DE3024097A1

DE3024097A1 - Einrichtung zum erwaermen von wasser mit einer waermepumpe

Info

Publication number: DE3024097A1
Application number: DE19803024097
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.-Ing. Eupen Knabben
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1982-01-21
Also published as: JPS5743179A; DE3024097C2

Description

Philips Patentverwaltung GmbH, ^/ PHD-80/078 Steindamm 94, 2000 Hamburg 1 du

"Einrichtung zum Erwärmen von Wasser mit einer Wärmepumpe"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erwärmen von Wasser mit einer Wärmepumpe, bestehend aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Verdampfer und einem Pufferspeicher für flüssiges Speichermedium, wobei der Verdichter und der Verflüssiger innerhalb des Pufferspeichers und der Verdichter in einem ihn aufnehmenden Gehäuse angeordnet sind.

Die in Wärmepumpen verwendeten Verdichter sind üblicherweise Kolbenverdichter, die infolge der Hin- und Herbewegung ihres Kolbens schwingen. Diese Schwingungen sind bei der bisherigen Bauweise unerwünscht und werden dadurch unterdrückt, daß man den Verdichter in einem Gehäuse federnd lagert 'und damit die Schwingungen innerhalb des Gehäuses abfängt.

Wärmepumpenverdichter mit einer thermischen Leistung in der Größenordnung von 10 kW oder kleiner, die zur Beheizung von Einfamilienhäusern in Betracht kommen, sind in der Regel durch Ein- und Ausschalten steuerbar. Allenfalls verfügen sie über eine zweistufige Drehzahlsteuerung. Wenn nun in wärmeren Jahreszeiten nur geringe Wärmemengen zum Heizen benötigt werden, dann läßt es sich nicht vermeiden, daß die Wärmepumpe häufig an- und ausgeschaltet werden muß. Da nun aber die Lebensdauer einer Wärmepumpe um so kürzer ist, je häufiger das Ein- und Ausschalten erfolgt, wird es angestrebt, durch besondere Maßnahmen die Schalthäufigkeit zu verringern.

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Es sind Pufferspeicher "bekannt, die zwischen die Wärmepumpe und den Heizkreislauf geschaltet werden. Diese Pufferspeicher reduzieren je nach ihrer Wärmekapazität die Zahl der Ein- und Ausschaltungen der Wärmepumpe erheblich. Damit kommt man zu einer längeren Lebensdauer der Wärmepumpe und einer besseren Jahresarbeitszahl.

Die Anbindung einer Wärmepumpe an einen Pufferspeicher hat jedoch den Nachteil, daß der Wärmeübergang zwischen dem im wesentlichen unbewegten oder wenig bewegten Medium im Pufferspeicher und der Oberfläche des Wärmepumpenverflüssigers schlecht ist, da das an der Oberfläche des Verflüssigers erwärmte Medium des Puffer-Speichers nicht rasch gegen kühleres Medium ausgetauscht wird. Infolge des schlechten Wärmeübergangs wird die Leistungszahl der Wärmepumpe beeinträchtigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der der Wärmeübergang zwischen dem Medium im Verflüssiger und dem Medium im Pufferspeicher durch Verbesserung des Kontaktes an der Wand des Verflüssigers verbessert ist.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem flüssigen Medium im Pufferspeicher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdichter und der Verflüssiger starr mit dem Gehäuse verbunden sind und daß diese starre Einheit im Pufferspeicher derart elastisch abgestützt ist, daß sie im Medium des Pufferspeichers schwingfähig ist.

Der Vorteil dieses Aufbaues besteht darin, daß die Schwingungen des Kolbenverdichters nicht im Gehäuse abgefangen werden, sondern vielmehr den Verflüssiger zum Schwingen anregen. Dieses Schwingen führt zu einem innigeren

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Kontakt zwischen der Außenwand des Verflüssigers und dem Medium im Pufferspeicher, weil-das Medium im Pufferspeicher in Bewegung versetzt wird. Dadurch kann das Medium im Pufferspeicher schneller bzw. mit geringerer Temperaturdifferenz zwischen Verflüssiger einerseits und dem ihn kontaktierenden Medium (d. h. mit einer besseren Leistungszahl) erwärmt werden. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß auch der innere Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Innenwand des Verflüssigers verbessert wird, da infolge der Vibration die üblicherweise stattfindende Filmkondensation in die Tropfenkondensation mit ihrem besseren Wärmeübergang übergeht.

Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß alle Wärmeverluste des Verdichters im Pufferspeicher nutzbar gemacht werden.

Bei der Verwendung eines Latentspeichermaterials entfällt darüber hinaus die Anwendung einer mechanischen Homogenisierungsvorrichtung.

Schließlich wird das Betriebsgeräusch des Verdichters durch dessen Installation innerhalb des Pufferspeichers sehr stark gedämpft.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einheit aus Verflüssiger und Verdichter starr mit dem Verdichtergehäuse verbunden und am Boden des Pufferspeichers federnd abgestützt.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Zentraler Teil der Einrichtung ist ein großer Pufferspeicher 1, in dem beispielsweise das Wasser einer Warm-

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wasserheizung gespeichert wird. Der Speicher kann ein Volumen von beispielsweise 1.000 1-haben und ist an seiner Außenseite 3 mit einer guten Wärmedämmung 5 versehen.

In dem Wärmespeicher 1 befindet sich ein hermetisch geschlossenes Gehäuse 7, in dem ein elektrischer Motorverdichter 9 angeordnet ist. Der Motorverdichter 9 ist starr mit dem Gehäuse 7 verbunden. Das Gehäuse 7 kapselt den Motorverdichter hermetisch und wasserdicht ab. Das Gehäuse 7 ist seinerseits über Federn 11 am Boden 13 des Pufferspeichers 1 abgestützt.

Stromabwärts ist der Verdichter an einen Verflüssiger angeschlossen, der sich wendelförmig in den Pufferspeicher 1 erstreckt. Der Verflüssiger, der aus einer Rohrschlange besteht, ist über Stützen 17 starr mit dem Gehäuse 7 verbunden.

Das Kältemittel, das aus dem Verdichter 9 in den Verflüssiger 15 gelangt, wird aus diesem über eine elastische Verbindungsleitung 19 aus dem Pufferspeicher 1 herausgeführt zu einem vorzugsweise thermostatisch geregelten Expansionsventil 21. Von dem Expansionsventil 21 gelangt das Kältemittel dann über eine Rohrleitung 23 zu einem Verdampfer 25. Über diesen Verdampfer wird im vorliegenden Beispiel einer bivalenten Wärmepumpenanlage mittels eines Lüfters 27 Außenluft geblasen. Dabei verdampft das Kältemittel im Verdämpfer und strömt über die Rohrleitung 29 in den Pufferspeicher 1. Die Leitung 29 ist innerhalb des Pufferspeichers 1 wieder über eine elastische Verbindungsleitung 31 mit dem Verdichter 9 verbunden.

Da das Gehäuse 7 des Verdichters 9 zusammen mit dem Ver-

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flüssiger 15 eine starre Einheit bildet, verursacht der Kolben des Verdichters 9 Schwingungen der aus Gehäuse 7, Verdichter 9 und Verflüssiger 15 gebildeten Einheit. Diese Schwingungen können auf das Wasser im Puffer-Speicher 1 übertragen werden, da die Federn 11 ein Schwingen der Einheit zulassen. Der Wärmeübergang zwischen dem Verflüssiger und dem Wasser im Pufferspeicher 1 wird dadurch erhöht. Er kann noch weiter erhöht werden durch das Anbringen von Rippen 33 auf dem Verflüssiger

15. Der dadurch verbesserte Wärmeübergang zwisehen dem Verflüssiger 15 und dem Wasser im Pufferspeicher 1 gestattet einen besseren Wärmeübergang und damit das Arbeiten mit relativ geringen Temperaturdifferenzen zwischen Kältemittel und Wasser im Pufferspeicher.

