DE102019113800A1

DE102019113800A1 - Heat pump device with subcooler

Info

Publication number: DE102019113800A1
Application number: DE102019113800.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Heckmeier; Andreas Vetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kältemittelkreislauf, mit einem dem Kältemittelkreislauf wärmetechnisch gekoppelten Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf und einem mit dem Kältemittelkreislauf wärmetechnisch gekoppelten Wärmesenkenkreislauf. Es ist ein Unterkühler vorgesehen, wobei der Unterkühler mit seiner Primärseite in den Kältemittelkreislauf und mit seiner Sekundärseite in dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch eingebunden ist. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmepumpenvorrichtung.

The invention relates to a heat pump device with a refrigerant circuit, with a heat source heat transport fluid circuit thermally coupled to the refrigerant circuit and a heat sink circuit thermally coupled to the refrigerant circuit. A subcooler is provided, the subcooler being integrated with its primary side in the refrigerant circuit and with its secondary side in the heat source heat transport fluid circuit. The invention also relates to a method for operating such a heat pump device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kältemittelkreislauf, einem mit dem Kältemittelkreislauf wärmetechnisch gekoppelten Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf und einem mit dem Kältemittelkreislauf wärmetechnisch gekoppelten Wärmesenkenkreislauf.The present invention relates to a heat pump device with a refrigerant circuit, a heat source heat transfer fluid circuit thermally coupled to the refrigerant circuit and a heat sink circuit thermally coupled to the refrigerant circuit.

Bei einer solchen Wärmepumpenvorrichtung handelt es sich um eine Kompaktanlage oder Splitanlage, bei der zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittelkreislauf noch ein Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf zwischengeschaltet ist. Hierdurch ist es möglich, den Kältemittelkreislauf getrennt von der Wärmequelle zu platzieren, insbesondere wie bei Splitanlagen vollständig im Innenbereich anzuordnen, während die Wärmequelle im Außenbereich,also außerhalb eines Gebäudes, vorhanden ist. Üblicherweise handelt es sich bei solchen Wärmepumpenvorrichtungen beim Wärmesenkenkreislauf um einen Bereich des Heizungs- und/oder Warmwasserkreislaufs für ein Gebäude. Wesentlicher und üblicher Bestandteil des Kältemittelkreislaufs ist ein Verdichter (Kompressor), mit dem gasförmiges Kältemittel verdichtet wird. Je höher der Kältemitteldruck, desto höher ist auch die Temperatur des Kältemittels nach der Verdichtung. Das verdichtete, gasförmige Kältemittel wird einem Kondensator zugeführt, der zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Wärmesenkenkreislauf angeordnet ist. Im Kondensator verflüssigt sich das Kältemittel wieder, die dabei freigesetzte Wärme wird an den Wärmesenkenkreislauf abgegeben. Die frei werdende Kondensationswärme setzt sich prozessbedingt aus drei Bestandteilen zusammen. Es handelt sich hauptsächlich um die frei gewordene Verflüssigungswärme aufgrund des Phasenwechsels von gasförmig zu flüssig. Des Weiteren stehen ca. 10 % Wärmeenergie durch die Enthitzung des gasförmigen Kältemittels zur Verfügung. Ein kleiner Energieanteil von ca. 2 bis 3 % wird durch die Unterkühlung des Kältemittels abgegeben. In der Folge wird im flüssigen Kältemittel mittels eines Expansionsventils Druck abgebaut. Das Kältemittel wird im Anschluss einem Verdampfer zugeführt, der zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf angeordnet ist. In dem Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme auf und geht wieder in den gasförmigen Zustand über. Übliche Verdampfer von Wärmepumpenvorrichtungen werden mit einem Füllstand an flüssigem Kältemittel von ca. 70 % betrieben. Dem Verdampfer wird mittels des Wärmetransportfluids Wärme von der Wärmequelle zugeführt. Übliche Wärmequellen bei Wärmepumpenvorrichtungen sind die Außenluft, die Erdwärme, die Grundwasserwärme oder die Abwärme von entsprechend Abwärme abgebenden Einrichtungen. Die kostengünstigste (bezogen auf die Investitions- / Anschaffungskosten) Wärmequelle ist die Außenluft. In aller Regel wird die Außenluft mittels eines Ventilators durch einen Luftkühler gesogen, in dem die Temperatur der Außenluft reduziert wird. Die Wärme wird in dem Luftkühler von dem Wärmetransportfluid aufgenommen und mittels des Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislaufs dem Verdampfer zugeführt. Das Wärmetransportfluid kann auch ein Gas/Kältemittel sein. Mit solchen Wärmepumpenvorrichtungen lässt sich eine Leistungszahl COP (Coefficience of Performance) im Bereich von 3 bis 4,5 erzielen. Systembedingt sinkt die Effizienz einer Wärmepumpenvorrichtung mit fallenden Außentemperaturen, wodurch der Strombedarf steigt. Des Weiteren kommt es im Bereich der Wärmequelle und aufgrund der Temperaturreduktion in diesem Bereich bei bestimmten Betriebsbedingungen zur Vereisung, weshalb regelmäßig Abtauvorgänge durchgeführt werden müssen, um Wirkungsgradverlusten aufgrund der Vereisung entgegenzuwirken. Bei bestehenden Vorrichtungen erfolgt dies durch Umkehrung des Kältemittelkreislaufs mittels eines Umschaltventils. Hierdurch wird nunmehr Wärme in den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf eingebracht, was in der Folge zur Abtauung im Bereich der Wärmequelle führt. Zuweilen können diese Vorgänge nur in einem bestimmten Außentemperaturbereich durchgeführt werden, weshalb zusätzlich elektrisch betriebene Abtaueinrichtungen vorgesehen sind. Ein Nachteil einer solchen Prozessumkehr im Kältemittelkreislauf für einen Abtauvorgang besteht auch darin, dass dem Wärmesenkenkreislauf hierfür Wärme entzogen wird, die anschließend bei Aufnahme des Normalbetriebs dem Wärmesenkenkreislauf wieder zugeführt werden muss. Es besteht daher ein Bedürfnis, die Leistungszahl einer solchen Wärmepumpenvorrichtung zu erhöhen.Such a heat pump device is a compact system or split system, in which a heat source heat transport fluid circuit is interposed between the heat source and the refrigerant circuit. This makes it possible to place the refrigerant circuit separately from the heat source, especially as with split systems, to arrange it completely inside, while the heat source is available outside, i.e. outside of a building. In the case of such heat pump devices, the heat sink circuit is usually an area of the heating and / or hot water circuit for a building. An essential and usual component of the refrigerant circuit is a compressor, with which gaseous refrigerant is compressed. The higher the refrigerant pressure, the higher the temperature of the refrigerant after compression. The compressed, gaseous refrigerant is fed to a condenser which is arranged between the refrigerant circuit and the heat sink circuit. The refrigerant liquefies again in the condenser, and the heat released in the process is transferred to the heat sink circuit. The condensation heat released is made up of three components due to the process. It mainly concerns the heat of liquefaction released due to the phase change from gaseous to liquid. Furthermore, approx. 10% thermal energy is available through the de-heating of the gaseous refrigerant. A small amount of energy of approx. 2 to 3% is given off by the subcooling of the refrigerant. As a result, the pressure in the liquid refrigerant is reduced by means of an expansion valve. The refrigerant is then fed to an evaporator which is arranged between the refrigerant circuit and the heat source heat transport fluid circuit. The refrigerant absorbs heat in the evaporator and returns to its gaseous state. Conventional evaporators of heat pump devices are operated with a liquid refrigerant level of approx. 70%. Heat from the heat source is supplied to the evaporator by means of the heat transport fluid. Common sources of heat in heat pump devices are the outside air, geothermal heat, groundwater heat or the waste heat from devices that emit waste heat. The most cost-effective (in relation to the investment / acquisition costs) heat source is the outside air. As a rule, the outside air is drawn through an air cooler by means of a fan, in which the temperature of the outside air is reduced. The heat is absorbed by the heat transfer fluid in the air cooler and is supplied to the evaporator by means of the heat source heat transfer fluid circuit. The heat transport fluid can also be a gas / refrigerant. With such heat pump devices, a COP (coefficient of performance) in the range from 3 to 4.5 can be achieved. As a result of the system, the efficiency of a heat pump device decreases with falling outside temperatures, which increases the demand for electricity. Furthermore, under certain operating conditions, icing occurs in the area of the heat source and due to the temperature reduction in this area, which is why defrosting processes must be carried out regularly in order to counteract efficiency losses due to icing. In existing devices, this is done by reversing the refrigerant circuit using a switchover valve. As a result, heat is now introduced into the heat source heat transport fluid circuit, which subsequently leads to defrosting in the area of the heat source. Sometimes these processes can only be carried out in a certain outside temperature range, which is why electrically operated defrosting devices are also provided. A disadvantage of such a process reversal in the refrigerant circuit for a defrosting process is that heat is withdrawn from the heat sink circuit for this purpose, which then has to be returned to the heat sink circuit when normal operation is started. There is therefore a need to increase the coefficient of performance of such a heat pump device.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Leistungszahl zu verbessern.The present invention is therefore based on the object of improving a heat pump device of the type mentioned at the beginning with regard to its coefficient of performance.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung dadurch gelöst, dass ein Unterkühler vorgesehen ist und der Unterkühler mit seiner Primärseite in den Kältemittelkreislauf und mit seiner Sekundärseite in den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch eingebunden ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass im Kältemittel eine zusätzliche Unterkühlung stattfindet, die zur Effizienzsteigerung genutzt werden kann. In herkömmlichen Systemen beträgt die Unterkühlung etwa 2 bis 3° K. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine stärkere Unterkühlung bewirkt. Unterkühlungen bis 25° K (und mehr) sind möglich. Durch die niedrigere Temperatur des Kältemittels erfolgt im Verdampfer auch nur eine geringere Überhitzung des Kältemittels und ein geringerer Druckaufbau. Das hat den Vorteil, dass die von dem Verdichter zu erbringende Leistung kleiner ist. Der Vorteil macht sich insbesondere bei höheren Temperaturen des Kältemittels bemerkbar und ist demnach abhängig von der jeweiligen Betriebssituation der Wärmepumpenvorrichtung. Es ist jedoch möglich, dass man mit einem kleineren Verdichter eine höhere Heizleistung erzielt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung wird auch das Wärmeniveau im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf angehoben, wodurch es erst später zu einer notwendigen Abtauung kommen muss. Insgesamt lässt sich die Leistungszahl einer solchen Wärmepumpenvorrichtung aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung steigern.This object is achieved in a generic heat pump device in that a subcooler is provided and the subcooler is thermally integrated with its primary side in the refrigerant circuit and with its secondary side in the heat source heat transport fluid circuit. This measure ensures that additional subcooling takes place in the refrigerant, which can be used to increase efficiency. In conventional systems, the supercooling is about 2 to 3 ° K. In the device according to the invention, a stronger supercooling is brought about. Hypothermia up to 25 ° K (and more) is possible. Due to the lower temperature of the refrigerant, there is also only less overheating of the refrigerant and less pressure build-up in the evaporator. This has the advantage that the power to be provided by the compressor is smaller is. The advantage is particularly noticeable at higher temperatures of the refrigerant and is therefore dependent on the respective operating situation of the heat pump device. However, it is possible that a smaller compressor can achieve a higher heating output. Due to the arrangement according to the invention, the heat level in the heat source heat transport fluid circuit is also increased, which means that defrosting is not necessary until later. Overall, the coefficient of performance of such a heat pump device can be increased due to the arrangement according to the invention.

