HOT-WATER HEATING PLANT WITH HEAT PUMP AND HEAT BUFFER

Abstract: 1. A hot-water heating plant with heat pump (18) the condenser (8) of which consists of a double-tube heat exchanger (9, 10) whose internal tube (9) is connected to a heat buffer (1) in the circuit via a recirculating pump (13), the buffer consisting of a vertical tank (2) filled with heating water and provided with connections for heating water supply (6) and reflux (7), characterized by the fact that the condenser (8) is arranged in the upper zone of the buffer tank (2) and its internal tube (9) discharges with a multiplicity of outlet openings into the upper zone of the tank (2), while the recirculating pump (13) sucks up from the lower zone of the tank (2), and that the delivery capacity of the recirculating pump (13) can be adjusted in dependence on the refrigerant pressure in the external tube (10) of the condenser (8) in such a way that the refrigerant pressure is kept at a constant level in operation.

Description: Warmwasser-Heizungsanlage mit Wärmepumpe und Wärmepuffer Die Erfindung betrifft eine Warmwasser-Heizungsanlage mit Wärmepumpe, deren Kondensator von einem Doppelrohr Wärmetauscher gebildet ist, dessen Innenrohr im Kreislauf über eine Umwälzpumpe an einen Wärmepuffer angeschlossen ist, der aus einem mit Heizwasser gefüllten aufrechtstehenden Behälter mit Anschlüssen für den Heizwasservor- und -rücklauf besteht. Zweck eines solchen Wärmepuffers ist es, den stossartigen Wärmebedarf der Heizungsanlage gegenüber der verhältnismässig geringen Leistung der Wärmepumpe auszugleichen und zu verhindern, dass letztere zu kurze Laufzeiten hat. Bei den in der Paxis üblichen Warmwasser-Heizungsanlagen der eingangs genannten Art ist der in eine wirksame Isolierung eingeschlossene Kondensator mit dem Innenrohr über isolierte Rohrleitungen an das Puffergehäuse nahe dessen unterem bzw. oberem Ende angeschlossen, wobei die Umwälzpumpe zumeist in der oberen Leitung angeordnet ist und im Betrieb den Wasserinhalt des Puffers mehr oder weniger verwirbelt. Aufgrund der geringen Leistung der Wärmepumpe kann es deshalb mehrere Stunden dauern, bis das Heizwasser im Puffer seine volle Betriebstemperatur erreicht hat. Diese lange Aufwärmzeit ist auch dadurch bedingt, dass die Leistung der Wärmepumpe stark von der Temperatur und damit dem Druck des Kältemittels im Kondensator abhängt. Die Wärmepumpe arbeitet deshalb bei kaltem Wärmepuffer nur mit verminderter Leistung und erreicht die volle Nennleistung erst, wenn der Wasserinhalt des Wärmepuffers die vorgesehene Betriebstemperatur erreicht hat. Die Wärmepumpe gibt folglich gerade dann, wenn von ihr die grösste Leistung benötigt wird, nur einen Teil ihrer vollen Leistung ab und steigert die abgegebene Leistung erst allmählich mit zunehmener Erwärmung des Puffer inhalts. Bei blosser Brauchwasserbereitung mit einer Wärmepumpe ist es in der Praxis auch bereits bekannt, den Kondensator als einfache Rohrschlange in einem Brauchwasserboiler anzuordnen. Versuche, diese Anordnung auf Warmwasser-Heizungs- anlagen mit Anordnung der Rohrschlange innerhalb des Pufferbehälters zu übertragen, haben jedoch zu mangelhaften Ergebnissen geführt. Die Erwärmung des ruhenden Pufferinhalts ist so ungleichmässig, dass das Heizwasser in von der Rohrschlange entfernten Bereichen des Pufferbehälters noch kalt ist, wenn der Kondensator bereits seine volle Betriebstemperatur erreicht hat und die Wärmepumpe zur Vermeidung einer Überlastung abgeschaltet werden muss. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Warmwasser-Heizungsanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Wärmepumpe in wesentlich kürzerer Zeit als bei den bekannten Anlagen mit voller Leistung arbeitet und entsprechend früher im Wärmepuffer Heizwasser zu Heizzwecken mit der gewünschten Vorlauftemperatur zur Verfügung steht. