verbundenen Wärmetauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zum unterschiedlichen Betreiben einer Wärmepumpe durch

Umschaltung der Wärmeströme gemäss dem Oberbegriff nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum unterschiedlichen

Betreiben einer Wärmepumpe.

Mit Wärmepumpen können Gebäude sowohl beheizt _. als auch gekühlt werden. Der Übergang vom Heizmodus zum Kühlmodus des Gebäudes kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, erfordert aber eine aktive Umstellung entweder innerhalb der Wärmepumpe oder ausserhalb der Wärmepumpe bei der hydraulischen Verschaltung . Nur durch diese Umschaltung ist es möglich, dass z.B. im Kühlfall dem Gebäude Wärme entzogen werden kann, wo vorher im Heizfall Wärme abgegeben wurde.

In typischen Wärmepumpen-Anlagen, sowie bei den weit verbreiteten Klimageräten, welche für den Heiz- und

Kühlbetrieb ausgelegt sind, findet die Umschaltung im

Wärmepumpenkreislauf statt. Die Wärmepumpe wechselt dabei den Betriebsmodus, indem der Verdampfer zum Kondensator und der Kondensator zum Verdampfer wird. Diese Weise der

Umschaltung ist nicht ideal und führt zu Effizienzverlusten in einem der beiden Betriebsmodi, weil die Komponenten Verdampfer und Kondensator nicht identisch sind. Zudem verkompliziert sich der Kältemittelkreislauf um zusätzliche Ventiltechnik, welche für das Umschalten notwendig ist.

Aus Gründen der genannten Nachteile ist es wünschenswert, andere Möglichkeiten der Umschaltung zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit ist beim Wechsel von einem

Betriebsmodus, z.B. Heizen in den anderen Modus, z.B.

Kühlen, den Wärmepumpenkreislauf unverändert zu belassen aber auf der Installationsseite, wie z.B. auch in DE

2542728 AI beschrieben, Wärmequelle und -senke zu

vertauschen. Dieses Vertauschen führt allerdings zu einer Vermischung der Medien zwischen Wärmequelle und -senke. Demnach eignet sich diese Art der äusseren Umschaltung nur, wenn quellen- und senkenseitig das gleiche Medium verwendet wird. Dadurch sind z.B. Luft-Wasser- und Sole-Wasser- Wärmepumpen ausgeschlossen, es sei denn, es werden

zusätzliche Wärmetauscher verwendet, welche die Vermischung der Medien verhindern.

Heute erstellte Wärmepumpen-Anlagen werden häufig mit

Erdsonden betrieben. Aufgrund des in gemässigten Klimazonen herrschenden natürlichen Temperaturgradienten im Erdreich ist es aus Effizienzgründen für das Heizen mittels

Wärmepumpen interessant, tiefe Erdsonden > 300 m zu

verwenden. Mit den heute standardmässig verwendeten U- /Doppel-U-Rohrsonden ist der Druckverlust für die

Medienzirkulation bei diesen grossen Tiefen erheblich. Zudem entsteht bei diesem Sondentyp ein thermischer

Kurzschluss, so dass das Potential tiefer

Erdsondenbohrungen nicht ausgenutzt werden kann. Als alternativer Sondentyp bieten sich z.B. sog. Koaxial- Erdsonden an. Bei solchen Sonden durchströmt das

Wärmeträgermedium ein aussenliegendes Rohr, sowie ein innenliegendes, idealerweise thermisch isoliertes

Zentralrohr geringeren Durchmessers. Zur besseren

Ausnutzung des Potentials hoher Temperaturen im Heizbetrieb der Wärmepumpe strömt das entwärmte Wärmeträgermedium in der Erdsonde im aussenliegenden Rohr in die Tiefe und wärmt sich kontinuierlich auf. Am Grund der Erdsonde ist die maximale Temperatur erreicht und das Wärmeträgermedium strömt im innenliegenden Zentralrohr zurück zur Wärmepumpe. Im Kühlbetrieb der Wärmepumpe werden die Wärmequelle und - Senke vertauscht und die Flussrichtung in der Erdsonde wird umgekehrt. Dadurch wird die abzuführende Wärme aus dem Kondensator der Wärmepumpe bei maximaler Temperatur am tiefsten Punkt der Erdsonde ins Erdreich zurückgebracht und dort effektiv eingespeichert. Das erwärmte

Wärmeträgermedium strömt also im Zentralrohr nach unten und im aussenliegenden Rohr zurück. Die Flussrichtungsumkehr in dem im Heizbetrieb quellenseitig mit der Wärmepumpe

verbundenen Wärmetauscher (Erdsonde) beim Wechsel vom Heiz- zum Kühlbetrieb wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 1 näher erläutert.