Heizseitig ist der Pufferspeicher 1 mit einem Wasserauslaßrohr 35 und einem Wassereinführrohr 37 versehen. Diese Rohre können mit Hilfe eines steuerbaren Ventiles 39 verschlossen werden. Bei offenem Ventil 39 strömt das Wasser aus dem Pufferspeicher 1 zunächst durch eine Pumpe 41 und an Ventilen 43, 45 vorbei zu einem Mischventil 47. Entsprechend der Stellung dieses Mischventiles fließt mehr oder weniger Wasser aus dem Pufferspeicher 1 in den Heizkreislauf 49, in. dem sich Heizkörper 51 befinden. Wenn beim Betrieb als bivalente Wärmepumpenanlage die über den Ventilator 27 zugeführte Wärmemenge nicht ausreichend ist, dann wird der Verdichter 9 stillgesetzt, und die Erwärmung des Heizwassers erfolgt nunmehr über einen üblichen Heizkessel 53. Durch Verstellen der Ventile 43 und 45 wird der Leitungszug 55 unterbrochen, und das Wasser aus dem Pufferspeicher 1 fließt nunmehr über die Leitung 35 durch den Kessel 53 zum Mischventil 47 und wieder zurück zum Pufferspeicher.

Der Wärmepumpenver-dichter 9 wird nun wie folgt gesteuert:

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Ein innerhalb des Pufferspeichers 1 befindlicher Thermostat 57 läßt den Wärmepumpenverdichter 9 so lange eingeschaltet, bis eine Solltemperatur T₃₀₁₁ des Wassers im Pufferspeicher um eine Differenz ΔΤ überschritten wird.

Diese Solltemperatur kann abhängig sein von äußeren, die Heizlast des Hauses bestimmenden Größen, wie Außentemperatur und Sonneneinstrahlung. Bei Erreichen der Temperatur T₅₀₁₁ wird der Verdichter abgeschaltet. Er bleibt so lange ausgeschaltet, bis die Temperatur des Puffer-Speichers 1 infolge Leistungsabgabe an Heizkörper 51 wieder unter T-,, abgesunken ist. Je größer die Speicherkapazität ist, um so geringer wird die Zahl der Schaltzyklen des Verdichters 9 sein.

Die Solltemperatur T₁-, innerhalb des Pufferspeichers 1 muß - abhängig von den Leistungsverlusten zwischen dem Pufferspeicher 1 und den Heizkörpern 15 - größer/gleich der Vorlauftemperatur T im Heizkreislauf 49 sein, die zur Abgabe der Heizleistung GU erforderlich ist» Falls die Leistung des Verdichters nicht ausreicht, die Temperatur des Wassers im Pufferspeicher der erforderlichen Vorlauftemperatur anzupassen, wird die herkömmliche Zusatzheizung 53 unterstützend eingeschaltet.

f Soll infolge zu niedriger Außentemperaturen und eines zu hohen Stromverbrauches des Verdichters entsprechend den vorhandenen Bestimmungen der Verdichter ausgeschaltet werden, dann dient die Zusatzheizung 53 allein dem Heizen, wobei der Pufferspeicher 1 weiter als Pufferspeicher auch für die Zusatzheizung dienen kann. Die Anlage arbeitet über den Speicher aber recht träge. Deshalb können im Bedarfsfalle die Ventile 39 geschlossen werden und Vor- und Rücklauf des Kesselwassers über eine KurzSchlußleitung vornehmen.

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Patentansprüche:

Einrichtung zum Erwärmen von Wasser mit einer Wärmepumpe, bestehend aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Verdampfer und einem Pufferspeicher für flüssiges Speichermedium, wobei der Verdichter und der Verflüssiger innerhalb des Pufferspeichers und der Verdichter in einem ihn aufnehmenden Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (9) und der Verflüssiger (15) starr mit dem Gehäuse (7) verbunden sind und daß diese starre Einheit (7, 9, 15) im Medium des Pufferspeichers (1) schwingfähig ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (7, 9, 15 bzw. 7, 9, 25) aus Verflüssiger (15) und Verdichter (7) starr mit dem Verdichtergehäuse (7) verbunden und am Boden (13) des Pufferspeichers (1) federnd abgestützt ist.

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