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kondensator innerhalb des Puffergehäuses in dessen oberem Bereich angeordnet ist und sein Innenrohr mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen in den oberen Bereich des Behälters mündet, während die Umwälzpumpe aus dem unteren Bereich des Behälters saugt, und dass die Fördermenge der Umwälzpumpe in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck im Aussenrohr des Kondensators regelbar ist, derart, dass der Kältemitteldruck im Betrieb konstant gehalten wird. Dabei ist der Kondensator vorzugsweise im oberen Viertel des Puffergehäuses angeordnet. Beim Anfahren der Heizungsanlage, wenn das Heizwasser im Wärmepuffer noch kalt ist, bleibt die Umwälzpumpe zunächst ausser Betrieb, und es wird kein Wasser aus dem Pufferbehälter durch das Innenrohr des Kondensators gepumpt. Der Kondensator arbeitet folglich mit seinem vom heissen Kältemittel durchströmten Aussenrohr wie ein Tauchsieder und gibt die von der Wärmepumpe geförderte Wärmeenergie an das umgebende Heizwasser im oberen Bereich des Wärmepuffers ab. Dadurch steht bereits nach kurzer Zeit warmes Wasser für Heizzwecke zur Verfügung. Wenn durch diese Erwärmung die vorgesehene Temperatur und damit der vorgesehene Druck des Kältemittels im Aussenrohr des Kondensators erreicht sind, läuft die Umwälzpumpe an und fördert zunehmend kaltes Heizwasser aus dem unteren Bereich des Pufferbehälters durch das Innenrohr des Kondensators, wodurch der Druck des Kältemittels auf seinem optimalen Wert, beispielsweise 23 bar entsprechend einer Temperatur von 55 - 600 C konstant gehalten wird und die Wärmepumpe mit ihrer maximalen Leistung arbeitet. Auf diese Weise ist es möglich, anstelle eines teueren regelbaren Expansionsventils im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe eine feste Düse vorzusehen, die auf die optimalen Betriebsverhältnisse der Wärmepumpe ausgelegt ist. Das durch die Umwälzung aus den vielen Austrittsöffnungen des Innenrohrs mit geringer Strömung in den oberen Bereich des Pufferbehälters austretende erwärmte Heizwasser führt unter Aufrechterhaltung einer sich absenkenden ausgeprägten Trennschicht zu einer fortschreitenden Vergrösserung des Warmwasseranteils im Behälter, während die Umwälzpumpe nach wie vor kaltes Wasser aus dem unteren Behälterbereich ansaugt, das im Innenrohr des Kondensators unter voller Leistung der Wärmepumpe erwärmt wird. Diese wird erst abgeschaltet, wenn die Trennschicht zwischen warmem und kaltem Wasser nBehälterboden erreicht hat und damit der gesamte Inhalt des Wärmepuffers auf Betriebstemperatur gebracht worden ist. Da der Heizwasservorlauf grundsätzlich vom oberen Ende des Wärmepuffers ausgeht, steht schon nach kurzer Zeit warmes Heizwasser zu Heizzwecken zur Verfügung. Damit das hierbei zurückgeführte Heizwasser, dem ein Teil seiner Wärme in den Heizwasserverbrauchern entzogen worden ist, die Schichtung im Wärmepuffer nicht stört, mündet in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der Anschluss für den Heizwasserrücklauf unterhalb des Kondensators in den Pufferbehälter und weist einen derart grossen Austrittsquerschnitt auf, dass eine Verwirbelung des Heizwassers im pufferbehälter vermieden ist. Dies kann besonders vorteilhaft durch ein in den Pufferbehälter geführtes Rücklaufrohr mit einer Vielzahl von horizontal gerichteten Auslassöffnungen verwirklicht werden. Je nach der Lage der Trennschicht zwischen warmem und kaltem Wasser fällt oder steigt dann das aus diesen Auslassöffnungen austretende rückgeführte Heizwasser. Um nach vollständiger Erwärmung des Pufferinhalts auf die vorgesehene Betriebstemperatur eine Überlastung der Wärmepumpe =u vermeiden, ist nach einem anderen Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung in der Zuleitung für das Heizwasser zum Innenrohr des Kondensators ein Temperaturfühler angeordnet: der die Wärmepumpe und die Umwälzpumpe bei Erreichen einer bestimmten Heizwassertemperatur abschaltet. Besonders zweckmässig ist es, den Kondensator als aufrechtstehende Doppelrohrwendel auszubilden. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich die Vielzahl von Austrittsöffnungen für das Innen rohr des Kondensators besonders vorteilhaft dadurch verwirklichen, dass das Innenrohr am oberen Ende der Doppeiwendel um eine Windung länger als das äussere Rohr ist und die Austrittsöffnungen des Innenrohrs am Um- fang dieser Windung verteilt sind. Mit der erfindungsgemässen Heizungsanlage lässt sich auch Brauchwasser auf einfachste Weise und in kürzester Zeit aus der Energiezufuhr der Wärmepumpe erzeugen. Hierzu ist gemäss einem besonderen Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung im Pufferbehälter oberhalt des Kondensators ein Brauchwassererhitzter angeordnet, der sich zweckmässig unmittelbar vor den Austrittsöffnungen für das durch das Innenrohr des Kondensators gepumpte Heizwasser befindet. Durch die Einbeziehung des Brauchwassererzeugers in den Wärmepuffer entfällt nicht nur die unwirtschaftliche Aufstellung eines gesonderten Brauchwasserboilers, der trotz seiner Wärmeisolation erhebliche Energieverluste versacht; die gute Wärmeübertragung infolge der unmittelbaren Anströmung des Brauchwassererhitzers mit warmem Heizwasser aus dem Innenrohr des Kondensators gestattet es sogar, den Brauchwassererhitzer als Durchlauferhitzer auszugestalten, wodurch sich die Gesamtabmessungen des Wärmepuffers praktisch nicht erhöhen. Die vorstehende Anordnung zur Brauchwasserbereitung ist auch bei Heizungsanlagen anwendbar, die neben dem Wärmepuffer eines konventionell beheizbaren zusätzlichen Heizwasserkessel aufweisen, der bei tieferen Aussentemperaturen statt der Wärmepumpe die Heizungsanlage betreibt. In diesem Fall ist es nur erforderlich, dass ein Teil des im zusätzlichen Heizwasserkessel erzeugten Heizwassers in den Pufferbehälter durch dessen Vorlaufanschluss einleitbar und durch einen dicht unterhalb des Brauchwassererhitzers gelegenen weiteren Anschluss in den Heizkessel rückleitbar ist Da sich der Brauchwassererhitzer oberhalb des Kondendators innerhalb des Pufferbehälters befindet, wird nur ein ganz geringer Teil des Pufferinhalts am oberen Ende des Pufferbehälters im Kreislauf mit dem zusätzlichen Heizwasserkessel erwärmt, um dem Brauchwassererhitzer die erforderliche Wärme zuzuführen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen: Fig. 1: in schematischer Darstellung eine Warm wasser-Heizungsanlage nach der Erfindung mit einem Vertikalschnitt durch den Wärmepuffer gemäss Linie A-A für den obe ren Pufferteil und B-B für den unteren Pufferteil und Fig. 2: eine Draufsicht auf den Wärmepuffer. Die in der Zeichnung ohne die Verbraucher gezeigte Warmwasser-Heizungsanlage hat einen Wärmepuffer 2, der aus einem geschlossenen Behälter 2 und einem von vier Leitungen durchsetzten Deckel 3 besteht. Dies sind die beiden Kältemittelleitungen 4 und 5, der Heizwasserlauf 6 und der Heizwasserrücklauf 7. Im Inneren des Behälters 2 ist in dessen oberem Bereich ein Kondensator 8 angeordnet. Der Kondensator 8 besteht aus einem Doppelrohr-Wärmetauscher mit einem Innenrohr 9, das in ein Aussenrohr lo koaxial eingeschoben ist. Das untere Ende des Innenrohrs 9 ist an ein Rohr 11 angeschlossenr das zum unteren Bereich 12 des Wärmepuffers 1 führt. In dieses Rohr sind eine Umwälzpumpe 13 sowie ein Rückschlagventil 14 eingeschaltet. Vor der Umwälzpumpe 13 und hinter dem Rückschlagventil 14 ist je ein Absperrschieber 15 eingeschaltet. Der Raum zwischen dem Innenrohr 9 und dem Aussenrohr 1o des Kondensators 8 ist vom Kältemittel durchflossen. Hierbei sind das obere Ende des Aussenrohres 10 an die Kältemittelleitung 5 angeschlossen. Das Innenrohr 9 endet im oberen Bereich des Wärmepuffers. Die letzte Windung des Innenrohrs 9 liegt frei im Wasser des Wärmepuffers und hat an ihrer Oberseite eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 22, verteilt auf ihren ringförmigen Umfang. Oberhalb dieses Endes des Innenrohrs 9 ist mit geringem Abstand ein Brauchwassererhitzer 23 angeordnet, der entsprechend dem ringförmigen Ende des Innenrohrs 9 ausgebildet ist. Dieser Brauchwassererhitzer 23 liegt also unmittelbar über den Austrittsöffnungen 22 und dem Kondensator 