DE10323287A1

DE10323287A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung

Info

Publication number: DE10323287A1
Application number: DE10323287A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dieter Hombuecher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-09-02
Also published as: RU2362946C2; RU2005128566A; ATE510173T1

Abstract

Wärmerückgewinnungssysteme werden bisher in der Klima- und Lüftungstechnik zur Energierückgewinnung aus der Fortluft oder Außenluft eingesetzt. In herkömmlichen Wärmerückgewinnungssystemen nimmt die Wärmeleistung linear mit abnehmender Temperaturdifferenz zwischen der Fortluft und Außenluft ab. Die Wärmerückgewinnung soll bei geringem Aufwand wesentlich gesteigert werden. DOLLAR A Im Anschluss an ein Wärmerückgewinnungssystem 10 wird mit einem weiteren System, bestehend aus einer Wärmepumpe 3, einem Wärmetauscher 1, einem Wärmetauscher 2, einem Speicherkreislauf 9, einem Energiespeicher 9.1 und einem Mischventil 6, einem aus einem klimatisierten Raum kommenden Abluftvolumenstrom AB weitere Wärmeenergie entzogen. Der zugehörige Zuluftvolumenstrom ZU wird im Heizfall mittels der Wärmepumpe 3 über Wärmeenergie aus dem Abluftvolumenstrom AB zusätzlich erwärmt. Die Energieausbeute aus dem Abluftvolumenstrom AB lässt sich damit erhöhen. Die Zulufttemperatur wird geregelt. Im Kühlfall wird der Zuluftvolumenstrom ZU bis zum Erreichen der gewünschten Zulufttemperatur gekühlt. DOLLAR A Das neue Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen eine gleichbleibende Energieausbeute aus der Fortluft FO oder Außenluft AU zur Erwärmung oder Kühlung des Zuluftvolumenstromes ZU. Die Wärmerückgewinnung wird praktisch 100%. Es ist möglich, eine Luftbehandlungseinheit ohne zusätzliche Heiz- oder Kühleinrichtung zu betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Wärmerückgewinnungssysteme, Anlagen mit rekuperativen und regenerativen Wärmeübertragern sowie Anlagen mit Zwischenmedium oder Wärmepumpen, werden in der Klima- und Lüftungstechnik zur Energierückgewinnung aus der Abluft bzw. Fortluft eingesetzt.

In der Literatur werden Wärmerückgewinnungssysteme vielfältig beschrieben. Derartige Systeme sind in der Lüftungstechnik bekannt und werden häufig angewandt. Hiermit lassen sich laut der Literatur so genannte Rückwärmzahlen von bis zu 0,8 erreichen.

In der Veröffentlichung „Recknagel, Sprenger, Schramek; Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 01/02, Ausgabe 2001, Oldenbourg Industrieverlag München" werden auf den Seiten 1367 ff. verschiedene Techniken zur Wärmerückgewinnung beschrieben. Unter anderem wird hierbei auch ein System mit einer Wärmepumpe genannt.

Weitere Hinweise auf Systeme zur Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen sind in der Veröffentlichung „Handbuch der Klimatechnik, 3. Auflage, Verlag C.F. Müller GmbH, Karlsruhe, Band 2; Berechnung und Regelung" auf den Seiten 115 ff. zu finden.

In den herkömmlichen Wärmerückgewinnungssystemen, in denen verschiedene Bauarten von Wärmetauschern verwendet werden, nimmt die Wärmeleistung linear mit der Temperaturdifferenz zwischen der Fortluft die von einer Lüftungsanlage abgegeben wird, und der Außenluft, die der Lüftungsanlage zugeführt wird, ab. Steigt also im Heizfall die Temperatur der Außenluft an, verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und dem mittels der Lüftungsanlage abzuführenden Abluftvolumenstrom. Es kann weniger Energie aus dem Abluftvolumenstrom aufgenommen werden und an die als Zuluftvolumenstrom zuzuführende Außenluft abgegeben werden. Die Außenluft muss deshalb anschließend mit einem Erhitzer nachgewärmt werden.

Im Kühlfall kann einem die Fortluft bildenden Abluftvolumenstrom aus dem gleichen Grund, also wegen des Absinkens der Temperatur der Außenluft, nur ein Anteil der Energie entnommen werden.

Die Außenluft muss also anschließend im Heizfall mit einem Erhitzer nachgewärmt werden oder im Kühlfall mit einem Kühler nachgekühlt werden.

Bekannt ist es auch die Kühlung mit integrierter Kühlung nach einem Wärmetauscher vorzunehmen oder die Heizung mit einer Wärmepumpe nachgeschaltet nach einem Wärmerohr durchzuführen. Beide genannten Systeme sind nur bedingt regelbar, z.B. durch Stufenschaltung, zu- und abschalten oder mittels drehzahlgeregelter Verdichter. Die Kühlung wird manchmal noch mit einer Heißgas-Bypass-Regelung angepasst. Dieses Verfahren wird auf Grund der damit verbundenen Energieverschwendung immer weniger angewendet.

Eine gleitende Regelung über die gesamte Breite der verschiedenen Außentemperaturen ist mit keinem der Systeme ohne Minderung der so genannten Leistungsziffer möglich. Variable Volumenströme, wie sie in modernen Klimaanlagen immer häufiger eingesetzt werden, können mit vorgenannten Systemen nicht gekühlt oder geheizt werden.

Mit den bis heute bekannten Systemen ist eine Umschaltung vom Kühl- zum Heizmodus und umgekehrt nicht effektiv bzw. nicht oder nur mit einem schlechteren Wirkungsgrad über Luftbeimischung regelbar.