Die Umschaltung der Wärmeströme auf der Installationsseite, anstelle der Kältemittelumschaltung in der Wärmepumpe, wird heute nur selten eingesetzt und mit heute verfügbaren

Ventiltypen (4-Weg, 3-Weg, Absperrventil, etc.) ergibt sich bei dieser Art der Umschaltung eine aufwändige Hydraulik mit mindestens 2 einzelnen Ventilen für die einfache

Umschaltung Heizen/Kühlen, mindestens 3 Ventilen für die Umschaltung inklusive Flussrichtungsumkehr der Erdsonde und einer hohen Anzahl Verbindungen, welche mit hohem

Installationsaufwand und entsprechenden Kosten verbunden ist. Der erhöhte Material- und Installationsaufwand für die Realisierung der äusseren Umschaltung und der zusätzlichen Flussrichtungsumkehr bremst die Verbreitung dieser Lösung. Es besteht aus diesem Grund ein Bedarf an technischen

Lösungen für eine Umschaltung der Wärmeströme inkl.

Flussrichtungsumkehr, welche einfach sind und mit einem reduzierten Material- und Installationsaufwand einhergehen.

Ein möglicher Lösungsansatz, wie z.B. in EP 0 967 447 AI beschrieben, bewirkt das Vertauschen von Wärmequelle und - senke mit einem einzelnen Ventil, bewerkstelligt aber keine Flussrichtungsumkehr in einer z.B angeschlossenen Koaxial- Erdsonde. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden

Erfindung, eine Möglichkeit der Umschaltung der Wärmeströme mit Flussrichtungsumkehr in einem, im Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbundenen Wärmetauscher wie z.B. einer Erdsonde, vorzuschlagen, welche einfach ist und mit einem reduzierten Material- und Installationsaufwand ermöglicht wird. Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, wie ebenfalls in EP0967447 AI beschrieben, mit einem einzelnen Ventil eine einfache äussere Umschaltung für Wärmepumpen zu erreichen, welche sowohl auf der Quellen- als auch auf der Senkenseite das gleiche, flüssige Medium verwenden.

Das Ventil soll so beschaffen sein, dass in

unterschiedlichen Ausführungen nebst der einfachen

Umschaltung der Quellen- und Senkenseite auch eine

Flussrichtungsänderung, beispielsweise in einer Erdsonde, bewirkt werden kann. Zudem soll das Ventil die Möglichkeit geben, die Wärmepumpe bei Bedarf zu umgehen, um Quellen- und Senkenseite direkt kurzzuschliessen und z.B. im Verbund mit einer Erdsonde eine direkte Kühlung, sog. „free cooling" des Gebäudes und/oder eine direkte Regeneration des Erdreichs z.B. mit einem thermischen Kollektor zu ermöglichen .

Erfindungsgemäss vorgeschlagen wird eine Ventilanordnung zum unterschiedlichen Betreiben einer Wärmepumpe, wie zum Umschalten der Wärmeströme einer Wärmepumpe, gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1.

Vorgeschlagen wird, dass die Ventilanordnung aus einem Umschaltventil und einem Wärmetauscher besteht. Das

Umschaltventil weist ein Gehäuse auf mit mindestens vier Anschlussstutzen, verbunden mit der Wärmepumpe sowie mindestens vier Anschlussstutzen, je zwei davon verbunden mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, mit mindestens einem Ventilkörper und einem Antriebselement, um den

Ventilkörper relativ bezüglich der verschiedenen

Anschlussstutzen im Gehäuse zu bewegen. Der Wärmetauscher ist derartig an das Ventil angeschlossen, dass er im

Heizbetrieb der Wärmepumpe mit dessen Quellenseite

verbunden ist und dass beim Übergang der Wärmepumpe vom Heizbetrieb in den Kühlbetrieb, die Flussrichtüng des Wärmeträgermediums in diesem Wärmetauscher umgekehrt wird. Beispielshaft wird als Wärmetauscher eine Koaxial-Erdsonde eingesetzt .

Gemäss einer Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, dass der Ventilkörper des Umschaltventils Durchdringungen wie hohlraumartige Durchgänge aufweist, von welchen mindestens ein Teil, davon je mindestens zwei Anschlussstutzen im Gehäuse, je nach Betriebsmodus unterschiedlich miteinander verbindet .

