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Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel wirkendes, gefährliches Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird. Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe, die innerhalb eines Wohngebäudes aufgestellt wird und auch Belüftungszwecke erfüllt.
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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 die Ozonschicht schädigen, 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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Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen, in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (EU) 517/2014. Dadurch werden praktisch alle ungefährlichen Sicherheitskältemittel verboten und es bleiben nur noch gefährliche Arbeitsfluide und Wasser zur Auswahl. Gefährlich bedeutet in diesem Fall, dass sie entweder giftig sind, wie zum Beispiel Ammoniak, oder entzündlich oder explosiv in Verbindung mit Luftsauerstoff sein können, jedoch kaum umweltschädlich sind.
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Es ist daher einerseits äußerst problematisch, die konstruktiven Prinzipien für Kältemittel-führende thermodynamische Prozesse zu übernehmen, die sich bei Sicherheitskältemitteln scheinbar gut bewährt haben, andererseits auf die Anlagenkonzepte aus der Zeit vor Einführung der Sicherheitskältemittel aufzusetzen. Dies liegt auch daran, dass inzwischen aus Einzelgeräten komplexe Anlagen geworden sind, was die Anzahl der Möglichkeiten für Störungen und deren Folgen vervielfältigt hat. Hierdurch ergeben sich beispielhaft die folgenden Anforderungen an das Sicherheitskonzept:
- - Im Normalbetrieb muss die Anlage absolut dicht sein.
- - Weder bei einer Leckage im Kondensator noch bei einer Leckage im Verflüssiger darf Arbeitsfluid in den gekoppelten Nutzwärme- oder Nutzkältekreislauf gelangen.
- - Es darf kein Arbeitsfluid aus dem Kältekreislauf unbemerkt entweichen können.
- - Im Verdichter darf das Arbeitsfluid nicht durch die Lagerung entweichen.
- - Im Entspannungssystem darf das Arbeitsfluid nicht durch den Ventilsitz diffundieren oder durch Kavitation zu Leckagen führen.
- - Gekapselte Teile müssen für Wartungs- und Kontrollzwecke zugänglich bleiben.
- - In Notfällen dürfen sich keine Gefahren einstellen.
- - Die Anlage soll in vorhandene Räumlichkeiten integrierbar sein
- - Das Kältemittel bzw. Arbeitsfluid soll abgelassen und eingefüllt werden können.
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Der Begriff des Notfalls muss weit gesehen werden. Denkbar sind externe Ursachen wie Stromausfälle, Erdbeben, Erdrutsche, Überschwemmungen, Brände und klimatische Extrembedingungen sowie interne Ursachen wie technische Fehler oder Bedienungsfehler. Sofern die Anlagen in einem Netzwerk betrieben werden, ist auch ein Netzausfall oder eine Netzstörung als Notfall anzusehen. Gegenüber solchen Gefahren oder Störungen soll die Vorrichtung inhärent sicher sein. Aber auch ein Ausfall der verfügbaren Primärenergie kann einen Notfall begründen und darf keine Gefahrentwicklung zur Folge haben. Alle diese Notfälle können auch kombiniert auftreten; zu unterscheiden ist ferner, ob der Notfall nur ein Bedrohungsszenario darstellt oder ob bereits eine Havarie eingetreten ist.
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Hierbei sind die verschiedenen Bauformen und Anwendungsfälle für derartige thermodynamische Kreisprozesse gesondert zu berücksichtigen, bei ortsfesten Anlagen für Wohngebäude, die innerhalb der Wohngebäude aufgestellt werden, beispielsweise folgende:
- - Haushaltskühlschränke,
- - Haushaltsgefrierschränke,
- - Haushaltstrockner,
- - Haushaltskühl-Gefrierkombinationen,
- - Kühlkammern für Hotel- und Gastronomie,
- - Gefrierkammern für Hotel- und Gastronomie,
- - Klimaanlage für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Warmwassererzeugung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Beheizung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Sauna-Schwimmbadanlagen für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Belüftungen, und
- - kombinierte Anlagen für die oben genannten Anwendungen,
wobei diese Aufzählung nicht vollständig ist.
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Die Energie für den Betrieb der Anlagen einschließlich der zu verschiebenden Wärmeenergie kann aus verschiedenen Quellen stammen:
- - Erdwärme aus Erdwärmespeichern,
- - Geothermische Wärme,
- - Fernwärme,
- - Elektrische Energie aus allgemeiner Stromversorgung,
- - Elektrische Solarenergie,
- - Solarwärme,
- - Abwärme,
- - Warmwasserspeicher,
- - Eisspeicher,
- - Latentwärmespeicher,
- - Fossile Energieträger wie Erdgas, Erdöl, Kohle,
- - Nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Pellets, Biogas,
- - Außenluft,
- - Kombinationen aus den oben genannten Energiequellen,
wobei auch diese Aufzählung nicht vollständig ist.
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Die auftretenden Probleme bei der Sicherheitsauslegung solcher Anlagen werden in der
WO 2015/032905 A1 anschaulich beschrieben. So liegt die untere Zündgrenze von R290 als Arbeitsfluid etwa bei 1,7 Volumenprozent in Luft, was 38 g/m
3 in Luft entspricht. Sofern der Kälteprozess in einem ihn umgebenden, hermetisch abgeschlossenen, ansonsten aber luftgefüllten Raum mit dem Arbeitsfluid R290 durchgeführt wird, stellt sich das Problem der Erkennung einer kritischen, explosiven Situation nach einer Störung, bei der das Arbeitsfluid in diesen hermetisch abgeschlossenen Raum austritt. Elektrische Sensoren zur Erkennung kritischer Konzentrationen sind nur schwierig explosionsgeschützt auszuführen, weswegen gerade die Propan-Erkennung durch die Sensoren selbst das Explosionsrisiko erheblich verschärft, ausgenommen hiervon sind Infrarotsensoren. R290 ist auch giftig, bei Inhalation oberhalb einer Konzentration von ca. 2 g/m
3 stellen sich narkotische Effekte, Kopfschmerzen und Übelkeit ein. Dies betrifft Personen, die ein erkanntes Problem vor Ort lösen sollen, noch bevor Explosionsgefahr entsteht.
