DE20216324U1 - Wärmepumpe mit Kühlfunktion - Google Patents

Description

Wärmepumpe mit Kühlfunktion Zusammenfassung

Wärmepumpe zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung und mit Erdreich als Wärmequelle für den Verdampfer und Sole als Trägermedium der Erdreichwärme, sowie der direkten Nutzung der Sole im Sommer zur Luftkühlung und mit Unterstützung durch Umschaltung der Wärmepumpe auf Kühlbetrieb, indem die Sole in mindestens zwei Sonden (11) und (12) geführt wird, von denen mindestens eine (11) im Sommer durch Umschaltung mittels Dreiwegeventilen (19) und (20) zur Nutzung der Sole als Kühlmedium in einem oder mehreren Luftkühlern (21) und mindestens eine weitere durch Umschaltung mittels Dreiwegeventilen (16) und (17) zur Nutzung als Wärmesenke für die im Sommerverflüssiger (15) anfallende Verflüssigungswärme bei Wärmepumpen-Kühlbetrieb vorgesehen sind.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Heizen und zur Warmwasserbereitung während der Heizperiode, zur Warmwasserbereitung außerhalb der Heizperiode und zur Warmwasserbereitung und Luftkühlung in der warmen Jahreszeit.

Wärmepumpen sind ökologisch vorteilhafte Heizgeräte, indem sie die bei verhältnismäßig geringer Temperatur anfallende Umweltwärme aus Oberflächenoder Grundwasser, Luft, Erdreich oder anderen Wärmequellen auf ein für die Raumheizung erforderliches Temperaturniveau durch Zuführung technischer Arbeit anheben, wobei die dafür aufgewendete technische Arbeit nur ein Bruchteil der Arbeit für die gesamte Heizleistung ausmacht.

Die Wärmepumpen basieren auf einem Prozesskreislauf, der dem einer Kältemaschine entspricht, jedoch wird im Gegensatz zu dieser in der einfachsten Ausführung die warme Seite zur Gewinnung der Heizenergie genutzt und die Energie der kalten Seite aus der Umgebung oder einer anderen niedertemperaturigen Wärmequelle entnommen. Der Aufbau der Grundschaltung der Wärmepumpe besteht aus dem Verdichter, der das Prozessmedium, im allgemeinen Kältemittel genannt, verdichtet, dem Heizverflüssiger, in dem das Kältemittel bei einer Temperatur verflüssigt wird, die über der erforderlichen Heizungsvorlauftemperatur liegt oder bei direkter Heizung durch das Kältemittel ihr entspricht. Dann folgen im Kreislauf das Expansionsventil und der Verdampfer, aus dem das verdampfte Kältemittel wieder zum Verdichter gelangt. Die Verdampfungsenergie nimmt der Verdampfer aus einer der o.g. geeigneten Wärmequellen auf.

Für die Heizung von Einfamilienhäusern und ihnen entsprechenden ähnlichen Heizobjekten hat sich bei mitteleuropäischen Klimaverhältnissen vorteilhaft das Erdreich als Wärmequelle erwiesen, wobei der Wärmeentzug aus dem Erdreich sowohl mit direkter Verdampfung in einem Erdreichverdampfer oder mit einem zwischengeschalteten Solekreislauf üblich ist. Die Sole strömt dabei in Erdsonden zwischen dem Verdampfer und dem Erdreich in einem geschlossenen Kreislauf. Die Sonden können vertikal, horizontal oder in jedem beliebigen Winkel im Erdreich angeordnet sein. Es gibt darüber hinaus Anlagen, die auch die Warmwasserbereitung für den Haushalt von der Wärmeleistung der Heizwärmepumpe abzweigen, entweder durch Reihen- oder Parallelschaltung der dafür benötigten Wärmeübertrager, die außerhalb oder innerhalb eines Warmwasser-Speicherbehälters angeordnet sein können.

Als weitere Möglichkeit ist bekannt, die Wärmepumpe in der warmen Jahreszeit zur Raumkühlung zu nutzen, indem insbesondere bei Luft oder Wasser als Wärmequelle die Umschaltung des Prozesskreislaufes in der Weise erfolgt, daß die Verflüssigerwärme in die Umgebung abgegeben wird und die Raumheizer als Kühler benutzt werden. Bei dieser Variante müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die Kondenswasserbildung am Kühler zu vermeiden oder sicher abzuführen. Dieses System wird für Luft-Luft-Wärmepumpen mit Kühlfunktion bevorzugt angewendet.