Prinzipiell ist die Verwendung eines Unterkühlers bei Wärmepumpenvorrichtungen bekannt. Allerdings werden diese zur wärmetechnischen Kopplung des Kältemittelkreislaufs und des Wärmesenkenkreislaufs verwendet.The use of a sub-cooler in heat pump devices is known in principle. However, these are used for the thermal coupling of the refrigerant circuit and the heat sink circuit.

Vorteilhafterweise ist gemäß einer Ausführungsform im Kältemittelkreislauf vor oder auf der Primärseite des Unterkühlers ein Regelventil und/oder Absperrventil vorgesehen, mittels dem oder denen der Anteil des Kältemittelmassenstroms, der durch den Unterkühler strömt, einstellbar ist. Der Unterkühler wird demnach nicht zwangsläufig von dem gesamten Kältemittelmassenstrom durchströmt, sondern es erfolgt ein geregelter, bzw. gesteuerter Bypass des Kältemittels am Unterkühler vorbei, so dass das Mischungsverhältnis zwischen dem Anteil des Kältemittels, der durch den Unterkühler strömt, und dem Anteil des Kältemittelmassenstroms, der den Unterkühler umgeht, eingestellt werden kann. Die Einstellung erfolgt bevorzugt aufgrund bestimmter Betriebsparameter, so dass eine Anpassung an den jeweiligen Bedarf des Wärmesenkenkreislaufs und/oder der Situation im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf entsprochen werden kann. Anders gesagt, kann eine genauere Regelung bzw. Einstellung der Unterkühlung im Kältemittelkreislauf vorgenommen werden.According to one embodiment, a control valve and / or shut-off valve is advantageously provided in the refrigerant circuit before or on the primary side of the subcooler, by means of which the portion of the refrigerant mass flow that flows through the subcooler can be adjusted. The subcooler is therefore not necessarily traversed by the entire refrigerant mass flow, but there is a regulated or controlled bypass of the refrigerant past the subcooler, so that the mixing ratio between the proportion of refrigerant flowing through the subcooler and the proportion of the refrigerant mass flow, bypassing the subcooler can be set. The setting is preferably made on the basis of certain operating parameters, so that an adaptation to the respective requirements of the heat sink circuit and / or the situation in the heat source heat transport fluid circuit can be met. In other words, the subcooling in the refrigerant circuit can be regulated or adjusted more precisely.

Zur Verbesserung des Systems kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf vor oder auf der Sekundärseite des Unterkühlers ein Regelventil und/oder Absperrventil vorgesehen ist, mittels dem oder denen der Anteil des Wärmetransportfluidstroms, der durch den Unterkühler strömt, einstellbar ist. Auch im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf strömt somit nicht zwingend das gesamte Wärmetransportfluid durch den Unterkühler, sondern nur ein bestimmter Teil, der wiederum abhängig ist von z.B. bestimmten Betriebsparametern. Auch hierdurch lässt sich die Unterkühlung gezielter einstellen. Von besonderem Vorteil ist selbstverständlich die Regelung bzw. Einstellung sowohl des Anteils des Kältemittelmassestroms als auch des Anteils des Wärmetransportmittelfluidstroms. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann deshalb eine Regel- und/oder Steuereinrichtung vorgesehen sein, mittels der bzw. denen das Regelventil und/oder Absperrventil im Kältemittelkreislauf und/oder das Regelventil und/oder Absperrventil im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf regelbar bzw. einstellbar ist bzw. sind.To improve the system, provision can also be made for a control valve and / or shut-off valve to be provided in the heat source heat transport fluid circuit before or on the secondary side of the subcooler, by means of which the proportion of the heat transport fluid flow that flows through the subcooler can be adjusted. Even in the heat source heat transport fluid circuit, the entire heat transport fluid does not necessarily flow through the subcooler, but only a certain part, which in turn depends on e.g. certain operating parameters. This also allows the hypothermia to be set more specifically. Of course, the regulation or setting of both the proportion of the refrigerant mass flow and the proportion of the heat transport medium fluid flow is of particular advantage. According to a further embodiment, a regulating and / or control device can therefore be provided by means of which the regulating valve and / or shut-off valve in the refrigerant circuit and / or the regulating valve and / or shut-off valve in the heat source heat transport fluid circuit can be regulated or adjusted .

Vorteilhafterweise kann bzw. können die Regel- und/oder Steuereinrichtung derart ausgestaltet sein, dass die Regelung bzw. Einstellung des oder der Regelventil(e) und/oder Absperrventil(e) in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Parameter erfolgt:

Außentemperatur, Druck des Kältemittels, Temperatur des Kältemittels, Druck des Wärmetransportfluids, Temperatur des Wärmetransportfluids, Rücklauftemperatur im Wärmesenkenkreislauf, Vorlauftemperatur im Wärmesenkenkreislauf, Stromaufnahme (Leistung) eines Verdichters im Kältemittelkreislauf, Vereisungszustand im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf, Flüssigkeitsstand des Kältemittels in einem den Kältemittelkreislauf mit dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer sowie der gewünschten Unterkühlungstemperatur. Es besteht somit die Möglichkeit, die Regelung an eine entsprechende Betriebssituation anzupassen. Je mehr diese oder dieser Parameter in die Regelung bzw. Steuerung eingebunden sind, desto genauer und effizienter kann die Wärmepumpenvorrichtung eingesetzt werden. Zur Optimierung ist insbesondere die Unterkühlung an die jeweiligen Parameter anpassbar. Ziel kann es aber auch sein, einen der genannten Parameter genau einzustellen, was z.B. in einer Abhängigkeit einer gewünschten Unterkühlungstemperatur erfolgen kann.

The regulating and / or control device can advantageously be designed in such a way that the regulation or setting of the regulating valve (s) and / or shut-off valve (s) takes place as a function of at least one of the following parameters:

Outside temperature, pressure of the refrigerant, temperature of the refrigerant, pressure of the heat transfer fluid, temperature of the heat transfer fluid, return temperature in the heat sink circuit, flow temperature in the heat sink circuit, power consumption (power) of a compressor in the refrigerant circuit, icing state in the heat source heat transfer fluid circuit with the refrigerant circuit, liquid level of the refrigerant Heat source heat transport fluid circuit thermally coupling evaporator and the desired subcooling temperature. There is thus the possibility of adapting the control to a corresponding operating situation. The more these or these parameters are integrated into the regulation or control, the more precisely and efficiently the heat pump device can be used. In particular, the subcooling can be adapted to the respective parameters for optimization. However, the aim can also be to set one of the parameters mentioned precisely, which can take place, for example, as a function of a desired subcooling temperature.

Eine weitere Vorrichtungsvariante sieht vor, dass die Regel- und/oder Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist bzw. sind, dass die Regelung bzw. Einstellung des Regelventils und/oder Absperrventils im Kältemittelkreislauf derart erfolgt, dass mit steigender Vorlauftemperatur im Wärmesenkenkreislauf bzw. steigender Temperatur des Kältemittels in einem den Kältemittelkreislauf und den Wärmesenkenkreislauf wärmetechnisch koppelnden Kondensator der Anteil des Kältemittelmassenstroms durch den Unterkühler erhöht wird. Hierdurch wird eine Effizienzsteigerung auch bei höheren Vorlauftemperaturen im Wärmesenkenkreislauf erzielt.Another device variant provides that the regulating and / or control device is designed in such a way that the regulation or setting of the regulating valve and / or shut-off valve in the refrigerant circuit takes place in such a way that with increasing flow temperature in the heat sink circuit or increasing temperature of the refrigerant in a condenser which thermally couples the refrigerant circuit and the heat sink circuit, the proportion of the refrigerant mass flow through the subcooler is increased. This increases the efficiency even at higher flow temperatures in the heat sink circuit.

Günstigerweise kann oder können die Regel- und/oder Steuereinrichtung bei einer Variante auch derart ausgestaltet sein, dass die Regelung bzw. Einstellung des Regelventils und/oder Absperrventils im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf von der Temperatur in oder angrenzend an einen den Kältemittelkreislauf und den Wärmesenkenkreislauf wärmetechnisch koppelnden Kondensator und/oder von der Temperatur in einem oder angrenzend an einen dem Kältemittelkreislauf und dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer erfolgt. Die Temperatur kann natürlich auch in den Zu- oder Ableitungen des Kondensators bzw. des Verdampfers ermittelt werden, wodurch Rückschlüsse auf den Betriebszustand der jeweiligen Einheit gewonnen werden können. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Betriebsart des Unterkühlers in Abhängigkeit der jeweiligen Situation im Kondensator und/oder Verdampfer geregelt bzw. eingestellt wird.In a variant, the regulating and / or control device can advantageously be designed in such a way that the regulation or setting of the regulating valve and / or shut-off valve in the heat source heat transport fluid circuit depends on the temperature in or adjacent to one of the refrigerant circuit and the Heat sink circuit thermally coupling condenser and / or takes place from the temperature in or adjacent to the refrigerant circuit and the heat source heat transport fluid circuit thermally coupling evaporator. The temperature can of course also be determined in the inlet or outlet lines of the condenser or the evaporator, whereby conclusions can be drawn about the operating state of the respective unit. In other words, this means that the operating mode of the subcooler is regulated or set as a function of the respective situation in the condenser and / or evaporator.

