DE102022209850A1

DE102022209850A1 - Heat pump arrangement, method for its operation and building equipped therewith

Info

Publication number: DE102022209850A1
Application number: DE102022209850.1A
Authority: DE
Inventors: Jakob Metz; Tim Haselwander; Danny Günther; Dirk LUDWIG
Original assignee: Viessmann Climate Solutions SE; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Viessmann Climate Solutions SE; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2024061828A2; EP4591011A2; WO2024061828A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung (9) mit zumindest einer ersten Wärmepumpe (1) mit einem Vorlauf (11) und einem Rücklauf (12), zumindest einer zweiten Wärmepumpe (2) mit einem Vorlauf (21) und einem Rücklauf (22), zumindest einer ersten Wärmequelle (3) mit einem Vorlauf (31) und einem Rücklauf (32) und zumindest einer zweiten Wärmequelle (4) mit einem Vorlauf (41) und einem Rücklauf (42), wobei die Wärmepumpenvorrichtung (9) weiterhin einen Sammler (5) und einen Verteiler (6) enthält, wobei der Vorlauf (11, 21) der ersten und zweiten Wärmepumpe (1, 2) und der Rücklauf (32, 42) der ersten und zweiten Wärmequelle (3, 4) mit dem Verteiler (6) verbunden ist und der Rücklauf (12, 22) der ersten und zweiten Wärmepumpe (1, 2) und der Vorlauf (31, 41) der ersten und zweiten Wärmequelle (3, 4) mit dem Sammler (5) verbunden ist und zwischen dem Verteiler (6) und dem Sammler (5) ein Verbindungsrohr (7) angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein damit ausgestattetes Gebäude und ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung.The invention relates to a heat pump arrangement (9) with at least one first heat pump (1) with a flow (11) and a return (12), at least one second heat pump (2) with a flow (21) and a return (22), at least a first heat source (3) with a flow (31) and a return (32) and at least one second heat source (4) with a flow (41) and a return (42), the heat pump device (9) further comprising a collector (5 ) and a distributor (6), the flow (11, 21) of the first and second heat pumps (1, 2) and the return (32, 42) of the first and second heat sources (3, 4) being connected to the distributor (6 ) is connected and the return (12, 22) of the first and second heat pumps (1, 2) and the flow (31, 41) of the first and second heat sources (3, 4) are connected to the collector (5) and between the A connecting pipe (7) is arranged between the distributor (6) and the collector (5). The invention further relates to a building equipped with it and a method for operating a heat pump arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung mit zumindest einer ersten Wärmepumpe, mit einem Vorlauf und einem Rücklauf, zumindest einer zweiten Wärmepumpe, mit einem Vorlauf und einem Rücklauf, zumindest einer ersten Wärmequelle mit einem Vorlauf und einem Rücklauf und zumindest einer zweiten Wärmequelle mit einem Vorlauf und einem Rücklauf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpenanordnung und ein damit ausgestattetes Gebäude.The invention relates to a heat pump arrangement with at least a first heat pump, with a flow and a return, at least a second heat pump, with a flow and a return, at least a first heat source with a flow and a return and at least a second heat source with a flow and a Rewind. The invention further relates to a method for operating such a heat pump arrangement and a building equipped with it.

Aus T. You et al.: „A new ground-coupled heat pump system integrated with a multi-mode air-source heat compensator to eliminate thermal imbalance in cold regions“, Energy and Buildings 107 (2015) 103 ist eine Wärmepumpenanordnung der eingangs genannten Art bekannt. Diese enthält einen Luftwärmeübertrager und eine Erdwärmesonde als Wärmequelle. Jede Wärmequelle ist mit einer zugeordneten Wärmepumpe verschaltet, sodass zur Brauchwassererwärmung einerseits und zur Gebäudeheizung andererseits unterschiedliche Wärmepumpen zur Verfügung stehen. Über ein Rohrleitungsnetz mit entsprechenden Schaltventilen kann jede Wärmepumpe mit jeder Wärmequelle verbunden werden. Hierdurch kann, je nach Witterung und Wärmebedarf, die jeweils optimal geeignete Wärmequelle ausgewählt werden. Diese bekannte Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, dass die Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen nur unzulänglich möglich ist.Out of T. You et al.: “A new ground-coupled heat pump system integrated with a multi-mode air-source heat compensator to eliminate thermal imbalance in cold regions,” Energy and Buildings 107 (2015) 103 a heat pump arrangement of the type mentioned is known. This contains an air heat exchanger and a geothermal probe as a heat source. Each heat source is connected to an assigned heat pump, so that different heat pumps are available for heating domestic water on the one hand and for heating buildings on the other. Every heat pump can be connected to every heat source via a pipe network with appropriate switching valves. This means that, depending on the weather and heat requirements, the most suitable heat source can be selected. However, this known arrangement has the disadvantage that adaptation to different operating conditions is only possible to an inadequate extent.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanordnung anzugeben, welche eine größere Flexibilität aufweist.Based on the prior art, the invention is therefore based on the object of specifying a heat pump arrangement which has greater flexibility.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmepumpenanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb nach Anspruch 10 und ein Gebäude nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a heat pump arrangement according to claim 1 and a method for operating it according to claim 10 and a building according to claim 9. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Wärmepumpenanordnung mit zumindest einer ersten Wärmepumpe mit einem Vorlauf und einem Rücklauf sowie zumindest einer zweiten Wärmepumpe mit einem Vorlauf und einem Rücklauf. Jede Wärmepumpe weist in an sich bekannter Weise einen Kondensator und einen Verdampfer und einen Kompressor auf, wobei ein Arbeitsmittel unter Wärmeaufnahme im Verdampfer verdampft und unter Wärmeabgabe im Kondensator kondensiert wird. Dazwischen wird das gasförmige Arbeitsmittel mittels eines Kompressors komprimiert und das verflüssigte Arbeitsmittel über ein Drosselventil zurückgeführt. Die erfindungsgemäß verwendeten Wärmepumpen sind von üblicher Bauweise. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung spezieller Wärmepumpen als Lösungsprinzip.According to one aspect, the invention relates to a heat pump arrangement with at least a first heat pump with a flow and a return and at least a second heat pump with a flow and a return. Each heat pump has, in a manner known per se, a condenser and an evaporator and a compressor, whereby a working medium is evaporated while absorbing heat in the evaporator and is condensed while releasing heat in the condenser. In between, the gaseous working fluid is compressed using a compressor and the liquefied working fluid is returned via a throttle valve. The heat pumps used according to the invention are of standard construction. The invention does not teach the use of special heat pumps as a solution principle.

Weiterhin weist die Wärmepumpenanordnung zumindest eine erste Wärmequelle und zumindest eine zweite Wärmequelle auf. Die beiden Wärmequellen können von gleichem oder von unterschiedlichem Typ sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Wärmequelle ein horizontal unter der Erdoberfläche eingebrachter Erdwärmekollektor und/oder eine in einer Tiefbohrung eingebrachte Erdwärmesonde sein oder enthalten, welche jeweils Wärme aus dem Erdreich beziehen.Furthermore, the heat pump arrangement has at least a first heat source and at least a second heat source. The two heat sources can be of the same or different types. In some embodiments of the invention, at least one heat source can be or contain a geothermal collector installed horizontally below the earth's surface and/or a geothermal probe installed in a deep borehole, each of which draws heat from the ground.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Wärmequelle ein Luftwärmeübertrager sein oder einen solchen enthalten, um Wärme aus der Außenluft nutzbar zu machen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Wärmequelle ausgewählt sein aus einem solarthermischen Kollektor und/oder einem Photovoltaik-Thermischen Kollektor und/oder einem Solarabsorber, um solare Wärmestrahlung als Brauchwärme nutzbar zu machen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Wärmequelle ein Grundwasserbrunnen sein oder einen solchen enthalten, um im Grundwasser gespeicherte Wärme als Brauchwärme nutzbar zu machen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Wärmequelle einen Wärmetauscher enthalten oder daraus bestehen, welcher Abwärme als Brauchwärme nutzbar macht. Die Abwärme kann aus einem Verbrennungsprozess und/oder einem industriellen Fertigungsprozess und/oder einem Abwasserstrom und/oder einem Kühlwasserstrom stammen. Bei Verwendung unterschiedlicher Wärmequellen für die erste und zweite Wärmequelle kann die Flexibilität der Wärmepumpenanordnung weiter erhöht sein.In some embodiments of the invention, at least one heat source may be or contain an air heat exchanger to utilize heat from the outside air. In some embodiments of the invention, at least one heat source can be selected from a solar thermal collector and/or a photovoltaic thermal collector and/or a solar absorber in order to make solar thermal radiation usable as industrial heat. In some embodiments of the invention, at least one heat source can be or contain a groundwater well in order to make heat stored in the groundwater usable as domestic heat. In some embodiments of the invention, at least one heat source can contain or consist of a heat exchanger, which makes waste heat usable as industrial heat. The waste heat can come from a combustion process and/or an industrial manufacturing process and/or a wastewater stream and/or a cooling water stream. When using different heat sources for the first and second heat sources, the flexibility of the heat pump arrangement can be further increased.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärme zwischen den Verdampfern der Wärmepumpenanordnung und den Wärmequellen durch ein in Rohrleitungen zirkulierendes Wärmeträgerfluid transportiert werden. Das Wärmeträgerfluid kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung flüssig sein. Das Wärmeträgerfluid kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung gasförmig sein. Das Wärmeträgerfluid kann in wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung bei der Wärmezufuhr oder -abgabe einen Phasenübergang durchlaufen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgerfluid eine frostsichere Flüssigkeit sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgerfluid ausgewählt sein aus einer Salzlösung bzw. Sole und/oder einem Wasser-/Glykolgemisch und/oder einem Thermoöl.In some embodiments of the invention, the heat can be transported between the evaporators of the heat pump arrangement and the heat sources by a heat transfer fluid circulating in pipes. In some embodiments of the invention, the heat transfer fluid can be liquid. In other embodiments of the invention, the heat transfer fluid can be gaseous. In yet other embodiments of the invention, the heat transfer fluid can undergo a phase transition when heat is supplied or released. In some embodiments of the invention, the heat transfer fluid may be a frost-proof liquid. In some embodiments of the invention, the heat transfer fluid can be selected from a salt solution or brine and/or a water/glycol mixture and/or a thermal oil.

Die Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung weist weiterhin einen Sammler und einen Verteiler auf, wobei der Vorlauf der ersten und zweiten Wärmepumpe und der Rücklauf der ersten und zweiten Wärmequelle mit dem Verteiler verbunden sind und der Rücklauf der ersten und zweiten Wärmepumpe und der Vorlauf der ersten und zweiten Wärmequelle mit dem Sammler verbunden sind. Das Wärmeträgerfluid strömt somit vom Sammler durch eine Wärmequelle, nimmt dort Wärme auf und strömt sodann in den Verteiler. Vom Verteiler wird das Wärmeträgerfluid dem Verdampfer einer Wärmepumpe zugeführt, wobei es Wärme abgibt und sich abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgerfluid strömt zurück in den Sammler.The heat pump device according to one aspect of the invention further has a collector and a distributor, wherein the flow of the first and second heat pumps and the return of the first and second heat sources are connected to the distributor and the return of the first and second heat pumps and the flow of the first and second heat source are connected to the collector. The heat transfer fluid thus flows from the collector through a heat source, absorbs heat there and then flows into the distributor. The heat transfer fluid is fed from the distributor to the evaporator of a heat pump, where it gives off heat and cools down. The cooled heat transfer fluid flows back into the collector.

