AT509647A2 - TRANSCRITICAL CO2 HEAT-COLD COVER SYSTEM - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft ein System zur gleichzeitigen Erzeugung von Kälte und Wärme mittels C02 - betriebener Elemente mit einer Verdampferstufe, umfassend einen oder mehrere parallel geschaltete Verdampfer, in denen flüssiges C02 in die Gasphase expandiert, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird, mit einer ersten Verdichterstufe, in der das gasförmige C02 wieder komprimiert und dadurch erwärmt wird, mit einem Außenkühler, der Wärme an die Atmosphäre abgibt und mit einem dem Außenkühler nachgeschalteten Sammler zur Entspannung und Kondensation des 002.The invention relates to a system for the simultaneous production of cold and heat by means of CO 2 - operated elements with an evaporator stage comprising one or more evaporators connected in parallel, in which liquid CO 2 expands into the gas phase, whereby heat is extracted from the environment, with a first compressor stage, in which the gaseous CO 2 is again compressed and thereby heated, with an external cooler, which gives off heat to the atmosphere and with an external cooler downstream collector for the relaxation and condensation of the 002.
Ein solches System ist etwa durch Arias und Lundqvist (Jaime Arias, Per Lundqvist; Energy and Buildings; 2006, 38, 73 - 81) bekannt.Such a system is known, for example, from Arias and Lundqvist (Jaime Arias, Per Lundqvist, Energy and Buildings, 2006, 38, 73-81).
Im Lebensmittelhandei und der einschlägigen Logistikwirtschaft werden für die Kundenpräsentation und Lagerung von temperaturempfindlichen Lebensmittel Temperaturen benötigt, die eine ganzjährige Kühlung erfordern. Im Lebensmitteleinzelhandel werden bevorzugt Kühlmöbel zur Präsentation von kühlbedürftigen Waren eingesetzt. Im Großhandel und in Logistikbetrieben stehen dagegen Kühlräume mit unterschiedlichen Lagertemperaturen zur Verfügung. Unabhängig davon müssen Räume, in denen sich Menschen aulhalten so temperiert sein, dass die geltenden Komfortgrenzen eingehalten werden.In the food industry and the relevant logistics industry, temperatures are required for customer presentation and storage of temperature-sensitive foods that require year-round cooling. In food retailing, refrigerated cabinets are preferred for the presentation of goods in need of refrigeration. Wholesalers and logistics companies, on the other hand, have refrigerators with different storage temperatures available. Irrespective of this, rooms in which people hold themselves must be kept at a temperature that complies with the applicable comfort limits.
In herkömmlicher Bauweise werden getrennte Systeme für die Raumwärmeerzeugung und zur Kälteversorgung der Kühlmöbel oder Kühlräume ausgeführt. Für die Erzeugung von Heizwärme kommen üblicherweise herkömmliche EnergieträgerIn conventional construction, separate systems for the production of heat and for cooling the refrigeration cabinets or cold rooms are carried out. For the production of heating heat usually come conventional energy sources
wie Erdgas oder Heizöl zum Einsatz. Eine separat installierte Verbundkälteanlage liefert die für die Produktlagerung erforderliche Kühlenergie. Ein Nebenprodukt der Kälteerzeugung ist Wärmeenergie, die bei Einsatz einer Wärmerückgewinnung oft nur zur Trinkwassererwärmung oder Luftvorwärmung der Lüftungsanlage genutzt wird.such as natural gas or fuel oil used. A separately installed composite refrigeration system provides the cooling energy required for product storage. A by-product of refrigeration is thermal energy, which is often used only for DHW heating or air preheating of the ventilation system when using a heat recovery.
Die geothermisch gestützte Verbundtechnik integriert die Kälte- und Wärmeerzeugung in ein ganzheitliches Energiekonzept. Der Lösungsansatz besteht in einem kältegeführten geothermisch gestützten Energieverbund, in den sämtliche Wärme-und Kälteverbraucher, externe Wärmesenke und Wärmequelle gekoppelt sind. Die von den KUhlstellen angeforderte Kälteenergie wird als Wärmeenergie nach Durchlaufen des Carnot-Prozesskreislaufs ausschließlich dem Gebäude zur Verfügung gestellt. Erst wenn der Wärmebedarf des Gebäudes gedeckt ist, gelangt die Abwärme aus dem Kälteprozess über den Außenkondensator in die Atmosphäre.The geothermally supported composite technology integrates cooling and heat generation into a holistic energy concept. The solution consists of a refrigerated geothermal energy network, in which all heat and cold consumers, external heat sink and heat source are coupled. The cooling energy requested by the refrigeration stations is provided as heat energy only after passing through the Carnot process cycle to the building. Only when the heat requirement of the building is covered, the waste heat from the cooling process via the outer condenser in the atmosphere.
Die Kondensationstemperatur des Kältekreislaufes muss aber regeltechnisch auf ein Temperaturniveau eingestellt werden, das geringfügig oberhalb der gewünschten Nutzwärmetemperatur liegt.However, the condensation temperature of the refrigeration cycle must be adjusted by control technology to a temperature level which is slightly above the desired useful heat temperature.
Die Carnot-Leistungszahl □ (= COP, coefficient of performance) ist das Verhältnis von nutzbarer Wärme- bzw. Kälteleistung zu eingesetzter Leistung. Der COP, bezogen auf die reine Kälteerzeugung, verschlechtert sich bei niedrigen Außentemperaturen zwar, wenn jedoch die Nutzwärme und die Nutzkälte dem Aulwand gegenüber gestellt werden, dann verbessert sich der COP deutlich.The Carnot coefficient of performance □ (= COP, coefficient of performance) is the ratio of usable heat and cooling capacity to power used. The COP, based on the pure refrigeration, deteriorates at low outdoor temperatures, but if the useful heat and the useful cold are compared to the Aulwand, then the COP improves significantly.
