Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpenanwendungen und insbesondere auf Wärmepumpenanwendungen, die zum Kühlen, zum Heizen oder zu anderen Zwecken einsetzbar sind, bei denen Wärme von einem Niveau zu einem anderen Niveau ge- pumpt werden muss.

Typische Einsatzgebiete von Wärmepumpen bestehen darin, ein zu kühlendes Gebiet zu kühlen und/oder ein zu wärmendes Gebiet zu wärmen. Eine Wärmepumpe, die typischerweise aus einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einer Dros- sei besteht, umfasst zu diesem Zweck eine Verdampferseite einerseits und eine Verflüssigerseite andererseits. Je nach Implementierung ist eine Wärmepumpe mit einem ver- dampferseitigen Wärmetauscher und/oder einem verflüssigerseitigen Wärmetauscher gekoppelt. Wird die Wärmepumpe als Kühlaggregat eingesetzt, so ist das zu kühlende Gebiet die „Nutzseite". Das zu kühlende Gebiet kann beispielsweise ein Innenraum sein, wie z. B. ein Rechnerraum oder ein anderer zu kühlender bzw. zu klimatisierender Raum. Dann ist das zu wärmende Gebiet z. B. die Außenwand eines Gebäudes oder eine Dachoberseite und ein anderes Gebiet, in das die Abwärme gebracht werden soll. Wird die Wärmepum- pe dagegen als Heizung eingesetzt, so ist das zu wärmende Gebiet gewissermaßen die „Nutzseite" und das zu kühlende Gebiet wäre beispielsweise ein Erdreich, ein Grundwasser oder etwas Ähnliches.

Problematisch bei generellen Wärmepumpenanwendungen ist, dass die Konfiguration nicht darauf Rücksicht nimmt, dass die Umgebungstemperatur des zu wärmenden Bereichs, wenn dieser beispielsweise im Freien liegt, stark variiert. So kann es sein, dass im Winter Temperaturen von -20 °C herrschen und dass im Sommer Temperaturen von über 30 °C herrschen. Wenn beispielsweise an eine Anwendung gedacht wird, bei der ein Rechnerraum klimatisiert wird, so würde eigentlich für den Fall, dass die Außentemperatur z. B. im Bereich oder unterhalb der Solltemperatur im zu kühlenden Bereich ist, es ausreichen, den Rechnerraum überhaupt nicht mehr zu klimatisieren, sondern einfach „die Fenster aufzumachen". Dies ist allerdings problematisch, weil Rechnerräume nicht unbedingt Fenster haben, und weil gleichzeitig dann, wenn eine solche Kühlung ins Auge ge- fasst wird, es wieder relativ schwer zu kontrollieren ist, dass sich im Raum eine gleichmäßige Temperatur einstellt. So könnten sich beispielsweise in der Näher der Fenster, falls solche überhaupt vorhanden sind, kalte Zonen bilden, während weit von den Fenstern entfernt bzw. hinter bestimmten Rechner-Racks warme Zonen entstehen, die dann vielleicht doch nicht ausreichend gekühlt sind. Andererseits ist es problematisch, dass bei einer Wärmepumpenkonfiguration die Tatsache nicht ausgenutzt wird, dass die Außentemperaturen stark schwanken können, und oft in Bereichen liegen, bei denen normaler- weise eine Kühlung nicht notwendig ist. Aus diesem Grund wird eine Konfiguration, wie sie generell eingesetzt wird, für die Worst-Case-Situation ausgelegt, also z. B. für einen sehr heißen Sommertag, obgleich ein solcher heißer Sommertag im Mittel zumindest in Deutschland eine große Seltenheit ist und der überwiegende Anteil der Zeit innerhalb eines Jahres Temperaturen hat, bei denen die erforderlichen Kühlleistungen weit unterhalb der angenommenen Worst-Case-Situation sind.

Die DE 10 2012 208 174 B4 zeigt eine Wärmepumpe und ein Verfahren zum Pumpen von Wärme im Freikühlungsmodus. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer mit einem Verdampfereinlass und einem Verdampferauslass, einen Verdichter zum Verdichten von in dem Verdampfer verdampfter Arbeitsflüssigkeit, und einen Verflüssiger zum Verflüssigen von in dem Verdichter verdichteter verdampfter Arbeitsflüssigkeit. Ferner hat der Verflüssiger einen Verflüssigereinlass und einen Verflüssigerauslass. Im Freikühlungsmodus ist der Verdampfereinlass mit einem Rücklauf von einem zu wärmenden Gebiet verbunden. Darüber hinaus ist der Verflüssigereinlass mit einem Rücklauf von einem zu kühlen- den Gebiet verbunden. Ferner ist eine Schaltereinrichtung vorgesehen, um den Verdampfereinlass von dem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet zu trennen und um den Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet mit dem Verdampfereinlass zu verbinden, und um ferner den Verflüssigereinlass von dem Rücklauf des zu kühlenden Gebiets zu trennen und um darüber hinaus den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet mit einem Verflüssi- gereinlass zu verbinden. Damit kann vom Freikühlungsmodus in den normalen Modus und wieder zurück in den Freikühlungsmodus umgeschaltet werden. So wird bereits effizient berücksichtigt, dass Außentemperaturen oftmals in Bereichen sind, die weit unterhalb der Maximaltemperaturen sind, wenn die Wärmepumpe nicht in der klassischen Konfiguration betrieben wird, sondern in der Konfiguration, in der der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet mit dem Verdampfereinlass verbunden ist und der Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet mit dem Verflüssigereinlass verbunden ist. In diesem Freikühlungsmodus wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Rücklauftemperatur vom zu wärmenden Gebiet bereits in die Größenordnung der Temperatur kommt, mit der normalerweise der Verdampfer beschickt wird. Darüber hinaus wird die Tatsache ausge- nutzt, dass der Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet bereits in solchen Temperaturregionen ist, in denen der Verflüssiger der Wärmepumpe beschickt werden kann. Dies führt dazu, dass die Temperaturdifferenz, die die Wärmepumpe zwischen dem Verdampferauslass und dem Verflüssigerauslass leisten muss, im Vergleich zum normalen Modus rapide abnimmt. Da die von einer Wärmepumpe zu leistende Temperaturdifferenz quadratisch in die konsumierte Antriebsleistung für den Verdichter eingeht, führt dies zu einer Effizienzsteigerung der Wärmepumpe im Vergleich zu einer normalen Konfiguration ohne Freikühlungsmodus.

Je nach Anwendung kann es jedoch vorkommen, dass die Flexibilität des Freikühlungs- modus, bei dem tatsächlich die Verflüssigereinlässe/Auslässe umgeschaltet werden und damit sowohl der Verdampferkreislauf als auch der Kondensiererkreislauf flüssigkeitsmäßig hin- und hergeschaltet werden, reduziert ist. Darüber hinaus sind Umschaltungen vom Kondensiererkreislauf mit hohem Druck zum Verdampferkreislauf mit geringem Druck und umgekehrt nötig, die je nach Ausführungsform problematisch sein können.

Die US 4,495,777 offenbart ein Lastverteilungssystem für ein geschlossenes Kühlsystem.

Die US2006/0010893 A1 offenbart ein Kühlsystem mit einer Niedrigkapazitätssteuerung. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine flexiblere Wärmepumpenanordnung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanordnung nach Patentanspruch 1 , eine Wärmepumpenanordnung nach Patentanspruch 26 oder ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanordnung nach Patentanspruch 28 gelöst.

Eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung umfasst ein Wärmepumpengerät und eine Verdampferkreislaufschnittstelle zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit aus dem Wärme- pumpengerät. Die Wärmepumpenanordnung umfasst ferner eine Kondensiererkreislauf- schnittsteile zum Einbringen zu erwärmender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät. Darüber hinaus ist ein steuerbarer Wärmetauscher vorgesehen, um die Verdampferkreislaufschnittstelle und die Kondensiererkreislaufschnittstelle steuerbar zu koppeln. Ferner ist eine Steuerung vorgesehen, um den steuerbaren Wärmetauscher abhängig von einer Verdampferkreis- lauftemperatur in der Verdampferkreislaufschnittstelle oder abhängig von einer Konden- siererkreislauftemperatur in der Kondensiererkreislaufschnittstelle zu steuern. Je nach Implementierung sind ferner ein Verdampferkreislauftemperatursensor zum Erfassen der Verdampferkreislauftemperatur oder ein Kondensiererkreislauftemperatursensor zum Erfassen der Kondensiererkreislauftemperatur oder beide Sensoren vorhanden. Im letzten Fall ist die Steuerung vorzugsweise ausgebildet, um basierend auf einer Differenz der Verdampferkreislauftemperatur und der Kondensiererkreislauftemperatur oder basierend auf einem Vergleich der Temperaturen den steuerbaren Wärmetauscher zu steuern, um gewissermaßen die Ausgangsseite, also den Kondensiererkreislauf und die Eingangsseite, also den Verdampferkreislauf steuerbar zu koppeln. Erfindungsgemäß wird jedoch keine flüssigkeitsmäßige Kopplung der Kondensiererkreislaufschnittstelle und der Verdampferkreislaufschnittstelle vorgenommen. Stattdessen wird lediglich eine thermische Kopplung der Ausgangsseite und der Eingangsseite vorgenommen und zwar über den Wärmetauscher, dahin gehend, dass die Arbeitsflüssigkeit in der Kondensiererkreislauf- schnittstelle zwar thermisch mit der Arbeitsflüssigkeit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist, jedoch nicht direkt flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist.

Damit wird sichergestellt, dass Steuerelemente, die im steuerbaren Wärmetauscher vorzugsweise zusätzlich zu einem üblichen Wärmetauscher mit zwei getrennten Flüssigkeitswegen vorhanden sind, immer nur im selben Druckgebiet schalten müssen, also im- mer nur in der Kondensiererkreislaufschnittstelle oder der Verdampferkreislaufschnittstelle wirken, jedoch keinen flüssigkeitsmäßigen Kurzschluss zwischen den beiden Schnittstellen herstellen.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Steuerelement ausgebildet, um abhängig von einer Einstellung des Steuerelements einen Durchfluss durch einen der Wege zu bewirken, zu reduzieren oder zu unterdrücken. Im Falle des Bewirkens des Durchflusses oder des Unterdrückens des Durchflusses ist das Steuerelement als Zwei-Wege- Steuerelement ausgebildet, das einen eingeschalteten und einen ausgeschalteten Zustand hat. Im Falle des Reduzierens des Durchflusses durch einen der beiden Wege ist das Steuerelement vorzugsweise als Mischer ausgebildet, um je nach Implementierung einen Teil über den steuerbaren Wärmetauscher zu leiten und einen anderen Teil der Arbeitsflüssigkeit an dem steuerbaren Wärmetauscher vorbeizuleiten.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der steuerbare Wärmetauscher eine Wärmetau- schereinheit mit Anschlüssen und zwei flüssigkeitsmäßig getrennten Wegen und wenigstens ein Steuerelement, wobei wenigstens ein Anschluss der Wärmetauschereinheit mit wenigstens einem Anschluss des wenigstens einen Steuerelements gekoppelt ist, um abhängig von einer Einstellung des Steuerelements einen Durchfluss durch einen der Wege der Wärmetauschereinheit zu bewirken, zu reduzieren oder zu unterbinden. Ferner ist das wenigstens eine Steuerelement als Zwei-Wege-Schalter oder als Mischer ausgebildet ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das wenigstens eine Steuerelement als passiver Zwei-Wege-Schalter ausgebildet, um abhängig von der Einstellung des passiven Zwei-Wege-Schalters den Durchfluss durch einen der Wege der Wärmetauschereinheit zu bewirken oder zu unterbinden, oder als passiver Mischer ausgebildet ist, um abhängig von der Einstellung des Mischers den Durchfluss durch einen der Wege der Wärmetauschereinheit zu reduzieren. Passiv bedeutet hier, dass in dem Zwei-Wege-Schalter bzw. in dem Mischer keine eigene Pumpe enthalten ist. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind in den passiven Elementen ferner auch keine Ventile enthalten.

Vorzugsweise wird der steuerbare Wärmetauscher so eingebaut, dass ein Weg des steuerbaren Wärmetauschers unabhängig von der Steuerung durchgehend durchflössen ist und dass der andere Weg an- oder abschaltbar oder im Falle der Verwendung eines Mi- schers drosselbar bezüglich eines Ein-Zustandes ist. Je nach Implementierung wird aufgrund der Tatsache, dass der steuerbare Wärmetauscher immer von wenigstens einer Seite durchflössen wird, eine zu kühlende Leistungselektronik auf dem steuerbaren Wärmetauscher oder in zumindest thermischem Wirkungskontakt angeordnet. Vorzugsweise ist bei dieser Implementierung, bei der der steuerbare Wärmetauscher gleichzeitig als Wärmesenke, also als Kühlung für nötige Elektronikteile, wie beispielsweise für einen Frequenzumrichter des Verdichtermotors eingesetzt wird, so gekoppelt, dass die Konden- siererkreislaufschnittstelle einen Weg des steuerbaren Wärmetauschers durchgehend durchfließt. Damit wird die Abwärme der Elektronikkomponenten direkt in die typischerweise für die Wärmepumpenanordnung vorgesehene Wärmeabgabeeinrichtung, wie bei- spielsweise einen Rückkühler auf dem Dach oder an einer Schattenseite des Gebäudes transportiert, selbst wenn die freie Kühlung nicht aktiviert ist und der andere Weg der Wärmetauschereinheit nicht durchflössen wird.

Die vorliegende Erfindung ist dahin gehend vorteilhaft, dass die Eingangsseite und die Ausgangsseite, also der Verdampferkreislauf und der Kondensiererkreislauf zwar durch den steuerbaren Wärmetauscher thermisch koppelbar sind, jedoch nicht flüssigkeitsmäßig gekoppelt werden. Damit wird erreicht, dass unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten im Kondensiererkreislauf einerseits und im Verdampferkreislauf andererseits eingesetzt werden können. Darüber hinaus sind die Anforderungen an das Steuerelement des steuerbaren Wärmetauschers reduziert im Vergleich zu einer Schaltung von Flüssigkeiten bezüglich der Eingangsseite und der Ausgangsseite, weil immer die gleichen Drücke vorhanden sind und die Druckdifferenz von der Eingangsseite der Wärmepumpenanordnung, also des Verdampferkreislaufs und der Ausgangsseite der Wärmepumpenanordnung, also des Kondensiererkreislaufs nicht an ein und dasselbe Schalterelement gelangen können.

