Wärmepumpenanlage

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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpenanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

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Eine Wärmepumpenanlage der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument DE 102011 011 210 Al bekannt. Diese Wärmepumpenanlage besteht aus einem Wärmepumpenkreislauf für ein eine Primärseite eines Wärmeübertragers durchströmendes Wärmepumpenkreislaufmedium und einem Heizkreislauf für ein eine Sekundärseite 15 des Wärmeübertragers durchströmendes Heizkreislaufmedium, wobei der Sekundärseite des Wärmeübertragers in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums gesehen eine Heizkreispumpe vorgeschaltet ist. Bei dem genannten Heizkreislaufmedium handelt es sich dabei typischer Weise und auch nachfolgend 20 vorzugsweise um Wasser. Außerdem gilt hier und im Folgenden, dass das Heizkreislaufmedium bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Wärmepumpenanlage nur in einer Richtung durch den Heiz- kreislauf gepumpt wird, nämlich in der vorgenannten Betriebsströmungsrichtung . 25

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpenanlage der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll eine bei einem Gasleck am Wärmeübertrager eine weitere Strömung im Heizkreislauf automatisch unterbindende Wärmepum30 penanlage geschaffen werden. Diese Aufgabe ist mit einer Wärmepumpenanlage der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruch 11 gelöst.

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Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums gesehen ein der Heizkreispumpe nach- und der Sekundärseite vorgeschaltetes und bei einer der Betriebsströmungsrichtung entgegengesetzten Strömung des Heizkreislaufmediums schließend ausgebildetes Rückschlag10 ventil vorgesehen ist und dass der Sekundärseite in Betriebsströmungsrichtung gesehen eine Entgasungseinrichtung nachgeschaltet ist, die ab einer vordefinierten Gasmenge im Heizkreislaufmedium eine Strömung des Heizkreislaufmediums in Betriebsströmungsrichtung unterbindend ausgebildet ist. Verfah15 rensmäßig ausgedrückt ist somit vorgesehen, dass ab einer vordefinierten Gasmenge des Wärmepumpenkreislaufmediums im Heizkreislaufmedium einerseits das Rückschlagventil schließt und andererseits die Entgasungseinrichtung eine Strömung des Heizkreislaufmediums in Betriebsströmungsrichtung unterbindet. 20

Nochmals mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage somit dadurch aus, dass eine Strömung des Heizkreislaufmediums automatisch unterbunden wird, sollte es am Wärmeübertrager zu einem Gasleck, also einem Durchtritt von 25 insbesondere brennbarem Wärmepumpenkreislaufmedium von der Primär- zur Sekundärseite des Wärmeübertagers, kommen. Dabei wird einerseits durch das Rückschlagventil gewährleistet, dass das Wärmepumpenkreislaufmedium nicht entgegen der Betriebströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums in Richtung Pumpe 30 strömt. Andererseits gewährleistet die Entgasungseinrichtung, dass sich das durchgetretene Wärmepumpenkreislaufmedium auch nicht in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums ausbreitet. Dabei ist ferner besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Heizkreispumpe bei Unterschreitung einer vorgegebenen Zufuhrmenge an Heizkreislaufmedium selbsttätig ausschaltend ausgebildet ist, d. h. im Falle des besagten Gaslecks wird 5 nicht nur der Eintrag von insbesondere brennbarem Wärmepumpenkreislaufmedium in den Heizkreis wirksam unterbunden, sondern es ist sogar gewährleistet, dass die Zirkulation des Heizkreislaufes automatisch komplett abgeschaltet wird.

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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Der Vollständigkeit halber wird noch auf die Dokumente EP 3 15 351 868 Al und DE 102016 106 061 Al hingewiesen.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß ihrer abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung 20 zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 größtenteils schematisch die erfindungsgemäße Wär25 mepumpenanlage mit dem Rückschlagventil und der Entgasungseinrichtung;

Figur 2 im Schnitt eine erste Ausführungsform der Entgasungseinrichtung; und

Figur 3 im Schnitt einen Teil einer zweiten Ausführngsform 30 der Entgasungseinrichtung. Die in den Figuren dargestellte Wärmepumpenanlage besteht in bekannter Weise aus einem Wärmepumpenkreislauf 1 für ein eine Primärseite 2.1 eines Wärmeübertragers 2 durchströmendes Wärmepumpenkreislaufmedium und aus einem Heizkreislauf 3 für ein eine Sekundärseite 2.2 des Wärmeübertragers 2 durchströmendes 5 Heizkreislaufmedium, wobei der Sekundärseite 2.2 des Wärmeübertragers 2 in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislauf- mediums gesehen eine Heizkreispumpe 4 vorgeschaltet ist.

