretenden Systemdrucks ausgelegt sind.
  • In dem Fall, in dem eine vergleichsweise lange Erdwärmesonde verwendet wird, muss entsprechend auch die Wärmeaustauschfläche im Verdampfer größer ausgelegt werden. Erfindungsgemäß werden in diesem Fall zwei Plattenwärmeaustauscher in einem kompakten Drucktopf parallel angeordnet, so dass die Einheit mit äußerst geringen Abmessungen kostengünstig herstellbar ist und auch eine Maßnahme zur Verkleinerung des Drucktopfes bei Standardlänge des Wärmerohres darstellt.
  • Insbesondere bei der Verwendung von zwei parallel geschalteten Plattenwärmeaustauschern wird es bevorzugt, wenn deren Anschlüsse für das Kältemittel und den Wärmeträger seitlich, vorzugsweise an einander zuweisenden Seitenflächen angeordnet sind.
  • Bei einem einzigen, vergleichsweise großen Plattenwärmeaustauscher kann der Durchmesser des Drucktopfs minimiert werden, wenn die Wärmeträger- und Kältemittelanschlüsse stirnseitig ausgebildet sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einem Kopf des Drucktopfs Anschlüsse oder Durchlässe zur Niederdruck- und Hochdruckseite des Verdichters vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Plattenwärmeaustauscher stehend angeordnet ist, wobei die Kondensatanschlüsse in Schwerkraftrichtung unten und die Gasanschlüsse in Schwerkraftrichtung oben angeordnet sind.
  • Das erfindungsgemäße Wärmepumpensystem wird vorzugsweise mit CO2 als Wärmeträger verwendet.
  • Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein stark vereinfachtes Schaltschema eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems;
  • 2 einen Schnitt durch einen Wärmepumpenkopf eines Wärmepumpensystems gemäß 1;
  • 3 eine Schnittdarstellung eines in einem Drucktopf aufgenommenen Verdampfers; und
  • 4 und 5 Varianten des Verdampfers aus 3.
  • In 1 ist schematisch ein Wärmepumpensystem 1 dargestellt, wie es beispielsweise für eine Heizanlage eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einem derartigen Wärmepumpensystem 1 wird ein Kältemittel, beispielsweise CO2, R134a, R407C, über einen Verdichter 2 isentrop verdichtet und einem Kondensator 4 zugeführt. In diesem wird das verdichtete Kältemittel kondensiert, wobei die Kondensationswärme im Wärmeaustausch zum Aufheizen eines Mediums, beispielsweise dem Wasser eines Heizkreislaufs oder der Umgebung ausgenutzt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer Drossel 6 oder einer anderen geeigneten Expansionseinrichtung entspannt und in einem Verdampfer 8 verdampft, so dass an dessen Ausgang des Kältemittel entspannt und gasförmig vorliegt. Die für die Verdampfung des Kältemittels erforderliche Verdampfungswärme muss dem Verdampfer 8 extern zugeführt werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies über eine CO2-Erdwärmesonde 10, die in das Erdreich eingesetzt ist und mit einem Wärmepumpenkopf 12 verbunden ist, in den die Verdichteranordnung 2, der Kondensator 4, die Drossel 6 und der Verdampfer 8 integriert sind.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch den Wärmepumpenkopf 12. Demgemäß hat dieser ein etwa zylinderförmiges Gehäuse 14, das von einer Kopfplatte 16 abgedeckt ist.
  • In dieses Gehäuse 14 taucht von unten her (Ansicht nach 2) die Erdwärmesonde 10 ein, die in eine Erdbohrung 18 eingesetzt ist. Ein aus der Erdbohrung 18 hervorstehender Endabschnitt der Erdwärmesonde 10 ist über einen Anschluss 20 mit einem von einem Drucktopf 22 umgebenen Kondensationsraum 24 verbunden. In diesem Kondensationsraum 24 wird das gasförmig aus der Erdwärmesonde 10 austretende CO2 kondensiert und strömt als Kondensatfilm an den Innenumfangswandungen der Erdwärmesonde 10 zurück nach unten zu deren Fuß. Dieser Kreislauf ist im Detail in der DE 289 24 676 U1 und der DE 103 27 602 A1 des Erfinders offenbart, so dass hinsichtlich der Funktion der Erdwärmesonde 10 auf diese Ausführungen verwiesen werden kann.