Darüber hinaus liefert die Kopplung der beiden Schnittstellen mit dem steuerbaren Wärmetauscher eine weitere Flexibilität dahin gehend, dass nicht nur ein Freikühlungsmodus implementierbar ist, bei dem die rückfließende Arbeitsflüssigkeit vom Rückkühler eingesetzt wird, um die zu kühlende Flüssigkeit direkt zu kühlen, sondern dass umgekehrt auch ein gesteuerter Kurzschluss der Wärmepumpenanordnung erreicht werden kann, welcher dann von Nutzen sein kann, wenn ohne die Wärmepumpe ein zu starkes Takten mit Ein- und Ausschaltereignissen stattfinden würde. Eine solche Situation kann beispielsweise auftreten, wenn die Anlage im Teillastbetrieb ist. Wird bei einer geringen Kälteleistung eine hohe Drucksteigerung von der Anlage gefordert, was zum Beispiel bei einer Teilleis- tung im Rechenzentrum und bei hohen Umwelttemperaturen der Fall sein kann, so würde das einen zu großen Volumenstrom und damit einen zu großen Massestrom hervorrufen. Dies würde zu einem Takten der Wärmepumpenanordnung mit abwechselnden An-Aus- An-Zuständen führen. Durch Implementieren des steuerbaren Wärmetauschers mittels eines steuerbaren Mischers kann nun ein regelbarer Leistungskurzschluss zwischen Kalt- und Kühlwasser geschaffen werden, der das Teillastverhalten verbessert und ein Takten effektiv verhindert.

Die Wärmepumpenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung hat also zum einen eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Verbindung unterschiedlicher Flüssigkeiten im Konden- siererkreislauf einerseits und Verdampferkreislauf andererseits. Darüber hinaus ermöglicht die thermische Kopplung statt der tatsächlichen flüssigkeitsmäßigen Kopplung der beiden Seiten eine Verwendung einfacherer und preisgünstigerer Steuerelemente. Schließlich kann durch die thermische Kopplung nicht nur ein Freikühlungsmodus für eine Effizienzsteigerung der Wärmepumpe eingesetzt werden, sondern es kann gleichzeitig auch ein steuerbarer Leistungskurzschluss eingesetzt werden, um das Teillastverhalten der Anlage zu verbessern oder aber andere Modi der Anlage, wie beispielsweise Service- Modi zu implementieren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Wärmepumpenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a eine Wärmepumpenanordnung mit einem Zwei-Wege-Schalter, der mit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist;

Fig. 2b eine Implementierung ähnlich der Implementierung von Fig. 2a, jedoch mit aktiviertem Wärmetauscherdurchfluss;

Fig. 2c eine ähnliche Implementierung wie in Fig. 2b, jedoch mit ausgeschaltetem Verdichter;

Fig. 3a eine Implementierung der Wärmepumpenanordnung mit einem Zwei-Wege- Schalter, der mit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist und einen aktivierten Durchfluss durch den Wärmetauscher zeigt;

Fig. 3b eine Implementierung ähnlich zu Fig. 3a, jedoch mit deaktiviertem Durchfluss durch den Wärmetauscher;

Fig. 4a eine Implementierung der Wärmepumpenanordnung mit einem Steuerelement, das mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle gekoppelt ist und einen aktivierten Durchfluss durch den steuerbaren Wärmetauscher zeigt;

Fig. 4b eine Implementierung ähnlich Fig. 4a, jedoch mit deaktiviertem Durchfluss durch den Wärmetauscher zum Koppeln der Verdampferkreislaufschnittstelle und der Kondensiererkreislaufschnittstelle; Fig. 5a ein Ausführungsbeispiele der Wärmepumpenanordnung mit einem Zwei-Wege- Schalter, der mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle gekoppelt ist und einen aktivierten Durchfluss durch den Wärmetauscher zeigt;

Fig. 5b eine Wärmepumpenanordnung ähnlich Fig. 5a, jedoch mit deaktiviertem Durchfluss durch den steuerbaren Wärmetauscher, also in einem Modus, der nicht der Freikühiungsmodus ist; Fig. 6 eine schematische Darstellung des steuerbaren Wärmetauschers als steuerbarer Mischer gekoppelt mit einem Zwei-Wege-Wärmetauscher;

Fig. 7 eine tabellarische Übersicht über verschiedene Modi der Wärmepumpenanordnung; und

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Wärmepumpengeräts mit zugeordnetem steuerbaren Wärmetauscher als Kühlung für die Steuerelektronik.

Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpenanordnung mit einem Wärmepumpengerät 100. Das Wärmepumpengerät 100 umfasst ferner eine Verdampferkreislaufschnittstelle 200 zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit 230 in das Wärmepumpengerät 100 und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit 220 aus dem Wärmepumpengerät 100. Das Wärmepumpengerät 100 umfasst ferner eine Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 zum Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit 330 in das Wärmepumpengerät 100 und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit 320 aus dem Wärmepumpengerät 100. Darüber hinaus ist ein steuerbarer Wärmetauscher 700 vorgesehen, um die Verdampferkreislaufschnittstelle 200 und die Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 steuerbar zu koppeln. Bei bestimmten Implementierungen ist ferner ein Verdampferkreislauftemperatursensor 210 (VTS) zum Erfassen einer Verdampferkreislauftemperatur vorgesehen. Darüber hinaus ist auch ein Kondensiererkreislauftemperatursensor 310 (KTS) vorgesehen, um eine Kon- densiererkreislauftemperatur zu erfassen. Darüber hinaus ist die Wärmepumpenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Steuerung 400 zum Steuern des steuerbaren Wärmetauschers 700 versehen, wobei diese Steuerung abhängig von der Verdampferkreislauftemperatur, die auch als TWK bezeichnet wird, oder abhängig von der Kondensiererkreislauftemperatur, die auch als TWW bezeichnet wird, arbeitet. Die Steuerung kann entweder unter Verwendung lediglich einer einzigen Temperatur, also entweder der Kondensiererkreislauftemperaiur TWW oder der Verdampferkreislauftemperatur TWK arbeiten. Es wird jedoch bevorzugt, dass beide Temperaturen eingesetzt werden, dass also zwei verschiedene Temperatursensoren vorhanden sind, um basierend auf einem Vergleich bzw. basierend auf einer Differenz der beiden Temperaturen den steuerbaren Wärmetauscher über die Steuerleitung 410 anzusteuern.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des steuerbaren Wärmetauschers, der zum einen eine Wärmetauschereinheit 710 und zum anderen ein Steuerelement zeigt, das in Fig. 6 mit 760 bezeichnet ist, das jedoch in den Fig. 2a bis 5b mit 720, 730, 740, 750 be- zeichnet ist. So umfasst die Wärmetauschereinheit vier Eingänge 71 1 , 712, 713, 714, wobei die Eingänge 71 1 , 712 einen ersten Weg durch die Wärmetauschereinheit 710 definieren, und wobei die Eingänge 713, 714 bzw. Anschlüsse 713, 714 einen zweiten Weg durch die Wärmetauschereinheit 710 definieren. Die beiden Wege, also der erste Weg und der zweite Weg sind thermisch gekoppelt, wie es für Wärmetauscher üblich ist, sind jedoch flüssigkeitsmäßig voneinander getrennt, so dass keine Flüssigkeit in der Wärmetauschereinheit von dem ersten Weg in den zweiten Weg übergehen kann, wenn die Wärmetauschereinheit voll funktionsfähig ist. Jeder der Anschlüsse 71 1 , 712, 713, 714 kann ein Eingang sein, wobei dann der jeweils andere Anschluss des Weges einen Ausgang darstellt, wobei die Eigenschaft eines Anschlusses, ob er ein Eingang oder ein Aus- gang ist, durch die Flussrichtung der durchfließenden Arbeitsflüssigkeit festlegbar ist. Der Anschluss, über den die Arbeitsflüssigkeit in einen Weg der Wärmetauschereinheit 710 hineinfließt, ist der Eingang und der Anschluss, aus dem die Flüssigkeit herausfließt, ist der Ausgang. Je nach Implementierung umfasst der steuerbare Wärmetauscher somit eine Wärmetauschereinheit mit vier Anschlüssen und zwei flüssigkeitsmäßig getrennten Wegen, wobei wenigstens ein Anschluss mit einem Steuerelement, wie beispielsweise einem Zwei- Wege-Steuerelement gekoppelt ist und abhängig von einer Einstellung des Steuerelements ein Durchfluss durch einen der Wege bewirkt wird, reduziert wird oder unterdrückt wird.

