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Dokumentenidentifikation DE102004061441B4 19.04.2007
Titel Wärmepumpe
Anmelder VBL Klimageräte Handelsgesellschaft mbH, 47533 Kleve, DE
Erfinder Rinner, Olaf, 44799 Bochum, DE;
Vierboom, Johannes, 47533 Kleve, DE
Vertreter Ackmann, Menges & Demski Patentanwälte, 47051 Duisburg
DE-Anmeldedatum 17.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004061441
Offenlegungstag 29.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse F25B 30/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24F 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F24J 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit mindestens einem ersten Anschluss zur wärmeschließenden Verbindung mit einem ersten Wärmekreislauf und mindestens einem zweiten Anschluss zur wärmeschließenden Verbindung mit einem zweiten Wärmekreislauf, welche Wärme von dem einem Wärmekreislauf über einen Verdampfer in den anderen Wärmekreislauf überträgt sowie einem Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe.

Zur Alternative von Heizungen, die auf der Verbrennung von fossilen Brennstoffen beruhen, sind Wärmepumpen vorgesehen, die vorhandene Erdwärme zum Heizen von Häusern fördern. In diesem Prozess wird ein Kältemittel durch die Wärme der Erdkruste auf deren Temperatur gebracht und die dadurch von dem Kältemittel aufgenommene Wärmeenergie wird durch eine Wärmepumpe abgenommen. Diese Wärmeenergie wird einem weiteren Wärmekreislauf zugeführt, der dann die häusliche Umgebungsluft wärmt. Die Richtung der Wärmeförderung ist dabei abhängig von der Richtung, in der ein zentraler Verdampfer der Wärmepumpe geschaltet ist. Eine Wärmepumpe ist dazu in der Lage, den spontanen und natürlichen Wärmefluss umzukehren, sodass Wärme aus einem kälteren Reservoir über die Wirkung der Wärmepumpe in ein Wärmereservoir mit höherer Temperatur fließt. Hierzu wird ein physikalischer Effekt ausgenutzt, der bei einem Phasenübergang von flüssig nach gasförmig und gasförmig nach flüssig auftritt. Bei einem Phasenübergang von flüssig nach gasförmig nimmt das System Wärme aus der Umgebung auf, ohne dabei seine Temperatur zu erhöhen. Diese Wärmeenergie wird zur Überwindung der Phasengrenze benötigt und liegt im gasförmigen Zustand als sogenannte latente Wärme im Gas vor. Bei der Kondensation wird diese latente Wärme wieder frei, sodass bei einer Abkühlung des Gases unterhalb der Kondensationstemperatur das Kondensat am Taupunkt seine Temperatur zunächst nicht erniedrigt. Erst nachdem sämtliches Gas kondensiert ist und das System weiter gekühlt wird, kühlt sich das Kondensat weiter ab. Dieser Sprung im Temperatur-Enthalpie-Diagramm kann dazu genutzt werden, Wärme von einem kälteren Reservoir in ein wärmeres Reservoir zu überführen. Der Wärmeübergang von einem kälteren Temperaturreservoir in ein Reservoir mit höherer Temperatur ist nicht exergonisch, das bedeutet, dass dieser Prozess nicht spontan und von selbst abläuft. Vielmehr muss an dem System im Wärmeübertragungszyklus Arbeit in Form von Kompressionsarbeit geleistet werden und an einer zweiten Stelle im Wärmeübertragungszyklus der Wärmepumpe muss das System unter eigener Abkühlung innere Arbeit bei Expansion beim Durchschreiten durch eine Drossel leisten, damit die Wärmeübertragung stattfindet. Der Durchgang durch die Drossel ist enthalpieneutral. Dieser Zyklus wird später detaillierter beschrieben.

Die Temperatur der oberen Erdkruste bereits wenige Meter unter der Erdoberfläche ist über das gesamt Jahr konstant oder schwankt mit geringer Amplitude. Gegenüber dem Energiebedarf eines Familienhaushaltes ist die Wärmekapazität der oberen Erdkruste, also bereits wenige Meter unter der Erdoberfläche, sehr groß. Wird die Erdwärme dazu benutzt, ein Familienhaushalt zu wärmen, so muss die der Erdkruste entnommene Wärme mit der Temperatur aus den oberen Erdschichten mit Hilfe eines Kompressors auf eine Temperatur gebracht werden, die den üblichen Temperaturen von Haushaltsheizungen entspricht. Hierzu wird zunächst in einem Verdampfer ein Kältemittel, dass in einem Reservoir, dem Kondensator, unter Druck gehalten wird, unter Druckabfall verdampft. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme auf. Im Anschluss an den Verdampfer wird der gasförmige Raum über dem flüssigen Kältemittel durch einen Kompressor wieder komprimiert. Bei der Kompression heizt sich das Gas des Kältemittels weiter auf. Im Kondensator angelangt wird das Gas durch Abgabe der Wärme an einen weiteren Wärmekreislauf wieder kondensiert. Der verbleibende Dampfdruck über dem sich bei Rücklauftemperatur befindenden Kondensats des Kältemittels treibt das Kältemittel durch die Drossel. Hierdurch wird an dem durch die Drossel schreitendem Kältemittel Volumenarbeit unter hohem Druck geleistet.

Andererseits leistet der verdampfte Anteil des Kältemittels bei der Expansion in den Verdampferraum durch die Drossel selbst Volumenarbeit. Befindet sich das Kältemittel unterhalb der sogenannten Inversionstemperatur, die druckabhängig ist, kühlt sich das Gas beim Durchschreiten der Drossel ab. Die Abkühlung resultiert aus der inneren Arbeit, die zur Aufbringung der Volumenarbeit notwendig ist, denn zum Übergang in den Gasraum muss die Flüssigkeit des Kältemittels Wärme aufnehmen, um in den Gaszustand zu gelangen. Der Aufnahme von Wärme des Kondensats steht es gleich, wenn sich das darüber befindliche Gas bei Verdampfung selbst abkühlt. Auf diese Weise ist das gesamte Kältemittel durch die Expansion des verdampfenden Teils durch den Phasenübergang von flüssig nach gasförmig in seiner Temperatur stark erniedrigt worden. Dieser Vorgang findet sowohl adiabatisch wie auch isenthalpisch statt. Bei diesem Joule-Thomson-Effekt verschiebt sich das Verhältnis von innerer Energie zur Gesamt-Enthalpie, was in der Wärmetönung resultiert. Würde dieses kühle Gas ohne Erwärmung hieran anschließend wieder komprimiert, würde die latente Wärme wieder frei, sodass dieses kalte Gas das gesamte flüssige und gasförmige Kältemittel wieder zu einem Kondensat der Ausgangstemperatur erwärmen würde. Da das Gas nach Ausdehnung und Phasenübergang von flüssig nach gasförmig eine im Vergleich zum Kondensat tiefere Temperatur aufweist, kann dieses Kältemittel Wärme aus einem Wärmereservoir übernehmen, welches eine Temperatur besitzt, die höher ist als die Temperatur des in Verdampfer gelangten und abgekühlten Kältemittels, wobei die Temperatur des kälteren Wärmereservoirs auch niedriger sein kann als die Temperatur des flüssigen Kältemittels im Kondensator, in den die Wärme abgenommen wird. Das auf die Temperatur des kälteren Wärmereservoirs erwärmte Kältemittel hat nun eine höhere Temperatur als die, welche bei einer Verdampfung ohne Einleitung von Wärme von außen entsprechen würde. Wird dieses, vom kalten Wärmereservoir erwärmte und in den Gasraum übergegangene Kältemittel durch einen Kompressor geleitet, so heizt sich das Gas des Kältemittels weiter auf. Wäre das Gas nicht durch das kältere Wärmereservoir erwärmt worden, so würde die Temperatur des Kondensats genau der Ausgangstemperatur in diesem Zyklus entsprechen. Dadurch, dass das im Vergleich zum kälteren Wärmereservoir kältere Kältemittel auf die Temperatur des kälteren Wärmereservoirs aufgeheizt worden und zusätzlich komprimiert worden, ist die Temperatur des kondensierenden Kältemittels höher als beim Start dieses Prozesses. Zusätzlich wird das Kältemittel durch die Kompressionsarbeit des Kompressors weiter erwärmt. In optimierten Wärmepumpen resultiert die Wärme des kondensierenden Kältemittels zu einem großen Teil aus dem Wärmefluss aus dem kälteren Wärmereservoir in das Kältemittel und zu einem geringeren Teil aus der Kompressionsarbeit durch den Kompressor. Die Temperatur des kondensierenden Kältemittels kann dazu genutzt werden, in einem weiteren Wärmetauscher beispielweise Wasser für einen Heizungskreislauf aufzuheizen. Dabei gibt das kondensierende Kältemittel Wärme ab und der Prozess beginnt einen erneuten Zyklus. Für die theoretische Funktionsweise einer Wärmepumpe sind somit maximal zwei Wärmetauscher notwendig. Der erste übernimmt Wärme aus dem konstanten Wärmereservoir, der zweite gibt die geförderte Wärme beispielweise an die Raumluft ab. Benötigt wird außerdem ein Kompressor und eine Drossel. Je nach Kompressionsrichtung lässt sich der Wärmefluss umkehren und so zum Heizen oder zum Kühlen verwenden. In der praktischen Realisierung begrenzt man das Volumen des Kältemittels auf die Wärmepumpe, sodass je ein Wärmetauscher in der Wärmepumpe Wärme aus einem Reservoir über einen internen Wärmetauscher aufnimmt und diese geförderte Wärme über einen zweiten internen Wärmetauscher wieder abgibt. Dieser Prozess der Wärmepumpe wird in den Figuren nochmals näher erläutert.

