Die Wärmepumpen dienen zum Abnehmen der Wärmeenergie dem zu abkühlenden Medium, in der Regel Luft oder Wasser, und zur deren Übergabe dem zu erwärmenden Medium, in der Regel Wasser in der Zentralheizung oder in einem Warmwasserbehälter. Sie sind durch einen Kühlmittelkreislauf gebildet, in den ein Verdampfer, ein Kompressor, ein Kondensator und ein Expansionsventil geschaltet sind.

Im VerdampFer nimmt das flüssige Kühlmittel unter dem dem Siedpunkt entsprechenden Druck von ca 0,1 MPa und unter der Temperatur, die niedriger ist als die des abzukühlenden Mediums, diesem Medium die Wärme ab, die der Verdampfungswärme des Kühlmittels entspricht. Das verdampfte Kühlmittel wird darauf im Kompressor derart verdichtet, dass das Kühlmittel aus dem Kompressor unter dem Druck ca 1 bis 3 MPa und unter der Temperatur geleitet wird, die höher ist als die des zu erwärmenden Mediums. Das verdampfte Kühlmittel kondensiert an der Wärmeübertragungsfläche des Kondensators und übergibt dabei die latente Wärmemenge dem zu erwärmenden Medium. Das flüssige Kühlmittel wird in das Expansionsventil geleitet, in dem sein Druck und seine Temperatur derart herabgesetzt werden, dass dieses im Verdampfer bei gleichzeitiger Abnahme der Wärme dem abzukühlenden Medium verdampft.

Als ausschlaggebendes Kriterium für Beurteilung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe gilt der sg. Heizfaktor-Verhältnis der am Austritt der Wärmepumpe dem zu erwärmenden Medium abgegebener thermischen Leistung zu der der Wärmepumpe zugeführten elektrischen Leistung. Dieser entspricht den Betriebskosten des Benutzers.

Der Heizfaktor hängt von Temperaturverhältnissen im Verdampfer und im Kondensator ab. Wenn z. B. das abgekühlte Medium die Luft mit einer Temperatur von-7 °C ist und das Wasser im Kondensator von 45 auf 50 °C erwärmt wird, geben die Hersteller der Wärmepumpen einen Heizfaktor von 2,12 an.

Nachteilig an den bekannten Wärmepumpen ist es, dass das Kühlmittel vom Kondensator zum Expansionsventil mit einer Temperatur geführt wird, die höher ist als die Eintrittstemperatur des zu erwärmenden Mediums und dass es folglich eine beträchtliche Wärmemenge abführt, die im System nicht ausgenutzt wird. Im angeführten Beispiel handelt es sich um die spezifische Wärme, die der Temperaturdifferenz zwischen +45 und-7 °C entspricht. Manchmal wird ein Teil der restlichen Wärmemenge bei bekannten Wärmepumpen, s. z. B. CZ 2000-2521 A3, dem Kühlmittel in einem hinter dem Kondensator angebrachten Kühler abgenommen und z. B. zur Erwärmung von Gebrauchswasser benutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Nutzung der restlichen spezifischen Wärme im Kühlmittel und eine neue Wärmepumpe zu entwerfen, die durch die Nutzung der restlichen Wärmemenge den Heizfaktor erhöht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Verwertung der restlichen spezifischen Wärme des Kühlmittels in einer Wärmepumpe vorgeschlagen, dem ein Kühlmittelkreislauf zugrunde liegt, in den ein Kühlmittelverdampfer zum Abnehmen der Wärme einem gasartigen oder flüssigen abzukühlenden Medium, ein Kompressor zum Verdichten des gasförmigen Kühlmittels, ein Kondensator zur Verflüssigung des Kühlmittels und zur Übergabe dessen Umwandlungswärme einem zu erwärmenden Medium, eine abgekühlte Seite eines Kühlers und ein Expansionsventil zur Drucksenkung im Kühlmittel geschaltet sind. Beim Betreiben dieser Wärmepumpe wechseln zwei Zeitabschnitte, wo im ersten Zeitabschnitt das Kühlmittel dem abzukühlenclen Medium Verdampfungswärme abnimmt, wobei sich das flüssige, nach Durchgang des Kondensators restliche spezifische Wärme enthaltende Kühlmittel, oder ein flüssiger Wärmeträger, dem die restliche Wärme vom Kühlmittel übergeben wurde, in einem Behälter derart sammeln, dass sie die vorherige Füllung des Behälters allmählich hinausdrücken, sodass es dabei nicht zur Durchmischung der Füllungen kommt. In dem zweiten Zeitabschnitt nimmt das Kühlmittel die Verdampfungswärme der Füllung des Behälters ab, u. z. so, dass man die Füllung des Behälters über eine Wärmeübertragungsfläche bis zu deren allmählichen Abkühlung auf die Temperatur zirkulieren lässt, die der Temperatur des abzukühlenden Mediums nahe liegt, wobei das verdampfende Kühlmittel über die andere Seite der Wärmeübertragungsfläche zum Eintritt des Kompressors strömt, und der Druck und damit auch der Siedepunkt des Kühlmittels derart reguliert werden, dass die Temperaturdifferenz an der Wämeübertragungsfläche der Temperaturdifferenz des Kühlmittels und des abzukühlenden Mediums im Verdampfer entspricht.