Aus dem Dokument DE 9218937 U1 ist eine Einrichtung zur Klimagestaltung in Gebäuderäumen bekannt. Diese Einrichtung weist zwischen Zuluft- und Abluftvolumenstrom einen regenerativen Wärmeübertrager auf. Nach diesem Wärmeübertrager ist ein Verdampfer einer Wärmepumpe angeordnet. Im Abluftvolumenstrom ist ein weiterer regenerativer Wärmeübertrager und der Verflüssiger der Wärmepumpe angeordnet. Zur Erhöhung der Energieausbeute ist parallel zu dem die Gebäuderäume versorgenden Außenluftstrom ein zweiter Außenluftstrom vorgesehen. Der Verdampfer und der Verflüssiger der Wärmepumpe sind im jeweils anderen Außenluftstrom angeordnet, sodass mittels der Wärmepumpe Energie aus dem ersten Außenluftstrom in den zweiten Außenluftstrom übertragen werden kann.

Weiterhin ist aus der DE 19500527 A1 ein Klimagerät bekannt. Dieses Klimagerät weist einen Zuluft- und einen Abluftvolumenstrom auf, die beide über einen Wärmetauscher geführt werden. Dem Wärmetauscher sind im Zuluftvolumenstrom bzw. im Abluftvolumenstrom der Verdampfer bzw. Verflüssiger einer Wärmepumpe nachgeschaltet. Die Wärmepumpe ermöglicht nur für einen bestimmten Einsatzfall eine optimale Energierückgewinnung. Dieser leitet sich aus der Auslegung der Leistung der Wärmepumpe ab.

Weiterhin ist schließlich aus der DE 19851889 A1 eine Wärmepumpen-Klimaanlage mit Energierecycling bekannt. In der Klimaanlage sind die Zuluft und die Abluft über einen gemeinsamen Wärmetauscher geführt. In der Zuluft ist dem Wärmetauscher unter anderem ein weiterer in einem ersten Kopplungskreislauf mit einem Heißwasserspeicher gekoppelter Wärmetauscher nachgeschaltet. Der Heißwasserspeicher ist in einem zweiten Kopplungskreislauf mit dem Verflüssiger einer Wärmepumpe gekoppelt. Der Verdampfer der Wärmepumpe kann mit einem Teilstrom der Abluft beaufschlagt werden. Weiterhin wird ein weiterer Teil der Abluft über den Wärmetauscher geleitet und ein weiterer, kleinerer Teil der Abluft der Zuluft beigemischt. Die Klimaanlage ist aufwändig gestaltet, schlecht regelbar und benötigt für den Kühlfall ein zusätzliches Kühlaggregat, das mittels eines weiteren Wärmetauschers in die Zuluft eingeschaltet werden muss.

Aus dem beschriebenen Stand der Technik ergibt sich folglich für eine konventionelle Lüftungsanlage ein nicht unerheblicher gerätetechnischer Zusatzaufwand für die Erwärmung oder Nachkühlung des zu erzeugenden Zuluftvolumenstromes.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, in einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. in einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 9 die genannten Nachteile zu vermeiden und die Ausbeute der Wärmerückgewinnung bei guter Regelbarkeit bedeutend zu steigern.

Die Lösung dieser Aufgabe gestaltet sich in einem Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bzw. einer Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 9.

Die Erfindung besteht aus einer Kombination eines der bekannten Wärmerückgewinnungssysteme mit einem System aus einer Wärmepumpe, einem Speicherkreislauf und einem mit dem Speicherkreislauf gekoppelten Wärmetauscher, der dem Wärmerückgewinnungssystem im Zuluftvolumenstrom nachgeschaltet ist. Ein weiterer Wärmetauscher ist dem Wärmerückgewinnungssystem im Abluftvolumenstrom nachgeordnet. Die beiden Wärmetauscher sind mittels der Wärmepumpe gekoppelt, wobei außerdem auf der Seite der Zuluftbehandlung die Wärmepumpe mittels eines weiteren Wärmetauschers mit dem Speicherkreislauf, der mit einem Energiespeicher und einem Mischventil versehen ist, verbunden ist.

Durch das Zusammenwirken der genannten Bauelemente ist es möglich, die Wärmeübertragung zu regeln. Dies ist unter Anderem für die Begrenzung der Zulufttemperatur erforderlich.

Die Temperatur in der Kreislaufflüssigkeit im Speicherkreislauf wird so hoch angesetzt, dass für den Betrieb der Wärmepumpe eine ausreichend hohe Verflüssigungstemperatur erzielt wird. Dies wird berechnet nach den Angaben des Herstellers der Verdichter unter Berücksichtigung der Temperatur des Abluftvolumenstromes, der Bauart des dort angeordneten Wärmetauschers und der Verdampfungstemperatur. Ist zum Erreichen der mittleren Temperaturdifferenz im Wärmetauscher im Zuluftvolumenstrom eine höhere Temperatur in der Kreislaufflüssigkeit erforderlich, so wird die Temperatur zum Erreichen der notwendigen mittleren Temperaturdifferenz gewählt. Auf diese Weise wird stets eine optimale Leistungsziffer der Wärmepumpe erreicht, aber auch gewährleistet, dass der Wärmeaustausch im Wärmetauscher im Zuluftvolumenstrom möglich ist.

Die Zulufttemperatur wird über das Mischventil geregelt, das beispielsweise als 3-Wege-Ventil mit einem Regler und einem Motor ausgebildet sein kann. Im Heizfall wird beispielsweise bei Unterschreiten der geforderten Zulufttemperatur wird der Volumenstrom an Kreislaufflüssigkeit zum Wärmetauscher im Zuluftvolumenstrom vergrößert. Bei überschreiten der geforderten Zulufttemperatur wird hingegen der Volumenstrom an Kreislaufflüssigkeit zum Wärmetauscher im Zuluftvolumenstrom verringert.