Bei der Wahl eines geeigneten Kältemittels, das in einem geeigneten Temperaturintervall und in einem geeigneten Druckintervall einen Phasenübergang und dabei auch beherrschbare Dampfdrücke aufweist, ist man jedoch limitiert. In der Vergangenheit hat man hierzu früher Ammoniak oder auch chlorierte und/oder fluorierte Kohlenwasserstoffe benutzt. Diese Stoffe zeichnen sich dadurch aus, dass diese einen Phasenübergang mit starker Wärmetönung zeigen und dieser Phasenübergang bei Drücken von 0 bis 50 Bar und 0° bis 50° Celsius stattfindet.

Soll Erdwärme als kälteres Wärmereservoir benutzt werden, um die Wärme als Heizungswärme zu nutzen, so muss das Kältemittel im Verdampfer weit heruntergekühlt werden, damit aufgrund einer hohen Temperaturdifferenz die Erdwärme, die je nach Lage des Erdkollektors bei 0° bis 12° Celsius liegt, spontan auf das Kältemittel übergeht. Besitzt die entnommene Erdwärme eine Temperatur nahe des Gefrierpunktes von Wasser, so bedeutet dies zwingend, dass das Kältemittel im Verdampfer weit unter 0°C abgekühlt werden muss, denn Wärme fließt spontan nur von einem wärmeren in ein kälteres Wärmereservoir.

Zur technischen Realisierung von Wärmepumpen werden ein Kondensator und ein Verdampfer durch zwei Druckleitungen miteinander gekoppelt. In der einen Druckleitung befindet sich das gasförmige Kältemittel und in der anderen Druckleitung befindet sich das flüssige Kältemittel. Je nach Ausführung des Verdampfer/Kondensatorpaars und Wahl des Kältemittels ist es auch möglich, dass beide Leitungen nur gasförmiges Kältemittel leiten, wobei ein rein gasförmiges Kältemittel nicht durch Phasenübergänge, sondern allein durch den Joule-Thomson-Effekt Wirkung in der Wärmepumpe zeigt. In der Leitung mit Flussrichtung vom Verdampfer zum Kondensator befindet sich der Kompressor. Hingegen befindet sich in der Leitung mit Flussrichtung vom Kondensator zum Verdampfer eine Drossel. Üblicher Weise bilden der Kondensator und der Verdampfer je eine eigene Einheit mit einem integrierten Wärmetauscher. Wird die Wärmepumpe zu Heizzwecken eingesetzt, so wird an den Kondensator der Heizungskreislauf angeschlossen. Wird hingegen die Wärmepumpe zu Kühlzwecken eingesetzt, beispielweise in Verbindung mit einer Klimaanlage, so wird der Kühlkreislauf der Klimaanlage an den Verdampfer angeschlossen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Umkehr der Pumprichtung, bei der Verdampfer und Kondensator ihre Funktion tauschen. An dem jeweils verbleibenden Ende der Wärmepumpe wird ein Wärmekreislauf mit einem Erdkollektor angeschlossen. Der Wärmekreislauf des Erdkollektors kommt somit bei Schaltung der Wärmepumpe als Heizungsversorgung im Verdampfer mit Temperaturen von unter 0° Celsius in direkten thermischen Kontakt. Wegen der Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers kommt im Stand der Technik, wie beispielweise in der DE 42 11 576 A1 eine Sole oder ein Wasser-Glykol-Gemisch im Erdkollektor zum Einsatz. Solen oder Wasser-Glykol-Gemische haben die Eigenschaft, bis weit unter den Gefrierpunkt des reinen Wassers abgekühlt werden zu können, ohne dabei zu gefrieren. Wird die Wärmepumpe mit Erdkollektoren betrieben, die bis 200 m tief in die Erdkruste hinein reichen, so beträgt die Arbeitstemperatur des Erdkollektors an vielen Orten der Erde etwa Gefrierpunktsnähe. Die hierdurch notwendige recht tiefe Temperatur am Verdampfer erfordert somit Solen oder Wasser-Glykol-Gemische, die bis in sehr tiefe Bereiche gekühlt werden können, ohne dass ein Ausfrieren dieser als Wärmeübertragungsmedium verwendeten Lösung zu erwarten ist, was den Verdampfer schädigen oder gar zerstören könnte.

In Naturschutzgebieten oder in Wasserschutzgebieten, in denen Bauvorhaben unter Auflagen zum Schutze der Natur möglich sind, ist eine derartige Wärmepumpe nicht einsatzfähig, da Bauverordnungen in Wasserschutzgebieten die Verwendung von solehaltigen oder glykolhaltigen Erdkollektoren der gattungsgemäßen Art verbieten oder nur dann gestatten, wenn besondere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, die ein Auslaufen der Sole oder des Wasser-Glykol-Gemisches verhindern. Ein Austreten der Sole oder des Wasser-Glykol-Gemisches könnten eine erhebliche Grundwasserschädigung zur Folge haben, was in Wasserschutzgebieten nicht tolerabel ist.

Aber gerade in Wasserschutzgebieten sind Wärmepumpen von besonderer Bedeutung, da Wärmepumpen als an sich sehr ökologische Methode zur Heizung genau dort Verwendung finden, wo Umweltschutz von höherer Bedeutung ist.

Kann die Wärmepumpe unter Verwendung von Sole oder Wasser-Glykol-Gemischen nicht betrieben werden, so ist der Einsatz einer gattungsgemäßen Wärmepumpe an diesen Orten nicht möglich oder nur unter erheblichen Schutzmaßnahmen durch führbar, welche die Wirtschaftlichkeit der Erdwärme in Frage stellen würden.