  • Im Drucktopf 22 ist der Verdampfer 8 aufgenommen, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Plattenwärmeaustauscher 26 ausgeführt ist. Ein Eingangsanschluss 28 des Plattenwärmeaustauschers 26 ist kopfseitig aus dem Drucktopf 22 herausgeführt und an eine nach unten verlaufende Verbindungsleitung 30 angeschlossen, in der ein die Expansionseinrichtung ausbildendes Regelventil (Drosselventil) 32 und ein Rückschlagventil 34 angeordnet sind. Dieses Rückschlagventil 34 ermöglicht eine Kältemittelströmung nach oben zum Eingangsanschluss 28 des Plattenwärmeaustauschers 26. Die Verbindungsleitung 30 ist stromaufwärts des Regelventils mit dem Kondensator 4 verbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine schlangenrohrförmige Rohrwicklung 36 gebildet ist, die im Inneren eines Wendels 38 geführt ist, das vom Heizwasser eines Heizkreislaufs durchströmt wird, das über einen Heizwassereintritt 40 zuströmt und über einen Heizwasseraustritt 42 abgeführt wird. Das heißt, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Wärmetauscher des Heizkreislaufs und der Kondensator 4 des Wärmepumpensystems 1 durch ein wendelförmiges Doppelrohrsystem ausgebildet, wobei das Innenrohr durch die Rohrwicklung 36 gebildet ist, die von der schlangenförmigen Wendel 38 des Heizwasserkreislaufs umgeben ist. Heizwasser strömt somit im Ringraum zwischen der Wendel 38 und der Rohrwicklung 36, das kondensierende CO2 im Innenraum der Rohrwicklung 36.
  • Wie in 2 angedeutet, sind der Drucktopf 22 und die Doppelrohrwendel in einem isolierten Raum 44 aufgenommen. Die Verdichteranordnung 2 ist auf der Kopfplatte 16 montiert und besteht im Wesentlichen aus drei Verdichtern 50, 52, 54, deren Eingangs- und Ausgangsanschlüsse derart miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam oder in Teilkombination CO2 verdichten können. Ein mit einem Kondensatoreingang des Kondensators 46 verbundener Druckanschluss 48 der Verdichteranordnung ist über eine Ringleitung 62 sowie jeweils einer Druckleitung 56, 58, 60 mit den jeweiligen Druckanschlüssen der Verdichter 50, 52, 54 verbunden. Deren Sauganschlüsse sind über Saugleitungen 64, 66, 68 mit einer Saugringleitung 70 verbunden, die in einem Sauganschluss 72 der Verdichter anordnung 2 mündet. Die drei Verdichter 50, 52, 54 sind beispielsweise handelsübliche Hubkolbenverdichter, die für CO2 geeignet sind. Diese werden mittels Öl gekühlt/geschmiert, das über eine ringförmige, die Ölsümpfe verbindende Ölleitung 74 zirkuliert.
  • Die drei Verdichter 50, 52, 54 sind an der Oberseite der Kopfplatte 16 angeflanscht. An der in 2 sichtbaren unteren Großfläche der Kopfplatte 16, d. h. im Inneren des Gehäuses sind Regel- und Elektrostarteinheiten 76, 78, 80 der drei Motor-Verdichter 50, 52, 54 befestigt. Durch das Anbringen der Verdichter 50, 52, 54 außerhalb des Wärmepumpenkopfs 11 wird deren Überhitzung verhindert, die vergleichsweise empfindliche Elektronik ist jedoch im Inneren des Gehäuses 14 gegen Umwelteinflüsse geschützt.