Eine Geothermieanlage, bestehend aus erdgekoppelten Wärmeaustauschern (Erdwärmesonden, Energiepfähle) odereinem Grundwasserbrunnen, dient im Winter als zusätzliche Wärmequelle, wenn die Kälteanlage nicht genügend Wärme bereitstellen kann. In diesem Fall entzieht die zusätzliche Geo-Verbundstufe dem Erdreichwärmeaustauscher die zusätzlich erforderliche Wärmeenergie und erhöht dadurch die Gesamtleistung des gemeinsamen Heizkondensators. Das Temperatumiveau des Fluidkreislaufes der Geothermieanlage dient zusätzlich dazu das Kältemittel nach dem Phasenwechsel (Kondensation) weiter abzukühlen. Die dem Kältepro- zess bei der Unterkühlung entzogene Wärmenergie wird zur Regeneration dem Erdreich zugeführt.A geothermal system, consisting of ground-coupled heat exchangers (geothermal probes, energy piles) or a groundwater well, serves as an additional source of heat in winter when the refrigeration system can not provide enough heat. In this case, the additional geo-composite stage deprives the Erdandwärmeaustauscher the additional heat energy required, thereby increasing the overall performance of the common heating condenser. The temperature level of the fluid circuit of the geothermal system additionally serves to further cool the refrigerant after the phase change (condensation). The heat energy removed from the refrigeration process during subcooling is supplied to the soil for regeneration.
Die Kondensationswärme der Kälteerzeugung wird verwendet, um die Wärmebe-darfe für Raumbeheizung und Trinkwassererwärmung zu decken. Reicht die Abwärme nicht aus um die Wärmebedarfe zu decken, wird dem thermischen Erdspeicher Wärme entzogen und von einer integrierten Wärmepumpenstufe auf ein nutzbares Temperaturniveau gebracht, mit dem Gebäudebereiche wie Büro- und Verkaufsräume beheizt werden können. Ein zusätzlicher Wärmeerzeuger (zum Beispiel ein Heizkessel) ist nicht erforderlich.The condensation heat of refrigeration is used to cover the heating requirements for space heating and DHW heating. If the waste heat is insufficient to cover the heat demand, heat is removed from the thermal storage tank and brought to a usable temperature level by an integrated heat pump stage, which can be used to heat building areas such as office and sales rooms. An additional heat generator (for example a boiler) is not required.
Besteht kein Wärmebedarf im Gebäude wird die Abwärme der Kühlprozesse über den Kondensator an die Umgebung abgegeben.If there is no heat demand in the building, the waste heat from the cooling processes is released to the environment via the condenser.
Die Geothermie wird als saisonaler Wärmespeicher verwendet. Den Kälteprozessen wird Wärme entzogen und dem Erdsondenfeld zugeführt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Erdreichs um die Sonden. An den kältesten Tagen des Jahres wird dem Erdreich Wärme zur Gebäudebeheizung entzogen.Geothermal energy is used as a seasonal heat storage. Heat is removed from the cooling processes and fed to the ground probe field. This increases the temperature of the soil around the probes. On the coldest days of the year, heat is removed from the ground to heat the building.
Die Auslegung der Anlagen sieht eine ausgeglichene Wärmebilanz des Erdreichs vor. Das bedeutetet, die jährlichen Wärmeeinträge und der -entzüge sind ähnlich groß. Somit findet keine langfristige Aufheizung oder Abkühlung des Erdreichs statt und die von den Wasserschutzbehörden häufig vorgeschriebene, ausgeglichene Wärmebilanz des Erdreichs kann erfüllt werden.The design of the plants provides for a balanced heat balance of the soil. This means the annual heat inputs and withdrawals are similar. Thus, no long-term heating or cooling of the soil takes place and the often prescribed by the water authorities, balanced heat balance of the soil can be met.
Die Kältemaschinen der Tiefkälte- (=TK) und Normalkälte- (=NK) Stufe arbeiten in einer Kaskadeschaltung. Bei der Tiefkälteerzeugung werden Verdampfungstemperaturen von -28°C bis -36°C benötigt. Die Kondensatorwärme des TK-Kreislaufs gelangt über einen Wärmeaustauscher in den Normalkälteverbund. Die Kondensatorwärme des Normalkälteprozesses wird entweder über einen Innenkondensator zur Gebäudeheizung zur Verfügung gestellt oder an die Aussenluft abgeführt.The chillers of the deep-freeze (= TK) and normal cold (= NK) stages work in a cascade connection. For cryogenic production, evaporation temperatures of -28 ° C to -36 ° C are required. The condenser heat of the TK circuit passes through a heat exchanger in the normal cooling network. The condenser heat of the normal cooling process is either provided via an internal condenser for building heating or discharged to the outside air.