So ist das Steuerelement, wie beispielsweise 720, 730, 740, 750, 760 ausgebildet, um einen Durchfluss durch einen Weg zu bewirken, wenn die Kondensiererkreislauftempera- tur in einem vorbestimmten Verhältnis zur Verdampferkreislauftemperatur ist oder kleiner ist als ein vorbestimmter Kondensiererkreislaufschwellenwert. Je nach Implementierung ist der steuerbare Wärmetauscher 700 so ausgebildet, dass ein Weg des steuerbaren Wärmetauschers unabhängig von der Steuerung durchgehend durchflössen wird und ein anderer Weg des steuerbaren Wärmetauschers durch die Steuerung an- oder abschaltbar oder drosselbar bezüglich eines Ein-Zustandes ist.

Je nach Implementierung, wie es nachfolgend dargelegt wird, umfasst der steuerbare Wärmetauscher 700 eine Wärmetauschereinheit, nämlich die Wärmetauschereinheit 710 von Fig. 6 beispielsweise und den Fig. 2a bis 5b. Dabei ist das Steuerelement des steuerbaren Wärmetauschers, nämlich z. B. das Element 720 bis 760 mit einem ersten Weg des Wärmetauscherelements flüssigkeitsmäßig gekoppelt, wobei ferner das Steuerelement ferner mit der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 flüssigkeitsmäßig gekoppelt ist.

Darüber hinaus ist die Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 mit einem zweite Weg des Wärmetauscherelements gekoppelt, so dass die zu erwärmende Flüssigkeit aus dem zweiten Weg austritt und die erwärmte Flüssigkeit nach Abkühlung in einer Wärmesenke in den zweiten Weg eintritt.

Eine entsprechende Implementierung, bei der das steuerbare Element mit dem ersten Weg der Wärmetauschereinheit 710 gekoppelt ist, ist in den Fig. 2a, 2b, 2c, 3a, 3b darge- stellt.

Hier zeigt Fig. 2a eine bevorzugte Ausführungsform der Wärmepumpenanordnung, bei der das Wärmepumpengerät 100 mit der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 gekoppelt ist, wie es durch die Leitungen 220, 230 in Fig. 2a dargestellt ist. Die Verdampferkreis- laufschnittstelle 200 umfasst ferner eine Verdampferpumpe PV, die ausgebildet ist, um von dem Wärmepumpengerät 100 ausgegebene gekühlte Flüssigkeit in ein zu kühlendes Gebiet 600, das beispielsweise ein Rechenzentrum ist, zu pumpen. Diese Flüssigkeit hat bei dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel eine Temperatur von 16 °C und wird durch das zu kühlende Gebiet 600 z. B. auf eine Temperatur von 22 °C aufgewärmt, wie es durch den Verdampfertemperatursensor 210 gezeigt ist, der die Temperatur TWK ermittelt. Hierauf tritt die erwärmte Flüssigkeit in das Steuerelement 720 ein, das zusammen mit dem Wärmetauscher 710 den steuerbaren Wärmetauscher 700 bildet. Bei dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Freikühlung nicht aktiviert. Stattdessen wird die zu kühlende Flüssigkeit in der Leitung 230 an dem Wärmetauscher 710 vorbei in das Wärmepumpen- gerät 100 eingebracht. Dies ist der Fall, weil die von einem zu wärmenden Gebiet, nämlich beispielsweise dem Rückkühler 500, der eine Abwärme z. B. auf einem Dach eines Gebäudes oder auf einer Schattenseite eines Gebäudes liefert, höher ist. Hier beträgt die Temperatur nach der Rückkühlung noch bei dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiel 26 °C, wie es durch den Kondensiererkreislauftemperatursensor 310 gemessen wird, der das Temperatursignal TWW ausgibt. Da die Temperatur des rückgekühlten Ar- beitsmediums 26 °C beträgt, also oberhalb der von dem zu kühlenden Gebiet zurückgelieferten Flüssigkeit-Temperaturniveau von 22 °C liegt, würde ein Freikühlungsmodus keinen Vorteil bringen. Stattdessen wird der Freikühlungsmodus deaktiviert, dahin gehend, dass der erste Weg der Wärmetauschereinheit 710 nicht mit Flüssigkeit beschickt wird, wie es durch die in Fig. 2a gezeigte Stellung des Zwei-Wege-Schalters als Beispiel für ein Steue- relement dargestellt ist.

Es sei ferner noch darauf hingewiesen, dass auch die Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 in Fig. 2a eine Pumpe 340 aufweist, die ausgebildet ist, um die erwärmte Flüssigkeit 320, die beispielsweise eine Temperatur von 32 °C hat, zum Rückkühler 500 bzw. in das zu wärmende Gebiet zu bringen.

Fig. 2b zeigt wieder die Implementierung von Fig. 2a, wobei nun jedoch das Steuerelement 720 umgeschaltet ist, nämlich in den Freikühlungsmodus bzw. den Modus„freie Kühlung Plus", da nunmehr die Temperatur am Ausgang des Rückkühlers, wie sie durch den Temperatursensor 310 gemessen wird, 18 °C beträgt, also kleiner ist als die Temperatur, die vom Rechenzentrum zurückgeliefert wird. Daher wird nunmehr der Zwei-Wege- Schalter in Fig. 2b so geschaltet, dass der erste Weg des Wärmetauscherelements 710 mit der Flüssigkeit versehen wird, so dass eine Wärmetauscherwirkung in der Wärmetauschereinheit 710 stattfindet. Es wird, wie es beispielsweise in Fig. 2b dargestellt ist, die Temperatur der Flüssigkeit, die aus dem zu kühlenden Gebiet kommt, von 22 °C auf 19 °C abgekühlt. Damit muss das Wärmepumpengerät 100 wesentlich weniger leisten als im Vergleichsbeispiel von Fig. 2a. Die kühlere Außentemperatur (die Luft hat in Fig. 2b lediglich eine Temperatur von 13 °C) wurde also effektiv dazu genutzt, die von dem Wärmepumpengerät 100 geforderte Leistung zu reduzieren.

Das Steuerelement 720 ist bei dem in Fig. 2b gezeigten Ausführungsbeispiel als Zwei- Wege-Schalter ausgebildet, der einen Eingang und zwei Ausgänge aufweist. Ferner ist der eine Eingang des Zwei-Wege-Schalters mit einem Ausgang von dem zu kühlenden Gebiet, also beispielsweise dem Rechenzentrum 600 verbunden. Dieser Ausgang wird typischerweise ebenfalls durch die Verdampferkreislaufschnittstelle 200, wie sie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, bereitgestellt, und zwar durch den Eingang 201 der Verdampfer- kreislaufschnittstelle 200 von Fig. 1 . Dagegen ist der Ausgang von der Verdampferkreislaufschnittstelle in das zu kühlende Gebiet mit 202 bezeichnet. Außerdem ist der Ausgang der Pumpe 240 mit dem Ausgang 202 der Verdampferkreislaufschnittstelle zum zu kühlenden Gebiet hin verbunden. Darüber hinaus ist der erste Ausgang des Steuerelements 720 entweder mit dem ersten Eingang des ersten Weges der Wärmetauschereinheit 710 koppelbar, wie es in Fig. 2b gezeigt ist, um den Freikühlungsmodus zu erreichen, oder mit dem Eingang 230 des Wärmepumpengeräts für zu kühlende Flüssigkeit.

