DE10011538B4

DE10011538B4 - Einrichtung zur Kühlung von Nutz- und Brauchwasser

Info

Publication number: DE10011538B4
Application number: DE2000111538
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 01127 Hernschier; Rainer Dipl.-Ing. 01069 Rudischer
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: GC0000220A; DE10011538A1

Abstract

Einrichtung zur Kühlung von Nutz- und Brauchwasser mit einer Kompressionskälteanlage bestehend aus einem Verdichter (1), dessen Motor (6) über einen Wechselrichter (7) von einem Fotovoltaikgenerator (8) angetrieben wird, einem Verdampfer (2), einem Kondensator (3), einem Kältemittelsammler (4) und einem Expansionsventil (5), wobei der Verdampfer (2) als Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager, dessen wasserseitiger Abfluss (9) in einem isolierten Wasservorratsbehälter (10) mündet, ausgebildet ist, und mittels Umschaltung von Ventilgruppen (26, 27, 28, 29) der Kondensator (3) als luftgekühlter Kondensator oder ein weiterer Kondensator (25) in Verbindung mit einem weiteren Wasservorratsbehälter zur Erwärmung von Wasser betreibbar ist, und der Kondensator (3) wahlweise entweder beim Überschreiten eines maximalen Temperaturwerts im weiteren Wasservorratsbehälter wieder mit der Funktion eines Kondensators oder beim Unterschreiten eines minimalen Temperaturwerts im Wasservorratsbehälter (10) mit der Funktion eines Verdampfers schaltbar ist, und der Verdampfer (2) und/oder der Kondensator (25) einen Leckspalt aufweist, der mit einer Überwachungseinrichtung, bestehend aus zwei Druckwächtern und einer Meldeeinrichtung, versehen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung von Nutz- und Brauchwasser, insbesondere für sonnenscheinreiche und warme Länder mit ausgebauter Infrastruktur, bei der eine Verunreinigung des Nutz-/Brauchwassers durch Kältemittel ausgeschlossen ist und mit der gleichzeitig hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
Für technologische Prozesse im Dienstleistungsbereich, beispielsweise für Photolabors oder für andere technologische Kleinprozesse wird Wasser benötigt, dessen Temperatur unter der in den Versorgungsnetzen angebotenen Temperatur liegt. Zur Verbesserung der Lebensqualität ist es außerdem erforderlich, dass im Haushaltsbereich und für Swimmingpools gekühltes Wasser zur Verfügung steht. Aufgrund der niederen Temperaturen des Wassers kann damit zugleich die Keimbildung vermindert bzw. vermieden werden.
Um eine Kontamination von Nutz- und Brauchwasser durch Kältemittel sicher auszuschließen, muss zur Kühlung des Wassers mit Kältemitteln laut Vorschrift entweder ein zwischengelagerter Kreislauf (größere Sicherheit bei größeren Wärmeverlust) oder ein Wärmetauscher mit einem sogenannten ”Leckspalt”, bei dem zwischen Kältemittel und Wasser zwei Wandungen eingebracht sind, (geringere Sicherheit bei kleineren Wärmeverlusten) eingesetzt werden.
Herkömmliche Kälteanlagen, wie z. B. Kaltwassersätze, sind durch einen relativ hohen Energieverbrauch gekennzeichnet. In sonnenscheinreichen und warmen Ländern wird aber bereits für Klimaanlagen ein relativ hoher Energieaufwand betrieben, so dass ein weiterer Energieverbrauch nicht gewünscht wird bzw. nicht abgedeckt werden kann. Bekannt sind Kälteanlagen nach dem Absorptionsprinzip, deren Austreiber solarthermisch betrieben wird. Derartige Anlagen sind zwar eine interessante Alternative zu herkömmlichen Anlagen. Aufgrund des relativ hohen apparativen Aufwands ist deren Einsatz jedoch nicht immer sinnvoll.
Aus DE 196 40 159 A1 ist ein Kühler zum Kühlen von Brauchwasser bekannt, der aus einem aufklappbaren Solargenerator, einer Kompressionskaltdampflage mit luftgekühltem Kondensator und einem Druckwasserspeicher für das gekühlte Wasser mit integriertem Wärmetauscher aufgebaut ist. Zur Anpassung der Anlage an die jeweiligen Einstrahlungsbedingungen ist der Kältemittelverdichter mit einer Drehzahlregelung ausgerüstet.