Reicht das Wärmeangebot aus der Prozesskälte für die Gebäudeheizung nicht aus, dann schaltet sich die parallel zum NK-Verbund angeortnete Geo-Verbundstufe hinzu und liefert die angeforderte Wärmeenergie. Als Wärmequelle dient der Geothermiekreislauf aus den erdgekoppelten Wärmeaustauschern. Hier steht ganzjährig ein Temperaturniveau von 5 -15 °C zur Verfügung. Der Geo-Verbund kann im Sommer zur mechanischen Kühlwassererzeugung für die Raum- und Klimakühlung umgeschaltet werden. NK- und Geo-Verbund arbeiten in einer Serienschaltung zunächst auf einen gemeinsamen Innen-Kondensator und in Folge auf den gemeinsamen Außenkondensator. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmeaustauscher im übenwiegend auftretenden Teillastbetrieb besonders effektiv arbeiten.If the heat supply from the process refrigeration is insufficient for the heating of the building, then the geo-composite stage located parallel to the NK compound is switched on and supplies the requested heat energy. The heat source is the geothermal circuit from the geothermal heat exchangers. Here is a year-round temperature of 5 -15 ° C available. The geo-composite can be switched in the summer to the mechanical cooling water generation for the room and air conditioning cooling. NK and Geo composite work in a series circuit initially on a common inner capacitor and in consequence on the common outer capacitor. This has the advantage that the heat exchangers work particularly effectively in the predominantly occurring partial load operation.
Bei ausschließlichem Unterkühlbetrieb des Normalkälteprozesses wird dem Erdreich Wärme zugeführt, bei ausschließlichem Betrieb der Geo-Verbundstufe Wärme entzogen. Bei gleichzeitigem Betrieb von Geo-Verbundstufe und Normalkälteerzeugung nimmt die Sole nach dem Sondenaustritt Wärme im Nachkühler auf und gibt sie im nachgeschalteten Verdampfer an den Geo-Verbund ab, bevor die Sole wieder in das Sondenfeld strömt.In the case of exclusive subcooling operation of the normal cooling process, heat is supplied to the soil, heat is withdrawn in the case of exclusive operation of the geo-composite stage. With simultaneous operation of Geo-Verbundstufe and normal cooling generation, the brine absorbs heat in the aftercooler after the probe exit and releases it in the downstream evaporator to the geo-composite before the brine flows back into the probe field.
Das in Strömungsrichtung nach dem Außenkühler angeordnete Drosselventil regelt das Druckniveau der Hochdruckseite. Das Ventil ist vollständig geöffnet, solange die Außentemperatur kühl genug ist, um das Kältemittel subkritisch zu Verflüssigen.The throttle valve arranged in the flow direction downstream of the outer cooler regulates the pressure level of the high-pressure side. The valve is fully open as long as the outside temperature is cool enough to subcritically liquefy the refrigerant.
Das Druckniveau ist im subkritischen Betrieb von der jeweils herrschenden Außentemperatur abhängig. Das Kältemittel kann im Außenkühler vollständig in den flüssigen Zustand kondensieren. Nachteilig ist, dass im wirtschaftlichen subkritischen Betriebsfall die Rückgewinnung von Kondensationswärme nur mit niedrigen Temperaturen < 28°C möglich ist.The pressure level in subcritical operation depends on the respective prevailing outside temperature. The refrigerant can condense completely in the external cooler in the liquid state. The disadvantage is that in the economic subcritical operating case, the recovery of condensation heat only at low temperatures < 28 ° C is possible.
Bei ansteigender Außentemperatur wechselt der Kältekreislauf in den transkritischen Zustand, d.h. das gasförmige Kältemittel kann im Außenkühler nicht mehr kondensieren. Um die Abwärme trotzdem an die Außenluft übertragen zu können, verändert das Drosselventil den Gasdruck. Bei höherem Gasdruck (transkritischerAs the outside temperature increases, the refrigeration cycle changes to the transcritical state, i. the gaseous refrigerant can no longer condense in the external cooler. Nevertheless, in order to be able to transfer the waste heat to the outside air, the throttle valve changes the gas pressure. At higher gas pressure (transcritical
Bereich) wird dem Kältemittel keine latente Kondensationswärme mehr entzogen.Area) the refrigerant is no longer withdrawn latent heat of condensation.
Es ist nur noch eine Gaskühlung (sensible Wärmeübertragung) möglich. Das Kältemittel wird bei gleichem Druck und Aggregatzustand auf ein Niveau niedrigeren Energieinhalts und Temperatur aber höherer Dichte abgekühlt. Das abgekühlte Gas wird auf einen Mitteldruck (subkritischer Bereich) entspannt. Bei dieser Entspannung entsteht ein Flüssigkeits- und Gasgemisch. Der Gasanteil wird den Verdichtern ohne Nutzwärmeaufnahme wieder angesaugt. Der prozentuale Gasanteil ist abhängig von der Abkühlung des Gases im Außenkühler und des Druckpegels. Der flüssige Anteil wird den KUhlstellen zur Nutzwärmeaufnahme zugeführt.It is only a gas cooling (sensitive heat transfer) possible. The refrigerant is cooled at the same pressure and state of aggregation to a level of lower energy content and higher density temperature. The cooled gas is depressurized to a medium pressure (subcritical range). This relaxation creates a liquid and gas mixture. The gas content is sucked back to the compressors without useful heat absorption. The percentage of gas depends on the cooling of the gas in the external cooler and the pressure level. The liquid portion is fed to the cooling points for useful heat absorption.