Darüber hinaus ist der zweite Weg der Wärmetauschereinheit ebenfalls über eine weitere Verbindungsleitung 235 mit dem Eingang 230 des Wärmepumpengeräts 100 für zu kühlende Flüssigkeit verbunden.

Fig. 2c zeigt einen weiteren Betriebsmodus, bei dem die Freikühlung aufgrund der kalten Außentemperatur von beispielsweise 10 °C so leistungsfähig ist, dass das gesamte Re- chenzentrum ohne Aktivitäten des Verdichters im Wärmepumpengerät 100 erreicht werden kann. Daher wird die Stellung des Steuerelements 720 in Fig. 2c so wie in Fig. 2b gewählt. Darüber hinaus wird jedoch nunmehr der Verdichter abgeschaltet. Sinkt die Außentemperatur weiter, so kann darüber hinaus die Pumpe PK 340 gedrosselt werden, damit die vom Kunden geforderte Minimaltemperatur von beispielsweise 16 °C am Aus- gang der Pumpe PV eingehalten wird. Dies bedeutet, dass bei dem in Fig. 2c gezeigten Ausführungsbeispiel der Verdichter des Wärmepumpengeräts 100 zwar ausgeschaltet ist, jedoch der verdampferseitige Eingang des Wärmepumpengeräts 100 derart flüssigkeitsmäßig angeschlossen ist, dass die zu kühlende Flüssigkeit auf der Leitung 230 und die gekühlte Flüssigkeit auf der Leitung 220 dieselbe Temperatur haben, nämlich beispiels- weise die Temperatur von 16 °C.

Fig. 3a zeigt eine alternative Implementierung des steuerbaren Wärmetauschers mit der Wärmetauschereinheit 710 und dem Steuerelement 730. Nunmehr ist der erste Eingang des ersten Weges der Wärmetauschereinheit 710 fest mit dem Anschluss 201 der Ver- dampferkreislaufschnittstelle 200 verbunden, und zwar über eine Verbindungsleitung 236. Darüber hinaus hat das Steuerelement 730, das ebenfalls noch lediglich mit der Verdampferkreislaufschnittstelle gekoppelt ist, nunmehr zwei Eingänge und einen Ausgang. Der erste Eingang ist bei dem in Fig. 3a gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem eine Freikühlung aktiv ist, nicht mit der Leitung für die zu kühlende Flüssigkeit 230 gekoppelt, wie es durch die gepunktete Linie innerhalb des Zwei-Wege-Schalters 730 gezeigt ist. Stattdessen ist der zweite Eingang des Steuerelements mit dem Ausgang des ersten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden, derart, dass die Wärmetauschereinheit 710 von der zu kühlenden Flüssigkeit durchgehend durchflössen wird. Damit wird erreicht, dass die Temperatur von beispielsweise 22 °C in Fig. 3a auf 20 °C reduziert wird, so dass die Freikühlung aufgrund der relativen kühlen Außentemperatur im Bereich von 14 °C Lufttemperatur dem Wärmepumpengerät 100 bereits eine gewisse Menge an„Arbeit" abgenommen wird, da nunmehr lediglich noch die Flüssigkeit von 20 °C auf 16 °C gekühlt werden muss, jedoch nicht mehr von 22 °C auf 16 °C. Das Steuerelement 730 ist in Fig. 3b in seiner anderen Stellung gezeigt. Hier wird der Wärmetauscher 710 zwar wieder durchgehend von der Kondensierer-Seite, als vom Kondensiererkreisiauf durchflössen. Auf Verdampferkreislauf-Seite wird nunmehr jedoch kein Flüssigkeitsstrom durch den ersten Weg der Wärmetauschereinheit 710 ermöglicht, weil der Ausgang nicht mehr, wie in Fig. 3a, mit dem zweiten Eingang, sondern nunmehr mit dem ersten Eingang gekoppelt ist. Wie es in Fig. 3a gezeigt ist, findet die Steuerung des Steuerelements 730, also welcher Eingang mit dem einen Ausgang verbunden ist, durch Vergleich der beiden Temperaturen TWK und TWW statt. Ist TWK größer als TWW, wie es durch die Steuerung 400 von Fig. 1 ermittelt wird, so wird die Freikühlung aktiviert, während dann, wie in Fig. 3b gezeigt, die Freikühlung deaktiviert wird, wenn TWK kleiner als TWW ist, wenn also die Rücklauftem- peratur vom zu kühlenden Gebiet am Anschluss 201 der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 kleiner ist als die zurückgeführte und rückgekühlte Flüssigkeit im Kondensiererkreislauf am Ausgang des zu wärmenden Gebiets 500, das in Fig. 3b als„Rückkühler Abwärme-Dach" bezeichnet wird. Während die Fig. 2a, 2b, 2c, 3a, 3b eine Anordnung des Steuerelements 720, 730 in Verbindung mit der Verdampferkreislaufschnittstelle zeigen, während die Kondensiererkreis- laufschnittstelle fest mit der Wärmetauschereinheit 710 gekoppelt ist, zeigen die nachfolgend dargelegten Fig. 4a, 4b, 5a, 5b eine Anordnung des Steuerelements in Kopplung mit der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300, wobei hier wiederum die Verdampferkreislauf- schnittsteile 200 fest mit der Wärmetauschereinheit 710 gekoppelt ist, so dass die Wärmetauschereinheit 710 durchgehend von dem Rücklauf des Rechenzentrums, also des zu kühlenden Gebiets 600 durchflössen wird.

So ist bei dem in Fig. 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Weg der Wär- metauschereinheit 710 durchgehend mit der Verdampferkreislaufschnittstelle 200 gekoppelt, während der zweite Weg, und dabei der Eingang des zweiten Weges der Wärmetau- schereinheit 710 mit dem Steuerelement gekoppelt ist, und zwar mit einem ersten Ausgang des Steuerelements, das einen Eingang und zwei Ausgänge aufweist. Bei dem in Fig. 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Temperatur TWK größer als die Temperatur TWW, so dass die Freikühlung aktiviert ist. Daher ist der erste Ausgang des Steuerele- ments mit dem Eingang gekoppelt, und die zu erwärmende Flüssigkeit fließt durch den Wärmetauscher 710, um von beispielsweise 17 °C bei dem in Fig. 4a gezeigten Beispiel auf 21 °C aufgewärmt zu werden, wodurch gleichzeitig die in das Wärmepumpengerät eingespeiste zu kühlende Flüssigkeit auf der Leitung 230 von 22 °C auf 18 °C abgekühlt wird. Hierauf wird die erwärmte Flüssigkeit am Ausgang des zweiten Weges der Wärme- tauschereinheit 710 über die Leitung 330 in das Wärmepumpengerät 100 eingespeist und dort z. B. auf lediglich 23 °C erwärmt, wobei an der Leitung 320 die erwärmte Flüssigkeit ausgegeben wird, und zwar aus dem Wärmepumpengerät, hinein in die Kondensierer- kreislaufschnittsteile und dort in die Pumpe 340, die schließlich die Flüssigkeit zum Rückkühler bzw. zum zu wärmenden Gebiet 500 liefert, wo an die Luft derart viel Energie ab- gegeben wird, dass am Ausgang des Rückkühlers eine Flüssigkeit mit einer Temperatur von beispielsweise 17 °C vorliegt.

