DE3339806C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Das Betriebsverhalten einer Heizanlage ist von einer Vielzahl von Einflußgrößen abhängig. Ihre Auslegung er­ folgt auf Grund der Berechnung des Wärmebedarfs für ein Gebäude. Die Wärmepumpe entnimmt einen großen Teil der Nutzwärme aus der Umgebung und ist somit von der Witte­ rung abhängig. Bei niedrigen Außentemperaturen sind ent­ sprechend der Heizkurve hohe Vorlauftemperaturen erfor­ derlich. Bei ansteigender Außentemperatur nimmt der Wär­ mebedarf eines Hauses ab und die abgegebene Nutzwärme der Wärmepumpe steigt erheblich an.

Die überwiegende Anzahl der Luft/Wasser-Wärmepumpen werden bivalent eingesetzt, d. h., sie ergänzen einen schon bestehenden oder neu zu errichtenden Wärmeerzeu­ ger. Üblicherweise werden diese Wärmepumpen auf bei­ spielsweise 50% des maximalen Wärmebedarfs ausgelegt, so daß sie bis zu einer vorbestimmten Außentemperatur, abhängig von der jeweiligen Klimazone, den Wärmebedarf eines Gebäudes allein decken können. Die unter dieser Außentemperatur notwendige Umschaltung von der Wärme­ pumpe auf den Ergänzungswärmeerzeuger erfolgt automa­ tisch und ist hinsichtlich der zu wählenden Außentempe­ ratur einstellbar.

Es ist eine zweistufige Verdichter-Kältemaschine bekannt, die im Vergleich mit einer einstufigen Kältemaschine ei­ nen zusätzlichen Apparat, nämlich den Mitteldruckbehäl­ ter enthält in dem einmal der Drosseldampf der Hochdruck­ stufe von der Flüssigkeit getrennt und zum anderen der von der Niederdruckstufe kommende Dampf kondensiert wird. Der Niederdruckverdichter fördert den aus Verdampfer bei dem Verdampferdruck abgesaugten Dampf in den Mitteldruck­ behälter, in dem ein Zwischendruck herrscht. Hier mischt sich dieser Dampf mit dem Dampf/Flüssigkeitsgemisch, das aus dem Hochdruckkreislauf stammt. Der Hochdruckverdich­ ter saugt aus dem Mitteldruckbehälter Sattdampf an und verdichtet ihn auf den Verflüssigungsdruck. Der verflüs­ sigte Arbeitsstoff wird über ein Expansionsventil in den Mitteldruckbehälter eingespritzt, wo er teilweise ver­ dampft. Ein weiteres Expansionsventil senkt den Druck des flüssigen Arbeitsstoffes schließlich auf den Ver­ dampfungsdruck ab. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß unzulässige und unwirtschaftliche Druckverhältnisse oder die zulässige Druckdifferenz z. B. bei tiefen Ver­ dampfungstemperaturen überschritten werden (Lehrbuch der Kältetechnik, Verlag C. F. Müller Karlsruhe 1975, Sei­ ten 183 und 184).

Ferner ist bekannt, daß eine zweistufige Wärmepumpe mit Mitteldruckbehälter eine Verbesserung der Effektivität des Prozesses bringt, wenn die Verdampfungs- und die Verflüssigungstemperaturen der Wärmepumpe weit auseinan­ der liegen. Bei einer monovalenten Luft/Wasser-Wärmepum­ pe zur Raumheizung mit einem Nutzwärmestrom am kältesten Tag von beispielsweise 100 kW bei einer Umgebungstemperatur von -15°C verbessert sich die Leistungszahl und der exergetische Wirkungsgrad einer zweistufigen Wärmepumpe gegenüber einer einstufigen Wärmepumpe um etwa 17% (Herbert Kirn, Wärmepumpen, Band 1: Grundlagen der Wärmepumpentechnik, 6. neubearbeitete Auflage 1983, Seiten 67 bis 75).