In einem handelsüblichen Kältekreislauf wird ein Kältemittelgas mittels eines Verdichters von einem niedrigen Druck auf einen höheren Druck verdichtet. Das Kältemittel erwärmt sich, wird durch einen Außenkühler verflüssigt und anschließend vom durch den Verdichter erzeugten hohen Druckniveau mit einem Drosselventil entspannt. Bei diesem niedrigen Druckniveau verdampft das Kältemittel und nimmt Wärme auf. Dieser Prozess wird allgemein als Kompressionskälteprozess bezeichnet.In a commercial refrigeration cycle, a refrigerant gas is compressed by means of a compressor from a low pressure to a higher pressure. The refrigerant heats up, is liquefied by an external cooler, and then decompressed by the high pressure level created by the compressor with a throttle valve. At this low pressure level, the refrigerant evaporates and absorbs heat. This process is commonly referred to as the compression refrigeration process.
Das verwendete Kältemittel ist nach dem heutigen Stand der Technik in der Regel ein chemisch hergestellter flourierter und halogenierter Kohlenwasserstoff, der im Verdacht steht, bei Eintritt in die Atmosphäre die Erderwärmung zu begünstigen. Durch die aktuelle Brisanz in der Klimadebatte wird verstärkt nach natürlichen Kältemitteln gefragt, die weniger treibhausschädlich sind. C02 eignet sich als Ersatzstoff besonders, da hier keine Toxizität oder Brennbarkeit vorliegt, die thermodynamischen Kennzahlen aber dennoch gut sind. C02 als Kältemittel bedingt allerdings einen komplexeren Aufbau des Anlagensystems. Ferner sind Drucklagen und Temperaturen im System andere.The refrigerant used in the current state of the art is usually a chemically produced fluorinated and halogenated hydrocarbon, which is suspected to promote global warming when entering the atmosphere. Due to the current explosive nature of the climate debate, more and more natural refrigerants are in demand, which are less harmful to the greenhouse. C02 is particularly suitable as a substitute, since it is not subject to any toxicity or flammability, but the thermodynamic characteristics are nevertheless good. C02 as a refrigerant, however, requires a more complex design of the plant system. Furthermore, pressure levels and temperatures in the system are different.
Das Kältemittel C02, Kohldioxyd, gelangt wie in einem üblichen Kältekreislauf durch ein Rohrsystem zu den Kältemittelverdichtern. Da der Verdichter das Kältemittelgas aus der Rohrleitung ansaugt, wird die Leitung zum Verdichter als Saugleitung bezeichnet. Es ist je nach erforderlicher Kälteleistung und Anforderung an die Rege- • I · · · »*«···« * · * · · m ι « ι ·*····· i » « ** ·· *· *»»* ·*· «« -6- fung ein Verdichter oder es sind mehrere Verdichter parallel angeordnet. Die durchaus übliche Anordnung von mehreren Verdichtern wird als Parallelverbundtechnik bezeichnet.The refrigerant C02, carbon dioxide, passes through a pipe system to the refrigerant compressors as in a conventional refrigeration cycle. Since the compressor sucks the refrigerant gas from the pipeline, the line to the compressor is called suction line. Depending on the required cooling capacity and the demand on the control unit, it is possible to: • I ······················································································. »» * * * * «« - 6 - a compressor or several compressors are arranged in parallel. The quite usual arrangement of several compressors is referred to as a parallel compound technology.
Das Druckniveau in der Saugleitung richtet sind nach der benötigten Temperatur in der Anwendung der Kühlung. Häufig wird Klimakühlung, Lebensmittelpluskühlung und Tiefkühlung unterschieden. Je tiefer die Temperatur, desto niedriger ist das Druckniveau in der Saugleitung. Saugieitung und Verdichter sind nach der verwendeten Temperatur in unterschiedliche Stränge getrennt.The pressure level in the suction line depends on the required temperature in the application of cooling. Frequently, climate cooling, food plus cooling and deep freezing are differentiated. The lower the temperature, the lower the pressure level in the suction line. Suction line and compressor are separated into different strands according to the temperature used.
Im Verdichter wird das Kältemittelgas auf ein höheres Druckniveau verdichtet und erwärmt sich dabei. Das Verhältnis zwischen Saugdruck und Hochdruck nach dem Verdichter wird als Drucksprung bezeichnet.In the compressor, the refrigerant gas is compressed to a higher pressure level and heats up. The relationship between suction pressure and high pressure after the compressor is referred to as a pressure jump.
Der Hochdruck wird bei der Kühlung mit Außenluft, durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Während bei üblichen Kältemitteln der Hochdruck bei maximal 25 bar liegt, werden bei C02 über 100 bar erreicht. Die thermische Belastung der Kältemittelverdichter ist umso größer, je größer der Drucksprung ist. Da der Drucksprung in der Tiefkühlung sehr groß wäre, wird der Kreislauf in dieser Temperaturanwendung mit C02 verändert.The high pressure is determined when cooling with outside air, by the ambient temperature. While with conventional refrigerants the high pressure is at a maximum of 25 bar, C02 reaches more than 100 bar. The thermal load of the refrigerant compressor is greater, the greater the pressure jump is. Since the pressure jump in the deep-freezing would be very large, the cycle is changed in this temperature application with C02.
Es sind drei Varianten üblich, um die thermische Belastung zu reduzieren·. - Kaskadenschaltung der Tiefkühlstufe, hier wird nicht mit Außenluft gegengekühlt, sondern mit einem kühleren Medium. - Mehrstufiger Kompressionsprozess, hier wird die Verdichtung in mindestens zwei Stufen vollzogen und das Medium zwischengekühlt. - Boosterschaltung: das warme Gas aus dem Tiefkühlverdichter wird einer weiteren Druckstufe, z.B. einem Pluskühlverdichter saugseitig zugeführt und vermischt sich dort mit den kühleren Gasströmen dieser Stufe.Three variants are usual to reduce the thermal load. - Cascade circuit of the deep-freezing stage, here is not counter-cooled with outside air, but with a cooler medium. - Multi-stage compression process, here the compression is carried out in at least two stages and the medium is cooled down. Booster circuit: the warm gas from the deep-freeze compressor is subjected to another pressure step, e.g. fed to the suction side of a positive refrigerant compressor and mixes there with the cooler gas streams of this stage.