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R290 ist auch schwerer als Luft, sinkt also in ruhender Luft auf den Boden und sammelt sich dort an. Sollte sich also ein Teil des Propans in einer strömungsarmen Zone des abgeschlossenen Raums, in dem sich das gestörte Aggregat befindet, sammeln, können die lokalen Explosionsgrenzen wesentlich schneller erreicht werden, als es der Quotient aus Gesamtraumvolumen zu ausgetretener R290-Menge erwarten lässt. Die
WO 2015/032905 A1 sucht dieses Problem zu lösen, indem ein Generator für elektrischen Strom in die Öffnung bzw. deren Verriegelung dieses Raums integriert wird und bei deren Betätigung in einem ersten Schritt die elektrische Energie erzeugt und bereitstellt, mit der der Sensor aktiviert wird, und der im Alarmfall die Verriegelung dann nicht freigibt, sondern eine Lüftung des abgeschlossenen Raums veranlasst, und erst in einem zweiten Schritt eine Entriegelung und Öffnung zulässt.
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Die
DE 10 2009 029 392 A1 beschreibt eine explosionsgeschützte Kälteanlage, bei der ein Lüfter die kontaminierte Luft innerhalb einer gasdichten Umhausung im Falle einer Leckage die Umhausung leersaugt, nachdem alle Geräte ausgeschaltet worden sind. Die Leckage wird durch einen Gassensor detektiert. Das abgezogene Gemisch wird in die Umgebung gefördert, wo es sich in kürzester Zeit mit Umgebungsluft vermischt und soweit verdünnt wird, dass kein explosives Gemisch mehr vorliegt. Die Vorrichtung soll überall da eingesetzt werden, wo Kälteanlagen zur Kühlung benötigt werden und gleichzeitig ein Wärmebedarf vorhanden ist, und wird bevorzugt in einer Supermarktkälteanlage eingesetzt.
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Die
DE 20 2016 103 305 U1 beschreibt eine explosionsgeschützte Vorrichtung zum Temperieren von Wärmeträgerfluiden auf unterschiedlichen Temperaturniveaus aufweisend eine Umhausung, ein Grundelement, einen geschlossenen Kältemittelkreislauf mit den üblichen Apparaten, eine Absaugvorrichtung mit einem Lüfter und einem Gassensor zur Detektion von entzündlichem Gas. Die Wärmeübertrager sind außerhalb der Umhausung positioniert. Sofern der Sensor anschlägt, wird eine Leckage vermutet und der Lüfter saugt das Gemisch aus der Umhausung in einen Kanal, der an einen Ort außerhalb der Umhausung führt. Die Vorrichtung hat seinen bevorzugten Einsatzort in einem Einkaufszentrum.
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Die vorgestellten Systeme sind aufwendig, sie hatten am Markt bislang nur wenig Erfolg. Dies kann auf die folgenden Gründe zurückgeführt werden:
- - Montagefreundlichkeit: Im Falle von Modernisierungen von alten Heizungsanlagen müssen die neu zu installierenden Vorrichtungen zerlegbar und transportabel sein. Beispielsweise müssen sie über Kellertreppen und in verwinkelte und niedrige Kellerräume verbracht werden können. Zusammenbau, Inbetriebnahme und Wartung müssen ohne großen Aufwand vor Ort möglich sein. Dies schließt große und schwere Druckbehälter weitgehend aus, ferner Systeme, die nach einer Havarie nicht mehr demontierbar sind.
- - Diagnosefreundlichkeit: Die Betriebszustände sollten von außen gut erkennbar sein, dies betrifft die Sichtbarkeit und Prüfbarkeit bezüglich möglicher Leckagen und schließt den Füllstand des Arbeitsfluids sowie den Befüllungsgrad ggf. eingebrachter Sorbenzien ein.
- - Wartungsfreundlichkeit: Systemdiagnosen sollten ohne großen zusätzlichen Aufwand erfolgen können. Sicherheitsrelevante Systeme sollten regelmäßig getestet bzw. auf ihre Zuverlässigkeit geprüft werden können. Sofern Systemdiagnosen nicht einfach durchführbar sind, sollten möglicherweise belastete Teile leicht durch Neuteile austauschbar sein.
- - Ausfallsicherheit: Die Systeme sollen einerseits gegen Störungen gesichert sein, gleichzeitig aber zuverlässig laufen können, wenigstens im Notbetrieb. Im Falle einer vorübergehenden externen Störung sollten die Systeme entweder selbstständig wieder anfahren oder ohne großen Aufwand wiederangefahren werden können.
- - Energieeffizienz: Die Anlagen sollen energetisch günstig betrieben werden können, ein hoher Eigenverbrauch an Energie für Sicherheitsmaßnahmen wirkt dem entgegen.
- - Robustheit: Im Falle größerer Störungen, seien sie extern oder systemintern aufgeprägt, muss die Beherrschbarkeit gewährleistet sein, dies betrifft z.B. Lüftungssysteme, die verstopfen können oder Druckbehälter, die unter Druck stehen oder heiß werden, etwa bei einem Brand.
- - Kosten: Die Sicherheitsmaßnahmen sollen weder bei den Anschaffungskosten noch bei den laufenden Kosten bedeutend sein und die Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber herkömmlichen Systemen übersteigen. Sie sollen günstig sein.