In DE 198 00 004 A1 ist eine industriell genutzte Kälteanlage mit mindestens einem Kältemittelkreislauf, mit wenigstens einem Verdichter, mit mindestens einem Wärmetauscher und mit mindestens einer Einsparungseinrichtung, die wenigstens eine Solarzellenreihe aufweist und die zumindest zeitweilig dem Antrieb des Verdichters und ggf. von benötigten Pumpen dient, beschrieben. Der Solarzelle kann ein Akkumulator und/oder ein Mittel zur Stromwandlung, mit dem elektrische Energie in ein Stromnetz eingespeist bzw. aus diesem entnommenen wird (Wechselrichter), nachgeschaltet sein.
Des Weiteren wird in DE 196 53 244 A1 eine Kälteanlage mit drei Kältestufen beschrieben, bei dem ein im Gegenstrom arbeitender Plattenwärmeübertrager eingesetzt ist, der den Verdampfer der ersten Stufe mit dem Verflüssiger der zweiten Kältestufe verbindet.
Selbst wenn man die vorgenannten Schriften kombiniert, d. h. in den solarbetriebenen Kälteanlagen der Verdampfer als im Gegenstrom arbeitender Plattenwärmeübertrager ausgeführt würde, wird dennoch keine solarbetriebene Einrichtung zur Kühlung von Nutz- und Brauchwasser geschaffen, bei der eine Verunreinigung des Nutz-/Brauchwassers durch Kältemittel sicher ausgeschlossen ist und mit der gleichzeitig hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Kühlung bzw. Erwärmung von Nutz- und Bauchwasser zu schaffen, deren Energieversorgung weitestgehend photovoltaisch erfolgt, bei der eine Verunreinigung des Nutz-/Brauchwassers durch Kältemittel ausgeschlossen ist und mit der gleichzeitig hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
Bei der Einrichtung zur Kühlung bzw. Erwärmung von Nutz- und Brauchwasser wird zur Kälteerzeugung eine Kompressionskälteanlage eingesetzt, deren Energieversorgung weitestgehend photovoltaisch erfolgt. Die Kompressionskälteanlage besteht aus einem Verdichter, einem Verdampfer, einem Kondensator, einem Kältemittelsammler und einem Expansionsventil. Der Verdampfer ist als Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager in korrosionsbeständiger Bauweise und der Kondensator als luftgekühlter Kondensator ausgebildet. Der Motor des Verdichters wird über einen Wechselrichter von einem PV-Generator angetrieben. Der wasserseitige Abfluss des Verdampfers mündet in einem isolierten Wasservorratsbehälter. Für den Inselbetrieb ist der Wechselrichter mit einem Laderegler für eine Batterie ausgestattet, der ein Frequenzumrichter nachgeschaltet ist. Es ist aber auch möglich, nach dem Wechselrichter eine Einbindung in das Netz vorzunehmen.
Der Wasservorratsbehälter ist mit einem Niveauschalter ausgerüstet, der mit der entsprechenden Pumpe verbunden ist. Über einen Temperatursensor können ein Zwei-Wege-Ventil und die Pumpe so betätigt werden, dass das Wasser aus dem Wasservorratsbehälter ein weiteres Mal durch den Verdampfer geleitet wird. Außerdem ist es möglich, durch Betätigung bestimmter Ventilgruppen eine Umschaltung auf Wärmepumpenbetrieb unter Nutzung der Umgebungswärme vorzunehmen.
Nach Maßgabe der Erfindung arbeitet die Kompressionskälteanlage auch als Wärmepumpe zwischen dem Kaltwasserbehälter und einem zusätzlichen Warmwasserbehälter (so lange, bis ein bestimmter Sollwert des Warmwassers erreicht ist). Dazu befindet sich im Warmwasserbehälter ein zusätzlicher Kondensator. Der luftgekühlte Kondensator wird über Ventilgruppen wahlweise als Verdampfer oder Kondensator betrieben. Da die Kompressionskälteanlage nicht lediglich zur Kühlung von Wasser, sondern auch zur Bereitstellung von Warmwasser genutzt wird, erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Außerdem sind der Verdampfer und der Kondensator mit einem Leckspalt ausgestattet ausgeführt, wobei zur Überwachung des Leckspaltes zwei Druckwächter mit einer Meldeeinrichtung eingesetzt werden. Durch die Überwachung des Leckspalts wird einerseits praktisch genauso sicher wie bei der Verwendung eines separaten Zwischenkreises vermieden, dass das gekühlte (bzw. erwärmte) Nutz- oder Brauchwasser mit Kältemittel verunreinigt wird. Andererseits wird der Wirkungsgrad wegen des Leckspalts wesentlich weniger verringert als bei der Verwendung eines Zwischenkreises.