Sollte der Abluftvolumenstrom aus irgend welchen Gründen kleiner werden, sinkt die Verdampfungstemperatur, da weniger Wärme angeliefert wird. Ein Absinken der Verdampfungstemperatur wird über einen Druckaufnehmer vor dem Verdichter festgestellt, alternativ über einen Temperaturfühler. Sinkt die Verdampfungstemperatur unter einen voreingestellten Wert schaltet der Regler den Verdichter aus. Der Zuluftvolumenstrom wird dann über die Wärmeenergie aus dem Energiespeicher erwärmt. Nach Ablauf der für den Verdichterstop erforderlichen Stillstandszeit schaltet der Verdichter wieder zu.

Wird die Wärmepumpe wegen Erreichen einer Maximaltemperatur in der Kreislaufflüssigkeit abgeschaltet, wird der Zuluftvolumenstrom mit Energie aus dem Energiespeicher geregelt durch das Mischventil auf konstanter Temperatur gehalten. Ist die Kreislaufflüssigkeit wieder abgekühlt, schaltet die Wärmepumpe erneut zu, um aus dem Abluftvolumenstrom wieder Energie in die Kreislaufflüssigkeit und den Energiespeicher zu übertragen.

Ein stetiges Ab- und Zuschalten erfolgt bei Wärmepumpen mit einem Verdichter. Leistungsfähigere Wärmepumpen sind mit mehren Verdichtern ausgerüstet. Sind in der Wärmepumpe mehrere Verdichter eingebaut, so erfolgt das Zu- und Abschalten der Verdichter in einer Folgeschaltung. Als Verdichter können auch drehzahlgeregelte Modelle eingesetzt werden. In diesem Fall kann der Energiespeicher etwas kleiner dimensioniert werden, was aber unter Umständen die Leistungsziffer vermindert.

Der Energiespeicher wird vom Inhalt so groß ausgelegt, dass das Zeitintervall für eine vollständige Umwälzung des Flüssigkeitsvolumens länger andauert als dies für die Stillstandszeit des kleinsten Verdichters der Wärmepumpe notwendig ist. Zur Vermeidung von turbulenten Strömungen im Energiespeicher kann der eintretende Volumenstrom der Kreislaufflüssigkeit vorzugsweise mit einem Düsenrohr in den Energiespeicher geführt. Damit wird eine günstige laminare Strömung im Energiespeicher bewirkt.

Der Abluftvolumenstrom wird aus Gründen möglichst großer Energiegewinnung so weit heruntergekühlt, wie dies für die Wärmeübertragung notwendig ist. Wenn Vereisung am Wärmetauscher im Abluftvolumenstrom nicht hinderlich ist, oder auf Grund der Abluftkondition keine Vereisung stattfindet, kann mit einer entsprechend leistungsstarken Wärmepumpe die gewünschte Zulufttemperatur nach dem Wärmetauscher im Zuluftvolumenstrom ohne weiteren Erhitzer erreicht werden.

Durch den Einsatz der Wärmepumpe und der für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten elektrischen Leistungsaufnahme, ist es möglich, an die Außenluft mehr Energie zu übergeben als der Fortluft entnommen werden kann.

Mit der beschriebenen Erfindung, kann im Kühlfall die Außenluft zur Aufbereitung des Zuluftvolumenstromes gekühlt werden. Dies geschieht durch Umkehrung des Kältekreislaufes der Wärmepumpe. Auch hierbei ist die Einstellung einer konstanten Zulufttemperatur möglich.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen unter Anderem in den im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Wirkungen:

1. Es wird eine extrem große Wärmerückgewinnung erzielt. Die mit dem Wärmerückgewinnungssystem erzielte Übertragungsleistung WRG, wird ergänzt durch das in der beschriebenen Kombination gestaltete Wärmepumpensystem. Es ist möglich, dem Abluftvolumenstrom mehr Energie zu entziehen als für die Erwärmung des Zuluftvolumenstromes notwendig ist. Die überschüssige Energie kann optional auch zur Brauchwassererwärmung genutzt werden, z. B. auch zum Heizen nach der adiabatischen Befeuchtung des Zuluftvolumenstromes. Gegenüber anderen Wärmerückgewinnungssystemen kann, auf Grund des regelbaren Wärmerückgewinnungssystems, der Wert der Rückwärmzahl von 1 überschritten werden, wohingegen bei anderen, bekannten Wärmerückgewinnungssystemen maximal eine wirtschaftliche Rückwärmzahl von 0,8 erreicht wird. Beispiel:
Der Abluftvolumenstrom wird mit einem Kreislaufverbundsystem, mit einer Rückwärmzahl von 0,47, in Kombination mit dem Wärmepumpensystem, von 24°C bei 50% relativer Feuchte auf 6,8°C gekühlt: h_EIN = 43,2 h_AUS = 21,6 Δh = 21,5 Die Außenluft tritt mit 10°C bei 70% relativer Feuchte ein. Der Zuluftvolumenstrom wird durch die Behandlung daraufhin in den Zustand mit 31 °C bei 19% relativer Feuchte überführt: h_EIN = 23,4 h_AUS = 43,7 Δh = 21,5 Daraus folgt für den Wert der Rückwärmzahl:
24°C – 10°C
2. In den überwiegenden Bedarfsfällen für den Heizfall wird eine weitere Erwärmung des Zuluftvolumenstromes ZU, mit einem zusätzlichen Erhitzer, nicht notwendig sein.
3. In den meisten Bedarfsfällen im Kühlfall kann die Außenluft AU so weit gekühlt werden, dass eine weitere Kühlung mit einem zusätzlichen Kühler nicht erforderlich wird. Der Kühler kann im Lüftungsgerät eingespart werden.
4. Die von dem Zuluftventilator aufgenommene Leistung an der Welle wird kleiner, weil durch den Wegfall des Luftkühlers die hierfür erforderliche dynamische Druckdifferenz entfällt.
5. Die Zuluftgeräte werden durch den Wegfall des Lufterhitzers kleiner und leichter.
6. Für die Zuluftkühlung und für die dezentrale Gebäudekühlung ist in den meisten Fällen keine weitere Kältemaschine mehr erforderlich.
7. Die Erfindung kann dezentral genutzt oder zentral in einer Luftbehandlungseinheit integriert werden.