Beim Austritt des Kältemittelgases aus dem Verdichter wird das Gas in der Regel einem Gaskühler zugeführt, der mit Außenluft gekühlt wird. In einigen Fällen wird -7- das warme Gas zur Erwärmung von Wasser oder Luft zur Temperierung durch Wärmeaustauscher übertragen.When the refrigerant gas exits the compressor, the gas is usually supplied to a gas cooler, which is cooled with outside air. In some cases, the warm gas is transferred to heat water or air for heating by heat exchangers.
Es sind folgende Wärmeauskoppelungen üblich; - Verwendung der Wärme zur Erwärmung von Brauchwasser - Verwendung der Wärme zur Übergabe an ein Heizsystem mit: a. Einbau eines C02 druchströmten Wärmeaustauschers in ein Lüftungsgerät- direkte Lufterwärmung b. Ein C02 durchströmter Wärmeaustauscher gibt die Wärme an einen Wärmeträger ab, der dann diese Wärme zur weiteren Verwendung ableitet.The following heat decoupling are usual; - Use of heat to heat domestic water - Use of heat to transfer to a heating system with: a. Installation of a C02 druchströmten heat exchanger in a ventilation unit - direct air heating b. A C02-flowed heat exchanger transfers the heat to a heat carrier, which then dissipates this heat for further use.
Das Kältemittel kann in diesen Wärmeaustauschern durch Wärmeabfuhr vom gasförmigen Zustand in den flüssigen oder teilverflüssigten Zustand wechseln.The refrigerant can change in these heat exchangers by heat removal from the gaseous state to the liquid or partially liquefied state.
Im Anschluß kann das Kältemittel C02 zu einem Außenkühler geleitet werden oder direkt zu einer Sammelflasche strömen.Subsequently, the refrigerant C02 can be routed to an external cooler or flow directly to a collecting bottle.
Ab einer Außenlufttemperatur von ca. 22 bis 24°C wird der C02 Kreislauf in der Regel transkritisch betrieben. Bei diesem Betrieb, oberhalb des kritschen Punktes des Stoffes, wird ab einer bestimmten Drucklage das heiße und gasförmige Kältemittel nicht mehr durch Wärmeabfuhr gekühlt und schließlich verflüssigt, sondern nur gekühlt. Nach Austritt des Kältemittels aus dem Außenkühler liegt, wie beim Eintritt in diesen, eine reine Gasphase vor, allerdings mit niedrigerer Temperatur.From an outside air temperature of approx. 22 to 24 ° C, the C02 cycle is usually operated transcritically. In this operation, above the critical point of the substance, the hot and gaseous refrigerant is no longer cooled by heat dissipation and finally liquefied from a certain pressure position, but only cooled. After exiting the refrigerant from the outdoor cooler, as in the entry into this, a pure gas phase before, but at a lower temperature.
Bei niedrigeren Außentemperaturen kann vollständig oder teilweise verflüssigt werden.At lower outside temperatures can be completely or partially liquefied.
Nach dem Gaskühler, wird in einem speziellen Drosselventil das Druckniveau reduziert, wodurch sich Flüssigkeit abscheidet und in einen Kättemittelsammler strömt. Überschüssiges Kältemittelgas wird aus der Sammelflasche über eine Absaugleitung an die Verdichtersaugseite geleitet. Mit einer entsprechenden Steuerung undAfter the gas cooler, the pressure level is reduced in a special throttle valve, whereby liquid separates and flows into a collector. Excess refrigerant gas is directed from the sump to the compressor suction side via a suction line. With an appropriate control and
Ventilen wird so das Druckniveau in der Sammelflasche und in der folgenden Flüssigkeitsleitung über das öffnen der Absaugleitung kontrolliert.Valves thus the pressure level in the collecting bottle and in the following liquid line is controlled by opening the suction line.
Das flüssige Kältemittel wird über eine Kältemittelflüssigkeitsleitung zu den Kühlstellen geleitet. Hier verdampft das Kältemittel in Wärmeaustauschern und strömt weiter zur Saugleitung Richtung Verdichter. Vor den Verdichtern werden häufig Flüssigkeitsabscheider eingesetzt, die Verdichter vor schädlichen Flüssigkeitspartikeln schützen.The liquid refrigerant is sent to the refrigeration points via a refrigerant liquid line. Here, the refrigerant evaporates in heat exchangers and continues to flow to the suction line towards the compressor. Prior to the compressors, liquid separators are often used to protect compressors from harmful liquid particles.
