Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen und insbesondere auf Wärmepumpen mit einem mehrstufigen Verdichter und einer Zwischenkühlung.

Fig. 5 zeigt eine Wärmepumpe, wie sie beispielsweise zur Heizung eingesetzt werden kann. Die Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer 100, einen Verdichter 1 10, einen Verflüssiger 120 und ein Expansionsventil 130. Im Verdampfer wird eine in dem Kreis zirkulierende Arbeitsflüssigkeit verdampft und über eine Ansaugleitung 1 12 dem Verdichter zugeführt, der hier beispielhaft als Kolbenverdichter ausgebildet ist. Verdichteter Arbeitsdampf wird dann über eine Ausstoßleitung 1 14 in den Verflüssiger 120 geführt. In dem Verflüssiger 120 verflüssigt sich der vom Verdichter 1 10 verdichtete Arbeitsdampf. Der Kreis wird durch ein Expansionsventil 130 geschlossen, das dazu da ist, um die Arbeitsflüssigkeit am Ausgang des Verflüssigers vom hohen Verflüssigerdruck auf den niedrigen Verdampferdruck zu expandieren.

Im Verdampfer 100 ist ein Wärmetauscher mit einer geschlossenen Leitung angeordnet, der bei 102 gezeigt ist, über ihn läuft eine Flüssigkeit, die z. B. aus der Umwelt Wärme mitbringt. Durch die in den Verdampfer 100 eingebrachte Wärme verdampft die Arbeits- flüssigkeit im Verdampfer, wodurch der Flüssigkeit im Wärmetauscher 02 Wärme entzogen wird und damit abgekühlte Arbeitsfiüssigkeit aus dem Verdampfer über den Wärmetauscher herausgeführt wird. Analog hierzu hat der Verflüssiger ebenfalls einen Wärmetauscher 122. In dem Wärmetauscher 122 wird durch den Verflüssigungsprozess in den Verflüssiger 120 eingebrachte Wärme aus dem Verflüssiger herausgeführt, und zwar zu Kühler, welcher beispielsweise ein Heizkörper sein kann. Die in dem Kühler abgekühlte Arbeitsflüssigkeit wird dann wieder zurück in den Wärmetauscher 122 eingespeist, der in dem Verflüssiger 120 angeordnet ist.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Szenario wird Umweltwärme in den Verdampfer eingebracht und wird Heizungswärme aus dem Verflüssiger herausgebracht. Diese Anwendung der Wärmepumpe dient also zum Heizen beispielsweise eines Gebäudes. Die andere Anwendung der Wärmepumpe, bei der die Wärmepumpe jedoch prinzipiell gleich aufgebaut ist, dient zum Kühlen eines Gebäudes. Hierzu ist die„Umweltwärme", die über den Wärmetauscher 102 in den Verdampfer 00 eingebracht wird, die Wärme in einem zu kühlenden Raum, wie beispielsweise einem Rechenzentrum. Die „Heizungswärme" ist dagegen die Wärme, die einem Kühler zugeführt wird, der beispielsweise auf einem Dach oder auf einer Gebäudeaußenseite angeordnet ist. Generell bildet das Gebiet, das thermisch mit dem Verdampfer verbunden ist, das zu kühlende Gebiet, und bildet das Gebiet, das thermisch mit dem Verflüssiger verbunden ist, das zu wärmende Ge- biet.

Das europäische Patent EP 2 281 155 offenbart eine vertikal angeordnete Wärmepumpe, bei der ein Verdampfer und ein Verflüssiger sowie ein Gasbereich, der sich zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger erstreckt, vorhanden sind. Insbesondere ist in einer Betriebs-Aufsteilrichtung der Wärmepumpe der Verflüssiger oberhalb des Verdampfers angeordnet. Der Verdichter umfasst eine erste Verdichterstufe, eine Zwischenkühlung und eine zweite Verdichterstufe. Energie, die vom Zwischenkühler aus dem überhitzten Arbeitsdampf nach der ersten Verdichterstufe herausgenommen wird, wird dazu verwendet, um einen Brauchwassertank zu heizen, und zwar auf eine Temperatur, die oberhalb der Temperatur im Verflüssiger ist. Zur Rückführung des Mediums ist ein Rückführkanal vorgesehen, wobei eine erste Stufe des Rückführkanals Düsenöffnungen in der unteren Wand des Verflüssigers aufweist, so dass verflüssigtes Arbeitsfluid, das sich in der Nähe einer solchen Düsenöffnung befindet, aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Verflüs- siger-Boden und dem Zwischenkühler in den Zwischenkühler hineinsprüht. Das einge- sprühte flüssige Medium wird dann in einer Ausbuchtung des Zwischenkühlers eingesammelt, um von dort in den Verdampfer durch einen zweiten Abschnitt des Rückführkanals transportiert zu werden. Auch hier kann eine ähnliche Sprühtechnik durch Düsenöffnungen eingesetzt werden, da wieder eine Druckdifferenz zwischen dem Gaskanal und dem Verdampfungsraum im Verdampfer herrscht.