Schließlich ist vorgesehen, dass zwischen dem Sammler und dem Verteiler ein Verbindungsrohr angeordnet ist. Das Verbindungsrohr dient als hydraulischer Nullpunkt und ermöglicht damit, eine Regelgröße für die Wärmepumpenanordnung abzuleiten. Gegenüber einer bekannten Wärmepumpenanordnung kann die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung eine größere Vielzahl von Betriebszuständen und/oder eine vereinfachte Regelung aufweisen.Finally, it is provided that a connecting pipe is arranged between the collector and the distributor. The connecting pipe serves as a hydraulic zero point and thus makes it possible to derive a control variable for the heat pump arrangement. Compared to a known heat pump arrangement, the heat pump arrangement according to the invention can have a larger variety of operating states and/or a simplified control system.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmepumpenanordnung weiterhin eine erste Pumpe enthalten, welche dazu eingerichtet ist, das Wärmeträgerfluid vom Verteiler in die erste Wärmepumpe zu fördern. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmepumpenanordnung alternativ oder zusätzlich eine zweite Pumpe enthalten, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Verteiler in die zweite Wärmepumpe zu fördern. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmepumpenanordnung alternativ oder zusätzlich eine dritte Pumpe enthalten, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Sammler in die erste Wärmequelle zu fördern. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmepumpenanordnung alternativ oder zusätzlich eine vierte Pumpe enthalten, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Sammler in die zweite Wärmequelle zu fördern. Durch individuelle Ansteuerung der einzelnen Pumpen können die Volumenströme und damit bei bekannter Temperatur des Wärmeträgerfluids auch die Wärmeströme zwischen den einzelnen Quellen und den einzelnen Wärmepumpen beeinflusst werden, sodass in Abhängigkeit der Witterungsbedingungen, dem Zustand der Wärmequellen und dem Wärmebedarf eines Gebäudes unterschiedliche Betriebs- bzw. Regelstrategien umgesetzt werden können.In some embodiments of the invention, the heat pump arrangement can further contain a first pump, which is set up to convey the heat transfer fluid from the distributor into the first heat pump. In some embodiments of the invention, the heat pump arrangement can alternatively or additionally contain a second pump, which is designed to convey a heat transfer fluid from the distributor into the second heat pump. In some embodiments of the invention, the heat pump arrangement can alternatively or additionally contain a third pump, which is designed to convey a heat transfer fluid from the collector into the first heat source. In some embodiments of the invention, the heat pump arrangement can alternatively or additionally contain a fourth pump, which is designed to convey a heat transfer fluid from the collector into the second heat source. By individually controlling the individual pumps, the volume flows and thus, if the temperature of the heat transfer fluid is known, the heat flows between the individual sources and the individual heat pumps can be influenced, so that different operating or heating requirements can be achieved depending on the weather conditions, the condition of the heat sources and the heat requirement of a building. Control strategies can be implemented.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im Verbindungsrohr zumindest ein Durchflussmesser vorhanden sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich im Verbindungsrohr zumindest ein Temperatursensor vorhanden sein. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung können im Verbindungsrohr zwei oder drei Temperatursensoren vorhanden sein. Da das Verbindungsrohr den hydraulischen Nullpunkt des für das Wärmeträgerfluid verwendeten Leitungsnetzes darstellt, wird der Strom des Wärmeträgerfluids so gesteuert oder geregelt, dass die Strömung innerhalb des Verbindungsrohres unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes liegt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kommt die Strömung im Verbindungsrohr vollständig zum Erliegen bzw. erreicht einen Wert, welcher durch die verwendete Sensorik nicht mehr messbar ist.In some embodiments of the invention, at least one flow meter may be present in the connecting pipe. In other embodiments of the invention, at least one temperature sensor can alternatively or additionally be present in the connecting pipe. In still other embodiments of the invention, two or three temperature sensors can be present in the connecting pipe. Since the connecting pipe represents the hydraulic zero point of the line network used for the heat transfer fluid, the flow of the heat transfer fluid is controlled or regulated so that the flow within the connecting pipe is below a predeterminable limit value. In some embodiments of the invention, the flow in the connecting pipe comes to a complete standstill or reaches a value that can no longer be measured by the sensor system used.

Zur Messung der Strömung innerhalb des Verbindungsrohres kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Durchflussmesser im Verbindungsrohr verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Temperatur bzw. ein Temperaturgradient im Verbindungsrohr bestimmt werden. Sofern im Verbindungsrohr eine zu vernachlässigende Strömung herrscht, erreicht die Temperatur in der Mitte des Verbindungsrohres in etwa den Mittelwert der Temperatur des Sammlers und des Verteilers. Sofern mehr als ein Temperatursensor verwendet wird, können diese in der Mitte des Verbindungsrohres und an den beiden Enden des Verbindungsrohres eingesetzt werden.In some embodiments of the invention, a flow meter can be used in the connecting pipe to measure the flow within the connecting pipe. In other embodiments of the invention, the temperature or a temperature gradient in the connecting pipe can be determined. If there is a negligible flow in the connecting pipe, the temperature in the middle of the connecting pipe approximately reaches the average temperature of the collector and the distributor. If more than one temperature sensor is used, they can be used in the middle of the connecting pipe and at both ends of the connecting pipe.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmepumpenanordnung weiterhin ein erstes Drei-Wege-Ventil, mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss aufweisen, wobei der erste und zweite Anschluss mit dem Sammler und dem Vorlauf der zweiten Wärmequelle verbunden sind und der dritte Anschluss mit dem Verteiler verbunden ist. Darüber hinaus kann die Wärmepumpenanordnung weiterhin ein zweites Drei-Wege-Ventil mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss aufweisen, wobei der erste und zweite Anschluss mit dem Verteiler und dem Rücklauf der zweiten Wärmequelle verbunden sind und der dritte Anschluss mit dem Sammler verbunden ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich auch die erste Wärmequelle mit zwei Drei-Wege-Ventilen ausgestattet sein, wie vorstehend beschrieben. Die Drei-Wege-Ventile haben die Wirkung, dass die im Normalbetrieb vom Vorlauf zum Rücklauf fließende Strömung des Wärmeträgerfluids umgekehrt werden kann, sodass der Wärmequelle über den Rücklauf Wärme zugeführt werden kann, beispielsweise um eine Erdwärmesonde zu regenerieren oder einen Luftwärmeübertrager zu enteisen.In some embodiments of the invention, the heat pump arrangement can further have a first three-way valve, with a first connection and a second connection and a third connection, the first and second connections being connected to the collector and the flow of the second heat source and the third connection is connected to the distributor. In addition, the heat pump arrangement can further have a second three-way valve with a first connection and a second connection and a third connection, the first and second connections being connected to the distributor and the return of the second heat source and the third connection to the collector is connected. In some embodiments of the invention, the first heat source can alternatively or additionally be equipped with two three-way valves, as described above. The three-way valves have the effect that the flow of the heat transfer fluid that flows from the flow to the return during normal operation can be reversed, so that heat can be supplied to the heat source via the return, for example to regenerate a geothermal probe or to de-ice an air heat exchanger.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verteiler durch ein Rohr gebildet sein, wobei der Vorlauf der ersten Wärmepumpe und der Rücklauf der ersten Wärmequelle an einem ersten Ende des Rohres angeordnet sind und der Vorlauf der zweiten Wärmepumpe und der Rücklauf der zweiten Wärmequelle an einem zweiten Ende des Rohres angeordnet sind. In ähnlicher Weise kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch der Sammler durch ein Rohr gebildet werden, wobei der Rücklauf der ersten Wärmepumpe an einem ersten Ende des Rohres angeordnet ist und der Rücklauf der zweiten Wärmepumpe an einem zweiten Ende des Rohres angeordnet ist. Diese Merkmale haben die Wirkung, dass bei einem Parallelbetrieb beider Wärmepumpen und beider Wärmequellen eine Durchmischung des Wärmeträgerfluids im Sammler bzw. im Verteiler vermieden wird. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Wärmepumpenanordnung ansteigen, weil beide Wärmepumpen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben und somit der Energieinhalt der wärmeren Wärmequelle vollständig genutzt werden können.In some embodiments of the invention, the distributor can be formed by a pipe, with the flow of the first heat pump and the Return of the first heat source are arranged at a first end of the pipe and the flow of the second heat pump and the return of the second heat source are arranged at a second end of the pipe. Similarly, in some embodiments of the invention, the collector can also be formed by a pipe, with the return of the first heat pump being arranged at a first end of the pipe and the return of the second heat pump being arranged at a second end of the pipe. These features have the effect that when both heat pumps and both heat sources are operated in parallel, mixing of the heat transfer fluid in the collector or distributor is avoided. This can increase the efficiency of the heat pump arrangement because both heat pumps can be operated at different temperature levels and the energy content of the warmer heat source can therefore be fully utilized.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung mit zumindest einer ersten Wärmepumpe, zumindest einer zweiten Wärmepumpe, zumindest einer ersten Wärmequelle und zumindest einer zweiten Wärmequelle. Das Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmepumpenanordnung zumindest drei Betriebszustände aufweist.According to a further aspect of the invention, this relates to a method for operating a heat pump arrangement with at least a first heat pump, at least a second heat pump, at least a first heat source and at least a second heat source. The method according to this aspect of the invention is characterized in that the heat pump arrangement has at least three operating states.

In einem ersten Betriebszustand kann einer Wärmequelle Wärme entnommen werden, welche der anderen Wärmequelle zugeführt wird. Hierdurch kann eine Wärmequelle regeneriert werden, ohne dass Wärme aus externen Quellen eingesetzt werden muss, zum Beispiel aus einem elektrischen Heizregister. Das Regenerieren einer Wärmequelle kann das Enteisen eines Luftwärmeübertragers oder den Wärmeeintrag in eine Erdwärmesonde umfassen.In a first operating state, heat can be taken from a heat source and supplied to the other heat source. This allows a heat source to be regenerated without having to use heat from external sources, for example from an electrical heating register. Regenerating a heat source can include de-icing an air heat exchanger or introducing heat into a geothermal probe.

In einem zweiten Betriebszustand kann einer einzigen Wärmequelle Wärme entnommen werden, welche über eine einzige Wärmepumpe als Brauchwärme bereitgestellt wird, beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, zur Gebäudeheizung oder auch für industrielle Zwecke oder zum Betrieb eines Fernwärmenetzes. Hierbei erlaubt die Wärmepumpenanordnung eine individuelle Verschaltung jeder Wärmequelle mit jeder Wärmepumpe, sodass größtmögliche Flexibilität bei der Auswahl der Wärmepumpe und der Wärmequelle besteht.In a second operating state, heat can be taken from a single heat source, which is provided as industrial heat via a single heat pump, for example for heating domestic water, for heating buildings or for industrial purposes or for operating a district heating network. The heat pump arrangement allows each heat source to be individually connected to each heat pump, so that there is the greatest possible flexibility in selecting the heat pump and the heat source.