Wegen der internaional verschärften Forderungen des Klimaschutzes sollen zukünftig synthetische Kältemittel gegen natürliche Kältemittel ersetzt werden. Für gewerbliche Kälteanlagen sind deshalb neue Verfahrenstechniken notwendig. Das derzeit populärste, natürliche Kältemittel ist C02 mit dem idealen GWP-Wert 1 (GWP = Global Warming Potential). Wegen der physikalischen Eigenschaften dieses Kältemittels arbeitet der Kreisprozess im transkritischen Bereich, bei dem das Gas nach der Verdichtungsstufe bei Temperaturen über 30°C nicht mehr in den flüssigen Zustand kondensieren kann. Gleichzeitig treten Systemdrücke von bis zu 120 bar auf. Bei diesen Betriebsbedingungen arbeitet der Kälteprozess mit niedrigeren Wirkungsgraden als bei herkömmlichen H-FKW Kältemitteln und erzeugt höhere Betriebskosten. Wegen des besonders bei höheren Temperaturen sich verschlechternden COP und den damit verbundenen höheren Betriebskosten eignet sich die bekannte Technik nicht für die Auskoppelung von Heizwärme auf einem für die Gebäudeheizung nutzbaren Temperatumiveau.Due to the internaionally tightened demands of climate protection, synthetic refrigerants are to be replaced by natural refrigerants in the future. For commercial refrigeration systems therefore new process techniques are necessary. The currently most popular natural refrigerant is C02 with the ideal GWP 1 (GWP = Global Warming Potential). Because of the physical properties of this refrigerant, the cyclic process operates in the transcritical range, where the gas after the compression stage at temperatures above 30 ° C can no longer condense in the liquid state. At the same time, system pressures of up to 120 bar occur. Under these operating conditions, the refrigeration process operates at lower efficiencies than conventional HFC refrigerants and generates higher operating costs. Because of the especially at higher temperatures deteriorating COP and the associated higher operating costs, the known technique is not suitable for the decoupling of heat to a usable for building heating temperature level.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein ausschließlich mit umweltfreundlichem C02 betriebenes Wärme-Kälte-Verbundsystem bereitzustellen, welches ganzjährig wirtschaftlich arbeitet.The object of the present invention is to provide a heat-cold composite system operated exclusively with environmentally friendly CO 2, which operates economically all year round.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf überraschend einfach wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass zwischen dem Außenkühler und dem Sammler ein Nachkühler sowie ein erstes Regelventil zur Druckregelung des C02 - Kreislaufs angeordnet sind. • ♦ * ♦ · · * * *·· »«f * ♦ · · · * · » · *···♦♦· »»· -9-This object is achieved according to the invention in a surprisingly simple and effective manner in that between the outdoor cooler and the collector, an aftercooler and a first control valve for pressure control of the C02 - circuit are arranged. • ♦ * ♦ · · * * * ·· »« f * ♦ · · · · · · * ··· ♦♦ · »» · -9-
Um die benötigte Tiefkältetemperatur von -36°C zu erreichen und die Kondensationswärme an einem heißen Sommertag an die Umgebung abgeben zu können, muss das Kältemittel auf Drücke bis zu 120 bar verdichtet werden.In order to achieve the required cold-freezing temperature of -36 ° C and to be able to deliver the heat of condensation to the environment on a hot summer's day, the refrigerant must be compressed to pressures of up to 120 bar.
Bei diesem Druckniveau liegt der Energieverbrauch um bis zu 32% über den Werten der oben beschriebenen (subkritischen) Kältekaskade. Um einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb einer transkritischen Anlage zu ermöglichen muss die Abwärme bei Temperaturen unter 30°C aus dem Kälteprozess ausgekoppelt werden.At this pressure level, energy consumption is up to 32% above the values of the (subcritical) cold cascade described above. In order to enable the most economical operation of a transcritical system, the waste heat must be decoupled from the refrigeration process at temperatures below 30 ° C.
Zudem ist oberhalb von 30°C bei C02 kein Phasenwechsel (Kondensation) möglich.In addition, above 30 ° C in C02 no phase change (condensation) is possible.
Im Winterbetrieb kann eine transkritische C02 Kälteanlage dagegen auf niedrigem Temperaturniveau kondensieren. Um jedoch Wärme auf einem nutzbaren Temperaturniveau auskoppeln zu können, muss der Verdichtungsdruck und damit das Tem-peratumiveau auf Werte, ähnlich im Sommerbetrieb angehoben werden. Dies bedeutet eine Verschlechterung des Anlagen COP während der gesamten Heizperiode und einen deutlichen Anstieg der Energieverbrauchskosten.In winter operation, a transcritical C02 refrigeration system can condense at a low temperature level. However, in order to decouple heat at a usable temperature level, the compaction pressure and thus the tem peratum level must be raised to values similar to those in summer operation. This means a deterioration of the COP plant throughout the heating season and a significant increase in energy consumption costs.