Damit im Verdampfer auch mehr Wärmeenergie aufgenommen werden kann, ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Regel- und/oder Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist bzw. sind, dass eine Füllstandsregelung des flüssigen Kältemittels innerhalb eines den Kältemittelkreislauf mit dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer derart erfolgt, dass mindestens 90 % flüssiges Kältemittel und maximal 10 % dampfförmiges Kältemittel im Verdampfer vorhanden sind. Die Füllstandsregelung kann auch auf die Einspritzung des Kältemittels in den Verdampfer zurückgreifen. Durch diese Maßnahme werden die Kälteleistung und damit verbunden auch die Heizleistung gesteigert und der Wirkungsgrad erhöht. Zudem kann man mit noch kleineren Verdichtern und kleineren Bauteilen eine höhere Kälteleistung bzw. Heizleistung erzielen.So that more thermal energy can be absorbed in the evaporator, it is provided according to one embodiment that the regulating and / or control device is designed in such a way that a level control of the liquid refrigerant within an evaporator that thermally couples the refrigerant circuit with the heat source heat transport fluid circuit in such a way it is ensured that at least 90% liquid refrigerant and a maximum of 10% vapor refrigerant are present in the evaporator. The level control can also use the injection of the refrigerant into the evaporator. As a result of this measure, the cooling capacity and the associated heating capacity are increased and the efficiency is increased. In addition, with even smaller compressors and smaller components, a higher cooling or heating capacity can be achieved.

Damit die Wärmepumpenvorrichtung besser ausgenutzt werden kann, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass im Kältemittelkreislauf zwischen einem den Kältemittelkreislauf und den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer und einem Verdichter ein Sauggasüberhitzer zum Reduzieren, bevorzugt Eleminieren, von flüssigen Kältemittelanteilen vorgesehen ist. Der Betrieb eines Verdichters (Kompressors) erfordert, dass möglichst gasförmiges Kältemittel ohne Flüssigkeitsanteile zugeführt wird. Ansonsten kann es zu Schäden am Verdichter kommen. Durch Verwendung eines Sauggasüberhitzers kann der Gasanteil (bzw. Dampfanteil) im Verdampfer reduziert und der Flüssigkeitsanteil stark erhöht werden. Der Sauggasüberhitzer dient als Sicherungseinheit zum Verhindern, dass ein bestimmter Wert an Gas- bzw. Dampfanteil überschritten wird. Generell ist ein möglichst geringer bzw. gar kein flüssiger Anteil gewünscht.So that the heat pump device can be better utilized, a further embodiment provides that a suction gas superheater for reducing, preferably eliminating, liquid refrigerant components is provided in the refrigerant circuit between an evaporator that thermally couples the refrigerant circuit and the heat source heat transport fluid circuit and a compressor. The operation of a compressor (compressor) requires that if possible gaseous refrigerant is supplied without any liquid. Otherwise the compressor can be damaged. By using a suction gas superheater, the proportion of gas (or steam) in the evaporator can be reduced and the proportion of liquid can be increased significantly. The suction gas superheater serves as a safety unit to prevent a certain value of gas or steam from being exceeded. In general, the lowest possible or no liquid proportion is desired.

Von Vorteil ist es dabei weiter, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Sauggasüberhitzer mit seiner Primärseite mit dem Kältemittelkreislauf, nämlich zwischen dem den Kältemittelkreislauf und dem den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer und dem Verdichter zum Reduzieren, bevorzugt Eleminieren, von flüssigen Kältemittelanteilen, verbunden ist und mit seiner Sekundärseite mit dem Kältemittelkreislauf, nämlich zwischen dem den Unterkühler und dem den Kältemittelkreislauf und den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer, verbunden ist. Der unterkühlte Kältemittelmassenstrom dient somit auch zum Betreiben des Sauggasüberhitzers und sorgt entsprechend für das Austreiben der Flüssigkeitsanteile vor Erreichen des Verdichters.It is also advantageous if, according to a further embodiment, the suction gas superheater is connected with its primary side to the refrigerant circuit, namely between the evaporator, which thermally couples the heat source heat transfer fluid circuit, and the compressor for reducing, preferably eliminating, liquid refrigerant components and is connected with its secondary side to the refrigerant circuit, namely between the evaporator which thermally couples the refrigerant circuit and the heat source heat transport fluid circuit. The supercooled refrigerant mass flow thus also serves to operate the suction gas superheater and accordingly ensures that the liquid components are expelled before reaching the compressor.

Vorteilhafterweise ist im Kältemittelkreislauf zwischen dem Unterkühler und einem den Kältemittelkreislauf und den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf wärmetechnisch koppelnden Verdampfer ein Expansionsventil angeordnet, dessen Durchflussquerschnitt regelbar bzw. einstellbar ist. Hierdurch wird auch die Durchflussmenge an Kältemittel durch den Verdampfer mitbestimmt. Diese Regelung kann somit ebenfalls einen sehr großen Anteil an der vorteilhaften Verwertung der Unterkühlung haben. Üblicherweise werden bei Expansionsventilen die Öffnungswinkel über einen Schrittmotor elektronisch geregelt, was auch hier der Fall sein kann. Der Öffnungswinkel ist in aller Regel abhängig vom erforderlichen Druck und/oder der erforderlichen Temperatur.An expansion valve is advantageously arranged in the refrigerant circuit between the subcooler and an evaporator which thermally couples the refrigerant circuit and the heat source heat transport fluid circuit, the flow cross-section of which can be regulated or adjusted. This also determines the flow rate of refrigerant through the evaporator. This regulation can thus also have a very large share in the beneficial utilization of the hypothermia. The opening angles of expansion valves are usually electronically controlled by a stepper motor, which can also be the case here. The opening angle is usually dependent on the required pressure and / or the required temperature.

Wärmepumpenvorrichtungen arbeiten auf der Wärmequellenseite üblicherweise mit einer natürlichen Quelle, der Wärme entzogen wird. Entsprechend ist es auch hier gemäß einer Variante von Vorteil, wenn die Wärmequelle des Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislaufs mindestens eine Wärme aufnehmende Vorrichtung aus folgender Gruppe ist: Eine Luftwärme aufnehmende Vorrichtung, eine Erdwärme aufnehmende Vorrichtung, eine Grundwasserwärme aufnehmende Vorrichtung, eine Prozesswärme aufnehmende Vorrichtung, eine Abwärme aufnehmende Vorrichtung oder eine Solarwärme aufnehmende Vorrichtung. Die Auswahl der entsprechenden Wärme aufnehmenden Vorrichtung hängt jeweils von den Gegebenheiten ab. Eine für den Hausbau kostengünstige Lösung ist sicherlich eine Luftwärme aufnehmende Vorrichtung z. B. in Form eines Luftkühlers. Bei in der Industrie eingesetzten Anlagen kann z. B. die Prozesswärme oder Abwärme genutzt werden.Heat pump devices usually operate on the heat source side with a natural source from which heat is extracted. Accordingly, according to a variant, it is also advantageous here if the heat source of the heat source heat transport fluid circuit is at least one heat absorbing device from the following group: a device absorbing air heat, a device absorbing geothermal energy, a device absorbing groundwater heat, a device absorbing process heat, a waste heat absorbing device or a solar heat absorbing device. The selection of the appropriate heat-absorbing device depends in each case on the circumstances. An inexpensive solution for building a house is certainly an air heat absorbing device z. B. in the form of an air cooler. In systems used in industry, for. B. the process heat or waste heat can be used.

Die vorliegende Wärmepumpenvorrichtung ist eine Kompaktanlage oder Splitanlage , bei der die Wärmequelle nicht sofort mit dem Kältemittelkreislauf interagiert, sondern über einen Zwischenkreislauf, nämlich dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf, in Verbindung steht. Hierdurch ist es auch möglich, die Anlage, insbesondere im Außenbereich, einfacher auszugestalten und wesentliche bzw. wichtige Bauelemente des Kältemittelkreislaufs in den Innenbereich zu verlagern. Hierzu kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung das Wärmetransportfluid des Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislaufs aus folgender Gruppe ausgewählt sein: Wasser, Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, insbesondere Sole, Thermoöl und Alkohol. In den gemäßigten Breitengraden mit frostigen Wintern muss ein Fluid eingesetzt werden, das bei den zu erwartenden tiefsten Temperaturen noch fließfähig bleibt. In vielen Fällen hat sich deshalb die Verwendung von Sole etabliert.The present heat pump device is a compact system or split system in which the heat source does not immediately interact with the refrigerant circuit, but is connected via an intermediate circuit, namely the heat source heat transport fluid circuit. This also makes it possible to design the system more simply, in particular in the outside area, and to relocate essential or important components of the refrigerant circuit to the inside area. For this purpose, according to an advantageous embodiment, the heat transfer fluid of the heat source heat transfer fluid circuit can be selected from the following group: water, mixture of water and antifreeze, in particular brine, thermal oil and alcohol. In the moderate latitudes with frosty winters, a fluid must be used that will still flow at the expected lowest temperatures. In many cases, the use of brine has therefore become established.

Im Hinblick auf den Wärmesenkenkreislauf kann es sich bei diesem um einen Bereich eines Heizungs- und/oder Warmwasserkreislaufs mit bevorzugt Wasser als den Wärmesenkenkreislauf durchströmendes Wärmesenkenfluid handeln. In aller Regel geht es bei der Verwendung von Wärmepumpenvorrichtungen um das Betreiben eines Heizkreislaufs meist in Kombination mit Betreiben eines Warmwasserkreislaufs. Bei dieser gängigsten Anwendungsart stellt die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung eine effektive Art und Weise der erforderlichen Wärmeerzeugung bereit.With regard to the heat sink circuit, this can be an area of a heating and / or hot water circuit with preferably water as the heat sink fluid flowing through the heat sink circuit. As a rule, the use of heat pump devices is about the operation of a heating circuit, mostly in combination with the operation of a hot water circuit. In this most common type of application, the heat pump device according to the invention provides an effective way of generating the required heat.