Wiederum gemäss einer Ausführungsvariante wird

vorgeschlagen, dass der Ventilkörper rotations-symmetrisch ausgebildet ist, wie beispielsweise zylindrisch oder kugelförmig, und bezüglich des den Ventilkörper

mantelförmig umgebenden Gehäuses rotierbar ist, um die Anschlussstutzen unterschiedlich miteinander zu verbinden.

Gemäss einer weiteren Ausführungsvariante wird

vorgeschlagen, dass der Ventilkörper linear zum Gehäuse bewegbar ist, womit durch eine translatorische Bewegung die Anschlussstutzen je nach Betriebsmodus unterschiedlich miteinander verbindbar sind. Weitere Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen

charakterisiert.

Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum

unterschiedlichen Betreiben einer Wärmepumpe durch

Umschaltung der Wärmeströme der Wärmepumpe gemäss dem

Wortlaut nach Anspruch 11.

Wiederum weitere Ausführungsvarianten des erfindungs- gemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert .

Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figuren la und lb ein Beispiel einer hydraulischen

Verschaltung eines Wärmepumpen-Systems mit der

erfindungsgemässen Ventilanordnung;

Figur 2 schematisch im Schnitt ein erfindungsgemässes Umschaltventil mit angeschlossenem Wärmetauscher, welcher im Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe

verbunden ist;

Figuren 3 und 4 zwei beispielhafte Ausführungen des erfindungsgemässen Umschaltventils schematisch im Schnitt, ebenfalls mit angeschlossenem Wärmetauscher, welcher im Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbunden ist ;

und Figur 5 schematisch verschiedene Betriebsmodi mit

Verbindungen zwischen den verschiedenen Anschlüssen des Umschaltventils und der Durchströmungsrichtung des

angeschlossenen Wärmetauschers, welcher im Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbunden ist.

Die Figuren la und lb zeigen ein Beispiel einer

hydraulischen Verschaltung eines Wärmepumpensystems mit

Wärmepumpe 1, Koaxial-Erdsonde 2, thermischem Kollektor 3, Raumabgabesystem 4, Zirkulationspumpen 5 und

Ventilvorrichtung 6 der Ventilanordnung gemäss Erfindung. Figur la zeigt das System im Heizbetrieb resp. Figur lb das System im Kühlbetrieb mit jeweils beispielhaften

Betriebstemperaturen. Im Heizfall ist der Kreislauf des thermischen Kollektors ausgeschaltet und die Koxial- Erdsonde wird von aussen nach innen durchströmt (von α nach ß) . Im Kühlfall ist der Kreislauf des Kollektors

eingeschaltet, die Flussrichtung in der Koaxial-Erdsonde wird umgekehrt und die Durchströmung findet von innen nach aussen statt (von ß nach a) . Die Umkehrung der

Flussrichtung verhindert resp. begünstigt den

Wärmeaustausch zwischen Sondenfluid und dem Erdreich entlang der Sondenlänge selektiv.

Die äussere Umschaltung erlaubt einen konstanten und gleichsinnigen Betrieb des Kältekreislaufs der Wärmepumpe und erhöht dadurch die mittlere Effizienz der Wärmepumpe über beide Betriebsmodi Heizen und Kühlen betrachtet.

Die Erfindung reduziert die Komplexität der hydraulischen Installation, die sich bei der äusseren Umschaltung mit

Flussrichtungsumkehr mit klassischer Ventiltechnik ergibt, indem die Komplexität der Verschaltung innerhalb eines einzigen Ventils zu liegen kommt. Es reduziert sich dadurch der Installationsaufwand und es besteht das Potential, eine günstigere Lösung zu realisieren. Die Reduktion von

mindestens drei 4-Weg oder vier 3-Weg Ventilen für die Umschaltung Heizen/Kühlen inklusive Umkehr der

Flussrichtung in der Sonde auf ein einzelnes Ventil

verbessert durch den Platzgewinn auch die Möglichkeit der Integration der äusseren Umschaltung ins Gehäuse der

Wärmepumpe .

