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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Raumtemperatur-Regelungsanlage
für Räume mit Kühl-/Heizdecke
die direktverdampfend betrieben werden. Die Erfindung ist insbesondere
zur Kühlung von
Räumen,
in denen sich Personen aufhalten, also beispielsweise für Wohn-
oder Arbeitsräume,
vorgesehen.
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Temperatur-Regelungsanlagen
für Kühl-/Heizdeckensysteme
in Räumen,
in denen sich Personen befinden sind allgemein bekannt.
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Derartige
Anlagen funktionieren in der Art, dass Raumtemperaturfühler über Regler
durch Stellbe-wegung an Ventilen den Massenstrom des Kühlmediums
(Wasser) verändern.
Großer
Massenstrom heißt
dabei große
Kühl-/Heizleistung
und damit auch veränderliche
Oberflächentemperaturen
der Deckenflächen.
Zu niedrige Oberflächentemperaturen
bergen die Gefahr einer Kondensatbildung. Die Anhebung der Vorlauftemperatur
im Kühlfall
entsprechend dem absoluten Feuchtegehalt der Raumluft (ggf. Außenluft)
wird über
einen Mischkreis vorgenommen. Sicherheitshalber wird ein Kondensat-wächter an
der kältesten
Stelle des Systems (Kaltwassereintritt in den Raum) installiert,
der bei Kondensatanfall die Kaltwasserzufuhr sperrt. Eine Raumentfeuchtung kann
nur über
Be- und Entlüft-ung
vorgenommen werden.
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Kühlräume mit
Verdampferplatten (direktverdampfendes Kältemittel) werden üblicherweise
mit Raumthermostaten ausgerüstet – bei Erreichen
des Sollwertes schaltet der Kältekompressor
ab oder ein Magnetventil sperrt die Kältemittelzufuhr zu den Verdampferplatten.
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Kühl-/Heizdeckensysteme
dienen den Menschen – sie
schaffen behagliche Raumtemperatur-Verhältnisse.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein direktverdampfendes Kühl-/Heizdeckensystem für Räume, insbesondere
Räume,
in denen sich Menschen aufhalten, und eine Regelung des Systems.
Das direktverdampfende Kühl-/Heizdeckensystem
kann auch als Kälteanlage,
und zwar als Kompressionskälteanlage
aufgefasst werden. Im Kühl-/Heizdeckensystem wird
vereinfacht gesagt: Ein Kältemittel
in einem Verflüssiger
verflüssigt,
gibt dabei Wärme
außerhalb
der zu kühlenden
Räume ab und
kühlt dabei
ab. In den zu kühlenden
Räumen
durchströmt
das Kältemittel einen
Verdampfer, in dem es Wärme
aufnimmt, d.h. den Raum kühlt.
Dabei erwärmt
sich das Kältemittel und
verdampft. Der Kältemittelkreislauf
wird von einem Verdichter angetrieben, der auch als Kompressor bezeichnet
werden kann. Der Verflüssiger
und der Verdampfer sind Wärmetauscher,
der Verdampfer ist vorzugsweise plattenförmig, insbesondere ein sog.
Kühlsegel,
das an/in einer Raumdecke angebracht ist. Durch Umkehrung der Strömungsrichtung des
Kältemittels
können
bei einer Ausgestaltung der Erfindung die Räume gewärmt werden. Die Umkehrung ist
durch by-pass Leitungen am Verdichter möglich. Die Durchströmung der
by-pass Leitungen wird mit Absperrventilen, insbesondere Magnetventilen, gesteuert.
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Räume mit
Kühl-/Heizdeckensystemen
direktverdampfend sollen die gleichen Vorzüge bieten, wie die mit wasserdurchströmten Deckensysteme. Eine Übernahme
vorhandener Regelsysteme ist weder aus der Wassertechnik noch aus
der Kühlraumtechnik
möglich.
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Flüssiges Kältemittel
fließt
nach dem Verflüssiger
zu einem Expansionsventil, wo es entspannt wird und in den Verdampfer
(hier Deckenplatten) eintritt. Im Verdampfer, der in einem zu kühlenden
Raum installiert ist, nimmt das Kältemittel Umgebungsenergie
auf und verdampft dabei. Diesen Kältemitteldampf saugt der Kältekompressor
an, verdichtet ihn und presst ihn zum Verflüssiger. Zwischen Verdichter und
Verflüssiger
herrscht im Kältekreislauf
der höchste
Druck und die höchste
Temperatur (Ausnutzung zum Heizsystem). Zwischen Verflüssiger und Expansionsventil
herrscht ebenfalls hoher Druck aber niedrigere Temperaturen. Nach
dem Expansionsventil sinkt der Druck und stark die Temperatur des
Kältemittels.