Das europäische Patent EP 2 016 349 offenbart eine Wärmepumpe, die als Arbeitsflüssigkeit Wasser verwendet, und bei der ein mehrstufiger Verdichter vorhanden ist, wobei der mehrstufige Verdichter eine erste Strömungsmaschine und eine n-te (letzte) Strömungsmaschine aufweist. Insbesondere ist ein Zwischenkühler eingesetzt, der einen Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung aufweist. Die Strömungsmaschinen sind als Radialverdichter mit drehbarem Rad ausgeführt, wobei das Rad ein langsamläufiges Radialrad, ein mittelläufiges Radialrad, ein Halbaxialrad oder ein Axialrad bzw. ein Propeller sein kann. Generell wird eine Strömungsmaschine mit einem Radialrad eingesetzt. Zur Zwischenkühlung werden eine oder mehrere Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung vorgesehen. Diese Wärmetauscher sind ausgebildet, um das von einer vorherigen Strömungsmaschine erhitzte (und komprimierte) Gas abzukühlen. Hierzu wird die Über- hitzungsenthalpie sinnvoll genutzt, um den Wirkungsgrad des gesamten Verdichtungsprozesses zu erhöhen. Es wird also Wärme aus dem komprimierten Wasserdampf entnommen, um Brauchwasser auf höhere Temperaturen als z. B. 40 °C zu erhitzen. Bei der offenen Zwischenkühlung wird Kältemittel, also beispielsweise Wasser verdampft, das mit der nachgeschalteten Stufe auf ein höheres Druckniveau gehoben werden muss. Dafür ist zusätzlich Verdichterleistung notwendig. Dagegen kann eine geschlossene Zwischenkühlung den überhitzten Wasserdampf nur auf Sattdampf abkühlen, wenn es ausreichend unterkühlte große Flächen für den Wärmetransportiert gibt. Wird hierfür Kaltwas- ser bereitgestellt, wird die Leistung ungünstig in das System auf der Kaltwasserseite eingebracht und muss als zusätzliche Kälteleistung bereitgestellt werden.

Die JPH 06257890 offenbart eine Wärmepumpe, die Wasser verwendet und bei der Kühlen und Heizen mit derselben Vorrichtung durchgeführt wird. Zur Herstellung von gekühl- tem Wasser oder Eis wird ein Teil des Wassers verdampft und der restliche Teil des Wassers wird dadurch gekühlt. Der durch die Verdampfung entstandene Dampf wird in mehreren Stufen komprimiert, und gelangt dann in einen Kondensierer, der mit einem Kühlturm gekoppelt ist. Das US Patent Nr. 3,665,724 offenbart eine Heiz- und Kühlvorrichtung mit einem mehrstufigen Zentrifugalkompressor. Die latente Wärme eines Kühlmittels wird zusammen mit der Kompressionswärme über einen Kühlturm abgegeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Wärmepumpen- konzept mit Zwischenkühlung zu schaffen, das effizienter mit den vorhandenen Ressourcen umgeht.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 1 , ein Verfahren zum Pumpen von Wärme nach Patentanspruch 18 oder ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe nach Patentanspruch 19 gelöst. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass vom Erreichen der Sattdampf- temperatur nach einer Verdichterstufe weggegangen wird. Damit erhöht sich zwar die Verdichterleistung der nachgeschalteten Stufe durch die ungünstigeren Startbedingungen. Es kann aber mit der Kühlflüssigkeit, also dem Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet, ein Wärmeübertrager den überhitzten Arbeitsflüssigkeitsdampf bis nahe der Kühlwassertemperatur, die beispielsweise vom Dach bereitgestellt wird bzw. von dem zu wärmenden Gebiet kommt, abkühlen. Dabei entsteht kein Wasserdampf, der mit der nachgeschalteten Stufe verdichtet werden müsste, sondern ein Großteil der Überhitzungsenthalpie wird bereits als Wärmeleistung an das Kühlsystem, also z. B. das Abwärmesystem bei der Ver- wendung einer Wärmepumpe als Kühlungs- bzw. Kältemaschine oder das Heizsystem bei der Verwendung einer Wärmepumpe als Heizgerät abgegeben.

Wird der Wärmeübertrager, der eigentlich zur Zwischenkühlung dient, groß genug ausgelegt, so kann bereits ein einstufiger Betrieb über diesen Teil des Wärmeübertragers statt- finden. Damit entfällt ein Umschalten zwischen einstufigem und mehrstufigem Betrieb der Wärmepumpe. Die einzige Maßnahme, die getroffen werden muss, um vom zweistufigen Betrieb auf einen einstufigen Betrieb umzuschalten, z. B. wenn entsprechende Heizungsbzw. Kühlungsanforderungen moderat sind, besteht darin, den Verdichter der nachgeschalteten Stufe auszuschalten. Ansonsten sind dann keine speziellen Maßnahmen erfor- derlich.

