CH656210A5

CH656210A5 - Heat pump arrangement

Info

Publication number: CH656210A5
Application number: CH2288/81A
Authority: CH
Inventors: Walter Mueller
Original assignee: Mitec Moderne Ind Gmbh
Priority date: 1980-04-08
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1986-06-13
Also published as: ATA129381A; DE3013518A1; AT375173B; NL8101653A; SE8101696L

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung mit wenigstens zwei Wärmepumpen, von denen jede einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem Verdichter mit Antrieb, einem Kondensator und einem Expansionsventil umfasst.

Solche Wärmepumpenanordnungen sind beispielsweise aus der österreichischen Patentschrift 337 938, der österreichischen Patentschrift 338 465 oder der deutschen Offenlegungsschrift 2 112 362 bekannt. Diese Anordnungen sind jedoch mehrstufig, d.h. so aufgebaut, dass der die Sekundärseite der jeweils niedrigeren Stufe durchströmende Wärmeträger (im allgemeinen Wasser) der Primärseite der jeweils nächst höheren Stufe zugeführt wird. Somit sind diese bekannten Anordnungen zwar in der Lage, Wärmeträger auf verschiedenen Temperaturniveaus zur Verfügung zu stellen, doch müssen sie bereits von ihrem Entwurf her an den jeweils vorgesehenen Einsatzfall angepasst werden, wobei das verwendete Kältemittel, die normale Verdicherdrehzahl und das normale Verdichtungsverhältnis so auf die wahrscheinlichste Betriebssituation abgestimmt werden müssen, dass die Anlage über einen möglichst grossen Teil ihrer Betriebszeit hinweg mit einem möglichst guten Wirkungsgrad arbeitet. Sobald aber stärkere Abweichungen von den erwarteten, bei der Planung angesetzten häufigsten Betriebsbedingungen auftreten, weil beispielsweise durch tages- oder jahreszeitlich bedingte Aussentemperaturschwankungen sich einerseits die Temperatur des der Primärseite der ersten Stufe der Anlage zugeführten Wärmeträgers und andererseits die an den Verbrauchern benötigten Wärmemengen ändern, können die bekannten Anordnungen zwar in einem gewissen Bereich in ihrer Heiz- bzw. Kühlleistung den veränderten Bedingungen angepasst werden, doch tritt hierdurch unweigerlich eine erhebliche Verschlechterung des Wirkungsgrades der Gesamtanordnung auf.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 606 053 ist eine Wärmepumpenanordnung bekannt, durch die die Abwärme von Kühlanlagen genutzt werden soll. Hierzu werden jeweils soviele Verdampfereinheiten der Wärmepumpen kältemittel-seitig zueinander parallelgeschaltet, wie nutzbare Kühlanlagen vorhanden sind. Es wird also die Kondensationswärme der Kühlanlagen zur Verdampfung des Kältemittels der Wärmepumpenanordnung verwendet. Eine weitergehende Anpassung der Betriebsparameter an schwankende Betriebsbedingungen zur Verlängerung der Betriebsdauer, während derer die Wärmepumpenanordnung mit einem optimalen oder nahezu optimalen Wirkungsgrad arbeitet, ist jedoch auch hier nicht möglich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besser als bisher bekannte Wärmepumpenanordnungen zwei einander scheinbar entgegengerichtete Forderungen erfüllt, nämlich einerseits die Forderung nach einer stärkeren Standardisierung der einzelnen Wärmepumpen und andererseits die Forderung nach einer besseren permanenten Anpassbarkeit der Leistung einer aus solchen Wärmepumpen aufgebauten Anordnung an wechselnde Betriebsbedingungen unter forwährender Optimierung des momentan erzielten Wirkungsgrades.

Die Wärmepumpenanordnung der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet,

dass sowohl die Primärseiten als auch die Sekundärseiten der Wärmepumpen jeweils zu einem oder mehreren Wärmeträgerkreisen zusammenschaltbar sind.