Weiterhin ist in an sich bekannter Weise bevorzugt vorgesehen, 10 dass der Wärmepumpenkreislauf 1 neben dem Wärmeübertrager 2, eine Drosseleinrichtung 9, einen weiteren Wärmeübertrager 10 und einen Verdichter 11 aufweist. Sofern die Wärmepumpenanlage zur Beheizung eines Gebäudes verwendet wird (Heizbetrieb), arbeitet der Wärmeübertrager 2 dabei als Kondensator und der 15 weitere Wärmeübertrager 10 als Verdampfer, dem Wärme typischer Weise über eine Umweltwärmequelle wie Luftwärme oder Erdwärme zugeführt wird. Wird die Wärmepumpenanlage dagegen (was auch möglich ist) zur Kühlung verwendet, ist der Wärmeübertrager 2 entsprechend als Verdampfer arbeitend ausgebildet. 20

Ferner ist bei Verwendung der Wärmepumpenanlage im Heizbetrieb in an sich bekannter Weise vorgesehen, dass der Heizkreislauf 3 wahlweise Wärmeabgabeeinrichtungen (zum Beispiel Heizkörper oder eine Fußbodenheizung) und/oder Wärmespeicher (zum Bei25 spiel einen Warmwasserspeicher) umfasst.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage ist nun, dass erstens in Betriebsströmungsrichtung des Heizkreislaufmediums gesehen ein der Heizkreispumpe 4 nach- und der Sekundär30 seite 2.2 vorgeschaltetes und bei einer der Betriebsströmungsrichtung entgegengesetzten Strömung des Heizkreislaufmediums schließend ausgebildetes Rückschlagventil 5 vorgesehen ist und dass zweitens der Sekundärseite 2.2 in Betriebsströmungsrichtung gesehen eine Entgasungseinrichtung 6 nachgeschaltet ist, die ab einer vordefinierten Gasmenge (an Wärmepumpenkreislauf- medium) im Heizkreislaufmedium eine Strömung des Heizkreis5 laufmediums in Betriebsströmungsrichtung unterbindend ausgebildet ist. Verfahrensmäßig ausgedrückt ist vorgesehen, dass ab einer vordefinierten Gasmenge des Wärmepumpenkreislaufmediums im Heizkreislaufmedium einerseits das Rückschlagventil 5 schließt und andererseits die Entgasungseinrichtung 6 eine 10 Strömung des Heizkreislaufmediums in Betriebsströmungsrichtung unterbindet. Wie eingangs bereits erläutert wurde, bewirken diese Maßgaben, dass bei einem Leck am Wärmeübertrager 2 das Wärmepumpenkreislaufmedium jedenfalls nur in begrenztem Umfang in den Heizkreislauf 3 gelangen kann. 15

Dabei ist weiterhin besonders bevorzugt vorgesehen, dass an der Entgasungseinrichtung 6 ein Entlastungsventil 12 vorgesehen ist, über das das Wärmepumpenkreislaufmedium im Falle einer Leckage an die Umgebung des Gebäudes abführbar ist. 20

Die oben verwendete Maßgabe "vordefiniert " bedeutet dabei, dass die Entgasungseinrichtung 6 so ausgelegt ist, dass die Strömungsunterbindung erst ab einer bestimmten Leckagerate erfolgt, d. h. Leckagen unterhalb dieser "vordefinierten" Menge 25 werden erfindungsgemäß durchaus toleriert bzw. über den nachfolgend noch erläuterten Entlüfter 7 abgeschieden, da von ihnen noch keine Gefahr ausgeht. Eine kleine Leckage über einen längeren Zeitraum würde allerdings natürlich von der Wärmepumpe selbst "bemerkt" werden und dann auch zu deren Abschalten 30 führen. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass wahlweise der Wärmeübertrager 2 und/oder die Entgasungseinrichtung 6 außerhalb eines den Heizkreislauf 3 teilweise aufnehmenden Gebäudes angeordnet ist bzw. sind, d. h. erfindungsgemäß wird dafür gesorgt, dass das Wärmepumpenkreislaufmedium erst gar nicht in 5 das Gebäude gelangen und dort eventuell Schaden verursachen kann.