Erfindungsgemäß wird daher bei einer Wärmepumpe, die einen Verdampfer, einen Verflüssiger und einen Verdichter mit mehreren Stufen und einem Dampfraum zwischen zwei Verdichterstufen aufweist, ein Zwischenkühler mit einem Wärmeübertrager eingesetzt, der in dem Dampfraum angeordnet ist, und der einen Wärmeübertrager-Eingang und einen Wärmeübertrager-Ausgang aufweist. Der Wärmeübertrager-Eingang oder der Wärmeübertrager-Ausgang ist mit einem Verfiüssiger-Eingang oder einem Verflüssiger-Ausgang verbunden, um im Betrieb der Wärmepumpe Kühlflüssigkeit für den Verflüssiger in einem Kreislauf sowohl durch den Verflüssiger als auch durch den Wärmeübertrager zu leiten.

Je nach Implementierung ist der Verflüssiger ein offener Verflüssiger, dahin gehend, dass das von dem Wärmeübertrager der Zwischenkühlung stammende Wasser direkt dazu verwendet wird, um in dieses Wasser hinein von der zweiten Verdichterstufe verdichteten Arbeitsdampf zu kondensieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Verflüssiger dagegen ein„geschlossener" Verflüssiger. Dies bedeutet, dass in dem Verflüssiger zwischen dem Verfiüssiger-Eingang und dem Verflüssiger-Ausgang eine geschlossene Lei- tung, also wieder ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der sicherstellt, dass das in dem Wärmeübertrager fließende Medium nicht mit dem im Verflüssiger zu verflüssigenden komprimierten Arbeitsdampf in direkten Kontakt kommt, sondern lediglich in thermischen Kontakt. Bei dieser Implementierung wird der Wärmeübertrager des Zwischenkühlers, der eine geschlossene Zwischenkühlung realisiert, durchgehend mit dem Wärmeübertrager in dem Verflüssiger ausgeführt. Hierzu verläuft die Leitung des Wärmetauschers entweder zunächst durch die Zwischenkühlung und weiter durch eine Trennwand in den Druckbereich der Kondensiererstufe hinein. Alternativ kann jedoch auch zunächst der Rücklauf von dem zu erwärmenden Gebiet in den Wärmeübertrager im Verflüssiger eingespeist werden, um von dort dann in den Wärmeübertrager im Zwischenkühler zu laufen. Auch hier wird es bevorzugt, dass die beiden Wärmeübertrager, also der Wärmeübertrager zur Zwischenkühlung und der Wärmeübertrager im Verflüssiger durchgehend gewissermaßen als ein einziger Wärmeübertrager ausgebildet sind, dahin gehend, dass eine Leitung dieses Wärmeübertragers die Trennwand zwischen dem Dampfraum des Zwischenküh- lungsbereichs und dem Verflüssiger-Bereich des Verflüssigers durchläuft. Alternativ kann jedoch auch eine Implementierung eingesetzt werden, bei der die Wärmeübertrager im Verflüssiger und im Zwischenkühler außerhalb des Wärmepumpen-Volumens miteinander verbunden sind, so dass dann kein Durchtreten durch die Trennwand in den Druckbereich der nachgeschalteten Stufe nötig ist.

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

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Wärmepumpe mit geschlossener Zwi- schenkühlung und Anschluss an den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet; eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet zunächst durch den Verflüssiger und dann durch den Zwischenkühler geleitet wird; eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet zunächst durch den Zwischenkühler und dann durch den Verflüssiger-Wärmeübertrager geleitet wird;

Fig. 4 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Wärmeübertrager im Zwischenkühler innerhalb der Wärmepumpe mit dem Wärmeübertrager im Verflüssiger verbunden ist, so dass eine Leitung des Wärmeübertrage! Trennwand zur Stufe mit höherem Druck durchläuft;

Fig. 5 eine schematische Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Verdichterstufe mit Saugmund, Radialrad und Leitraum; und

Fig. 7 eine tabellarische Übersicht über verschiedene Modi, in der die Wärmepumpe betreibbar ist.

Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer 10, einem Verflüssiger 20, und einem Verdichter 30. Der Verdichter umfasst eine erste Verdichterstufe 31 , einen Dampf- räum 32 und eine zweite Verdichterstufe 33. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von lediglich zwei Stufen beschränkt ist, sondern auch die Verwendung von drei, vier, fünf oder noch mehr Stufen umfassen kann. Auf jeden Fall ist zwischen zumindest zwei Stufen der Mehrzahl von Stufen des Verdichtermotors der Dampfraum 32 angeordnet, in dem ein Zwischenkühler 40 angeordnet ist.