  • Der Sauganschluss 72 der Verdichteranordnung 2 ist über eine Rohrleitung mit einem Ausgangsanschluss 82 des Plattenwärmeaustauschers 26 des Verdampfers 8 verbunden.
  • Das aus diesem Verdampfer 8 über Kopf abströmende gasförmige oder sonstige Kältemittel tritt über den Sauganschluss 72 in die Verdichteranordnung 2 ein, wird dort auf den erforderlichen Systemdruck verdichtet und über den Druckanschluss 48 zurück in den Wärmepumpenkopf 12 geführt. Das verdichtete, gasförmige Kältemittel tritt dann über den Kondensatoreingang 46 in den Kondensator 4 ein, der durch die innen liegende Rohrwicklung 36 gebildet ist. Durch Wärmeaustausch mit dem die Wendel 38 durchströmenden Heizwasser wird das Kältemittel kondensiert. Das Kondensat tritt dann von unten in die Verbindungsleitung 30 ein, durchströmt das Rückschlagventil 34 und wird über das Regelventil 32 entspannt. Das entspannte, flüssige Kältemittel strömt dann durch den Eingangsanschluss 28 in das Innere des Drucktopfs 22 und tritt in den Plattenwärmeaustauscher 26 ein.
  • Im Kondensationsraum 24 befindet sich das über die Erdwärmesonde 10 verdampfte CO2, das auch dem Plattenwärmeaustauscher 26 zugeführt wird und durch Wärmeaustausch mit dem den Plattenwärmeaustauscher 26 durchströmenden Kältemittel kondensiert wird und nach Austreten aus dem Plattenwärmeaustauscher 26 als Kondensatfilm wieder nach unten abströmt.
  • Die frei werdende Kondensationswärme verdampft das im Plattenwärmeaustauscher 26 strömende flüssige Kältemittel, so dass dieses gasförmig über den Ausgangsanschluss 82 des Verdampfers 8 zum Sauganschluss 72 der Verdichteranordnung 2 zurückströmt – der Kreislauf beginnt von Neuem.
  • Anhand der 3 bis 5 werden unterschiedliche Plattenwärmeaustauschertypen 26 erläutert.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht, eine Vorderansicht und eine Draufsicht auf einen Drucktopf 22 aus 1, in dem ein Plattenwärmeaustauscher 26 aufgenommen ist. Der Drucktopf 22 hat ein zylinderförmiges Mittelteil 88, das mit einem Kopfteil 90 und einem Fußteil 92 druckdicht verschweißt ist.
  • Im Kopfteil 90 sind der in 2 beschriebene Ausgangsanschluss 82 für das aus dem Verdampfer 8 abströmende verdampfte Kältemittel, ein Anschluss für die Füllleitung 86 und der Eingangsanschluss 28 für das entspannte Kondensat ausgebildet. Der Ausgangsanschluss 82 ist über eine Leitung 94 mit einem Kältemittel-Dampfauslass 96 des Plattenwärmeaustauschers 26 verbunden. Der Aufbau derartiger Plattenwärmeaustauscher 26 ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass detaillierte Erläuterungen entbehrlich sind. Ein derartiger Plattenwärmeaustauscher 26 hat eine Vielzahl von in einem Paket zusammengesetzte wellenförmig profilierte Platten, wobei in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen einmal das Kältemittel und danach der wärmeabgebende Wärmeträger, im vorliegenden Fall das CO2 der Erdwärmesonde 10, strömt. Das Plattenpaket ist nach außen und zwischen den wärmeaustauschenden Medien abgedichtet und mittels Spannschrauben oder dergleichen zusammengehalten. Aufgrund der besonderen Bauweise können derartige Plattenwärmeaustauscher 26 sehr gut durch setzen weiterer Platten erweitert werden und können flexibel an die jeweils vorliegende Geometrie angepasst werden.
  • Die PWT können auch verschweißt oder verlötet sein, was für den Einbau in einen auch verschweißten Druckbehälter sinnvoll ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Plattenwärmeaustauscher 26 stehend in dem Drucktopf 22 angeordnet, so dass dieser relativ schmal, mit kleinem Radius ausgeführt werden kann.