8, so dass er wirksam mit dem warmen Wasser in Berührung kommt. Der Kaltwasserzulauf für den Brauchwassererhitzer ist mit 24 und der Warmwasseraustritt mit 26 bezeichnet. Unterhalb des Brauchwassererhitzers 23 ist am Puffergehäuse 2 ein weiterer Anschluss vorgesehen, dessen Funktion nachstehend noch erläutert werden wird. Der Heizwasserrücklauf 7 endet als Rohr im unteren Bereich des Wärmetauschers 1 innerhalb des Behälters 2. Die Austrittsöffnungen 16 dieses Rohres haben zusammen einen Querschnitt, der grösser ist als der Querschnitt des Rücklaufrohres, so dass das aus den öffnungen 16 austretende Wasser eine relativ geringe Geschwindigkeit hat und beim Eintritt in das Heizwasser des Wärmepuffers keine wesentlichen Verwirbelungen verursacht. Das aus dem Heizungsrücklauf 7 austretende Wasser fällt dann oder steigt, je nach seiner Temperatur relativ zum Umgebungswasser. In die Kältemittelleitung o sind ein DruckmeBgerät und ein Regler 17 eingeschaltet, welche den von der Wärmepumpe 18 kommenden Druck des Kältemittels messen und die Drehzahl und damit die Leistung der Umwälzpumpe 13 so regeln, dass der Kältemitteldruck im Kondensator 8 konstant bleibt. Die Wärmepumpe 18, die über die Kältemittelleitungen 4 und 5 an den Kondensator 8 im Wärmepuffer 1 angeschlossen ist, kann beliebiger Art sein. Im Wärmepuffer 1 und in der Leitung 11 sind je ein Temperaturfühler 19 bwz. 20 eingeschaltet, deren Messwerte einer Schalteinrichtung 21 zugeführt werden. Die Anlage arbeitet wie folgt: Befindet sich kaltes Wasser im Wärmepuffer1 , so wird der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung. 4 so niedrig sein, dass der Regler 17 die Umwälzpumpe 13 ausser Betrieb hält. Bei dieser Betriebsweise durchströmt das Kältemittel den Kondensator 8 und gibt seine Wärme ähnlich einem Tauchsieder an die Umgebung ab. Da sich der Kondensator 8 im oberen Viertel des Wärmepuffers befindet, wird dieser Bereich des Wärmepuffers sehr schnell erwärmt, so dass bereits nach kurzer Zeit der Heiz- oder Brauchwasserbetrieb aufgenommen werden kann. Steigt die Temperatur des Heizwassers in der Umgebung des Kondensators 8, so erhalt sich der Druck des Kältemittels in der Leitung 4, und die Umwälzpumpe 13 wird eingeschaltet. Nunmehr wird kaltes Wasser aus dem unteren Bereich des Wärmepuffers dosiert dem Kondensator durch das Innenrohr 9 zugeführt. Die Leistung der Umwälzpumpe wird so gesteuert, dass der Druck des Kältemittels in der Kältemittelleitung 4 im wesentlichen konstant gehalten wird Sollte die Umwälzpumpe 13 zuviel kaltes Wasser aus dem unteren Bereich des Puffers fördern, so dass der Druck in der Druckmittelleitung 4 sinkt, so regelt der Regler 17 die Leistung der Umwälzpumpe 13 solange herunter, bis der Druck wieder auf seinen vorgegebenen Sollwert steigt. Hierdurch kann jeweils die optimale Menge Wasser zu der Nennleistung der Wärmepumpe erwärmt werden. Der oberhalb des Wärmetauschers 8 angeordnete Brauchwassererhitzer 23 wird über die Leitung 24 mit Kaltwasser gespeist und gibt über die Leitung 26 sein Warmwasser ab. In die Leitung 26 ist ein Temperaturfühler 27 eingeschaltet, der die Temperatur des warmen Brauchwassers misst. Sollte diese Temperatur zu niedrig sein, was auf eine zu niedrige Temperatur im Wärmepuffer 1 zurückgeht, so wird entweder die Wärmepumpe 18 zugeschaltet oder, falls diese bereits arbeiten sollte und keine ausreichende Leistung erbringt, die Zusatzheizung eingeschaltet. Über diese Zusatzheizung wird dann über den Heizwasservorlauf 6 warmes Wasser in den Wärmepuffer eingedrückt, das unmittelbar auf den Brauchwassererhitzer 22 trifft. Dicht unterhalb des Brauchwassererhitzers 23 ist der oben erwähnte Anschluss 25 angeordnet, über den das über den Heizwasservorlauf eingedrückte Wasser zur Zusatzheizung zurückfliesst. Diese Anordnung gestattet es, auf einen zusätzlichen Behälter für die Brauchwassererzeugung zu verzichten. Erreicht die Temperatur im Rohr 11 einen vorgegebenen Sollwert, so werden die Wärmepumpe 18 und die Umwälzpumpe 13 abgeschaltet.