Zur weiteren Unterstützung dieser Sicherheitsfunktion ist dabei, wie bereits erläutert, ferner besonders bevorzugt vorge10 sehen, dass die Heizkreispumpe 4 bei Unterschreitung einer vorgegebenen Zufuhrmenge an Heizkreislaufmedium (zur Heizkreispumpe 4) selbsttätig ausschaltend ausgebildet ist bzw. selbsttätig ausschaltet, d. h. die Heizkreispumpe 4 schaltet ab, sobald an ihrem Pumpeneingang nicht mehr ausreichend Heiz15 kreislaufmedium vorliegt, sprich die Gefahr droht, dass die Heizkreispumpe "leer" läuft. Die besagte Unterschreitung resultiert dabei aus der Wirkung der nachfolgend noch genauer beschriebenen Entgasungseinrichtung 6, die dafür sorgt, dass das Heizkreislaufmedium bei einem Leck im Wärmeübertrager 2 20 nicht mehr im Heizkreislauf 3 zirkulieren kann.

Bezüglich der Entgasungseinrichtung 6 ist dabei (und die nachfolgenden Erläuterungen gelten, sofern nichts anderes ausgeführt ist, für alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen 25 Entgasungseinrichtungen) besonders bevorzugt vorgesehen, dass diese als Behälter mit einem Zulauf 6.2 und mit einem Ablauf 6.3 für das Heizkreislaufmedium ausgebildet ist. Dabei ist ferner besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Zulauf 6.2 bei bestimmungsgemäßem Betrieb der Wärmepumpenanlage oberhalb des 30 Ablaufs 6.3 angeordnet ist. Außerdem ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Ablauf 6.3 an einer tiefsten Stelle 6.4 am Behälter angeordnet ist. Der Behälter weist dabei ferner vorzugsweise ein Volumen zur Aufnahme von Heizkreismedium von mindestens 1,5 Litern, besonders bevorzugt mindestens 2,5 Liter, ganz besonders bevorzugt mindestens 3,5 Liter auf. Dabei ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass eine Strömungsge5 schwindigkeit des Heizkreislaufmediums beim Übergang vom Zulauf 6.2 zum Behälter um mindestens 50%, vorzugsweise 75%, reduziert wird. Ganz besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Behälter höchstens 0,4 m/ s, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,3 m/s, beträgt. Diese 10 Maßgabe bringt dabei den ganz erheblichen Vorteil mit sich, dass möglichweise im Heizkreislaufmedium befindliches gasförmiges Wärmepumpenkreislaufmedium nicht zum Ablauf 6.3 mitgerissen wird, sondern im Behälter nach oben aufsteigen und dann abgeführt werden kann. 15

Zur Realisierung der Strömungsunterbindung ist weiterhin besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Entgasungseinrichtung 6 einen im Leckagefall einen Stopfen bildenden Schwimmer 6.1 aufweist. 20

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist dieser Schwimmer 6.1 dabei als länglicher, an seinem unteren Ende verjüngter Pfropfen ausgebildet. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist der Schwimmer 6.1 dagegen als Kugel ausgebildet. Allen Ausfüh25 rungsformen ist dabei natürlich gemein, dass der Schwimmer 6.1 eine geringere Dichte als das Heizkreislaufmedium hat und dementsprechend in diesem schwimmt, sofern die Entgasungseinrichtung 6 mit diesem gefüllt ist. Ist das Heizkreislaufmedium dagegen im Falle eines Lecks vom Wärmepumpenkreislaufmedium aus 30 der Entgasungseinrichtung herausgepresst worden, so verschließt der Schwimmer 6.1 den oben bereits erwähnten Ablauf 6.3. Oder nochmals in anderen Worten ausgedrückt, ist somit besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Schwimmer 6.1 unterhalb der vordefinierten Gasmenge im Heizkreismedium schwimmend (bei vollständig mit Heizkreismedium gefülltem Behälter oben im Behälter) und oberhalb der vordefinierten Gasmenge den Ab5 lauf 6.3 verschließend ausgebildet ist.

Dazu ist im übrigen besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Schwimmer 6.1 bei bestimmungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpenanlage oberhalb der tiefsten Stelle 6.4 im Behälter angeordnet 10 ist. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schwimmer 6.1 bei bestimmungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpenanlage innerhalb des Behälters vertikal verschieblich gelagert ist.