Gemäss der Erfindung wird eine aus mehreren Wärmepumpen bestehende Anordnung also nicht in dem Sinn mehrstufig betrieben, dass der Wärmeträger der Sekundärseite einer Wärmepumpe der Primärseite einer anderen Wärmepumpe (oder umgekehrt) zugeführt wird. Es wird vielmehr eine einstufige Anordnung geschaffen, bei der die Primärseiten der zwei oder mehr Wärmepumpen für eine differenzierte Regelung der Leistungs- und Temperaturbereitstellung zu einem oder mehreren Wärmeträgerkreisen zusammenschaltbar sind. Zu diesem Zweck lassen sich beispielsweise Magnetventile verwenden, die von einer zentralen Steuerungsanlage her fernbedient werden. Genau das gleiche gilt auch für die Sekundärseiten der Wärmepumpen, so dass trotz der Verwendung modulartig standardisierter Wärmepumpen insgesamt eine Anlage mit ausserordentlich hoher Flexibilität erstellbar ist, die an sich ändernde Betriebsbedingungen in einem sehr weiten Bereich so angepasst werden kann, dass jeweils ein optimaler Wirkungsgrad erzielbar ist. Zu diesem Zweck ist es möglich, in der zentralen Steueranlage einen Rechner oder Mikroprozessor vorzusehen, der aufgrund eines für die jeweilige Anlage erstellten Programmes die Betriebsbedingungen kennzeichnende Umgebungsparameter messend erfasst und auswertet, um die verschiedenen Wärmepumpen in der jeweils günstigsten Weise miteinander zu verschalten und zu betreiben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Wärmepumpenanordnung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfüh- rung um 33%. Dieses Beispiel zeigt die Vorteile einer erfin-

rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung dungsgemässen Wärmepumpenanordnung in Verbindung beschrieben; in dieser zeigt: mit relativ hohen Temperaturspreizungen.

Als weiteres Beispiel für die Vorteilhaftigkeit einer erfin-

Fig. 1 eine Schemaskizze eines Ausführungsbeispiels einer s dungsgemässen Vorrichtung gegenüber dem Stand der

Wärmepumpenanordnung, das fünf Wärmepumpen Technik sei diese mit einer herkömmlichen Grundwasser-

umfasst, und Wärmepumpe zur Raumbeheizung über ein Fussboden-Hei-

Fig. 2 eine Schemaskizze eines weiteren Ausführungsbei- zungssystem verglichen. Bei einer Abarbeitung des Grundspiels mit sechs Wärmepumpen, wobei verschiedene Wärme- wassers von 10°C auf 4°C und Heiznetztemperaturen von pumpen auf der Wärmesenkenseite verschiedene Aufgaben io 35/30°C ergibt sich für die herkömmliche Wärmepumpe eine erfüllen. Verdampfungstemperatur von — 1 °C, eine Kondensationstemperatur von 40°C und somit eine Carnot'sche Leistungs-Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel setzt sich ziffer von 7,5.

die Wärmepumpenanordnung aus mehreren Wärmepumpen Für eine erfindungsgemässe Wärmepumpenanordnung 10 bis 1 Od zusammen, wobei jede Wärmepumpe einen in sich is mit beispielsweise sechs Wärmepumpen jeweils gleicher Lei-geschlossenen Kältemittelkreislauf aufweist, der von einem stung ergeben sich für die einzelnen Wärmepumpen der Verdampfer 11, einem Verdichter 12 mit Antrieb, einem Reihe nach Verdampfertemperaturen von 4°C, 3°C, 2°C, Kondensator 13 und einem Expansionsventil 14 gebildet 1°C, 0°Cund — 1°C, sowie Kondensationstemperaturen von wird. Die Wärmequellenseite 15 und/oder die Wärmesen- 41 °C, 40°C, 39°C, 38°C, 37°C und 36°C. Dies bedeutet eine kenseite 16 dieser Wärmepumpen 10 bis lOd sind zu einem 20 mittlere Verdampfungstemperatur von 1,5°C, eine mittlere oder mehreren Kreisen zusammenschaltbar. Je nach Einsatz Kondensationstemperatur von 38,5°C und somit eine Carder Wärmepumpenanordnung als Heiz- bzw. als Kühlvor- not'sche Leistungsziffer von 8,4; somit ergibt sich eine Verrichtung können dabei sowohl die Wärmequellenseite 15 als besserung um 12%.