Der Wärmebedarf eines Wohnhauses ändert sich im allgemeinen täglich und während einer Heizperiode im Jahr. Er ist etwa pro­ portional der Temperaturdifferenz zwischen den Außentempera­ turen und der Raumtemperatur des Wohnhauses. Der Verflüssiger- Wärmestrom der Wärmepumpe kann somit alle Werte zwischen Null und Vollast annehmen. Dem muß sich ein Verdichter anpassen. Diese Verdichter lassen sich nur im Ein-Aus-Verfahren, dem Zweipunktverfahren steuern. Für Wärmepumpenanlagen eignet sich dieses Verfahren schlecht, da während der Übergangszeit oder bei durchschnittlicher Winteraußentemperatur der Verdichter oder die mehrstufig angeordneten Verdichter je Regelspiel ver­ gleichsweise kurz ein- und lange ausschalten, um die mittlere Wärmeabgabe dem Wärmebedarf des Wohnhauses anzupassen.

Es ist weiterhin eine gattungsgemäße mehrstufige Wärmepumpe mit mehreren Mittel­ druckbehältern bekannt, deren einzelne Stufen in Abhängigkeit von der Außentemperatur abgeschaltet werden können. Zu diesem Zweck ist der Hochdruckeingang der zwischen den Mitteldruckbe­ hältern jeweils angeordneten Drosseln über zwei Ventile mit dem Eingang eines vor dem Verdampfer angeordneten Expansionsventils verbunden und den einzelnen Stufen sind jeweils zwei Dreiweg­ ventile zugeordnet, die einen Mitteldruckbehälter mit dem nach­ folgenden Verdichter und diesen Verdichter mit einer zum Aus­ gang des Verdampfers führenden Leitung verbindet (DE-OS 32 02 593).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wärmepumpe mit mehrstufiger Verdichtung, bei der die Heiz­ leistung der Wärmepumpe an den Wärmebedarf eines Wohnhauses durch mehrere Leistungsstufen angepaßt wird die Leistungszahl der Wärmepumpe zu erhöhen und ein Abtauen des Ver­ dampfers zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß den Stufen jeweils ein Dreiwegventil zugeordnet ist, das ei­ nerseits jeweils einen Mitteldruckbehälter mit jeweils dem nachfolgenden Verdichter und andererseits diesen nach­ folgenden Verdichter mit dem Verdampfer über eine Lei­ tung verbindet und daß jeweils der Hochdruckeingang der Druckregler und des Hochdruckreglers über eine Umge­ hungsleitung, die mit einem Magnetventil versehen ist, jeweils mit dem Eingang des Expansionsventils verbunden ist, kann man einzelne Stufen dieser Wärmepumpenanlage abschalten und erreicht dadurch eine stufenweise Anpas­ sung der Heizleistung der Wärmepumpe an den Wärmebedarf des Wohnhauses.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Wärmepumpe ist der Hochdruckeingang des Druckreglers, der dem Kondensator nachgeschaltet ist, über die Umge­ hungsleitung mit dem Eingang des Mitteldruckbehälters verbunden, der dem Expansionsventil vorgeschaltet ist. Durch diese Gestaltung wird dieser Mitteldruckbehälter als Flüssigkeitssammler verwendet. Somit ist die Wärme­ austauschfläche im Kondensator ausschließlich für die Kondensation vorgesehen und wird nicht durch bereits kondensierte Flüssigkeit verkleinert. Dadurch erhält man einen besseren Wärmeaustausch im Kondensator und einen höheren Wirkungsgrad.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Wär­ mepumpe ist der Ausgang des Kondensators über eine Lei­ tung, die mit einem Rückschlagventil und mit einem Ex­ pansionsventil versehen ist, mit dem Eingang des Ver­ dampfers verbunden. Mit Hilfe des Umschaltventils, das zwischen dem Kondensator und dem vorgeschalteten Ver­ dichter vorgesehen ist, kann man den Kreislauf der Wär­ mepumpe umkehren. Durch dieses Kreislaufumkehrverfahren erfolgt das Abtauen des Verdampfers. Der komprimierte Heißdampf wird dann von der obersten Stufe zum Verdampfer geführt und kondensiert, wobei das Eis abtaut. Das Kon­ densat wird zum Expansionsventil geführt, im Kondensator verdampft und wieder vom nachfolgenden Verdichter abge­ saugt. Das Abtauen erfolgt damit in einstufigem Betrieb nur mit dem Verdichter der höchsten Stufe.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Wärme­ pumpe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine dreistufige Wärmepumpe gemäß der Er­ findung und in

Fig. 2 ist das Kennlinienfeld der dreistufigen Wärmepum­ pe dargestellt.