Dieses Verfahren kann in einer durch einen Kühlmittelkreislauf gebildeten Wärmepumpe durchgeführt werden, in die ein Kühlmittelverdampfer zum Abnehmen der Wärme einem gasartigen oder flüssigen abzukühlenden Medium, ein Kompressor zum Verdichten des gasförmigen Kühlmittels, ein Kondensator zur Verflüssigung des Kühlmittels und zur Übergabe dessen Umwandlungswärme einem zu erwärmenden Medium, eine abgekühlte Seite eines Kühlers und ein Expansionsventil zur Drucksenkung des Kühlmittels geschaltet sind. Die erwärmte Seite des Kühlers ist in einen ersten Wärmeträgerkreislauf geschaltet, in den weiterhin eine erste Pumpe, ein Dreiwegventil und ein Wärmeträgerbehälter geschaltet sind, wobei der Behälter gleichzeitig mittels des Dreiwegventils in einen zweiten Wärmeträgerkreislauf geschaltet ist, in den außer einer zweiten Pumpe ein sekundärer, zum Abnehmen der Wärme dem flüssigen Wärmeträger bestimmter Verdampfer geschaltet ist, der wechselweise mit dem Kühlmittelverdampfer in den Kühlmittelkreislauf schaltbar ist. Durch diese Maßnahme wird die restliche Wärmemenge des Kühlmittels hinter dem Kondensator in den Eintritt der Wärmepumpe geleitet.

Der Wärmeträgerbehälter ist vorteilhaft ein längliches, senkrecht positioniertes Gefäß, das dem Wechsel der Wärmeträgerfüllung ohne deren Vermischung angepasst ist. Dies ermöglicht, die restliche spezifische Wärme im Wärmeträger zu speichern, dessen Temperatur sich in einem relativ großen Intervall ändert.

Im Falle, dass eine Flüssigkeit als abzukühlendes Medium benutzt wird, kann als sekundärer Verdampfer der Kühlmittelverdampfer dienen, solange dieser zum Wechselschalten in einen Kreislauf des abzukühlenden flüssigen Mediums und in den zweiten Wärmeträgerkreislauf adaptiert ist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird ein Kühlmittelverdampfer erspart.

An den Austritt des ersten Wärmeträgerkreislaufs aus dem Kühler und an dessen Eintritt kann ein dritter Wärmeträgerkreislauf geschaltet sein, der wechselweise mittels eines Dreiwegventils schaltbar ist. Diese Maßnahme ermöglicht, einen Teil der restlichen Wärmemenge im Kühlmittel nach dem Austritt aus dem Kondensator in dem Zeitabschnitt zu nutzen, während dessen der Wärmeträger nicht in den Behälter geleitet wird. Das resultiert in eine weitere Erhöhung des Heizfaktors.

In einer alternativen, durch einen Kühlmittelkreislauf gebildeten Wärmepumpe zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der ein Kühlmittelverdampfer zum Abnehmen der Wärme einem gasartigen oder flüssigen abzukühlenden Medium, ein Kompressor zum Verdichten des gasförmigen Kühlmittels, ein Kondensator zur Verflüssigung des Kühlmittels und zur Übergabe dessen Umwandlungswärme einem zu erwärmenden Medium, eine abgekühlte Seite eines Kühlers und ein Expansionsventil zur Drucksenkung des Kühlmittels geschaltet sind, kann die restliche spezifische Wärme des Kühlmittels derart genutzt werden, dass in den Kühlmittelkreislauf eine abgekühlte Seite eines sekundärem Verdampfers zum Wärmeaustausch zwischen zwei Phasen des Kühlmittels, der zur Leitung des Kühlmittels im wesentlichen in senkrechter Richtung angepasst ist, und dessen oberer Eintritt an der abgekühlten Seite mit dem Austritt des Kondensators und dessen unterer Austritt mit dem Verdampfer über das Expansionsventil durchgeschaltet sind, wobei ein erster mit einer Pumpe versehener Umlauf zwischen den Austritt und den Eintritt der abgekühlten Seite des sekundärem Verdampfers und ein zweiter Umlauf zwischen den Austritt der abgekühlten Seite des sekundären Verdampfers und den Eintritt des Kompressors geschaltet sind, und in den zweiten Umlauf ein zweites Expansionsventil und die erwärmte Seite des sekundären Verdampfers geschaltet sind, in den der zweite Umlauf unten eintritt und aus dem er oben austritt.

Um das Strömen des Kühlmittels in eine unerwünschte Richtung zu verhindern, sind in den ersten Umlauf und auch zwischen den Verdampfer und die Mündung des zweiten Umlaufs Rückschlagventile geschaltet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bekannten Wärmepumpe, Fig. 2 ein Wärmeschaltbild der Wärmepumpe nach Fig. 1.

Fig. 3 ein Schaltbild der ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe, Fig. 4 und 5 Wärmeschaltbilder der Ausführung der Wärmepumpe nach Fig. 3 im Laufe des ersten bzw. des zweiten Zeitabschnitts ihres Betriebszyklus, Fig. 6 ein Schaltbild der zweiten Ausführung der Wärmepumpe, wo der Kühlmittelverdampfer wechselweise zum Abnehmen der Wärme dem flüssigen abzukühlenden Medium und dem Wärmeträger dient, und Fig. 7 ein Schaltbild der dritten Ausführung der Wärmepumpe, in der die restliche Wärmemenge irn Kühlmittel selbst und in den Wänden der Wärmeübertragungsflächen des sekundären Verdampfers akkumuliert wird.