auch die Wärmesenkenseite 16 entweder als Primär- oder als Diese Beispiele zeigen die energetischen Vorteile einer

Sekundärseite betrachtet werden. Die in Fig. 1 durch Zu- und 25 erfindungsgemässen Wärmepumpenanordnung bei Nennbe-

Abflusspfeile angedeuteten Wärmeträger-Strömungswege trieb. Durch die Anpassungsfähigkeit der nach den vorge-

der Wärmepumpen 10 bis 1 Od sind entsprechend den jewei- schlagenen Massnahmen gestalteten Wärmepumpenanord-

ligen Betriebsbedingungen auf der Primärseite wahlweise nung an die peripheren Erfordernisse einschliesslich der min-

zueinander parallel oder miteinander in Reihe schaltbar. Das destens stufenweise gegebenen Leistungsregelung ist insbe-

gleiche gilt auch für die Wärmeträger-Strömungswege auf der 3# sondere auch eine Verbesserung der Arbeitsziffer, d.h. der

Sekundärseite der Wärmepumpenanordnung. Hierdurch über das ganze Jahr hinweg gemittelten Leistungsziffer wird eine differenzierte Regelung der Leistungs- und Tempe- gegeben.

ratur-Bereitstellung in ihrem zeitlichen Verlauf ermöglicht. Ausserdem wird die Möglichkeit eröffnet, mehrere vonein-Zu diesem Zweck sind die modulartig aufgebauten Wärme- ander unabhängige und in ihrer Art und Temperatur verpumpen 10 bis 10e mit Rohrkrümmern, Schläuchen, Kanälen 35 schiedene Wärmequellen oder Wärmesenken in einer ein-und Ventilen so verschaltet, dass ihre Wärmetauscher 11 bzw. zigen Anordnung einzusetzen. Als Beispiel sei hier für einen 13 jeweils in der gewünschten Weise miteinander verbunden landwirtschaftlichen Betrieb die Wärmerückgewinnung aus werden können. Milch, Mist, Silo und Heulager zum Zweck der Brauchwas-

Der modulartige Aufbau der einzelnen Wärmepumpen sererwärmung, Raum- und Gewächshausbeheizung usw.

beinhaltet, dass die Wärmepumpen ohne Eingriff in die Käl- 40 genannt.

tekreise übereinander oder nebeneinander anflanschbar und Ausserdem kann beim Ausfall einer oder mehrerer der austauschbar angeordnet sind. Dabei können die einzelnen Wärmepumpen beispielsweise der für die Brauchwasserer-

Wärmepumpen entweder durch aufsteckbare Isolierform- wärmung zuständigen Wärmepumpe 100, deren Funktion schalen zu quaderartigen, aufeinander stapelbaren und/oder durch eine oder mehrere der verbleibenden Wärmepumpen miteinander verbindbaren Formkörpern ausgebildet sein. 45 100a bis 100e zumindest solange übernommen werden, bis

Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit den Wärme- das oder die defekten Module ausgetauscht worden sind. Die pumpen 10 bis 1 Od in ihrer Gesamtheit einen geschlossenen Funktionsübernahme durch andere Wärmepumpen kann

Baukörper zu bilden. z.B. automatisch dadurch erfolgen, dass von der zentralen

Ein konkretes Verschaltungsbeispiel ist in Fig. 2 darge- Steuerungsanlage aufgrund eines entsprechenden Fehlersig-

stellt. Hier übernimmt die oberste Wärmepumpe 100 bei der so nals eine Umschaltung der betreffenden Ventile in den Wär-

Versorgung eines Einfamilienhauses allein die Brauchwas- meträgerkreisen der Primär- und Sekundärseite sowie gege-

sererwärmung, was zu den Niedertarifzeiten, d.h. unter Aus- benenfalls eine Änderung der eingeregelten Leistung der ver-

nutzung der Energieüberangebotszeiten geschehen kann. Die bleibenden Module durchgeführt wird.

