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Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird, sowie deren Sicherheitseinrichtung. Vorwiegend sind dies innen aufgestellte Wärmepumpen, aber auch Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind. Unter Wohngebäuden werden dabei Privathäuser, Miethauskomplexe, Krankenhäuser, Hotelanlagen, Gastronomie und kombinierte Wohn- und Geschäftshäuser verstanden, in denen Menschen dauerhaft leben und arbeiten, im Unterschied zu mobilen Vorrichtungen wie KFZ-Klimaanlagen oder Transportboxen, oder auch Industrieanlagen oder medizintechnischen Geräten. Gemeinsam ist diesen Kreisprozessen, dass sie unter Einsatz von Energie Nutzwärme oder Nutzkälte erzeugen und Wärmeverschiebungssysteme bilden.
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Die zum Einsatz kommenden thermodynamischen Kreisprozesse sind seit langem bekannt, ebenso die Sicherheitsprobleme, die bei der Verwendung geeigneter Arbeitsfluide entstehen können. Abgesehen von Wasser sind die bekanntesten damaligen Arbeitsfluide brennbar und giftig. Sie führten im vergangenen Jahrhundert zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel, die aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestanden. Es zeigte sich jedoch, dass diese Sicherheitskältemittel zur Klimaerwärmung führen und dass ihre sicherheitstechnische Unbedenklichkeit zu konstruktiven Unachtsamkeiten führte. Bis zu 70 % des Umsatzes entfiel auf den Nachfüllbedarf undichter Anlagen und deren Leckageverluste, der hingenommen wurde, solange dies im Einzelfall als wirtschaftlich vertretbar empfunden wurde und Bedarf an Ersatzbeschaffung förderte.
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Heutige Kältekreise sind ausgestattet mit diesen Sicherheitskältemitteln der Sicherheitsklasse A1, d.h. sie sind nicht giftig und nicht brennbar. Die gebräuchlichsten Kältemittel im Bereich der Wärmepumpenanwendungen sind die Kältemittel R134a, R407C bzw. R410A, allesamt Fluorkohlenwasserstoffverbindungen. Der Einsatz dieser Kältemittel war bis Januar 2015 keinerlei Restriktionen unterworfen, die Einführung der F-Gase-Verordnung (EU) 517/2014 zum 01. Januar 2015 schränkt zukünftig die Anwendung von Fluorkohlenwasserstoff- Kältemitteln über Mengenbegrenzungen in der Europäischen Union derartig ein, dass die Preise bisheriger Kältemittel deutlich ansteigen werden. Ziel der F-Gase-Verordnung ist die mittelfristige Verbannung der treibhausgasfördernden Kältemittel und den Ersatz durch natürliche Kältemittel bzw. gegen chemische Kältemittel mit erheblich reduziertem Treibhauspotenzial. Einschlägig ist auch die Norm EN 378 undihre Vorgaben zur Aufstellung.
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Nachteilig ist jedoch, dass nahezu alle Kältemittelalternativen zur Gruppe der brennbaren oder giftigen Kältemittel gehören, insbesondere die technisch vielversprechendsten Kältemittel wie z.B. R290 (Propan) und R1270 (Propylen). R170 (Ethan), R717 (Ammoniak), R600 (n-Butan),R600a (Isobutan), R245fa (1,1,1,3,3 Pentafluorpropan), R723 (Dimethylether/ Ammoniak), R744a (Distickstoffmonoxid) sowie Mischungen aus diesen Kältemitteln und vielen anderen.
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Dies führt zu Sicherheitsproblemen bei Leckagen. Während bei außen aufgestellten Luft-Wasser-Wärmepumpen eine Belüftung vergleichsweise unproblematisch ist, weil im Normalbetrieb eine so große Menge Luft durch die Außeneinheit strömt, dass sich leckagebedingt austretendes entzündliches oder giftiges gasförmiges Kältemittel schnell unter potenziell kritische Werte verdünnt, ist dies bei innen aufgestellten Wärmepumpen nicht der Fall. Innen aufgestellte Wärmepumpen, bei denen nur der Verdampfer im Außenbereich mit Luft in Berührung kommt, oder bei Solen bzw. Wasser als Wärmequellen, findet kein Luftaustausch statt, der leckagebedingt austretendes Kältemittel ausreichend verdünnen könnte. Aus diesem Grund muss eine Spülung der kältemittelführenden Gehäuseabschnitte vorgesehen werden, die zumindest dann aktiviert wird, wenn Kältemittel detektiert wird.