In der Ausführungsform nach der Fig. 1 enthält eine drei­ stufige Wärmepumpe 2 einen Verdampfer 4, mehrere Verdich­ ter 6 und einen Kondensator 8. Zwischen zwei benachbar­ ten Verdichtern 6 ist jeweils ein Mitteldruckbehälter 10 angeordnet. Jeweils zwei benachbarte Mitteldruckbehälter 10 sind über einen Druckregler 12 miteinander verbunden. Zwischen dem Verdampfer 4 und dem vorgeschalteten Mittel­ druckbehälter 10 ist ein Expansionsventil 14 angeordnet. Außerdem ist zwischen dem Kondensator 8 und dem nachfol­ genden Mitteldruckbehälter 10 ein Hochdruckregler 16 vorgesehen. Den Stufen der Wärmepumpe 2 ist jeweils ein Dreiwegventil 18 zugeordnet, das einerseits jeweils ei­ nen Mitteldruckbehälter 10 mit jeweils dem nachfolgenden Verdichter 6 und andererseits diesen nachfolgenden Ver­ dichter 6 über eine Leitung 20 mit dem Verdampfer 4 ver­ bindet. Die Verdichter 6 der dreistufigen Wärmepumpe 2 sind jeweils über eine Leitung 22, die mit einem Rück­ schlagventil 24 versehen ist, mit seinem zugeordneten Mitteldruckbehälter 10 verbunden. Der Hochdruckeingang 26 des Druckreglers 12 und des Hochdruckreglers 16 ist jeweils über eine Umgehungsleitung 28, die mit einem Magnetventil 30 versehen ist, mit dem Eingang 32 des Expansionsventils 14 verbunden. Weiterhin ist zwischen dem Kondensator 8 und dem vorgeschalteten Verdichter 6 ein Umschaltventil 34 vorgesehen. Außerdem ist der Aus­ gang 36 des Kondensators 8 über eine Leitung 38, die mit einem Rückschlagventil 42 und mit einem Expansionsventil 44 versehen ist, mit dem Eingang 40 des Verdampfers 4 verbunden. Ferner ist zwischen dem Hochdruckeingang 26 des Hochdruckreglers 16 und dem Ausgang 36 des Konden­ sators 8 ein Rückschlagventil 46 vorgesehen. Unter Um­ ständen kann es zweckmäßig sein, den Hochdruckeingang 26 des Hochdruckreglers 16, der dem Kondensator 8 nachge­ schaltet ist, über eine, in der Figur durch eine ge­ strichelte Linie angedeutete, Umgehungsleitung mit dem Eingang 48 des Mitteldruckbehälters 10, der dem Expan­ sionsventil 14 vorgeschaltet ist, zu verbinden.

Im Kennlinienfeld nach Fig. 2 ist die Leistung P der dreistufigen Wärmepumpe 2 über der Außentemperatur T aufgetragen. Eine Gerade a mit einer negativen Steigung stellt den Wärmebedarf eines Wohnhauses über einen Tem­ peraturbereich von beispielsweise -15°C bis 15°C dar. Im Auslegungspunkt B _V der Wärmepumpe 2 schneidet eine Gera­ de b mit positiver Steigung die Gerade a. Dieser Ausle­ gungspunkt B _V ist beispielsweise bei 0°C festgelegt. Die­ se Gerade b stellt die Heizleistung der Wärmepumpe 2 im dreistufigen Betrieb dar. Bei einer Umschalttemperatur U _{T 1} von beispielsweise 5°C schneidet eine Gerade c mit positiver Steigung die Gerade a. Diese Gerade c veran­ schaulicht die Heizleistung der Wärmepumpe 2 im zweistu­ figen Betrieb. Ferner wird die Gerade a bei einer Um­ schalttemperatur U _{T 2} von beispielsweise 10°C von einer Geraden d mit positiver Steigung geschnitten, welche die Heizleistung der Wärmepumpe 2 im einstufigen Betrieb darstellt.