Bevorzugt kann die Wärme aufnehmende Vorrichtung im Außenbereich und der Kältemittelkreislauf einschließlich des Unterkühlers im Innenbereich, bevorzugt eines Gebäudes, angeordnet sein. Hierdurch sind sehr einfache und geräuscharme Wärme aufnehmende Vorrichtungen im Außenbereich zu erzeugen. Darüber hinaus müssen keine langen Fluidleitungen für den Kältemittelkreislauf bereitgestellt werden.The heat-absorbing device can preferably be arranged in the outside area and the refrigerant circuit including the subcooler in the inside area, preferably of a building. In this way, very simple and low-noise heat-absorbing devices can be produced in the outdoor area. In addition, there is no need to provide long fluid lines for the refrigerant circuit.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Masseströme an Kältemittel und Wärmetransportfluid durch den Unterkühler geregelt bzw. automatisch gesteuert werden. Erst durch die aufeinander abgestimmte Regelung bzw. automatische Steuerung lässt sich der Unterkühler in der gesamten Bandbreite der möglichen Betriebsbedingungen effektiv einsetzen. Ansonsten ist eine Optimierung zwar für bestimmte Betriebspunkte möglich; nicht jedoch im gesamten Betriebsbereich gegeben.The invention also relates to a method for operating a heat pump device according to one of claims 1 to 15. According to the invention it is provided that the mass flows of refrigerant and heat transfer fluid are regulated or automatically controlled by the subcooler. Only through the coordinated regulation or automatic control can the subcooler be used effectively in the entire range of possible operating conditions. Otherwise, optimization is possible for certain operating points; but not given in the entire operating range.

Bevorzugt kann in Abhängigkeit der Außentemperatur mittels des Unterkühlers das Kältemittel um einen Temperaturbereich von 5 bis 25° K vor einer Verdampfung unterkühlt werden. Die jeweilige konkrete Unterkühlung hängt dann von verschiedenen Betriebsparametern bzw. der gewünschten Betriebseinstellung ab. Bei niedrigen Kondensatortemperatur wird z. B. der Massenstrom an Kältemittel durch den Unterkühler reduziert bzw. komplett unterbunden, während sich dieser Massenstrom an Kältemittel bei steigenden Kondensatortemperaturen immer weiter erhöht. Dies steigert die Effizienz und die Leistung des Verdichters durch Druckabbau sowie Gewinnung von Unterkühlungswärme.Depending on the outside temperature, the refrigerant can preferably be subcooled by a temperature range of 5 to 25 ° K before evaporation by means of the subcooler. The specific subcooling in each case then depends on various operating parameters or the desired operating setting. At low condenser temperature z. B. the mass flow of refrigerant through the subcooler is reduced or completely prevented, while this mass flow of refrigerant increases with increasing condenser temperatures. This increases the efficiency and performance of the compressor by reducing the pressure and generating subcooling heat.

Günstigerweise kann das unterkühlte Kältemittel einem Verdampfer zugeführt werden, wobei der Verdampfer auf der Kältemittelseite mit einem Füllgrad nahe an der überfluteten Verdampfung, insbesondere mit einem Füllgrad von mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 94 %, an flüssigem Kältemittel betrieben wird. Hierdurch wird eine sehr große Menge an flüssigem Kältemittel zur Aufnahme von Wärme aus dem Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf bereitgestellt. Entsprechend kann eine höhere Energiemenge von der Wärmequellenseite übernommen werden.The supercooled refrigerant can advantageously be fed to an evaporator, the evaporator being operated on the refrigerant side with a degree of filling close to the flooded evaporation, in particular with a degree of filling of at least 90%, preferably at least 94%, of liquid refrigerant. This provides a very large amount of liquid refrigerant for absorbing heat from the heat source heat transport fluid circuit. Accordingly, a higher amount of energy can be taken over from the heat source side.

Systembedingt erfolgt bei vielen Regelungen bzw. Einstellungen auch eine Erhöhung der Temperatur im Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf. Gemäß einer Variante kann deshalb bei Weiterbetrieb des Kältemittelkreislaufs der Massestrom an Wärmetransportfluid durch den Unterkühler erhöht werden, um einen Abtauvorgang im Bereich der Wärmequelle des Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislaufs durchzuführen. Wird z. B. bei der Verwendung von einer mit Luftwärme betriebenen Wärmepumpenvorrichtung ein Luftkühler eingesetzt, so kann es im Bereich des Luftkühlers ab bestimmten Außentemperaturen und Betriebsbedingungen zur Vereisung desselben kommen. Damit es nicht zu einem Wirkungsgradverlust kommt, muss ein regelmäßiger Abtauvorgang vorgenommen werden. Prinzipiell wird der Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf bei dem vorliegenden System mit höherer Temperatur betrieben, weshalb es unter Umständen zu weniger Abtauvorgängen kommen muss. Ist dennoch ein Abtauvorgang vorzusehen, kann der Kältemittelkreislauf einfach weiterbetrieben werden (ohne Prozessumkehr). Zwar sinkt die Effektivität im Kältemittelkreislauf und somit die Abgabe an den Wärmesenkenkreislauf; jedoch wird keine Wärme aus dem Wärmesenkenkreislauf zu Abtauzwecken abgeführt. Indem der Massestrom an Wärmetransportfluid durch den Unterkühler erhöht wird, fließt auch mehr Wärme in den Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf und führt in der Folge zum gewünschten Abtauvorgang. Selbstverständlich ist diese Vorgehensweise auf bestimmte Betriebsbedingungen, insbesondere auf einen bestimmten Außentemperaturbereich, z. B. -5° C (evtl. auch bis -10° C möglich) bis 12° C, beschränkt. In vielen Fällen handelt es sich aber hier um einen sehr häufigen Betriebszustand, der entsprechend effektiver durchgeführt werden kann. Erst bei noch niedrigeren Außentemperaturen oder anderer Betriebsbedingungen muss auf andere Abtautechniken zurückgegriffen werden, z. B. durch Umkehrung des Kältemittelkreislaufs oder durch zusätzliche Heizeinrichtungen im Wärmequellenbereich.Depending on the system, there is also an increase in the temperature in the heat source heat transport fluid circuit with many controls or settings. According to one variant, the mass flow of heat transport fluid through the subcooler can therefore be increased when the refrigerant circuit continues to operate in order to carry out a defrosting process in the region of the heat source of the heat source heat transport fluid circuit. Is z. B. when using a heat pump device operated with air heat, an air cooler is used, it can lead to icing of the same in the area of the air cooler from certain outside temperatures and operating conditions. A regular defrosting process must be carried out so that there is no loss of efficiency. In principle, the heat source heat transport fluid circuit is operated at a higher temperature in the present system, which is why there may be fewer defrosting processes. If a defrosting process is still to be planned, the refrigerant circuit can simply continue to operate (without reversing the process). It is true that the effectiveness of the refrigerant circuit and thus the output to the heat sink circuit decrease; however, no heat is dissipated from the heat sink circuit for defrosting purposes. By increasing the mass flow of heat transport fluid through the subcooler, more heat also flows into the heat source heat transport fluid circuit and consequently leads to the desired defrosting process. Of course, this procedure is based on certain operating conditions, in particular on a certain outside temperature range, e.g. B. -5 ° C (possibly also down to -10 ° C) to 12 ° C, limited. In many cases, however, this is a very frequent operating state that can be carried out more effectively. Only at even lower outside temperatures or other operating conditions do other defrosting techniques have to be used, e.g. B. by reversing the refrigerant circuit or by additional heating devices in the heat source area.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass nach einem Abschalten des Kältemittelkreislaufs der Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf zumindest temporär geöffnet bleibt, um einen Druckausgleich im Kältemittelkreislauf vor dem Wiederanschalten des Kältemittelkreislaufs zu bewirken. Der Wärmequellen-Wärmetransportfluidkreislauf muss bei diesem Vorgang nicht zwingend in Gang gesetzt sein, sondern es reicht, dass durch einen offenen Kreislauf Wärme abgeführt werden kann, so dass sich im Kältemittelkreislauf die Temperatur und damit der Druck reduzieren. Hierdurch wird der Verdichter beim Wiederanfahren vor Druckschlägen und hohen elektrischen Anlaufströmen geschützt.Furthermore, there is the possibility that after the refrigerant circuit has been switched off, the heat source heat transport fluid circuit remains open at least temporarily in order to effect pressure equalization in the refrigerant circuit before the refrigerant circuit is switched on again. The heat source heat transport fluid circuit does not necessarily have to be set in motion during this process, but it is sufficient that heat can be dissipated through an open circuit so that the temperature and thus the pressure in the refrigerant circuit are reduced. This protects the compressor from pressure surges and high electrical starting currents when it starts up again.

Darüber hinaus besteht prinzipiell die Möglichkeit, dass weitere Unterkühler eingesetzt werden oder Unterkühler mit einem dritten Mediumkreislauf verwendet werden. Durch diesen kann z.B. während eines Kühlbetriebs die Abwärme zu Heizzwecken und/oder zur Warmwasserbereitung besser genutzt werden.In principle, there is also the option of using additional subcoolers or using subcoolers with a third medium circuit. Through this e.g. the waste heat can be better used for heating purposes and / or for hot water preparation during cooling operation.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.An exemplary embodiment of the present invention is explained in more detail below with reference to a drawing.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Kreislaufs einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung.The single figure shows a schematic representation of a circuit of a heat pump device according to the invention.

Die in der Figur dargestellte Wärmepumpenvorrichtung wird in der Folge nur hinsichtlich ihrer wesentlichsten Bestandteile beschrieben. Selbstverständlich können weitere Bestandteile vorgesehen sein.The heat pump device shown in the figure is described below only with regard to its most essential components. Of course, further components can be provided.

Die Wärmepumpenvorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen drei Kreisläufe. Dies sind zum einen der Kältemittelkreislauf 2 und zum anderen der Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 sowie der Wärmesenkenkreislauf 4.The heat pump device 1 essentially comprises three cycles. On the one hand, there is the refrigerant circuit 2 and on the other hand the heat source / heat transport fluid circuit 3 as well as the heat sink circuit 4th .

Der Kältemittelkreislauf 2 wird von einem Kältemittel durchströmt, das je nach Station des Kältemittelkreislaufs 2 flüssig, gasförmig oder als sog. Flashgas (Gemisch aus flüssig- und dampfförmig bzw. gasförmig) vorliegt. Zum Einsatz kommen können die üblichen Kältemittel für Wärmepumpenvorrichtungen, wie z.B. R407C, Propan, im Wesentlichen alle HFKW (Fluorkohlenwasserstoffe) und alle HFO (natürliche) Kältemittel, etc. Der Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 ist mit einem Wärmetransportfluid befüllt, das bei den üblichen Außentemperaturen, die in den gemäßigten Breitengraden, z.B. Deutschland, vorkommen, nicht gefriert und strömungsfähig bleibt. In vielen Fällen kommt Wasser mit einem Kälteschutzmittel, insbesondere eine Sole, zum Einsatz. Der Wärmesenkenkreislauf 4 ist üblicherweise mit Wasser gefüllt und weist einen Wärmetauscherbereich 5 auf, der mit dem Heiz- und/oder Warmwasserkreislauf eines Heizsystems, z. B. für ein Gebäude, in Verbindung steht. Der Heizkreislauf kann die üblichen Einrichtungen, wie Pufferspeicher, Einbindung eines Solarmoduls etc. umfassen.The refrigerant circuit 2 a refrigerant flows through it, depending on the station of the refrigerant circuit 2 liquid, gaseous or so-called flash gas (mixture of liquid and vapor or gaseous). The usual refrigerants for heat pump devices, such as R407C, propane, essentially all HFC (fluorocarbons) and all HFO (natural) refrigerants, etc. can be used. The heat source / heat transport fluid circuit 3 is filled with a heat transport fluid that does not freeze and can flow at the usual outside temperatures that occur in moderate latitudes, e.g. Germany. In many cases, water with an anti-freeze agent, especially brine, is used. The heat sink circuit 4th is usually filled with water and has a heat exchanger area 5 on, which is connected to the heating and / or hot water circuit of a heating system, e.g. B. for a building. The heating circuit can include the usual facilities such as buffer storage, integration of a solar module, etc.