Darüber hinaus ist der Verdampfer mit einem zu kühlenden Gebiet 50 koppelbar, und ist der Verflüssiger mit einem zu wärmenden Gebiet 60 koppelbar. Der Verdampfer 10 ist ausgebildet, um Arbeitsflüssigkeit zu verdampfen. Arbeitsflüssigkeit wird beispielsweise über einen Anschluss 1 1 für einen Rücklauf von dem zu kühlenden Gebiet bereitgestellt. Diese über den Anschluss 1 1 bereitgestellte Flüssigkeit ist wärmer als die Flüssigkeit, die vom Verdampfer über einen Anschluss 12 zu einem Hinlauf zu dem zu kühlenden Gebiet aus dem Verdampfer ausgegeben wird. Die Wärme, die über den Anschluss für den Rücklauf in den Verdampfer hineingebracht worden ist, wird vom verdampften Arbeitsdampf über eine Ansaugleitung 13 in die erste Stufe 31 des Verdichters 30 geführt. Der verdampfte Arbeitsdampf wird in der ersten Stufe verdichtet, und der verdichtete Arbeitsdampf gelangt in den Dampf räum 32. Dort wird der verdichtete Arbeitsdampf gekühlt, um seine typischerweise auftretende Überhitzung zu reduzieren. In der zweiten Verdichterstufe 33 wird dann der inzwischen durch den Zwischenkühler 40 abgekühlte Arbeitsdampf erneut verdichtet und dann über eine Ausstoßleitung 24 in den Verflüssiger 20 gebracht. Der Verflüssiger umfasst einen Verflüssiger-Eingang 21 und einen Verflüssiger-Ausgang 22. Darüber hinaus umfasst der Zwischenkühler 40 einen Wärmeübertrager, der einen Wärmeübertrager-Eingang 41 und einen Wärmeübertrager-Ausgang 42 aufweist. Erfindungsgemäß ist der Wärmeübertrager-Eingang 41 oder der Wärmeübertrager-Ausgang 42 mit dem Verflüssiger-Eingang 21 oder dem Verflüssiger-Ausgang 22 verbunden, um im Betrieb der Wärmepumpe Kühlflüssigkeit für den Verflüssiger in einem Kreislauf sowohl durch den Verflüssiger 20 als auch durch den Wärmeübertrager im Zwischenkühler 40 zu leiten.

Prinzipiell kann der Verflüssiger ein offener Verflüssiger sein, so dass die Kühlflüssigkeit für den Verflüssiger die Flüssigkeit ist, in die der von der Ausstoßleitung 24 zugeführte komprimierte Arbeitsdampf direkt hinein kondensiert wird. Alternativ kann der Verflüssiger ein geschlossener Verflüssiger sein, so dass in dem Verflüssiger ebenfalls ein Wärmeübertrager mit einer Leitung vorhanden ist, durch die die Kühlflüssigkeit für den Verflüssiger fließt, jedoch mit der Situation im Verflüssiger 20 lediglich thermischen Kontakt hat, jedoch keinen direkten Medienkontakt. Dennoch dient in beiden Fällen die in den Verflüs- siger über seinen Eingang 21 eingespeiste Flüssigkeit als Kühlflüssigkeit für den Verflüssiger, weil durch diese Flüssigkeit unabhängig davon, ob sie direkt zur Kondensierung verwendet wird oder ob sie von dem Arbeitsdampf durch eine Leitung, also eine geschlossene Leitung getrennt ist, verwendet wird. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Wärmepumpe einen Anschluss 61 zum Anschließen des Hinlaufs für das zu wärmende Gebiet 60. Darüber hinaus hat die Wärmepumpe auch einen Anschluss 62 zum Anschließen des Rücklaufs von dem zu wärmenden Gebiet. Der Eingang 41 des Wärmeübertragers im Zwischenkühler ist mit dem Anschluss 62 für den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgang 42 des Wärmeübertragers mit dem Verflüssiger-Eingang 21 verbunden. Außerdem ist der Verflüssiger-Ausgang 22 mit dem Anschluss für den Hinlauf zu dem zu wärmenden Gebiet verbunden.

Fig. 1 zeigt ferner einen Wärmetauscher 710 und einen Mischer oder Schalter 720. Der Wärmetauscher 710 und der Mischer/Schalter 720 sind optional vorhanden. Der Schalter ist steuerbar, um in der Stellung 1 den Wärmetauscher 710 zu überbrücken, und um in der Stellung 2 den Wärmetauscher voll 710 zu integrieren. Es sei darauf hingewiesen, dass der Mischer/Schalter und der Wärmetauscher auch in den Ausführungsbeispielen der anderen Figuren 2a bis 4 vorhanden sein kann, obgleich er nicht eingezeichnet ist. Auf der„warmen Seite" (1. Seite) ist der Anschluss 62 des zu wärmenden Gebiets mit einem ersten Eingang des Wärmetauschers verbunden, und ist der erste Ausgang mit dem Zwischenkühlereingang 41 verbunden. Auf der„kalten" Seite (2. Seite) ist der 2. Eingang mit dem Ausgang 2 des Wärmetauschers verbunden und ist der 2. Ausgang mit dem Eingang 1 1 des Verdampfers 10 verbunden. Mit dem zweiten Ausgang ist auch der Ausgang 2 des Schalters 720 gekoppelt.

Fig. 1 zeigt ferner eine Verdampferkreislaufschnittstelle 1 1 , 12 zum Einbringen von zu kühlender Flüssigkeit in die Wärmepumpe und zum Ausbringen von gekühlter Flüssigkeit aus der Wärmepumpe, eine Kondensiererkreislaufschnittstelle 21 , 22 zum Einbringen von zu erwärmender Flüssigkeit in die Wärmepumpe und zum Ausbringen von erwärmter Flüssigkeit aus der Wärmepumpe, wobei die Kondensiererkreislaufschnittstelle mit dem Zwischenkühler (40) gekoppelt ist, einen steuerbaren Wärmetauscher, der z. B. als die Kombination aus Wärmetauscher 710 und Schalter/Mischer 720 implementiert ist, zum steuerbaren Koppeln der Verdampferkreislaufschnittstelle und der Kondensiererkreislauf- schnittstelle; und eine Steuerung 730 zum Steuern des steuerbaren Wärmetauschers (710, 720) abhängig von einer Verdampferkreislauftemperatur (TV bzw. TWK) in der Verdampferkreislaufschnittstelle oder einer Kondensiererkreislauftemperatur (TK bzw. TWW) in der Kondensiererkreisiaufschnittstelle.