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Die Anforderungen schließen sich zumeist gegenseitig aus und erzeugen außerdem Zielkonflikte in großer Zahl. Hinzu kommt eine weitere Anforderung für den Fall, dass das Wohngebäude belüftet bzw. klimatisiert werden soll. In solchen Fällen werden bisher Kombigeräte verwendet, die aus Belüftungsgerät, Wärmepumpe und Klimagerät bestehen. Die Außenluft gelangt von außen in das Kombigerät. Über einen Filter wird die Außenluft gereinigt und einem Wärmeübertrager zugeführt. Der Wärmeübertrager überträgt die Wärme der Abluft an die Außenluft. Die erwärmte Außenluft wird als Zuluft in die Wohnung geführt. Die Abluft der Wohnung wird in das Kombigerät geführt. Über einen Filter wird die Abluft gereinigt und einem Wärmeübertrager zugeführt. Der Wärmeübertrager entzieht der Abluft die Wärme und betreibt so Wärmerückgewinnung. Die abgekühlte Abluft wird als Fortluft nach außen geführt.
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In Sommernächten kann die Außentemperatur unter der Raumtemperatur liegen. Durch den automatischen Bypass wird die kühlere Außenluft nicht mehr durch den Wärmeübertrager vorgewärmt. Der Bypass leitet die wärmere Abluft am Wärmeübertrager vorbei und direkt nach außen. Derartige innen aufgestellten Kombigeräte können bislang nicht mit explosiven Arbeitsfluiden betreiben werden.
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Bei Frost reduziert die Frostschutzfunktion bedarfsabhängig den Zuluftvolumenstrom, was zu einer Anhebung der Fortlufttemperatur führt. Dadurch wird ein Vereisen des Wärmeübertragers verhindert. Wenn die Reduktion des Zuluftvolumenstroms nicht mehr ausreicht, dann schaltet das Kombigerät ab. Der Feuchtefühler erfasst die aktuelle Feuchtigkeit der Abluft. Wenn der Automodus eingestellt ist, dann wird der aktuelle Luftvolumenstrom bedarfsabhängig reguliert. Im Winter kann die Raumluftfeuchtigkeit als trocken empfunden werden. Ein optionaler Enthalpie-Wärmeübertrager, also ein Wärmeübertrager mit Feuchterückgewinnung, wirkt dem entgegen.
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Es ist auch bekannt, entzündliche und explosive Arbeitsfluide im Falle von Leckagen einfach ins Freie abzulassen. So erklärt die „Bundesfachschule Kälte Klima Technik“ im Mai 2012, der Einfluss auf die globale Erderwärmung bei R290 sei sehr gering, daher sei das Ablassen in die Atmosphäre die bisher übliche Vorgehensweise, um dieses Kältemittel zu entsorgen. Es seien aber gewisse Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, die das Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre weitestgehend minimierten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine sichere und effiziente Spülung eines Gehäuses für eine Wärmepumpe bereitzustellen, das in einem Wohngebäude aufgestellt ist, und in dessen Inneren ein linksdrehender thermodynamischer Kreisprozesses in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf mittels eines Arbeitsfluids durchgeführt wird.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer innerhalb eines Gebäudes aufgestellten Luft-Wasser-Wärmepumpe zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses mittels eines gefährlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend
- - mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
- - mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
- - mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
- - ein geschlossenes Wärmepumpengehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst,
- - Leitungen zur Zuführung von Luft aus der Umwelt außerhalb des Gebäudes, und
- - Leitungen zur Ableitung von Luft an die Umwelt außerhalb des Gebäudes,
- - einen Lüfter zur Förderung der Außenluft an einen der beiden Wärmeübertrager durch die Leitungen zur Zuführung und zur Ableitung von Luft aus der und an die Umwelt,
wobei
- - mindestens einen Abzweig zu den Leitungen zur Zuführung von Luft aus der Umwelt außerhalb des Gebäudes und den Leitungen zur Ableitung von Luft an die Umwelt außerhalb des Gebäudes vorgesehen wird,
- - mindestens eine weitere Öffnung zum Wärmepumpengehäuse vorgesehen wird.
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Der Abzweig zu den Leitungen zur Zuführung von Luft aus der Umwelt außerhalb des Gebäudes und den Leitungen zur Ableitung von Luft an die Umwelt außerhalb des Gebäudes ist eine Ableitung von Spülluft aus dem Wärmepumpengehäuse, die weitere Öffnung zum Wärmepumpengehäuse ist dabei die Zuleitung hierfür. Hierbei versteht sich von selbst, dass die Einrichtungen größtenteils explosionsgeschützt ausgeführt und entsprechende Überwachungseinrichtungen vorgesehen werden müssen.
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Die weitere Öffnung zum Wärmepumpengehäuse kann auch aus einer Vielzahl kleiner Öffnungen, Spalte oder Gitter bestehen, wobei wichtig ist, dass sie nicht zugestellt werden kann. Diese weitere Öffnung ist so zu dimensionieren, dass ein Luftstrom einströmen kann, der bis zu fünf Prozent des Luftstroms entspricht, der vom Lüfter durch den Wärmeübertrager geführt wird, gleichzeitig aber so, dass keine Luft ausströmen kann. Durch die Öffnung zum Luftkanal bewirkt der Lüfter, dass ein kleiner Luftstrom durch das Wärmepumpengehäuse gezogen wird, der es ständig spült.
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In einer Ausgestaltung ist der Abzweig zu den Leitungen zur Zuführung von Luft aus der Umwelt außerhalb des Gebäudes (1) und den Leitungen zur Ableitung von Luft (4) an die Umwelt außerhalb des Gebäudes (1) absperrbar mit dem geschlossenen Wärmepumpengehäuse verbunden, vorzugsweise durch ein Federrückschlagventil oder ein Membranrückschlagventil.