Die Wärmepumpe nach Fig. 1,3 und 6 ist durch einen Kühlmittelkreislauf 1 gebildet, in den ein Kühlmittelverdampfer 2, ein Kompressor 3, ein Kondensator 4 und ein Expansionsventil 5 geschaltet sind. Mit 6 ist ein abzukühlendes Medium und mit 7 ein mittels der Wärmepumpe zu erwärmendes Medium gezeichnet.

In der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 3 ist die Wärmepumpe im Vergleich mit Fig. 1 um einen Kühler 8 ergänzt, der mit seiner abgekühlten Seite in den Kühlmittelkreislauf 1 hinter den Kondensator 3 und mit seiner erwärmten Seite in den ersten Wärrrieträgerkreislauf 9 geschaltet ist. In diesen sind weiterhin eine erste Pumpe 10, ein Dreiwegventil 11 und ein Wärmeträgerbehälter 12 geschaltet. Der Behälter 12 ist ein längliches, senkrecht positioniertes Gefäß, das dem Wechsel der Wärmeträgerfüllung ohne deren Vermischung angepasst ist. Der Behälter 12 ist gleichzeitig mittels des Dreiwegventils 11 in einen zweiten Wärmeträgerkreislauf 13 geschaltet. In den zweiten Wärmeträgerkreislauf 13 ist außer einer zweiten Pumpe 14 ein sekundärer Kühlmittelverdampfer 15 geschaltet, dessen Aufgabe es ist, die Wärme dem Wärmeträger abzunehmen. Der sekundäre Verdampfer 15 wird mittels eines zweiten Expansionsventils 16 wechselweise mit dem Verdampfer 2 in den Kühlmittelkreislauf 1 geschaltet.

In der auf Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Wärmepumpe befindet sich kein sekundärer Verdampfer 15, sondern der in den Kühlmittelkreislauf 1 geschalteter Verdampfer 2 ist direkt in den zweiten Wärmeträgerkreislauf 13 geschaltet. Solche Schaltung kommt dann in Frage, wenn das abzukühlende Medium 6 flüssig, z. B. Wasser ist, und zu der abgekühlten Seite des Verdampfers 2 mittels einer Rohrleitung 17 geleitet wird. Mittels des Dreiwegventils 18 kann man wechselweise das abzukühlende Medium 6 und den im zweiten Wärmeträgerkreislauf 13 umlaufenden Wärmeträger zu der abgekühlten Seite des Verdampfers 2 leiten. Die zweite Pumpe 14 ist dann wechselweise für das abzukühlende Medium und für den Wärmeträger benutzbar. Die Ausführung nach Fig. 6 ist im Vergleich mit der Ausführung nach Fig. 3 derart ergänzt, dass an den Austritt des ersten Wärmeträgerkreislaufs 9 aus dem Kühler 8 und an den Eintritt des ersten Wärmeträgerkreislaufs 9 in den Kühler 8 ein dritter Wärmeträgerkreislauf 19 angeschlossen ist, der mittels eines dritten Dreiwegventils 20 wechselweise geschaltet werden kann. Dies ermöglicht, die Wärme aus dem Kühler 8 wechselweise in den ersten und in den zweiten Wärmeträgerkreislauf 9,19 zu leiten.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe funktioniert zyklisch : In einem ersten Zeitabschnitt wird der Wärmeträger, der im Kühler 8 fast auf die Temperatur erwärmt wird, die das den Kondensator verlassende Kühlmittel besitzt, mittels der ersten Pumpe 10 in den Behälter 12 geleitet, bis der Behälter 12 mit dem Wärmeträger dieser Temperatur völlig gefüllt ist. Das Kühlmittel strömt während des ersen Zeitabschnitts durch den Verdampfer 2. Danach schließt das Dreiwegventil 11 den ersten Wärmeträgerkreislauf 9 und öffnet den zweiten Wärmeträgerkreislauf 13. Damit beginnt ein zweiter Zeitabschnitt des Zyklus, während dessen der Kühlmittelkreislauf 1 so umgeschaltet ist, dass das Kühlmittel nicht durch den Verdampfer 2, sondern durch den sekundären Verdampfer 15 strömt und dabei dem Wärmeträger Wärme abnimmt. Dabei wird die Temperaturdifferenz im sekundären Verdampfer 15 so gehalten, dass sie ca 5 °C nicht überschreitet, d. h. dass sie grundsätzlich der Differenz im Verdampfer 2 im Laufe des ersten Zeitabschnitts entspricht. Dies wird durch die Zirkulation des Wärmeträgers im zweiten Wärmeträgerkreislauf 13 erzielt, in dem der im sekundären Verdampfer 15 um z. B. 5 °C abgekühlte Wärmeträger in den Behälter 12 von unten hinauf geleitet wird und aus dem Behälter 12 die Flüssigkeit mit der ursprünglichen Temperatur hinausgedrückt wird, ohne sich damit zu mischen. Das geschieht während eines der Teilintervalle, in die der zweite Zeitabschnitt hypothetisch zum Zweck der Berechnung geteilt werden kann. Während des nächsten Teilintervalls kühlt sich die neue Füllung des sekundären Verdampfers 15 um weitere 5 °C ab und ersetzt die vorige wärmere Füllung des Behälters 12. So kühlt sich stufenweise der Wärmeträger im zweiten Wärmeträgerkreislauf 13 und im Behälter 12 ab. Gleichzeitig wird der Kühlmitteldruck hinter dem Expansionsventil 16 so reguliert, dass da der Siedepunkt der augenblicklichen Temperatur des Wärmeträgers entspricht.