Der Kältemittelkreislauf 2 und der Wärmequellen- bzw. Wärmetransportfluidkreislauf sind zunächst einmal mittels eines Verdampfers 6 wärmetechnisch gekoppelt. Auf der Primärseite 7 wird der Verdampfer 6 von dem Kältemittel durchströmt und auf der Sekundärseite 8 wird der Verdampfer 6 von dem Wärmetransportfluid durchströmt. Die Funktion ist demnach ähnlich einem Wärmetauscher. Des Weiteren ist der Kältemittelkreislauf 2 mittels eines Kondensators 9 mit dem Wärmesenkenkreislauf 4 wärmetechnisch gekoppelt. Auf der Primärseite 10 wird der Kondensator 9 von dem Kältemittel durchströmt und auf der Sekundärseite 11 wird der Kondensator 9 von dem Fluid des Wärmesenkenkreislaufs 4 durchströmt. Auch hier ist die Funktion ähnlich eines Wärmetauschers.The refrigerant circuit 2 and the heat source or heat transport fluid circuit are first of all by means of an evaporator 6th thermally coupled. On the primary side 7th becomes the vaporizer 6th through which the refrigerant flows and on the secondary side 8th becomes the vaporizer 6th traversed by the heat transfer fluid. The function is therefore similar to a heat exchanger. Furthermore, there is the refrigerant circuit 2 by means of a capacitor 9 with the heat sink circuit 4th thermally coupled. On the primary side 10 becomes the capacitor 9 through which the refrigerant flows and on the secondary side 11 becomes the capacitor 9 from the fluid of the heat sink circuit 4th flows through. Here, too, the function is similar to that of a heat exchanger.

Der Kältemittelkreislauf 2 und der Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 sind zusätzlich noch mittels eines Unterkühlers 12 wärmetechnisch gekoppelt. Auf der Primärseite 13 des Unterkühlers 12 strömt ein eingestellter Anteil des Kältemittels (0 - 100 %) und auf der Sekundärseite 14 strömt ein Anteil des Wärmetransportfluids (0 - 100 %).The refrigerant circuit 2 and the heat source / heat transfer fluid circuit 3 are also by means of a subcooler 12 thermally coupled. On the primary side 13 of the subcooler 12 a set proportion of the refrigerant flows ( 0 - 100%) and on the secondary side 14th a portion of the heat transfer fluid flows ( 0 - 100%).

Der Wärmesenkenkreislauf 4 weist eine Vorlaufleitung 15, eine Förderpumpe 16 und eine Rücklaufleitung 17 auf. Die Temperatur im Wärmesenkenkreislauf 4 liegt üblicherweise im Bereich von 30° C bis 65° C und die Spreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf beträgt 5-10° K. Die Temperaturen hängen sehr stark vom jeweiligen Bedarf des Heizsystems ab. Die Erwärmung des Wärmesenkenfluids im Kondensator 9 erfolgt zwischen der Rücklaufleitung 17 und der Vorlaufleitung 15.The heat sink circuit 4th has a flow line 15th , a feed pump 16 and a return line 17th on. The temperature in the heat sink circuit 4th is usually in the range of 30 ° C to 65 ° C and the spread between flow and return is 5-10 ° K. The temperatures depend very much on the respective requirements of the heating system. The heating of the heat sink fluid in the condenser 9 takes place between the return line 17th and the supply line 15th .

Der Kältemittelkreislauf 2 umfasst weiter einen Verdichter (Kompressor) 18, der dem Kondensator 9 vorgeordnet ist und von dem aus eine Heißgasleitung 19 zum Kondensator 9 führt. In der Heißgasleitung liegt das Kältemittel gasförmig vor, und zwar in einem Temperaturbereich von +45° C bis +110°C. Auf der Primärseite des Kondensators 9 erfolgt eine Abkühlung des Kältemittels und eine Wärmeabgabe an die Sekundärseite 11. Diese abgegebene Kondensationswärme setzt sich üblicherweise aus drei Teilen zusammen. Ungefähr 10 % Energie werden durch die Enthitzung des gasförmigen Kältemittels gewonnen. Durch die Verflüssigung (Phasenwechsel) wird die meiste Wärme abgegeben, ca. 87 - 88 %. Ein kleiner Teil der Wärmeabgabe führt zur Unterkühlung des Kältemittels, das entspricht ca. 2 - 3 % der Energiemenge. Das Kältemittel tritt am Kondensator 9 über eine Kondensationsleitung 20 in flüssiger Form aus. Der Temperaturbereich in der Kondensationsleitung kann zwischen +20° C bis +68° C liegen und hängt maßgeblich von der Art des verwendeten Kältemittels ab.The refrigerant circuit 2 further comprises a compressor (compressor) 18th that the capacitor 9 is upstream and from which a hot gas line 19th to the capacitor 9 leads. The refrigerant in the hot gas line is in gaseous form, in a temperature range from + 45 ° C to + 110 ° C. On the primary side of the capacitor 9 the refrigerant is cooled and heat is transferred to the secondary side 11 . This heat of condensation emitted is usually composed of three parts. About 10% of the energy is gained by desuperheating the gaseous refrigerant. Most of the heat is emitted through liquefaction (phase change), approx. 87 - 88%. A small part of the heat output leads to subcooling of the refrigerant, which corresponds to approx. 2 - 3% of the amount of energy. The refrigerant enters the condenser 9 via a condensation line 20th in liquid form out. The temperature range in the condensation line can be between + 20 ° C and + 68 ° C and depends largely on the type of refrigerant used.

Die Kondensationsleitung 20 mündet in ein Unterkühler-Kältemittelmischventil 21. Eine erste Ausgangsleitung 22 verbindet das Unterkühler-Kältemittelmischventil 21 mit der Primärseite 13 des Unterkühlers 12. Eine zweite Ausgangsleitung 23 verbindet das Unterkühler-Kältemittelmischventil 21 mit einer Ausgangsleitung 24 des Unterkühlers 12. Die zweite Ausgangsleitung 23 bildet somit eine Bypassleitung für das Kältemittel zur Umgehung des Unterkühlers 12. Das Unterkühler-Kältemittelmischventil steuert bzw. regelt den Kältemittelstrom durch den Unterkühler 12. Hierzu ist das Unterkühler-Kältemittelmischventil 21 mit einer Regeleinrichtung 25 verbunden, die in Abhängigkeit von einem oder mehrerer Parameter den Öffnungswinkel des Unterkühler-Kältemittelmischventils 21 einstellt. Bei den Parametern handelt es sich um die Außentemperatur, Druck des Kältemittels, Temperatur des Kältemittels, Druck des Wärmtransportfluids, Temperatur des Wärmetransportfluids, Rücklauftemperatur im Wärmesenkenkreislauf 4, Vorlauftemperatur im Wärmesenkenkreislauf 4, die Stromaufnahme (Leistung des Verdichters) 18 im Kältemittelkreislauf 2, einen Vereisungszustand im Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf, Flüssigkeitsstand des Kältemittels in dem Verdampfer 6 und die gewünschte Unterkühlungstemperatur etc.The condensation line 20th opens into a subcooler refrigerant mixing valve 21st . A first exit line 22nd connects the subcooler refrigerant mixing valve 21st with the primary side 13 of the subcooler 12 . A second output line 23 connects the subcooler refrigerant mixing valve 21st with an output line 24 of the subcooler 12 . The second output line 23 thus forms a bypass line for the refrigerant to bypass the subcooler 12 . The subcooler refrigerant mixing valve controls or regulates the refrigerant flow through the subcooler 12 . The sub-cooler refrigerant mixing valve is used for this purpose 21st with a control device 25th connected, the opening angle of the subcooler refrigerant mixing valve depending on one or more parameters 21st adjusts. The parameters are the outside temperature, pressure of the refrigerant, temperature of the refrigerant, pressure of the heat transfer fluid, temperature of the heat transfer fluid, return temperature in the heat sink circuit 4th , Flow temperature in the heat sink circuit 4th , the power consumption (power of the compressor) 18 in the refrigerant circuit 2 , an icing condition in the heat source / heat transport fluid circuit, liquid level of the refrigerant in the evaporator 6th and the desired subcooling temperature etc.

Der Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 steht mit einer Wärmequelle 26 in Wechselwirkung. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei der Wärmequelle 26 um einen Luftkühler. Der Luftkühler saugt Außenluft an und senkt deren Temperatur. Die Wärme wird von dem Wärmetransportfluid im Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 aufgenommen. Andere Wärmequellen oder eine Kombination von Wärmequellen ist bzw. sind selbstverständlich möglich. Der Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 weist eine Rücklaufleitung 27 auf, die zum Verdampfer 6 führt. In der Rücklaufleitung 27 ist eine Förderpumpe 28 integriert. Von der Rücklaufleitung 27 führt eine Stichleitung 29 zur Sekundärseite 14 des Unterkühlers 12. Eine Vorlaufleitung 3 des Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislaufs 3 verbindet die Sekundärseite 8 des Verdampfers 6 mit der Wärmequelle 26. Die Temperatur in der Rücklaufleitung 27 beträgt im Normalbetrieb zwischen -22° C bis +40° C. Die Spreizung zwischen der Vorlaufleitung 30 und der Rücklaufleitung 27 beträgt ca. 2 - 4° K. Das Wärmetransportfluid gibt dem Verdampfer 6 Wärme an das Kältemittel auf der Primärseite 7 ab. Hierdurch wird das flüssige Kältemittel wieder in den gasförmigen Zustand überführt. In die Vorlaufleitung 30 mündet eine von der Sekundärseite 14 des Unterkühlers 12 kommende Zulaufleitung 31.The heat source / heat transport fluid cycle 3 stands with a heat source 26th in interaction. In the present case it is the heat source 26th around an air cooler. The air cooler draws in outside air and lowers its temperature. The heat is carried by the heat transfer fluid in the heat source / heat transfer fluid circuit 3 recorded. Other heat sources or a combination of heat sources is or are of course possible. The heat source / heat transport fluid cycle 3 has a return line 27 on that to the evaporator 6th leads. In the return line 27 is a feed pump 28 integrated. From the return line 27 leads a branch line 29 to the secondary side 14th of the subcooler 12 . A supply line 3 of the heat source / heat transport fluid circuit 3 connects the secondary side 8th of the evaporator 6th with the heat source 26th . The temperature in the return line 27 in normal operation is between -22 ° C to + 40 ° C. The spread between the flow line 30th and the return line 27 is approx. 2 - 4 ° K. The heat transfer fluid gives the evaporator 6th Heat to the refrigerant on the primary side 7th from. This converts the liquid refrigerant back into a gaseous state. In the supply line 30th one opens from the secondary side 14th of the subcooler 12 incoming feed line 31 .