  • Die Zufuhr des Kältemittels erfolgt ausgehend vom Eingangsanschluss 28 über eine Kältemittel-Kondensatleitung 98 zu einem fußseitig angeordneten Kältemittel-Kondensatzufluss 100.
  • Die Erdwärmesonde 10 ist – wie bereits anhand 2 erläutert – an einen am Fußteil 92 angeordneten Stutzen 102 angeschlossen, so dass der verdampfte Wärmeträger, im vorliegenden Fall das CO2-Gas in den Kondensationsraum 24 eintreten kann. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ragt vom Kondensationsraum 24 her ein Rohr 104 in den Stutzen 102, über das das CO2-Gas zu einem Wärmeträgereinlass 106 geleitet wird. Das im Plattenwärmeaustauscher 26 kondensierte CO2-Kondensat wird über einen fußseitigen Wärmeträgerauslass 108 über einen Konus- oder Klöpperboden und ein kleines Standrohr 110 hin zur Innenumfangswandung des Drucktopfs 22 geleitet, so dass das Kondensat entlang dieser Innenumfangswandung zum Stutzen 102 und von dort als Kondensatfilm an den Innenumfangswandungen der Erdwärmesonde 10 zum Sondenfuß abfließt und in Wärmeaustausch mit der Erde tritt.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mündet das Rohr 104 in den Wärmeträgereinlass 106 ein. Prinzipiell ist es auch möglich, die gasförmige Phase aus der Erdwärmesonde 10 über ein kürzeres Standrohr nach oben in den Kondensationsraum 24 zu leiten und dort frei ausströmen zu lassen. Die Gasphase tritt dann über den Wärmeträgereinlass 106 in den Plattenwärmeaustauscher 26 in dem Maße ein, wie innerhalb dessen eine Kondensation stattfindet, so dass das dabei abströmende Kondensat durch die Gasphase ersetzt wird.
  • Beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein großer Standard-Plattenwärmeaustauscher 26 verwendet. 4 zeigt eine Variante, bei der anstelle eines großen, relativ lang bauenden Plattenwärmeaustauschers 26 zwei kleinere, kürzer bauende Plattenwärmeaustauscher 26a, 26b verwendet werden. Der Grundaufbau ist im Prinzip der gleiche. Jeder der Plattenwärmeaustauscher 26a, 26b hat die Anschlüsse 96, 100, 106, 108, wobei die zueinander gehörenden Anschlüsse 96a, b; 100a, b; 106a, b und 108a, b durch Verbindungsleitungen miteinander verbunden sind, in die die jeweiligen Anschlussleitungen einmünden. So erstreckt sich zwischen den beiden Wärmeträgereinlässen 106a, 106b eine Verbindungsleitung 30, die mit dem in den Stutzen 102 eintauchenden Rohr 104 verbunden ist. Entsprechend mündet die Kondensatleitung 98 in eine Kondensatverbindungs leitung 114, die Leitung 94 in eine nicht dargestellte Auslassverbindungsleitung zwischen den Dampfauslässen 96a, 96b und das Standrohr 110 ist über einen etwa U-förmig ausgebildeten Rohrleitungsabschnitt 116 mit den beiden Wärmeträgerauslässen 108a, 108b verbunden. Das Standrohr 110 ist wie beim vor beschriebenen Ausführungsbeispiel wieder so positioniert, dass das Kondensat in Richtung auf die Innenumfangswandung des Drucktopfs 22 abströmt und von dort zur Erdwärmesonde 10 abfließt.
  • Auch bei diesen kleinen, kompakten Plattenwärmeaustauschern 26 handelt es sich um Standardbauteile, die auch hinsichtlich der Druckfestigkeit den Anforderungen genügen. Wie bereits eingangs erwähnt, sind die den oder die Plattenwärmetauscher 26 durchströmenden Medien und auch der Kondensationsraum 24 etwa mit dem gleichen Druck beaufschlagt, so dass die Plattenwärmeaustauscher 26 aufgrund dieser Druckausgeglichenheit auch bei Systemdrücken einsetzbar sind, die höher als der nominell zulässige Betriebsdruck liegt.