Für Wärmepumpen mit Edreich bzw. Erdreich-Sole oder Wasser als Wärmequelle ist eine Umschaltung derart üblich, die Verflüssigung in der warmen Jahreszeit nicht im Heizwärmeübertrager vorzunehmen, sondern das zu verflüssigende Medium durch Umschaltung eines Dreiwegeventils in der Druckleitung der Wärmepumpenverdichter zu einem luft- oder wassergekühlen Verflüssiger zu führen und dann verflüssigt im ursprünglichen System weiter zu führen. Der an den Verdampfer angeschlossene Solekreislauf wird dabei nicht in das Erdreich geführt, sondern zu den Luftkühlern an den Külstellen. Dieses System benötigt den zusätzlichen Verflüssiger und die Umschalttechnik. Die Erdsonde bleibt dabei unbenutzt.

Eine andere bekannt gewordene Möglichkeit mit geringerem Kosten- und Energieaufwand besteht darin, den Solekreislauf in der warmen Jahreszeit direkt einem Luftkühler zuzuführen, indem die gegenüber der Raumtemperatur kältere Sole die Raumwärme aufnimmt und bei der Rückströmung in das Erdreich diese dabei an das um die Sonde herum befindliche Erdreich abgibt. Das führt zu einer allmählichen Erwärmung des Erdreiches bis zum erreichen eines Beharrungszustandes, der in Abhängigkeit von der Wärmeeinbringung und den Wärmeleitbedingungen des Erdreiches bei Temperaturen liegen kann, die keine ausreichend effektive Kühlung mehr erlauben. Damit bietet dieses System zwar eine Behandlung der zu kühlenden Luft, aber bestimmte Sollwerte sind meist nur bei großen Wärmeübertragerflächen in den Luftkühlern, verbunden mit mehr bzw. größeren Sonden als für den Heizbetrieb im Winter erforderlich zu realisieren. Damit ist die prinzipielle Anwendbarkeit dieser Lösung und ihre Wirtschaftlichkeit auf Sonderfälle begrenzt.

Deshalb wurde die Variante geschaffen, die direkte Nutzung des Wärmeeintrages in das Erdreich mit dem Wärmeeintrag in den Verdampfer der Wärmepumpe zu kombinieren, indem die Sole nach dem Verlassen des Luftkühlers im erwärmten Zustand nicht nur durch die Sonde im Erdreich, sondern zusätzlich durch den Verdampfer der Wärmepumpe strömt und durch Betrieb der Wärmepumpe im Kühlbetrieb auf die erforderliche Temperatur abgekühlt wird. Zur Abführung der Verflüssigerwärme dient wiederum ein zusätzlich vorgesehener luft- oder wassergekühlter Verflüssiger, der durch Umschaltung eines Dreiwegeventils anstelle des Heizverflüssigers in den Prozeßkreislauf eingebunden wird.

Die Verfügbarkeit von Kühlwasser für den zusätzlichen Verflüssiger ist meist nicht gegeben, so daß der Luftkühlung der Vorzug gegeben werden muß. Durch die Notwendigkeit von dessen Aufstellung meist im Außenbereich eines Wohngebäudes ergibt sich das Platzproblem zu dessen Aufstellung und zusätzlich tritt eine Belastung der Umwelt durch den bei Luftkühlung unvermeidlichen Schallpegel des Lüfters auf. Damit ist auch diese Lösung, abgesehen von den zusätzlichen Kosten des Verflüssigers, nicht immer anwendbar.

Es wurde deshalb nach einer Lösung gesucht, die die Nachteile der angeführten Systeme überwindet und die trotzdem ein hohes technisches und wirtschaftliches Niveau der Heizung, Warmwasserbereitung und Kühlung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe mit den Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 enthalten.

Mit der Erfindung wird im angegebenen Anwendungsfall während der Heizperiode der Heizleistungsbedarf im gesamten Bedarfsspektrum eines Jahres gedeckt. Die Warmwasserbereitung erfolgt bedarfsgerecht zu allen Jahreszeiten und während der warmen Jahreszeit wird der Wohnbereich bedarfsgerecht gekühlt. Dabei kann auf die Verwendung eines luftgekühlten Verflüssigers verzichtet werden.

Die prinzipielle Lösung besteht darin, daß für die Nutzung der Erdwärme als Wärmequelle die erforderlichen Sondenabmessungen auf mindestens zwei parallel geschaltete Sonden aufgeteilt werden. Im Heizbetrieb wird die Sole aller Sonden dem Verdampfer zugeführt, um die von ihr aufgenommene Erdwärme zu nutzen.