In einem dritten Betriebszustand kann der ersten Wärmequelle Wärme entnommen werden, welche über die erste Wärmepumpe als Brauchwärme bereitgestellt wird und der zweiten Wärmequelle kann Wärme entnommen werden, welche über die zweite Wärmepumpe als Brauchwärme bereitgestellt wird. Dieser Parallelbetrieb eignet sich insbesondere für hohe Lastanforderungen, beispielsweise für gleichzeitige Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung im Winter. Sofern beide Wärmequellen von unterschiedlichen Typs sind, beispielsweise ein Luftwärmeübertrager und eine Erdwärmesonde, kann die begrenzte Jahresarbeit einer Erdwärmesonde für Zeiten aufgespart werden, in welchen der Luftwärmeübertrager aufgrund niedriger Außentemperaturen nur unzulängliche Leistung bietet. Bei sehr hohen Außentemperaturen kann in die Erdwärmesonde Wärme aus dem Luftwärmeübertrager eingetragen werden, um diese zu regenerieren. Bei Temperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt, wenn der Luftwärmeübertrager zur Vereisung neigt, kann dieser mit Wärme aus der Erdwärmesonde enteist werden. Durch den Parallelbetrieb kann somit eine hohe Wärmeleistung durch die Wärmepumpenanordnung bereitgestellt werden bei zugleich geringem Überlastungsrisiko einer möglicherweise teillastdimensionierten, begrenzten höherwertigen Wärmequelle.In a third operating state, heat can be taken from the first heat source, which is provided as useful heat via the first heat pump, and heat can be taken from the second heat source, which is provided as useful heat via the second heat pump. This parallel operation is particularly suitable for high load requirements, for example for simultaneous building heating and domestic water heating in winter. If both heat sources are of different types, for example an air heat exchanger and a geothermal probe, the limited annual work of a geothermal probe can be saved for times when the air heat exchanger only offers inadequate performance due to low outside temperatures. If outside temperatures are very high, heat from the air heat exchanger can be fed into the geothermal probe in order to regenerate it. At temperatures around or below freezing point, if the air heat exchanger tends to ice up, it can be de-iced with heat from the geothermal probe. Through parallel operation, a high heat output can be provided by the heat pump arrangement with at the same time a low risk of overloading a possibly partial load-sized, limited, higher-quality heat source.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärme zwischen Wärmequelle und Wärmepumpe mit einem flüssigen Wärmeträgerfluid transportiert werden, welches mit jeweils einer zugeordneten Pumpe zwischen den Wärmequellen und den Wärmepumpen gefördert wird. Die Pumpen können in einfacher Weise über eine Steuer- oder Regeleinrichtung beeinflusst werden, sodass der Durchfluss des Wärmeträgerfluids an die unterschiedlichen Betriebszustände angepasst werden kann.In some embodiments of the invention, the heat can be transported between the heat source and the heat pump using a liquid heat transfer fluid, which is conveyed between the heat sources and the heat pumps using an assigned pump. The pumps can be easily influenced via a control or regulating device so that the flow of the heat transfer fluid can be adapted to the different operating states.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die den Wärmepumpen zugeordneten ersten und zweiten Pumpen mit konstanter Fördermenge betrieben werden und die den Wärmequellen zugeordneten dritten und vierten Pumpen gesteuert oder geregelt werden. Hierdurch kann die Regelstrategie vereinfacht werden, ohne an Flexibilität einzubüßen.In some embodiments of the invention, the first and second pumps assigned to the heat pumps can be operated with a constant delivery rate and the third and fourth pumps assigned to the heat sources can be controlled or regulated. This allows the control strategy to be simplified without losing flexibility.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Vor- und Rücklaufleitungen der Wärmequellen und der Wärmepumpen an einen Sammler und einen Verteiler angeschlossen sein, wobei zwischen dem Verteiler und dem Sammler ein Verbindungsrohr angeordnet ist und die Pumpen so gesteuert oder geregelt werden, dass der Durchfluss durch das Verbindungsrohr unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes liegt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Durchfluss null bzw. unterhalb der Messgrenze.In some embodiments of the invention, the supply and return lines of the heat sources and the heat pumps can be connected to a collector and a distributor, with a connecting pipe being arranged between the distributor and the collector and the pumps being controlled or regulated so that the flow through the Connecting pipe is below a predeterminable limit value. In some embodiments of the invention, the flow is zero or below the measurement limit.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuerung durch eine Umsetzungstabelle erfolgen. In diesem Fall können die Temperaturen der Wärmequellen und/oder die Wärmeanforderung des mit der Wärmepumpenanordnung ausgestatteten Gebäudes und/oder die Temperaturen der Wärmesenken als Eingangsgröße verwendet werden und die jeweilige Pumpendrehzahl bzw. Fördermenge als Ausgangsgröße aus der Umsetzungstabelle ausgelesen und eingestellt werden.In some embodiments of the invention, control may be accomplished through a translation table. In this case, the temperatures of the heat sources and/or the heat requirement of the heat pump arrangement can be adjusted th building and/or the temperatures of the heat sinks are used as an input variable and the respective pump speed or delivery rate is read out and set as an output variable from the implementation table.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Regelung so, dass das Verbindungsrohr die Mitteltemperatur zwischen Sammler und Verteiler aufweist. Dies kann als Indiz dafür gesehen werden, dass durch das Verbindungsrohr keine nennenswerte Strömung des Wärmeträgerfluids erfolgt.In some embodiments of the invention, the control is carried out in such a way that the connecting pipe has the average temperature between the collector and distributor. This can be seen as an indication that there is no significant flow of the heat transfer fluid through the connecting pipe.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Regelung so erfolgen, dass ein Strömungssensor im Verbindungsrohr eine Strömung unterhalb eines vorgebbaren Grenzwertes erfasst. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Grenzwert ein Minimalwert bzw. null sein.In some embodiments of the invention, the control can take place in such a way that a flow sensor in the connecting pipe detects a flow below a predeterminable limit value. In some embodiments of the invention, this limit may be a minimum value or zero.

Einige Ausführungsformen der Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren einen vierten Betriebszustand aufweisen, in welchem beiden Wärmequellen Wärme entnommen wird, welche über eine einzige Wärmepumpe als Brauchwärme bereitgestellt wird.In some embodiments of the invention, the method according to the invention can have a fourth operating state in which heat is taken from both heat sources and is provided as useful heat via a single heat pump.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt

1 eine Wärmepumpenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Wärmepumpenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Wärmepumpenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

The invention will be explained in more detail below using figures without restricting the general idea of the invention. This shows

1 a heat pump arrangement according to a first embodiment of the invention.
2 shows a heat pump arrangement according to a second embodiment of the invention.
3 shows a heat pump arrangement according to a third embodiment of the invention.

Anhand der 1 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Wärmepumpenanordnung 9 weist eine erste Wärmepumpe 1 auf. Die erste Wärmepumpe 1 enthält einen Verdampfer 101 sowie einen Kondensator 102. Der Verdampfer 101 ist mit einem Vorlauf 11 und einem Rücklauf 12 versehen, über welchen dem Verdampfer 101 ein Wärmeträgerfluid zugeführt werden kann. Die Wärme aus dem Wärmeträgerfluid bewirkt die Verdampfung eines Arbeitsmittels im Verdampfer 101, wobei dem Wärmeträgerfluid Wärme entzogen wird, sodass sich dieses abkühlt. Das Arbeitsmittel wird mit einem Kompressor 104 verdichtet und dem Kondensator 102 zugeführt. Im Kondensator 102 wird das Arbeitsmittel unter Wärmeabgabe kondensiert. Die auf diese Weise freigesetzte Wärme kann als Brauchwärme zur Gebäudeheizung, für industrielle Prozesse oder zur Brauchwassererwärmung verwendet werden. Das verflüssigte Arbeitsmittel wird über ein Drosselventil 103 dem Verdampfer 101 wieder zugeführt, so dass der vorstehend beschriebene Prozess zyklisch abläuft.Based on 1 a first embodiment of the invention is explained in more detail. The heat pump arrangement 9 has a first heat pump 1. The first heat pump 1 contains an evaporator 101 and a condenser 102. The evaporator 101 is provided with a flow 11 and a return 12, via which a heat transfer fluid can be supplied to the evaporator 101. The heat from the heat transfer fluid causes the evaporation of a working fluid in the evaporator 101, with heat being removed from the heat transfer fluid so that it cools down. The working fluid is compressed with a compressor 104 and fed to the condenser 102. In the condenser 102, the working fluid is condensed with the release of heat. The heat released in this way can be used as domestic heat for heating buildings, for industrial processes or for heating domestic water. The liquefied working fluid is fed back to the evaporator 101 via a throttle valve 103, so that the process described above runs cyclically.

Weiterhin enthält die Wärmepumpenanordnung eine zweite Wärmepumpe 2 mit einem Verdampfer 201, einem Kondensator 202, einem Kompressor 204 und einem Drosselventil 203. Die Funktionsweise der zweiten Wärmepumpe 2 entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise der ersten Wärmepumpe 1. Furthermore, the heat pump arrangement contains a second heat pump 2 with an evaporator 201, a condenser 202, a compressor 204 and a throttle valve 203. The functionality of the second heat pump 2 essentially corresponds to the functionality of the first heat pump 1.

Auch die zweite Wärmepumpe 2 weist einen Vorlauf 21 und einen Rücklauf 22 auf, über welche ein Wärmeträgerfluid und damit Wärme zugeführt werden kann.The second heat pump 2 also has a flow 21 and a return 22, via which a heat transfer fluid and thus heat can be supplied.

Weiterhin weist die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung eine erste Wärmequelle 3 auf. Die Wärmequelle 3 weist ebenfalls einen Vorlauf 31 und einen Rücklauf 32 auf. Die Wärmequelle 3 kann beispielsweise eine Erdwärmesonde, ein Erdwärmekollektor oder auch ein Grundwasserbrunnen sein. Über den Vorlauf 31 wird der ersten Wärmequelle 3 ein abgekühltes Wärmeträgerfluid zugeführt, welches in der Wärmequelle 3 Wärme aufnimmt und als erwärmtes Wärmeträgerfluid über den Rücklauf 32 die erste Wärmequelle 3 wieder verlässt.Furthermore, the heat pump arrangement according to the invention has a first heat source 3. The heat source 3 also has a flow 31 and a return 32. The heat source 3 can be, for example, a geothermal probe, a geothermal collector or even a groundwater well. A cooled heat transfer fluid is supplied to the first heat source 3 via the flow 31, which absorbs heat in the heat source 3 and leaves the first heat source 3 again as heated heat transfer fluid via the return line 32.