  • Der Vorteil bei der in 4 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass diese relativ kurz gebaut ist – dies wird jedoch mit dem Nachteil eines etwas größeren Durchmessers als beim eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel erkauft. Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Anschlüsse 96, 100, 106, 108 jeweils an den deutlichen Großflächen der Plattenwärmeaustauscher 26 angeordnet. Eine derartige Anordnung ist insbesondere bei Konstruktionen gemäß 4 miteinander gegenüberliegenden Plattenwärmeaustauschern 26 vorteilhaft. Bei Verwendung eines einzelnen Plattenwärmeaustauschers 26 kann es vorteilhaft sein, diese Anschlüsse 96, 100, 106, 108 stirnseitig, d. h. an den oben- und untenliegenden Seitenflächen vorzusehen. 5 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel, das allerdings eine Sonderanfertigung ist. Die Geometrie dieses Plattenwärmeaustauschers 26 ist in optimaler Weise an diejenige des Drucktopfs 22 angepasst, wobei der Plattenwärmeaustauscher 26 sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung den Abmessungen des Drucktopfs 22 angepasst ist. Die Anschlüsse 96, 100, 106, 108 münden jeweils etwa Achsparallel an den oben- und untenliegenden Stirnflächen 118, 120, so dass die entsprechenden Leitungen ebenfalls stirnseitig angeschlossen werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, einen einzelnen Plattenwärmeaustauscher 26 mittig entlang der Längsachse des Drucktopfs 22 anzuordnen. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit einem einzelnen Plattenwärmeaustauscher 26 ist dieser seitlich versetzt, da die genannten Leitungen von der Seitenfläche her angeschlossen werden müssen. Durch die zentrale Anordnung des Plattenwärmeaustauschers 26 gemäß 5 ist die Temperaturverteilung im Kondensationsraum 24 optimal, so dass der Wirkungsgrad des Plattenwärmeaustauschers 26 gegenüber den vorbeschriebenen Lösungen erhöht sein dürfte.
  • Dieser Vorteil wird etwa dadurch aufgebraucht, dass beispielsweise das Rohr 104 und die Kondensatleitung 98 im Stirnflächenbereich zu den Anschlüssen hin relativ stark umgelenkt werden müssen. Dieser Nachteil kann jedoch zumindest teilweise dadurch aufgehoben werden, indem – wie vorstehend ausgeführt, anstelle des Rohrs 104 ein Standrohr 110 in den Stutzen 102 eingesetzt wird, durch das hindurch die aus der Erdwärmesonde 10 nach oben aufsteigende Gasphase nach oben in den Kondensationsraum 24 hineingeleitet und dort frei austritt. Das über das Standrohr 110 aus dem Plattenwärmeaustauscher 26 abströmende CO2-Kondensat wird dann durch die aus dem Kondensationsraum 24 in den Wärmeträgereinlass 106 nachströmenden CO2-Gasphase ersetzt. Ansonsten spricht auch dieses Ausführungsbeispiel demjenigen aus 3, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
  • 1
    Wärmepumpensystem
    2
    Verdichteranordnung
    4
    Kondensator
    6
    Drossel
    8
    Verdampfer
    10
    Erdwärmesonde
    12
    Wärmepumpenkopf
    14
    Gehäuse
    16
    Kopfplatte
    18
    Erdbohrung
    20
    Anschluss
    22
    Drucktopf
    24
    Kondensationsraum
    26
    Plattenwärmetauscher
    28
    Eingangsanschluss
    30
    Verbindungsleitung
    32
    Regelventil
    34
    Rückschlagventil
    36
    Rohrwicklung
    38
    Wendel
    40
    Heizwassereintritt
    42
    Heizwasseraustritt
    44
    Raum
    46
    Kondensatoreingang
    48
    Druckanschluss
    50
    Verdichter
    52
    Verdichter
    54
    Verdichter
    56
    Druckleitung
    58
    Druckleitung
    60
    Druckleitung
    62
    Ringleitung