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Ein anderes Problem der innen aufgestellten Wärmepumpen ist die Kühlung der Elektronik, wobei die Leistungselektronik oft eine große Wärmelast verursacht. Der Grund hierfür ist der Einsatz von Inverterkompressoren, die gut regelbar sind und mit denen hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Aber auch deren moderne, computergestützte Regelungselektronik erzeugt viel Abwärme, die abgeführt werden muss und die vorzugsweise einer Nutzung zugeführt werden soll. Sofern die Wärmepumpe mit einer Solaranlage gekoppelt ist, kommt oft auch die Abwärmelast der Leistungselektronik der Solaranlage hinzu.
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Auch bezüglich der Abwärmebehandlung unterscheiden sich außen aufgestellte Wärmepumpen erheblich von innen aufgestellten. Während bei außen aufgestellten Wärmepumpen der Schutz vor der Witterung in Form von Regen, Frost und Vereisung dominiert, ähnelt die Aufstellung im Innenbereich der Situation in Rechenzentren. Hierbei werden die elektronischen Bauteile separat untergebracht und mit gekühlter Luft oder mit Raumluft angeströmt. Im Ergebnis werden je ein Lüftungssystem für die Elektronik und eine lüftende Spülung um die Apparate der Wärmepumpe herum vorgesehen, die unabhängig voneinander betrieben werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine sichere Vorrichtung zur gleichzeitigen Lüftung der Apparate der innen aufgestellten Wärmepumpe und der Abfuhr der Wärme der Elektronik zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Lüftungsvorrichtung für eine innen aufgestellte Wärmepumpenanlage, die mit einem entzündlichen oder giftigen Arbeitsfluid betrieben wird, wobei das Arbeitsfluid in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, der Arbeitsfluidumlauf mindestens aufweisend
- - einen Verdichter für Arbeitsfluid,
- - eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
- - zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
- - ein Arbeitsfluidgehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
- - ein Elektronikgehäuse für Elektronik, die zum Betrieb der Wärmepumpe dient und an sie angeschlossene Ausrüstungen mitbedienen kann,
- - wobei ein Fördergebläse vorgesehen ist, der Luft aus dem Arbeitsfluidgehäuse ansaugt und diese Luft zur Kühlung durch das Elektronikgehäuse führt,
- - wobei die Elektronik, ihr Elektronikgehäuse, das Fördergebläse und alle damit verbundenen Einrichtungen zündquellenfrei ausgeführt sind.
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Als Arbeitsfluidgehäuse wird dabei ein Gehäuse bezeichnet, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann, darunter auch ein Gehäuse für die elektronischen Einrichtungen. Als Elektronikgehäuse wird ein Gehäuse bezeichnet, welches alle elektronischen Einrichtungen beinhaltet einschließlich der Leistungselektronik und der Regelungselektronik, es kann in sich auch geteilt ausgeführt sein, von außen zugängliche Einschübe enthalten oder eine zusätzliche Kühleinrichtung, z.B. eine Wasserkühlung oder eine Heatpipe aufweisen.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Abströmbereich nach dem Elektronikgehäuse eine Verzweigung mit wenigstens zwei Zweigen für Luft vorgesehen ist, wobei der eine Zweig in das Arbeitsfluidgehäuse zurückgeführt wird und der andere Zweig einen Auslass aus dem Gebäude aufweist. Die Verzweigung ist umschaltbar gestaltet, so dass entweder der eine oder der andere Zweig geöffnet und der andere geschlossen ist. Weiterhin ist eine verschließbare Zuluftöffnung in das Arbeitsfluidgehäuse vorgesehen. Auch ein dritter Zweig für eine direkte Abgabe von Heizungsluft in den Aufstellungsraum kann vorgesehen werden.
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Im normalen Betrieb ist der Zweig geöffnet, der vom Elektronikgehäuse zurück in das Arbeitsfluidgehäuse führt und die Zuluftöffnung ist geschlossen. Falls eine Leckage erkannt wird, wird die die Zuluftöffnung geöffnet der Abzweig der Luft in das Arbeitsfluidgehäuse geschlossen. Die kontaminierte Luft wird in diesem Fall vom Fördergebläse ins Freie geleitet und Luft aus dem Gebäude, in dem die Wärmepumpe aufgestellt ist, wird zum Spülen in das Arbeitsfluidgehäuse hineingesogen.