Des Weiteren erlaubt das Umschaltventil der Ventilanordnung eine einfache Integration von zusätzlichen Funktionen, wie z.B. das Umgehen der Wärmepumpe für einen „free cooling"-

Betrieb oder für die direkte Regeneration des Erdreichs mit einem thermischen Kollektor oder das Vertauschen der

Reihenfolge für die Durchströmung von Erdsonde und

thermischem Kollektor in Verbindung mit einer

Flussrichtungsumkehr bei der Koaxial-Erdsonde oder

sonstige . Erfindungsgemäss setzt sich das Umschaltventil der

Ventilanordnung wie in Figur 2 gezeigt, zusammen aus einem Gehäuse 7 mit Anschlussstutzen für die Wärmepumpe 8 und für die Quellen/Senken 9, einem Ventilkörper 10 und einem

Antriebselement 11 mit möglichen Erweiterungen der

Anschlussstutzen für die direkte Anbindung von z.B. einem thermischen Kollektor.

Der Ventilkörper 10 enthält Hohlräume resp.

Durchdringungen, welche die Anschlussstutzen der

Wärmepumpenseite 8 in einer bestimmten Weise mit den

Anschlussstutzen der Quellen-/Senkenseite 9 verbinden.

Welche Anschlussstutzen miteinander verbunden sind, hängt von dem jeweiligen Betriebsmodus (Heizen/Kühlen, „free cooling", Regeneration Erdreich, etc.) ab. Zudem ist es entgegen der Darstellung in Figur 2 möglich, dass die

Anschlüsse der Wärmepumpe und der Quellen-/Senken-Seite je beidseitig des Ventilkörpers angeordnet sein können.

Allenfalls können die Anschlüsse allseitig angeordnet sein.

Für die Ventilanordnung wie in Figur 2 gezeigt, sind für die Umschaltung der Wärmeströme gemäss beschriebener

Erfindung unterschiedliche Ausführungen möglich. Zwei mögliche Ausführungen werden durch eine rotative Bewegung um die x- respektive y-Achse umgeschaltet und basierend auf einem zylindrischen Ventilkörper mit Durchdringungen auf der Manteloberfläche respektive auf den Stirnseiten.

Weitere rotationssymmetrische Geometrien, wie z.B. eine Kugel, sind als Ventilkörper ebenfalls denkbar. Eine weitere Ausführung basiert auf einem Linearschieber, welcher durch eine translatorische Bewegung entlang der x- Achse oder quer dazu die Umschaltung bewirkt.

Charakteristisch für die Erfindung ist, dass die äussere Umschaltung und die Flussrichtungsumkehr in einem, im

Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbundenem Wärmetauscher wie z.B. einer Erdsonde, innerhalb eines einzelnen Elements (Ventil) passiert und lediglich ein Stellelement für die Umschaltung erforderlich ist. Als alternative Ausführung zu jener in Figur 2 dargestellt, kann die Verschaltung der Anschlüsse auch im Gehäuse 7 definiert sein und statt des Ventilkörpers 10 auch eine einfache Steuerscheibe verwendet werden, welche selektiv gewisse Verbindungen im Gehäuse freigibt und andere trennt.

In Figur 3 und Figur 4 sind zwei beispielhafte Ausführungen der erfindungsgemässen Ventilanordnung dargestellt. Das Umschaltventil als Bestandteil dieser Ventilanordnung ist einerseits als Zylinder mit Rotation um die x-Achse (Figur 3) und als axialer Schieber mit Verschiebung entlang der x- Achse (Figur 4) im Schnitt dargestellt. Der Wärmetauscher, welcher im Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbunden ist in beiden Ausführungen an das Umschaltventil angeschlossen. In beiden Ausführungen wird zwischen der Quellen- und Senkenseite umgeschaltet sowie die

Flussrichtung in dem angeschlossenen Wärmetauscher

umgekehrt . Die Stellung des zylindrischen Umschaltventils in Figur 3 oben zeigt den Heizbetrieb, so dass i mit A, ii mit C, ii mit B, und iv mit D verbunden sind. Der angeschlossene Wärmetauscher wird von Anschluss in Richtung Anschluss durchströmt. Im Kühlbetrieb (Figur 3 unten) sind die

Anschlüsse i mit C, ii mit A, iii mit D, und iv mit B, miteinander verbunden. Der angeschlossene Wärmetauscher wird von Anschluss ß in Richtung Anschluss durchströmt.