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In einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass innerhalb des geschlossenen Wärmepumpengehäuse mindestens ein weiteres Kapselgehäuse vorgesehen wird, welches einen Verdichter für Arbeitsfluid, eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid und mindestens einen der Wärmeübertrager einhaust. In diesem Kapselgehäuse werden ebenfalls eine Zuführöffnung und eine Abführöffnung für Spülluft vorgesehen, jeweils mit zugehöriger Leitung. Die zugehörige Leitung kann in einem Sonderfall auch aus einem direkten Anschluss bestehen, wenn das Kapselgehäuse entsprechend baulich so ausgeführt ist, dass es direkt an das geschlossene Wärmepumpengehäuse und/oder an den Luftkanal anschließt.
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Wie auch für die Zu- und Abführleitungen des Wärmepumpengehäuse sind auch entsprechende Öffnungen und Leitungen für Spülluft im Kapselgehäuse vorzusehen, die entweder direkt an den Luftkanal oder am umgebenen Wärmepumpengehäuse anzuschließen sind. Für deren Absperrbarkeit gilt das gleiche wie oben. In weitern Ausgestaltungen ist daher vorgesehen, dass
- - die Spülluftzugabeöffnung mit Leitung in das Kapselgehäuse als zweiter Abzweig aus den Leitungen zur Zuführung von Luft aus der Umwelt außerhalb des Gebäudes und den Leitungen zur Ableitung von Luft an die Umwelt außerhalb des Gebäudes vorgesehen wird
- - die Spülluftzugabeöffnung mit Leitung zum weiteren Kapselgehäuse absperrbar ist, vorzugsweise durch ein Federrückschlagventil oder ein Membranrückschlagventil.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die absperrbaren Öffnungen oder deren Leitungen durch ein Sensorsignal mittels motorisch betriebener Klappen oder Ventile geöffnet oder geschlossen werden. Ein solches Sensorsignal kann beispielsweise einer Leckageerkennung entstammen.
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Falls die Anordnung des Lüfters hierfür ungünstig ist, etwa weil die Einbindung druckseitig des Lüfters erfolgt, kann ein kleines, explosionsgeschütztes Fördergebläse zum Ausgang des Wärmepumpengehäuse in den Luftkanal oder an einer anderen Stelle des vorgesehenen Strömungsweges vorgesehen werden, welches typischerweise 50-100 Kubikmeter pro Stunde liefert, wobei dieser weniger als ein Viertel des maximalen Luftstroms für den Wärmepumpenbetrieb beträgt. Diese Einbindung hat den Vorteil, dass das Fördergebläse nicht auch explosionsgeschützt ausgeführt werden muss, da mögliche, leckagebedingte Kontamination mit entzündlichen Stoffen nur auf der Abströmseite des Lüfters möglich ist.
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Wie auch die Leitungen kann in einer Ausgestaltung vorgesehen werden, dass das Fördergebläse durch ein Sensorsignal betätigt wird. Zur Sicherstellung einer Funktion auch bei Stromausfall verfügt dieses Fördergebläse über eine batterie- oder akkumulatorgestützte Notenergieversorgung, die im Falle eines Stromausfalls automatisch eingeschaltet werden kann oder sich dann selbsttätig einschaltet. Eine derartige Notversorgung kann auch für den Lüfter vorgesehen werden, damit eine Notbelüftung sichergestellt wird, wenn es zu einem Stromausfall kommt.
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Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Position des Lüfters gegenüber dem Abzweig des geschlossenen Wärmepumpengehäuses. Dieser Abzweig kann entweder auf der Saugseite oder auf der Druckseite des Lüfters angeordnet werden. Sofern er auf der Saugseite angeordnet wird, muss eine Zuluft in das Wärmepumpengehäuse vorgesehen werden, damit Luft von außen nachströmen kann. Der Lüfter muss in diesem Fall explosionsgeschützt ausgeführt werden, da es im Leckagefall kontaminierte Luft fördert.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Belüftungsvorrichtung des Gebäudes vorgesehen, wobei von aus der Umwelt angesaugter Außenluft ein Abzweig zur Konditionierung der Außenluft durch die Wärmepumpe für das Gebäude eingerichtet ist, Verteileinrichtungen der konditionierten Außenluft im Gebäude vorgesehen werden, Abzugsvorrichtungen für die verbrauchte Luft aus dem Gebäude und Leitungen zur Wärmepumpe vorgesehen werden und die Wärme der aus dem Gebäude herausgeführten Fortluft für Heiz- oder Kühlzwecke mittels Wärmeübertragern genutzt wird.
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Die Funktionsweise der Erfindung ist, dass eine Wärmepumpe, die auch als Klimaanlage betreibbar ist, und die als Luft-Wasser-Wärmepumpe dauerhaft mit einem Luftstrom beaufschlagt wird, diese Luft sowohl zur Verdünnung eventueller leckagebedingter Arbeitsfluide als auch zur Belüftung des Gebäudeinnenraums nutzen kann. Es ist dabei lediglich darauf zu achten, dass die leckagebedingt kontaminierte Luft mit einer großen Menge Fort- bzw. Abluft vermischt aus dem Gebäude geleitet wird, während gleichzeitig Außenluft in das Gebäude nachströmt.
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In Ausgestaltungen der Erfindung ist daher vorgesehen, dass ein Luftkanal vorgesehen ist, der alle Leitungen zur Zuführung und Ableitung von Luft aus der Umwelt und dem Gebäude verbindet sowie einen Wärmeübertrager der Wärmepumpe und den Lüfter enthält. Hierbei kann vorgesehen werden, dass die abführenden Leitungen des Luftkanals in Strömungsrichtung vor den zuführenden Leitungen angeschlossen sind, der Wärmeübertrager im Luftkanal zwischen den abführenden und den zuführenden Leitungen angeordnet ist und dass vor oder nach dem Wärmeübertrager mindestens eine Drosselklappe vorgesehen ist, vorzugsweise sind dies Jalousieklappen.
