DE102008006508A1

DE102008006508A1 - Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE102008006508A1
Application number: DE102008006508A
Authority: DE
Inventors: Peter Dominke; Sven Saulich; Uli Dr. Jakob
Original assignee: PIZAUL AG
Current assignee: HIGHTEX GMBH, DE
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Bei üblichen Regeleinrichtungen für Absorptions-Kälteanlagen (mit Generator, Verdampfer, Absorber und Kondensator), die ihre Energie von Solar-Kollektoren erhalten, wird die Solarenergie nicht optimal genutzt.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung verbessert die Energieausbeutung durch folgende Maßnahmen:
- das Erhitzungsmedium für den Generator ist - ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Reduzierung (Mischer) - von einem Pufferspeicher (Wärmespeicher) zum Generator geleitet,
- der Kälteträger ist - ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Erhöhung - von dem Ausgang des Verdampfers zum Kälteträger-Vorlauf des Gebäude-Kühlkreises geleitet,
- die Rückkühlleistung von wenigstens einer Rückkühlkomponente (Absorber, Kondensator) ist derart regelbar, dass die Vorlauftemperatur des Kälteträgers innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereiches bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solche Regeleinrichtung ist beschrieben in der Offenlegungsschrift DE 195 38 383 A1 . Dort ist eine Absorptions-Kälteanlage angegeben, die im Wesentlichen einen Generator, einen Kondensator, einen Verdampfer und einen Absorber aufweist. Dem Generator wird über eine entsprechende Leitung ein Erhitzungsmedium zugeführt, wobei in der Leitung ein steuerbarer Mischer (beispielsweise Dreiwegeventil) zum Herunterregeln der Vorlauf-Temperatur des Erhitzungsmediums vorgesehen ist. Diese Regelung erfolgt in Abhängigkeit von der Kühlwasser-Vorlauftemperatur des Absorbers und der geregelten Vorlauf-Temperatur des Erhitzungsmediums für den Generator, um Kristallisationserscheinungen (beispielsweise von LiBr-Salzen aus wässriger Lösung) zu vermeiden und/oder die Anlage mit optimalen Wärmeverhältnissen – Kälteleistung zu Wärmeleistung – betreiben zu können.
Außerdem ist es bekannt, bei Absorptions-Kälteanlagen die Sonnenenergie zur Aufheizung des Erhitzungsmediums für den Generator zu nutzen. Die dafür erforderliche Erhitzungs-Wärme Q_G wird von einer Solaranlage zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig wird dem zu kühlenden Raum (beispielsweise Gebäude) durch den Verdampfer Verdampfungswärme Q_V entzogen. Für den Antrieb von internen Pumpen und Ventilen wird noch elektrische Arbeit Q_el benötigt.
Die Summe dieser Wärmemengen und Arbeit wird der Kühlanlage zugeführt und muss mittels Rückkühlung wieder abgegeben werden:
Q_el + Q_G + Q_V = Q_K + Q_A (mit Q_K bzw. Q_A = durch die Rückkühlung abgeführte Wärme des Kondensators bzw. Absorbers).
Für das Erhitzungsmedium wird Erhitzungs-Wärme Q_G auf hohem Temperaturniveau benötigt (> 60°C).
Das Temperaturniveau der Verdampfungswärme Q_V sollte möglichst niedrig liegen, da mit dieser Leistung das Gebäude gekühlt wird.
Das Temperaturniveau (Rückkühltemperatur) für die abzuführende Wärme Q_K des Kondensators bzw. Q_A des Absorbers sollte möglichst hoch liegen, damit eine Trockenkühlung verwendet werden kann. Liegt diese Rückkühltemperatur im Bereich der Außentemperatur, müssen Nasskühler eingesetzt werden. Da diese einen relativ hohen Wasserverbrauch haben, sind sie für den wirtschaftlichen Betrieb der Kälteanlage nur in Ausnahmefällen einsetzbar. Da Kälteanlagen in Gebäuden meist in warmen Ländern eingesetzt werden und für eine Trockenkühlung die Rückkühltemperatur höher liegen muss als die Außentemperatur, sind Rückkühltemperaturen > 45°C nötig.
Die Leistungszahl COP einer solchen Kälteanlage ergibt sich aus: COP = QV/QG = (TG – TA/TG)(TV/TK – TV)wobei T jeweils das Temperaturniveau der entsprechenden Komponente bedeutet mit G = Generator, A = Absorber, V = Verdampfer, K = Kondensator. Die COP liegt in der Praxis bei ca. 0,5–0,7. Dies ist akzeptabel, da im Sommer genügend solare Energie kostenlos zur Verfügung steht. Anders sieht es aus, wenn für die Rückkühlung Leistung von Ventilatoren oder finanzieller Aufwand für Wasserverbrauch bei Nasskühlung anfällt. Dann wird die Anlage schnell unrentabel. Da die geforderte Kühlleistung des Gebäudes meist ansteigt, wenn die Außentemperatur hoch ist, sind gerade bei hohen Außentemperaturen hohe Leistungszahlen COP und damit niedrige Rückkühltemperaturen T_K, T_A erforderlich. Da aber zum Wegbringen der Rückkühlenergie bei hohen Außentemperaturen noch höhere Rückkühltemperaturen nötig sind, widersprechen sich die Anforderungen. Deshalb ist auf die Rückkühlung besonders zu achten.
Die COP wird umso größer, je geringer der Temperaturunterschied zwischen T_V und der Rückkühltemperatur T_K ist. Auf der anderen Seite wird die COP umso größer, je höher die Temperatur T_G ist.
Um die Anlage wirtschaftlich betreiben zu können, ist eine möglichst hohe Rückkühltemperatur nötig. Dies bedeutet aber auch, dass die Temperatur T_V möglichst hoch sein muss.
Die Regelung von Kälteanlagen für die Gebäudekühlung erfolgt üblicherweise folgendermaßen:
Das gekühlte Medium (Kälteträger), das für die Gebäudekühlung verwendet wird, wird in einen Pufferspeicher (Kältespeicher) geladen. Aus dem Kältespeicher kommend wird der Kälteträger einem Mischer zugeführt zum Mischen mit dem wärmer gewordenen Kälteträger, wie er aus dem Rücklauf des Gebäude-Kühlkreises kommt. Über diesen Mischer wird somit die benötigte Vorlauftemperatur für die Gebäudekühlung eingestellt. Um die Vorlauftemperatur über den Mischer regeln zu können, muss die Temperatur des Kälteträgers im Kältespeicher tiefer liegen als die benötigte Vorlauftemperatur.
Entsprechendes gilt beim Einsatz von Mischern für die Regelung der Rückkühltemperaturen für Q_A und Q_K. Die dafür bereit zu stellenden und den Mischern zuzuführenden Rückkühlmedien müssen eine tiefere Temperatur aufweisen als die von der Kälteanlage benötigten Temperaturen T_A, T_K. Daher wird für das Rückkühlmedium vor den Mischern ein Kältespeicher (beispielsweise Kaltwasserspeicher) vorgesehen.
Umgekehrt gilt für die Temperaturregelungen für Q_G: Dort muss dem Mischer ein Erhitzungsmedium mit einer höheren Temperatur in einem Wärmespeicher zur Verfügung gestellt werden als die von der Kältemaschine benötigte Erhitzungstemperatur T_G.
Jedes Mal ist also eine Temperaturdifferenz für die Mischerregelung nötig. Dies bedeutet höhere Kosten für die Bereitstellung von Q_G und für die Rückkühlung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, für

