AT504564A1 - Wärmepumpe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Verdichter und einer Drossel, welche einen Kreislauf eines wärmetragenden Arbeitsmediums in einen Niederdruckbereich und einen Hochdruckbereich einteilen, und mit wenigstens einem Wärmetauscher.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, mit welcher Druck und Wärme eines Arbeitsmediums in einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich auf unterschiedliche Temperatur- und Druckniveaus gebracht wird.

Das Arbeitsprinzip von Wärmepumpen sowie Wärmepumpen zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird ein Arbeitsmedium, wie ein Kältemittel, wechselweise durch Aufbringen von mechanischer Arbeit verdichtet, d.h. auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, und unter Abgabe von mechanischer Arbeit expandiert, d.h. auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht.

Bei solchen Wärmepumpen ist es bekannt, zum Erhöhen des Temperaturniveaus einen Verdichter zu verwenden, wobei der Verdichter einen Bereich mit niedrigem Druck ("kalte Seite") und einen Bereich mit hohem Druck ("warme Seite") trennt. Zum Absenken des Temperaturniveaus kann ein Expansionsventil· verwendet werden, welches ebenfalls eine zweite Trennstelle zwischen der kalten und der warmen Seite der Wärmepumpe darstellt. Die Verdichterarbeit, um das Arbeitsmedium von einem niedrigen auf einen hohen Druck zu bringen, stellt in der Wärmepumpe einen sehr energieaufwändigen Vorgang dar. Nachteilig bei solchen Wärmepumpen ist allerdings, dass eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums vor dem Verdichter nicht möglich ist, ohne die Kühlleistung der "kalten Seite" zu beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe daher zu Grunde, eine Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, mit denen der angesprochene Nachteil überwunden wird und darüber hinaus weitere Energieeinsparungen erzielt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Wärmepumpe, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Des Weiteren wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruches 11 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe zwei Verdichter vorgesehen sind, und dass zwischen den beiden Verdichtern ein Mitteldruckbereich begrenzt ist, kann dem Mitteldruckbereich zusätzlich auch -2- weitere Wärme zugeführt werden, ohne dass die Kühlleistung der "kalten Seite" beeinträchtigt wird, wobei die Energiebilanz der Wärmepumpe verbessert wird. Der Hoch- und Niederdruckbereich inklusive der Drossel kann wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgeführt sein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Verdichter zwischen Niederdruck- und Mitteldruckbereich angeordnet ist und der zweite Verdichter zwischen Mitteldruck- und Hochdruckbereich. Im Weiteren wird der erste Verdichter als Mitteldruckverdichter und der zweite Verdichter als Hochdruckverdichter bezeichnet.

Das Zuführen von weiterer Wärme in den Mitteldruckbereich kann im Rahmen der Erfindung einerseits derart erfolgen, dass Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Mitteldruckbereich rückgeführt wird (Vorwärmen des Arbeitsmediums). Dies ist insbesondere beim Kühlbetrieb der Wärmepumpe von Vorteil wenn die Hochdrucktemperatur nicht zum Heizen benötigt wird. Da erfindungsgemäß im Mitteldruckbereich ein Wärmetauscher angeordnet ist, kann die Temperatur des Arbeitsmediums im Hochdruckbereich über diesen Wärmetauscher auf das Arbeitsmedium im Mitteldruckbereich übertragen werden. Die in den Mitteldruckbereich eingebrachte Wärme erhöht den Druck des Arbeitsmediums. Somit wird durch die Wärmerückführung der Hochdruckverdichter entlastet und dessen Stromverbrauch reduziert, womit sich gleichfalls die Leistungszahl der Wärmepumpe verbessert. Die Reduzierung des Stromverbrauches erfolgt im Wesentlichen proportional dazu, wie der Druck im Mitteldruckbereich durch Zufuhr von Wärme steigt. Ein weiterer Vorteil der Energierückführung ist, dass die überschüssige Wärme nicht mehr an die Umgebung abgegeben werden muss.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung können in den Mitteldruckbereich Temperaturen eingespeist werden, die zwischen den Temperaturen im Niederdruckbereich und dem Hochdruckbereich liegen, z.B. im Bereich von ca. 0 ’C bis 100*C. Dieser Temperaturbereich ist so ausgelegt, dass in den Mitteldruckbereich auch direkt thermische Energie, d.h. Wärme, von zusätzlichen Vorrichtungen zum Bereitstellen von Energie, wie z.B. Photovoltaik- oder Thermovoltaik-Elementen, sowie Energie aus Prozess- oder Abwärme oder aus einer Kühlvorrichtung, z.B. zur Kühlung von Photovoltaik- und/oder Thermovoltaik-Elementen, eingespeist werden kann, womit weiterhin in erheblichem Maße Energiekosten eingespart werden.