Weiterhin weist die Wärmepumpenanordnung eine zweite Wärmequelle 4 auf. Auch die zweite Wärmequelle 4 besitzt einen Vorlauf 41 und einen Rücklauf 42. Wie vorstehend beschrieben, kann über den Vorlauf 41 ein abgekühltes Wärmeträgerfluid zugeführt werden, welches Wärme aufnimmt und auf höherem Temperaturniveau über den Rücklauf 42 aus der Wärmequelle 4 abgeführt wird. Die zweite Wärmequelle 4 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Luftwärmeübertrager oder einen Solarkollektor enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können auch mehr als zwei Wärmequellen vorhanden sein. Die dargestellte erste Wärmequelle 3 und die zweite Wärmequelle 4 stellen lediglich die Mindestanzahl dar. Aufgrund ihres unterschiedlichen Typs können die erste und zweite Wärmequelle 3 und 4 auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau arbeiten bzw. über ihren Rücklauf 32 bzw. 42 ein Wärmeträgerfluid mit unterschiedlicher Temperatur liefern.Furthermore, the heat pump arrangement has a second heat source 4. The second heat source 4 also has a flow 41 and a return 42. As described above, a cooled heat transfer fluid can be supplied via the flow 41, which absorbs heat and is removed from the heat source 4 at a higher temperature level via the return 42. In some embodiments of the invention, the second heat source 4 may contain an air heat exchanger or a solar collector. In some embodiments of the invention, more than two heat sources may also be present. The first heat source 3 and the second heat source 4 shown represent only the minimum number. Due to their different types, the first and second heat sources 3 and 4 can work at a different temperature level or deliver a heat transfer fluid with a different temperature via their return line 32 and 42, respectively.

Das in der Wärmepumpenanordnung zirkulierende Wärmeträgerfluid kann flüssig oder gasförmig sein. Ein flüssiges Wärmeträgerfluid kann beispielsweise eine Wasser-/Glykolmischung oder eine Sole sein, um auf diese Weise auch Arbeitstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser zu ermöglichen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgerfluid ein Thermoöl sein. In wiederum anderen Ausführungsformen in der Erfindung kann Wasser als Wärmeträgerfluid verwendet werden, wenn Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht erwartet werden.The heat transfer fluid circulating in the heat pump arrangement can be liquid or gaseous. A liquid heat transfer fluid can be, for example, a water/glycol mixture or a brine in order to enable working temperatures below the freezing point of water. In other embodiments of the invention, the heat transfer fluid can be a thermal oil. In still other embodiments of the invention, water can be used as a heat transfer fluid be used when temperatures below freezing are not expected.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung enthält weiterhin einen Verteiler 6 sowie eine Sammler 5. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind sowohl der Verteiler 6 als auch der Sammler 5 durch ein Rohr gebildet, wobei der Vorlauf 11 der ersten Wärmepumpe 1 und der Rücklauf 32 der ersten Wärmequelle 3 an einem ersten Ende des Rohres angeordnet sind, und der Vorlauf 21 der zweiten Wärmepumpe 2 und der Rücklauf 42 der zweiten Wärmequelle 4 an einem zweiten Ende des Rohres angeordnet sind. In gleicher Weise ist der Rücklauf 12 der ersten Wärmepumpe 1 an einem ersten Ende des Rohres angeordnet und der Rücklauf 22 der zweiten Wärmepumpe 2 an einem zweiten Ende des Rohres angeordnet. Der Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3 sowie der Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle 4 können ebenfalls an den Enden des den Sammler 5 bildenden Rohres angeordnet sein oder aber an einer beliebigen Stelle zwischen den Enden und der Mitte des den Sammler 5 bildenden Rohres.The heat pump arrangement according to the invention further contains a distributor 6 and a collector 5. In the illustrated embodiment of the invention, both the distributor 6 and the collector 5 are formed by a pipe, with the flow 11 of the first heat pump 1 and the return 32 of the first heat source 3 are arranged at a first end of the pipe, and the flow 21 of the second heat pump 2 and the return 42 of the second heat source 4 are arranged at a second end of the pipe. In the same way, the return 12 of the first heat pump 1 is arranged at a first end of the pipe and the return 22 of the second heat pump 2 is arranged at a second end of the pipe. The flow 31 of the first heat source 3 and the flow 41 of the second heat source 4 can also be arranged at the ends of the tube forming the collector 5 or at any point between the ends and the middle of the tube forming the collector 5.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung enthält weiterhin ein Verbindungsrohr 7, welches zwischen dem Verteiler und dem Sammler angeordnet ist. Sofern der Verteiler 6 einerseits und der Sammler 5 andererseits durch jeweils ein Rohr gebildet werden, kann das Verbindungsrohr 7 in etwa in der Mitte der Rohre angeordnet sein.The heat pump arrangement according to the invention further contains a connecting pipe 7, which is arranged between the distributor and the collector. If the distributor 6 on the one hand and the collector 5 on the other hand are each formed by a tube, the connecting tube 7 can be arranged approximately in the middle of the tubes.

Die Wärmepumpenanordnung enthält weiterhin eine optionale erste Pumpe 15, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Verteiler 6 in die erste Wärmepumpe 1 zu fördern. Weiterhin kann eine optionale zweite Pumpe 25 vorhanden sein, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Verteiler 6 in die zweite Wärmepumpe 2 zu fördern. Schließlich kann eine optionale dritte Pumpe 35 vorhanden sein, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Sammler 5 in die erste Wärmequelle 3 zu fördern. Schließlich kann eine optionale vierte Pumpe 45 vorhanden sein, welche dazu eingerichtet ist, ein Wärmeträgerfluid vom Sammler 5 in die zweite Wärmequelle 4 zu fördern.The heat pump arrangement further contains an optional first pump 15, which is set up to convey a heat transfer fluid from the distributor 6 into the first heat pump 1. Furthermore, an optional second pump 25 may be present, which is set up to convey a heat transfer fluid from the distributor 6 into the second heat pump 2. Finally, an optional third pump 35 may be present, which is set up to convey a heat transfer fluid from the collector 5 into the first heat source 3. Finally, an optional fourth pump 45 may be present, which is set up to convey a heat transfer fluid from the collector 5 into the second heat source 4.

Bei Betrieb der Wärmepumpenanordnung kann die erste, zweite, dritte und vierte Pumpe 15, 25, 35 und 45 jeweils so angesteuert werden, dass im Verbindungsrohr 7 kein Wärmeträgerfluid strömt. Das Verbindungsrohr 7 bildet somit einen hydraulischen Nullpunkt des Fluidkreislaufes der Wärmepumpenanordnung. Zum Detektieren der Strömung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung im Verbindungsrohr 7 ein optionaler Durchflussmesser 75 angeordnet sein. Der Durchflussmesser 75 kann in kann an sich bekannter Weise ein Flügelradzähler oder auch ein Ultraschallsensor sein. Der Schaltzustand, bei welchem die Strömung im Verbindungsrohr 7 zum Erliegen kommt, kann dadurch detektiert werden, dass der Durchflussmesser 75 keinen Messwert bzw. einen Messwert unterhalb einer vorgebaren Grenze anzeigt.When the heat pump arrangement is in operation, the first, second, third and fourth pumps 15, 25, 35 and 45 can each be controlled in such a way that no heat transfer fluid flows in the connecting pipe 7. The connecting pipe 7 thus forms a hydraulic zero point of the fluid circuit of the heat pump arrangement. In some embodiments of the invention, an optional flow meter 75 can be arranged in the connecting pipe 7 to detect the flow. The flow meter 75 can be a vane wheel meter or an ultrasonic sensor in a manner known per se. The switching state in which the flow in the connecting pipe 7 comes to a standstill can be detected by the flow meter 75 not displaying a measured value or a measured value below a predetermined limit.

Alternativ oder zusätzlich kann die Strömung im Verbindungsrohr 7 auch durch einen oder mehrere Temperatursensoren festgestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Temperatursensoren 71,72 und 73 entlang der Längserstreckung des Verbindungsrohres 7 dargestellt.Alternatively or additionally, the flow in the connecting pipe 7 can also be determined by one or more temperature sensors. In the exemplary embodiment shown, three temperature sensors 71, 72 and 73 are shown along the longitudinal extent of the connecting pipe 7.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmepumpenanordnung weiterhin ein optionales erstes Drei-Wege-Ventil 47 mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss aufweisen. Der erste und zweite Anschluss sind mit dem Sammler 5 und dem Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle 4 verbunden. In einigen Ausführungsformen kann der dritte Anschluss mit dem Vorlauf 42 verbunden sein, sodass dieser indirekt mit dem Verteiler 6 verbunden ist. Der dritte Anschluss ist mit dem Verteiler 6 verbunden. Darüber hinaus kann die Wärmepumpenanordnung weiterhin ein optionales zweites Drei-Wege-Ventil 48 mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss aufweisen. Der erste und zweite Anschluss sind mit dem Verteiler 6 und dem Rücklauf 42 der zweiten Wärmequelle 4 verbunden. Der dritte Anschluss ist mit dem Sammler 5 verbunden. In einigen Ausführungsformen kann der dritte Anschluss mit dem Rücklauf 41 verbunden sein, sodass dieser indirekt mit dem Sammler 5 verbunden ist. Die Drei-Wege-Ventile haben die Wirkung, dass die im Normalbetrieb vom Vorlauf zum Rücklauf fließende Strömung des Wärmeträgerfluids umgekehrt werden kann, sodass der Wärmequelle über den Rücklauf Wärme zugeführt werden kann, beispielsweise um eine Erdwärmesonde zu regenerieren oder einen Luftwärmeübertrager zu enteisen.In some embodiments of the invention, the heat pump assembly may further include an optional first three-way valve 47 having a first port and a second port and a third port. The first and second connections are connected to the collector 5 and the flow 41 of the second heat source 4. In some embodiments, the third connection can be connected to the flow 42 so that it is indirectly connected to the distributor 6. The third connection is connected to the distributor 6. In addition, the heat pump assembly may further include an optional second three-way valve 48 with a first port and a second port and a third port. The first and second connections are connected to the distributor 6 and the return 42 of the second heat source 4. The third connection is connected to the collector 5. In some embodiments, the third connection may be connected to the return 41 so that it is indirectly connected to the collector 5. The three-way valves have the effect that the flow of the heat transfer fluid that flows from the flow to the return during normal operation can be reversed, so that heat can be supplied to the heat source via the return, for example to regenerate a geothermal probe or to de-ice an air heat exchanger.