In der Zulaufleitung 31 ist ein Regelventil 32 angeordnet, mit dem der Wärmetransportfluidstrom durch die Sekundärseite 14 des Unterkühlers 12 einstellbar bzw. regelbar ist. Das Regelventil 32 steht mit der Regeleinrichtung 25 in Verbindung. Die Regelung des Regelventils 32 erfolgt ebenfalls nach einem oder mehreren der bereits für die Regelung des Unterkühler-Kältemittelmischventils 21 genannten Parameter.In the supply line 31 is a control valve 32 arranged, with which the heat transport fluid flow through the secondary side 14th of the subcooler 12 is adjustable or controllable. The control valve 32 stands with the control device 25th in connection. The regulation of the control valve 32 also takes place according to one or more of those already used for controlling the subcooler / refrigerant mixing valve 21st named parameters.

Der Kältemittelkreislauf 2 umfasst einen Sauggas-Überhitzer 33, der dem Verdichter 18 vorgeordnet ist. Aus dem Verdampfer 6 führt eine Saugleitung 34 zur Primärseite 35 des Sauggas-Überhitzers 33 und die Primärseite 35 des Sauggas-Überhitzers 33 ist über die Zuleitung 36 mit dem Verdichter 18 verbunden. Eine Sekundärseite 37 des Sauggas-Überhitzers 33 steht mit der von der Primärseite 13 des Unterkühlers 12 kommenden Ausgangsleitung 24 in Verbindung. Eine mit der Sekundärseite 37 des Sauggas-Überhitzers 33 in Verbindung stehende Ausgangsleitung 38 führt zu einem Expansionsventil 39. Das Expansionsventil 39 steht ebenfalls mit der Regeleinrichtung 25 in Verbindung und ist in Abhängigkeit verschiedenster Regelparameter einstellbar bzw. regelbar. In Frage kommen können auch hier wiederum ein oder mehrere der bereits o.g. Parameter in Hinblick auf die Regelung des Unterkühler-Kältemittelmischventils 21. Das Expansionsventil 39 steht über eine Einspritzleitung 40 mit der Primärseite 7 des Verdampfers 6 in Verbindung.The refrigerant circuit 2 includes a suction gas superheater 33 that the compressor 18th is upstream. From the vaporizer 6th leads a suction line 34 to the primary side 35 of the suction gas superheater 33 and the primary side 35 of the suction gas superheater 33 is about the feed line 36 with the compressor 18th connected. A secondary page 37 of the suction gas superheater 33 stands with that of the primary side 13 of the subcooler 12 coming output line 24 in connection. One with the secondary 37 of the suction gas superheater 33 related output line 38 leads to an expansion valve 39 . The expansion valve 39 is also available with the control device 25th in connection and can be set or regulated as a function of various control parameters. One or more of the parameters already mentioned above with regard to the regulation of the subcooler / refrigerant mixing valve can also come into question here 21st . The expansion valve 39 stands over an injection line 40 with the primary side 7th of the evaporator 6th in connection.

Über das Expansionsventil 39 ist auch der Flüssigkeitsstand des Kältemittels auf der Primärseite 7 des Verdampfers 6 einstellbar. Nachdem der Verdampfer 6 auf der Primärseite 7 mit einem hohen Flüssigkeitsanteil gefahren wird, üblicherweise im Bereich von 95 - 97 %, gelangt über die Saugleitung 34 sog. Flashgas in den Sauggas-Überhitzer 33. Die Temperatur in der Saugleitung 34 beträgt je nach Betriebsart zwischen -25° C bis +25° C. Der Sauggas-Überhitzer 33 sorgt nunmehr dafür, dass Flüssigkeitsanteile, die noch in der Saugleitung 34 enthalten sind, ausgetrieben werden, so dass in der Zuleitung 36 nur noch gasförmiges Kältemittel dem Verdichter 18 zugeführt wird. Betriebsbedingt sollen gar keine oder nur ganz geringe Flüssigkeitsanteile dem Verdichter 18 zugeführt werden, damit dieser optimal arbeitet.Via the expansion valve 39 is also the liquid level of the refrigerant on the primary side 7th of the evaporator 6th adjustable. After the vaporizer 6th on the primary side 7th A high proportion of liquid is driven, usually in the range of 95 - 97%, reaches the suction line 34 so-called flash gas in the suction gas superheater 33 . The temperature in the suction line 34 Depending on the operating mode, it is between -25 ° C and + 25 ° C. The suction gas superheater 33 now ensures that liquid components that are still in the suction line 34 are included, driven out so that in the supply line 36 only gaseous refrigerant to the compressor 18th is fed. For operational reasons, no or only very small amounts of liquid should be fed into the compressor 18th so that it works optimally.

Das Expansionsventil 39 sorgt für einen Druckabbau im Kältemittel, wodurch im Anschluss an das Expansionsventil 39 in der Einspritzleitung 40 ebenfalls Flashgas vorliegt.The expansion valve 39 ensures a pressure reduction in the refrigerant, which creates a connection to the expansion valve 39 in the injection line 40 Flash gas is also present.

Der genauen, betriebspunktabhängigen Regelung mittels der Regeleinrichtung 25 kommt bei dem vorliegenden System große Bedeutung zu, wenn ein optimaler Betrieb über einen großen Bereich an Wärmebedarf im Wärmesenkenkreislauf 4 in Abhängigkeit der Außentemperaturen gefahren werden soll. Es existieren auch Betriebsbedingungen, bei denen eine Unterkühlung durch den Unterkühler 12 eher nicht gewünscht ist.The precise, operating point-dependent control by means of the control device 25th is of great importance in the present system if an optimal operation over a large range of heat requirements in the heat sink circuit 4th depending on the outside temperature shall be. There are also operating conditions in which subcooling is caused by the subcooler 12 rather not desired.

In der Folge wird die Wirkungs- und Funktionsweise der oben beschriebenen Wärmepumpenvorrichtung 1 näher erläutert.As a result, the mode of action and functioning of the heat pump device described above 1 explained in more detail.

Im Bereich des Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislaufs 3 kommt es in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, zum Vereisen im Bereich der Wärmequelle 26. Diese Vereisung senkt die Effektivität und muss regelmäßig durch einen Abtauvorgang beseitigt werden. Hierzu gibt es bei bekannten Wärmepumpenvorrichtungen in aller Regel zwei Möglichkeiten. Zum einen eine Kreislaufumkehr im Kältemittelkreislauf 2. Hierdurch wird Wärme aus dem Wärmesenkenkreislauf 4 in den Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 überführt, was in der Folge zur Enteisung beiträgt. Der Verdampfer 6 wird hierbei zum Kondensator. Des Weiteren oder in Kombination besteht die Möglichkeit, dass im Bereich der Wärmequelle 26 Heizeinrichtungen, z.B. elektrische Heizeinrichtungen vorgesehen sind. Sowohl die Kreislaufumkehr als auch die Heizeinrichtungen können auch bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung 1 eingesetzt werden. Die Auswahl hängt sehr stark von den Betriebsbedingungen und den Außentemperaturen ab. Die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung 1 kann aber auch auf andere Weise eine Abtauung herbeiführen (es ist eine dynamische und/oder zyklische Abtauung möglich). Diese ist insbesondere vorteilhaft in einem Außentemperaturbereich von (-10° C) -5° C bis +12° C. Bei der Abtauung wird das Regelventil 32 sehr weit oder ganz geöffnet, so dass ein sehr großer Anteil des Wärmetransportfluids durch den Unterkühler 12 strömt. Hierdurch wird das Wärmetransportfluid erwärmt und diese Wärme bis in den Bereich der Wärmequelle 26 geleitet. Die Dauer der Abtauung ist einstellbar (z.B. von Aus bis 15 Minuten maximal). Zwar sinkt in dieser Zeit die Effektivität im Kondensator 9, so dass weniger Wärme in den Wärmesenkenkreislauf 4 eingetragen wird; allerdings wird auch keine Wärme aus den Wärmesenkenkreislauf 4 abgeführt, wie bei der Prozessumkehr. Der Kältemittelkreislauf 2 arbeitet weiter in derselben Kreislaufrichtung wie im Normalbetrieb. In den gemäßigten Breiten, insbesondere Deutschland, ist der angegebene Außentemperaturbereich ein häufig vorkommender Außentemperaturbereich, weshalb sich die Abtauung sehr oft verwenden lässt. Erst bei niedrigeren Außentemperaturen müssen andere Maßnahmen, wie z.B. durch zusätzliche Heizelemente oder Prozessumkehr eingesetzt werden.In the area of the heat source / heat transport fluid circuit 3 Depending on the operating conditions, especially when outside temperatures are low, freezing occurs in the area of the heat source 26th . This icing reduces the effectiveness and has to be removed regularly by a defrosting process. In the case of known heat pump devices, there are generally two possibilities for this. On the one hand, a cycle reversal in the refrigerant circuit 2 . This removes heat from the heat sink circuit 4th in the heat source / heat transport fluid circuit 3 transferred, which subsequently contributes to de-icing. The evaporator 6th becomes a capacitor. Furthermore or in combination there is the possibility that in the area of the heat source 26th Heating devices, such as electrical heating devices, are provided. Both the cycle reversal and the heating devices can also be used in the heat pump device according to the invention 1 can be used. The selection depends very much on the operating conditions and the outside temperatures. The heat pump device according to the invention 1 but can also cause defrosting in other ways (dynamic and / or cyclical defrosting is possible). This is particularly advantageous in an outside temperature range of (-10 ° C) -5 ° C to + 12 ° C. The control valve is activated during defrosting 32 very wide or completely open, so that a very large proportion of the heat transfer fluid through the subcooler 12 flows. As a result, the heat transport fluid is heated and this heat is up to the area of the heat source 26th directed. The duration of the defrost can be set (e.g. from off to a maximum of 15 minutes). It is true that the efficiency in the capacitor decreases during this time 9 so that less heat enters the heat sink circuit 4th is entered; however, there is also no heat from the heat sink circuit 4th dissipated, as with the process reversal. The refrigerant circuit 2 continues to work in the same cycle direction as in normal operation. In the moderate latitudes, especially Germany, the specified outside temperature range is a frequently occurring outside temperature range, which is why defrosting can be used very often. Only at lower outside temperatures do other measures, such as additional heating elements or process reversals, have to be used.