Die elektrische Leistung des Kompressors 3 bleibt in dem ersten Zeitabschnitt, der der bekannten Wärmepumpe gleich, die unter gleichen Bedingungen arbeitet und die gleiche Wärmeenergie in das zu erwärmende Medium 7 liefert. Folglich ist auch der Heizfaktor gleich. In der erfindungsgemäßen Wärmepumpe kommt es jedoch dabei zum Speichern der Wärmeenergie im Behälter 12. Weil dem Verdampfer 2 das Kühlmittel mit einem energetischen Potential zugeleitet wird, reduziert um die im Kühler 8 abgegebene und im Behälter 12 gespeicherte Wärmemenge und die Wärmeübertragungsfläche des Verdampfer : ; 2 im Wesentlichen nicht beschränkt ist, absorbiert das verdampfende Kühlmittel eine größere Wärmemenge aus dem abzukühlenden Medium 6, als, unter den gleichen Bedingungen, das Kühlmittel im Verdampfer 2 einer bekannten Wärmepumpe.

Im zweiten Zeitabschnitt wird die im Behälter 12 gespeicherte Wärmeenergie in den primären Kühlmittelkreislauf 1 bzw. in den sekundären Verdampfer 15 abgegeben.

Dabei erfolgt die Wärmeübertragung unter der stufenweise sinkenden Temperatur des Wärmeträgers und unter dem entspechend regulierten Druck hinter dem zweiten Expansionsventil 16. Da die Anfangstemperatur im sekundären Verdampfer 15 wesentlich höher ist als die Temperatur des abzukühlenden Mediums 6, ist auch der Heizfaktor wesentlich höher. Mit der sinkenden Temperatur des Wärmeträgers sinkt der Heizfaktor stufenweise. Es zeigt sich jedoch, dass der Gesamtheizfaktor der erfindungsgemäßen Wärmepumpe während des ganzen Zyklus höher ist, als es bei einer unter denselben Bedingungen arbeitenden Wärmepumpe der Fall wäre.

In der Wärmepumpe nach Fig. 6, die zur Abnahme der Wärmeenergie aus einem Flüssigkeitsstrom, z. B. aus Wasser entworfen ist, übt der Verdampfer 2 gleichzeitig die Funktion des sekundären Verdampfers 15 aus. An dessen abgekühlte Seite lässt das Dreiwegventil 18 in dem ersten Zeitabschnitt das abzukühlende Medium 6, d. h. Wasser aus einer Naturquelle strömen, und in dem zweiten Zeitabschnitt den Wärmeträger aus dem Behälter 12. Diese Maßnahme führt zu keiner Änderung des Gesamtheizfaktors der Wärmepumpe im Vergleich zu der Ausfertigung nach Fig. 3. Dagegen hat eine weitere Maßnahme, d. h. Anschluss des dritten Wärmeträgerkreislaufs 19, eine weitere Erhöhung des Heizfaktors zur Folge : In der Ausführung nach Fig. 3 steht die Pumpe 10 während des zweiten Zeitabschnitts außer Betrieb und im zweiten Wärmeträgerkreislauf 9 erfolgt keine Zirkutation des Wärmeträgers. In dieser Ausführung wird deswegen dem Kühlmittel im Kühler 8 keine restliche spezifische Wärme abgenommen. Dagegen läuft in der Ausführung nach Fig. 6 die Pumpe 10 im wesentlichen ununterbrochen, das Dreiwegventil 20 richtet nun den Wärmeträger in den dritten Wärmeträgerkreislauf 19, z. B. einen Kreislauf zum Vorwärmen des Brauchwassers. Ein Teil der restlichen spezifischen Wärmemenge wird so dem Kühlmittel im Kühler 8 auch während des zweiten Zeitabschnitts abgenommen. Da dadurch die Wärmeleistung der Wärmepumpe am Austritt steigt, steigt auch deren Heizfaktor.

Das vorgeschlagene Wärmepumpesystem nach Fig. 3 benötigt gegenüber der bekannten Wärmepumpe eine Ergänzung der Steuerung : Die Expansionsventile 5,16, die Pumpen 10,14 und das Dreiwegventil 11 sollen umschaltbar sein. Die Temperatur des Wärmeträgers wird in Messpunkten 22,23 an den Eintritten des Behälters 12 gemessen. Die festgestellten Werte dienen dann zur Steuerung der Leistung der Pumpe 10 beim Ableiten der restlichen Wärmemenge aus dem Kühler 8 und zur Steuerung des Dreiwegventils 11 beim Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitabschnitt des Zyklus.

Auch wenn die Ausführung der Wärmepumpe nach Fig. 7 auf dem gleichen Prinzip beruht wie die beiden bereits beschriebenen Ausführungen, zeichnet sie sich durch gewisse Unterschiede aus. Der sekundäre Verdampfer 15 ist stets mit seiner abgekühlten Seite in den Kühlmittelkreislauf 1 geschaltet und ist zur Leitung des Kühlmittels in der im wesentlichen senkrechten Richtung adaptiert. Dessen oberer Eintritt 24 an der abgekühlten Seite ist mit dem Austritt des Kondensators 4 verbunden und dessen unterer Austritt 25 ist über das Expansionsventil 5 mit dem Verdampfer 2 durchgeschaltet. Zwischen den Austritt 25 und den Eintritt 24 des sekundären Verdampfers 15 ist ein erster mit einer Pumpe 27 versehener Umlauf 26 geschaltet. Ein zweiter Umlauf 28 ist zwischen den Austritt 25 des sekundären Verdampfers 15 und den Eintritt des Kompressors 3 geschaltet. In den zweiten Umlauf 28 ist das zweite Expansionsventil 16 und die erwärmte Seite des sekundären Verdampfers 15 geschaltet.