– minimalen Verbrauch an Hilfsenergie,
– optimale Ausnutzung der solaren Energie,
– geringe Betriebskosten für die Rückkühlung

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um folgende Maßnahmen:

– Das Erhitzungsmedium für den Generator wird – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Reduzierung (Mischer) – von einem Pufferspeicher (Wärmespeicher) zum Generator geleitet;
– der Kälteträger wird – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Erhöhung – von dem Ausgang des Verdampfers zum Kälteträger-Vorlauf des Gebäude-Kühlkreises geleitet;
– die Rückkühlleistung von wenigstens einer Rückkühlkomponente (Absorber, Kondensator) ist derart regelbar, dass die Vorlauftemperatur des Kälteträgers innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereiches bleibt.

Dabei ist von der Überlegung ausgegangen geworden, dass die Regelung der Kälteanlage so ausgelegt werden sollte, dass die Temperaturdifferenzen, die zum Regeln der Mischer notwendig sind, wegfallen. Damit kann bei gleicher Kälteleistung die Temperatur zum Bereitstellen von Q_G abgesenkt und die Temperatur zum Bereitstellen eines Rückkühlmediums angehoben werden. Außerdem fällt der Aufwand für steuerbare Mittel zur Temperatur-Reduzierung bzw. -Erhöhung (z. B. Mischer) weg.
Im Gesamtsystem befindet sich nur ein Pufferspeicher, nämlich ein Wärmespeicher für das Erhitzungsmedium für den Generator. Der Kältespeicher mit Mischer entfällt. Die Regelung der Vorlauftemperatur der Gebäude-Klimatisierung erfolgt über die Kälteanlage, genauer gesagt über deren Rückkühlung.
Mit Hilfe der Energie Q_A, Q_K, die über den/die Kühler für die Rückkühlung abgeführt wird, kann die Temperatur-Regelung des Kälteträgers ausreichend genau erfolgen. Dadurch ist es unerheblich, ob die Pufferung der Energie im Wärmespeicher oder in einem Kältespeicher erfolgt. Aus Kostengründen ist es sinnvoll, sich auf einen Pufferspeicher zu beschränken. Da in der Heizperiode ein Wärmespeicher vorhanden sein sollte, wird als Pufferspeicher der Wärmespeicher verwendet, der zur Speicherung der Sonnenenergie dient.
Vorteilhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In der Figur zeigt der gestrichelt umrandete Teil die Systemkomponente Kälteanlage. Das Umschaltventil SHC schaltet die Gebäudeklimatisierung zwischen Kühlen und Heizen um. Die Umlaufpumpe U fördert das Klimatisierungsmedium (Kälteträger zum Kühlen bzw. Heiz-Flüssigkeit zum Heizen). Die beiden Temperatursensoren TRVL und TRRL messen die Vorlauf- bzw. Rücklauftemperatur der „Gebäude-Klimatisierung", d. h. des Kühl- und/oder Heiz-Kreislaufes im Gebäude.
Das Umschaltventil SHC wird von einer System-Steuerung und die Umlaufpumpe U wird von einer Systemkomponente „Gebäude-Klimatisierung" gesteuert, die nicht dargestellt sind.
Die Regeleinrichtung enthält in der einer Sorptions-Kälteanlage eine Kältemaschine (Chiller) mit