In der DE 198 60 328 A1 wird gelehrt, als Kältemittel im Erdkollektor flüssiges CO2 zu verwenden. Flüssiges Kohlendioxid kann bei geeignetem Druck in Erdkollektoren bei annähernder Temperatur- und Druckkonstanz lediglich durch Phasenübergänge an den Wärmetauscherelementen im Erdkollektor-Kreislauf Wärme fördern. Besonders vorteilhaft ist an der zuletzt beschriebenen Technik die Grundwasserneutralität und der Thermosyphon-Effekt, der ein Umwälzen des flüssig/gasförmigen CO2 unnötig macht, da das am Wärmetauscher abkühlende CO2 flüssig wird und wieder in tiefer gelegene Teile des Erdkollektors absinkt, dafür erwärmtes, gasförmiges CO2 nach oben zum Wärmetauscher fließt. Wie bei einer Destillation wird das flüssige CO2 durch Anpassung des Drucks ständig im Siedezustand gehalten. Diese Technik erfordert daher hohe Drucke im Erdkollektor. Erfahrung zeigt, dass Erdkollektoren gerade bei Verwendung in Tiefbohrungen zu geringfügigen Undichtigkeiten neigen und somit ein stetiges Nachfüllen der Erdkollektoren notwendig ist. Des Weiteren ist der Umgang mit größeren Mengen Kohlendioxid in privaten Haushalten nicht unproblematisch, da das CO2 schon bei geringfügiger Leckage die Atemluft verdrängt und somit eine potentielle Lebensgefahr für den betreffenden Haushalt bedeuten kann.

Aus der DE 103 06 148 B3 ist eine Wärmepumpe mit mindestens einem ersten Anschluss zur wärmeschließenden Verbindung mit einem ersten Wärmekreislauf und mindestens einem Anschluss zu wärmeschließenden Verbindung mit einem zweiten Wärmekreislauf bekannt, wobei die Wärme von dem einen Wärmekreislauf über ein Verdampfer in den anderen Wärmekreislauf übertragen wird und zwischen dem ersten Wärmekreis und dem Verdampfer ein dritter Wärmekreislauf vorgesehen ist. Wenn auch der grundsätzlicher Aufbau einer solchen Wärmepumpe somit beschrieben wird, ist jedoch nicht sichergestellt, dass diese in Wasserschutzgebieten eingesetzt werden darf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, welche den Sicherheitsanforderungen von Wasserschutzgebieten genügt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, die ohne die umweltbelastenden Stoffe in Erdkollektorkreislauf betreibbar ist.

Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, die insbesondere in privaten Haushalten angewendet werden kann, wo üblicherweise wenig Erfahrung im Umgang mit gefährlichen Stoffen vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen dem ersten Wärmekreislauf und dem Verdampfer ein dritter Wärmekreislauf vorgesehen ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch den dritten Wärmekreislauf in der Wärmepumpe kann die Wärmetransportleistung in vorteilhafter Weise über mehr als eine Stufe mit unterschiedlicher Temperatur geführt werden. Hierdurch ist es möglich, auf Additive, Solen und Wasser-Glykol-Gemische im Erdkollektorkreislauf zu verzichten. Durch den dritten Wärmekreislauf kann die Wärmepumpe unter Beibehaltung der Optimierung für die Funktion mit vor Ausfrieren gesichertem Erdkollektorkreislauf betrieben werden, wobei der dritte Wärmekreislauf wie eine Temperaturstufe den Erdkollektorkreislauf vor Ausfrieren schützt.

Eine Wärmepumpe, deren Verdampfer-Kondensatorkreislauf mit Kompressor und Drossel für eine optimale Wärmeförderung ausgelegt ist, kann durch Verwendung eines dritten Wärmekreislaufes, der Wärme zwischen Erdkollektor und Verdampfer fördert, eingesetzt werden, ohne dass der Erdkollektorkreislauf in direktem thermischen Kontakt mit einem Kältemittel steht, welches Temperaturen unter 0°C aufweist. Der dritte Wärmekreislauf transportiert dabei Wärme vom Erdkollektorkreislauf zum Verdampfer. Dabei heizt sich das Wärmeübertragungsmedium im dritten Wärmekreislauf zunächst auf, kühlt sich im Verdampfer auf eine Temperatur ab, die im Erdkollektorkreislauf ohne Additive, Solen oder Wasser-Glykol-Gemisch nicht tolerabel wäre und tauscht im zusätzlichen Wärmetauscher des dritten Wärmekreislaufes Wärme mit dem Erdkollektorkreislauf aus.

Hierbei kann zur Vermeidung des Ausfrierens des Wärmeübertragungsmediums im Erdkollektorkreislauf die Durchflussrate des Wärmetauschers des dritten Wärmekreislaufes so hoch ausgelegt werden, dass die Verweilzeit des Wärmeübertragungsmediums im Erdkollektorkreislauf im zusätzlichen Wärmetauscher so gering ist, dass der Energiefluss pro Volumenelement Wärmeübertragungsmedium im Erdkollektorkreislauf relativ kurz ist, sodass ein Wärmefluss zwar stattfindet. Dieser wird aber durch das durchflussgeschwindigkeitsbedingte Austreten aus dem Wärmetauscher unterbrochen und ein Ausfrieren wird unterbunden.

Neben dem Vorteil des Schutzes vor Ausfrieren, ergibt sich der Vorteil, dass auf reines Wasser als Wärmeübertragungsmedium zurückgegriffen werden kann. Reines Wasser hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität als eine Sole oder ein Wasser-Glykol-Gemisch. Bei sorgfältiger Auslegung der Wärmetauscherkapazität und Nenndurchflussgeschwindigkeit des dritten Wärmetauschers kann so der Wirkungsgrad des gesamten Wärmeförderungssystems erhöht werden. Aber auch bei einer weniger sorgfältigen Auslegung, die gegebenenfalls durch Verwendung von Norm-Bauteilen in Kauf genommen werden muss, erlaubt die Verwendung von reinem Wasser im Erdkollektorkreislauf zumindest einen Betrieb, bei dem der Wirkungsgrad des Gesamtsystems trotz Einführung einer zusätzlichen Wärmeübertragungsstufe, die regelmäßig zur Verringerung der Wärmeübertragungsleistung des Gesamtsystems führt, nicht unter den Wirkungsgrad eines Wärmeförderungssystems fällt, das ohne zusätzlichen Wärmekreislauf unter Verwendung von Additiven, Solen oder Wasser-Glykol-Gemischen betrieben wird.

Noch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist, dass der Erdkollektorkreislauf auch bei tolerierbarer Leckage betrieben werden kann, in dem der Leckageverlust durch zur Verfügung stehendes Leitungswasser automatisch aufgefüllt werden kann, ohne dass auf eine kritische Unterschreitung einer Additiv-, Salz- oder Glykolkonzentration geachtet werden muss, so dass das Gesamtsystem auch von wenig im Umgang mit Wärmepumpen vertrauten Personen betrieben werden kann. Dieser Vorteil erreicht besonderes Gewicht bei Verwendung von gefährlichen Stoffen im Erdkollektorkreislauf, wozu auch größere Mengen von unter Druck stehendem Kohlendioxid, trotz seiner Grundwasserneutralität, zählt.