In diesen tritt der zweite Umlauf 28 unten ein und aus diesem oben aus. In den ersten Umlauf 26 und auch zwischen den Verdampfer 2 und die Mündung des zweiten Umlaufs 28 sind Rückschlagventile 29 geschaltet.

In der Wärmepumpe nach Fig. 7 wechseln die Zeitabschnitte sehr schnell : In dem ersten Zeitabschnitt strömt das Kühlmittel aus dem Kondensator 4 über die abgekühlte Seite des sekundären Verdampfers 15 und über das Expansionsventil 5 in den Verdampfer 2. Das Kühlmittel, dessen Temperatur nur ein wenig höher ist als die des abzukühlenclen Mediums 7 am Eintritt des Kondensators 4, drückt allmählich die vorherige Füllung des sekundären Verdampfers 15 auf dessen abgekühlten Seite hinaus und erwärmt gleichzeitig auch den sekundären Verdampfer 15 selbst. Sobald die Temperatur am Austritt 25 des sekundären Verdampfers 15 ihr Maximum erreicht hat, beginnt der zweite Zeitabschnitt. Das Expansionsventil 5 schließt sich und das zweite Expansionsventil 16 öffnet sich. Das durch das letztere strömende Kühlmittel verdampft an der Wärmeübertragungsfläche des sekundären Verdampfers 15 und die Fläche kühlt ab. Gleichzeitig werden die Pumpe 27 und damit auch die Zirkulation in dem ersten Umlauf 26 in Gang gesetzt, damit die Temperaturdifferenz auf der abgekühlten Seite des sekundären Verdampfers 15 klein bleibt. Die Temperatur des flüssigen Kühlmittels auf der abgekühlten Seite des sekundären Verdampfers 15 und im ersten Umlauf 26 sinkt allmählich. Sobald die Temperatur des Kühlmittels am Austritt 25 des sekundären Verdampfers 15 auf die des abzukühlenden Mediums 6 gesunken ist, schaltet die Pumpe 27 aus, der zweite Expansionsventil 16 schließt sich und der Expansionsventil 6 öffnet sich. Das System kehrt zu dem für den ersten Zeitabschnitt charakteristischen Betrieb zurück. Es ist evident, dass die Dauer des Zyklus angesichts der kleinen Umfangs-und Wärmekapazität des sekundären Verdampfers 15, bzw. dessen abgekühlter Seite, wesentlich kürzer ist als die der Ausführung nach Fig. 3 und 6.

Im weiteren wird eine Vergleichsberechnung der Wärmeflüsse in der bekannten Wärmepumpe nach Fig. 1 und der erfindungsgemäßen Wärmepumpe nach Fig. 3 vorgelegt. Die Wärmeflüsse werden durch die entsprechenden Wärmeschaltbilder auf Fig. 2,4 und 5 veranschaulicht.

Die Berechnung setzt sich zum Ziel, einen Gesamtheizfaktor der erfindungsgemäßen Wärmepumpe festzustellen und diesen mit dem bekannten Heizfaktor einer bekannten Wärmepumpe zu vergleichen. Die Berechnung bezieht sich allenfalls auf eine spezifische Leistung der Wärmepumpe, d. h. es wird dem zu erwärmenden Medium stets 1 kW geliefert.

Ausgangsparameter und Bezugsgrößen Abzukühlendes Medium 6 Luft Temperatur des abzukühlenden Mediums-7 °C Temperaturclifferenz des zu erwärmenden Mediums 50/45 oC Heizfaktor einer bekannten Wärmepumpe 2,12 Dem zu erwärmenden Medium 7 gelieferte Wärmeleistung 1000 W Benutztes Kühtmitte ! R404A Verdampfungswärme des Kühlmittels im Siedepunkt 202 kJ/kg Spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels bei 25 °C 1,53 kJ/kg. K Masse der Behälterfüllung 5 kg Wärmeträger Wasser + Frostschutzmittel Spezifische Wärme des Wärmeträgers 4,18 kJ/kg. K = 1, 16Wh/kg. K Temperaturdifferenz des Kühlmittels im Kühler 8 während des ersten Zeitabschnitts 45/-5 °C = A 50 K Temperaturdifferenz an der abgekühlten Seite des sekundären Verdampfers 15 während des zweiten Zeitabschnitts A 5K Verzeichnis der benutzten Größen und deren physikalischer Maßeinheiten c... spezifische Wärme des Wärmeträgers [Wh/kg. K] c25... spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels bei 25°C [kJ/kg. K] EA... im Behälter 12 akkumulierte Wärmeenergie [Wh] Ec... die von der Wärmepumpe dem zu erwärmenden Medium 7 gelieferte Wärmeenergie [Wh] EE... verbrauchte elektrische Energie [Wh] Ich... Massenfluss des Kühlmittels [kg/h] Lv... Verdampfungswärme im Siedepunkt [kJ/kg] m... Masse der Behälterfüllung [kg] PE... zugeführte elektrische Leistung der Wärmepumpe [W] Pp... dem abzukühlenden Medium 6 abgenommene Leistung [W] PTC... die in das zu erwärmende Medium 7 übergebene Leistung [W] Pv... die im zweiten Zeitabschnitt dem Wärmeträger abgenommene Leistung [W] Pz... restliche Leistung der spezifischen Wärme des Kühlmittels [W] tA... Dauer des ersten Zeitabschnitts des Zyklus [h] tf... Heizfaktor [-] tv... Dauer einzelner Teilintervalle des zweiten Zeitabschnitts [h] AT... Temperaturdifferenz zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 2 [K] ATA... Temperaturgefälle des Wärmeträgers im Kühler 8 während des ersten Zeitabschnitts [K] ATv... Temperaturgefälle an der abgekühlten Seite des sekundären Verdampfers 15 [K] Berechnung 1. Berechnung der Leistungsflüsse in einer bekannten Wärmepumpe nach Fig. 1.