Die Erfindung wird an Hand von zwei Verfahrensschemata als Beispiel dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Hierin zeigen
1 ein Schema einer ersten Variante der Erfindung und
2 ein Schema einer zweiten Variante der Erfindung.
Nach der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 wird in einen Abluftvolumenstrom AB, der durch lüftungstechnische Behandlung zur Fortluft FO wird, nach einem Wärmerückgewinnungssystem 10 ein Wärmetauscher 2 platziert. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 ist andererseits mit einem Zuluftvolumenstrom ZU gekoppelt, der durch lüftungstechnische Behandlung aus der Außenluft AU gewonnen wird. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann nach einer der bekannten Bauarten z.B. als KVS(Kreislaufverbund)-System, Rotations- oder Plattenwärmetauscher, Glattrohrwärmeübertrager, Speichermassenwärmetauscher oder Wärmerohr ausgebildet sein. Der Wärmetauscher 2 ist mit einer Wärmepumpe 3 gekoppelt und wirkt im Heizfall als Verdampfer und im optionalen Kühlfall als Verflüssiger der Wärmepumpe 3.
Im Kältekreislauf der Wärmepumpe 3 ist ein weiterer Wärmetauscher 4 angeordnet, der im Heizfall als Verflüssiger und im Kühlfall als Verdampfer genutzt wird.
Weiterhin ist auch im Zuluftvolumenstrom ZU ein Wärmetauscher 1 dem Wärmerückgewinnungssystem 10 nachgeordnet. Der Wärmetauscher 1 ist in einen Speicherkreislauf 9 eingekoppelt. In diesen Speicherkreislauf 9 ist auch der mit der Wärmepumpe 3 gekoppelte Wärmetauscher 4 eingekoppelt. Weiterhin ist im Speicherkreislauf 9 ein Energiespeicher 9.1 vorgesehen. Der Speicherkreislauf 9 und der Energiespeicher 9.1 sind mit einer Wärme speichernden Kreislaufflüssigkeit gefüllt, die von einer Pumpe umgewälzt wird.
Die Kreislaufflüssigkeit für den Wärmetransport zwischen dem Wärmetauscher 1 und dem Wärmetauscher 4 kann Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder eine sonstige in der Kälte- und Klimatechnik gebräuchliche Flüssigkeit sein.
Im Heizfall wird die Temperatur der Kreislaufflüssigkeit im Speicherkreislauf 9 so hoch gewählt, dass die minimal erforderliche Verflüssigungstemperatur für die Wärmepumpe 3 gewährleistet wird, aber auch die mittlere Temperaturdifferenz im Wärmetauscher 1 so groß ist, dass die Wärmeenergie an die Außenluft AU übertragen werden kann, die nach der beschriebenen lüftungstechnischen Behandlung den Zuluftvolumenstrom ZU bildet. Im optionalem Kühlfall wird die Temperatur der Kreislaufflüssigkeit im Speicherkreislauf 9 so klein gewählt, dass die Außenluft AU im Zuluftvolumenstrom ZU auf die gewünschte Zulufttemperatur gekühlt wird.
Das Temperaturniveau der Kreislaufflüssigkeit und damit die Regelung der Temperatur des Zuluftvolumenstromes ZU wird mit einem Mischventil 6 oder alternativ mit einer hydraulischen Weiche eingestellt. Das Mischventil 6 kann als 3-Wege-Ventil mit Regler und Motor ausgeführt sein.
Zur Regelung des Temperaturniveaus der Kreislaufflüssigkeit ist das Mischventil 6 in einer Verzweigung des Speicherkreislaufes 9 angeordnet, in der zwei Äste A und B des Speicherkreislaufes 9 zusammengeführt sind. Ein Ast A der Verzweigung ist als Rücklaufleitung direkt mit dem Wärmetauscher 1 verbunden. Ein zweiter Ast B ist mit der von dem Energiespeicher 9.1 kommenden Zuführleitung für den Wärmetauscher 1 verbunden. Durch Verstellung lässt das Mischventil 6 nun unterschiedliche Mengen an Kreislaufflüssigkeit durch die beiden Äste A und B strömen und bildet damit einen Mischstrom A-B. Auf diese Weise kann der Wärmedurchsatz am Wärmetauscher 1 von einem maximalen bis zu einem minimalen Niveau geregelt werden. Im maximalen Fall wird die Kreislaufflüssigkeit vollständig durch den Wärmetauscher 1 geführt und im minimalen Fall wird dem Wärmetauscher 1 keine Kreislaufflüssigkeit zugeführt. Der Energiespeicher 9.1, der dem Wärmetauscher 4 direkt nachgeordnet ist, wird immer von der gesamten Flüssigkeitsmenge durchströmt und nimmt dabei die von der Wärmepumpe 3 angelieferte, aber nicht vom Wärmetauscher 1 umgesetzte Wärmemenge auf. Ebenso kann beim Abschalten der Wärmepumpe 3 die Wärmeenergie aus dem Energiespeicher 9.1 über den Wärmetauscher 1 an den Zuluftvolumenstrom ZU abgegeben werden.
Sollte es im Wärmetauscher 2 zu störendem Eisansatz kommen, wird die Temperatur der Kreislaufflüssigkeit angehoben. Bei nicht akzeptabler Dicke des Eisansatzes wird der Kältekreis kurzfristig unterbrochen, sodass der Wärmetauscher 2 nicht von der Wärmepumpe gekühlt wird, und der Abluftvolumenstrom AB schmilzt den Eisansatz wieder ab. Alternativ kann an dieser Stelle auch eine separate Abtauheizung für den Wärmetauscher 2 eingesetzt werden. Ob Eisansatz vorhanden ist, kann z.B. über einen Differenzdruckmesser 5 am Abluftvolumenstrom (AB) vor und hinter dem Wärmetauscher 2 festgestellt werden. Alternativ kann der Eisansatz auch über den Anstieg des Luftdruckes im Abluftvolumenstrom AB vor dem Wärmetauscher 2 festgestellt werden.