Mit der Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie, wie das Photovoltaik-Element, kann ebenfalls der Großteil der elektrischen ·♦ ·♦«···· ·· • · -3-

Energie für die beiden Verdichter selbst erzeugt werden, wobei die anfallende Solarwärme direkt zur Druckerhöhung des Arbeitsmediums im Mitteldruckbereich genutzt werden kann.

Durch die erfindungsgemäßen zwei Verdichter der Wärmepumpe ist also eine Energierückführung und/oder eine zusätzliche Energiezuführung vor dem Hochdrückverdichter möglich, ohne die Kälteleistung der Wärmepumpe zu negativ beeinflussen.

Weitere Einzelheiten Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen ein bevorzugte Ausführungsform dargestellt ist.

Es zeigt Fig. 1 ein Fließschema der erfindungsgemäßen Wärmepumpe in Form einer Kältemaschine und Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein stark vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe in einer noch zu beschreibenden Verbindung mit einem Photovoltaik-Element 1 als Vorrichtung zum Bereitstellen von thermischer und elektrischer Energie gezeigt.

In der als Kältemaschine ausgeführten Wärmepumpe wird ein Kältemittel als Arbeitsmedium in Pfeilrichtung 2 im Kreislauf geführt. Der Kältemittelkreislauf lässt sich in drei Bereiche unterteilen: ein Bereich, in welchem das Kältemittel in der Wärmepumpe einen niedrigen Druck und eine niedrige Temperatur (z.B. 20‘C) aufweist (im Weiteren als Niederdruckbereich bezeichnet), einen Bereich, in welchem das Kältemittel einen höheren Druck und eine höhere Temperatur (z.B. 60*C) aufweist (im Weiteren als Hochdruckbereich bezeichnet) und einen zusätzlichen Bereich, in welchem Druck und Temperatur des Kältemittel zwischen den beiden vorgenannten Bereichen liegt (im Weiteren als Mitteldruckbereich bezeichnet) .

Der Niederdruckbereich ist in Strömungsrichtung des Kältemittels (Pfeilrichtung 2) begrenzt durch eine Drossel 3 und einen ersten Verdichter 4, wobei der erste Verdichter 4 (Mitteldruckverdichter) das Kältemittel auf die im Mitteldruckbereich herrschenden Drücke und Temperaturen verdichtet. Die Drossel 3 ist in der gezeigten Ausführungsform ein regelbares, elektronisches Expansionsventil und steuert den Volumenstrom des Kältemittels, welcher den Energieumsatz der Wärmepumpe bestimmt. Der Hochdruckbereich ist in Strömungsrichtung des Kältemittels (Pfeilrichtung 2) begrenzt durch einen zweiten Verdichter 5 und der Drossel 3, wobei der zweite Verdichter 5 (Hochdruckverdichter) das

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Erfindungswesentlich ist, dass zwischen dem ersten Verdichter 4 und dem zweiten Verdichter 5 der Mitteldruckbereich geschaffen ist, in welchen vor dem zweiten Verdichter 5 Energie in Form von Wärme eingebracht werden kann, ohne die Kälteleistung im Niederdruckbereich zu verändern, da der erste Verdichter 4 als Druckbarriere wirkt, wenn in den Mitteldruckbereich thermische Energie eingebracht wird. Im folgenden werden zwei Varianten angesprochen, wie Energie in den Mitteldruckbereich eingebracht wird, wobei im Rahmen der Erfindung auch ändert Möglichkeiten denkbar sind.

Eine Möglichkeit der Energieeinspeisung ist die Wärmerückführung vom Hochdruckbereich in den Mitteldruckbereich. Diese thermische Energierückführung ist bei Ausführung der Wärmepumpe als Kältemaschine besonders von Vorteil, da die Heizleistung im Hochdruckbereich nicht benötigt wird. Dafür ist zwischen dem ersten Verdichter 4 und dem zweiten Verdichter 5 ein Wärmetauscher 6 angeordnet. Ausgehend von einem im Hochdruckbereich, d.h. in Strömungsrichtung des Kältemittels (Pfeilrichtung 2) nach dem zweiten Verdichter 5, angeordneten Wärmetauscher 7, über den die Heizleistung sonst auch zur Heiß- oder Brauchwasseraufbereitung 16 genutzt werden könnte, verläuft eine Leitung 8, welche in den Wärmetauscher 6 mündet. Die so in den Mitteldruckbereich eingespeiste (rückgeführte) Wärme hebt den Druck des Kältemittels vor dem zweiten Verdichter 5, wodurch dessen Drehmoment zum Verdichten des Kältemittels auf den im Hochdruckbereich herrschenden Druck kleiner wird. Der Stromverbrauch des Zweiten Verdichters 5 verringert sich um den Teil der eingespeisten Energie, mit der Folge, dass die Leistungszahl und die Energiebilanz der Wärmepumpe optimiert wird.

