DE102019124531A1

DE102019124531A1 - Sicherheitsspülvorrichtung für eine Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102019124531A1
Application number: DE102019124531.1A
Authority: DE
Inventors: Raimund Lis; Pascal Forner; Markus Hiegemann; Matthias Müssener; Birgit Reckhaus; Udo Paul Raeck
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-18
Also published as: EP3792572A1

Abstract

Sole-Wasser-Wärmepumpe zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses mittels eines gefährlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, geeignet zur Aufstellung in einem Gebäude, aufweisend ein Wärmepumpengehäuse, mindestens einen Verdichter (12) für Arbeitsfluid, mindestens eine Entspannungseinrichtung (14) für Arbeitsfluid, mindestens zwei Wärmeübertrager (18,19) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide, wobei im Wärmepumpengehäuse ein Kapselgehäuse (107) vorgesehen wird, welches alle Apparate und Armaturen umschließt, die von Arbeitsfluid durchströmt werden, und ein Mauerdurchbruch (104) mit einem Luftkanal (103) für Spülluft vorgesehen wird, der mit dem Inneren des Kapselgehäuses (107) verbunden ist und an die Umwelt außerhalb des Gebäudes führt.

Description

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.
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.
Ein erfolgreiches Beispiel aus dem bekannten Stand der Technik ist das geoTHERM-Plus-System; wie es in der Firmendruckschrift „System geoTHERM“, Vaillant GmbH 03/2009, beschrieben ist. Hierbei wird Wärme aus einer Erdbohrung gewonnen, wobei diese Erdbohrung von einem Solekreislauf durchströmt wird, wobei sie Wärme aufnimmt oder abgibt. Die Wärmepumpe selbst wie auch ihre Installationen für die Nutzer werden innerhalb eines Gebäudes aufgestellt, woraus hohe Ansprüche an die Sicherheit folgen. Ein solches System bildet den nächstliegenden Stand der Technik.
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.
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.
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/m³ 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/m³ stellen sich narkotische Effekte, Kopfschmerzen und Übelkeit ein. Dies betrifft Personen, die ein erkanntes Problem vor Ort lösen sollen, noch bevor Explosionsgefahr entsteht.
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.
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.
Die DE 10 2011 116 863 A1 beschreibt ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welche mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindesten eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht. Im Falle einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess wird ein Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid, insbesondere Ammoniak, Propan oder Propen, in Kontakt gebracht und die Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden. Das Adsorptionsmittel wird nach Gebrauch regeneriert. Als Adsorptionsmittel werden Zeolith, auch in Kombination mit Imidazol oder Phosphaten, ferner CuBTC vorgeschlagen. Das Adsorptionsmittel kann in Form einer Schüttung, eines Formteils, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestattet sein. Die Trägerstruktur des Formteils kann aus Mikrostruktur, Lamellenstruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech bestehen und muss mechanisch stabil sowie stark oberflächenvergrößernd sein. Eine Umwälzung der potenziell kontaminierten Luft erfolgt üblicherweise kontinuierlich, kann aber auch durch einen Sensor initiiert werden, der die Lüftung nach Erreichen eines Schwellenwerts oder bei einem erkannten Havariefall einschaltet. Die Adsorption kann innerhalb oder außerhalb eines geschlossenen Raums durchgeführt werden.
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.
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.
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 Kreisprozess in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf mittels eines Arbeitsfluids durchgeführt wird, und das Gerät auch eine Warmwasserfunktion aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses in einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mittels eines gefährlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, geeignet zur Aufstellung in einem Gebäude, aufweisend

- ein Wärmepumpengehäuse,
- mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,

- im Wärmepumpengehäuse ein Kapselgehäuse vorgesehen wird, welches alle Apparate und Armaturen umschließt, die von Arbeitsfluid durchströmt werden,
- ein Mauerdurchbruch mit einem Luftkanal für Spülluft vorgesehen wird, der mit dem Inneren des Kapselgehäuses verbunden ist und an die Umwelt außerhalb des Gebäudes führt.