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Es kann auch vorgesehen werden, dass der Lüfter im Luftkanal zwischen den abführenden und den zuführenden Leitungen angeordnet ist. Die Druckdifferenz des Lüfters ist damit die antreibende Kraft des Spülstroms durch das Wärmepumpengehäuse. Hierbei muss im Leckagefall darauf geachtet werden, dass auf der Druckseite des Lüfters keine kontaminierte Luft in das Wärmepumpengehäuse zurückgeführt wird. Im allgemeinen wird dies aber dadurch minimiert, dass der Spülstrom hinter dem Fördergebläse um mehr als den Faktor Hundert verdünnt ist und somit eine Zirkulation des Kontaminats schon von daher unterbleibt.
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Ferner ist natürlich zu verhindern, dass mit Arbeitsfluid kontaminierte Luft in das Gebäude gelangen kann und das Abluft aus dem Gebäude als Spülluft in das Wärmepumpengehäuse gerät.
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In Ausgestaltungen wird daher vorgesehen, dass die in das Wärmepumpengehäuse aus dem Luftkanal abführenden Leitungen in Strömungsrichtung vor den in den Luftkanal zuführenden Leitungen angeschlossen sind. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass die in das Wärmepumpengehäuse aus dem Luftkanal abführende Leitung druckseitig hinter dem Lüfter und die aus dem Wärmepumpengehäuse in den Luftkanal hineinführende Leitung saugseitig vor dem Lüfter angeschlossen sind und/oder der Wärmeübertrager im Luftkanal zwischen den abführenden und den zuführenden Leitungen angeordnet ist und/oder der Lüfter im Luftkanal zwischen den abführenden und den zuführenden Leitungen angeordnet ist.
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Um gelegentliche Vereisungen zu unterbinden wie auch bei Betriebsunterbrechungen ist es sinnvoll, den im Luftkanal angeordneten Wärmeübertrager und/oder den Lüfter mit Drosselklappen zu kapseln, die regelbar ausgeführt sein können und sich damit auch in die Lage zu versetzen, durch Anstellung dieser Drosselklappen die Druckdifferenz zu beeinflussen, die für die Spülströme wirksam ist. Vorzugsweise werden hierfür Jalousieklappen verwendet.
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Hierbei sind vorzugsweise sowohl vor als auch hinter dem im Luftkanal angeordneten Wärmeübertrager jeweils eine Drosselklappe vorzusehen, die wie alle anderen Absperrorgane motorisch stellbar sind. Ferner soll vorgesehen werden, dass die Drosselklappen und alle anderen Ventile und Klappen über eine Einrichtung zur Konstantvolumenstromregelung verfügen.
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Mit einer solchen Vorrichtung, wie sie vorangehend beschrieben worden ist, lässt sich im Leckagefall das ansonsten entzündliche Arbeitsfluid in sehr verdünnter Weise so abführen, dass die Zündgrenzen sicher unterschritten bleiben. Die Vorrichtung erlaubt ein solches verdünnendes Fortleiten aber auch dann, wenn die Luft-Wasser-Wärmepumpe nicht in Betrieb ist, oder wenn sie sich während des Winterbetriebs im Abtaumodus befindet.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb der Luft-Wasser-Wärmepumpe ist vorgesehen, dass der Lüfter zur Förderung der Außenluft an einen der beiden Wärmeübertrager durch die Leitungen zur Zuführung und zur Ableitung von Luft aus der und an die Umwelt mit einer Mindestdrehzahl betrieben wird bzw. einen Mindestvolumenstrom liefert, wenn der Kreisprozess der Wärmepumpe außer Betrieb ist. Hierdurch werden auch Leckagen, die sich während des Stillstands ereignen, sicher behandelt. Für diesen Fall ist auch ein Notstrombetrieb für die angeschossenen Lüfter und Absperrorgane sinnvoll durchzuführen, sofern der Stillstand auf einen Stromausfall zurückzuführen ist.
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Sofern die Luft-Wasser-Wärmepumpe mit einer Abtauvorrichtung für den Winterbetrieb ausgestattet ist, können auch die Absperrklappen, die den als Verdampfer eingesetzten Wärmeübertrager im Luftkanal drosseln oder absperren, in besonderer Weise eingesetzt werden. Diese sperren die Luftströmung durch diesen Wärmeübertrager vollständig ab, und die Mindestströmung wird vollständig durch das Wärmepumpengehäuse und das Kapselgehäuse umgeleitet. Sollte während dieses Abtaubetriebs eine Leckage auftreten, findet automatisch auch eine Spülung statt, sollte die Leckage auch den Wärmeübertrager im Luftkanal betreffen, können die Klappen geöffnet werden und das entzündliche Arbeitsfluid wird sicher abgeführt.
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Als Arbeitsfluide scheiden die bekannten Sicherheitskältemittel wegen ihrer Klimaschädlichkeit aus, alle anderen bekannten Arbeitsfluide sind gefährlich, was vor allem aufgrund der Aufstellung innerhalb eines Wohngebäudes zwar der Aufmerksamkeit bedarf, andererseits aber insoweit unkritisch ist, als die meisten entzündlichen Arbeitsfluide als herkömmliche Brennstoffe bekannt sind und deren Verhalten normalerweise unproblematisch ist. Für die erfindungsgemäße Luft-Wasser-Wärmepumpe wird dabei als Arbeitsfluid vorzugsweise eines verwendet, bei dem es sich um ein in Verbindung mit Luft entzündliches oder explosives Arbeitsfluid handelt, wobei dieses Arbeitsfluid vorzugsweise Propan enthält, insbesondere es sich um das Kältemittel R290 handelt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen die 1 bis 9 schematisch
- 1: ein Wohngebäude mit einem Kombigerät,
- 2: eine erste Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts
- 3: eine zweite Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts,
- 4: eine dritte Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts mit einer Kapselung,
- 5: eine vierte Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts mit einer Kapselung,
- 6: eine fünfte Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts mit einer Kapselung,
- 7: eine sechste Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts mit einer Kapselung,
- 8: eine siebte Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts mit einer Kapselung,
- 9: eine achte Anordnung einer Einbindung eines Kombigeräts mit einer Kapselung.