Bei Außentemperaturen, die tiefer sind als die Umschalt­ temperatur U _{T 1} wird die Wärmepumpe 2 dreistufig betrie­ ben. Dazu befinden sich die Dreiwegventile 18 in den Stellungen A-B und die Magnetventile 30 sind geschlos­ sen. Der Verdichter 6, der dem Verdampfer 4 nachgeschal­ tet ist, saugt den Kältemitteldampf bei einem Verdam­ pfungsdruck p ₀ aus dem Verdampfer 4 ab und verdichtet den Dampf auf einen mittleren Druck p _{z 1}, der sich zwi­ schen dem Verdampfungsdruck p ₀ der ersten Stufe und ei­ nem Druck p der zweiten Stufe befindet. Der Mitteldruck­ dampf kondensiert im Mitteldruckbehälter 10. Der nach­ folgende Verdichter 6 saugt aus dem Mitteldruckbehälter 10 Kältemitteldampf ab und verdichtet diesen Dampf auf einen Druck p _{z 2}, der sich zwischen dem mittleren Druck p _{z 1} und einem Kondensationsdruck p _c befindet. Im Kon­ densator 8 wird der Dampf unter Abgabe von Wärme an das Heizungssystem eines Wohnhauses verflüssigt, durch das Hochdruckventil 16 auf den Druck p _{z 2} entspannt und in den nachgeschalteten Mitteldruckbehälter 10 befördert. Von diesem Mitteldruckbehälter 10 gelangt die Kühlflüs­ sigkeit vom Druck p _{z 2} über den Druckregler 12 auf den Druck p _{z 1} und in den nachfolgenden Mitteldruckbehälter 10. Die Kühlflüssigkeit dieses Mitteldruckbehälters 10 wird über das Expansionsventil 14 auf den Verdampfungs­ druck p ₀ entspannt und in den Verdampfer 4 eingespritzt.

Sobald die Außentemperatur gemäß Fig. 2 die erste Um­ schalttemperatur U _{T 1} erreicht, wird die erste Stufe der dreistufigen Wärmepumpe abgeschaltet, indem das erste Dreiwegventil 18 in die Stellung B-C geschaltet wird und der erste Mitteldruckbehälter 10 mit Hilfe der Umgehungs­ leitung 28 überbrückt wird, indem das Magnetventil 30 geöffnet wird. Dieser zweistufige Betrieb wird aufrecht­ erhalten, bis die Außentemperatur die zweiten Umschalt­ temperatur U _{T 2} erreicht. Bei dieser Umschalttemperatur U _{T 2} wird das zweite Dreiwegventil 18 in die Stellung B-C gebracht und die beiden Mitteldruckbehälter 10 werden mit Hilfe der Umgehungsleitung 28 überbrückt, indem das Magnetventil 30 in dieser Umgehungsleitung 28 geöffnet wird.

Durch diese Gestaltung der mehrstufigen Wärmepumpe 2 wird ihre Heizleistung stufenweise dem Wärmebedarf des Wohnhauses angepaßt. Außerdem erreicht man, daß die Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen der Wär­ mepumpe 2 auf Grund der dann kleineren Temperaturdif­ ferenzen im Verdampfer und Kondensator näher beieinan­ der liegen.

Aus der Fig. 2 kann man entstehen, daß beispielsweise bei einer Außentemperatur von 11°C die Wärmepumpe 2 eine Heizleistung von beispielsweise etwa 2,5 kW mit der dritten Stufe liefert, aber der Wärmebedarf des Wohn­ hauses bei dieser Außentemperatur nur etwa 2 kW beträgt. Bei einer einstufigen Wärmepumpe würde die Heizleistung beispielsweise 10 kW betragen. Das heißt, bei einer einstufi­ gen Wärmepumpe müßte diese gelieferte Heizleistung mit Hilfe der Zweipunktsteuerung auf dem Wärmebedarf des Wohnhauses gemittelt werden. Außerdem ist diese Lei­ stungsdifferenz zwischen Heizleistung und Wärmebedarf des Hauses proportional der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator.