Sollte also eine Leckage auftreten, bewirkt der dabei entstehende Überdruck, dass das Luftgemisch aus dem Kapselgehäuse direkt zur Umwelt austreten kann.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in dem Luftkanal für Spülluft ein Fördergebläse vorgesehen wird, welches explosionsgeschützt ausgeführt ist. Das Kapselgehäuse muss hierfür über einen Luftzugang verfügen, der entweder im Luftkanal integriert ist oder der als Öffnungen im Kapselgehäuse ausgeführt wird, durch welche Luft einströmen, aber nicht ausströmen kann, beispielsweise durch Jalousieklappen, die nur in eine Richtung zu öffnen sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens ein Gasdetektor im Kapselgehäuse angeordnet wird, bei dessen Alarm die Zwangsbelüftung des Kapselgehäuses aktiviert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass ein Luftstrom aus dem Kapselgehäuse herausgeführt und mittels eines Fördergebläses in einen Adsorber geleitet wird. Dieser Adsorber kann entweder in den Aufstellungsraum der Wärmepumpe oder zurück ins Kapselgehäuse entlüften.
Je nach detektierter Gaskonzentration kann entweder die Zwangsbelüftung nach außerhalb aktiviert werden, was bei größeren Konzentrationen oder schnellen Konzentrationsanstiegen vorzunehmen ist, oder nur die Zwangsbelüftung durch den Adsorber bei geringen Konzentrationen an Arbeitsfluid.
Weitere Ausgestaltungen betreffen die Verwendung eines gefährlichen Arbeitsfluides in der so ausgestatteten Sole-Wasser-Wärmepumpe. Hierbei wird vorgesehen, dass es sich bei dem gefährlichen Arbeitsfluid um ein in Verbindung mit Luft entzündliches oder explosives Arbeitsfluid handelt. Vor allem ist vorgesehen, dass das Arbeitsfluid Propan enthält oder R290 ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels näher erläutert. Dabei zeigt 1 schematisch eine Wärmepumpe nach dem Stand der Technik, die in einem Wohngebäude steht, und 2 dieselbe Wärmepumpe mit Sicherheitsausstattung.
1 zeigt ein Wohngebäude 100, welches mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe 101, die auch als Heißwassergerät genutzt wird, ausgestattet ist. Die Sole-Wasser-Wärmepumpe 101 weist im oberen Teil die Warmwasserelemente, wie etwa den Trinkwasserspeicher 2, die elektrische Zusatzheizung 7 sowie den Sicherheitstemperaturbegrenzer 6 und einen Leitungsführungskanal 1 auf. An der Vorderfront sind ein Elektroschaltkasten 3 mit einer Reglerplatine 4 und ein Anschluss für die Spannungsversorgung 5 vorgesehen.
Im unteren Teil sind die thermodynamischen Apparate angeordnet, die das Arbeitsfluid im Kältekreis führen, dies sind der Kompressor 12, das Expansionsventil 14, der Verdampfer 18, der Verflüssiger 19 sowie das 3-Wege-Ventil 8, hinzu kommen die Pumpen für die Wärmeträgerfluide, dies sind die Heizkreispumpe 9 und die Solepumpe 17, sowie die Füll- und Entleerventile für den Heizkreislauf 10 und den Solekreislauf 16.
Es ist dabei frei wählbar, ob diese Anordnungen in der oben beschriebenen Weise vorgenommen werden, oder ob der Warmwasserteil und der Kältekreis nebeneinander oder genau andersrum übereinander angeordnet werden. Im Bodenbereich befinden sich das Typenschild 11, die Griffmulden 13 und die Kondensatwanne 15.
2 zeigt die Änderungen durch das Sicherheitskonzept. Als erstes wird der Teil, in dem sich die thermodynamischen Apparate befinden, durch ein Kapselgehäuse 107 gekapselt. Diese Kapselung ist einerseits nach außen hin dicht, es kann jedoch Luft von außen einströmen. Vom Kapselgehäuse 107 führt ein Luftkanal 103 durch einen Mauerdurchbruch 104 direkt ins Freie. Gegenüber dem Außenbereich sind am Außenauslass 105 des Luftkanals 103 lediglich Schutzgitter oder ähnlich Schutzvorrichtungen gegen Eindringen von Tieren oder Schmutz vorgesehen. Es ist zweckmäßig, wenn der Luftkanal 103 kurz ist und die Wärmepumpe 101 direkt an einer Außenwand 102 aufgestellt ist.
Am Inneneinlass des Luftkanals, der sich im Kapselgehäuse 107 befindet, kann eine Rückschlagklappe angeordnet werden, um das Einströmen von Außenluft im Normalbetrieb zu verhindern, ansonsten kann im Fall einer schweren Leckage schnell eine große Menge Luft entweichen und ein Druckaufbau im Kapselgehäuse 107 wie auch im gesamten Gehäuse der Wärmepumpe 101 unterbleibt sicher. Diese Entlüftung kann durch das explosionsgeschützte Fördergebläse 106 bei Bedarf unterstützt werden. Die Wärmepumpe wird in solchen Fällen sofort gestoppt.
Als weitere Sicherheitsmaßnahme dient der Adsorber 111, der direkt über den Sauganschluss 109 an das Kapselgehäuse 107 angeschlossen ist. Weiterhin ist ein Gassensor 108 vorgesehen, der das Fördergebläse 110 einschaltet, wenn Arbeitsfluid im Kapselgehäuse 107 erkannt wird. In diesem Fall wird gereinigte Luft am Innenauslass 112 in den Innenraum abgegeben. Diese Art der Entlüftung wird bei kleinen Leckagen gewählt, die Wärmepumpe kann in solchen Fällen noch eine Weile im Notbetrieb weiterlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Leitungsführungskanal
2: Trinkwasserspeicher
3: Elektroschaltkasten
4: Reglerplatine
5: Anschluss Spannungsversorgung
6: Sicherheitstemperaturbegrenzer STB der Zusatzheizung
7: Elektrische Zusatzheizung
8: 3-Wege-Ventil
9: Heizkreispumpe
10: Füll-und Entleerventil Heizungskreislauf
11: Typenschild
12: Kompressor
13: Griffmulden
14: Expansionsventil
15: Kondensatwanne
16: Füll- und Entleerventil Solekreislauf
17: Solepumpe
18: Verdampfer
19: Verflüssiger
100: Wohngebäude
101: Wärmepumpe
102: Außenwand
103: Luftkanal
104: Mauerdurchbruch
105: Außenauslass
106: Fördergebläse
107: Kapselgehäuse
108: Gassensor
109: Sauganschluss
110: Fördergebläse
111: Aktivkohleadsorber
112: Innenauslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/032905 A1 [0006, 0007]
DE 102009029392 A1 [0008]
DE 102011116863 A1 [0009]
DE 202016103305 U1 [0010]