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In einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die Zuluftöffnung mit einer Rückschlagsicherung ausgestattet ist, damit im Fall einer Überdrucksituation durch eine größere Leckage keine kontaminierte Luft in den Aufstellungsraum gelangen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass das Fördergebläse mit einem Akku ausgestattet ist, der eine Energiemenge bereitstellen kann, die im Falle eines Stromausfalls ausreicht, um ein Gasvolumen durch das Arbeitsfluidgehäuse zu fördern, welches groß genug ist, das gesamte Arbeitsfluid sicher abzulüften, ohne dass ein zündfähiges Gemisch gebildet wird. Für die Ablüftung jedes Kilogramms R290 wären dies beispielsweise, um die Zündgrenze von 1,7 Prozent zu unterschreiten, mindestens 100 Kubikmeter Luft, wobei der Fachmann je nach den Aufstellungsbedingungen, den Wirkungsgraden und den Druckverlusten der Ableitung die jeweils bereitzustellende Energiemenge vorsehen muss.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Luft, die im Normalfall in das Arbeitsfluidgehäuse zurückgeführt wird, im Arbeitsfluidgehäuse gekühlt wird, indem sie an einer Leitung, die vom oder zum Verdampfer führt, vorbeigeführt wird, bevor sie in das Arbeitsfluidgehäuse dispergiert wird. Auf diese Weise kann die Abwärme durch die Wärmepumpe als Wärmequelle genutzt werden. Natürlich kann dies auch mittels eines entsprechenden Wärmetauschers geschehen. Abweichend kann der Wärmetauscher auch auf der Hochdruckseite des Arbeitsfluids oder auf der Primär- oder Sekundärseite des Wärmeträgerfluids, also Wasser oder Sole, angebracht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Elektronikgehäuse direkt an das Arbeitsfluidgehäuse angrenzt, vorzugsweise frontseitig, oder darin integriert ist. Auf diese Weise kann ein zusätzlicher Schallschutz erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass am Luftauslass des Elektronikgehäuses ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der die Fördergebläsedrehzahl regelt und, falls der Regelbereich verlassen wird, einen Alarm ausgibt. Auf den Alarm hin kann auch vorgesehen werden, dass die Anlage dann abgeschaltet bzw. in einen gesicherten Zustand gefahren wird. Alternativ zu der Temperaturüberwachung ist auch eine Drehzahlüberwachung oder eine Durchflussüberwachung möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass am Lufteinlass des Elektronikgehäuses ein Gasdetektor für entzündliches Arbeitsfluid vorgesehen ist.
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Als Lüftungsverfahren ist vorgesehen, dass wenn dieser Gasdetektor oder ein anderes Leckageerkennungssystem ein positives Signal gibt, eine Umschaltung der Luftverzweigung zum Auslass aus dem Gebäude erfolgt, die Zuluftöffnung geöffnet, die Fördergebläsedrehzahl auf den maximalen Wert gesetzt und ein Alarm ausgelöst wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Prinzipskizze näher erläutert. Hierbei zeigt 1 ein vereinfachtes Schema der Luftführung.
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1 zeigt eine Wärmepumpe anhand einer Prinzipskizze eines Kältekreises 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer Druckreduzierung 4 und einem Verdampfer 5 in einem Arbeitsfluidgehäuse 6 und einem direkt anschließenden Elektronikgehäuse 7.
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Der Kältekreis 1 wird in diesem Beispiel mit dem entzündlichen Arbeitsfluid Propan, welches auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist, betrieben. Im unteren Bereich des Arbeitsfluidgehäuses 6 ist eine Ansaugöffnung 8 mit einem Gasdetektor 9 vorgesehen, die mit dem Elektronikgehäuse 7 verbunden ist. Die Luft tritt am Luftauslass 10 mit dem Temperatursensor 11 aus dem Elektronikgehäuse 7 aus und wird vom Fördergebläse 12 zur Luftverzweigung 13 gefördert. Der erste Zweig führt die erwärmte Kühlluft 14 über die Umluftleitung 15 zum Wärmetauscher 16 und danach wieder in das Arbeitsfluidgehäuse 6 zurück. Der zweite Zweig führt als Fortluft 17 aus dem Gebäude heraus und wird benutzt, wenn das Signal am Gasdetektor 9 positiv ist. In diesem Fall wird auch die Zuluftöffnung 18, die mit der Rückschlagklappe 19 ausgestattet ist, entsperrt, so dass Luft aus dem Gebäude einströmen kann.
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Natürlich kann die Abwärme der Elektronik auch direkt zum Heizen verwendet werden, indem die Luftverzweigung 13 mit drei Abzweigen versehen wird, von denen der dritte Abzweig als Heizluft 20 im Normalbetrieb direkt in den Aufstellungsraum führt, wenn dies gerade gewünscht wird, wobei in diesem Fall die Zuluftöffnung 18 ebenfalls geöffnet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältekreis
- 2
- Verdichter
- 3
- Kondensator
- 4
- Druckreduzierung
- 5
- Verdampfer
- 6
- Arbeitsfluidgehäuse
- 7
- Elektronikgehäuse
- 8
- Ansaugöffnung
- 9
- Gasdetektor
- 10
- Luftauslass
- 11
- Temperatursensor
- 12
- Fördergebläse
- 13
- Luftverzweigung
- 14
- erwärmte Kühlluft
- 15
- Umluftleitung
- 16
- Wärmetauscher
- 17
- Fortluft
- 18
- Zuluftleitung
- 19
- Rückschlagklappe
- 20
- Heizluft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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