    64
    Saugleitung
    66
    Saugleitung
    68
    Saugleitung
    70
    Saugringleitung
    72
    Sauganschluss
    74
    Ölleitung
    76
    Antriebseinheit
    78
    Antriebseinheit
    80
    Antriebseinheit
    82
    Ausgangsanschluss
    84
    CO2-Füllventil
    86
    Füllleitung
    88
    Mittelteil
    90
    Kopfteil
    92
    Fußteil
    94
    Leitung
    96
    Dampfauslass
    98
    Kondensatleitung
    100
    Kondensatzufluss
    102
    Stutzen
    104
    Rohr
    106
    Wärmeträgereinlass
    108
    Wärmeträgerauslass
    110
    Standrohr
    112
    Verbindungsleitung
    114
    Kondensatverbindungsleitung
    116
    Rohrleitungsabschnitt
    118
    Stirnfläche
    120
    Stirnfläche
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4211576 A1 [0008]
    • - DE 29824676 U1 [0009]
    • - DE 3115743 A1 [0010]
    • - DE 202004015819 U1 [0011]
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    • - DE 10327602 A1 [0033]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - www.hakagerodur.ch [0007]

Claims (11)

  1. Wärmepumpensystem mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel und einer Verdichteranordnung (2), einem Kondensator (4), einer Expansionseinrichtung (6) und einem Verdampfer (8), der durch Energiekopplung mit einer Erdwärmesonde (10) betrieben ist, wobei Kondensationswärme des Kältemittels zum Beheizen eines Mediums verwendbar ist, wobei der Verdampfer (8) in einem Drucktopf (22) aufgenommen ist, in den die Erdwärmesonde (10) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (8) ein Plattenwärmeaustauscher (26) ist, in dem der Wärmeträger der Erdwärmesonde (10) kondensiert und das Kältemittel verdampft wird.
  2. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmeträger-Kondensatauslass (108) des Plattenwärmeaustauschers (26) frei in den Drucktopf (22) einmündet.
  3. Wärmepumpensystem nach Anspruch 2, wobei der Wärmeträger-CO2-Gaseinlass (106) über ein Rohr (104) mit der Erdwärmesonde (10) verbunden ist.
  4. Wärmepumpensystem nach Anspruch 2, wobei der von der Erdwärmesonde (10) aufsteigende, sich in der Gasphase befindliche Wärmeträger über ein Standrohr (110) frei in den Drucktopf (22) eintritt.
  5. Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattenwärmeaustauscher (26) etwa druckausgeglichen ist.
  6. Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei vergleichsweise kleine Plattenwärmeaustauscher (26) parallel geschaltet sind.
  7. Wärmepumpensystem einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Anschlüsse (96, 100, 106, 108) des Plattenwärmeaustauschers (26) zur Zu- und Abfuhr der Medien seitlich am Plattenwärmeaustauscher (26) vorgesehen sind.
  8. Wärmepumpensystem nach Anspruch 6 und 7, wobei die Anschlüsse (96, 100, 106, 108) einander zugewandten Seitenflächen des Plattenwärmeaustauschers (26) vorgesehen sind.
  9. Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kopfteil (90) des Drucktopfs (22) Anschlüsse (28, 82) zur Niederdruck- und Hochdruckseite der Verdichteranordnung (2) vorgesehen sind.
  10. Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anschlüsse zur Zu- und Abfuhr des Kältemittels und des Wärmeträgers stirnseitig am Plattenwärmeaustauscher (26) ausgebildet sind.
  11. Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattenwärmeaustauscher (26) stehend ausgeführt ist, wobei die Anschlüsse (96, 106) in Schwerkraftrichtung gesehen oben und die Flüssigphasen-Anschlüsse (100, 108) fußseitig am Plattenwärmeaustauscher (26) vorgesehen sind.
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