In der erfindungsgemäßen Bauart erfolgt die Wärmeauskoppelung durch eine Serienschaltung von zwei oder drei Gaskühlern, wobei mindestens ein Kühler nach der Außenkühleinheit angeordnet ist und Wärmeenergie an einen Sekundärkreis überträgt. Dieser Nachkühler wird vorzugsweise an einen Geothermiekreislauf angeschlossen.In the design according to the invention, the heat extraction takes place by a series circuit of two or three gas coolers, wherein at least one cooler is arranged after the outdoor cooling unit and transfers heat energy to a secondary circuit. This aftercooler is preferably connected to a geothermal circuit.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nachkühler an einen Geothermiekreis angeschlossen ist. Die vom Nachkühler an den Geothermiekreis übertragene (Rest)Wärme hebt die Rücklauftemperatur des Erdwärmekreislaufes an. Über den Verdampfer des Geo-Kältekreislaufes gelangt die vorbezeichnete Wärme in den Nutzbereich des Gebäudeheizkreislaufes. « f * · * * * · ♦ • ♦ · · * * ·** »«* * · · * * · * * « »«··*** · » · *« ·· ·· +·»···· ·· -10-A preferred embodiment of the system according to the invention is characterized in that the aftercooler is connected to a geothermal circuit. The (residual) heat transferred from the aftercooler to the geothermal circuit raises the return temperature of the geothermal circuit. About the evaporator of the geo-refrigeration cycle, the aforementioned heat enters the useful area of the building heating circuit. «* * * * * * ♦ • ♦ · * * * ** **« * * * * * * * * * «» «·· *** ·» * * «···· + ·» · ··· ·· -10-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist parallel zur ersten Verdichterstufe mindestens einen weiteren Verdichter auf. Somit kann auch ohne erhöhten Kühlbedarf ein höherer Druck erzeugt und somit die transportierte Wärme im System erhöht werden, etwa im Winter, wenn im Gebäudeheizkreislauf ein erhöhter Wärmebedarf besteht.A further advantageous embodiment of the system according to the invention has at least one further compressor parallel to the first compressor stage. Thus, even without increased cooling demand, a higher pressure generated and thus the heat transported in the system can be increased, such as in winter when there is an increased heat demand in the building heating cycle.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der weitere Verdichter saugseitig an einen Wärmetauscher in einem Geothermiekreis angeschlossen. Dadurch kann die zusätzliche Wärmeenergie dem Geothermiekreislauf entzogen werden.In a further development of this embodiment, the additional compressor is connected on the suction side to a heat exchanger in a geothermal circuit. As a result, the additional heat energy can be withdrawn from the geothermal cycle.
Bei einer Weiterbildung der oben genannten Ausführungsformen ist ein zweites Regelventil zwischen der ersten Verdichterstufe und dem weiteren Verdichter angeordnet.In a development of the abovementioned embodiments, a second control valve is arranged between the first compressor stage and the further compressor.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Verdampfer zu einem oder mehreren Normalkältekreisen gehören, an welchen Kühleinrichtungen mit Temperaturen von 0°C bis 8°C angeschlossen sind. Diese Ausführungsform ist in Supermärkten besonders vorteilhaft.A preferred embodiment of the system according to the invention is characterized in that the one or more evaporators belong to one or more normal refrigeration circuits, to which cooling devices are connected at temperatures of 0 ° C to 8 ° C. This embodiment is particularly advantageous in supermarkets.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Tiefkühlkreise vorgesehen sind, an welchen Kühleinrichtungen mit Temperaturen von -20°C bis -24°C angeschlossen sind. Auch diese Ausführungsform ist von Vorteil in Lebensmittel und Supermärkten, wo Tiefkühlwaren angeboten werden.A further advantageous embodiment of the system according to the invention is characterized in that one or more freezing circuits are provided, to which cooling devices with temperatures of -20 ° C to -24 ° C are connected. This embodiment is also advantageous in food and supermarkets where frozen foods are offered.
Bei einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist in Strömungsrichtung des fluiden C02 vor dem Außenkühler ein Wärmetauscher angeordnet, der Wärme aus dem C02 - Kreislauf an einen Heizkreislauf abgibt. Auf diese Weise kann die aus den Kühleinrichtungen abgezogene Wärme der Gebäudeheizung zugeführt werden. • · · • >·· *♦* • * % « φ ·*···»* *»» ** ·« ♦· 99** *99 «· -11 -In a further preferred embodiment of the system according to the invention, a heat exchanger is arranged in the flow direction of the fluid CO 2 in front of the external cooler, which emits heat from the CO 2 circuit to a heating circuit. In this way, the heat withdrawn from the cooling means can be supplied to the building heating. • * • • > *· * ♦ * • *% «φ · * ···» * * »» ** · «♦ · 99 ** * 99« · -11 -
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzahlung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and those listed further can be used individually or in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as a final imposition, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Zeichnungen und detaillierte Beschreibung der Erfindung. Es zeigen:Drawings and detailed description of the invention. Show it:
Fig. 1 ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Systems;Fig. 1 is a schematic diagram of a system according to the invention;
Fig.2 ein Diagramm mit Leistungskoeffizienten verschiedener Kältemittel bei unterschiedlichen Außentemperaturen.2 shows a diagram with power coefficients of different refrigerants at different outside temperatures.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Wärme-Kälte-Verbundsystems 1. Eine oder mehrere Normalkühleinrichtungen 2a, b, c sind über Ventile 3a, 3b, 3c zuschaltbar. Das Kühlmittel nimmt durch Verdampfen die Wärme der Normalkühleinrichtungen 2a, b, c auf und wird Verdichtern 4a, b, c zugeführt, die das Kühlmittel verdichten. Über den Innengaskühler 5 erfolgt die erste Stufe der Wärmerückgewinnung. Die Wärme wird dem Gebäudeheizkreislauf 6 zugeführt.1 shows a schematic diagram of a heat-cooling composite system 1 according to the invention. One or more normal cooling devices 2 a, b, c can be connected via valves 3 a, 3 b, 3 c. The refrigerant absorbs the heat of the normal cooling devices 2a, b, c by evaporation and is supplied to compressors 4a, b, c, which compress the coolant. About the internal gas cooler 5, the first stage of heat recovery takes place. The heat is supplied to the building heating circuit 6.
Anschließend führt der Gasstrom durch den Außenkühler 7, dessen Lüfter während der Heizperiode nur gestartet werden, wenn Abwärmeüberschuss besteht. Hilfsweise kann auch ein regelbarer Bypass zu dem Außengaskühler angeordnet werden.Subsequently, the gas flow through the outdoor cooler 7, whose fans are only started during the heating period when waste heat excess exists. Alternatively, a controllable bypass to the outer gas cooler can be arranged.