Der Verdichter saugt Kältemitteldampf
aus dem Verdampfer. Von diesem Saugdruck ist die Verdampfungstemperatur
abhängig.
Mit Veränderung
des Saugdrucks bzw. der Verdampfungstemperatur ändert sich die Oberflächentemperatur des
Verdampfers und damit die Leistungsaufnahme des Verdampfers (Kühlleistung)
aber auch die Leistungsaufnahme des Kompressors. Mit der Veränderung
des Saugdruckes (Verdampfungstemperatur) wird die Leistung des Kühlsystems
wesentlich bestimmt. Üblicherweise
schaltet der Kompressor bei Erreichen des Soll-Saugdruckes ab – eine stetige Sollwertverschiebung
des Saugdruckes kann mit den vorhandenen Komponenten nicht vorgenommen werden,
zudem es keine Anforderung wegen fehlender Kühl-/Heizdeckensysteme direktverdampfend gab.
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Würden diese
Kühldeckensysteme
mit der seitherigen Regelungstechnik versehen werden, würden die
Oberflächen
sehr schnell Kondensat ausscheiden (evtl. vereisen), die Raumtemperaturgradienten
sehr unterschiedlich sein, die Kompressoren viel takten, im Schwülebetrieb
nicht in Betrieb gehen und sich im Raum ein unbehaglicher Zustand
einstellen.
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Die
Erfindung löst
diese Probleme auf eine geniale, moderne Art.
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Im
wesentlichen beinhaltet die Erfindung 5 Regelkreise, die miteinander
verbunden die Problem-Lösung
bilden.
- 1. Regelkreis: Temperatur- und Feuchtefühler (Raum
ggf. Außen)
geben die Messwerte einem Rechner, der daraus den absoluten Feuchtegehalt
der Luft und daraus folgend die niedrigste Oberflächentemperatur
der Verdampferfläche
errechnet, bei der mit Kondensatbildung zu rechnen ist. (Kondensat-Vermeidung)
Zum Vergleich wird die Temperatur in jedem zu kühlenden Raum gemessen. Diese
Temperaturen dienen einem Auswahl-Regler für die Verschiebung des Saugdruckes
und damit der Verdampfungstemperatur auf der Saugseite des Kältekompressors,
die die Temperatur des den Raum kühlenden Verdampfers (mit-)
bestimmt. Zur Regelung des Saugdruckes wird die Temperatur des kältesten
zu kühlenden
Raums gewählt,
oder besser der Raum, in dem die Gefahr der Kondensatbildung am
größten, d.h.
die Luftfeuchtigkeit am höchsten
ist. Energiesparend wird der Saugdruck durch einen drehzahlgeregelten
Kompressor eingehalten. Auch ein Takten des Kompressors ist im Rahmen der
Erfindung möglich.
Vereinfachend ist auch eine Regelung mit der Feuchtigkeit außerhalb
der zu kühlenden
Räume möglich.
Mit
dieser Regelungsanordnung kann auch im Schwülezustand der Luft mit hohen
Verdampfungstemperaturen gekühlt
werden.
- 2. Regelkreis: der Raumtemperaturfühler gibt seinen Messwert dem
Rechner, der entsprechend der Sollwertvorgabe das Magnetventil in
der Flüssigleitung
betätigt.
Parallel dazu wird das Magnetventil in der Saugleitung betätigt. Durch
Schließen des
Magnetventils zwischen dem Verdampfer und der Saugseite des Kompressors
wird die Wärmeaufnahme
des Verdampfers, d.h. seine Kühlwirkung,
schneller gestoppt. Damit wird der Kältemittel-strom gänzlich unterbunden
und eine Kondensatbildung an der Verdampfer-Oberfläche verhindert.
Sind alle Magnetventile eines Gesamt-Kältekreises geschlos-sen, schaltet
der Kompressor ab.
- 3. Regelkreis für
die Temperatur-Erhöhung
des gewünschten
Nassdampfes aus dem Verdampfer (größere Verdampferleistung) wird
vor dem Verdichter auf der Saugseite ( nach dem Verflüssiger auf
der Druckseite) ein Wärmetauscher
installiert. Der Wärmetauscher überträgt Wärme des
Kältemittels
zwischen der Zuströmung
zum Verdampfer und der Rückströmung aus
dem Verdampfer. Der Wärmetauscher
gibt infolge Unterkühlung
des flüssigen
Kältemittels
vor dem Expansionsventil in der Zuleitung zum Verdampfer Energie
an den Nassdampf in der Rückleitung
vom Verdampfer (vor dem Verdichter) ab und sorgt so für die erforderliche Überhitzung.