Der Sinn und Zweck des Unterkühlers 12 besteht im Normalbetrieb hauptsächlich darin, dass insbesondere bei höheren Vorlauftemperaturen (z.B. in der Vorlaufleitung 15) der Kältemitteldruck und die Kältemitteltemperatur im Unterkühler 12 abgebaut werden. Die Wärme wird dem Wärmetransportfluid zugeführt. Durch den Abbau des Kältemitteldrucks und der Kältemitteltemperatur lässt sich auch die elektrische Aufnahmeleistung des Verdichters 18 reduzieren. Es ist demnach möglich, mit einem kleineren Verdichter eine höhere Leistung (Heizleistung) zu erzielen. Durch das Mischen der Kältemittelmassenströme mittels des Unterkühler-Kältemittelmischventils 21 ergibt sich eine Enthalpiedifferenz, insbesondere bei den erwähnten hohen Vorlauftemperaturen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Erwärmung des Wärmetransportfluids mittels des Unterkühlers 12 die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 6 zu steigen beginnt. Das bedeutet, je höher die Vorlauftemperatur z.B. in der Vorlaufleitung 15 ist, desto höher ist die Verdampfungstemperatur.The purpose of the subcooler 12 in normal operation mainly consists in the fact that especially at higher flow temperatures (e.g. in the flow line 15th ) the refrigerant pressure and the refrigerant temperature in the subcooler 12 be dismantled. The heat is supplied to the heat transport fluid. By reducing the refrigerant pressure and the refrigerant temperature, the electrical power consumption of the compressor can also be reduced 18th to reduce. It is therefore possible to achieve a higher output (heating output) with a smaller compressor. By mixing the refrigerant mass flows using the subcooler refrigerant mixing valve 21st there is an enthalpy difference, in particular at the high flow temperatures mentioned. Another advantage is that the heating of the heat transport fluid by means of the subcooler 12 the evaporation temperature in the evaporator 6th begins to rise. This means the higher the flow temperature, for example in the flow line 15th is, the higher the evaporation temperature.

Des Weiteren kann mit Hilfe der Regeleinrichtung 25 eine weitere Funktion erfüllt werden. Nach Stillstand der Wärmepumpenvorrichtung 1 kann ein Druckausgleich im Kältemittelkreislauf 2 erfolgen. Hierzu wird das Regelventil 32 im Wärmequellen-/Wärmetransportfluidkreislauf 3 über einen bestimmten Zeitraum geöffnet und wieder geschlossen, bis ein gewünschter Druckabbau im Kältemittelkreislauf 2 erzielt wurde. Hierdurch kann ein entlastetes Wiederanfahren des Verdichters 18 erfolgen, ohne anderweitig in den Kältemittelkreislauf 2 einzugreifen.Furthermore, with the help of the control device 25th another function can be fulfilled. After the heat pump device has stopped 1 can be a pressure equalization in the refrigerant circuit 2 respectively. For this purpose the control valve 32 in the heat source / heat transport fluid circuit 3 opened over a certain period of time and closed again until a desired pressure reduction in the refrigerant circuit 2 was achieved. This enables a relieved restart of the compressor 18th take place without otherwise entering the refrigerant circuit 2 to intervene.

Auch die Verwendung des Sauggas-Überhitzers 33 führt zu einer zusätzlichen Nutzung der Unterkühlungsenergie in dem System, wobei gleichzeitig der Verdichter 18 vor Flüssigkeitsschäden geschützt werden kann.Also the use of the suction gas superheater 33 leads to an additional use of the subcooling energy in the system, with the compressor at the same time 18th can be protected from liquid damage.

Aufgrund der geregelten Verschaltung des Unterkühlers 12 sowohl auf seiner Primärseite 13 als auf seiner Sekundärseite 14, kann eine Unterkühlungswärme im Bereich von 5 - 25° K zur Effizienzsteigerung genutzt werden. Herkömmliche Systeme werden mit max. 2 - 3° K Unterkühlung betrieben. Zumindest ein Teil der Unterkühlungswärme kann dem System wieder zugeführt werden. Die Unterkühlungswärme entsteht im physikalischen Betrieb des Phasenwechsels (gasförmig wird flüssig) und wird bei herkömmlichen Systemen nicht oder nur im ganz geringen Temperaturbereich genutzt. Vor dem Expansionsventil 39 soll das Kältemittel immer zu 100 % flüssig anstehen. Wird dann durch das Expansionsventil 39 in die Einspritzleitung 40 in den Verdampfer 6 geleitet und kann dort wieder Energie aus dem Wärmequellen-Transportfluidkreislauf 3 aufnehmen. Aufgrund der geregelten Unterkühlung mittels des Unterkühler-Kältemittelmischventils 21 und des Regelventils 32 ist eine größere Kälteleistung möglich und es ist für den jeweiligen Betriebszustand die optimale Unterkühlung zu erreichen. Eine zu starke Unterkühlung ist auch nicht immer sinnvoll. Vor allem bei niedrigen Temperaturen kann dies zu Leistungsverlust führen. Das Kältemittel steht somit bei vielen Betriebsbedingungen vor dem Expansionsventil 39 mit einer geringeren Temperatur an, wodurch sich auch ein höherer Füllgrad der Primärseite des Verdampfers 6 erzielen lässt. Dadurch werden die Kälteleistung und damit verbunden auch die Heizleistung gesteigert und der Leistungsgrad COP erhöht. Zudem kann man mit kleineren Verdichtern 18 und kleineren Bauteilen eine höhere Kälteleistung bzw. Heizleistung erzielen.Due to the regulated interconnection of the subcooler 12 both on its primary side 13 than on its secondary 14th , a supercooling heat in the range of 5 - 25 ° K can be used to increase efficiency. Conventional systems are used with max. 2 - 3 ° K subcooling operated. At least part of the supercooling heat can be fed back into the system. The supercooling heat arises in the physical operation of the phase change (gaseous becomes liquid) and is not used in conventional systems or only used in a very low temperature range. Before the expansion valve 39 the refrigerant should always be 100% liquid. Is then through the expansion valve 39 into the injection line 40 into the evaporator 6th and can there again energy from the heat source transport fluid circuit 3 record, tape. Due to the controlled subcooling by means of the subcooler refrigerant mixing valve 21st and the control valve 32 a greater cooling capacity is possible and optimal subcooling can be achieved for the respective operating state. Too much hypothermia does not always make sense. This can happen especially at low temperatures Lead to loss of performance. The refrigerant is therefore in front of the expansion valve under many operating conditions 39 with a lower temperature, which means that the primary side of the evaporator is also filled to a higher degree 6th can be achieved. This increases the cooling capacity and the associated heating capacity and increases the COP performance level. You can also use smaller compressors 18th and smaller components achieve a higher cooling capacity or heating capacity.

Durch gezieltes Regeln der Primär- und Sekundärseite 13, 14 des Unterkühlers 12 wird die Temperatur im Verdampfer 6 erhöht bzw. konstant gehalten. In der Folge vereist der Bereich der Wärmequelle 26 weniger und muss deshalb auch seltener abgetaut werden. Hierdurch wird Abtauenergie eingespart. Die Wärmepumpenvorrichtung 1 lässt sich vollständig oder teilweise mit einer Photovoltaikanlage betreiben.Through targeted regulation of the primary and secondary side 13 , 14th of the subcooler 12 becomes the temperature in the evaporator 6th increased or kept constant. As a result, the area of the heat source freezes 26th less and therefore has to be defrosted less often. This saves defrosting energy. The heat pump device 1 can be operated completely or partially with a photovoltaic system.

In der Folge kann der Verdampfer 6 mit mehr flüssigem Kältemittel geflutet werden, wodurch über den Verdampfer 6 mehr Wärmeenergie aufgenommen werden kann. Der Flüssigkeitsanteil beträgt zwischen 95 und 97 %. Bei herkömmlichen Systemen wird mit einem maximalen Flüssigkeitsanteil von ca. 70 % gearbeitet.As a result, the evaporator 6th are flooded with more liquid refrigerant, causing over the evaporator 6th more heat energy can be absorbed. The proportion of liquid is between 95 and 97%. Conventional systems work with a maximum liquid content of approx. 70%.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung 1 wurde anhand eines vereinfachten Kreislaufs erläutert. Selbstverständlich können zusätzliche Elemente und Einrichtungen eingebunden oder angrenzend bzw. in Kombination verwendet werden. Möglich ist z.B. der Einsatz eines weiteren Unterkühlers oder eines Unterkühlers mit dem ein dritter Mediumkreislauf betrieben wird. Mit diesem kann z.B. während eines Kühlbetriebs die Abwärme zu Heizzwecken und/oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden.The heat pump device according to the invention 1 was explained using a simplified cycle. Of course, additional elements and facilities can be integrated or used adjacent or in combination. For example, it is possible to use a further subcooler or a subcooler with which a third medium circuit is operated. With this, for example, the waste heat can be used for heating purposes and / or for hot water preparation during cooling operation.

Der Aufbau und die Funktion eines Sauggasüberhitzers 33 ist z.B. in der EP 1 876 402 A2 näher beschrieben. Dieser kann in entsprechender Weise ausgerüstet bzw. angesteuert sein. Von Vorteil ist insbesondere die dort erwähnte Heißgaskühlung.The structure and function of a suction gas superheater 33 is for example in the EP 1 876 402 A2 described in more detail. This can be equipped or controlled in a corresponding manner. The hot gas cooling mentioned there is particularly advantageous.

