DE102019008544A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einer Kälteanlage und Einspeisung in die Heizung - Google Patents

Abstract

Kälteanlagen werden in vielfältiger Weise eingesetzt. Das Ziel ist Räume zu kühlen in denen zum Beispiel Lebensmittel gelagert werden. Diese Kälteanlagen müssen 365 Tage im Jahr 24 Stunden am Tag betriebsbereit sein. Die Einschaltdauer liegt zwischen 60 und 80 %. Die Kälteanlagen arbeiten genauso wie die Wärmepumpen, das bedeutet aus 1 Teil Energie welches sie aus dem Netz ziehen, entwickeln sich 4 Teile Wärme, die an die Umgebungsluft abgegeben werden.Für Wärmepumpen setzt man die Kältemittel R 134 A ein, die für Kälte und Klimaanlagen nicht sinnvoll sind, da die Anlagen sonst relativ groß und damit teuer ausgelegt werden müssten.Deshalb setzt man bei Kälte und Klimaanlagen ein Kältemittel, wie zum Beispiel R410A, ein. Eine nachträgliche Umrüstung auf Wärmerückgewinnung bestehender Kälte und Klimaanlagen mit diesem Kältemittel ist nicht sinnvoll, da die Wassertemperatur maximal ca. 50 °C betragen kann.Lediglich zur Brauchwassererwärmung kann diese Temperatur genutzt werden, allerdings beträgt der Nutzungsgrad der gesamten frei werden denn Energie der Kälteanlage lediglich ca. 7 %.Die Umsetzung der restlichen Energie in Heizenergie ist in den Figuren 1-3 in den einzelnen Ausprägungen dargestellt. Allen drei Figuren ist gemeinsam, dass auch die Wärmeenergie, die aus 50° Wassertemperatur geschöpft werden kann, in die Heizsysteme integriert werden können. Damit können auch sehr viele bestehende Kälteanlagen umgerüstet werden.In Figur eins wird die raumlufttechnische Anlage Mittel eines Luftvorerhitzers aufgeheizt, in Figur 2 undFigur 3 der Rücklauf der Heizungsanlage, die mit niedriger Vorlauftemperatur läuft, angehoben.Somit kann jede Kälteanlage, unabhängig vom Kältemittel, umgerüstet werden auf Wärmerückgewinnung.