Als weiterer Wärmeaustauscher dient ein mit einer Geothermiesonde 15 verbundener Nachkühler 8, der die Restwärme des Gasstromes bis zu einer Endtemperatur von etwa 16°C - 20°C auskoppeft. Durch diesen Nachkühler 8 ist der Flüssigkeitsanteil im Kühlmittel an dieser Stelle des Kreislaufs wesentlich höher als bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen. • * f · I » t · · • · · · · · ·*· «·· •V»· · · v»· *·«*··» « φ « · ♦· ·· *··♦ ··« »« -12-As a further heat exchanger connected to a geothermal probe 15 aftercooler 8, auskoppeft the residual heat of the gas stream up to a final temperature of about 16 ° C - 20 ° C. By this aftercooler 8, the liquid content in the coolant at this point of the circuit is much higher than in systems known from the prior art. • * · »» »» * * * * * * * * * * * * · · · · · · · · · · · · · · «« 12
Das nach dem Außenkühler 7 angeordnete Regelventil 9 regelt das Druckniveau der Hochdruckseite in Abhängigkeit der im Gebäude gewünschten Nutzwärmetemperatur. Wird auf der Nutzungsseite mehr Wärmeenergie nachgefragt, dann regelt das Ventil das Druckniveau in den transkritischen Zustand und ermöglicht eine höhere Gastemperatur.The arranged after the outdoor cooler 7 control valve 9 regulates the pressure level of the high pressure side depending on the desired useful heat in the building. If more heat energy is demanded on the usage side, then the valve regulates the pressure level into the transcritical state and allows a higher gas temperature.
Im Sommerbetrieb arbeitet das Regelventil 9 des erfindungsgemäßen Systems in Abhängigkeit der Außentemperatur. Das gasförmige Kältemittel kann im Außenkühler 7 ab einer bestimmten Außentemperatur nicht mehr kondensieren. Das Druckniveau steigt in den transkritischen Bereich.In summer operation, the control valve 9 of the system according to the invention operates in dependence on the outside temperature. The gaseous refrigerant can no longer condense in the outer cooler 7 from a certain outside temperature. The pressure level rises in the transcritical range.
In dem Sammler 10 kondensiert das Kühlmittel schließlich und wird wieder den Normalkühleinrichtungen 2a, b, c zugeführt.In the collector 10, the refrigerant finally condenses and is returned to the normal cooling devices 2a, b, c.
Die Tiefkühleinrichtungen 11a, b, c verfügen übereinen eigenen Kreislauf, der mittels eines Wärmetauschers 12 mit dem Normalkältekreislauf verbunden ist. Über die Ventile 13 a, b, c lassen sich die Tiefkühteinrichtungen 11a, b, c einzeln zuschalten. Verdichter 14a, b, c verdichten das erhitzte Kühlmittel.The deep freezing devices 11a, b, c have their own circuit, which is connected by means of a heat exchanger 12 with the normal refrigeration cycle. About the valves 13 a, b, c, the Tiefkühteinrichtungen 11 a, b, c can be switched on individually. Compressors 14a, b, c compress the heated coolant.
Einer oder mehrere zusätzliche Verdichter 16 können parallel zu den Normalkreislaufverdichtern 4a, b, c betrieben werden, um zusätzliche Wärme für den Gebäudeheizkreislauf 6 zur Verfügung zu stellen. Dieser Effekt kann noch dadurch verstärkt werden, dass die Verdichter 4a, b, c des Normalkältekreislaufs mit dem zusätzlichen Verdichter 16 mittels eines Ventils 17 saugseitig verbunden werden.One or more additional compressors 16 may be operated in parallel with the normal cycle compressors 4a, b, c to provide additional heat to the building heating circuit 6. This effect can be further enhanced by connecting the compressors 4a, b, c of the normal refrigeration cycle to the additional compressor 16 on the suction side by means of a valve 17.
Zusätzlich kann ein weiterer Wärmetauscher 18, der an den Geothermiekreislauf angeschlossen ist je nach Bedarf dem Normalkältekreislauf Wärme entziehen oder zuführen.In addition, a further heat exchanger 18, which is connected to the geothermal circuit is withdraw or supply heat as needed to the normal refrigeration cycle.
Ein weiterer Wärmetauscher 19 führt dem Gebäudeheizkreislauf 6 bei Bedarf Wärme aus dem Geothermiekreislauf zu. • * • * • · ··· »·« * · « 0 • · * -13-Another heat exchanger 19 leads the building heating circuit 6, if necessary, heat from the geothermal circuit to. • * • * • · ··· »·« «·« 0 • · * -13-
In Fig. 2 sind COP-Leistungskoeffizienten für verschiedene Kältemittel in Abhängigkeit der Außentemperatur dargestellt. Der COP für C02 fällt bei hohen Außentemperaturen deutlich ab. Gerade im Bereich der stundenmäßig am häufigsten vorkommenden Temperaturen liegt der COP von C02 unterhalb der klassischen, weniger umweltfreundlichen Kühlmittel. Aus diesem Grunde ist es nicht trivial, ein reines C02 -Wärme-Kälte-Verbundsystem zu entwickeln, welches ganzjährig effizient arbeitet.FIG. 2 shows COP power coefficients for various refrigerants as a function of the outside temperature. COP for CO 2 drops significantly at high outside temperatures. Especially in terms of the most frequently occurring temperatures per hour, the COP of C02 is below the classic, less environmentally friendly coolant. For this reason, it is not trivial to develop a pure C02 heat-cold composite system that works efficiently all year round.
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