– einem Verdampfer, der – gegebenenfalls über einen Wärmetauscher – an einem Ausgang den Kälteträger liefert, der einem Kälteträger-Vorlauf eines zu kühlenden Raumes („Gebäude-Klimatisierung") zuzuführen ist,
– einem Generator, der einen Anschluss TCG aufweist für ein Erhitzungsmedium (beispielsweise heißes Wasser), das dem Generator über eine Pumpe PCG zuzuführen ist und das von einem nicht dargestellten Sonnenkollektor kommt und in einem wärmespeichernden Pufferspeicher („Solar-Speicher) zwischengespeichert ist,
– einem Absorber und einem Kondensator als Rückkühlkomponenten.

Dabei ist das Erhitzungsmedium – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Reduzierung, also insbesondere ohne steuerbaren Mischer – von dem Pufferspeicher (Wärmespeicher) zum oben genannten Anschluss TCG des Generators geleitet.
Der Kälteträger ist – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Erhöhung, insbesondere ohne steuerbaren Mischer – von dem oben genannten Ausgang des Verdampfers zum Kälteträger-Vorlauf mit dem Temperatursensor TRVL geleitet.
Die Rückkühlleistung von wenigstens einer Rückkühlkomponente Absorber und/oder Kondensator) ist über einen Kühler, insbesondere Ventilator VCR, derart geregelt, dass die Vorlauftemperatur (TRVL) des Kälteträgers einer vorgegebenen Temperatur entspricht.
Zur Ergänzung der Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den Figuren der Zeichnung Bezug genommen. Ferner umfasst die Erfindung neben deren Definition in den Patentansprüchen auch jedwede andere patentfähige Merkmalskombination, insbesondere Unterkombinationen des Hauptanspruches und seiner Unteransprüche.
Zusammenfassend ist Folgendes festzustellen:
Bei üblichen Regeleinrichtungen für Absorptions-Kälteanlagen (mit Generator, Verdampfer, Absorber und Kondensator), die ihre Energie von Solar-Kollektoren erhalten, wird die Solarenergie nicht optimal genutzt.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung verbessert die Energieausbeutung durch folgende Maßnahmen:

– das Erhitzungsmedium für den Generator ist – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Reduzierung (Mischer) – von einem Pufferspeicher (Wärmespeicher) zum Generator geleitet,
– der Kälteträger ist – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Erhöhung – von dem Ausgang des Verdampfers zum Kälteträger-Vorlauf des Gebäude-Kühlkreises geleitet,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19538383 A1 [0001]

Claims

Regeleinrichtung einer Sorptions-Kälteanlage mit – einem Verdampfer, der – gegebenenfalls über einen Wärmetauscher – an einem Ausgang den Kälteträger liefert, der einem Kälteträger-Vorlauf eines zu kühlenden Raumes zuzuführen ist, – einem Generator, der einen Anschluss aufweist für ein Erhitzungsmedium, das dem Generator zuzuführen ist, – einem Absorber und einem Kondensator als Rückkühlkomponenten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Erhitzungsmedium ist – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Reduzierung – von einem Pufferspeicher (Wärmespeicher) zum oben genannten Anschluss des Generators geleitet, – der Kälteträger ist – ohne Zwischenschaltung von steuerbaren Mitteln zur Temperatur-Erhöhung – von dem oben genannten Ausgang des Verdampfers zum Kälteträger-Vorlauf geleitet, – die Rückkühlleistung von wenigstens einer Rückkühlkomponente ist derart regelbar, dass die Vorlauftemperatur des Kälteträgers einer vorgebbaren Temperatur entspricht.
Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher von wenigstens einem Sonnenkollektor gespeist ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Erhitzungsmediums vom Wärmespeicher zum Generator mit gleich bleibender Durchflussmenge pro Zeiteinheit erfolgt.
Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkühlleistung durch die Ventilatorleistung eines Kühlers gesteuert ist.