Wird dagegen festgestellt, dass die Verdampferkreislauftemperatur TWK kleiner als die Kondensiererkreislauftemperatur TWW ist, wie es durch die Sensoren 310 bzw. 210 er- mitte It wird, so wird das Steuerelement umgeschaltet, und zwar in die Position von Fig. 4b, in der die freie Kühlung deaktiviert ist und der zweite Weg der Wärmetauschereinheit 710 nicht mehr mit zu erwärmender Flüssigkeit 330 durchströmt wird. Stattdessen wird die zu erwärmende Flüssigkeit an der Wärmetauschereinheit 710 vorbei in das Wärmepumpengerät 100 eingespeist. So ist der Ausgang 302 der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 mit dem Rückkühler bzw. mit dem zu wärmenden Gebiet 500 verbunden. Darüber hinaus ist der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet mit einem Eingang 303 der Kon- densiererkreislaufschnittstelle verbunden. Der Kondensiererkreislauftemperatursensor 310 ist ausgebildet, um die Temperatur der Flüssigkeit in dem Anschluss 303 zu messen. Der Eingang des Steuerelements ist unabhängig von der Position des Temperatursensors 310 mit dem Eingang 303 der Kondensiererkreislaufschnittstelle 300 verbunden. Der erste Ausgang ist, wie es in Fig. 4a gezeigt ist, im Falle der Freikühlung mit dem Eingang verbunden, und der erste Ausgang ist ferner mit dem ersten Anschluss des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden. Dagegen ist der zweite Ausgang bei dem in Fig. 4b gezeigten Betriebsmodus mit dem Eingang 330 des Wärmepumpengeräts für die zu erwärmende Flüssigkeit verbunden. Fig. 5a und 5b zeigen eine alternative Implementierung des Steuerelements 750, das nunmehr nicht wie in Fig. 4a und 4b mit dem ersten Eingang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden ist, sondern mit dem Ausgang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710. Das Steuerelement 750 hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Der erste Eingang des Steuerelements 750 ist bei dem in Fig. 5b gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Freikühlung deaktiviert ist, wobei aiso der normale Modus aktiv ist, mit dem Ausgang verbunden, wobei der Ausgang wiederum mit der Leitung 330 für die zu erwärmende Flüssigkeit verbunden ist, die in das Wärmepumpengerät 100 eingespeist wird. Der zweite Eingang des Steuerelements ist fest mit dem Ausgang des zweiten Weges der Wärmetauschereinheit 710 verbunden und ist im Freikühlungsmodus mit dem einen Ausgang des Steuerelements 750 verbunden.

Obgleich in den Fig. 2a bis 5b das Steuerelement 720, 730, 740, 750 als Zwei-Wege- Schalter dargestellt worden ist, der entweder zwei Eingänge und einen Ausgang oder zwei Ausgänge und einen Eingang aufweist, kann stattdessen der Zwei-Wege-Schalter auch als Mischer implementiert werden oder als beliebiges anderes Steuerelement, das gesteuert von der Steuerung einen oder mehrere Flusswege beeinflussen kann. Der Mischer ist in Fig. 6 bei 760 dargestellt und hat einen Eingang und zwei Ausgänge. Durch den Mischer kann erreicht werden, dass ein Teil der Arbeitsflüssigkeit, nämlich beispiels- weise 70 % der Arbeitsflüssigkeit an der Wärmetauschereinheit 710 vorbeigeleitet wird, während der andere Anteil, nämlich z. B. 30 % in den ersten Weg der Wärmetauschereinheit 710 hineingeleitet wird.

Damit wird beispielsweise eine Arbeitsflüssigkeit mit einer Temperatur von 20 °C durch die Wirkung der Wärmetauschereinheit 710 auf 24 °C erhöht. Damit ergibt sich am Verzweigungspunkt bzw. am Kombinationspunkt, wo der Ausgang 712 des erstes Weges mit der Leitung für die zu kühlende Flüssigkeit 230 verbunden ist, eine insgesamt erreichte Temperatur von 21 °C. Durch Implementierung des Steuerelements 760 als Mischer kann somit bei einer Konfiguration, wie sie in Fig. 2a gezeigt ist, die zu kühlende Temperatur angewärmt werden, um einen speziellen Betriebsmodus zu erreichen, bei dem dem Wärmepumpengerät 100 eine höhere Last als eigentlich nötig abverlangt wird, was jedoch in bestimmten Fällen, um z. B. eine Taktung des Wärmepumpengeräts 100 zu vermeiden, von besonderem Vorteil ist. Bei dem in Fig. 3 Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 730 ebenfalls durch einen Mischer ersetzt werden, der sicherstellt, dass ein be- stimmter Anteil, nämlich z. B. der kleinere Anteil, in den zweiten Eingang des Steuerelements eintritt, so dass ebenfalls eine teilweise Erwärmung erreicht werden kann, wenn der Mischer an der Stelle platziert ist, wie sie in Fig. 3a und 3b für das Steuerelement 730 dargestellt ist.

Ähnliche Implementierungen für den Mischer können auch für die Steuerelemente 740, 750 der Fig. 4a bis 5b vorgenommen werden, um eine entsprechende Mischerwirkung auch zu erreichen, wenn das Steuerelement auf der Kondensiererkreislaufschnittstellen- Seite platziert ist.

Fig. 8 zeigt eine spezielle Implementierung des Wärmepumpengeräts 100. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Wärmepumpengerät 00 einen Verdampfer 1 10. Im Verdampfer wird Arbeitsflüssigkeit verdampft. Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit wird von einem Kompressor 120, der vorzugsweise als Motor mit einem Radialrad ausgebildet ist, komprimiert und damit auf ein höheres Temperaturniveau gehoben. Der komprimierte Dampf wird dann einem Verflüssiger (Kondensierer) 130 zugeführt. Um den Haushalt der Arbeitsflüssigkeit zu regeln, kann ferner je nach Implementierung eine Drossel 140 vorgesehen sein. Wird als Arbeitsmedium innerhalb des Wärmepumpengeräts Wasser eingesetzt, so kann als Drossel eine passive selbstregulierende Drossel verwendet werden. Werden dagegen so genannte chemische Kältemittel, also Kältemittel, die sich von Wasser unterscheiden, eingesetzt, so kann auch statt einer passiven selbstregulierenden Drossel in der Drossel 140 ein schaltbarer Drossel-Bypass implementiert werden.

Es sei ferner darauf hingewiesen, dass im Wärmepumpengerät 100 nicht nur eine solche Stufe, wie sie in Fig. 8 durch die Elemente 1 10 bis 140 dargestellt ist, implementiert sein kann, sondern es können auch zwei oder mehr als zwei Stufen wie auch immer kombi- niert in dem Wärmepumpengerät enthalten sein. Die eine oder die mehreren Stufen werden eingangsseitig bzw. verdampferseitig mit der Verdampferkreislaufschnittstelle angeschlossen und werden ausgangsseitig bzw. kondensiererseitig mit der Kondensiererkreis- laufschnittstelle an die„Außenwelt" angekoppelt. Fig. 8 zeigt ferner eine Implementierung des steuerbaren Wärmetauschers 700 mit einem Steuerelement, beispielsweise einem Steuerelement 720, 730, 740, 750, 760 und einer zugeordneten Wärmetauschereinheit 710. Vorzugweise wird ferner die Steuerelektronik oder eine elektrische Schaltungseinheit 123, die zum Beispiel eine Frequenzumrichterschaltung für die statorseitige Spulenansteuerung des Elektromotors im Kompressor 120. eine Leistungselektronik, einen Gleichrichter oder eine Steuerelektronik aufweist, auf der Wärmetauschereinheit 710 platziert. Damit wird sichergestellt, dass die Steuerelektronik immer auf der Temperatur der Wärmetauschereinheit 710 gehalten wird bzw., da sie selbst wesentlich wärmer werden würde, von der Wärmetauschereinheit 710 gekühlt wird. Alternativ kann eine Platzierung auch in einer thermischen Wechselwirkungsanordnung vorhanden sein, z. B. mittels einer speziellen Wärmeübertragungseinrichtung, so dass ebenfalls ein Kühleffekt eintritt, auch wenn sich die Steuerelektronik einerseits und die Wärmetauschereinheit 710 andererseits nicht direkt berühren. Die Wärmeübertragungseinrichtung hat vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit, die wenigstens zehn Mal höher ist als eine thermische Leitfähigkeit, die eine gleich lange Luftstrecke aufweist Nachdem bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wärmetauschereinheit 710 immer entweder vom Kondensiererkreislauf oder vom Verdampferkreislauf durchflössen wird, findet somit immer eine Kühlung statt. Auch die Temperaturen im Kondensiererkreislauf, die über 20 °C sein können, sind als Kühltemperaturen für die Elektronikanordnung durchaus ausreichend. Daher wird es bevorzugt, die Wärmetauschereinheit 710 so an die Kondensiererkreislaufschnittstelle anzukoppeln, dass die Wärmetauschereinheit 710 bzw. der zweite Weg derselben immer vom Kondensiererkreislauf durchflössen wird. Damit geht die Abwärme der Steuerelektronik direkt in den Kondensiererkreislauf und damit in die Abwärmevorrichtung ohne dass sie zunächst vom Verdampferkreislauf in den Kondensiererkreislauf„gepumpt" werden muss.