Noch etwas genauer betrachtet, ist - und dies gilt weiterhin 15 für alle Ausführungsformen der Entgasungseinrichtung 6 - besonders bevorzugt vorgesehen, dass der oben genannte Behälter aus einer zylindrischen, beidseitig mit Deckelelementen 6.6 verschlossenen Hülle 6.5 gebildet ist. Dabei ist ferner besonders bevorzugt im Behälter ein vorzugsweise rohrförmiges Füh20 rungselement 6.7 für den Schwimmer 6.1 angeordnet. Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, ist dabei weiterhin zur Strömungsberuhigung besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Führungselement 6.7 Durchströmöffnungen 6.8 für das Heizkreislaufmedium aufweist, d. h. das Heizkreislaufmedium strömt vom 25 Zulauf 6.2 in einen äußeren Bereich des Behälters und von dort durch die Durchströmöffnungen 6.8 in einen inneren Bereich des Behälters, wo der Schwimmer 6.1 beweglich gelagert ist und der in den Ablauf 6.3 mündet.

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Schließlich ist noch bevorzugt vorgesehen, dass wahlweise zwischen dem Wärmeübertager 2 und der Entgasungseinrichtung 6 ein Sicherheitsventil 8 angeordnet ist und/oder dass die Entgasungseinrichtung 6 einen Entlüfter 7 (zur Schnellentlüftung bei geringen Gasmengen) aufweist, wobei zusätzlich an der Entgasungseinrichtung 6 - wie dargestellt - auch noch ein Ventil zum hündischen Entlüften vorgesehen sein kann. 5

Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanlage funktioniert ohne Leck bzw. Leckage am Wärmeübertrager 2, also bei ordnungsgemäßen Betrieb, wie folgt:

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Das vom Wärmeübertrager 2 kommende Heizkreislaufmedium strömt über den Zulauf 6.2 in den Behälter der Entgasungseinrichtung 6. Dieser ist mit Heizkreislaufmedium gefüllt, so dass der Schwimmer 6.1, geführt vom mit Durchströmöffnungen 6.8 versehenen Führungselement 6.7, oben im Heizkreislaufmedium 15 schwimmt. An der tiefsten Stelle 6.4 des Behälters ist der Ablauf 6.3 angeordnet, über den das Heizkreislaufmedium die Entgasungseinrichtung 6 wieder verlässt und in Richtung zum Beispiel der Heizkörper strömt.

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Tritt nun eine nennenswerte Leckage am Wärmeübertrager 2 auf, tritt also, was absolut unerwünscht ist, insbesondere brennbares Wärmepumpenkreislaufmedium (zum Beispiel Propan) aus dem mit einem sehr hohen Druck betriebenen Wärmepumpenkreislauf 1 in größerer Menge in den mit einem deutlich niedrigeren Druck 25 betriebenen Heizkreislauf 3, so wird das im Behälter der Entgasungseinrichtung 6 gelagerte Heizkreislaufmedium aus diesem herausgedrückt, so dass der Schwimmer 6.1 nach unten gelangt und dann aufgrund des dann hohen Drucks im Behälter den Ablauf 6.3 solange dicht verschließt, bis wesentliche Mengen des Wär30 mepumpenkreislaufmediums über die Entlastungsventil 12 abgeblasen wurden, wobei der Verschluss des Ablaufs 6.3, wie be- schrieben und vom Sog der Heizkreispumpe 4 sogar selbst gefördert, dazu führt, dass auch die Heizkreispumpe 4 ihren Betrieb einstellt, d. h. die gesamte Wärmepumpenanlage geht, was bei dieser Art von Fehler folgerichtig ist, komplett auf Störung, wobei, da das Entlastungsventil 12 im Freien ausmündend ausge- 5 bildet ist, erfindungsgemäß dafür gesorgt ist, dass kein brennbares Wärmepumpenkreislaufmedium in das zu beheizende Gebäude gelangen kann.

Bezugszeichenliste

1 Wärmepumpenkreislauf

2 Wärmeübertrager

2.1 Primärseite

2.2 Sekundärseite

3 Heizkreislauf

4 Heizkreispumpe

5 Rückschlagventil

6 Entgasungseinrichtung

6.1 Schwimmer

6.2 Zulauf

6.3 Ablauf

6.4 tiefste Stelle am Behälter

6.5 Hülle

6.6 Deckelelement

6.7 Führungselement

6.8 Durchströmöffnung

7 Entlüfter

8 Sicherheitsventil

9 Drosseleinrichtung

10 Wärmeübertager

11 Verdichter

12 Entlastungsventil