Der deutlichste Vorteil ist aber, dass durch eine gegebenenfalls entstehende Leckage im Erdkollektorkreislauf keine grundwasserbelastenden Stoffe in das Erdreich gelangen können, da im Falle einer Leckage lediglich reines Wasser in ins Erdreich gelangt.

Erfindungsgemäß ist die Wärmepumpe so aufgebaut, dass sie zwei Anschlüsse aufweist, die zur Verbindung mit einem Erdkollektorkreislauf und zur Verbindung mit einem Heiz- und/oder Kühlkreislauf vorgesehen ist. Durch den Aufbau, der lediglich zwei Anschlüsse nach außen aufweist, ist der Aufbau und die Handhabung besonders einfach gestaltet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe weist intern ein Kondensator-Verdampfer-Paar auf, welches durch zwei Leitungen miteinander verbunden ist. Dabei ist in einer Leitung eine Drossel und in der anderen Leitung ein Kompressor geschaltet. Die Pumprichtung des Kompressors gibt dabei die Wärmeförderrichtung vor. Die Seite des Kompressors, die durch den Kompressor mit Druck beaufschlagt wird, ist die Wärmeseite, hingegen ist die Seite, von der Kältemittel durch den Kompressor abgezogen wird, die Kälteseite. Dieselbe Wärmepumpe kann also durch Umschalten der Pumprichtung sowohl zu Heiz- als auch zu Kühlzwecken eingesetzt werden.

Beim Wechsel der Pumprichtung tauschen Verdampfer und Kondensator ihre Funktion, so dass im Heizbetrieb der Erdkollektorkreislauf in den Wärmekreislauf des Verdampfers und im Kühlbetrieb in den Wärmekreislauf den Kondensators geschaltet ist.

Die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe weist einen Plattenwärmetauscher im zusätzlichen dritten Wärmekreislauf auf. Der Plattenwärmetauscher kann auf beiden Durchflussseiten in bezug auf Nenndurchfluss unterschiedlich dimensioniert werden, so dass eine Anpassung an die notwendige Wärmetransportleistung des dritten Wärmekreislaufes und der Wärmetransportleistung des Erdkollektorkreislaufes vorgenommen werden kann, wobei der Wärmefluss durch den Wärmetauscher in tolerierbaren Leistungsbereichen gehalten werden kann.

Bevorzugt ist das Wärmeübertragungsmedium im Erdkollektor reines Wasser. Es ist aber auch möglich auf jeden anderen Stoff als Kältemittel auszuweichen. Auch CO2, Wasser mit Additiven, Solen und Wasser-Glykol-Gemische sind in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe einsetzbar. Somit ist es auch möglich, auf Wärmeübertragungsmedien in Natur- und Wasserschutzgebieten zurückzugreifen, die nicht rein wässrig, aber in diesen Gebieten tolerierbar sind.

Im dritten Wärmekreislauf befindet sich bevorzugt ein Wärmeübertragungsmedium aus Wasser mit Additiven, eine Sole oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, wobei auch Additive eingesetzt werden können, welche eine Korrosion der Wärmepumpe von innen unterbinden. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist, dass der Verdampfer in einem beliebig wählbaren Temperaturintervall betrieben werden kann, da verdampferseitig und auf der Seite des dritten Wärmekreislaufes ein beliebiger Stoff als Wärmeübertragungsmedium eingesetzt werden kann.

Vorzugsweise ist der Nenndurchfluss des dritten Wärmetauschers höher dimensioniert als der Nenndurchfluss des Verdampfers. Durch den dritten Wärmetauscher wird somit die Wärmetransportleistung des Verdampfers erhöht, da der Verdampfer seine Wärmetransportleistung aus einem hohen Temperaturunterschied zieht, der dritte Wärmetauscher hingegen seine Wärmetransportleistung aus einer hohen Durchflussmenge, so dass der dritte Wärmekreislauf als Umsetzer von hohem Temperaturunterschied zu hoher Durchflussleistung arbeitet.

Bevorzugt sind alle Elemente der Wärmepumpe in einer kompakten Einheit angeordnet, so dass die Wärmepumpe wie ein Monolith aufgestellt werden kann. Es ist aber ebenso möglich, eine gattungsgemäße Wärmepumpe mit einem externen Wärmekreislauf zu verbinden, so dass die Einheit aus gattungsgemäßer Wärmepumpe und drittem Wärmekreislauf die erfindungsgemäße Wärmepumpe darstellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer flexibleren Aufstellung und eines flexibleren Betriebs, bei dem das Volumen und die Erreichbarkeit der einzelnen Elemente in Abhängigkeit von der baulichen Umgebung des Aufstellungsortes der Wärmepumpe variiert werden können.

Erfindungsgemäß wird die Wärmepumpe so betrieben, dass die Arbeitstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 0°C oder weniger beträgt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wärmepumpe an der Wärmeübertragungsstufe vom drittem Wärmekreislauf zum Wärmekreislauf zwischen Verdampfer und Kondensator erhöht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe weist der dritte Wärmekreislauf einen Bypass auf, der den niedertemperaturseitigen Vorlauf des Verdampfers, der zur Seite des dritten Wärmekreislaufes geschaltet ist, mit dem niedertemperaturseitigen Rücklauf des Verdampfers verbindet und so Wärmeübertragungsmedium des dritten Wärmekreislaufs am Verdampfer vorbei vom Vorlauf direkt in den Rücklauf leitet. Durch einen so angebrachten Bypass kann ein gegebenenfalls unter 0°C abgekühltes Wärmeübertragungsmedium im dritten Wärmekreislauf auf eine Temperatur von 0°C oder darüber aufgewärmt werden, um zu vermeiden, dass der Erdkollektorkreislauf in direktem Wärmeschluss mit Temperaturen von unter dem Gefrierpunkt von Wasser steht. Durch den Bypass wird die durch den Erdkollektorkreislauf geförderte Wärmemenge verringert, da ein Teil der Wärme mit dem Rücklauf wieder zum Erdkollektorkreislauf zurückgelangt. Durch eine höhere Durchflussrate kann dieser Verlust aber leicht ausgeglichen werden. Der Bypass sorgt in vorteilhafter Weise dafür, dass das Wärmeübertragungsmedium im Erdkollektorkreislauf nicht zu stark abkühlt und durch Ausfrieren seine Funktion verliert, da das Wärmeübertragungsmedium vom flüssigen in den festen Zustand gelangt und aufgrund des Verlustes der Fließfähigkeit keine Wärme mehr fördert. Ebenso wird dadurch verhindert, dass durch die Wärmeanomalie des Wassers bedingte Ausdehnung beim Gefrieren der Erdkollektor nicht gesprengt wird und diesen zerstört.

In vorteilhafter Weise wird der Bypass durch ein thermostatisch geregeltes Ventil geöffnet und geschlossen, wodurch nur soviel Wärmeübertragungsmedium des Erdkollektors am Verdampfer vorbeifließt, dass die Mindesttemperatur im Rücklauf aufrechterhalten wird. Somit wird die Wärmeübertragungsleistung des Erdkollektors nicht übermäßig reduziert, was eine unerwünschte Minderung des Wirkungsgrades des gesamten Wärmefördersystems zur Folge hätte.

In vorteilhafter Weise entnimmt der Thermostat die Temperatur an einem Ort der Rücklaufleitung, an dem sich das Wärmeübertragungsmedium des Bypasses und des Rücklaufes vollständig durchmischt haben. Auf diese Weise wird verhindert, dass eine zu geringe oder auch zu hohe Heizleistung der Rücklauftemperatur durch Messung des nicht durchmischten Wärmeübertragungsmediums im Rücklauf in Kauf genommen wird.