Fig. 7 zeigt eine tabellarische Zusammenstellung verschiedener Modi, die z. B. mit einem Zwei-Wege-Schalter, wie er in den Fig. 2a bis 5b dargestellt worden ist, bewirkt werden können.

Insbesondere in einem kalten Temperaturbereich, bei dem eine Beispieltemperatur der Luft kleiner als 10 °C ist, und bei dem die Sensorwerte so sind, dass die TWK größer als TWW ist, ist die freie Kühlung aktiv. Femer ist der steuerbare Wärmetauscher von beiden Seiten durchflössen, ist also aktiv. Darüber hinaus ist, wie es in Fig. 2c beispielhaft dargestellt ist, der Verdichter deaktiviert, also ausgeschaltet. Eine Steuerung der Temperatur kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die in der Kondensiererkreislaufschnitt- stelle 300 enthaltene kondensiererseitige Pumpe 340 geregelt wird. Wird festgestellt, dass die Temperatur der gekühlten Flüssigkeit kleiner als eine Solltemperatur wird, so kann die Pumpe 340 gedrosselt werden. Wird dagegen festgestellt, dass die Temperatur zu groß wird, kann die Pumpe 340 wieder schneller gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein typischerweise im Rückkühler 500 vorhandene Ventilator schneller oder langsamer gedreht werden, um mehr oder weniger Kühlleistung zu erreichen.

In einem mittelkalten Temperaturbereich, der beispielsweise zwischen 10 °C und 16 °C ist, ist die freie Kühlung ebenfalls aktiv. Darüber hinaus ist auch der Verdichter aktiv, und es kann eine Regelung der Temperatur, die in das Rechenzentrum, bzw. in den zu kühlenden Bereich eingespeist wird, dadurch erfolgen, dass die Drehzahl des Radialrads im Verdichter gesteuert wird. Wird eine höhere Kühlleistung benötigt, so wird die Drehzahl erhöht. Wird dagegen eine niedrigere Kühlleistung benötigt, so wird die Drehzahl des Ra- dialrads reduziert.

Im Normalbetriebsmodus, der in einem warmen Temperaturbereich aktiviert wird, bei dem die Temperaturen beispielsweise größer als 16 °C sind, wird typischerweise festgestellt, dass die Temperatur TWK kleiner als die Temperatur TWW ist. Dann wird der steuerbare Wärmetauscher 710 deaktiviert, also inaktiv geschaltet, und es kann eine Kühlleistungssteuerung wieder über die Drehzahl des Radialrads erfolgen. In diesem Modus, also im warmen Temperaturbereich ist jedoch keine freie Kühlung aktiv.

Als Sondermodus, bei dem ein Mischer, wie er Bezug nehmend auf Fig. 6 beschrieben worden ist, an den Positionen eingesetzt werden kann, die durch die Elemente 720 bis 750 in den Fig. 2a bis 5b dargestellt sind, kann ein steuerbarer Kurzschluss zwischen dem Ausgang bzw. dem Kondensiererkreislauf und dem Eingang bzw. dem Verdampferkreislauf des Wärmepumpengeräts erreicht werden. Insbesondere bei hohen Außentemperaturen einerseits und relativ geringen Leistungsanforderungen des Rechnerzentrums, weil dort zum Beispiel lediglich ein Teillastbetrieb vorherrscht, kann dort die Situation kommen, dass die Steuerung ohne den Sondermodus mit steuerbarem Kurzschluss zu einer Ein-Aus-Taktung übergehen würde, welche aus diversen Gründen nicht vorteilhaft ist. Erfindungsgemäß wird daher der Sondermodus mit steuerbarem Kurzschluss aktiviert, welcher zum Beispiel durch eine bestimmte Taktungshäufigkeit detektiert wird. Wird eine zu hohe Taktungshäufigkeit festgestellt, so wird der steuerbare Kurzschluss aktiviert, so wird also ein typischerweise kleinerer Teil, also ein Teil kleiner als 50 % der Durchflussmenge in den entsprechenden ersten oder zweiten Weg der Wärmetauschereinheit ein- gespeist und mit dem anderen (typischerweise größeren) Anteil am Ausgang der Wärmetauschereinheit wieder kombiniert. Diese Mischerwirkung, die in Fig. 6 als 70/30 - wie schon beschriebe worden ist, kann gegebenenfalls, wie es in Fig. 7 in der letzten Zeile de Tabelle dargestellt ist, je nach Implementierung gesteuert werden, also zum Beispiel von einer 1 -%/99-%-Steuerung bis zu einer 51 -%/49-%-Steuerung. Auf jeden Fall wird es bevorzugt, dass der größere Teil der Strömung am Wärmetauscherelement 710 vorbeigeht und lediglich der kleinere Teil der Strömung durch das Wärmetauscherelement 710 verläuft, wobei, wie gesagt, der Anteil der kleineren Strömung von 0 bis 50 % steuerbar ist, je nach Ausführung des Mischers.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der freien Kühlung Plus werden ein Wärmetau- scher und ein Drei-Wege-Schalter installiert. Der Drei-Wege-Schalter kann auf der Kaltwasserseite oder der Warmwasserseite eingebaut sein und soll den Durchfluss durch den Wärmetauscher freischalten oder sperren. Je nach Implementierung können auch die Pumpen PV 240 bzw. PK 340 nicht vorhanden sein. Darüber hinaus können auch zusätzliche Wärmetauscher eingesetzt werden, beispielsweise am Ausgang der Pumpe PV 240 oder am Ausgang der Pumpe PK 340, obgleich diese Wärmetauscher in Fig. 3a und den anderen Figuren beispielsweise nicht dargestellt sind. Wasser als Kältemittel bietet für die freie Kühlung Plus aufgrund seiner schlechten volumetrischen Kälteleistung den Vorteil, dass durch eine Drehzahl geregelten Radialverdichter der Volumenstrom und das Druckverhältnis eingestellt werden können und so ein nahezu idealer Arbeitspunkt der Anlage in einem breiten Einsatzbereich entsteht, wobei diese bereits bei kleinen Kälteleistungen unter 50 kW erreicht werden kann. Bei gezeigten Implementierungen wird Wasser von z. B. 20 °C auf 16 °C abgekühlt, obgleich auch andere Temperaturen möglich sind, wie beispielsweise eine Abkühlung auf 20 °C von einer höheren Temperatur von 26 °C. Generell wird immer erreicht, dass die Kälteleistung mit möglichst geringem Energieaufwand auf ein Temperaturniveau erreicht wird, um je nach Außentemperatur die Leistung an die Umwelt wieder abzugeben. Kommt vom Dach (Rückkühler) eine Temperatur, die es ermöglicht, dass die gesamte Kälteleistung durch den vorgeschalteten Wärmetauscher vom Kaltwasser auf das Kühlwasser übertragen werden kann, wird keine Verdichterarbeit verrichtet. Steigen die Umwelttemperaturen weiter an, dass kein 20 °C kaltes Kaltwasser ohne Verdichterarbeit entsteht, wird die Kompressionskälteanlage leistungsgeregelt zugeschaltet, um den fehlenden Teil, beispielsweise 3 °C oder 50 % Leistung bereitzustellen. Steigen die Außentemperaturen weiter an und das Kühlwasser erreicht Temperaturen von beispielsweise 25 °C und mehr, kann durch den Wärmetauscher praktisch keine Energie mehr übertragen werden. Die gesamte Kälteleistung muss jetzt von der Kompressionskäl- temaschine bereitgestellt werden. Steigen die Kühlwassertemperaturen weiter an, in diesem Bereich über 26 °C, muss der Drei-Wege-Schalter mindestens einseitig den Durch- fluss durch den Wärmetauscher sperren, sonst müsste die Kälteanlage noch mehr Kälteleistung als von der Anwendung gefordert erbringen.