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1 zeigt ein Wohngebäude 1, welches mit einer Belüftung und einer Wärmepumpe 2, die auch als Klimaanlage und als Heißwassergerät genutzt werden kann, ausgestattet ist, solche Kombigeräte sind im Stand der Technik bekannt. Auf diese Vorrichtung soll die Erfindung angewendet werden, wobei die Erfindung aber nicht auf solche Fälle beschränkt ist.
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Im Heizbetrieb nutzt die Wärmepumpe im Wärmepumpengehäuse 2 die Außenluft 3 als Wärmequelle, die sie abgekühlt als Fortluft 4 wieder an die Umwelt abgibt. Die Wärmepumpe nutzt zusätzlich teilweise die Abluft 5 aus dem Wohnbereich als Wärmequelle. Im Heizbetrieb wird dabei Wärmeenergie von der Umwelt aufgenommen und an das Gebäude 1 abgegeben. Im Kühlbetrieb wird Wärmeenergie aus dem Gebäude 1 aufgenommen und an die Umwelt abgegeben, die Abluft 5 wird dabei als Wärmesenke genutzt.
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Das Lüftungsgerät ist zusammen mit der Wärmepumpe 2 als Kombigerät der zentrale Bestandteil einer kontrollierten Wohnraumlüftung. Verbrauchte Luft aus Küche, Bad und WC wird als Abluft 5 abgeführt. Die gleiche Luftmenge frischer Luft wird als Zuluft 6 den Wohn- und Schlafräumen zugeführt. Die Zuluft 6 wird dabei entsprechend den Wünschen der Bewohner konditioniert, dies betrifft Temperatur und Feuchte sowie ggf. die Entfernung von Schadstoffen. Die Wärmepumpe 2 verfügt über einen Anschluss an einen Heizkreislauf, in diesem Beispiel an eine Fußbodenheizung 7, sowie einen Anschluss an einen Kühlkreislauf, in diesem Beispiel an eine Kühldecke 8. Es sind jedoch viele weitere Nutzungsmöglichkeiten vorhanden, nicht gezeigt ist ferner die Warmwasserbereitung, die üblichem Stand der Technik entspricht.
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2 zeigt die Einbindung eines solchen Kombigeräts in die Sicherheitsentlüftung, wobei die Einbindung auf der Saugseite des Gebläses erfolgt. Hierbei zeigt 2 ein Wärmepumpengehäuse 2 mit Wärmepumpe aus dem Arbeitsfluidumlauf 9, einem Verdichter 10, einem Expansionsventil 11, sowie zwei Wärmeübertragern 12 und 13. Während des Heizbetriebs dient der Wärmeübertrager 12 als Kondensator, während des Kühlbetriebs als Verdampfer. Umgekehrt dient der Wärmeübertrager 13 während des Kühlbetriebs als Kondensator und während des Heizbetriebs als Verdampfer. Trotzdem sind die beiden Wärmeübertrager normalerweise nicht identisch, da der eine Wärme gegen Luft und der andere gegen Wasser als Medium überträgt.
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Zur Umschaltung des Arbeitsfluidumlaufs 9 dient das 4-Wege-Ventil 14, welches so gestaltet ist, dass immer je zwei Wege miteinander verbunden sind. Im Heizbetrieb werden die Verbindungsleitungen 15 und 16 miteinander verbunden, so dass das Arbeitsfluid vom Wärmeübertrager 13, der als Verdampfer arbeitet, zum Verdichter 10 strömt. Vom Verdichter 10 kommend werden die Verbindungsleitungen 17 und 18 verbunden, die zum Wärmeübertrager 12, der als Kondensator arbeitet, geleitet. Im Kühlbetrieb werden die Verbindungsleitungen 16 und 18 miteinander verbunden, so dass das Arbeitsfluid vom Wärmeübertrager 12, der als Verdampfer arbeitet, zum Verdichter 10 strömt. Vom Verdichter 10 kommend werden die Verbindungsleitungen 17 und 15 verbunden, die zum Wärmeübertrager 13, der als Kondensator arbeitet, geleitet. Die Wärmeträgeranschlüsse 19 und 20 des Wärmeübertragers 12 dienen je nach Betriebsfall als Heizmedium oder als Kühlmedium.
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Die Außenluft 3 wird in den Luftkanal 21 eingeleitet. Im Luftkanal 21, der nach herkömmlichem Stand der Technik üblicherweise oberhalb des Kombigeräts angeordnet ist, befinden sich der Wärmeübertrager 13, der je nach Betriebsfall als Kondensator oder als Verdampfer wirkt, und der Lüfter 22, der die Luft als Wärmeträger durch den Wärmeübertrager 13 fördert. Aus dem Luftkanal 21 werden normalerweise die Zuluft 6 für die Außenluftversorgung des Wohnbereichs in einer Zuluftabzweigung 23 abgezweigt und die Abluft 5 aus Bädern und Küche in einer Ablufteinleitung 24 bzw. 25 hineingeleitet.