Optional kann die Wärmepumpenanordnung ein elektrisches Heizregister 405 aufweisen, welches in einer Vor- oder Rücklaufleitung einer Wärmequelle angeordnet ist. Hierdurch kann ein Luftwärmeübertrager durch elektrische Hilfsenergie enteist werden.Optionally, the heat pump arrangement can have an electrical heating register 405, which is arranged in a supply or return line of a heat source. This allows an air heat exchanger to be de-iced using auxiliary electrical energy.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung erlaubt eine Mehrzahl unterschiedlicher Betriebszustände. Hierdurch lässt sich die Wärmepumpenanordnung flexibel an den jeweiligen Wärmebedarf eines mit der Wärmepumpenanordnung ausgestatteten Gebäudes anpassen. Weiterhin kann der Einsatz der ersten Wärmequelle 3 und der zweiten Wärmequelle 4 optimiert werden, sodass sich bei jeder Witterung bzw. Außentemperatur ein vorteilhafter Einsatz der Wärmepumpenanordnung ergibt.The heat pump arrangement according to the invention allows a number of different operating states. This allows the heat pump arrangement to be flexibly adapted to the respective heat requirements of a building equipped with the heat pump arrangement. Furthermore, the use of the first heat source 3 and the second heat source 4 can be optimized, so that the heat pump arrangement can be used advantageously in any weather or outside temperature.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung kann einen ersten Betriebszustand aufweisen, in welchem einer Wärmequelle Wärme entnommen wird, welche der anderen Wärmequelle zugeführt wird. Hierzu werden die erste und zweite Pumpe 15 und 25 abgeschaltet und die dritte und vierte Pumpe 35 und 45 so angesteuert, dass Wärmeträgerfluid vom Sammler 5 entnommen und einer Wärmequelle zugeführt wird. Das solchermaßen erwärmte Wärmeträgerfluid kann der zweiten Wärmequelle 4 über ihren Rücklauf 42 zugeführt und über den Vorlauf 41 in den Sammler 5 zurückgeführt werden. Hierzu kann die vierte Pumpe 45 umgepolt werden, sodass diese gegenüber dem Normalbetrieb eine umgekehrte Förderrichtung aufweist. Alternativ kann bei identischer Fördererrichtung der vierten Pumpe 45 das erste Ventil 47 so gesteuert werden, dass die Verbindung zwischen der Pumpe 45 und dem Sammler 5 unterbrochen ist und die Pumpe 45 mit dem Verteiler 6 verbunden ist. In gleicher Weise wird das zweite Ventil 48 so geschaltet, dass der Rücklauf 42 mit dem Sammler 5 verbunden ist und die Verbindung zwischen Rücklauf 42 und Verteiler 6 unterbrochen ist.The heat pump arrangement according to the invention can have a first operating state in which heat is taken from a heat source and supplied to the other heat source. For this purpose, the first and second pumps 15 and 25 are switched off and the third and fourth pumps 35 and 45 are controlled so that heat transfer fluid is removed from the collector 5 and fed to a heat source. The heat transfer fluid heated in this way can be fed to the second heat source 4 via its return line 42 and returned to the collector 5 via the flow line 41. For this purpose, the fourth pump 45 can be reversed so that it has a reverse delivery direction compared to normal operation. Alternatively, if the conveyor direction of the fourth pump 45 is identical, the first valve 47 can be controlled so that the connection between the pump 45 and the collector 5 is interrupted and the pump 45 is connected to the distributor 6. In the same way, the second valve 48 is switched so that the return 42 is connected to the collector 5 and the connection between the return 42 and distributor 6 is interrupted.

Der erste Betriebszustand kann gewählt werden, wenn eine Regeneration einer Wärmequelle mit der Wärme der anderen Wärmequelle wirksam ist und keine der ersten und zweiten Wärmepumpen aktiv ist. Beispielsweise kann Wärme aus einer Erdwärmesonde 3 verwendet werden, um einen als zweite Wärmequelle 4 verwendeten Luftwärmeübertrager abzutauen bzw. zu enteisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann Wärme aus einem Luftwärmeübertrager, welche beispielsweise an heißen Sommertagen entstehen kann, zum Regenerieren der Erdwärmesonde verwendet werden. Die Steuerung des ersten Betriebszustandes kann beispielsweise prädiktiv aufgrund einer Wettervorhersage vorgenommen werden.The first operating state can be selected when regeneration of a heat source with the heat of the other heat source is effective and none of the first and second heat pumps are active. For example, heat from a geothermal probe 3 can be used to defrost or defrost an air heat exchanger used as a second heat source 4. In other embodiments of the invention, heat from an air heat exchanger, which can arise, for example, on hot summer days, can be used to regenerate the geothermal probe. The control of the first operating state can, for example, be carried out predictively based on a weather forecast.

Im zweiten Betriebszustand kann die erste Wärmequelle 3 entweder die erste Wärmepumpe 1 oder die zweite Wärmepumpe 2 versorgen. Sofern beispielsweise die zweite Wärmepumpe 2 betrieben werden soll, kann das abgekühlte Wärmeträgerfluid aus dem Sammler 5 über die dritte Pumpe 35 in den Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3 gefördert werden. Dort nimmt das Wärmeträgerfluid Wärme auf und verlässt die erste Wärmequelle 3 über den Rücklauf 32 in den Verteiler 6. Von dort wird das Wärmeträgerfluid über die zweite Pumpe 25 in den Vorlauf 21 der zweiten Wärmepumpe gefördert. In der zweiten Wärmepumpe 2 wird dem Wärmeträgerfluid Wärme entzogen. Das solchermaßen abgekühlte Wärmeträgerfluid strömt über den Rücklauf 22 in den Sammler 5. In gleicher Weise, wie vorstehend beschrieben, kann auch die erste Wärmepumpe 1 mit der ersten Wärmequelle 3 betrieben werden. Alternativ kann die erste Wärmequelle 3 auch durch die zweite Wärmequelle 4 ersetzt werden.In the second operating state, the first heat source 3 can supply either the first heat pump 1 or the second heat pump 2. If, for example, the second heat pump 2 is to be operated, the cooled heat transfer fluid can be conveyed from the collector 5 via the third pump 35 into the flow 31 of the first heat source 3. There the heat transfer fluid absorbs heat and leaves the first heat source 3 via the return line 32 into the distributor 6. From there the heat transfer fluid is conveyed via the second pump 25 into the flow 21 of the second heat pump. In the second heat pump 2, heat is removed from the heat transfer fluid. The heat transfer fluid cooled in this way flows via the return 22 into the collector 5. In the same way as described above, the first heat pump 1 can also be operated with the first heat source 3. Alternatively, the first heat source 3 can also be replaced by the second heat source 4.

Der vorstehend beschriebene zweite Betriebsmodus wird gewählt, wenn nur eine Wärmepumpe aktiv ist. Bei der Auswahl der jeweils zugeordneten Wärmequelle kann im Fall von unterschiedlichen Wärmequellen diejenige Quelle gewählt werden, welche zum jeweiligen Betriebszeitpunkt vorteilhaft ist. Beispielsweise kann die Effizienz durch Maximieren der Quelltemperatur optimiert werden. Weitere Auswahlkriterien sind beispielsweise eine nachhaltige Belastung einer Erdwärmesonde unter Vermeidung von Überlastung. Welche Wärmequelle hinsichtlich dieser Ziele vorteilhaft ist, kann beispielsweise durch eine aussentemperaturbezogene Bivalenztemperatur festgelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Vergleich der gemessenen oder auch vorhergesagten Quellentemperaturen zur Entscheidung herangezogen werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch eine prädiktive Auswahl unter Einbeziehung der künftig zu erwartenden Außentemperaturen erfolgen.The second operating mode described above is selected when only one heat pump is active. When selecting the assigned heat source, in the case of different heat sources, the source that is advantageous at the respective operating time can be selected. For example, efficiency can be optimized by maximizing the source temperature. Further selection criteria include, for example, sustainable loading of a geothermal probe while avoiding overloading. Which heat source is advantageous with regard to these goals can be determined, for example, by an outside temperature-related bivalence temperature. Alternatively or additionally, the comparison of the measured or predicted source temperatures can be used to make the decision. In some embodiments of the invention, a predictive selection can also be made taking into account the expected future outside temperatures.

In einem dritten Betriebszustand der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung wird der ersten Wärmequelle Wärme entnommen, welche über die erste Wärmepumpe als Brauchwärme bereitgestellt wird. Weiterhin wird der zweiten Wärmequelle Wärme entnommen, welche über die zweite Wärmepumpe als Brauchwärme bereitgestellt wird. Beim dritten Betriebszustand handelt es sich somit um einen Parallelbetrieb beider Wärmequellen und beider Wärmepumpen. Hierbei wird abgekühltes Wärmeträgerfluid aus dem Sammler 5 mittels der dritten Pumpe 35 entnommen und der ersten Wärmequelle 3 über deren Vorlauf 31 zugeführt. Das erwärmte Wärmeträgerfluid verlässt die erste Wärmequelle 3 über deren Rücklauf 32 und wird dem Verteiler 6 zugeführt, wie vorstehend beschrieben. Aus dem Verteiler entnimmt die erste Pumpe 15 das Wärmeträgerfluid und führt dieses über den Vorlauf 11 der ersten Wärmepumpe 1 zu. Das in der Wärmepumpe 1 abgekühlte Wärmeträgerfluid verlässt die erste Wärmepumpe 1 über den Rücklauf 12 in den Sammler 5.In a third operating state of the heat pump arrangement according to the invention, heat is taken from the first heat source and is provided as useful heat via the first heat pump. Furthermore, heat is taken from the second heat source and is provided as domestic heat via the second heat pump. The third operating state therefore involves parallel operation of both heat sources and both heat pumps. Here, cooled heat transfer fluid is removed from the collector 5 by means of the third pump 35 and fed to the first heat source 3 via its flow 31. The heated heat transfer fluid leaves the first heat source 3 via its return line 32 and is fed to the distributor 6, as described above. The first pump 15 removes the heat transfer fluid from the distributor and supplies it to the first heat pump 1 via the flow 11. The heat transfer fluid cooled in the heat pump 1 leaves the first heat pump 1 via the return line 12 into the collector 5.

In gleicher Weise entnimmt die vierte Pumpe 45 Wärmeträgerfluid aus dem Sammler 5 und führt dieses über den Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle 4 zu. Der solchermaßen erwärmte Wärmeträgerfluid verlässt die zweite Wärmequelle 4 über deren Rücklauf 42 in den Verteiler 6. Die zweite Pumpe 25 entnimmt das Wärmeträgerfluid aus dem Verteiler 6 und führt dieses der zweiten Wärmepumpe 2 über deren Vorlauf 21 zu. Das solchermaßen abgekühlte Wärmeträgerfluid verlässt die zweite Wärmepumpe 2 über deren Rücklauf 22 und wird in den Sammler 5 geleitet.In the same way, the fourth pump 45 removes heat transfer fluid from the collector 5 and supplies it to the second heat source 4 via the flow 41. The heat transfer fluid heated in this way leaves the second heat source 4 via its return line 42 into the distributor 6. The second pump 25 removes the heat transfer fluid from the distributor 6 and supplies it to the second heat pump 2 via its flow 21. The heat transfer fluid cooled in this way leaves the second heat pump 2 via its return line 22 and is passed into the collector 5.