Vorzugsweise liegt die Regeltemperatur des Thermostaten im Bereich von 0°C bis 2°C, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5°C, um einen Temperaturpuffer aufrechtzuerhalten, an dem flüssiges Wasser im Gleichgewicht mit Eis steht und so durch Einstellung eines Eis/Wasser-Gleichgewichtes im Erdkollektorkreislauf die Durchflussleistung des Erdkollektorkreislaufes erniedrigt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Thermostaten an eine kritische Temperatur eines anderen Wärmeübertragungsmediums anzupassen.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe kann sowohl im Heiz- wie auch im Kühlbetrieb verwendet werden. Hierzu wird in einfachster Weise die Förderrichtung des Kompressors umgeschaltet. Dies kann durch geeignete Ventilführung am oder im Kompressor wie auch über eine elektrische Steuerung der Umlaufrichtung des Kompressors geschehen, sofern die Motordrehrichtung eine Auswirkung auf die Förderrichtung hat. Im Heizbetrieb nimmt die erfindungsgemäße Wärmepumpe Wärme aus dem Erdreich auf und fördert diese an einen Heizungskreislauf. Im Kühlbetrieb nimmt die erfindungsgemäße Wärmepumpe Wärme aus dem häuslichen Bereich auf und führt diese Wärme in das Erdreich ab. Erfindungsgemäß findet kein Stoffaustausch, beispielweise durch einen zusätzlichen Bypass, zwischen dem dritten Wärmekreislauf und dem Erdkollektorkreislauf statt. Die strenge Stofftrennung ermöglicht die Verwendung von grundwasserneutralen Stoffen im Erdkollektorkreislauf.

In bevorzugter Weise wird die Wärmepumpe an einem Erdkollektor betrieben, der senkrecht verlaufende Erdkollektoren aufweist, die bis in eine Tiefe vordringen, die eine Jahresdurchschnittstemperatur von 0°C bis 12°C aufweist. Je nach geothermischer Ausprägung des Einsatzgebietes können diese Bohrungen bis in 200 m Tiefe reichen. Es ist aber ebenso möglich, wenige Meter unter der Erde waagrecht verlaufende Erdkollektoren einzusetzen.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe eignet sich besonders zum Einsatz in Natur- oder Wasserschutzgebieten und auch in Gebieten, in denen das Grundwasser eine Fließrichtung aufweist, die zu einer Vermischung mit Grundwasser führt, welches zur Trinkwassergewinnung verwendet wird. Ebenso ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Wärmepumpe dort einzusetzen, wo auch herkömmliche Wärmepumpen eingesetzt werden, wobei die erwähnten Vorteile des Verzichtes auf Additive, Solen und Wasser-Glykol-Gemische genutzt und die mit Gefahren verbundenen Nachteile von CO2 als Kältemittel vermieden werden können.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt

1 ein p,V-Diagramm des Kreisprozesses von Verdichtung und Kondensation des Kältemittels in einer Wärmepumpe,

2 der gleiche Kreisprozess in einem vereinfachten Temperatur-Enthalpie-Diagramm,

3 Schaltbild einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe,

4 ein Energieflussschema einer Wärmepumpe und

5 ein log(p)-H-Diagramm des Kreisprozesses einer Wärmepumpe.

In 1 ist ein idealisierter Kreisprozess zwischen Kondensation und Verdampfung eines Kältemittels in einer Wärmepumpe dargestellt. Ausgehend von einem Punkt a., bei dem sich das Kältemittel im flüssigen Zustand unter hohem Druck befindet, dehnt sich dieses in den Gasraum beim Durchschreiten einer Drossel entlang a.–b. aus. Hierbei leistet der gasförmige Anteil des Kältemittels Expansionsarbeit ohne Wärme von außen aufzunehmen. Da der gasförmige Anteil des Kältemittels Expansionsarbeit leistet, ohne dass die verrichtete Energie durch Wärmezufuhr von außen kompensiert wird, kühlt sich das Kältemittel entsprechend ab. Die Expansionsarbeit wird durch die innere Arbeit zur Verfügung gestellt, durch die sich das Kältemittel eben abkühlt. Eine Zustandsänderung ohne thermischen Kontakt mit der Umgebung wird adiabatische Zustandsänderung genannt. Die Abkühlung ist diesem Diagramm nicht entnehmbar. Je nach Art des gewählten Kältemittels findet beim Übergang von a. nach b. ein Phasenübergang von flüssig nach gasförmig statt, welcher die Wärmetönung bei der adiabatischen Expansion erheblich vergrößert. Rein gasförmige Kältemittel, die durch einen anderen physikalischen Effekt zur Wärmeförderung eingesetzt werden, zeigen hier keinen Phasenübergang. An Punkt b. angelangt befindet sich das Kältemittel bei vermindertem Druck und mit geringerer Temperatur. An diesem Punkt wird der flüssige Anteil des Kältemittels bei gleichbleibenden Druck im Verdampfer beispielweise durch die Erdwärme erwärmt und verdampft. Die Erwärmung hat eine Vergrößerung des Volumens im Gasraum zur Folge. Dieser Prozess findet isobar statt. Dies bedeutet, dass sich dabei der Druck nicht wesentlich erhöht, denn aus dem Verdampfer wird durch eine nachgeschaltete Kompressionspumpe stetig Gas entnommen. Am Punkt c. angelangt ist das Gas des Kältemittels von seiner niedrigen Temperatur nach Expansion auf eine Wärmetemperatur eines ersten Wärmespeichers, beispielweise Erdwärme, gebracht worden. An Punkt c. angelangt wird dieses nun auf Temperatur des ersten Wärmereservoirs gebrachte Gas an dem zuvor genannten Kompressor komprimiert. Bei dieser adiabatischen Kompression ohne Wärmezu- oder -abfuhr nimmt das System Kompressionsarbeit auf und erwärmt sich entsprechend. Der Druck erhöht sich und das Volumen erniedrigt sich. Am Punkt d. angelangt gibt das erhitzte Gas Wärme an einen zweiten Wärmekreislauf ab und kondensiert bei der Abkühlung. Stoffe, die als Kältemittel bei dieser Abkühlung einen Phasenübergang zeigen, weisen dabei eine sehr starke Wärmetönung auf, da in diesem Prozess latente Wärme bei der Kondensation wieder frei wird. An Punkt d. angelangt ist das Gas beziehungsweise die Flüssigkeit in einem Zustand erhöhter Temperatur. Diese Temperatur wird durch Abgabe an ein weiteres Wärmeübertragungsmittel in einem Wärmetauscher beispielweise an eine Heizung abgegeben. Die Folge davon ist eine Kontraktion des flüssigen beziehungsweise gasförmigen Kältemittels bei gleichzeitiger Abkühlung unter isobaren Verhältnissen, wobei der Druck durch die Drossel zwischen den Punkten a. und b. gleichgehalten wird. Die Fläche, die dieser Kreisprozess im p,V-Diagramm einschließt, ist gleich der geförderten Wärmemenge bei einem Zyklus. Das p,V-Diagramm des in 1 gezeigten Kreisprozesses zeigt eine idealisierte Form. In einer tatsächlichen Wärmepumpe sind die adiabatische Expansion, isobare Expansion, adiabatische Kompression und isobare Kompression stark miteinander verwoben. Das Kreisdiagramm wird in Realität eher Sichelform annehmen, da die idealisierten Grenzen der Prozess-Stufen an den Punkten a., b., c. und d. in der Regel nicht gesondert voneinander abgegrenzt werden und die Bedingungen für die isobaren und adiabatischen Prozess-Stufen üblicherweise nicht sonderlich stabilisiert werden.