Claims: Patentansprüche 1. Warmwasser-Heizungsanlage mit Wärmepumpe, deren Kon densator von einem Doppelrohr-Wärmetauscher gebildet ist, dessen Innenrohr im Kreislauf über eine Umwälz pumpe an einen Wärmepuffer angeschlossen ist, der aus einem mit Heizwasser gefüllten aufrechtstehenden Be hälter mit Anschlüssen für den Heizwasservor- und -rücklauf besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kondensator (8) innerhalb des Puffergehäuses (2) in dessen oberem Bereich angeord net ist und sein Innenrohr (9) mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen in den oberen Bereich des Behälters (2) mündet, während die Umwälzpumpe (13) aus dem unte ren Bereich des Behälters (2) saugt, und dass die Fördermenge der Umwälzpumpe (13) in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck im Aussenrohr (1o) des Kondensators (8) regelbar ist, derart, dass der Kältemitteldruck im Betrieb konstant gehalten wird. 2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kondensator (8) im oberen Viertel des Puffergehäuses (2) angeordnet ist. 3. Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Anschluss für den Heizwasserrücklauf (7) unterhalb des Kondensators (8) in den Pufferbehälter (2) mündet und einen derart grossen Austrittsquerschnitt aufweist, dass eine Ver wirbelung des Heizwassers im Pufferbehälter (2) ver mieden ist. 4, Heizungsanlage nach Anspruch 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein in den Pufferbehälter (2) geführtes Rücklaufrohr (7) mit einer Vielzahl von horizontal gerichteten Auslassöffnungen (16). 5. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Zu leitung (11) für das Heizwasser zum Innenrohr (9) des Kondensators (8) ein Temperaturfühler (20) angeordnet ist, der die Wärmepumpe (18) und die Umwälzpumpe (13) bei Erreichen einer bestimmten Heizwassertemperatur abschaltet. 6. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kondensator (8) als aufrechtstehende Doppelrohrwendel ausgebildet ist. 7. Heizungsanlage nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Innenrohr des Konden sators (8) am oberen Ende der Doppelrohrwendel um eine Windung länger als das äussere Rohr (1o) ist die Aus trittsöffnung des Innenrohrs (9) am Umfang dieser Win dung verteilt sind 8. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Pufferbehälter (2) oberhalb des Kondensators (8) ein Brauchwassererhitzer (23) angeordnet ist. 9. Heizungsanlage nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Brauchwassererhitzer (23) unmittelbar vor den Austrittsöffnungen (22) des Innenrohrs (9) des Kondensators (8) angeordnet ist. lo. Heizungsanlage nach Anspruch 8 oder 9 mit einem konventionellen heizbaren tusätzlichen Heizwasserkessel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Teil des im zusätzlichen Heizwasserkessel erzeugten Heizwassers in den Pufferbehälter (2) durch dessen Vorlaufanschluss (6) einleitbar und durch einen dicht unterhalb des Brauchwassererhitzers (23) gelegenen weiteren Anschluss (25) in den Heizkessel rückleitbar ist.

Inventors: KUHL, HAINER
Applicants: KARL KOLB & SOHN
Application year: 1981
Main classification: F24D11
IPC codes: F24H4, F24D17, F24D11