Deren Ziel ist es, die restliche Leistung im Kühlmittel festzustellen, das aus dem Kondensator 4 über das Expansionsventil 5 in den Verdampfer 2 zurückströmt und folglich unbenutzt bleibt.

Der Wärmepumpe zugeführte elektrische Leistung (= Leistung des Kompressors 3) : PE = PTC/tf [W ; W,-] PE =1000/2, 12 PE=471, 7 W Die dem abzukühlenden Medium 6 abgenommene Leistung : PP = PTC-PE [W ; W, W] Pp = 1000-471, 7 Pp= 528, 3 W Die restliche Leistung Pz in Form der spezifischen Wärme des Kühlmittels wird aus dem Kondensator 4 über das Expansionsventil 5 zurück in den Verdampfer 2 geleitet. Diese Leistung ist durch die Temperaturdifferenz des Kondensators 4 und des Verdampfers 2 (45/-7 °C d. h. AT = 52 K) und durch den Massenfluss des Kühlmittels bestimmt. Nach Fig. 2 treten zwei Leistungsflüsse in den Verdampfer 2 ein : Der eine aus dem abzukühlenden Medium 6 und der andere als restliche Leistung des Kühlmittels. Deren Summe entspricht der Gesamtleistung, die zur Änderung des Aggregatzustands des Kühlmittels genutzt wird. Dies kann durch zwei Gleichungen mit zwei Unbestimmten beschrieben werden, von denen die restliche Leistung Pz zu berechnen ist.

C25 = 1, 53 kJ/kg. K AT= 52 K<BR> Pp= 528, 3 W Lv = 202 kJ/kg Pz C25. AT. ICh [W ; kJ/kg. K, K, kg/h] ICh = (PP+PZ)/Lv [kg/h ; W, W, kJ/kg] <BR> <BR> Pz=C25. AT. (Pp+Pz)/ Lv<BR> Pz = (c25. AT. Pp)/ (Lv-c25. AT)<BR> Pz = (1,53. 52.528, 3) / (202-1, 53.52)<BR> Pz = 343, 3 W Die restliche, in der bekannten Wärmepumpe nicht ausgenutzte Leistung beträgt 343,3 W.

Behauptung : Die Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittel zwischen dem Kondensator und dem Expansionsventil beeinflusst nicht die elektrische Leistung des Kompressors.

Beweis : Damit der Zyklus der Wärmepumpe im Gleichgewicht bleibt, muss es für den Verdampfer 2 gelten, dass die aus diesem abgeführte Wärmeleistung der zugeführten Leistung gleich ist, und dasselbe gilt auch für den Kondensator 4. Die dem Verdampfer 2 zugeführte Leistung Pp + Pz = 871,6 W wird restlos zur Änderung der Phase einer gewissen Menge des Kühlmittels verwendet. Zu dieser Leistung wird die elektrische Leistung des Kompressors 3 gerechnet, und beide Leistungen werden im Kondensator 4 dem zu erwärmenden Medium 7 übergeben, wobei ein Teil im Kühlmittel als restliche Leistung bleibt.

Die aus dem Verdampfer 2 austretende Leistung in Form der Umwandlungswärme des gasförmigen Kühlmittels muss bei Erhaltung der Gesamtleistung der Wärmepumpe und deren Heizfaktors konstant sein. Sollte die Leistung sinken, würde auch der Massenfluss sinken, und der Wert der restlichen Leistung würde sich ändern, jedoch nur um einen relativen Wert, der dem Verhältnis der spezifischen und Umwandlungswärme des Kühlmittels und der Temperaturdifferenz zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 2 entspricht, und dadurch würde sich auch die dem Verdampfer 2 aus dem abzukühlenden Medium 6 gelieferte Leistung ändern. Da die Wärmeleistung der Wärmepumpe der Summe der aus dem abzukühlenden Medium 6 zugeführten Leistung und der elektrischen Leistung gleicht, müsste sich bei so einer Änderung auch die elektrische Leistung ändern und folglich auch der Heizfaktor. Dies erfolgt allerdings nicht, weil der Heizfaktor einer konkreten Wärmepumpe lediglich von Druckverhältnissen vor und hinter dem Kompressor 3 abhängig ist, wobei diese Verhältnisse nur den Temperaturverhältnissen in dem Verdampfer 2 und in dem Kondensator 4 entsprechen.