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Die Einleitung der Abluft 5 erfolgt jedoch erst, nachdem sie in einem Filter 26 gereinigt wird und sie von dem Fördergebläse 27 über den Wärmeübertrager 28 über die Abluftleitung 24 im Falle des Heizbetriebs der Wärmepumpe oder die Abluftleitung 25 im Falle des Kühlbetriebs geführt wurde. Die Zuluftabzweigung 23 wird parallel über den Filter 29 geführt und von dem Fördergebläse 30 in den Wärmeübertrager 28 geführt. Danach können noch weitere Konditionierungen der Zuluft 6 nach bekanntem Stand der Technik folgen, bevor die Zuluft 6 in das Wohngebäude 1 geleitet wird.
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Falls Leckagen im Arbeitsfluidumlauf auftreten sollten, ist eine Ableitung 31 in den Luftkanal 21 vorgesehen. Diese Ableitung 31 ist vorzugsweise eine Klappe mit Rückschlagsicherung, die auf ein Signal hin automatisch geöffnet wird. Gleichzeitig wird eine Zuleitung 32 vorgesehen, die ebenfalls vorzugsweise eine Klappe mit Rückschlagsicherung ist, die automatisch geöffnet wird. Sofern aufgrund der Leckage ein Überdruck im Wärmepumpengehäuse 2 entstanden ist, öffnet nur die Ableitung 31, die saugseitig vor dem Lüfter 22 platziert ist. Sofern kein Überdruck aufgrund der Leckage entstanden ist, was bei kleinen Leckagen der Fall ist, öffnen Ableitung 31 und Zuleitung 32 gleichzeitig, wodurch sich ein Spüleffekt ergibt. Dieser Spüleffekt wird angetrieben durch die luftseitige Druckdifferenz des Wärmeübertragers 13.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es vorteilhaft, den Lüftungskanal unterhalb der Wärmepumpe anzuordnen, da manche brennbaren Arbeitsfluide, wie z.B. R290, schwerer als Luft sind und daher tendenziell zum Behälterboden sinken. Die Ableitung 31 und die Zuleitung 32 münden daher vom Behälterboden direkt in den Luftkanal 21.
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Bezüglich des Lüftungsgeräts ist dieses in 2 zwar unterhalb des Luftkanals 21 gezeichnet, es kann aber ebenso gut parallel neben dem Luftkanal 21 oder über ihm angeordnet werden. Sofern die Ableitung 31 und die Zuleitung 32 automatisch geöffnet werden, sollte das Belüftungsgerät mit den Fördergebläsen 27 und 30 abgeschaltet werden.
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3 zeigt eine Anordnung, bei der die Zuleitung 32 nicht aus dem Luftkanal 21, sondern aus dem Gebäude 1 erfolgt. Dies wird dadurch bewirkt, dass Lüftungsöffnungen mit definierten Öffnungsquerschnitten vorgesehen werden. Diese werden derart dimensioniert, dass der Lüfter 22 einen solchen Unterdruck gegenüber dem Gebäudeinneren erzeugt, dass ständig ein kleiner Spülstrom durch das Wärmepumpengehäuse 2 gezogen wird.
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4 zeigt eine Anordnung, bei der der Verdichter 10, das Entspannungsventil 11, das 4-Wege-Ventil 14 und optional weitere Teile in einem separaten Kapselgehäuse 33 eingekapselt sind. Solche Anordnungen sind üblich, um die Geräusche der Wärmepumpe zu dämmen. Diese Kapselung wird zur Strömungsführung der Spülluft eingesetzt, indem im oberen Bereich des Kapselgehäuses eine Spülluftzugabeöffnung 34 mit Leitung vorgesehen wird, in die die Spülluft aus dem Wärmepumpengehäuse 2 entnommen und eingeleitet wird, und am Boden des Kapselgehäuses 33 durch eine Spülluftabgabeöffnung 35 mit Leitung wieder entnommen wird. Das Einleiten oder das Entnehmen dieser Spülluft wird durch ein kleines Fördergebläse 36 unterstützt, welches saugseitig an der Spülluftabgabeöffnung 35 mit Leitung sitzt und ein Fördervolumen von 50 bis 100 m3/h hat, das entspricht der Größenordnung eines PC-Lüfters. Die Anordnung mit Einleitung oben und Entnahme unten ist dabei nur beispielhaft gewählt, alle anderen Anordnungen sind ebenfalls möglich.
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5 zeigt eine weitere Anordnung, bei der der Verdichter 10, das Entspannungsventil 11, das 4-Wege-Ventil 14 und optional weitere Teile in einem separaten Kapselgehäuse 33 eingekapselt sind. Das Einleiten oder das Entnehmen der Spülluft wird durch ein kleines Fördergebläse 36 unterstützt, welches druckseitig an der Spülluftzugabeöffnung 34 mit Leitung sitzt und ein Fördervolumen von 50 bis 100 m3/h hat. Der Lüfter 21 wird eingeschlossen von zwei Drosselklappen 37 und 38, die als Jalousieklappen ausgeführt sind. Hiermit lässt sich der Druckverlust am Wärmeübertrager 13 erhöhen, wenn das Wärmepumpengehäuse mit mehr Luft gespült werden soll. Die Jalousieklappen können auch bei der Enteisung oder zum Schutz bei längeren Betriebspausen eingesetzt werden.
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6 zeigt eine weitere Anordnung, bei der der Verdichter 10, das Entspannungsventil 11, das 4-Wege-Ventil 14 und optional weitere Teile in einem separaten Kapselgehäuse 33 eingekapselt sind. Das Einleiten oder das Entnehmen der Spülluft wird durch ein kleines Fördergebläse 36 unterstützt, welches druckseitig an der Spülluftzugabeöffnung 34 mit Leitung sitzt, ein Fördervolumen von 50 bis 100 m3/h hat, und Luft aus dem Luftkanal 21 über die Zuleitung 32 ansaugt. Der Lüfter 22 wird eingeschlossen von zwei Drosselklappen 37 und 38, die als Jalousieklappen ausgeführt sind. Hiermit lässt sich der Druckverlust am Lüfter 22 erhöhen, wenn das Wärmepumpengehäuse mit mehr Luft gespült werden soll.