Die Wärmepumpe 3 wird über in der Kältetechnik allgemein eingesetzte Temperaturfühler ein- und ausgeschaltet. Ist die Temperatur im Kältekreislauf der Wärmepumpe 3 zu hoch, werden die Verdichter ausgeschaltet, bzw. werden bei größeren, z.B. mehrstufigen Wärmepumpen die Verdichter in Abhängigkeit von den Temperaturen zu- oder abgeschaltet. Ebenfalls schalten die Verdichter ab, wenn im Kältekreislauf die zulässige Temperatur unterschritten wird.
Eine eventuell erforderliche zusätzliche Heizquelle kann ihre Energie über einen optionalen Wärmetauscher 16, der in die Zuführleitung zum Wärmetauscher 1 in den Speicherkreislauf 9 eingekoppelt ist, abgeben. Die Regelung der Übergabe dieser Wärmeenergie erfolgt auf einfache Weise mittels des Mischventiles 6.
In den Fällen des Umluftbetriebes, bei dem eine Wärmerückgewinnung nicht stattfindet, und auch im Nachheizbetrieb der Lüftungsanlage kann der Speicherkreislauf 9 auf zusätzliche Weise genutzt werden. Hierbei kann auf einfache Weise das PWW (Pumpenwarmwasser) der Heizungsanlage, das den Speicherkreislauf 9 über den Wärmetauscher 16 erwärmt, mit niedriger Vor- und Rücklauftemperatur betrieben werden. Dadurch wird wiederum der Einsatz der Brennwerttechnik als Heizsystem in der Lüftungstechnik ermöglicht. Dazu kann an den Wärmetauscher 16, beispielsweise wird ein Plattenwärmetauscher verwendet, vorzugsweise ein Brennwertkessel angeschlossen werden, der schon bei niedrigen Temperaturen sehr effektiv arbeitet.
Die optionale Funktion zur Kühlung der Außenluft AU für einen gekühlten Zuluftvolumenstrom ZU wird mit einer Umschaltung des Kältekreislaufes durch bekannte Einrichtungen an der Wärmepumpe 3 erreicht.
Für eine optionale Feuchteregelung des Zuluftvolumenstromes ZU im Kühlfall wird ein weiterer Wärmetauscher 7 nach dem Wärmetauscher 1 in den Zuluftvolumenstrom ZU platziert. Der Wärmetauscher 7 gibt über aus dem Kältemittel quasi kostenlos verfügbare Energie Wärme an den zuvor zur Entfeuchtung weiter herunter gekühlten Zuluftvolumenstrom ZU ab. Die Temperatur des Zuluftvolumenstromes ZU wird dabei mit einem Mischventil 8 geregelt.
Eine optionale Feuchteregelung des Zuluftvolumenstromes ZU im Heizfall ist hingegen mit dem Energiespeicher 9 gekoppelt und wird weiter unten im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zur Verbesserung der Wärmeabführung im Kühlfall kann im Abluftvolumenstrom AB eine Einrichtung zur adiabatischen Kühlung zwischen dem Wärmerückgewinnungssystem 10 und dem Wärmetauscher 2 der Wärmepumpe 3 vorgesehen werden. Damit wird der Wärmeübergang an dieser Stelle auf einfache Weise stark verbessert.
Zur Beeinflussung der Luftbehandlung können in den Kanälen zwischen Zuluftvolumenstrom ZU und Abluftvolumenstrom AB auf bekannte Weise Luftklappen für die Zuführung von Mischluft aus dem Abluftvolumenstrom AB zum Zuluftvolumenstrom ZU oder zur Durchführung eines Umluftbetriebes, wie oben genannt, vorgesehen werden.
Bei der Verwendung von Mischluft kann durch Erhöhung des Luftvolumenstromes über die Luftklappe mehr Wärmeenergie bei geringer Lufttemperatur vom Verflüssiger übernommen werden. Damit kann auch Kaltwasser für eine eventuelle dezentrale Kühlung erzeugt werden. Das Kaltwasser kann aus dem Energiespeicher 9.1 entnommen werden.
Die Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur kann alternativ auch über Druckaufnehmer geregelt werden.
In den Kältekreislauf kann zur Brauchwassererwärmung mit hohem Temperaturniveau ein zusätzlicher Erhitzer eingebaut werden.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung dient der Verbesserung der Übertragung von Wärmeenergie bei variablen Volumenströmen der Zuluft und/oder der Abluft. Eine derartige Anlage für die Erzeugung von variablen Volumenströmen ist in 2 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Weiterentwicklung weist auf der Zuluftseite der Wärmepumpe 3 eine Anordnung des Speicherkreislaufes 9 mit dem Wärmetauscher 1, dem Wärmetauscher 4 und dem Energiespeicher 9.1 sowie dem Mischventil 6 zwischen den Ästen A und B des Speicherkreislaufes 9 auf, wie weiter oben sie unter 1 beschrieben wurde.