Ferner kann man bei dieser mehrstufigen Wärmepumpe 2 durch ein Kreislaufumkehrverfahren automatisch den Ver­ dampfer 4 im einstufigen Betrieb abtauen. Dazu wird das Umschaltventil 34 von der Normalstellung S-I/D-II in die Stellung S-II/D-I geschaltet. Außerdem ist jenes Drei­ wegventil 18 in der Stellung B-C, das in der höchsten Stufe der Wärmepumpe 2 angeordnet ist. Der komprimierte Heißdampf wird dann von der obersten Stufe zum Verdamp­ fer 4 geführt und kondensiert, wobei das Eis abtaut. Dieses Kondensat wird dann über die Leitung 38 zum Ex­ pansionsventil 44 geführt, im Kondensator 8 wieder ver­ dampft und vom Verdichter 6, der dem Kondensator 8 nach­ geschaltet ist, wieder abgesaugt. Ist der Abtauvorgang beendet, wird das Umschaltventil 34 wieder in die Nor­ malstellung S-I/D-II und das Dreiwegventil 18 der höch­ sten Stufe der Wärmepumpe 2 in die Stellung A-B geschal­ tet. Wegen der niedrigen Kondensationstemperatur beim Abtauen, ist die Abtauleistung entsprechend hoch und man benötigt nur einen einzigen Verdichter. Im allgemeinen vereisen die Verdampfer von Wärmepumpen bei Außentempe­ raturen von beispielsweise 0°C bis 5°C. In diesem Tempe­ raturbereich wird diese Wärmepumpe 2 dreistufig gefah­ ren, d. h. beim automatischen Abtauen wird nicht nur der Kreislauf der Wärmepumpe 2 umgekehrt, sondern auch vom Dreistufenbetrieb auf Einstufenbetrieb umgeschaltet.

Claims (4)

1. Wärmepumpe mit mehrstufiger Verdichtung, insbesondere für die Raumheizung eines Wohnhauses, mit

• - einem Verdampfer (4),
• - mehreren Verdichtern (6),
• - einem Kondensator (8),
• - jeweils einem Mitteldruckbehälter (10), die zwischen zwei be­ nachbarten Verdichtern (6) angeordnet sind und von denen je­ weils zwei benachbarte über einen Druckregler (12) miteinander verbunden sind,
• - einem Expansionsventil (14), das zwischen dem Verdampfer (4) und dem vorgeschalteten Mitteldruckbehälter (10) angeordnet ist,
• - einem Hochdruckregler (16), der zwischen dem Kondensator (8) und dem nachfolgenden Mitteldruckbehälter (10) angeordnet ist, wobei
• - den Stufen jeweils wenigstens ein Dreiwegventil (18) zugeord­ net ist, das einerseits jeweils einen Mitteldruckbehälter (10) mit jeweils dem nachfolgenden Verdichter (6) und ande­ rerseits diesen nachfolgenden Verdichter (6) mit dem Ver­ dampfer (4) über eine Leitung (20) verbindet und
• - der Hochdruckeingang (26) der Druckregler (12) über eine Umgehungsleitung (28), die mit einem Ventil versehen ist, jeweils mit dem Eingang (32) des Expansionsventils (14) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeweils in einer Leitung (22) zwischen einem Verdichter (6) und dem zugeordneten Mitteldruckbehälter (10) ein Rück­ schlagventil (24) angeordnet ist,
• - daß der Hochdruckeingang des Hochdruckreglers (16) ebenfalls über eine Umgehungsleitung (28), die mit einem Magnetventil (30) versehen ist, mit dem Eingang (32) des Expansionsventils (14) verbunden ist,
• - daß zwischen dem Kondensator (8) und dem vorgeschalteten Verdichter (6) ein Umschaltventil (34) vorgesehen ist
• - und daß der Ausgang (36) des Kondensators (8) über eine mit einem Expansionsventil (44) und einem Rückschlagventil (42) versehene Leitung (38) mit dem Eingang (40) des Verdampfers (4) verbunden ist.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochdruckeingang (26) des Hoch­ druckreglers (16), der dem Kondensator (8) nachgeschaltet ist, über die Umgehungsleitung (28) mit dem Eingang (48) des Mittel­ druckbehälters (10) verbunden ist, der dem Expansionsventil (14) vorgeschaltet ist.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Hochdruckeingang (26) des Druckreglers (16) und dem Ausgang (36) des Konden­ sators (8) ein Rückschlagventil (46) vorgesehen ist.