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7 zeigt eine weitere Anordnung, bei der der Verdichter 10, das Entspannungsventil 11, das 4-Wege-Ventil 14 und optional weitere Teile in einem separaten Kapselgehäuse 33 eingekapselt sind und der Lüfter 22 aber druckseitig zum Wärmeübertrager 13 platziert ist. Gezeigt wird ferner, dass die Spülluft für das Kapselgehäuse 33 auch direkt dem Luftkanal 21 hinter dem Lüfter 22 entnommen und anschließend direkt hinter dem Wärmeübertrager 13 wieder dem Luftkanal 21 zugeführt werden kann. Die in den 3 bis 5 gezeigten Varianten sind bezüglich der Spülluftanschlüsse austauschbar.
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Die druckseitige Anordnung des Lüfters 22 hat gegenüber der saugseitigen Anordnung den Vorteil, dass auf Explosionsschutz verzichtet werden kann, allerdings bewirkt die druckseitige Anordnung, dass aufgrund der Belüftungsfunktion das gesamte Gebäude 1 auf diese Weise unter leichten Überdruck gesetzt werden kann. Das ist auch dann vorteilhaft, wenn im Gebäude 1 mit Gas gekocht wird, weil dann keine Sicherheitsabschaltungen hinsichtlich des Gasanschlusses vorgesehen werden müssen.
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Die Anordnung der Drosselklappen 37 und 38 vor und hinter dem Wärmeübertrager 13 hat auch den Vorteil, dass die beiden Drosselklappen im Notbetrieb oder während eines Abtauvorgangs geschlossen werden können und der gesamte Spülstrom, den der Lüfter 22 erzeugt, der Spülung des Wärmepumpengehäuses 2 dient.
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8 zeigt eine weitere Anordnung, bei der die Zuleitung 32 zum Wärmepumpengehäuse 2 druckseitig des Lüfters 22 und die Ableitung 31 vom Wärmepumpengehäuse 2 saugseitig angeordnet sind. Eine Anreicherung von gefährlichem Arbeitsfluid im Fall einer Leckage ist deshalb nicht zu befürchten, da die der Spülstrom durch das Wärmepumpengehäuse 2 um mehr als den Faktor Hundert kleiner ist als die Luftmenge, die der Lüfter 22 nach außen fördert. Die Menge des Spülstroms ergibt sich in diesem Fall aus der Druckdifferenz, die der Lüfter 22 erzeugt, wobei diese Druckdifferenz durch Verstellung der Klappen 37 bzw. 38 auch erhöht werden kann. Bei einer solchen Strömungsführung der Spülluft ist sorgfältig darauf zu achten, dass weder kontaminierte Spülluft aus der Ableitung 31 in die Zuluftleitung 23, noch Gebäudeabluft über die Abluftleitungen 24 oder 25 und den Luftkanal 21 in die Zuleitung 32 gelangen können. Die Spülung des Kapselgehäuses 33 erfolgt dabei wie in 5 beschrieben.
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9 zeigt eine weitere Anordnung, bei der ebenfalls die Zuleitung 32 zum Wärmepumpengehäuse 2 druckseitig des Lüfters 22 und die Ableitung 31 vom Wärmepumpengehäuse 2 saugseitig angeordnet sind. Im Unterschied zum in 8 beschriebenen Fall wird dabei die Spülluft für das Kapselgehäuse 33 direkt aus dem Luftkanal 21 mittels der Spülluftzugabeöffnung 34 mit Leitung, die mit dem Fördergebläse 36 verbunden ist, entnommen und über die Spülluftabgabeöffnung 35 mit Leitung unmittelbar vor den Lüfter 22 in den Luftkanal 21 zurückgeführt.
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Natürlich kann der hier vereinfacht dargestellte Kältekreislauf auch mehrere Wärmeübertrager auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, eine gestufte Druckreduzierung, sowie eine Vielzahl von Sensoren enthalten, wobei die Spüleinrichtungen aber grundsätzlich identisch sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wohngebäude
- 2
- Wärmepumpengehäuse
- 3
- Außenluft
- 4
- Fortluft
- 5
- Abluft
- 6
- Zuluft
- 7
- Fußbodenheizung
- 8
- Kühldecke
- 9
- Arbeitsfluidumlauf
- 10
- Verdichter
- 11
- Expansionsventil
- 12
- Wärmeübertrager
- 13
- Wärmeübertrager
- 14
- 4-Wege-Ventil
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Verbindungsleitung
- 17
- Verbindungsleitung
- 18
- Verbindungsleitung
- 19
- Wärmeträgeranschluss
- 20
- Wärmeträgeranschluss
- 21
- Luftkanal
- 22
- Lüfter
- 23
- Außenluftleitung
- 24
- Fortluftleitung
- 25
- Fortluftleitung
- 26
- Filter
- 27
- Fördergebläse
- 28
- Wärmeübertrager
- 29
- Filter
- 30
- Fördergebläse
- 31
- Ableitung
- 32
- Zuleitung
- 33
- Kapselgehäuse
- 34
- Spülluftzugabeöffnung mit Leitung
- 35
- Spülluftabgabeöffnung mit Leitung
- 36
- Fördergebläse
- 37
- Drosselklappe
- 38
- Drosselklappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/032905 A1 [0009, 0010]
- DE 102009029392 A1 [0011]
- DE 202016103305 U1 [0012]