Aufgrund der räumlichen Trennung der Vor- und Rücklaufleitungen an unterschiedlichen Enden des Sammlers 5 und des Verteilers 6 wird eine Durchmischung des Wärmeträgerfluides vermieden. Hierdurch wird hydraulisch eine Wärmequelle einer Wärmepumpe zugeordnet, sodass ein störungsfreier und effizienter Betrieb auch dann möglich ist, wenn beide Wärmequellen eine unterschiedliche Wärmemenge liefern oder auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau arbeiten.Due to the spatial separation of the supply and return lines at different ends of the collector 5 and the distributor 6, mixing of the heat transfer fluid is avoided. This hydraulically assigns a heat source to a heat pump, so that trouble-free and efficient operation is possible even if both heat sources deliver a different amount of heat or work at a different temperature level.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können hierzu die ersten und zweiten Pumpen 15 und 25 mit konstanter Fördermenge bzw. Drehzahl betrieben werden und die den Wärmequellen 3 und 4 zugeordneten dritten und vierten Pumpen 35 und 45 so gesteuert bzw. geregelt werden, dass die Strömung im Verbindungsrohr 7 zum Erliegen kommt. Hierdurch wird eine Durchmischung des auf unterschiedlichem Temperaturniveau befindlichen Wärmeträgerfluids zuverlässig verhindert. Die Steuerung der Pumpen kann hierbei in Abhängigkeit der Quellentemperaturen oder der Stellgröße der Pumpe der zugeordneten Wärmepumpe durch eine Umsetzungstabelle erfolgen. Alternativ können die Pumpen mittels eines an sich bekannten elektronischen Reglers geregelt werden.In some embodiments of the invention, the first and second pumps 15 and 25 can be operated with a constant delivery rate or speed and the third and fourth pumps 35 and 45 assigned to the heat sources 3 and 4 can be controlled or regulated so that the flow in the connecting pipe 7 comes to a standstill. This reliably prevents mixing of the heat transfer fluid that is at different temperature levels. The pumps can be controlled using an implementation table depending on the source temperatures or the manipulated variable of the pump of the assigned heat pump. Alternatively, the pumps can be controlled using a known electronic controller.

Durch die Aufteilung der Wärmequellen auf zwei verschiedene Fluidkreisläufe ist es möglich, dass die Temperaturen der Wärmequellen weit auseinanderliegen, ohne dass eine Wärmequelle hierdurch diskriminiert wird. Wird als zweite Wärmequelle 4 ein Luftwärmeübertrager oder ein Solarkollektor verwendet, so wird verhindert, dass die erste Wärmequelle, beispielsweise eine Erdwärmesonde, durch die gesamte Kälteleistung beider Wärmepumpen belastet wird. Somit kann das Überlastungsrisiko auch bei einer teillastdimensionierten Erdwärmesonde reduziert sein.By dividing the heat sources into two different fluid circuits, it is possible for the temperatures of the heat sources to be far apart without any heat source being discriminated against. If an air heat exchanger or a solar collector is used as the second heat source 4, this prevents the first heat source, for example a geothermal probe, from being burdened by the entire cooling capacity of both heat pumps. This means that the risk of overloading can be reduced even with a partial-load geothermal probe.

In einem vierten Betriebszustand kann eine Wärmepumpe mit beiden Wärmequellen verwendet werden. Somit entnehmen die dritte und die vierte Pumpe 35 und 45 das Wärmeträgerfluid aus dem Sammler 5 und führen dieses der ersten und zweiten Wärmequelle 3 und 4 zu, wie vorstehend beschrieben. Das in der jeweiligen Wärmequelle erwärmte Wärmeträgerfluid strömt über die jeweilige Rücklaufleitung 32 und 42 in den Verteiler 6. Dort kommt es zur Durchmischung des Wärmeträgerfluides unter gleichzeitiger Temperaturanpassung.In a fourth operating state, a heat pump can be used with both heat sources. Thus, the third and fourth pumps 35 and 45 remove the heat transfer fluid from the collector 5 and supply it to the first and second heat sources 3 and 4, as described above. The heat transfer fluid heated in the respective heat source flows via the respective return lines 32 and 42 into the distributor 6. There, the heat transfer fluid is mixed with simultaneous temperature adjustment.

Die erste Pumpe 15 oder die zweite Pumpe 25 entnimmt das Wärmeträgerfluid und führt dies einer Wärmepumpe zu, beispielsweise der zweiten Wärmepumpe 2. Dass dort abgekühlte Wärmeträgerfluid strömt über den Rücklauf der Wärmepumpe in den Sammler 5 zurück.The first pump 15 or the second pump 25 removes the heat transfer fluid and feeds it to a heat pump, for example the second heat pump 2. The heat transfer fluid cooled there flows back into the collector 5 via the return of the heat pump.

Der vierte Betriebszustand kann beispielsweise dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn eine Wärmequelle, beispielsweise ein Luftwärmeübertrager oder ein Solarkollektor, an seinem Rücklauf eine Austrittstemperatur bereitstellt, welche die zulässige Eintrittstemperatur einer Wärmepumpe überschreitet. Durch Zumischen kälteren Wärmeträgerfluids, beispielsweise aus einer Erdwärmesonde, kann die Eintrittstemperatur reduziert werden. Unter typischen Bedingungen kann gleichzeitig eine passive Regeneration einer Erdwärmesonde durch die im Sammler 5 immer noch erhöhte Temperatur erfolgen. In einigen Betriebszuständen kann die Beimischung durch entsprechende Ansteuerung der dritten Pumpe 35 und der vierten Pumpe 45 auf das nötige Maß begrenzt werden, um die Effizienz der Wärmepumpen zu maximieren.The fourth operating state can be used advantageously, for example, when a heat source, for example an air heat exchanger or a solar collector, provides an outlet temperature at its return that exceeds the permissible inlet temperature of a heat pump. The inlet temperature can be reduced by adding colder heat transfer fluid, for example from a geothermal probe. Under typical conditions, a geothermal probe can be passively regenerated at the same time due to the still elevated temperature in the collector 5. In some operating states, the admixture can be limited to the necessary level by appropriately controlling the third pump 35 and the fourth pump 45 in order to maximize the efficiency of the heat pumps.

Sofern beide Wärmequellen eine ähnliche Temperatur aufweisen, beispielsweise mit einer Differenz von weniger als 5 K, kann der vierte Betriebszustand ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden. Sofern beispielsweise ein Luftwärmeübertrager eine vergleichsweise niedrige Quelltemperatur liefert, kann durch Zumischen von wärmeren Wärmeträgerfluid aus einer Erdwärmesonde die Quelltemperatur im Verteiler 6 angehoben werden, ohne die Erdwärmesonden vollständig zu belasten.If both heat sources have a similar temperature, for example with a difference of less than 5 K, the fourth operating state can also be used advantageously. If, for example, an air heat exchanger delivers a comparatively low source temperature, the source temperature in the distributor 6 can be increased by adding warmer heat transfer fluid from a geothermal probe without completely loading the geothermal probes.

In einem fünften Betriebszustand kann ein Luftwärmeübertrager mittels eines elektrischen Heizregisters 405 enteist werden. Hierzu werden das erste und zweite Ventil 47 und 48 so geschaltet, dass die vierte Pumpe 45, das Wärmeträgerfluid zwischen dem Heizregister 405 und der zweiten Wärmequelle 4 zirkulieren kann, ohne dass das Wärmeträgerfluid zwischen dem Sammler 5 und dem Verteiler 6 ausgetauscht wird. Der fünfte Betriebszustand kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn eine Enteisung durch den vorstehend beschriebenen ersten Betriebszustand nicht möglich ist. Durch Umstellung beider Ventile 47 und 48 kann eine Kombination der Betriebszustände 1 und 5 ermöglicht werden, d.h. das Abtauen eines ein Luftwärmeübertragers mittels Wärme aus dem Erdreich und dem Heizregister 405.In a fifth operating state, an air heat exchanger can be de-iced using an electrical heating register 405. For this purpose, the first and second valves 47 and 48 are switched so that the fourth pump 45, the heat transfer fluid can circulate between the heating register 405 and the second heat source 4 without the heat transfer fluid being exchanged between the collector 5 and the distributor 6. The fifth operating state can be used in particular if de-icing is not possible due to the first operating state described above. By changing both valves 47 and 48, a combination of operating states 1 and 5 can be made possible, i.e. the defrosting of an air heat exchanger using heat from the ground and the heating register 405.

In einem sechsten Betriebszustand kann der zweiten Wärmequelle 4 Wärme aus dem elektrischen Heizregister 405 zugeführt werden, während gleichzeitig eine oder beide Wärmepumpen in Betrieb sind, wie vorstehend anhand des zweiten, dritten oder vierten Betriebszustandes beschrieben ist.In a sixth operating state, the second heat source 4 can be supplied with heat from the electrical heating register 405 while at the same time one or both heat pumps are in operation, as described above with reference to the second, third or fourth operating state.

Anhand der 2 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.Based on 2 a second embodiment of the invention is described. The same components of the invention are provided with the same reference numbers, so that the following Description limited to the essential differences.

Wie 2 zeigt, sind der Sammler 5 und der Verteiler 6, durch drei Verbindungsleitungen 701, 702 und 703 und sechs Absperrventile 81, 82, 83, 84, 85 und 86 ersetzt. Durch Ansteuern der Absperrventile können sämtliche vorstehend beschriebenen Betriebszustände realisiert werden.How 2 shows, the collector 5 and the distributor 6 are replaced by three connecting lines 701, 702 and 703 and six shut-off valves 81, 82, 83, 84, 85 and 86. By controlling the shut-off valves, all of the operating states described above can be implemented.

Wie 2 zeigt, ist der Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3 mittels einer Leitung 51 mit dem Rücklauf 12 der ersten Wärmepumpe 1 verbunden. Der Vorlauf 11 der ersten Wärmepumpe 1 ist mittels einer Leitung 61 mit dem Rücklauf 32 in der ersten Wärmequelle 1 verbunden. In der Leitung 61 befindet sich die dritte Pumpe 35. In der Leitung 51 ist ein drittes Absperrventil 83 angeordnet.How 2 shows, the flow 31 of the first heat source 3 is connected to the return 12 of the first heat pump 1 by means of a line 51. The flow 11 of the first heat pump 1 is connected to the return 32 in the first heat source 1 by means of a line 61. The third pump 35 is located in line 61. A third shut-off valve 83 is arranged in line 51.

Der Vorlauf 21 der zweiten Wärmepumpe 2 ist mit dem Rücklauf 42 der zweiten Wärmequelle 4 über eine Leitung 62 verbunden. Darüber hinaus ist der Rücklauf 22 der zweiten Wärmepumpe mit einer Leitung 52 mit dem Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle verbunden. In der Leitung 52 befindet sich die vierte Pumpe 45, welche mit einer parallel verlaufenden Bypassleitung überbrückt werden kann. In der Bypassleitung befindet sich das fünfte Absperrventil 85. In der Leitung 62 befindet sich das vierte Absperrventil 84 sowie das optionale Heizregister 405. Alternativ oder zusätzlich kann die Bypassleitung auch über der Pumpe 35 angeordnet werden. The flow 21 of the second heat pump 2 is connected to the return 42 of the second heat source 4 via a line 62. In addition, the return line 22 of the second heat pump is connected by a line 52 to the flow line 41 of the second heat source. The fourth pump 45 is located in line 52, which can be bridged with a parallel bypass line. The fifth shut-off valve 85 is located in the bypass line. The fourth shut-off valve 84 and the optional heating register 405 are located in the line 62. Alternatively or additionally, the bypass line can also be arranged above the pump 35.

Eine solche Bypassleitung kann bevorzugt über der kleiner dimensionierten Pumpe vorhanden sein, welche der Wärmequelle mit dem geringeren Druckverlust zugeordnet ist.Such a bypass line can preferably be present above the smaller pump, which is assigned to the heat source with the lower pressure loss.

Alternativ oder zusätzlich können die Pumpen 35 und 45 auch den ersten und zweiten Wärmepumpen zugeordnet sein, wie vorstehend in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben. Wesentlich ist lediglich, dass eine Strömung eines Wärmeträgermediums zwischen zuminest einer Quelle 3, 4 und zumindest einer Wärmepumpe 1, 2 erzeugt werden kann.Alternatively or additionally, the pumps 35 and 45 can also be assigned to the first and second heat pumps, as described above in connection with the first embodiment. It is only essential that a flow of a heat transfer medium can be generated between at least one source 3, 4 and at least one heat pump 1, 2.