Mit
dieser Erhöhung
der Temperaturdifferenz erhöht
sich die Kühlleistung.
- 4. Regelkreis: über
den Saugdruck lässt
sich für alle
Kältemittel
die Verdampfungstemperatur bestimmen. Kältemaschinen werden indirekt über diesen
Saugdruck geregelt. Ein spezieller Druckregler, auf den auch Regelkreis
1 aufgeschaltet wird, gibt die variablen Sollwerte an einen drehzahlgeregelten
Kompressor.
Mit dieser Regelanordnung bleibt der Kompressor auch
bei niedrigen Saugdruckvorgaben in Betrieb und nimmt wenig Leistung
auf.
- 5. Regelkreis: der Kondensatwächter weist als Regelcharakteristik
eine Schaltung aus. Bildet sich an der Oberfläche eines Verdampfers ein Wasserfilm
(Kondensat), schließt
der Kondensatwächter
die entsprechenden Magnetventile im Kältekreis. Sind alle Magnetventile
geschlossen, schaltet der Kompressor ab.
Diese Maßnahme gilt
als letzte Konsequenz, falls die Regelungsanlagen versagen.
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Die
Zeichnung 1 zeigt:
- 1) Gesamt-Kälteanlage
schematisiert für
2 Räume
- 2) Regelkreis 1 als Temperaturregelungsanlage zur Optimierung
der Oberflächentemperatur
der Verdampfer, mit Raumfühlern
- 3) Regelkreis 2 als Raumtemperaturregelungsanlage
- 4) Regelkreis 3 als Anlage zur Erhöhung der Kühlleistung
- 5) Regelkreis 4 als Anlage zur Einhaltung von errechneten Saugdrücken
- 6) Regelkreis 5 als Anlage zur Taupunktsüberwachung
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Die
Zeichnung 2 zeigt:
- 7) Gesamt-Kälteanlage
schematisiert für
2 Räume
- 8) Regelkreis 1 als Temperaturregelungsanlage zur Optimierung
der Oberflächentemperatur
der Verdampfer, mit Außenfühlern
- 9) Regelkreis 2 als Raumtemperaturregelungsanlage
- 10) Regelkreis 3 als Anlage zur Erhöhung der Kühlleistung
- 11) Regelkreis 4 als Anlage zur Einhaltung von errechneten Saugdrücken
- 12) Regelkreis 5 als Anlage zur Taupunktsüberwachung
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Zu
1) In Zeichnung 1 ist die Gesamt-Kälteanlage für 2 Räume schematisiert dargestellt.
Der Kältemittelverdichter 1 mit
integrierter Drehzahlsteuerung und Schaltkasten saugt gasförmiges Kältemittel (vorzugsweise
R 134 A) aus einer angeschlossenen Kälteleitung und drückt dieses
in einen Kältemittelverflüssiger 2.
Dort ändert
sich isobar der Aggregatzustand von gasförmig in flüssig, indem das Kältemittel
Energie an ein anderes Medium (vorzugsweise Luft oder Wasser) abgibt. Über ein
Expansionsventil 10, 30 strömt das Kältemittel zum Verdampfer 3, 4 und
wird nun wieder im geschlossenen Kreislauf vom Verdichter 1 angesaugt.
Das Expansionsventil 10, 30 entspannt das flüssige Kältemittel
von einem hohen in einen niedrigen Systemdruck; die Temperatur des Kältemittels
fällt dabei
stark ab. Im Verdampfer 3, 4 nimmt das sehr nasse
Kältemittel
gewollt über
die Oberfläche
Umgebungsenergie auf und kühlt
als Kühldecke
installiert Räume.
-
Zu
2) In Zeichnung 1 ist der Regelkreis 1 schematisch dargestellt.
Kombinierte
Raumtemperaturfühler 13, 35 und Raumfeuchtefühler 16, 36 geben
ihre Messwerte an Regler 18, 38. Verdampferoberflächen-Temperaturfühler 17, 37 messen
die Temperatur an der kältesten Stelle
der dem Raum zugewandten Wärmetauscherseite 3, 4 und
geben die Messwerte an den Regler 18, 38 weiter.