Claims

Sole-Wasser-Wärmepumpe zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses mittels eines gefährlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, geeignet zur Aufstellung in einem Gebäude, aufweisend - ein Wärmepumpengehäuse, - mindestens einen Verdichter (12) für Arbeitsfluid, - mindestens eine Entspannungseinrichtung (14) für Arbeitsfluid, - mindestens zwei Wärmeübertrager (18,19) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide, dadurch gekennzeichnet, dass - im Wärmepumpengehäuse ein Kapselgehäuse (107) vorgesehen wird, welches alle Apparate und Armaturen umschließt, die von Arbeitsfluid durchströmt werden, - ein Mauerdurchbruch (104) mit einem Luftkanal (103) für Spülluft vorgesehen wird, der mit dem Inneren des Kapselgehäuses (107) verbunden ist und an die Umwelt außerhalb des Gebäudes führt.
Luft-Wasser-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftkanal (103) für Spülluft ein Fördergebläse (106) vorgesehen wird, welches explosionsgeschützt ausgeführt ist.
Luft-Wasser-Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gassensor (108) im Kapselgehäuse (107) angeordnet wird, bei dessen Alarm die Zwangsbelüftung des Kapselgehäuses (107) aktiviert wird.
Luft-Wasser-Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an das Kapselgehäuse (103) ein Aktivkohleadsorber (111) mit einem Fördergebläse (110) angeschlossen ist.
Verfahren zur Spülung eines Kapselgehäuses einer Sole-Wasser-Wärmepumpe entsprechend einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass je nach detektierter Gaskonzentration an Arbeitsfluid entweder die Zwangsbelüftung nach außerhalb oder die Zwangsbelüftung durch den Aktivkohleadsorber aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dass bei größeren Konzentrationen an Arbeitsfluid oder schnellen Konzentrationsanstiegen die Zwangsbelüftung nach außerhalb und bei geringen Konzentrationen an Arbeitsfluid die Zwangsbelüftung durch den Aktivkohleadsorber vorgenommen wird.
Verwendung eines gefährlichen Arbeitsfluides in einer Luft-Wasser-Wärmepumpe gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem gefährlichen Arbeitsfluid um ein in Verbindung mit Luft entzündliches oder explosives Arbeitsfluid handelt.
Verwendung eines gefährlichen Arbeitsfluides in einer Luft-Wasser-Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid Propan enthält.
Verwendung eines gefährlichen Arbeitsfluides in einer Luft-Wasser-Wärmepumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid R290 ist.