Description

• Die Abwärmenutzung aus einer Kälteanlage, auch Wärmepumpe, ist eine gängige Praxis. Dies bedarf eines speziellen Kältemittels, zum Beispiel R 134 A, um auch Wassertemperaturen aus der Verflüssigungswärme des Kältemittelkreislaufes von 70° erzeugen zu können. Diese Temperatur ist erforderlich, um mit der bisherigen Technik den Heizungskreislauf die Wärmeenergie einspeisen zu können.
  Dabei findet die Einspeisung in der Regel in den Rücklauf des Heizungskreislaufes, der dann eine Temperatur von mindestens 50 °C besitzt, statt. Hierzu wird ein Wasser-Wasser Wärmetauscher benötigt, der dann Wärmeenergie überträgt. In der Technik ist eine wirtschaftliche Größe für Wärmetauscher 8 K Temperaturdifferenz geläufig. Das bedeutet, dass die Wassertemperatur zur Übertragung der Wärmeenergie mittels des Wasser - Wasser Wärmetauscher mindestens 58 °C sein sollte.
• Sind in der Praxis nun Kälteanlagen vorhanden, die nicht mit dem Kältemittel R 134 A ausgerüstet sind (zum Beispiel mit dem Kältemittel R410 A), ist eine Wärmeübertragung in das Heizungsnetz nicht möglich.
  Der Grund, warum Kälte- und Klimaanlagen vorzugsweise mit diesem Kältemittel ausgerüstet sind, ist der hohe spezifische Energiegehalt des Kältemittel selbst je Kilogramm und die kritische Temperatur des Kältemittel. Deshalb können Kälteanlagen relativ klein ausgelegt werden, da der Volumenstrom nicht so sein muss wie zum Beispiel bei R 134A (relativ kleiner spezifische Energiegehalt je Kilogramm).
  Die kritische Temperatur des Kältemittels von R 134 A beträgt ca. 101 °C, während sie beim Kältemittel R410 A ca. 73 °C beträgt. Die kritische Temperatur sollte nicht erreicht werden, da sonst das Kältemittel nicht mehr verflüssigt werden kann. Ohne Verflüssigung des Kältemittels würde der Kältekreislauf zusammenbrechen. Der heißeste Punkt bezüglich der Kältemitteltemperatur in einer Kälteanlage ist der am Verdichteraustrittsstutzen. Hier kann die Kältemitteltemperatur 20 K und mehr über der Verflüssigungstemperatur betragen. Deshalb realisiert man in der Praxis eine maximale Verflüssigungstemperatur beim Kältemittel R 134 A von ca. 70 °C und R410A ca. 50 °C. Die Verflüssigungstemperatur bestimmt den Druck auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes. Je höher der Druck, desto höher die Temperatur.
• Diese Verflüssigungstemperatur entspricht auch der Wassertemperatur an dem für die Wärmerückgewinnung vorgeschalteten Wärmetauscher.
• Wegen dem unspezifischen Energiegehalt von Kältemittel R410A werden vorzugsweise die Kälte und Klimaanlagen mit diesem Kältemittel ausgerüstet. Dadurch können die Kosten günstiger angeboten werden. Der Nachteil, der allerdings nur bei der Wärmerückgewinnung sich als Nachteil darstellt, ist die niedrige erforderliche Verflüssigungstemperatur.
• Will man nun eine bestehende Kälteanlage mit dem Kältemittel R410A auf Wärmerückgewinnung umrüsten, ist ein Wechsel des Kältemittels auf R 134 A nicht möglich, da die Baugröße und die Kälteleistung dann nicht mehr stimmen.
• Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei einer Umrüstung einer Kälteanlage auf Wärmerückgewinnung kältemittelunabhängig, das bedeutet auch mit niedriger Temperatur, die Einspeisung der Wärmeenergie zu Heizzwecken zu ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird mit dem beschriebenen Verfahren gelöst.
• Zunächst wird die Kälteanlage, unabhängig vom jeweiligen Kältemittel, mittels Wärmetauscher Wasser 20 umgebaut auf Wärmerückgewinnung und mittels einer Kondensatorpumpe 70 mit dem Warmwasserspeicher 60 verbunden. Somit wird idealerweise 100 % der Wärmeenergie auf den Warmwasserspeicher 60 übertragen. Der Warmwasserspeicher 60 wird nun mittels einer temperaturgeregelten Vorerhitzerpumpe 80 mit dem jeweiligen Raumheizsystem verbunden. In 1 wird zusätzlich ein Luftvorerhitzer 90 in die raumlufttechnische Anlage eingebaut und dem Kühler 100 sowie dem Lufterhitzter 110 vorgeschaltet. Der Temperaturregler 120 schaltet bei unterschreiten der Raumtemperatur von z.B. 20 °C die Vorerhitzerpumpe 80 ein und die im Warmwasser, das eine Temperatur von ca. 50 °C besitzt, gespeicherte Wärmeenergie wird auf den Luftvorerhitzter 90 übertragen. Die Wärmeenergie, die durch den Luftvorerhitzter 90 übertragen wird, wird vom Lufterhitzter 110 nicht mehr benötigt und somit eingespart. Die noch benötigte Wärmeenergie wird durch den Lufterhitzter 110 hinzugefügt.
  In 2 sind Deckenheizstrahlplatten 160 für die Raumheizung eingesetzt. Diese benötigen eine geringe Warmwassertemperatur von ca. 40 °C. Die Rücklauftemperatur beträgt ca. 30 °C. Auch hier arbeitet die temperaturgesteuerte Vorerhitzerpumpe 80 wie in 1 beschrieben. Die Wärmeenergie wird nun über den Wasser-Wasser-Wärmetauscher 170 auf das Heizsystem übertragen. Die noch zu benötigen Wärmeenergie wird dann von der Heizungsanlage 140 hinzugefügt.
  In 3 sind statische Heizkörper 180 integriert. Diese Heizkörper sind jedoch so ausgelegt, dass sie mit einer niedrigen Vorlauftemperatur von ca. 50 °C den Heizbedarf abdecken können. Dadurch entsteht eine niedrige Rücklauftemperatur von maximal 40 °C. Dadurch kann auch hier über den Wasser-Wasser-Wärmetauscher 170 die Wärmeenergie mit der temperaturgesteuerten Vorerhitzterpumpe 80 übertragen werden. Die restliche Wärmeenergie, die benötigt wird, übernimmt dann wieder die Heizungsanlage 140.
• In den Zeichnungen wird anhand einiger Ausführungsbeispiele das erfindungsgemäße Verhalten näher erläutert.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Umbau einer Kälteanlage auf Wärmerückgewinnung und Einspeisung der Wärmeenergie in die Heizung dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung aus 1 Wärmetauscher Wasser, 1 Kondensatorpumpe, 1 Warmwasserspeicher, 1 Temperaturregler, 1 Vorerhitzerpumpe 1 Luftvorerhitzer besteht
2. Vorrichtung nach Anspruch eins dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung statt aus Luftvorerhitzer aus Deckenheizstrahlplatten besteht
3. Vorrichtung nach Anspruch eins dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung statt aus Luftvorerhitzer aus statischen Heizkörpern besteht

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