In der Anordnung nach 2 wird der Wärmetauscher 2 allerdings nicht von dem Kältemittel aus der Wärmepumpe 3 durchströmt. Hier wird der Wärmetauscher 2 als Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher eingesetzt. Der Wärmepumpe 3 ist auf der Abluftseite des Systems ein weiterer Speicherkreislauf 12 mit einem Energiespeicher 12.1 zugeordnet. Der Speicherkreislauf 12 wird mittels eines vierten Wärmetauschers 13 mit der Wärmepumpe gekoppelt. In diesem Fall wirkt der Wärmetauscher 13 wahlweise als Verdampfer oder Verflüssiger für die Wärmepumpe 3. Somit kann die Leistung des/der Verdichter der Wärmepumpe 3 im Kühlfall und im Heizfall voll ausgenutzt werden. Der Speicherkreislauf 12 und der Energiespeicher 12.1 sind ebenso mit einer Wärme speichernden Kreislaufflüssigkeit gefüllt, die von einer Pumpe umgewälzt wird. Die Regelung des Flüssigkeitsdurchsatzes im Speicherkreislauf 12 erfolgt mittels eines Mischventiles 14. Dem Mischventil 14 sind Äste A und B des Speicherkreislaufes 12 zugeordnet. Ein Ast A ist direkt als Rücklaufleitung mit dem Wärmetauscher 2 verbunden. Ein Ast B ist mit der von dem Energiespeicher 12.1 kommenden zum Wärmetauscher 2 führenden Zuführleitung verbunden. Durch Einstellung am Mischventil 14 kann der Durchfluss der Kreislaufflüssigkeit im Speicherkreislauf 12 von den Extremzuständen mit vollem Durchsatz durch den Wärmetauscher 2 bis zur Abschaltung des Wärmetauschers 2 geregelt werden. Der Energiespeicher 12.1 ist dem Wärmetauscher 13 direkt nachgeordnet und wird von der gesamten Flüssigkeitsmenge durchströmt.
Über die Kreislaufflüssigkeit wird die Wärmeenergie mittels des Wärmetauschers 2 an die Fortluft FO übertragen. Wenn der Differenzdruck auf Grund von Eisansatz am Wärmetauscher 2 einen vorbestimmten Wert überschreitet wird am Mischventil 14 der Durchfluss von Ast B nach A-B geöffnet und die von der Wärmepumpe 3 eventuell eingebrachte Wärmeenergie wird im Speicherkreislauf 12 zwischengespeichert. Hierbei ist der Wärmetauscher 2 stillgesetzt. Nach dem Abschmelzen des Eisansatzes im Wärmetauscher 2 und damit der Verringerung des Differenzdruckes öffnet das Mischventil 14 im Speicherkreislauf 12 den Ast von A nach A-B und die Wärmeenergie wird weiter über den Wärmetauscher 2 an den Abluftvolumenstrom AB und damit an die Fortluft FO übertragen.
Neben einer Feuchtigkeitsregelung für den Kühlfall (Sommer) wie im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 beschrieben, kann auch eine Feuchtigkeitsregelung für den Heizfall (Winter) vorgesehen werden. Dazu ist im Zuluftvolumenstrom ZU ein weiterer Wärmetauscher 11 angeordnet. Dieser ist mit dem Energiespeicher 12.1 des weiteren Speicherkreislaufes 12 verbunden und im Zuluftvolumenstrom ZU einer Befeuchtungseinrichtung nachgeordnet. Ein Mischventil 15 regelt die Durchsatzmenge und damit die endgültige Temperatur des Zuluftvolumenstromes ZU.
Die übertragene Energie wird in den Energiespeichern 9.1 und 12.1 gespeichert und kontinuierlich auch bei Stillstand der Verdichter an die Außenluft AU bzw. den Zuluftvolumenstrom ZU und den Abluftvolumenstrom AB bzw. die Fortluft FO übertragen. Insbesondere der Energiespeicher 9.1 kann hierbei direkt oder indirekt über den Speicherkreislauf 9 mit zusätzlichen Einrichtungen zur Wärmezufuhr oder -abfuhr verbunden werden, um seine Energiekapazität besser auszunutzen.
Eine eventuell erforderliche zusätzliche Heizquelle übergibt die Energie über den optionalen Wärmetauscher 16 an den Speicherkreislauf 9. Die Regelung der Übergabe dieser Wärmeenergie erfolgt mit dem Mischventil 6.
Wie bereits unter dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben kann die Anlage an dieser Stelle durch eine Heizeinrichtung nach der Brennwerttechnik ergänzt werden. Dies ist dann möglich, wenn die Lüftungsanlage im Umluftbetrieb oder im Nachheizbetrieb bei niedrigen Wassertemperaturen gefahren wird. Hierbei kann auf einfache Weise das Pumpenwarmwasser der Heizungsanlage, das den Speicherkreislauf 9 über den Wärmetauscher 16 erwärmt, mit niedriger Vor- und Rücklauftemperatur betrieben werden.
Die beschriebene Erfindung ist sowohl mit ein- als auch mit mehrstufigen Wärmepumpen betreibbar.
In den Lüftungskanälen können neben den beschriebenen notwendigen Elementen auch weitere Elemente zur Luftbehandlung wie Filter, Schalldämpfer oder Befeuchter in gewohnter Weise eingesetzt werden. Zur Steigerung der Leistungsziffer der Wärmepumpe 3 und zur vollen Wärmeabfuhr bei variablen Volumenströmen, kann auch die in der Klimatechnik übliche Beimischung von Außenluft zur Fortluft über eine Mischluftklappe erfolgen. Gleichfalls ist die Anlage, wie bereits weiter oben erwähnt für den Umluftbetrieb geeignet.
Die Erfindung ist in Verbindung mit Klimatisierungs- und Lüftungssystemen jeder Größenordnung einsetzbar, also beispielsweise auch für Hallenklimatisierungen oder Hallenheizungen.
Schließlich ist die Erfindung auch in sehr vorteilhafter Weise zur Nachrüstung von bestehenden Anlagen geeignet, da die Wärmepumpe mit dem Speicherkreislauf bzw. den Speicherkreisläufen als Baueinheit an vorhandenen Lüftungsanlagen ankoppelbar ist.
Die Erfindung kann auch zum Betrieb von Kombinationsanlagen genutzt werden. Dabei wird eine Wärmepumpe auf sehr rationelle Weise über den Speicherkreislauf bzw. die Speicherkreisläufe mit mehreren Lüftungssystemen verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann im Rahmen des fachmännischen Wissens auch andersartig ausgeführt werden.