Ein Rechenwerk im Regler 18, 38 ermittelt die
niedrigst mögliche
Oberflächentemperatur der
Wärmetauscher 3, 4,
wenn kein Kondensat anfallen soll. Diese Werte (gering höher als
die Taupunktstemperatur des Raumes) werden im Regler 7 miteinander
verglichen. Der höchste
Wert (höchste
Taupunktstemperatur) wird dem Saugdruckregler 6 als Soll-Wert
zugrunde gelegt. Mit dieser Regelung wird erreicht, dass einerseits
die Gefahr von Kondensatanfall gemindert wird (Vergleich Feuchteinhalt
der Luft mit Oberflächentemperatur)
und andererseits der Saugdruckregler 6 die tiefstmögliche Verdampfungstemperatur
(Verdampfungstemperatur ist abhängig
vom Saugdruck) zulässt.
Selbst eine reduzierte Kälteleistung
(hohe Verdampfungstemperatur) ist für die von Menschen belegten
Räumen
behaglicher als die Räume,
in denen ein Kondensatwächter die
Kältezufuhr
gesperrt hat.
-
Zu
3) In Zeichnung 1 ist der Regelkreis 2 schematisch dargestellt.
Der
kombinierte Raumtemperaturfühler 15, 35 misst die
entsprechende Raumtemperatur und gibt den Messwert an den Regler 18, 38 weiter.
Im Regler 18, 38 wird der Ist-Wert mit dem Soll-Wert
verglichen. Bei einer Abweichung werden die Kälte-Magnetventile 11, 31 betätigt (öffnen, schließen). Um
Kondensat an der Verdampferoberfläche 3, 4 zu
vermeiden, schließen
die Kälte-Magnetventile 12, 32,
in der Saugseite des Kältekreises
angeordnet, sobald die Magnetventile 11, 31 geschlossen
sind, parallel dazu. Mit dem Öffnen
der Magnetventile 11, 31 öffnen entsprechend parallel
die Magnetventile 12, 32. Sind alle Magnetventile
eines Gesamt-Kältekreises
geschlossen, schaltet der Verdichter 1 ab.
-
Zu
4) In Zeichnung 1 ist der Regelkreis 3 schematisch dargestellt.
Ein
thermisch geregeltes Expansionsventil 13, 33 gibt
bei vorgegebener Temperaturdifferenz von 5 K eine bestimmte, der
Kältemittelart
entsprechende, Kältemittelmenge
frei. Dabei kann das Expansionsventil 13, 33 nicht
beeinflussen, ob die Temperaturdifferenz bei Nassdampf oder überhitztem
Kältemitteldampf
gemessen wurde. Im Wärmetauscher 3, 4 selbst
sollte aber kein überhitztes
Kältemittel
strömen,
da Dämpfe
gegenüber
Flüssigkeiten
schlechtere Wärmeaufnahmequalitäten haben.
Mit dem Regelkreis 3 wird das wesentlich verbessert. Ein
Wärmetauscher 13, 23 wird
einerseits in der Saugseite des Verdichters 1 und andererseits
in die Druckseite des Verdichters 1 zwischen Wärmetauscher 2 und
Expansionsventil 10, 30 installiert. Das flüssige Kältemittel
gibt im Wärmetauscher 13, 23 Energie
an den Nassdampf (nach dem Wärmetauscher 3, 4)
ab und überhitzt
diesen einerseits und unterkühlt
dabei sich selbst sehr stark. Das Expansionsventil 10, 30 arbeitet
nach der Temperaturvorgabe 5 K in der Saugleitung nach dem Wärmetauscher 13, 23.
Die Temperaturdifferenz ist aber beträchtlich größer, da die Flüssigkeit
um ca. 6 K unterkühlt
wird. Die Folge ist ein verbesserter Füllgrad des Wärmetauschers 3, 4 und damit
vergrößerte Kühlleistungen.
-
Zu
5) In Zeichnung 1 ist schematisch die Saugdruckregelung dargestellt.
Der Druckfühler 5 misst
in der Saugleitung des Verdichters 1 den Druck, der Regler 6 vergleicht
diesen mit dem Soll-Wert. Der Verdichter 1 hält durch
Drehzahlregelung diese Druckvorgabe. Der Regelkreis 1 gibt über den
Regler 7 ebenfalls eine Veränderung des Saugdruckes vor, denn
die Verdampfungstemperatur steht direkt in Abhängigkeit dazu. Über den
Saugdruck wird die Verdampfungstemperatur verändert und damit Oberflächentemperatur
der Wärmetauscher 3, 4 und
somit auch die Kühlleistung.
Die
Drehzahlregelung des Verdichters 1 ist sehr sinnvoll, da
in niedrigen Lastbereichen der Verdichter bei geringer Stromaufnahme
in Betrieb bleibt und sehr schnell Volllast bringen kann. Temperatursprünge im Raum
werden weitgehendst vermieden.