In 2 ist der selbe Prozess in einem idealisierten Temperatur-Enthalpie-Diagramm wiedergegeben. Das Kältemittel am Punkt a. ist in 2 mit einer beispielhaften Temperatur von 40° Celsius angegeben. Diese Temperatur, sowie sämtliche weitere in diesem Diagramm angegebenen Temperaturen sind als beispielhaft und allgemeingültig anzusehen und die Temperaturen können im Rahmen einer Optimierung des Arbeitsprozesses an einer Wärmepumpe eingestellt werden. Die Rücklauftemperatur des Kondensats an Punkt a. erniedrigt sich bei der adiabatischen Expansion durch eine Drossel auf die hier beispielhaft angegebene Temperatur von minus 5° Celsius. Das Kältemittel, das bei dieser adiabatischen Expansion einen Phasenübergang aufweist, zeigt eine sehr starke Wärmetönung. Dabei wird nicht das gesamte durch die Drossel geleitete Kältemittel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt, sondern nur ein Anteil. Dieser Anteil überwindet die Phasengrenze flüssig/gasförmig und kühlt sich dabei sehr stark ab und entnimmt die Wärme dem Kältemittel selbst, wobei sich das Kältemittel abkühlt. An Punkt b. angelangt nimmt das größtenteils flüssige Kältemittel, das nun eine Temperatur aufweist, die mit hier beispielhaft angegebenen –5°C niedriger ist als die hier angegebene Temperatur der Erdwärme von +4° Celsius, Wärme aus dem Erdkollektorkreislauf auf. Die vom Kältemittel aufgenommene Wärme ist proportional zur Menge des wärmeaufnehmenden Kältemittels. Bei der Erwärmung zwischen Punkt b. und Punkt c. verdampft wieder ein Teil des kalten Kältemittels und sorgt solange für eine Temperaturkonstanz des Kältemittels bis sämtliches Kältemittel durch die aus der Erdwärme stammenden Wärme verdampft ist. An diesem Knickpunkt zwischen b. und c. erwärmt sich das nun reine gasförmig vorliegende Kältemittel über die Siedetemperatur des Kältemittels bei dem im Verdampfer herrschenden Druck. An Punkt c. angelangt wird dieses Gas nun durch den Kompressor komprimiert. Bei der Kompression entlang c. – d. heizt sich das Gas stark auf. Hierbei ist zu beachten, dass die Erwärmung des Gases von Punkt c. nach Punkt d. von 4° Celsius (hier beispielhaft angegebene Temperatur der Erdwärme) auf hier angegebene beispielhafte 60° Celsius aus der Kompression resultiert. Die Erwärmung des flüssigen Kältemittels von –5°C auf 4°C von Punkt b. nach Punkt c. jedoch aus der Erwärmung durch die Erdwärme. In üblicher- und gewünschter Weise unterliegt der Anteil der Kompressionsarbeit von Punkt c. nach Punkt d. dem Zugewinn der Enthalpie des Kältemittels beim Übergang von Punkt b. nach Punkt d. gegenüber dem Zugewinn von Enthalpie beim Übergang von Punkt b. nach Punkt c. Korrespondierend dazu ist der Enthalpie-Verlust des Kältemittels beim Übergang von Punkt d. nach Punkt a. so groß, dass dieser der Summe des Enthalpie-Gewinnes von Punkt b. nach Punkt c. und von Punkt c. nach Punkt d. entspricht. An Punkt d. gibt das erhitzte Gas Wärme an einen externen Wärmekreislauf ab, bis das Gas den Taupunkt erreicht, den Knickpunkt zwischen d. und a., und dabei latente Wärme freisetzt. Dieser Prozess findet solange statt, wie gasförmiges Kältemittel zur Kondensation zur Verfügung steht. An Punkt a. angelangt beginnt ein neuer Zyklus. Die reine Kompressionsarbeit c.–d. steht als zusätzliche Wärme an Punkt d. zur Verfügung und beträgt den Anteil an der Gesamtheizleistung der dem elektrischen Energieanteil der Heizleistung von Wärmepumpen entspricht. Die Optimierung dieses Temperatur-Enthalpie-Diagramms ist Gegenstand vieler Erfindungen zur Steigerung des Wirkungsgrades von Wärmepumpen.

Die Eingangs bei der Formulierung der Erfindungsaufgabe formulierte Problematik, nämlich ein Ausfrieren eines Wärmeübertragungsmediums im Erdkollektorkreis ist besonders der 2 zu entnehmen. Dort wird deutlich, dass in einem Wärmetauscher des Erdkollektors das Wärmeübertragungsmedium mit Temperaturen unter 0° Celsius des Verdampfers in thermischen Kontakt steht. Dieser ergibt sich besonders dann, wenn die Durchflussrate eines Verdampfers auf der Seite des Erdkollektorkreises nicht so groß ist, dass ein Ausfrieren des Wärmeübertragungsmediums im Erdkollektorkreis vermieden werden kann. In Wärmepumpen aus dem Stand der Technik wird diese Problematik dadurch gelöst, dass dem Wärmeübertragungsmedium des Erdkollektors Additive zugefügt werden, die ein Ausfrieren vermeiden. Genau diese Additive sind in Wärmepumpen, die in Naturschutz- oder Wasserschutzgebieten eingesetzt werden sollen, nicht erwünscht. Genau an diesen Punkt greift die Erfindung ein, was in der nächsten Zeichnung, einer Schaltung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe, gezeigt wird.

In 3 ist das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe 1 dargestellt. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe 1, vorzugsweise als kompakte Einheit, weist zwei Wärmekreislaufanschlüsse 2 und 3 auf. Im Heizungsbetrieb fließt Wärme aus dem Kreislauf 10, der durch Anschluss 2, einem Erdkollektor 100 und einem Wärmetauscher 300 fließt. An Anschluss 3 wird ein Wärmekreislauf mit einer Heizung 200 geschlossen, wobei die Heizung 200 im Wärmeschluss mit einem Kondensator 500 steht. Der Wärmetauscher 300 ist mit einem Verdampfer 400 der Wärmepumpe 1 im Wärmeschluss geschaltet. Der Wärmekreislauf 300 wird durch ein Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise eine Sole oder ein Wasser-Glykol-Gemisch bereit gestellt, welches im Wärmekreislauf 30 zwischen Wärmetauscher 300 und Verdampfer 400 enthalten ist. Das Wärmeübertragungsmedium im Wärmekreislauf 30 wird in einem Vorratsbehälter 32 zum Druckausgleich aufbewahrt und speist den Wärmekreislauf 30. In den Wärmekreislauf 30 ist außerdem ein Bypass 33 geschaltet, der den niedertemperaturseitigen Vorlauf 37 des Verdampfers 400 mit dem niedertemperaturseitigen Rücklauf 36 des Verdampfers 400 über ein Dreiwegeventil 34 verbindet. Durch den Bypass 33 kann ein Teil des Wärmeübertragungsmediums in Kreislauf 30 am Verdampfer 400 vorbei fließen und vom niedertemperaturseitigen Vorlauf 37 in den niedertemperaturseitigen Rücklauf 36 des Verdampfers 400 fließen und somit die Temperatur des niedertemperaturseitigen Rücklaufs 36 vor Wiedereintritt in dem Wärmetauscher 300 erwärmen.