Im Folgenden wird noch kurz auf die physikalischen Zusammenhänge eingegangen, wie durch die o.g. Unterkühlungsregelung die Kälteleistung positiv beeinflusst werden kann. $Q_{0} = \frac{{\dot{V}}_{g e o} ∗λ∗ (h 1 - h 4)}{v}$

Q_o =: Kälteleistung Verdichter
V̇_geo =: geometscher Hubvolumenstrom (Angabe des Verdichterherstellers)
λ =: Verdichter-Wirkungsgrad (Angabe des Verdichterherstellers) z.B. Copeland -Scroll = 0,83
h1:: Verdichter-Ansaug-Enthalpie
h4 =: Verdampfer - Eintritts-Enthalpie
V =: spezifisches Ansaugvolumen - Verdichter

In the following, the physical relationships will be briefly discussed, such as how the cooling capacity can be positively influenced by the above-mentioned subcooling control.

Q_{0} = \frac{{\dot{V}}_{G e O} ∗ λ ∗ (H 1 - H 4th)}{v}

Q _o =: Compressor cooling capacity
V̇ _geo =: Geometric displacement flow (specification of the compressor manufacturer)
λ =: Compressor efficiency (specified by the compressor manufacturer), e.g. Copeland -Scroll = 0.83
h1:: Compressor suction enthalpy
h4 =: Evaporator - Enthalpy Enthalpy
V =: specific suction volume - compressor

Bei der in der Formel enthaltenen Enthalpiedifferenz wird die durch den Unterkühler 12 erzielte Unterkühlungswärme im Kreislauf genutzt. Auch das spezifische Ansaugvolumen des Verdichters lässt sich auf einen niedrigeren Wert bringen (0 - 2° K), weil eine kleinere Überhitzung am Verdampfer 6 aufgrund der Unterkühlung erreicht werden kann. Hierdurch ist auch der höhere Füllstand an flüssigen Kältemitteln möglich.The enthalpy difference contained in the formula is due to the subcooler 12 obtained undercooling heat used in the circuit. The specific suction volume of the compressor can also be reduced to a lower value (0 - 2 ° K) because there is less overheating on the evaporator 6th can be achieved due to hypothermia. This also enables the higher level of liquid refrigerants.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: WärmepumpenvorrichtungHeat pump device
22: KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
33: Wärmequellen-/WärmetransportfluidkreislaufHeat source / heat transport fluid circuit
44th: WärmesenkenkreislaufHeat sink circuit
55: WärmetauscherHeat exchanger
66: VerdampferEvaporator
77th: PrimärseitePrimary side
88th: SekundärseiteSecondary side
99: Kondensatorcapacitor
1010: PrimärseitePrimary side
1111: SekundärseiteSecondary side
1212: UnterkühlerSubcooler
1313: PrimärseitePrimary side
1414th: SekundärseiteSecondary side
1515th: VorlaufleitungSupply line
1616: FörderpumpeFeed pump
1717th: RücklaufleitungReturn line
1818th: Verdichtercompressor
1919th: HeißgasleitungHot gas line
2020th: KondensationsleitungCondensation pipe
2121st: Unterkühler-KältemittelmischventilSubcooler refrigerant mixing valve
2222nd: erste Ausgangsleitungfirst output line
2323: zweite Ausgangsleitungsecond output line
2424: AusgangsleitungOutput line
2525th: RegeleinrichtungControl device
2626th: WärmequelleHeat source
2727: RücklaufleitungReturn line
2828: FörderpumpeFeed pump
2929: StichleitungBranch line
3030th: VorlaufleitungSupply line
3131: ZulaufleitungFeed line
3232: RegelventilControl valve
3333: Sauggas-ÜberhitzerSuction gas superheater
3434: SaugleitungSuction line
3535: PrimärseitePrimary side
3636: ZuleitungSupply line
3737: SekundärseiteSecondary side
3838: AusgangsleitungOutput line
3939: ExpansionsventilExpansion valve
4040: EinspritzleitungInjection line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 1876402 A2 [0050]

Claims

Heat pump device (1) with a refrigerant circuit (2), a heat source heat transfer fluid circuit (3) thermally coupled to the refrigerant circuit (2) and a heat sink circuit (4) thermally coupled to the refrigerant circuit (3), characterized in that a subcooler (12) is provided and that the subcooler (12) is thermally integrated with its primary side (13) in the refrigerant circuit (12) and with its secondary side (14) in the heat source heat transport fluid circuit (3).

Heat pump device (1) after Claim 1 , characterized in that a control valve (21) and / or shut-off valve is provided in the refrigerant circuit (2) before or on the primary side (13) of the subcooler (12), by means of which the portion of the refrigerant mass flow that passes through the subcooler (12 ) is adjustable.

Heat pump device (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that a control valve (32) and / or shut-off valve is provided in the heat source heat transport fluid circuit (3) before or on the secondary side (14) of the subcooler (12), by means of which the portion of the heat transport fluid flow that passes through the subcooler (12) flows, is adjustable.

Heat pump device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a regulating and / or control device (25) is provided by means of which the regulating valve (21) and / or shut-off valve in the refrigerant circuit (2) and / or the Control valve (32) and / or shut-off valve in the heat source heat transfer fluid circuit (3) can be regulated or set.

Heat pump device (1) after Claim 4 , characterized in that the regulating and / or control device (25) is designed in such a way that the regulation or setting of the control valve (s) (21, 32) and / or shut-off valve (s) as a function of at least one of the following parameters takes place: outside temperature, pressure of the refrigerant, temperature of the refrigerant, pressure of the heat transfer fluid, temperature of the heat transfer fluid, return temperature in the heat sink circuit (4), flow temperature in the heat sink circuit (4), power consumption (set output) of a compressor (18) in the refrigerant circuit (3), icing condition in the heat source heat transport fluid circuit (3), liquid level of the refrigerant in an evaporator (18) which thermally couples the refrigerant circuit (2) with the heat source heat transport fluid circuit (3).

Heat pump device (1) after Claim 4 or 5 , characterized in that the regulating and / or control device (25) is designed in such a way that the regulation or setting of the regulating valve (21) and / or shut-off valve in the refrigerant circuit (2) takes place in such a way that, with increasing flow temperature in Heat sink circuit (4) or increasing temperature of the refrigerant in a condenser (9) which thermally couples the refrigerant circuit (2) and the heat sink circuit (4), the refrigerant mass flow through the subcooler (12) is increased.

Heat pump device (1) according to one of the Claims 4 to 6th , characterized in that the regulating and / or control device (25) is designed in such a way that the regulation or setting of the control valve (32) and / or shut-off valve in the heat source heat transport fluid circuit (3) depends on the temperature in or adjacent to a condenser (9) thermally coupling the refrigerant circuit (2) and the heat sink circuit (4) and / or from the temperature in an evaporator (6) thermally coupling the refrigerant circuit (2) and the heat source heat transport fluid circuit (3).

Heat pump device (1) according to one of the Claims 4 to 7th , characterized in that the regulating and / or control device (25) is designed in such a way that a level control of the liquid refrigerant within an evaporator (6) which thermally couples the refrigerant circuit (2) with the heat source heat transport fluid circuit (3) in such a way it takes place that at least 90% liquid refrigerant and a maximum of 10% vapor refrigerant are present in the evaporator (6).

Heat pump device (1) according to one of the Claims 4 to 8th , characterized in that in the refrigerant circuit (25) between an evaporator (6) thermally coupling the refrigerant circuit (2) and the heat source heat transport fluid circuit (3) and a compressor (18), a suction gas superheater (33) for reducing, preferably eliminating, liquid Refrigerant proportions is provided.

Heat pump device (1) after Claim 9 , characterized in that the suction gas superheater (33) with its primary side (35) with the refrigerant circuit (2), namely between the evaporator (6) which thermally couples the refrigerant circuit (2) and the heat source heat transport fluid circuit (3) and the compressor (18) for reducing, preferably eliminating, liquid refrigerant components and is connected with its secondary side (11) to the refrigerant circuit (2 ), namely between the subcooler (12) and the evaporator (6) which thermally couples the refrigerant circuit (2) and the heat source heat transport fluid circuit (3).

Heat pump device (1) according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that an expansion valve (39) is arranged in the refrigerant circuit (2) between the subcooler (12) and an evaporator (6) which thermally couples the refrigerant circuit (2) and the heat source heat transport fluid circuit (3), the flow cross-section of which is controllable or is adjustable.

Heat pump device (1) according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the heat source (26) of the heat source heat transport fluid circuit (3) is at least one heat absorbing device from the following group: an air heat absorbing device, a geothermal heat absorbing device, a groundwater heat absorbing device, a process heat absorbing device, a waste heat absorbing device Device or a solar heat absorbing device.

Heat pump device (1) according to one of the Claims 1 to 12 , characterized in that the heat transfer fluid of the heat source heat transfer fluid circuit (3) is selected from the following group: water, mixture of water and antifreeze, in particular brine, thermal oil and alcohol.

Heat pump device (1) according to one of the Claims 1 to 13 , characterized in that the heat sink circuit (4) is a region of a heating and / or hot water circuit with preferably water as the heat sink fluid flowing through the heat sink circuit (14).

Heat pump device (1) according to one of the Claims 1 to 13 , characterized in that the heat-absorbing device is arranged in the outside area and the refrigerant circuit (2) including the subcooler (12) in the inside area, preferably of a building.

Method for operating a heat pump device (1) according to one of the Claims 1 to 15th , characterized in that the mass flows of refrigerant and of heat transfer fluid are regulated or automatically controlled by the subcooler (12).

Procedure according to Claim 16 , characterized in that depending on the outside temperature by means of the subcooler (12), the refrigerant is subcooled by a temperature range of 5 ° to 25 ° K before evaporation.

Procedure according to Claim 16 or 17th , characterized in that the supercooled refrigerant is fed to an evaporator (6) and the evaporator (6) on the refrigerant side with a degree of filling close to the flooded evaporation, in particular with a degree of filling of at least 90%, preferably at least 94%, of liquid Refrigerant is operated.

Method according to one of the Claims 16 to 18th , characterized in that when the refrigerant circuit (2) continues to operate, the mass flow of heat transport fluid through the subcooler (12) is increased in order to carry out a defrosting process in the region of the heat source of the heat source heat transport fluid circuit.

Method according to one of the Claims 16 to 18th , characterized in that after the refrigerant circuit (2) has been switched off, the heat source heat transport fluid circuit (3) remains open or is opened at least temporarily in order to effect pressure equalization in the refrigerant circuit (2) before the refrigerant circuit (2) is switched on again.