-
Zu
6) In Zeichnung 1 ist schematisch der Regelkreis 5 dargestellt.
Sollte sich wider Erwarten ein Wasserfilm an der Oberfläche des
Wärmetauschers 3, 4 bilden
schaltet der Kondensatwächter 19, 39 in letzter
Konsequenz die Magnetventile 11, 12 und in Sequenz
die Magnetventile 31, 32 und somit den Verdichter 1 ab.
Sobald der Wasserfilm beseitigt ist, öffnen sich die entsprechenden
Magnetventile 11, 12, 31, 32 und
der Verdichter 1 geht in Betrieb.
-
Zu
7) In Zeichnung 2 ist schematisch die Gesamt-Kälteanlage für 2 Räume dargestellt. Diese Darstellung
ist identisch mit der Darstellung in Zeichnung 1.
-
Zu
8) In Zeichnung 2 ist schematisch der Regelkreis 1 dargestellt.
Dieser Regelkreis ist identisch mit dem Regelkreis 1 gemäß der Zeichnung
1 mit dem Unterschied, dass statt der Raumfeuchte die Außenfeuchte
gemessen wird. Kombinierte Außentemperatur- 21 und
Außenfeuchtefühler 20 geben ihre
Messwerte an Regler 18. Der weitere Regelungsvorgang ist
in zu 2) Zeichnung 1, Regelkreis 1 beschrieben. Statt des Kombifühlers 15/16, 35/36 werden
hier Kombifühler 20/21 verwendet.
Diese Variante ist sinnvoll, wenn viele gleichartige Räume von der
Kälteanlage
versorgt werden.
-
Zu
9) In Zeichnung 2 ist schematisch der Regelkreis 2 dargestellt.
Dieser Regelkreis ist identisch mit dem Regelkreis 2 gemäß der Zeichnung
1, mit dem Unterschied, dass die Raumtemperatur mit einem separaten
Einzeltemperaturfühler 15, 35 erfasst wird.
-
Zu
10) In Zeichnung 2 ist schematisch der Regelkreis 3 dargestellt.
Dieser Regelkreis ist identisch mit dem Regelkreis 3 gemäß Zeichnung
1.
-
Zu
11) In Zeichnung 2 ist schematisch der Regelkreis 4 dargestellt.
Dieser Regelkreis ist identisch mit dem Regelkreis 5 gemäß Zeichnung
1.
-
Zu
12) In Zeichnung 2 ist schematisch der Regelkreis 5 dargestellt.
Dieser Regelkreis ist identisch mit dem Regelkreis 5 gemäß der Zeichnung
1.
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- 1
- Verdichter
(Kompressor)
- 2
- Verflüssiger (Kondensator)
- 3
- Verdampfer
(Kühl-/Heizdecke)
Raum 1
- 4
- Verdampfer
(Kühl-/Heizdecke)
Raum 2
- 5
- Kältemittel-Saugdruckfühler
- 6
- Saugdruckregler
- 7
- Temperaturregler
(errechnet Saugdruck)
- 10
- Expansionsventil
Raum 1
- 11
- Magnetventil
(Flüssigkeitsleitung)
Raum 1
- 12
- Magnetventil
(Sauggasleitung) Raum 1
- 13
- Kältemittel-Wärmetauscher
Raum 1
- 14
- Temperaturfühler f.
Expansionsventil Raum 1
- 15
- Kombinierter
Raum-Temperaturfühler
Raum 1
- 16
- Kombinierter
Raum-Feuchtefühler
Raum 1
- 17
- Oberflächen-Temperaturfühler Raum
1
- 18
- Rechner
für absolute
Feuchte, Temperaturregler Raum 1
- 19
- Kondensatwächter Raum
1
- 20
- Außenfeuchtefühler Raum
1
- 21
- Außentemperaturfühler Raum
1
- 30
- Expansionsventil
Raum 2
- 31
- Magnetventil
(Flüssigkeitsleitung)
Raum 2
- 32
- Magnetventil
(Sauggasleitung) Raum 2
- 33
- Kältemittel-Wärmetauscher
Raum 2
- 34
- Temperaturfühler f.
Expansionsventil Raum 2
- 35
- Kombinierter
Raum-Temperaturfühler
Raum 2
- 36
- Kombinierter
Raum-Feuchtefühler
Raum 2
- 37
- Oberflächen-Temperaturfühler Raum
2
- 38
- Rechner
für absolute
Feuchte, Temperaturregler Raum 2
- 39
- Kondensatwächter Raum
2