Vorzugsweise findet eine Regelung des Dreiwegeventils 34 durch den Thermostaten 35 statt. Die Temperaturabnahme 37 des Thermostaten 35 findet vorzugsweise an einer Stelle im niedertemperaturseitigen Rücklauf 36 statt, an der sich die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums in Bypass 33 und die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums im niedertemperaturseitigen Rücklauf 36 vollständig durchmischt haben. Hierdurch wird erreicht, dass sich die Rücklauftemperatur bereits vor Eintritt in den Wärmetauscher 300 über dem Gefrierpunkt befindet. Eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmediums im Wärmekreislauf 30 findet durch Umwälzpumpe 31 statt. Dadurch, dass die Temperatur des niedertemperaturseitigen Rücklaufes 36 den Gefrierpunkt von reinem Wasser nicht unterschreitet, ist sichergestellt, dass reines Wasser in Wärmekreislauf 10, welches erfindungsgemäß keine Additive und auch kein Glykol enthalten soll, vor Ausfrieren geschützt ist. Es ist denkbar, die erfindungsgemäße Wärmepumpe 1 auch ohne den Bypass 33 und das korrespondierende Dreiwegeventil 34 und Thermostaten 35 zu betreiben. In diesem Falle muss die Durchflussleistung des Wärmetauschers 300 so groß sein, dass ein Ausfrieren des reinen Wassers im Wärmekreislauf 10 durch genügend hohe Durchflussraten und somit stetiger Anlieferung von über 0° Celsius warmen Wassers ein Ausfrieren des Wassers im Wärmetauscher 300 unterbindet. Der Verdampfer 400 ist hochtemperaturseitig mit einem Wärmekreislauf 40 verbunden, in welchem ein hochtemperaturseitiger Vorlauf 45 einfließt. Der hochtemperaturseitiger Vorlauf 45 entstammt der Drossel 41, in dem sich das Kältemittel des Wärmekreislaufes 40 stark abgekühlt hat. Die starke Abkühlung des Kältemittels resultiert in einer Temperatur, die niedriger ist als die des niedertemperaturseitigen Vorlaufs 37 des Verdampfers 400. Bei Durchschreiten des Verdampfers 400 wärmt sich das Kältemittel im hochtemperaturseitigen Vorlauf 45 soweit auf, dass es am Rücklauf 46 die Temperatur des niedertemperaturseitigen Vorlaufs 37 aufweist und dabei verdampft. Die Temperatur des hochtemperaturseitigen Rücklaufes 46 wird nun durch den Kompressor 42 bei Kompression soweit erhöht, dass die Temperatur des niedertemperaturseitigen Vorlaufes 43 des Kondensators 500 so hoch ist, dass die Wärme spontan auf den Wärmekreislauf 20 in Kondensator 500 übergeht. Bei Abgabe der Wärme aus dem Vorlauf 43 an den Kreislauf 20 kühlt sich die Temperatur des gasförmigen Kältemittels ab, kondensiert unter Abgabe der latenten Wärme und verlässt den Kondensator über Rücklauf 44, wo das Kondensat die Drossel 41 durchschreitet und einen neuen Kreislauf beginnt. Die größten Temperatursprünge in der Wärmepumpe finden tatsächlich in der Drossel und im Kompressor statt. Die Ausdrücke „Kondensator" und „Verdampfer" sind Bezeichnungen für die eigentlichen Wärmetauscher in denen auf der Seite des Wärmekreislaufes 40 tatsächlich noch Kondensation und Verdampfung eines gegebenenfalls überspannten Kältemittels stattfinden.

Erfindungsgemäß wird dem Verdampfer 400 ein zusätzlicher niedertemperaturseitiger Wärmetauscher 300 nachgeschaltet, der im Wärmeschluss mit dem Wärmekreislauf 10 des Erdkollektors steht. Hierdurch wird erreicht, dass die effektive Heizrate des Verdampfers 400 auf der der Kälte zugewandten Seite erhöht wird. Des Weiteren wird durch den weiteren Wärmetauscher 300, der eine hohe Durchflussrate aufweist, erreicht, dass Wasser aus einem Erdkollektorkreislauf 10 auch nahe am Gefrierpunkt für die Wärmepumpe 1 eingesetzt werden kann. Die Durchflussrate im Wärmetauscher 300 kann erdkollektorseitig so hoch gewählt werden, dass ein Ausfrieren des Wassers im Erdkollektorkreis 10 unmöglich wird. Als zusätzliche Sicherheitseinrichtung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Bypass 33 in den zusätzlichen Wärmekreislauf 30 zu schalten, damit der hochtemperaturseitig zugewandte Vorlauf 31 keine Temperatur aufweist, die dem Gefrierpunkt des Wassers entspricht oder diesen unterschreitet.

In 4 ist die Wärmetransportmenge Q aus einem kälteren Wärmereservoir WR1 in ein weiteres Wärmereservoir WR2 mit höherer Temperatur dargestellt. Der Anteil der transportierten Wärme Q entspricht der Breite der Enthalpie-Pfeile H (b.–c.) und H (c.–d.). Der Anteil der tatsächlich geförderten Wärme Q = (b.–c.) entspricht in heutigen Wärmekraftmaschinen etwa das vierfache der durch die Kompressionsarbeit an das Kältemittel abgegebene Enthalpie H (c.–d.).

In 5 ist ein log(p)-H-Diagramm des Kreisprozesses einer Wärmepumpe gezeigt. In diesem Diagramm ist auf der Ordinate die Enthalpie (H) aufgetragen, auf der Abszisse jedoch der Logarhithmus des Druckes (log(p)). Auf der oberen Ordinate ist die Temperatur T dargestellt, die durch die Isothermen 800, 801, 802, 803, 804, 805, 806 mit der Enthalpie bei gegebenen Druck korreliert ist. In das log(p)-H-Diagramm ist außerdem die Siedelinie 600 und die Taulinie 700 eingezeichnet, wobei beide Linien 600, 700 am kritischen Druck pkrit, ineinander übergehen. Links der Siedekurve 600 befindet sich das durch das log(p)-H-Diagramm beschriebene Kältemittel im flüssigen Zustand. Zwischen Siedelinie und Taulinie befindet es sich im dampfförmigen Zustand, dies bedeutet, dass sowohl flüssige als auch gasförmige Phase nebeneinander vorliegen und rechts der Taulinie 700 befindet sich das Kältemittel im gasförmigen Zustand. Oberhalb des kritischen Drucks pkrit. findet keine Phasenumwandlung mehr statt. Das Kältemittel befindet sich im kritischen Zustand. Im Prozess der Wärmepumpe befindet sich am Start des Zyklus kondensiertes Kältemittel bei hohem Druck im Kondensator, wobei das Kältemittel die hier beispielhaft angegebene Temperatur des Vorlaufes (40° Celsius) aufweist. An diesem Punkt a. im log(p)-H-Diagramm wird das Kältemittel durch den hohen Druck durch eine Drossel getrieben. Durch den hohen Druck wird an dem die Drossel durchschreitenden Kältemittel Volumenarbeit geleistet, gleichzeitig leistet das Kältemittel Volumenarbeit gegenüber dem geringeren Druck im Verdampfer. Bei dieser Expansion in den geringeren Druck verdampft ein Teil des Kältemittels und kühlt sich dabei ab. Beim Verdampfen nimmt das Kältemittel eine erhebliche Wärmemenge als latente Wärme in den Gasraum auf und kühlt dabei das restliche noch in der flüssigen Phase befindliche Kältemittel erheblich ab. Eine Abkühlung findet nur dann statt, wenn sich das Kältemittel unterhalb seiner Inversionstemperatur bei gegebenen Druck befindet. An Punkt b. bei hier beispielhaft angegebenen –5° angelangt, nimmt das Kältemittel Wärme aus dem Erdkollektorkreislauf mit hier beispielhaft angegebenen 4°Celsius auf. Dies geschieht so lange, bis sämtliches Kältemittel in den Gasraum übergegangen ist. Dann befindet sich das Kältemittel in einem Zustand an dem sich die Linie b.–c. mit der Taulinie 700 schneidet. Nachdem sämtliches Kältemittel in den Gasraum übergegangen ist, erwärmt sich das Kältemittel soweit, bis das Gas eine Temperatur aufweist, die der Temperatur des Erdkollektorkreislaufes entspricht, hier beispielhaft 4° Celsius und befindet sich an Punkt c. Der Übergang von b. nach c. findet isobar statt. Beim Übergang von c. nach d. wird das gasförmige Kältemittel komprimiert und dabei nimmt das rein gasförmige Kältemittel Volumenarbeit auf und erhitzt sich auf die hier beispielhaft angegebene Temperatur von 60° bei Punkt d. An Punkt d. angelangt befindet sich der gasförmige Anteil des Kältemittels im Kondensator. Dort gibt das gasförmige Kältemittel seine Temperatur an den Heizungskreislauf ab bis es anfängt, zu kondensieren, (Schnittpunkt a.–d. mit Taulinie 700) wobei an diesem Punkt die Temperatur so lange gleich bleibt, bis sämtliches gasförmiges Kältemittel kondensiert ist und sich vollständig im flüssigen Zustand befindet. An diesem Punkt a. angelangt beginnt ein neuer Zyklus.