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann so ausgeführt sein, dass der PV-Generator, die Kompressionskälteanlage und die Energieversorgungsanlage direkt mit dem Wasserbehälter verbunden sind. Sie kann aber auch als Splitanlage ausgeführt werden. Außerdem kann dem Wasserbehälter eine Druckerhöhungsanlage nachgeschaltet werden. Zur Verbesserung der Wasserqualität können ein mechanischer Filter und/oder ein UV-Filter vor- oder nachgeschaltet werden. Der Wasserdurchfluss durch den Verdampfer bzw. den Kondensator kann durch eine Drosseleinrichtung eingestellt werden.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass zwischen dem Kältemittelsammler und dem Expansionsventil ein Zwischenwärmeübertrager angeordnet ist.
Es wurde gefunden, dass das zur Deckung des Bedarfs an gekühltem bzw. erwärmtem Wasser unter Berücksichtigung des Solarstrahlungsangebotes ein PV-Generator in einer vertretbaren Größenordnung einsetzbar ist, der konstruktiv und optisch dem Wasservorratsbehälter, dem Kältesatz und dem Schaltschrank zugeordnet werden kann. Bevorzugt werden zwei PV-Generatoren so angeordnet, dass sie während des Transportes an den Behälter angelegt werden können. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz werden die PV-Generatoren über den Wasservorratsbehälter in einer entsprechenden Schräglage angeordnet und schützen so den Wasserbehälter vor direkter Sonneneinstrahlung.
Anhand folgender Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden:
1 zeigt eine schematische Darstellung des Wasserkreislaufes der erfindungsgemäß gestalteten Einrichtung.
2 zeigt die Schaltungsanordnung der Energieversorgung im Inselbetrieb.
3 zeigt die Schaltungsanordnung der Energieversorgung für netzgestützten Betrieb.
4 zeigt das Schaltschema des Kältekreislaufes für Kühlbetrieb.
5 zeigt das Schaltschema des Kältekreislaufes für Kühl- oder Wärmepumpenbetrieb.
6 zeigt das Schaltschema des Kältekreislaufes für Wärmepumpenbetrieb zwischen einem Kalt- und einem Warmwasserbehälter.
Gemäß 1 wird über das Zwei-Wege-Ventil 19 und die Drosseleinrichtung 20 der Wasserzufluss in den Wasservorratsbehälter 10 geregelt. Die Abkühlung bzw. Erwärmung des Wassers erfolgt in dem Wärmetauscher (Verdampfer bzw. Kondensator) 2/3. In der Abflussleitung befindet sich eine Pumpe 18 zur Druckerhöhung. Mit der Pumpe 17 wird bei Abweichungen der Behältertemperatur, gemessen mit dem Temperatursensor 16, vom eingestellten Sollwert eine Zirkulation des Wassers durch den Wärmetauscher 2/3 realisiert. Durch Schließen des Zwei-Wege-Ventils 21 erfolgt der Zufluss direkt in den Wasservorratsbehälter 10. Der Wasserzufluss wird weiterhin mit Hilfe des Niveauschalters 14 gesteuert. Optional kann die Pumpe 15 in der Zuflussleitung angeordnet werden.
Gemäß 2 erfolgt die Energieversorgung des Motors 6 für den Verdichter 1 aus dem Photovoltaikgenerator 8 oder der Batterie 11 über den Wechselrichter 7 und den Frequenzumrichter 12.
Bei netzgestütztem Betrieb gemäß 3 ist der Photovoltaikgenerator 8 über den Wechselrichter 7 an das Energieversorgungsnetz 13 angeschlossen. Aus diesem wird der Motor 6 des Verdichters 1 gespeist.
Gemäß 4 besteht die Einrichtung für Kühlbetrieb aus Verdichter 1, Kondensator 3, Kältemittelsammler 4, Expansionsventil 5 und Verdampfer 2.
Bei Kühl- und Wärmepumpenbetrieb gemäß 5 ist die Einrichtung mit Verdichter 1, Drei-Wege-Ventil 24, Wärmetauscher (Verdampfer oder Kondensator) 3, Kältemittelsammler 4, Expansionsventil 5, Ventilgruppen 22 und 23 und Wärmetauscher (Verdampfer oder Kondensator) 2 ausgerüstet.
Bei Wärmepumpenbetrieb zwischen einem Kalt- und einem Warmwasservorratsbehälter gemäß 6 ist die Einrichtung mit Verdichter 1, Kondensator 25, Kältemittelsammler 4, Expansionsventil 5, Verdampfer 2 und den Ventilgruppen 26, 27, 28, 29 ausgestattet.
Sowohl der Verdampfer 2 als auch der Kondensator 25 weisen Leckspalten (nicht dargestellt) auf, die jeweils mit einer Überwachungseinrichtung, bestehend aus zwei Druckwächtern und einer Meldeeinrichtung, versehen sind.