Vorzugsweise ist der Wärmetauscher 710 zwischen den Zwischenkühler-Eingang 41 und den Anschluss 62 für das zu wärmende Gebiet geschaltet. Alternativ ist die warme Seite des Mischers in Fig. 1 zwischen den Zwischenkühler-Ausgang 42 und den Verflüssiger- Eingang 21 geschaltet. Wieder alternativ ist bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 die warme Seite des Mischers zwischen den Zwischenkühler-Ausgang 42 und den Anschluss 61 für den Hinlauf zu dem zu wärmenden Gebiet, oder aber zwischen den Verflüssiger- Ausgang 22 und den Zwischenkühler-Eingang 41 geschaltet.

Vorzugsweise ist die Steuerung 730 ausgebildet, um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit durch die zu erwärmende Flüssigkeit unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauschers vorzugsweise bestehend aus dem Wärmetauscher 710 und dem Mi- scher oder Schalter 720 zu unterbinden, wenn eine Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit größer als eine Verdampferkreislauftemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit ist, oder um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit durch die zu erwärmende Flüssigkeit unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauscher zu unterbinden und abhängig von einer geforderten Kühlleistung eine Drehzahlregelung eines Radi- alrads eines Verdichters in der Wärmepumpe vorzunehmen, wenn eine Kondensierer- kreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit größer als eine Verdampferkreislauf- temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit ist, oder um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit durch die zu erwärmende Flüssigkeit unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauschers zu aktivieren, wenn eine Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit kleiner als eine Verdampferkreislauftemperatur der zu kühlenden Flüssigkeit ist, oder um eine Kühlung der zu kühlenden Flüssigkeit durch die zu erwärmende Flüssigkeit unter Verwendung des steuerbaren Wärmetauschers zu aktivieren und abhängig von einer geforderten Kühlleistung eine Drehzahl eines Radialrads innerhalb des Verdichters des Wärmepumpengeräts zu erhöhen oder zu erniedrigen oder um einen Verdichter in dem Wärmepumpengerät zu deaktivieren, wenn eine Kondensiererkreislauf- temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit kleiner als eine vorbestimmte Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit oder der gekühlten Flüssigkeit ist, oder um eine Zirkulationspumpe, die in der Kondensiererkreislaufschnittstelle angeordnet ist, bezüglich einer Soll- Drehzahl zu drosseln, wenn die Kondensiererkreislauftemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Temperatur der zu kühlenden Flüs- sigkeit oder der gekühlten Flüssigkeit ist.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen eine Implementierung, bei der der Wärmeübertrager 43 in dem Zwischenkühler 40 detaillierter als durchgehende Leitung dargestellt ist. Darüber hinaus ist auch in dem Verflüssiger 20 ein weiterer Wärmeübertrager 23 als geschlossener Wär- meübertrager gezeigt, der sicherstellt, dass in der Leitung des Wärmeübertragers 23 die Kühlflüssigkeit läuft, dass diese Kühlflüssigkeit jedoch nicht in Kontakt mit dem komprimierten Arbeitsdampf kommt, also nicht in einen direkten Kontakt über den Dampf, der von der Leitung 24 zugeführt wird, sondern lediglich in einen thermischen Kontakt mit dem Dampf oder mit in dem Verflüssiger vorhandener verflüssigter Arbeitsflüssigkeit, um aus dem Verflüssiger Wärme abzuführen.

Fig. 3 zeigt eine Implementierung, die zur Fig. 1 ähnlich ist, dass nämlich die Kühlflüssigkeit, die über den Anschluss für den Rücklauf 62 von dem zu wärmenden Gebiet 60 geliefert wird, zunächst den Wärmeübertrager 43 und dann den Wärmeübertrager 23 durch- läuft.

Dagegen zeigt Fig. 2 eine alternative Implementierung, bei der der Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet 60 zunächst über den Anschluss 62 für den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet in den Wärmeübertrager 23 über dessen Eingang 21 geleitet wird, und dann aus dem Wärmeübertrager 23 heraus über seinen Ausgang 22 in den Eingang 41 des Wärmeübertragers 43, der in dem Dampfraum zwischen den beiden Verdichterstufen 31 angeordnet ist, geführt wird, und von dort heraus über den Anschluss 61 in das zu wärmende Gebiet 60. Es ist ersichtlich, dass die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit, die in dem zu wärmenden Gebiet 60 abgekühlt wird, in Fig. 2 entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in Fig. 3 ist.