restlichen Wärmepumpen 100a bis 100e versorgen das Fertigungstechnisch ergibt sich durch die vorgeschlagenen Gebäude mit Heizwärme, wobei die Wärmepumpe 100a ss Massnahmen eine weitgehend vereinheitlichte Modulferti-wieder speziell beispielsweise für die Fussbodenheizung in gung in wenigen Leistungsstufen aber grossen Stückzahlen. Bad und Eingangsvorraum eingesetzt wird und die Wärme- Wenn ausserdem der konstruktive Aufbau der Wärmetaupumpen 100b bis 100e die Radiatorenheizung übernehmen. scher eine Verwendung sowohl als Kondensator als auch als

Für die in diesem Beispiel angenommene Abarbeitung Verdampfer erlaubt, verdoppeln sich die Fertigungstückeiner Wärmequelle von 26°C auf 8°C ergeben sich für den 6® zahlen, was beispielsweise zu einer erheblich günstigeren Nennbetrieb, d.h. alle Stufen voll in Betrieb, die in Fig. 2 ein- Ausnutzung des Maschinen- und Vorrichtungsparkes führt, getragenen Temperaturen. Für diesen Betriebsfall ergibt sich Die Versorgungssicherheit einer Wärmepumpenanord-für die beschriebene Wärmepumpenanordnung eine Car- nung gemäss der Erfindung ist gegenüber den herkömm-not'sche Leistungsziffer von 6,8. Dagegen weisen die günstig- liehen Anordnungen wesentlich gesteigert, denn der Ausfall sten Anordnungen nach dem Stand der Technik bei der 65 eines Wärmepumpen-Moduls berührt die Funktionstüchtig-Abarbeitung der Wärmequelle mit einem Kältekreis eine keit der übrigen Wärmepumpen nicht. Die defekte Wärme-Carnot'sche Leistungsziffer von 5,1 auf. Damit erbringt die pumpe kann von kältetechnisch ungeschultem Personal in vorgeschlagene Wärmepumpenanordnung eine Verbesse- einfacher Weise durch Lösen der Wärmeträger-Leitungsan-

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schlüsse gegen eine neue Wärmepumpe ausgetauscht werden. Dies hat den Vorteil, dass Eingriffe in den Kältekreis ausschliesslich in fachkundigen Werkstätten erfolgen können, in denen die erforderlichen Einrichtungen vorhanden sind,

entsprochen wird.

Somit werden durch die vorgeschlagenen Massnahmen sowohl thermodynamisch und energetisch die Betriebsweise als auch die Fertigungstechnik, der Transport, die Installa-

wodurch den Erfordernissen des Umweltschutzes weitgehend s tion und die Versorgungssicherheit erheblich verbessert.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

656210 PATENTANSPRÜCHE

1 Od) jeweils zu einem ersten mit einem ersten Wärmeträger arbeitenden Kreis und wenigstens einem zweiten, mit einem zweiten Wärmeträger arbeitenden Kreis zusammenschaltbar sind.

1. Wärmepumpenanordnung mit wenigstens zwei Wärmepumpen, von denen jede einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem Verdichter mit Antrieb, einem Kondensator und einem Expansionsventil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Primärseiten (15 oder 16) als auch die Sekundärseiten (16 oder 15) der Wärmepumpen (10 bis 1 Od) jeweils zu einem oder mehreren Wärmeträgerkreisen zusammenschaltbar sind.

2. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseiten (15 oder 16) und/oder die Sekundärseiten (16 oder 15) der Wärmepumpen (10 bis

3. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verdampfer (11) bzw. als Kondensator (13) dienenden Wärmetauscher einer jeden Wärmepumpe (10 bis 1 Od) einen identischen Aufbau aufweisen.

4. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpen (10 bis lOd) ohne Eingriff in die Kältekreise aneinander anflanschbar und austauschbar sind.

5. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpen (10 bis lOd) durch Isolierformschalen (100) oder durch Ausschäumen in Formen zu quaderähnlichen Körpern gestaltet sind.

6. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpen (10 bis lOd) zu einer geschlossenen Baueinheit zusammengefasst sind.

7. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- und/oder Kühlleistung durch Zu- oder Wegschalten von einer oder mehreren der Wärmepumpen (10 bis lOd) zumindest durch Ein- oder Ausschalten des zugehörigen Verdichterantriebs stufenweise regelbar ist.

8. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung wenigstens einer Wärmepumpe (10 bis lOd) durch die Regelung der Drehzahl des zugehörigen Verdichterantriebs regelbar ist.