Die Leitungen 51 und 62 sind durch eine erste Verbindungsleitung 701 verbunden, in welcher ein sechstes Absperrventil 86 angeordnet ist. Die Leitungen 61 und 52 sind mit einer zweiten Verbindungsleitung 702 verbunden, welche mit zwei Absperrventilen 81 und 82 verbunden ist. Die zweite Verbindungsleitung 702 hat darüber hinaus an einer Stelle zwischen beiden Absperrventilen 81 und 82 eine Fluidverbindung zur Leitung 62.The lines 51 and 62 are connected by a first connecting line 701, in which a sixth shut-off valve 86 is arranged. The lines 61 and 52 are connected to a second connecting line 702, which is connected to two shut-off valves 81 and 82. The second connecting line 702 also has a fluid connection to line 62 at a point between the two shut-off valves 81 and 82.

Schließlich sind die Leitungen 51 und 52 durch eine dritte Verbindungsleitung 703 verbunden.Finally, lines 51 and 52 are connected by a third connecting line 703.

Im ersten Betriebszustand, welcher einen Wärmeaustausch zwischen der ersten Wärmequelle 3 und der zweiten Wärmequelle 4 erlaubt, sind das erste Absperrventil 81 und das fünfte Absperrventil 85 geöffnet und die dritte Pumpe 35 wird betrieben. Das Wärmeträgerfluid strömt somit vom Rücklauf 32 der ersten Wärmequelle 3 über die Verbindungsleitung 702 zum Rücklauf 42 der zweiten Wärmequelle 4. Vom Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle strömt das Wärmeträgerfluid durch den Bypass der vierten Pumpe 45 und die Verbindungsleitung 703 zum Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3.In the first operating state, which allows heat exchange between the first heat source 3 and the second heat source 4, the first shut-off valve 81 and the fifth shut-off valve 85 are opened and the third pump 35 is operated. The heat transfer fluid thus flows from the return 32 of the first heat source 3 via the connecting line 702 to the return 42 of the second heat source 4. From the flow 41 of the second heat source, the heat transfer fluid flows through the bypass of the fourth pump 45 and the connecting line 703 to the flow 31 of the first heat source 3 .

Im zweiten Betriebszustand kann entweder Wärme von der ersten Wärmequelle 3 über die Leitungen 61 und 51 der ersten Wärmepumpe 1 zugeführt werden. Alternativ kann Wärme von der zweiten Wärmequelle 4 über die Leitungen 62 und 52 der zweiten Wärmepumpe 2 zugeführt werden. Als weitere Alternative kann Wärme aus der ersten Wärmequelle 3 der zweiten Wärmepumpe 2 zugeführt werden. Hierzu verläuft der Fluidpfad vom Rücklauf 32 der ersten Wärmequelle über die erste Verbindungsleitung 702 in die Leitung 62, das zweite Absperrventil 82 ist hierbei geschlossen. Der Rücklauf 22 führt über die dritte Verbindungsleitung 703 zum Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3. In gleicher Weise kann auch die zweite Wärmequelle 4 mit der ersten Wärmepumpe 1 verbunden werden.In the second operating state, either heat from the first heat source 3 can be supplied to the first heat pump 1 via the lines 61 and 51. Alternatively, heat from the second heat source 4 can be supplied to the second heat pump 2 via the lines 62 and 52. As a further alternative, heat from the first heat source 3 can be supplied to the second heat pump 2. For this purpose, the fluid path runs from the return line 32 of the first heat source via the first connecting line 702 into the line 62; the second shut-off valve 82 is closed. The return 22 leads via the third connecting line 703 to the flow 31 of the first heat source 3. In the same way, the second heat source 4 can also be connected to the first heat pump 1.

Im dritten Betriebszustand sind die Absperrventile 85, 81, 82 und 86 geschlossen und das dritte und vierte Absperrventil 83 und 84 geöffnet. Hierdurch wird ein Parallelbetrieb ermöglicht, bei welchem die erste Wärmepumpe mit der ersten Wärmequelle verbunden ist und die zweite Wärmepumpe mit der zweiten Wärmequelle verbunden ist.In the third operating state, the shut-off valves 85, 81, 82 and 86 are closed and the third and fourth shut-off valves 83 and 84 are opened. This enables parallel operation, in which the first heat pump is connected to the first heat source and the second heat pump is connected to the second heat source.

Im vierten Betriebszustand wird die erste Wärmequelle mit der zweiten Wärmepumpe verbunden, wie vorstehend beschrieben. Zusätzlich wird das Absperrventil 84 geöffnet, sodass auch die zweite Wärmequelle 4 mit der zweiten Wärmepumpe 2 verbunden ist und der vorstehend beschriebene Mischbetrieb ermöglicht wird.In the fourth operating state, the first heat source is connected to the second heat pump, as described above. In addition, the shut-off valve 84 is opened, so that the second heat source 4 is also connected to the second heat pump 2 and the mixed operation described above is made possible.

Im fünften Betriebszustand kann ein Luftwärmeübertrager, welcher beispielsweise als zweite Wärmequelle 4 verwendbar ist, mittels eines optionalen elektrischen Heizregisters 405 enteist werden. Hierzu können die Absperrventile 81 und 84 geschlossen und das Absperrventil 82 geöffnet werden, sodass die vierte Pumpe 45 das Wärmeträgerfluid zwischen dem Heizregister 405 und der Wärmequelle 4 zirkulieren kann.In the fifth operating state, an air heat exchanger, which can be used as a second heat source 4, for example, can be de-iced using an optional electrical heating register 405. For this purpose, the shut-off valves 81 and 84 can be closed and the shut-off valve 82 can be opened so that the fourth pump 45 can circulate the heat transfer fluid between the heating register 405 and the heat source 4.

Anhand der 3 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gleiche Bstandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die Wesentlichen Unterschiede beschränkt. Die dritte Ausführungsform der Wärmepumpenanordnung kann in einigen Ausführungsformen welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.Based on 3 A third embodiment of the invention is described. The same components are given the same reference numerals, so that the following description applies the main differences are limited. The third embodiment of the heat pump arrangement can, in some embodiments, be operated with the method according to the invention.

Wie 3 zeigt, sind im Sammler 5 drei Absperrventile 81, 83 und 84 angeordnet. Das zweite Absperrventil 82 gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform ist durch ein Drei-Wege-Ventil 82 mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss realisiert. Der erste und zweite Anschluss sind mit dem Verteiler 6 und dem Rücklauf 42 der zweiten Wärmequelle 4 verbunden. Der dritte Anschluss ist mit dem Sammler 5 verbunden. In einigen Ausführungsformen kann der dritte Anschluss mit dem Rücklauf 41 verbunden sein, sodass dieser indirekt mit dem Sammler 5 verbunden ist. Durch Ansteuern der Absperrventile 81, 83 und 84 und des Drei-Wege-Ventils 82 können sämtliche vorstehend beschriebenen Betriebszustände realisiert werden. Aufgrund der geringeren Komplexität kann die Steuerung der Wärmepumpenanordnung 9 vereinfacht sein.How 3 shows, three shut-off valves 81, 83 and 84 are arranged in the collector 5. The second shut-off valve 82 according to the second embodiment described above is realized by a three-way valve 82 with a first port and a second port and a third port. The first and second connections are connected to the distributor 6 and the return 42 of the second heat source 4. The third connection is connected to the collector 5. In some embodiments, the third connection may be connected to the return 41 so that it is indirectly connected to the collector 5. By controlling the shut-off valves 81, 83 and 84 and the three-way valve 82, all of the operating states described above can be implemented. Due to the lower complexity, the control of the heat pump arrangement 9 can be simplified.

Im ersten Betriebszustand, welcher einen Wärmeaustausch zwischen der ersten Wärmequelle 3 und der zweiten Wärmequelle 4 erlaubt, ist das erste und fünfte Absperrventil 81 und 85 geöffnet und das Drei-Wege-Ventil 82 ist so geschaltet, dass der erste und der zweite Anschluss miteinander verbunden sind. Das dritte und vierte Absperrventil 83 und 84 ist geschlossen und die dritte Pumpe 35 wird betrieben. Das Wärmeträgerfluid strömt somit vom Rücklauf 32 der ersten Wärmequelle 3 über die Verbindungsleitung 61, den Sammler 6 und die Verbindungsleitung 62 zum Rücklauf 42 der zweiten Wärmequelle 4. Vom Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle strömt das Wärmeträgerfluid durch das fünfte Ventil 85 über die Bypassleitung der vierten Pumpe 45 und die Verbindungsleitung 52, den Sammler 5 und die Verbindungsleitung 51 zum Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3.In the first operating state, which allows heat exchange between the first heat source 3 and the second heat source 4, the first and fifth shut-off valves 81 and 85 are opened and the three-way valve 82 is switched so that the first and second connections are connected to one another are. The third and fourth shut-off valves 83 and 84 are closed and the third pump 35 is operated. The heat transfer fluid thus flows from the return 32 of the first heat source 3 via the connecting line 61, the collector 6 and the connecting line 62 to the return 42 of the second heat source 4. From the flow 41 of the second heat source, the heat transfer fluid flows through the fifth valve 85 via the bypass line of the fourth Pump 45 and the connecting line 52, the collector 5 and the connecting line 51 to the flow 31 of the first heat source 3.

Im zweiten Betriebszustand kann eine Wärmequelle mit einer Wärmepumpe verbunden werden, d.h. entweder wird Wärme von der ersten Wärmequelle 3 über die Leitungen 61 und 51 der ersten Wärmepumpe 1 zugeführt oder alternativ kann Wärme von der zweiten Wärmequelle 4 über die Leitungen 62 und 52 der zweiten Wärmepumpe 2 zugeführt werden. Hierzu verläuft der Fluidpfad vom Rücklauf 32 der ersten Wärmequelle über die Verbindungsleitung 61 in den Sammler 6 und von dort zum Vorlauf 11 der ersten Wärmepumpe 1. Der Rücklauf 12 führt durch das geöffnete dritte Absperrventil 83 durch den Sammler 5 und über die Verbindungsleitung 51 zum Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3. Das erste Absperrventil 81 ist geschlossen In gleicher Weise kann auch die zweite Wärmequelle 4 mit der zweiten Wärmepumpe 2 verbunden werden, indem das vierte Absperrventil 84 geöffnet wird. Das optionale Drei-Wege-Ventil 82 ist so geschaltet, dass der erste und der zweite Anschluss miteinander verbunden sind.In the second operating state, a heat source can be connected to a heat pump, i.e. either heat from the first heat source 3 is supplied to the first heat pump 1 via the lines 61 and 51 or, alternatively, heat can be supplied from the second heat source 4 via the lines 62 and 52 of the second heat pump 2 are supplied. For this purpose, the fluid path runs from the return 32 of the first heat source via the connecting line 61 into the collector 6 and from there to the flow 11 of the first heat pump 1. The return 12 leads through the opened third shut-off valve 83 through the collector 5 and via the connecting line 51 to the flow 31 of the first heat source 3. The first shut-off valve 81 is closed. In the same way, the second heat source 4 can also be connected to the second heat pump 2 by opening the fourth shut-off valve 84. The optional three-way valve 82 is connected so that the first and second ports are connected to each other.