Daraus geht hervor : wenn die restliche Leistung anderswohin als in den Verdampfer 2 über das Expansionsventil 5 abgeleitet wird, erhöht sich die von dem abzukühlenden Medium 6 zugeführte Leistung, sodass das Gleigewicht des Systems erhalten bleibt. Vorausgesetzt, dass es bei erhöhter Wärmeabnahme aus dem abzukühlenden Medium 6 nicht zur dessen Temperaturgefälle kommt, trifft diese Behauptung zu, weil die Temperaturverhältnisse im Verdampfer 2 und im Kondensator 4 und folglich auch die Druckverhältnisse, elektrische Leistung, Heizfaktor usw. erhalten bleiben.

Im Falle, dass die elektrische Leistung der Wärmepumpe und die dem zu erwärmenden Medium 7 gelieferte Wärmeleistung unverändert blieben, und dass darüber hinaus die ganze restliche Wärmeleistung im Kühlmittel genutzt werden könnte, würde sich der Heizfaktor um ca 34 % erhöhen. Da die Effizienz der Nutzung der restlichen Leistung vor allem von der Temperaturdifferenz bei deren Abnahme abhängig ist, kann diese restliche Leistung nur beschränkt genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe nutzt diese restliche Leistung indirekt. Sie funktioniert in einem in zwei Zeitabschnitte geteilten Zyklus. In dem ersten Zeitabschnitt wird die restliche Leistung effizient mit einer großen Temperaturdifferenz abgenommen und im Behälter 12 gespeichert, worauf in dem zweiten Zeitabschnitt diese gespeicherte Energie aus dem Behälter 12 anstatt der Energie des abzukühlenden Mediums 6 genutzt wird. In dem zweiten Zeitabschnitt des Zyklus arbeitet die Wärmepumpe mit einem höheren Heizfaktor, weil die Temperatur der aus dem Behälter 12 abgeleiteten Flüssigkeit höher ist als die des abzukühlenden Mediums 6.

2. Berechnung der Leistungsflüsse in der erfindungsgemäßen Wärmepumpe nach Fig. 3 a) erster Zeitabschnitt In diesem Zeitabschnitt funktioniert die Wärmepumpe mit dem ursprünglichen Heizfaktor, jedoch bei gleichzeitiger Speicherung der restlichen Wärmeleistung im Behälter 12.

Die Dauer der Speicherung ist zu berechnen. Dazu sind die gesamte im Behälter 12 gespeicherte Energiemenge und die zur Speicherung genutzte restliche Leistung der Wärmepumpe festzustellen.

- Die gespeicherte Energiemenge hängt von der Masse der Behälterfüllung, der Temperaturdifferenz während der Speicherung und von den Eigenschaften des Wärmeträgers ab.

- Die restliche Leistung hängt von dem nutzbaren Temperaturgefälle bei der Speicherung im Behälter 12, dem Massenfluss des Kühlmittels und dessen physikalischen Eigenschaften ab.

- Das nutzbare Temperaturgefälle ist im Wesentlichen die Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels hinter dem Kondensator 4 und der des abzukühlenden Mediums 6... 45/-7 °C. Für die Berechnung wurde nur das Gefälle... 45/-5 °C = AT = 50 °C in Erwägung gezogen.

-Weil sich der Massenfluss des Kühlmittels im Vergleich mit der bekannten Wärmepumpe nicht ändert und die Werte bereits berechnet wurden (Pz = 343,3 W pro AT = 52 °C), genügt es, die Pz für AT = 50 °C mit Hilfe der direkten Proportionalität zu bestimmen.

- Die Dauer (tA) des ersten Zeitabschnitts des Zyklus resultiert aus dem einfachen Dividieren der Wärmekapazität (EA) des Behälters 12 durch die gespeicherte restliche Wärmeleistung.

Kapazität des Behälters 12 : EA = c. m. ATA [Wh ; Wh/kg. K, kg, K] EA= 1,16. 5.50 EA = 290 Wh Dauer der Speicherung : tA = EA. i\T/ (Pz. ATA) [h ; Wh, K, W, K] tA = 290. 52/ (343,3. 50) tA = 0,879 h Dauer des ersten Zeitabschnitts beträgt 0,876 Stunden. b) zweiter Zeitabschnitt In diesem Zeitabschnitt wird dem abzukühlenden Medium 6 keine Energie abgenommen, sondern der Wärmeträger aus dem Behälter 12 wird als Energiequelle der Wärmepumpe genutzt. Mit Rücksicht auf die höhere Temperatur des Wärmeträgers wird ein höherer Heizfaktor erzielt. Weil dieser Heizfaktor während der Abkühlung des Behälters 12 im zweien Zeitabschnitt sinkt, ist dieser Zeitabschnitt nur zum Zweck der Berechnung in 10 Teilintervalle geteilt. Es wird von der Voraussetzung ausgegangen, dass am Anfang der sämtliche Umfang des Behälters 12 eine Temperatur von 45 °C hat, und weiter, dass die Pumpe 10 in dem die abgekühlte Seite des sekundären Verdampfers 15 und den Behälter 12 enthaltenden Kreislauf solche Durchströmung gewährleistet, dass darin ein ständiges Temperaturgefälle von 5'C erhalten bleibt. Dann kann angenommen werden, dass die ganze Füllung des Behälters 12 mit der gleichen Temperatur durch den Verdampfer 2 fließt und in den Behälter 12 mit einer Temperatur zurückkommt, die gerade um 5 °C niedriger ist. Solange es im Behälter 12 zu keiner Durchmischung der Flüssigkeit kommt, kann angenommen werden, dass im Verdampfer 2 unveränderte Temperaturverhältnisse und folglich in der Wärmepumpe ein unveränderter Heizfaktor bestehen. Nachdem die sämtliche Füllung des Behälters 12 durch den Verdampfer 2 geflossen ist, ändern sich diese Verhältnisse relativ schnell- die Temperatur sinkt um 5 °C-und dann, während des nächsten Teilintervalls, bleiben sie wieder fast unverändert. 10 Teilintervalle zu je 5 °C machen gerade 50 °C aus, mit denen bei der Speicherug der restlichen Leistung im Behälter 12 gerechnet wird. Der ganze Zyklus wird damit abgeschlossen.