Claims

Einrichtung zur Kühlung von Nutz- und Brauchwasser mit einer Kompressionskälteanlage bestehend aus einem Verdichter (1), dessen Motor (6) über einen Wechselrichter (7) von einem Fotovoltaikgenerator (8) angetrieben wird, einem Verdampfer (2), einem Kondensator (3), einem Kältemittelsammler (4) und einem Expansionsventil (5), wobei der Verdampfer (2) als Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager, dessen wasserseitiger Abfluss (9) in einem isolierten Wasservorratsbehälter (10) mündet, ausgebildet ist, und mittels Umschaltung von Ventilgruppen (26, 27, 28, 29) der Kondensator (3) als luftgekühlter Kondensator oder ein weiterer Kondensator (25) in Verbindung mit einem weiteren Wasservorratsbehälter zur Erwärmung von Wasser betreibbar ist, und der Kondensator (3) wahlweise entweder beim Überschreiten eines maximalen Temperaturwerts im weiteren Wasservorratsbehälter wieder mit der Funktion eines Kondensators oder beim Unterschreiten eines minimalen Temperaturwerts im Wasservorratsbehälter (10) mit der Funktion eines Verdampfers schaltbar ist, und der Verdampfer (2) und/oder der Kondensator (25) einen Leckspalt aufweist, der mit einer Überwachungseinrichtung, bestehend aus zwei Druckwächtern und einer Meldeeinrichtung, versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Inselbetrieb der Wechselrichter (7) mit einem Laderegler für eine Batterie (11) ausgestattet und ein Frequenzumrichter (12) nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Wechselrichter (7) eine Einbindung in das Netz (13) erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasservorratsbehälter (10) mit einem Niveauschalter (14) ausgerüstet ist, der mit einer Pumpe (15) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Temperatursensor (16) das Zwei-Wege-Ventil (19) und eine Pumpe (17) so betätigt werden, dass das Wasser aus dem Wasservorratsbehälter (10) ein weiteres Mal durch den Verdampfer (2) geleitet wird.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionskälteanlage mit Ventilgruppen (22, 23, 24) auf Wärmepumpenbetrieb unter Nutzung der Umgebungswärme umschaltbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (6) zur Anpassung an das Strahlungsangebot mit einer Drehzahlregelung im Bereich von 30 bis 120 Hz ausgestattet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Photovoltaikgenerator (8), die Kompressionskälteanlage und die Energieversorgungsanlage direkt mit einem Wasservorratsbehälter (10) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als Splitanlage ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasservorratsbehälter (10) eine Pumpe (18) zur Druckerhöhung nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Wasserqualität dem Wasservorratsbehälter (10) ein mechanischer Filter und/oder ein UV-Filter vor oder nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdurchfluss durch den Verdampfer (2) oder den Kondensator (3) durch eine Drosseleinrichtung (20) eingestellt wird.