Insbesondere ist bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Eingang 41 des Wärmeübertragers mit dem Verflüssiger-Rücklauf 22 verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgang 42 des Wärmeübertragers 23 des Zwischenkühlers 40 mit einem Anschluss 61 für einen Hinlauf zu dem zu wärmenden Gebiet verbunden. Darüber hinaus ist der Ver- flüssiger-Eingang 21 des Wärmeübertragers 23 des Verflüssigers mit dem Anschluss 62 für den Rücklauf von dem zu wärmenden Gebiet 60 verbunden.

Wie es dargestellt worden ist, kann der Verflüssiger ein offener Verflüssiger sein, bei dem der verdichtete Arbeitsdampf direkt in die Flüssigkeit kondensiert, die auch in dem Wär- meübertrager 43 des Zwischenkühlers 40 läuft. Alternativ, wie es insbesondere in Fig. 2 und Fig. 3 und auch in Fig. 4 dargestellt ist, sind der Verflüssiger-Eingang 21 und der Ver- flüssiger-Ausgang 22 innerhalb des Verflüssigers durch eine dazwischenliegende Leitung verbunden, so dass eine Flüssigkeit in der Leitung von einer im Verflüssiger 20 verflüssigten Arbeitsflüssigkeit medienmäßig getrennt ist, jedoch thermisch in Kontakt ist.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Verflüssigerraum, also dem Raum, in den die Ausstoßleitung 24 mündet, und dem Dam f räum 32 eine Wand 59 angeordnet. Eine Leitung des Wärmeübertragers 43 des Zwischenkühlers oder eine Leitung des Wärmeübertragers im Verflüssiger durchtritt bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel innerhalb der Wärmepumpe diese Wand 59. Damit werden sowohl der Wärmeübertrager 43 in dem Zwischenkühler 40 als auch der Wärmeübertrager 23 in dem Verflüssiger direkt miteinander gekoppelt. Je nach Durchflussrichtung der Kühlflüssigkeit ist somit entweder der Verflüssiger-Ausgang 22 oder der Verflüssiger-Eingang 21 mit dem Wärmeübertrager-Ausgang 42 oder dem Wärmeübertrager-Eingang 41 verbunden. Daher sind in Fig. 4 die entsprechenden Wärmeübertrager-Eingänge/Ausgänge jeweils mit beiden Bezugszeichen versehen, weil die Definition, ob der Eingang ein Eingang oder ein Ausgang ist, davon abhängt, in welche Richtung die Kühlflüssigkeit fließt, also ob die Kühlflüssigkeit, die von dem zu wärmenden Gebiet über die Anschlüsse 61 , 62 mit der Wärmepumpe kommuniziert, entweder zunächst im Zwischenkühler 40 bzw. den Wärme- Übertrager 43 im Zwischenkühler 40 durchfließt, wie es in Fig. 1 und in Fig. 3 dargestellt ist, oder ob die Flüssigkeit zunächst den Wärmeübertrager 23 im Verdampfer durchfließt und dann erst durch den Zwischenkühler läuft, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Daher sind die Verbindungen zwischen den Ausgängen der Wärmeübertragerkaskade aus den Wärmeübertragern 43 und 23 in Fig. 4 gestrichelt gezeichnet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass typischerweise bei einer tatsächlichen Implementierungen der Wärmepumpe nur eine der beiden Konfigurationen eingesetzt wird.

Fig. 4 zeigt darüber hinaus eine erste Drossel bzw. ein erstes Expansionsventil 61 zwischen dem Dampfraum 32 der Zwischenkühlung und dem Verdampfer 10. Darüber hinaus ist eine zweite Drossel schematisch eingezeichnet, die bei 62 ebenfalls als Expansi- onsventil gezeichnet ist, und durch die der Verflüssigerraum des Verflüssigers 20 mit dem Verdampfer 10 verbunden ist, um einen Rücklauf an Arbeitsflüssigkeit zu erreichen, um den kompletten Kreislauf sicherzustellen.