Für den Kühlbetrieb wird die Sole von mindestens einer der zwei oder mehr installierten Sonden weiterhin durch den Verdampfer geführt, danach aber nicht direkt zurück in das Erdreich, sondern auf einem Umweg durch den oder die Luftkühler zur Raumkühlung. Dabei nimmt die Sole die aus dem zu kühlenden Raum abzuführende Wärmeenergie auf und fördert diese in das Erdreich, um sie an dieses abzugeben und im abgekühlten Zustand wieder zum Luftkühler zu gelangen. Die Wärmequelle wird zur Wärmesenke. Dabei handelt es sich um einen zeitlich veränderlichen Vorgang, d.h. das Erdreich um die Sonde erwärmt sich bis zu einem Beharrungszustand und die Wärmeaufnahmekapazität des Erdreiches reduziert sich. Um trotzdem den gewünschten Kühleffekt zu erreichen, wird bei Bedarf entsprechend der Solltemperatur des zu kühlenden Raumes der Wärmepumpenprozesskreislauf eingeschaltet, durch den der Sole im Verdampfer zusätzlich Wärme entzogen wird, wodurch sie sich auf die erforderliche Temperatur abkühlt. Danach wird der Prozesskreislauf wieder stillgesetzt. Da in dieser Verfahrensweise mit dem dynamischen Verhalten das Erdreich um die Sonde herum auch eine Speicherfunktion übernimmt.

Die dabei anfallende Verflüssigerwärme wird im erforderlichen Maße weiter zur Warmwasserbereitung genutzt, der größere Anteil ist aber dabei ungenutzt und bedarf eines zusätzlichen Verflüssigers. Dafür wird nun erfindungsgemäß der Solekreislauf mit mindestens einer der installierten Sonden genutzt, indem durch Umschaltung des Soleflusses und des Kältemittels ein zusätzlicher Verflüssigerkreis mit einem als Sommerverflüssiger bezeichneten Kältemittel-Sole-Verflüssiger mit dem Erdreich als Wärmesenke gebildet wird. Damit kann die Verflüssigung des Kältemittels mit einem wesentlich kostengünstigem Verflüssiger als bei der üblichen Luftkühlung, sowie mit geringerem Energieaufwand für die Verflüssigung und ohne Schallbelastung der Umgebung erfolgen.

Mittels einer geeigneten Regelung des Prozesses wird immer vorzugsweise der passive Solekreislauf mit dem erdreich als Wärmesenke zur Raumkühlung benutzt und erst bei einem darüber hinaus gehendem Kältebedarf der aktive Kühlprozeß zugeschaltet. Das ist in Verbindung mit der allgemein bei Flüssigkeitskühlung erreichbaren niedrigeren Verflüssigungstemperatur ein weiteres wesentliches Element der Energieeinsparung gegenüber der luftgekühlten Verflüssigung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 erläutert.
Die Fig. 1 zeigt:

das Funktionsschema der Erdreich-(Sole)-Wasser-Wärmepumpe mit Warmwasserbereitung und Umschaltung zum Kühlen in der warmen Jahreszeit.

Im Heizmodus mit Warmwasserbereitung wird das Kältemittel vom Verdichter 1 durch das 3/2-Wegeventil 2 in den in den Enthitzer 3 des- Warmwasserbeiters 4 gefördert. Der Enthitzer 3 ist so dimensioniert, daß er dem Kältemittel im wesentlichen die Überhitzungwärme entzieht. Die Verflüssigung erfolgt dann nach dem Passieren eines weiteren 3/2-Wegeventils 4 im Heizverflüssiger 5. Nach Erreichen der gewünschten Warmwassertemperatur wird das 3/2-Wegeventil 2 umgeschaltet und die Überhitzungswärme steht dem Heizverflüssiger 5 zusätzlich zur Verfügung. Der Übergang der Leistungsaufteilung zwischen dem Enthitzer 3 und dem Heizverflüssiger 5 ist je nach Temperaturlage gleitend. An den Heizverflüssiger 5 ist das Heizsystem mit Fußbodenheizung 6 und Umwälzpumpe 7 angeschlossen. Ggf. kann im Rücklauf noch ein Speicher eingebunden werden. Das verflüssigte Kältemittel gelangt über den Kältemittelsammler 8, der je nach Anlagenkonfiguration auch entfallen kann, zum Expansionsventil 9 und Verdampfer 10, von wo aus es wiederum vom Verdichter 1 abgesaugt wird. Der Kreislauf ist geschlossen. Am Verdampfer sind die beiden Erdsonden 11 und 12 angeschlossen, die die Verdampfungsenergie mittels der in ihnen strömenden Sole, die von der Solepumpe 13 gefördert wird, an das Erdreich 14 leitet.