1
Wärmepumpe
2
Anschluss
3
Anschluss
10
Wärmekreislauf
20
Wärmekreislauf
30
Wärmekreislauf
31
Umwälzpumpe
32
Druckausgleichbehälter
33
Bypass
34
Dreiwegeventil
35
Thermostatregler
36
Rücklauf
37
Wärmeabnahmestelle/Vorlauf
40
Wärmekreislauf
41
Drossel
42
Kompressor
43
Vorlauf
44
Rücklauf
45
Vorlauf
46
Rücklauf
100
Erdkollektor
200
Heizung
300
Wärmetauscher
400
Verdampfer
500
Kondensator
600
Siedelinie
700
Taulinie
800
Isotherme
801
Isotherme
802
Isotherme
803
Isotherme
804
Isotherme
805
Isotherme
806
Isotherme


Anspruch[de]
Wärmepumpe (1) mit mindestens einem ersten Anschluss (2) zu einer wärmeschließenden Verbindung mit einem ersten Wärmekreislauf (10) und mindestens einem zweiten Anschluss (3) zu einer wärmeschließenden Verbindung mit einem zweiten Wärmekreislauf (20), welche Wärme (Q) von dem einem Wärmekreislauf (10, 20) über einen Verdampfer (400) in den anderen Wärmekreislauf (10, 20) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Wärmekreislauf (10) und dem Verdampfer (400) ein dritter Wärmekreislauf (30) vorgesehen ist, wobei das Wärmeübertragungsmedium im ersten Wärmekreislauf (10), in welchen ein Erdkollektor (100) geschaltet ist, Wasser ist und wobei das Wärmeübertragungsmedium im dritten Wärmekreislauf (30), in welchen der Verdampfer (400) oder ein Kondensator (500) in einem Heiz- oder einem Kühlbetrieb geschaltet ist, eine Sole oder ein Wasser- Glykol-Gemisch ist. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den ersten Wärmekreislauf (10) der Erdkollektor (100) und in den zweiten Wärmekreislauf (20) ein externer Wärmetauscher (200) zum Heizen und/oder Kühlen geschaltet ist. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (400) mit dem Kondensator (500) durch zwei Leitungen (43, 44, 45, 46) verbunden ist, wobei in der einen Leitung (43, 46) ein Kompressor (42) und in der anderen Leitung (44, 45) eine Drossel (41) geschaltet ist und die Richtung der Wärmeförderung durch die Pumprichtung des Kompressors (42) vorgegeben ist. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der dritte Wärmekreislauf (30) durch einen Wärmetauscher (300) mit dem ersten Wärmekreislauf (10) in einem Wärmeschluss befindet und im Heiz- oder Kühlbetrieb in den Wärmekreislauf (30) des Verdampfers (400) oder des Kondensators (500) geschaltet ist. Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (300) ein Plattenwärmetauscher ist. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nenndurchfluss des Wärmetauschers (300) zwischen dem erstem Wärmekreislauf (10) und dem drittem Wärmekreislauf (30) auf der Seite des ersten Wärmekreislaufes (10) höher dimensioniert ist als der Nenndurchfluss des je nach Einrichtung zu Heiz- oder Kühlzwecken geschalteten Verdampfers (400) oder des Kondensators (500) auf der Seite des dritten Wärmekreislaufes (30). Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (300), der Verdampfer (400) und der Kondensator (500) in einer Baueinheit angeordnet sind. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (300) extern vor einer als herkömmlich arbeitenden Wärmepumpe dienenden Einheit aus dem Verdampfer (400), dem Kondensator (500) und weiteren Elementen angeordnet ist. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb, bei dem Wärme (Q) aus dem ersten Wärmekreislauf (10) in den zweiten Wärmekreislauf (20) übertragen wird, die Arbeitstemperatur des Dampfes im Verdampfer (400) weniger als 0°C beträgt. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (33) im dritten Wärmekreislauf (30) vorgesehen ist, der das Wärmeübertragungsmedium aus dem Verdampfer-Vorlauf (37) auf der Seite des dritten Wärmekreislaufes (30) in den Verdampfer-Rücklauf (36) auf der Seite des dritten Wärmekreislaufes (30) leitet. Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bypass (33) ein thermostatisch geregeltes Ventil (34) geschaltet ist, wobei ein Temperaturfühler (35) zur Regelung des Ventils (34) an einer Stelle im Verdampfer-Rücklauf (36) angeordnet ist, an der sich das Wärmeübertragungsmedium aus dem Verdampfer-Rücklauf (36) und aus dem Bypass (33) vollständig durchmischt haben. Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeltemperatur des thermostatisch geregelten Ventils (34) in einem Bereich zwischen 0°C und 2°C liegt. Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeltemperatur des thermostatisch geregelten Ventils (34) bei etwa 0,5°C liegt. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe (1) zur Heizung und/oder Kühlung im häuslichen Bereich, die Erdwärme aus einem Erdkollektor (100) fördert oder Wärme ins Erdreich über den Erdkollektor (100) abführt gekennzeichnet durch die Verwendung von reinem Wasser als Wärmeübertragungsmedium im Erdkollektor (100). Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe (1) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Verwendung eines zusätzlichen Wärmekreislaufes (30) zwischen einem Wärmekreislauf (10) des Erdkollektors (100) und einem in einem Heiz- oder Kühlbetrieb geschalteten Verdampfer (400) oder Kondensator (500), wobei der zusätzliche Wärmekreislauf (30) stofftrennend in Bezug auf die Wärmeübertragungsmedien im ersten Wärmekreislauf (10) und dem zusätzlichen Wärmekreislauf (30) im Einsatz ist. Verwendung einer Wärmepumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Verbindung mit senkrecht im Erdreich angeordneten Erdkollektoren (100), wobei die Erdkollektoren (100) bis in eine maximale Tiefe von etwa 200 m, bis in eine maximale Tiefe von etwa 100 m, bis in eine maximale Tiefe von 50 m oder bis in eine maximale Tiefe von 20 m reichen. Verwendung einer Wärmepumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Förderung von Erdwärme und/oder zur Abfuhr von Wärme in einem Wasser- oder Naturschutzgebiet.






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