Eine weitere Möglichkeit der Energieeinspeisung in den Mitteldruckbereich ist die Wärme Zuführung vom Photovoltaik-Element 1. Diese thermische EnergieZuführung kann z.B. mittels eines Mediums, welches zuvor zur Kühlung des Photovoltaik-Elements 1 eingesetzt wurde, erfolgen (dabei kann auch die durch die Wärmepumpe erzeugte Kälteleistung direkt • · 00 0000 0

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5 zur Kühlung des Photovoltaik-Elements 1 genutzt werden). Hierzu ist ausgehend vom Photovoltaik-Element 1 eine Leitung 9 vorgesehen, die in den Wärmetauscher 6 mündet. Der Temperaturbereich, der innerhalb des Mitteldruckbereichs eingespeist wird, ist so ausgelegt, dass die vom Photovoltaik-Element 1 zugeführte Wärme den gewünschten Wirkungsgrad erzielt.

Die direkte Anbindung des Photovoltaik-Elements 1 an die Wärmepumpe ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich und wird im Folgenden anhand eines in der Praxis bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert:

Mit dem Photovoltaik-Element 1 wird elektrische Energie erzeugt, mit welcher beiden Verdichter 4, 5 mit ganz oder teilweise Solarenergie betrieben werden. Die dabei anfallende Solarwärme wird wie oben beschrieben direkt zur Druckerhöhung des Kältemittels im Mitteldruckbereich der Wärmepumpe genutzt. Die durch die Wärmepumpe erzeugte Kälteleistung wird direkt zur Kühlung des Photovoltaik-Elements 1 eingebracht. Die elektrische Leistung des Photovoltaik-Elements 1 kann so bis zu 30% gesteigert werden. Die Einsparung an elektrischer Energie liegt bei dieser Wärmepumpe bei bis zu 50% gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpen. In der Sommerzeit ist eine Selbstversorgung mit elektrischer Energie von bis zu 90% für die Kühlleistung von Gebäuden zu erreichen, wobei im Kühlbetrieb durch die erfindungsgemäße Rückführung der Heizleistung in den Mitteldruckbereich weiterhin der elektrische Energieverbrauch gesenkt wird.

Die Energie des Photovoltaik-Elements 1 wird bei dessen direkter Anbindung an die Wärmepumpe einem DC/DC-Wandler 10 zugeführt. Über den DC/DC-Wandler 10 ist das Photovoltaik-Element 1 mit einem Frequenzumrichter 11 verbunden. Mittels einer Vorrichtung 12 zur Leistungsmessung und einem Steuerungssystem 13 wird die vom Photovoltaik-Element 1 zu liefernde Energie an den von der Wärmepumpenleistung abhängigen Energiebedarf der beiden Verdichter 4, 5 angepasst. Der Frequenzumrichter 11 bedient die beiden Verdichter 4, 5 mit variabler Frequenz zur Steuerung der Verdichterleistungen.

Im Rahmen der Erfindung können alternativ oder zusätzlich zum Photovoltaik-Element 1 auch Thermovoltaik-Elemente 15 als Vorrichtung zum Bereitstellen von thermischer und/oder elektrischer Energie vorgesehen sein. Die Thermovoltaik-Elemente 15 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von Thermogeneratoren im Wärmetauscher 7 angeordnet, können jedoch auch in weiteren Wärmetauschern der Wärmepumpe angeordnet werden. Die Einspeisung von thermischer Energie in den Mittel- «· · ·« ·· ···· · • ···· · · · ·· ··· · ·· · · · • · · · · · · ···· ·« · · · · · · · *» «t* «*·· φφ φφ φ -6- druckbereich erfolgt über die Leitung 9. Die erzeugte elektrische Energie wird analog zum Photovoltaik-Element 1 über einen DC/DC-Wandler 10 dem Frequentumrichter 11 zugeführt und mit dem Steuersystem 13 und der Vorrichtung 12 zur Leistungsmessung an den Energiebedarf der Verdichter 4, 5 angepasst.

Die Wärmepumpe kann mit dem Ventil 14 jeweils vom Heizbetrieb in den Kühlbetrieb umgeschaltet werden. Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt ein Kältemittel als Arbeitsmedium verwendet, welches bei ungewolltem Austritt aus der Wärmepumpe möglichst wenig schädlichen Einfluss auf die Umwelt und insbesondere auf die Ozonschicht der Erde ausübt.