Bei der Warmwasserbereitung außerhalb der Heizperiode wird dem Kältemittel die gesamte Verflüssigungswärme im Enthitzer 3 entzogen, da das am Heizverflüssiger 5 angeschlossene Heizsystem 6 mit der Pumpe 7 nicht in Betrieb ist.

In der warmen Jahreszeit wird der Kreislauf auf Kühlbetrieb umgeschaltet. Das 3/2-Wegeventil 4 stellt den Kältemittelfluß zum Sommerverflüssiger 15 ein, der über die ebenfalls umzustellenden Ventile 16 und 17 an die Sonde 11 angeschlossen wird. Die Pumpe 18 fördert die Sole dann über den Sommerverflüssiger 15 in die Sonde 11. Die 3/2-Wegeventile 19 und 20 werden so umgeschaltet, daß die Sole von der Solepumpe 13 nach dem Passieren des Verdampfers 5 zum Rumluftkühler 21 und dann wieder in das Erdreich 14 gelangt. Der Raumkühler 21 nimmt die abzuführende Raumwärme auf, überträgt sie an die Sole in der Sonde 12 und fördert sie in das Erdreich 14. Sobald das Erdreich 14 so weit erwärmt ist, daß die gewünschte Raumtemperatur nicht mehr eingehalten werden kann, wird der Kältekreislauf mit dem Verdichter 1 zugeschaltet, das Kältemittel gelangt zum Sommerverflüssiger 15 und von dort über den Sammler 8 und das Expansionsventil 9 zum Verdampfer 10 und kühlt zusätzlich die Sole für den Betrieb des Luftkühlers 21. In diesem Betriebsmodus wird wie beim Heizbetrieb die Warmwassererwärmung im Enthitzer 3 durchgeführt, der nach Erreichen der Solltemperatur durch Umschalten des 3/2-Wegeventils 2 umgangen wird. Das Kältemittel gelangt direkt zum Sommerverflüssiger. Nach Erreichen der unteren Temperaturgrenze der Luft des zu kühlenden Raumes wird der Verdichter 1 wieder ausgeschaltet und die Sole läuft ohne Zusatzkühlung durch den Verdampfer 10. Die Speicherfunktion des um die Sonde 12 befindlichen Erdreiches 14 gewährleistet einen stabilen Betrieb ohne zu häufige Verdichterschaltzyklen und ohne zu große Temperaturschwankungen.

Die Sonden 11 und 12 sollten wegen des unterschiedlichen Temperaturniveaus nicht zu dicht nebeneinander angeordnet werden.

Claims (3)

1. Wärmepumpe zur Raumheizung und zur Warmwasserbereitung durch Auskopplung der Überhitzungswärme aus dem Prozeß-Arbeitsstoff, z. B. Kältemittel R134a, mittels Dreiwegeventil und mit Erdreich als Wärmequelle für den Verdampfer und Sole als Trägermedium der Erdreichwärme, sowie der direkten Nutzung der Sole im Sommer zur Luftkühlung und mit Unterstützung durch Umschaltung der Wärmepumpe auf Kühlbetrieb, gekennzeichnet dadurch, daß die Sole in mindestens zwei Sonden (11) und (12) geführt wird, von denen mindestens eine Sonde (11) im Sommer durch Umschaltung mittels Dreiwegeventilen (19) und (20) zur Nutzung der Sole als Kühlmedium in einem oder mehreren Luftkühlern (21) und mindestens eine weitere durch Umschaltung mittels Dreiwegeventilen (16) und (17) zur Nutzung als Wärmesenke für die im Sommerverflüssiger (15) anfallende Verflüssigungswärme bei Wärmepumpen- Kühlbetrieb vorgesehen sind.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auch bei Kühlbetrieb die Warmwasserbereitung im Warmwasserbereiter (22) erfolgt und die Restwärme über den Sommerverflüssiger (15) abgeführt wird.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Raumkühlung durch Luftkühler bevorzugt durch direkte Nutzung der Sole aus der Sonde (12) erfolgt und erst bei Nichterreichen der Raumsolltemperatur auf Wärmepumpen-Kühlbetrieb umgeschaltet wird.