ZU: Zuluftvolumenstrom
AB: Abluftvolumenstrom
FO: Fortluft
AU: Außenluft
A: Ast
B: Ast
A-B: Ast
1: Wärmetauscher
2: Wärmetauscher
3: Wärmepumpe
4: Wärmetauscher
5: Differenzdruckmesser
6: Mischventil
7: Wärmetauscher
8: Steuerventil
9: Speicherkreislauf
9.1: Energiespeicher
10: Wärmerückgewinnungssystem
11: Wärmetauscher
12: Speicherkreislauf
12.1: Energiespeicher
13: Wärmetauscher
14: Mischventil
15: Steuerventil
16: Wärmetauscher

Claims

Verfahren zur Energierückgewinnung in Anlagen der Klima- und Lüftungstechnik, mit einer Einrichtung zur Führung eines Zuluftvolumenstromes (ZU) und einer Einrichtung zur Führung eines Abluftvolumenstromes (AB), mit einem den Zu- und den Abluftvolumenstrom zum Zweck der Wärmeübertragung zwischen dem Zu- und dem Abluftvolumenstrom verbindenden aus einem oder mehreren Wärmetauschern gebildeten Wärmerückgewinnungssystem (10) und mit einer Wärmepumpe (3), die zum Zweck des ergänzenden Energietransports zwischen dem Zuluftvolumenstrom (ZU) und dem Abluftvolumenstrom (AB) dem Wärmerückgewinnungssystem (10) zugeordnet und mittels Wärmetauschern mit dem Zuluftvolumenstrom (ZU) und/oder dem Abluftvolumenstrom (AB) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch, – Austausch von Wärmeenergie in dem aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Abluftvolumenstrom (AB) mittels eines mit der Wärmepumpe (3) gekoppelten ersten Wärmetauschers (2), – Übertragen der ausgetauschten Wärmeenergie mittels der Wärmepumpe (3) und einen zweiten mit der Wärmepumpe (3) gekoppelten Wärmetauscher (4) an einen Speicherkreislauf (9), welcher zur Übertragung von Wärmeenergie mit dem Wärmetauscher (4) gekoppelt ist und einen Energiespeicher (9.1) enthält, und – Übertragen der an den Speicherkreislauf (9) übertragenen Wärmeenergie mittels eines dritten Wärmetauschers (1) an den aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Zuluftvolumenstrom (ZU) zwecks Kühlung oder Erwärmung des Zuluftvolumenstromes (ZU).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, – Entnehmen von Wärmeenergie aus dem aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Abluftvolumenstrom (AB) mittels des mit der Wärmepumpe (3) gekoppelten Wärmetauschers (2), – Übertragen wenigstens eines Teiles der entnommenen Energie mittels der Wärmepumpe (3) und des in den Speicherkreislauf (9) eingekoppelten Wärmetauschers (4) in den Speicherkreislauf (9) bzw. den Energiespeicher (9.1), und – Übertragen der aus dem Abluftvolumenstrom (AB) in den Speicherkreislauf (9) übertragenen Energie mittels des Wärmetauschers (1) zwecks Erwärmung an den aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Zuluftvolumenstrom (ZU).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, – Entnahme von Wärmeenergie aus dem vom Wärmerückgewinnungssystem (10) kommenden Zuluftvolumenstrom (ZU) zwecks Kühlung des Zuluftvolumenstromes (ZU) mittels des mit dem Speicherkreislauf (9) gekoppelten Wärmetauschers (1), – Entnehmen wenigstens eines Teiles der entnommenen Wärmeenergie mittels der Wärmepumpe (3) und des in den Speicherkreislauf (9) eingekoppelten Wärmetauschers (4) aus dem Speicherkreislauf (9), und – Übertragen der aus dem Speicherkreislauf (9) entnommenen Wärmeenergie mittels der Wärmepumpe (3) und des Wärmetauschers (2) an den aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Abluftvolumenstrom (AB).
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch, – Entnahme von Wärmeenergie aus dem aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Abluftvolumenstrom (AB) zwecks Kühlung des Abluftvolumenstromes (AB) mittels einer adiabatischen Kühlung, und – Zuführen des gekühlten Abluftvolumenstromes (AB) zum Wärmetauscher (2) zwecks Übertragen der aus dem Speicherkreislauf (9) entnommener Wärmeenergie an den gekühlten Abluftvolumenstrom (AB).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch, – Zuführen von Wärmeenergie zu dem aus dem mit dem Speicherkreislauf (9) verbundenen Wärmetauscher (1) austretenden Zuluftvolumenstromes (ZU) zwecks Nacherhitzung zur Feuchteregelung des gekühlten Zuluftvolumenstromes (ZU) mittels eines mit vorzugsweise dem Heißgaskreislauf der Wärmepumpe (3) gekoppelten weiteren Wärmetauschers (7), und – Zuführen des erwärmten Zuluftvolumenstromes (AB) zu einem klimatisierten Raum.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch, Regelung des Anteils der übertragenen Wärmeenergie in dem dem Zuluftvolumenstrom (ZU) zugeordneten Wärmetauscher (1) durch Steuerung der Durchflussmenge einer im Speicherkreislauf (9) enthaltenen Kreislaufflüssigkeit durch den Energiespeicher (9.1) und den Wärmetauscher (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, eine variable Volumenstromregelung des Abluftvolumenstromes (AB) und/oder des Zuluftvolumenstromes (ZU) durch folgende Verfahrensschritte – Austausch von Wärmeenergie in dem aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Abluftvolumenstrom (AB) mittels des Wärmetauschers (2) mit einem weiteren einen weiteren Energiespeicher (12.1) enthaltenden Speicherkreislauf (12), – Übertragen wenigstens eines Teiles der ausgetauschten Wärmeenergie mittels eines mit der Wärmepumpe (3) gekoppelten vierten Wärmetauschers (13) und der Wärmepumpe (3) aus dem weiteren Speicherkreislauf (12) über den mit dem den Energiespeicher (9.1) enthaltenden ersten Speicherkreislauf (9) gekoppelten Wärmetauscher (4) in den ersten Speicherkreislauf (9), und – Übertragen wenigstens eines Teiles der in den ersten Speicherkreislauf (9) übertragenen Wärmeenergie mittels des Wärmetauschers (1) an den aus dem Wärmerückgewinnungssystem (10) austretenden Zuluftvolumenstrom (ZU).