Weitere in Fig. 2 dargestellte Bauteile der erfindungsgemäßen Wärmepumpe, wie die Anbindung an ein Wärmereservoir 17, z.B. Erdwärme aus Grundwasser, oder die Anbindung an ein Verbrauchergerät 18, z.B. ein Kühlschrank, oder die Anbindung an das elektrische Netz 19, können auf an sich aus dem Stand der Technik bekannte Weise ausgeführt sein.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel wie folgt beschrieben werden:

Eine Wärmepumpe führt ein Arbeitsmedium im Kreislauf und weist eine Drossel 2 und zwei Verdichter 4, 5 auf. In Strömungsrichtung des Ar-beitsmediums (Pfeilrichtung 2) begrenzt die Drossel 2 mit dem ersten Verdichter 4 einen Niederruckbereich, der erste Verdichter 4 mit dem zweiten Verdichter 5 einen Mitteldruckbereich und der zweite Verdichter 5 mit der Drossel 2 einen Hochdruckbereich.

Die beiden Verdichter 4, 5 werden direkt über ein Photovoltaik-Element 1 mit Strom versorgt. Die anfallende Solarwärme wird einem Wärmetauscher 6 im Mitteldruckbereich zugeführt, womit der Druck des Arbeitsmediums erhöht und in gleichem Maße der Energieverbrauch des zweiten Verdichters 5 verringert wird.

Claims (18)

1. * * ·· · ·· ·· ···· · k I • · ·· · ·· · · · • · · ··· · · · • ♦ · ·· · ····· • · · · ···· · ·· ··· ···· ·· ·· · -1 - Patentansprüche 1. Wärmepumpe mit einem Verdichter (4, 5) und einer Drossel (2), welche einen Kreislauf eines wärmetragenden Arbeitsmediums in einen Niederdruckbereich und einen Hochdruckbereich einteilen, und mit wenigstens einem Wärmetauscher (6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verdichter (4, 5) vorgesehen sind, und dass zwischen den beiden Verdichtern (4, 5) ein Mitteldruckbereich begrenzt ist.
2. 2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums (Pfeilrichtung _ 2) gesehen erste Verdichter (4) zwischen Niederdruck- und Mitteldruckbereich angeordnet ist und der zweite Verdichter (5) zwischen Mitteldruck- und Hochdruckbereich.
3. 3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Mitteldruckbereich zwischen dem ersten Verdichter (4) und dem zweiten Verdichter (5) ein Wärmetauscher (6) angeordnet ist.
4. 4. Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Hochdruckbereich eine in den Wärmetauscher (6) im Mitteldruck-bereich mündende Leitung (8) angeordnet ist.
5. 5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Drossel (2) der Volumenstrom des Arbeitsmediums in der Wärmepumpe steuerbar ist.
6. 6. Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (2) ein elektronisches Expansionsventil ist.
7. 7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe einen Frequenzumrichter (11) auf weist, und dass der Frequenzumrichter (1) mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie verbunden ist.
8. 8. Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Frequenzumrichter (11) und der Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie ein DC/DC-Wandler (10) angeordnet ist.
9. 9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie eine Leitung (8, 9) in den Wärmetauscher (6) im Mitteldruckbereich angeordnet ist.
10. 10. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie eine Vorrichtung zum Bereitstellen von thermischer und/oder 9 ·· ·· 9999 9 • ·· • ♦ · • 9 9 • • • ·· 9 9 9 • • • · • 9 999 • 9 • · 9 9 9 9 ··· ··«· • · 99 9 -2- elektrischer Energie ist.
11. 11. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum bereitstellen von Energie ein Photovoltaik-Element (1) ist.
12. 12. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,' dass die Vorrichtung zum bereitstellen von Energie ein Thermovoltaik-Element ist.
13. 13. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisungs-Temperatur in den Mitteldruckbereich zwischen der im Niederdruckbereich vorliegenden Temperatur und der im Hochdruckbereich vorliegenden Temperatur liegt.
14. 14. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, mit welcher Druck und Wärme eines Arbeitsmediums in einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich auf unterschiedliche Temperatur- und Druckniveaus gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anordnen von zwei Verdichtern (4, 5) ein Mitteldruckbereich gebildet wird, in welchem zusätzlich weitere Wärme zugeführt wird.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich in den Mitteldruckbereich zugeführte Wärme durch das Kühlen einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie erhalten wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (4, 5) mit dem durch die Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie erzeugten Strom betrieben werden.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus dem Hochdruckbereich in den Mitteldruckbereich rückgeführt wird.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme und/oder Prozesswärme in den Mitteldruckbereich zugeführt wird.