In Figur 4 oben ist das Ventil in der axialen Ausführung in der Stellung für den Heizbetrieb gezeigt, so dass ebenfalls i mit A, ii mit B, iii mit C und iv mit D verbunden sind. Bei dieser Ausführung wird die Verbindung zwischen iv und D im Heizfall nicht alleine durch den Ventilkörper, sondern über den Ventilkörper und den Gehäusehohlraum erreicht. Der angeschlossene Wärmetauscher wird von Anschluss in

Richtung Anschluss ß durchströmt. Im Kühlbetrieb (Figur 4 unten) sind die Anschlüsse i mit B, ii mit D, iii mit A, und iv mit C, miteinander verbunden. Die Verbindungen zwischen der Wärmepumpe und der Quelle/Senke sind im

Kühlfall für die gezeigte Anordnung wieder alleine durch den Ventilkörper hergestellt. Der angeschlossene

Wärmetauscher wird von Anschluss ß in Richtung Anschluss durchströmt .

Beispielhafte Darstellung der Verbindungen zwischen Wä pumpe und der Quellen-/Senkenseite, sowie

Durchströmungsrichtung des im Heizbetrieb mit der Quellenseite der Wärmepumpe verbundenen Wärmetauschers für unterschiedliche Betriebsmodi.

In Figur 5 sind für verschiedene Betriebsmodi die

Verbindungen zwischen den verschiedenen Anschlüssen der Ventilvorrichtung, sowie die Durchströmungsrichtung des angeschlossenen Wärmetauschers schematisch dargestellt. Für die äussere Umschaltung der Quellen- und Senkenseite inklusive Flussrichtungsumkehr (Figur 5, Stellung a-c) werden die Wärmepumpe, das Abgabesystern und ein

Wärmetauscher (z.B. Erdsonde) an die Ventilvorrichtung angeschlossen. Bei einer möglichen Erweiterung der

Ventilvorrichtung wird zusätzlich ein thermischer Kollektor an die Ventilvorrichtung angeschlossen (Figur 5, Stellung d-f) . Mit dieser Erweiterung ist es möglich, die

Reihenfolge für die Durchströmung von Erdsonde und

thermischem Kollektor beizubehalten, resp. zu . ertauschen, bei gleichzeitiger Umkehrung der Flussrichtung in der Erdsonde .

Bei den verschiedenen Betriebsmodi in Figur 5 handelt sich um die folgenden:

Stellung a: Heizen

Stellung b: Kühlen mit Umkehrung der Flussrichtung in der Erdsonde

Stellung c: Free cooling

Stellung d: mögliche Erweiterung; Heizen mit thermischem

Kollektor und Koaxial-Erdsonde Stellung e: mögliche Erweiterung; Kühlen mit thermischem Kollektor und Koaxial-Erdsonde

Stellung f: mögliche Erweiterung: Regeneration des

Erdreichs mit thermischem Kollektor

Legende

i Kondensator OUT

ii Verdampfer IN

iii Verdampfer OUT

iv Kondensator IN

A Raum VL

B ärmetauscheranschluss ß

C Wärmetauscheranschluss α

D Raum RL

E VL Therm. Kollektor

F RL Therm. Kollektor

Bei den in den Figuren 1 bis 5 dargestellten möglichen Ausführungsvarianten einer erfindungsgemässen Ventilanordnung sowie der beschriebenen Verfahren handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele für das bessere

Verständnis der vorliegenden Erfindung.

Insbesondere die dargestellten Ventilanordnungen sind lediglich Beispiele, und andere Ausführungsvarianten sind möglich. Beispielsweise denkbar ist, dass der Ventilkörper als Kugel ausgebildet ist und durch Rotation des Ventilkörpers innerhalb eines mantelförmig den Körper umgebenden Gehäuses, die verschiedenen Anschlüsse, wie unter Bezug auf Figur 5 dargestellt, miteinander verbunden werden können. Statt eines Schiebers kann

selbstverständlich auch ein Zylinder innerhalb eines

Gehäuses linear bewegt werden und gegebenenfalls können auch bereits Teile der Verbindungen innerhalb des Gehäuses vorgesehen sein. Ebenfalls denkbar ist eine Lösung als Linearschieber, welcher quer zur x-Achse verschoben wird und im Ventilkörper jeweils pro Position Durchdringungen entsprechend der Zahl der äusseren Anschlüsse enthält. Auf die Materialwahl für die Herstellung von Gehäuse und

Ventilkörper wird in der vorliegenden Erfindung nicht speziell eingegangen, da sowohl metallene Werkstoffe wie auch Polymer-, keramische - oder andere Werkstoffe, je nach Anforderung, verwendet werden können. Auch auf den Antrieb und die Steuerung des Ventils wird in der vorliegenden Erfindung nicht speziell eingegangen, da den Möglichkeiten keine Grenzen gesetzt sind.