Außerdem ist bei 71 in Fig. 4 ein Tropfenabscheider dargestellt, der zwischen dem Ver- dampfer 10 und der ersten Verdichterstufe 31 angeordnet ist. Darüber hinaus ist optional ein weiterer Tropfenabscheider 72 bereitgestellt, der im Dampfraum zwischen dem ersten Verdichtermotor 31 und dem zweiten Verdichtermotor 33 angeordnet ist. Außerdem ist eine Steuerung in Fig. 4 bei 80 gezeigt, durch die der zweistufige Verdichter gesteuert werden kann, um die Wärmepumpe dann, wenn die Anforderungen nicht so besonders hoch sind, im einstufigen Betrieb laufen zu lassen, und um die Wärmepumpe dann, wenn die Anforderungen hoch sind, im zweistufigen Betrieb laufen zu lassen.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors einer Verdichterstufe 31 oder 33. Insbesondere ist in Fig. 6 eine Verdichterstufe mit einem Saugmund 91 , einem Radialrad 92, einem Motor 93 und einem Leitraum 94 dargestellt, um Dampf zu komprimieren. Wenn der Radialkompressor bzw. Turbokompressor von Fig. 6 in der ersten Stufe 31 eingesetzt wird, so stammt der Dampf, der über den Saugmund 91 angesaugt wird, vom Verdampfer und läuft der Dampf, der über den Leitraum 94 abgegeben wird, in den Dampfraum 32. Ist dagegen der in Fig. 6 gezeigte Turbokompressor in der zweiten Ver- dichterstufe 33 implementiert, so läuft der Dampf, der über den Saugmund angesaugt wird, aus dem Dampfraum heraus und ist durch den Zwischenkühler 40 gekühlt worden, und ist der Dampf, der aus dem Leitraum 94 ausgegeben wird, der Dampf, der schließlich in den Verflüssiger 20 eingespeist wird und dort verflüssigt wird, um seine Energie an den Verflüssiger und letztendlich an die Kühlflüssigkeit abzugeben, die über den Verflüssiger- Ausgang 22 in das zu wärmende Gebiet 60 laufen kann. Erfindungsgemäß wird ein Großteil der Überhitzungsenthalpie damit bereits als Wärmeleistung an das Kühlwassersystem abgegeben, also an den Kreislauf, der durch das zu wärmende Gebiet 60 läuft. Wird der Wärmeübertrager 43 in dem Dampfraum etwas größer ausgelegt als es eigentlich nur für die Zwischenkühlung erforderlich ist, so kann ein einstufiger Betrieb bereits über diesen Wärmeübertrager 43 stattfinden. Es entfällt ein Umschalten zwischen einstufigem und mehrstufigem Betrieb. Es muss also keine Um- schaltung von Flüssigkeitsleitungen zwischen beiden Betriebsarten erfolgen. Im einstufigen Fall wird einfach der Verdichter der nachgeschalteten Stufe ausgeschaltet. Lediglich der erste Verdichter 31 und eine Pumpe, die bei 82 gezeigt ist und irgendwo im Kühlkreis- lauf angeordnet sein kann, vorzugsweise jedoch an dem nach außen zugänglichen An- schluss des Wärmeübertragers 23 im Verflüssiger angeordnet ist, sind im einstufigen Betrieb nötig. Dies ist links oben in Fig. 4 dargestellt. Im zweistufigen Betrieb sind dagegen beide Verdichter K1 , K2 und auch die Pumpe P eingeschaltet. Es sei darauf hingewiesen, dass bei bestimmten Ausführungsformen im einstufigen Betrieb Kondensatbildung am Wärmeübertrager 43 stattfinden kann. Es wird bevorzugt, daher eine Drossel 63 vorzusehen, um dieses Kondensat in den Verdampfer zu bringen. Darüber hinaus ist die zweite Drossel 62 vorgesehen, um für einen zweistufigen Betrieb für ein geschlossenes System zu sorgen. Damit hat das System eine offene Komponente, da im einstufigen Betrieb über einen Bereich das Kondensat der Drossel 63 zugeführt und zunächst vorher gesammelt werden soll. ^'

Die Kühlflüssigkeit und das Kondensat der nachgeschalteten Stufe werden über die Drossel 64 in den Verdampfer zurückgeführt, wo dann das Schließen des Kreislaufs stattfindet. Es wird bevorzugt, dass das Wasser in der zweiten Drossel 62 den Wärmeübertrager 43 nicht berührt, da es sonst durch Verdampfung das Kühlwasser im Wärmeübertrager abkühlen würde. Statt der Drossel 64 oder zusätzlich kann eine weitere (in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnete) Drossel 65 zwischen dem Verflüssiger 20 und dem Dampfraum 32 vorhanden sein, die durch die Drossel 63 zwischen dem Dampfraum 32 und dem Verdamp- fer 10 ergänzt wird. Die Drosseln sind derart ausgebildet sind, dass der Zwischenkühler 40 im Dampfraum 32 mit Flüssigkeit aus den Drosseln nicht in Kontakt kommt.

Wenn, wie es in Fig. 2 beispielsweise dargestellt ist, das Kühlwasser zunächst durch die nachgeschaltete Stufe, also durch den Verfiüssiger fließt und dann durch die Zwischen- kühlung der ersten Stufe, dann steigt die Temperatur desselben und damit der Abstand zur S attd a m pfte m perat u r in der Zwischenkühlung an. Im einstufigen Betrieb kann aber auch der Kondensationsraum nach der Stufe teilweise mitgenutzt werden, und so kann die Wärmeübertragerfläche in der Zwischenkühlung und dem einstufigen Betrieb wiederum etwas verkleinert werden. Der Tropfenabscheider 72 kann je nach Implementierung auch weggelassen werden, da der Wärmeübertrager 43 für eine leichte Überhitzung sorgt. Damit entstehen keine Tropfen in diesem Bereich, wenn die zweite Stufe aktiv ist. Kritisch ist das Anfahren der zweiten Stufe jedoch, wenn der Wasserdampf zuvor in der Zwischenkühiung kondensiert ist und diese beim Anfahren feucht ist. Dann können Wassertropfen durch das Absenken des Saugdrucks durch Sieden entstehen und der Tropfenabscheider 72 ist zumindest kurzzeitig nötig, dies kann durch ein langsames Anfahren der zweiten Stufe vermieden werden.