Im jeden Teilintervall wird mit einem konstanten Heizfaktor gerechnet. Die Werte des Heizfaktors sind nicht beglaubigt, sondern durch Interpolation einem Schaubild abgenommen, das nach den Angaben verschiedener Wärmepumpenhersteller unter verschiedenen Bedingungen gebildet wurde. Interpoliert wurden vor allem die Werte für die ersten 3 Teilintervalle. Die übrigen Werte wurden verschiedenen Quellen entnommen und gemittelt.

Es folgt eine beispielsweise Berechnung der Werte des ersten Teilintervalls.

Pv= PTC (ff-1)/ff [W ; W,-,-] tv= c m ATv/Pv [h ; Wh/kg. K, kg, K, W] Pv=1000. (8-1)/8 tv= 1,16. 5. 5/875 Pv= 875 W tv= 0, 033 h PE = PTC-PV [W ; W, W] EE = tv. PE [Wh ; h, W] PE = 1000-875 EE = 0,033. 125 PE= 125W EE=4, 14Wh Ec = PTC. t Ec =1000. 0,033 Ec =33,14 Wh Die berechneten Werte wurden in die folgende Tabelle geordnet : Temperatur-Abnahme Elektri-Elektri-Gewon- Teil-Heiz-Intervall intervall gefälle im faktor aus dem-dauer sche sche nene Behälter 12 Behälter Leistung Energie Energie ["C] [-] [W] [h] [W] [Wh] [Wh] 1 45/40 8, 0 875 0, 033 125 4, 14 33, 14 2 40/35 7, 4 865 0, 034 135 4, 53 33, 53 3 35/30 6, 8 853 0, 034 147 5, 00 34, 00 4 30/25 6, 5 846 0, 034 154 5, 27 34, 27 5 25/20 5, 6 821 0, 035 179 6, 30 35, 30 6 20/15 5, 0 800 0, 036 200 7, 25 36, 25 7 15/10 4, 4 773 0, 038 227 8, 53 37, 53 8 10/5 3, 8 737 0, 039 263 10, 36 39, 36 9 5/0 3, 1 677 0, 043 323 13, 81 42, 81 10 0/-5 3, 0 667 0, 044 333 14, 50 43, 50 Die wesentlichen Werte des ganzen Zyklus wurden in der folgenden Tabelle zusammengefasst : Heiz-Elektri-Elektri-Gewon- faktor Dauer sche sche nene Leistung Energie Energie [~] [h] [W] [Wh] [Wh] Erster Zeitabschnitt 2, 12 0, 88 471, 7 414, 4 878, 5 Zweiter Zeitabschnitt 0, 37 79, 7 369, 7 Summe 1, 25 494, 1 1248, 2 Resultierender Heizfaktor 2, 53 Anstieg des Heizfaktors 19, 2 % Legende zu den Tabellen : Temperaturgefälle des Behälters 12 ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Behältereintritt und-austritt während des Teilintervalls.

Abnahme aus dem Behälter 12 ist die Wärmeleistung, die im sekundären Verdampfer 15 aus dem Wärmeträger in das Kühlmittel strömt.

Dauer des Teilintervalls ist die Zeit, während der die ganze Füllung des Behälters 12 durch den sekundären Verdampfer fließt und dabei um 5 °C abgekühlt wird.

Elektrische Leistung ist die elektrische Leistung der Wärmepumpe, d. h. des Kompressors 3.

Elektrische Energie ist die der Wärmepumpe während des Teilintervalls gelieferte elektrische Energie.

Gewonnene Energie ist die dem zu erwärmenden Medium 7 gelieferte Wärmeenergie.

Auswertung In dem vorgelegten Beispiel einer Wärmepumpe, die in Betrieb Luft/Wasser, unter der Außentemperatur von-7 °C und der Temperatur des zu erwärmenden Mediums 7 von 50/45 °C arbeitet, ist der Heizfaktor von 2,12 auf 2,53 gestiegen, was einem Anstieg von 19 % entspricht.

Während des zweiten Zeitabschnitts ist es nicht effizient, die restliche Wärmeleistung zu speichern, sondern es ist vorteilhaft, diese zum Vorwärmen des Brauchwassers zu benutzen. Dazu ist es notwendig, die Wärmepumpe um ein drittes Dreiwegventil 20 und einen dritten Wärmeträgerkreislauf 19 nach Fig. 6 zu ergänzen. Im Falle der Vorwärmung des Brauchwassers von 10 auf 45 °C steigt der Heizfaktor von 2,12 auf 2,59, was einem Anstieg von ca 22 % entspricht.