Als weitere Alternative kann Wärme aus der ersten Wärmequelle 3 der zweiten Wärmepumpe 2 zugeführt werden. Hierzu verläuft der Fluidpfad vom Rücklauf 32 der ersten Wärmequelle über die Verbindungsleitung 61 in den Sammler 6 und von dort zum Vorlauf 21 der zweiten Wärmepumpe 2. Der Rücklauf 22 führt durch das geöffnete vierte und erste Absperrventil 84 und 81 durch den Sammler 5 und über die Verbindungsleitung 51 zum Vorlauf 31 der ersten Wärmequelle 3. Das dritte Absperrventil 83 ist dabei geschlossen. In gleicher Weise kann auch die zweite Wärmequelle 4 mit der ersten Wärmepumpe 1 verbunden werden, indem das erste und dritte Absperrventil 81 und 83 geöffnet und das vierte Absperrventil 84 geschlossen wird.As a further alternative, heat from the first heat source 3 can be supplied to the second heat pump 2. For this purpose, the fluid path runs from the return line 32 of the first heat source via the connecting line 61 into the collector 6 and from there to the flow line 21 of the second heat pump 2. The return line 22 leads through the opened fourth and first shut-off valves 84 and 81 through the collector 5 and over the Connecting line 51 to the flow 31 of the first heat source 3. The third shut-off valve 83 is closed. In the same way, the second heat source 4 can also be connected to the first heat pump 1 by opening the first and third shut-off valves 81 and 83 and closing the fourth shut-off valve 84.

Im dritten Betriebszustand ist das erste Absperrventil 81 geschlossen und das dritte und vierte Absperrventil 83 und 84 geöffnet. Hierdurch wird ein Parallelbetrieb ermöglicht, bei welchem die erste Wärmepumpe mit der ersten Wärmequelle verbunden ist und die zweite Wärmepumpe mit der zweiten Wärmequelle verbunden ist.In the third operating state, the first shut-off valve 81 is closed and the third and fourth shut-off valves 83 and 84 are opened. This enables parallel operation, in which the first heat pump is connected to the first heat source and the second heat pump is connected to the second heat source.

Im vierten Betriebszustand wird die erste Wärmequelle 3 mit der zweiten Wärmepumpe 2 verbunden, indem das erste und vierte Absperrventil 81 und 84 geöffnet wird. Durch Schließen des dritten Absperrventils 83 wird eine Durchströmung der ersten Wärmepumpe 1 vermieden. Das optionale Drei-Wege-Ventil 82 ist so geschaltet, dass der erste und der zweite Anschluss miteinander verbunden sind. Sodann werden beide Pumpen 35 und 45 betrieben, sodass der zweiten Wärmepumpe 2 einerseits Wärme aus beiden Wärmequellen 3 und 4 zugeführt wird und andrerseits ein Wärmeaustausch zwischen den beiden Wärmequellen 3 und 4 erfolgt, wie vorstehend in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben. Dieser Mischbetrieb kann durch Umschalten des dritten und vierten Absperrventils 83 und 84 auch mit der ersten Wärmepumpe 1 realisiert werden, wobei eine Durchströmung der zweiten Wärmepumpe vermieden wird.In the fourth operating state, the first heat source 3 is connected to the second heat pump 2 by opening the first and fourth shut-off valves 81 and 84. By closing the third shut-off valve 83, flow through the first heat pump 1 is avoided. The optional three-way valve 82 is connected so that the first and second ports are connected to each other. Both pumps 35 and 45 are then operated, so that the second heat pump 2 is supplied with heat from both heat sources 3 and 4 on the one hand and, on the other hand, heat is exchanged between the two heat sources 3 and 4, as described above in connection with the first embodiment. This mixed operation can also be implemented with the first heat pump 1 by switching the third and fourth shut-off valves 83 and 84, whereby flow through the second heat pump is avoided.

Im fünften Betriebszustand kann ein Luftwärmeübertrager, welcher beispielsweise als zweite Wärmequelle 4 verwendbar ist, mittels eines optionalen elektrischen Heizregisters 405 enteist werden. Hierzu kann das Drei-Wege-Ventil 82 so geschaltet werden, dass der erste und dritte Anschluss miteinander verbunden sind, d.h. das Wärmeträgerfluid strömt vom Rücklauf 42 unmittelbar zum Vorlauf 41 der zweiten Wärmequelle 4. Das Absperrventil 85 ist geschlossen und die vierte Pumpe 45 fördert das Wärmeträgerfluid zwischen dem Heizregister 405 und der Wärmequelle 4.In the fifth operating state, an air heat exchanger, which can be used as a second heat source 4, for example, can be de-iced using an optional electrical heating register 405. For this purpose, the three-way valve 82 can be switched so that the first and third connections are connected to one another, ie the heat transfer fluid flows from the return 42 directly to the flow 41 of the second heat source 4. The shut-off valve 85 is closed and the fourth pump 45 conveys the heat transfer fluid between the heating register 405 and the heat source 4.

Die dritte Ausführungsform erlaubt eine Kombination des fünften und zweiten Betriebszustandes mit beiden Wärmepumpen 1 und 2.The third embodiment allows a combination of the fifth and second operating states with both heat pumps 1 and 2.

Sofern das optionale Drei-Wege-Ventil 82 in einigen Ausführungsformen der Erfindung entfällt, kann die Enteisung unter Durchströmung des Verdampfers 201 der zweiten Wärmepumpe 2 erfolgen. In dieser Ausführungsform kann gleichzeitig der zweite Betriebszustand mit der ersten Wärmepumpe 1 ablaufen.If the optional three-way valve 82 is omitted in some embodiments of the invention, the defrosting can take place with flow through the evaporator 201 of the second heat pump 2. In this embodiment, the second operating state can run with the first heat pump 1 at the same time.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.Of course, the invention is not limited to the embodiments shown. The foregoing description is therefore not to be viewed as limiting but rather as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a stated feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of other features. If the claims and the above description define “first” and “second” embodiments, this designation serves to distinguish two similar embodiments without establishing a ranking.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

T. You et al.: “A new ground-coupled heat pump system integrated with a multi-mode air-source heat compensator to eliminate thermal imbalance in cold regions”, Energy and Buildings 107 (2015) 103 [0002]

Claims

Heat pump arrangement (9) with at least one first heat pump (1) with a flow (11) and a return (12), at least one second heat pump (2) with a flow (21) and a return (22), at least one first heat source ( 3) with a flow (31) and a return (32) and at least one second heat source (4) with a flow (41) and a return (42), characterized in that the heat pump device (9) further comprises a collector (5) and contains a distributor (6), the flow (11, 21) of the first and second heat pumps (1, 2) and the return (32, 42) of the first and second heat sources (3, 4) being connected to the distributor (6). is connected and the return (12, 22) of the first and second heat pumps (1, 2) and the flow (31, 41) of the first and second heat sources (3, 4) are connected to the collector (5) and between the distributor (6) and the collector (5) a connecting pipe (7) is arranged.

Heat pump arrangement according to Claim 1 , further containing a first pump (15), which is set up to convey a heat transfer fluid from the distributor (6) into the first heat pump (1) and / or a second pump (25), which is set up to pump a heat transfer fluid from the distributor (6) into the second heat pump (2) and/or a third pump (35), which is designed to convey a heat transfer fluid from the collector (5) into the first heat source (3) and/or a fourth pump ( 45), which is designed to convey a heat transfer fluid from the collector (5) into the second heat source (4).

Heat pump arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that at least one flow meter (75) is present in the connecting pipe (7) and/or that at least one temperature sensor (71, 72, 73) is present in the connecting pipe (7).

Heat pump arrangement according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the first and second heat sources (3, 4) are designed to extract heat from the outside air and/or from solar radiation and/or from the ground and/or from groundwater and/or from a waste heat stream.

Heat pump arrangement according to one of the Claims 1 until 4 , further comprising a second three-way valve (48) with a first connection and a second connection and a third connection, the first and second connections being connected to the distributor (6) and the return (42) of the second heat source (3) and the third port is connected to the collector (5) and further contains a first three-way valve (47) with a first port and a second port and a third port, the first and second ports being connected to the collector (5) and the flow (41) the second heat source (4) are connected and the third connection is connected to the distributor (6).

Heat pump arrangement according to one of the Claims 2 until 5 , further containing a control or regulating device which is set up to control the first, second, third and fourth pumps so that the flow through the connecting pipe (7) is below a predeterminable limit value.

Heat pump arrangement according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the distributor (6) is formed by a pipe, the flow (11) of the first heat pump (1) and the return (32) of the first heat source (3) being arranged at a first end of the pipe and the Flow (21) of the second heat pump (2) and the return (42) of the second heat source (4) are arranged at a second end of the pipe.

Heat pump arrangement according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the collector (5) is formed by a pipe, the return (12) of the first heat pump (1) being arranged at a first end of the pipe and the return (22) of the second heat pump (2) at a second end of the tube is arranged.

Building with a heat pump arrangement (9) according to one of the Claims 1 until 8th .

Method for operating a heat pump arrangement (9) with at least one first heat pump (1), at least one second heat pump (2), at least one first heat source (3) and at least one second heat source (4), characterized in that in a first operating state one Heat is taken from the heat source (3, 4), which is supplied to the other heat source (4, 3), and in a second operating state, heat is taken from a single heat source (3, 4), which is taken via a single heat pump (1, 2). Useful heat is provided, and in a third operating state, heat is taken from the first heat source (3), which is provided as useable heat via the first heat pump (1), and heat is taken from the second heat source (4), which is taken via the second heat pump (2). is provided as domestic heat.

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the heat is transported between the heat source (3, 4) and the heat pump (1, 2) with a liquid heat transfer fluid, which is transported between the heat sources (3, 4) with at least one pump (15, 25, 35, 45). and the heat pumps (1, 2).

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the first and second pumps (15, 25) assigned to the heat pumps (1, 2) are operated with a constant delivery rate and the third and fourth pumps (35, 45) assigned to the heat sources (3, 4) are controlled or regulated become.

Procedure according to one of the Claims 11 or 12 , characterized in that the flow and return lines (31, 32, 41, 42, 11, 12, 21, 22) of the heat sources (3, 4) and the heat pumps (1, 2) are connected to a collector (5) and a Distributor (6) are connected, and a connecting pipe (7) is arranged between the distributor (6) and the collector (5), the pumps (35, 45) being controlled or regulated so that the flow through the connecting pipe (7 ) is below a predeterminable limit value.

Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized in that the control is carried out by a conversion table or that the regulation is carried out in such a way that the connecting pipe (7) has the mean temperature between the collector (5) and the distributor (6) or that the regulation is carried out in such a way that a flow sensor (75) A flow below a predeterminable limit value is detected in the connecting pipe (7).

Procedure according to one of the Claims 10 until 14 , characterized in that in a fourth operating state, heat is taken from both heat sources (3, 4), which is provided as useful heat via a single heat pump (1, 2).