Bei speziellen alternativen Ausführungsbeispielen wird es bevorzugt, dass die Steuerung, also ob der Wärmeübertrager durchströmt wird oder nicht, lediglich von den Temperaturen TWW und TWK abhängt; nämlich dann, wenn die Temperatur TWW kleiner als TWK ist, wird die Wärmetauschereinheit durchströmt. Ist die Temperatur in dem Verdampfer größer als die Vorlauftemperatur auf Kaltwasserseite bzw. Kundenseite, muss der Verdichter arbeiten. Sind die Temperaturen im Freikühlungsmodus dagegen unter der gefor- derten Kundentemperatur, hier 16 °C, kann der Ventilator auf dem Dach und können schließlich die Pumpen gedrosselt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für die freie Kühlung Plus eine Drossel eingesetzt, die bereits ohne Druckunterschied oder ab einem kleinen Druckunterschied kleiner als 10 mbar bis zum maximalen Druckhub sicher arbeitet. Dann wird sichergestellt, dass der Kältemittelhaushalt vom Verflüssiger zum Verdampfer ausgeglichen wird, wenn eine entsprechende Flüssigkeitsausgleichsfunktionalität benötigt wird. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Kälteanlagen, die elektronische Drosseln haben, die erst bei Druckunterschieden mehrerer bar arbeiten.

Darüber hinaus wird es bevorzugt, eine Strömungsmaschine als Verdichter einzusetzen, so dass über die Drehzahl die nötige Druckdifferenz und die Leistung, wie beispielsweise der Massestrom genau geregelt werden können. Vorzugsweise wird ferner Wasser als Kältemittel eingesetzt, wobei kleine Druckunterschiede von unter 100 mbar über den ge- samten Arbeitsbereich möglich werden und wobei ferner durch die extremen Volumenunterschiede zwischen Dampf und Flüssigkeit eine selbstregelnde Drossel eingebaut werden kann. Um jedoch auch mit so genannten chemischen Kältemitteln, also anderen Kältemitteln als Wasser arbeiten zu können, wird es bevorzugt, statt der passiven selbstregelnden Drossel, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, einen schaltbaren Drossel-Bypass zu verwenden, um ein Kältemittel von der Hochdruckseite wieder auf die Niederdruckseite zurückzubekommen.

Wie es bereits dargestellt worden ist, und anhand von Fig. 6 erläutert worden ist, wird es bevorzugt, den Drei-Wege-Schalter als Mischer auszuführen, um das Teillastverhalten der Anlage zu optimieren. Für die Verdichtung werden vorzugsweise Strömungsmaschinen eingesetzt, die einen drehzahlabhängigen Volumenstrom und eine drehzahlabhängige Drucksteigerung haben. Für die Kälteleistung ist der Massestrom entscheidend. Wird bei geringer Kälteleistung eine hohe Drucksteigerung (Teilleistung im Rechenzentrum und hohe Umwelttemperaturen) von der Anlage gefordert, ruft das einen zu großen Volumenstrom und damit einen zu großen Massestrom hervor. Dies führt zu einem Takten der Anlagen (An ... Aus ... An). Wird der Drei-Wege-Schalter durch einen Mischer ersetzt, kann ein regelbarer Leistungskurzschluss zwischen Kalt- und Kühlwasser geschaffen werden, der das Teillastverhalten verbessert und ein Takten effektiv verhindert.

Vorzugsweise wird die Wärmetauschereinheit im steuerbaren Wärmetauscher von einem Strang permanent durchströmt. Dadurch eignet sich der Wärmetauscher hervorragend zur Kühlung von Leistungselektronik. Wird der Mischer auf die Kaitwasserseite gebracht, leitet die Elektronik ihre Verluste direkt in die Kühlwasserseite, also in den Kondensiererkreislauf ein. Dies hat den Vorteil, dass das Wärmepumpengerät die Verlustleistung nicht erst durch Verdichterarbeit auf die Abgabeseite transportieren muss. Vorzugsweise werden daher die Gleichrichter für die Frequenzumrichterschaltungen auf der Wärmetauschereinheit angeordnet, also in thermische Wirkverbindung mit dem steuerbaren Wärmetauscher.

Ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpenanordnung mit einem Wärmepumpengerät, umfasst folgende Schritte:

Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät;

Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit in das Wärmepumpengerät und Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit aus dem Wärmepumpengerät; und

Koppeln einer durch eine Wärmesenke abgekühlten Flüssigkeit auf steuerbare und thermische Art und Weise mit der zu kühlenden Flüssigkeit über einen steuerbaren Wärmetauscher abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur, die eine Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit oder der gekühlten Flüssigkeit aufweist, oder abhängig von einer Kondensiererkreislauftemperatur, die eine Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit oder der erwärmten Flüssigkeit oder der durch die Wärmesenke abgekühlten Flüssigkeit aufweist. Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Steuerung, die beispielsweise durch das Element 400 in Fig. 1 bewirkt wird, als Software oder Hardware implementiert werden kann. Die Implementierung der Steuerung kann auf einem nicht-flüchtigen Speichermedium, einem digitalen oder anderen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer- Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit auch als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

Bezugszeichenliste

100 Wärmepumpengerät

1 10 Verdampfer

120 Kompressor

123 Steuerelektronik

125 Elektroniksteuerleitung

130 Verflüssiger

140 Drossel

200 Verdampferkreislaufschnittstelle

201 Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet

202 Hinlauf zum zu kühlenden Gebiet

210 Verdampferkreislauftemperatursensor

220 gekühlte Flüssigkeit

230 zu kühlende Flüssigkeit

235 Verbindungsleitung

240 Pumpe in der Verdampferkreislaufschnittstelle

300 Kondensiererkreislaufschnittstelle

302 Hinlauf zum zu wärmenden Gebiet

303 Rücklauf vom zu wärmenden Gebiet

310 Kondensiererkreislauftemperatursensor

340 Pumpe in der Kondensiererkreislaufschnittstelle

400 Steuerung

410 Steuerleitung

500 zu wärmendes Gebiet

600 zu kühlendes Gebiet

700 steuerbarer Wärmetauscher

710 Wärmetauschereinheit

71 1 Eingang erster Weg

712 Ausgang erster Weg

713 Eingang zweiter Weg

714 Ausgang zweiter Weg

720 Zwei-Wege-Schalter

730 Zwei-Wege-Schalter

740 Zwei-Wege-Schalter