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch, Regelung des Anteils der übertragenen Wärmeenergie in dem dem Abluftvolumenstrom (AB) zugeordneten Wärmetauscher (2) durch Steuerung der Durchflussmenge einer im Speicherkreislauf (12) enthaltenen Kreislaufflüssigkeit durch den Energiespeicher (12.1) und den Wärmetauscher (2).
Vorrichtung zur Energierückgewinnung in einer Anlage der Klima- und Lüftungstechnik, mit einem Zuluftvolumenstrom (ZU) und einem Abluftvolumenstrom (AB), mit den Zuluft- (ZU) und den Abluftvolumenstrom (AB) zum Zweck der Wärmeübertragung zwischen dem Zuluft- (ZU) und dem Abluftvolumenstrom (AB) verbindenden Wärmerückgewinnungssystem (10), das einen regenerativen Wärmetauscher oder einen rekuperativen Wärmetauscher oder einen Speichermassenwärmetauscher oder ein Wärmerohr enthält, und einer Wärmepumpe (3), die zum Zweck des Energietransports zu dem Zuluftvolumenstrom (ZU) oder zu dem Abluftvolumenstrom (AB) dem Wärmerückgewinnungssystem (10) zugeordnet und mittels Wärmetauschern mit dem Zuluftvolumenstrom (ZU) und/oder dem Abluftvolumenstrom (AB) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch, einen Speicherkreislauf (9), der zwischen der Wärmepumpe (3) und einem im Zuluftvolumenstrom (ZU) dem Wärmerückgewinnungssystem (10) nachgeordneten Wärmetauscher (1) angeordnet ist, wobei der Wärmetransport in dem Speicherkreislauf (9) regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch, einen im Abluftvolumenstrom (AB) angeordneten und mit der Wärmepumpe (3) gekoppelten Wärmetauscher (2), den mittels eines zweiten Wärmetauschers (4) mit der Wärmepumpe (3) gekoppelten Speicherkreislauf (9), einen in den Speicherkreislauf (9) eingekoppelten Energiespeicher (9.1), den mit dem Speicherkreislauf (9) gekoppelten Wärmetauscher (1), der in dem Zuluftvolumenstrom (ZU) angeordnet ist, und eine Einrichtung (6) zur Regelung der Zulufttemperatur des Zuluftvolumenstromes (ZU), welche den Durchfluss der Kreislaufflüssigkeit im Speicherkreislauf (9) durch den Wärmetauscher (1) und den Energiespeicher (9.1) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch, die Anordnung des ersten Wärmetauschers (2) als Verdampfer oder Verflüssiger der Wärmepumpe (3).
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch, die Anordnung des zweiten Wärmetauschers (4) als Verflüssiger oder Verdampfer der Wärmepumpe (3).
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 12, gekennzeichnet durch, einen weiteren Speicherkreislauf (12), der über einen weiteren Wärmetauscher (13) mit der Wärmepumpe (3) gekoppelt ist, einen in den weiteren Speicherkreislauf (12) eingekoppelten weiteren Energiespeicher (12.1) und eine Einrichtung (14) zur Regelung der Abgabe von Wärmeenergie an den Abluftvolumenstrom (AB), die den Durchfluss der Kreislaufflüssigkeit im weiteren Speicherkreislauf (12) durch den Wärmetauscher (13) und den weiteren Energiespeicher (12.1) steuert, bei einer variablen Volumenstromregelung im Zuluft- (ZU) oder/und Abluftvolumenstrom (AB).
Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Anordnung des Wärmetauschers (13) als Verdampfer oder Verflüssiger der Wärmepumpe (3).
Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (3) umschaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur adiabatischen Kühlung des Abluftvolumenstromes (AB) vor dem Eintritt in den Verflüssiger der Wärmepumpe (3) zur Verbesserung der Leistungsziffer im Fall der Kühlung des Zuluftvolumenstromes (ZU).
Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Nacherhitzung des aus dem Wärmetauscher (1) austretenden Zuluftvolumenstromes (ZU) zur Feuchteregelung des Zuluftvolumenstromes (ZU) mittels an einen im Zuluftvolumenstrom (ZU) angeordneten Wärmetauscher (7) zugeführter Wärmeenergie der Wärmepumpe (3), vorzugsweise aus dem Heißgas der Wärmepumpe (3).
Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für zusätzliche Heizung, wobei eine zusätzliche Heizanlage über einen separaten Wärmetauscher (16) in den Speicherkreislauf (9) eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Verwendung einer Einrichtung nach der Brennwerttechnik als zusätzliche Heizanlage.
Vorrichtung nach einem oder allen der Ansprüche 9 bis 19, gekennzeichnet durch die Zusammenfassung mehrerer Zu- und Ablüftungsgeräte zu einem einzigen Energierückgewinnungssystem, wobei nur eine Wärmepumpe (3) und nur ein Speicherkreislauf (9) mit einem Energiespeicher (9.1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder allen der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch die Zusammenfassung mehrerer Zu- und Ablüftungsgeräte zu einem einzigen Energierückgewinnungssystem, wobei nur eine Wärmepumpe (3) und nur ein Speicherkreislauf (12) mit einem Energiespeicher (12.1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder allen der Ansprüche 9 bis 21, gekennzeichnet durch, die Anordnung einer oder mehrerer von der Wärmepumpe (3) unabhängiger Übergabestellen oder -einrichtungen für den Transport von Wärmeenergie am Speicherkreislauf (9) und/oder am Energiespeicher (9.1) und/oder am Speicherkreislauf (12) und/oder am Energiespeicher (12.1).