Fig. 7 zeigt eine tabellarische Zusammenstellung verschiedener Modi, die z. B. mit einem Zwei-Wege-Schalter 720 und dem Wärmetauscher 710, wie sie in Fig. 1 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 (Tempera- tur an oder in dem zu kühlenden Gebiet 50) größer als TWW (Temperatur an oder in dem zu wärmenden Gebiet 60) ist, ist die freie Kühlung aktiv, Ferner ist der steuerbare Wärmetauscher von beiden Seiten durchflössen, ist also aktiv. Darüber hinaus ist der Verdichter (beide Stufen) deaktiviert, also ausgeschaltet. Eine Steuerung der Temperatur kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die in einer Kondensiererkreislaufschnittstelle ent- haltene kondensiererseitige Pumpe geregelt wird. Wird festgestellt, dass die Temperatur der gekühlten Flüssigkeit kleiner als eine Solltemperatur wird, so kann die Pumpe gedrosselt werden. Wird dagegen festgestellt, dass die Temperatur zu groß wird, kann die Pumpe wieder schneller gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein typischerweise im zu wärmenden Gebiet 60 vorhandener Ventilator schneller oder langsamer ge- dreht 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 in einer ersten Stufe, und ggf. in der zweiten Stufe aktiv, und es kann eine Regelung der Tempe- ratur, die in das Rechenzentrum, bzw. in den zu kühlenden Bereich eingespeist wird, dadurch erfolgen, dass die Drehzahi des Radialrads in der ersten Stufe des Verdichters gesteuert wird, die zweite Stufe zugeschaltete wird, und/oder das Radialrad in der zweiten Stufe in seiner Drehzahl gesteuert wird. Wird eine höhere Kühlleistung benötigt, so wird die Drehzahl erhöht, und/oder die zweite Stufe zugeschaltet. Wird dagegen eine niedrigere Kühlleistung benötigt, so wird die Drehzahl des Radialrads reduziert und/oder die zwei- te Stufe abgeschaltet.

Im Normalbetriebsmodus, der in einem warmen Temperaturbereich aktiviert wird, sind die Temperaturen beispielsweise größer als 16 °C sind. Dann wird der steuerbare Wärmetauscher 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 kann ein steuerbarer Kurzschluss zwischen dem Ausgang bzw. dem Kondensiererkreislauf und dem Eingang bzw. dem Verdampferkreislauf des Wärmepum- pengeräts 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 Durchfluss- menge in den entsprechenden ersten oder zweiten Weg der Wärmetauschereinheit eingespeist und mit dem anderen (typischerweise größeren) Anteil am Ausgang der Wärmetauschereinheit wieder kombiniert. Diese Mischerwirkung 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 also ein Wärmetauscher und ein Drei-Punkt-Schalter installiert. Der Drei-Punkt-Schalter kann auf der Kaltwasserseite oder der Warmwasserseite eingebaut sein und soll den Durchfluss durch den Wärmetauscher freischalten oder sperren. 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 Druckver- hältnis 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, d.h. dem zu wärmenden Gebiet (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 Wär- metauscher praktisch keine Energie mehr übertragen werden. Die gesamte Kälteleistung muss jetzt von der Kompressionskältemaschine bereitgestellt werden. Steigen die Kühlwassertemperaturen weiter an, in diesem Bereich über 26 °C, muss der Drei-Wege- Schalter mindestens einseitig den Durchfluss durch den Wärmetauscher sperren, sonst müsste die Kälteanlage noch mehr Kälteleistung als von der Anwendung gefordert erbrin- gen.

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 geforderten Kundentemperatur, hier 16 °C, kann der Ventilator auf dem Dach und können schließlich die Pumpen gedrosselt werden. BEZUGSZEICHENLISTE

10 Verdampfer

1 1 Anschluss für Rücklauf vom zu kühlenden Gebiet

12 Anschluss für Hinlauf zum zu kühlenden Gebiet

13 Ansaugleitung

20 Verflüssiger

21 Verflüssiger-Eingang

22 Verflüssiger-Ausgang

23 Wärmeübertrager im Verflüssiger

24 Ausstoßleitung

30 Verdichter

31 erste Verdichterstufe

32 Dampfraum

33 zweite Verdichterstufe

40 Zwischenkühler

41 Zwischenkühler-Eingang

42 Zwischenkühler-Ausgang

43 Wärmeübertrager im Zwischenkühler

50 zu kühlendes Gebiet

59 Trennwand

60 zu wärmendes Gebiet

61 Anschluss für den Hinlauf zum zu wärmenden Gebiet

62 Anschluss für den Rücklauf vom zu wärmenden Gebiet

63 erste Drossel

64 zweite Drossel

65 weitere Drossel

71 Tropfenabscheider

72 Tropfenabscheider

80 Steuerung

82 Pumpe

91 Saugmund

92 Radialrad

93 Motor

94 Leitraum

100 Verdampfer Wärmetauscher

Verdichter

Ansaugleitung

Ausstoßleitung

Verflüssiger

Wärmetauscher

Expansionsventil

Wärmetauschereinheit

Zwei-Wege-Schalter