-
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage zur Konditionierung mehrerer Fluide sowie eine nach diesem Verfahren betreibbare Klimaanlage beschrieben.
-
Zur Klimatisierung von Fahrzeugen oder Gebäuden werden verschiedene Fluide als Wärmeträger genutzt. Die Kühlung oder Erwärmung der Luft erfolgt entweder direkt durch den Wärmeübertrager vom Kältemittel an die Luft, oder insbesondere bei weit verzweigten Systemen oder „stillen” Systemen durch einen Wärmeübertrag vom Kältemittel an ein Kühlmittel/Wärmeträger-Fluid, meist Wasser.
-
In der
EP 1 472 106 B1 ist eine Klimaanlage für ein Fahrzeug beschrieben mit einem Koppelwärmetauscher für die Wärmeübertragung zwischen Motorkühlwasser und Kältemittel. Hierbei wird Wärme vom Motorkühlwasser an das Kältemittel übertragen und damit die Verdampferleistung für die Innenraumzuluftkonditionierung geregelt.
-
In
US 2006 123 824 A1 ist eine Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug gezeigt, bei der im Heizfall zunächst der Wasser-Wärmetauscher, dann der Innenluftwärmetauscher und dann der Außenluftwärmetauscher durchströmt wird. Der Wasser-Wärmetauscher und der Innenluftwärmetauscher sind über ein Drosselorgan getrennt, so dass sie auf unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus betrieben werden. Das Heizwasser erwärmt die Zuluft für den Innenraum, während das Kältemittel die Zuluft für den Innenraum kühlt und entfeuchtet.
-
In
US 7 231 776 B2 ist eine Fahrzeugklimaanlage beschrieben mit einem Koppelwärmetauscher zur Übertragung von Wärme zwischen Kältemittel und Motorkühlwasser. Der Fahrzeuginnenraum wird dabei vom Kältemittel gekühlt und vom Motorkühlwasser geheizt.
-
In
US 2001/0 020 529 A1 ist eine Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis beschrieben. Die Zuluft für den Fahrzeuginnenraum wird vom Kältemittel gekühlt und vom Motorkühlwasser geheizt.
-
In
US 7 182 129 B2 bzw.
EP 1 132 230 B1 ist eine Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis beschrieben. Das Fahrzeug wird nur über Motorkühlwasser beheizt.
-
In
US 6 640 889 B1 ist eine Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis beschrieben. Das Fahrzeug wird nur über Motorkühlwasser beheizt. Die Wasser-Kältemittel- und Luft-Kältemittel-Wärmetauscher sind parallel angeordnet und über ein 3-Wege-Ventil getrennt.
-
In
US 2005/0 039 878 A1 und
US 6 862 892 B1 ist eine Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis beschrieben. Das Fahrzeug wird nur über Motorkühlwasser beheizt. Die Wasser-Kältemittel- und Luft-Kältemittel-Wärmetauscher sind parallel angeordnet und über ein 3-Wege-Ventil getrennt.
-
In
US 2005/0 103 487 A1 ist eine Klima-Heiz-Anlage für ein Fahrzeug mit Motorkühlkreis beschrieben. Das Fahrzeug wird über das Kältemittel m Wärmepumpenbetrieb beheizt. Der Wasser-Kältemittel-Wärmetauscher dient als zusätzliche Wärmequelle zur Außenluft.
-
In der
US 6 574 977 B2 ist eine Wärmepumpe beschrieben mit zwei in Reihe geschalteten Hochdruckwärmetauschern, wobei der erste Hochdruckwärmetauscher Wärme an ein erstes Fluid (Wasser) abgibt, das wiederum die Innenraumzuluft erwärmt, und der zweite Hochdruckwärmetauscher Wärme an ein zweites Fluid abgibt (Innenraumzuluft) und das erste Fluid wärmer ist als das zweite. Es ist vorgesehen, den Hochdruck in Abhängigkeit einer Kältemitteltemperatur zwischen den beiden Hochdruckwärmetauschern zu regeln.
-
In der
US 2003/0 221 436 A1 ist eine von Kälteanlagenbetrieb auf Wärmepumpenbetrieb umschaltbare Klimaanlage für ein Gebäude beschrieben. Die Klimaanlage weist einen Arbeitsfluidkreislauf mit einem Verdichter, mindestens drei Wärmetauschern und einem Expansionsorgan auf. Diese Komponenten sind durch eine Druckleitung, in die Schalt- und Stellmittel geschaltet sind, verbunden. Die Wärmetauscher dienen zum Heizen oder Kühlen von Fluiden wie Wasser und Innenraumluft.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer als Kälteanlage und Wärmepumpe umschaltbaren Klimaanlage mit verbesserter Wirkungsweise sowie eine solche entsprechend betreibbare Klimaanlage anzugeben.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage, vorzugsweise Fahrzeugklimaanlage oder Gebäudeklimaanlage unter Konditionierung von mehreren Fluiden, gelöst, wobei die Umschaltung zwischen einer Betriebsart als Kälteanlage und einer Betriebsart als Wärmepumpe vorgesehen ist und wobei die Klimaanlage mindestens einen Verdichter, mindestens drei Wärmetauscher und mindestens eine Expansionseinrichtung aufweist, wobei diese Komponenten durch eine Druckleitung, in die Schaltmittel und/oder Stellmittel geschaltet sind, verbunden sind und einen Fluidkreislauf eines Arbeitsfluids bilden. Hierbei ist vorgesehen, dass mindestens zwei der Fluide konditioniert, das heißt gekühlt und/oder geheizt werden und das weitere Fluid als Wärmesenke und/oder Wärmequelle dient,
dass das Arbeitsfluid die Wärmetauscher zum Wärmetausch mit den zu konditionierenden Fluiden in Reihe so durchfließt, dass sowohl in der Betriebsart als Wärmepumpe als auch in der Betriebsart als Kälteanlage der Wärmetauscher des zu konditionierenden ersten Fluids, welches in einem eigenen Fluidkreislauf strömt von dem Wärmetauscher des zweiten zu konditionierenden Fluids oder vor den Wärmetauschern der anderen zu konditionierenden Fluide durchströmt wird.
-
Hierbei ist vorgesehen,
- a) dass die Überhitzung des Arbeitsfluids im Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs geregelt und/oder gesteuert wird und/oder
- b) dass der Hochdruck im Hochdruckbereich vor dem Expansionsventil geregelt und/oder gesteuert wird und/oder
- c) dass der Differenzdruck zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich geregelt und/oder gesteuert wird.
-
Die Aufgabe wird weiter mit einer umschaltbaren Kälteanlage-Wärmepumpenanlage, vorzugsweise als Fahrzeugklimaanlage oder Gebäudeklimaanlage ausgebildet, zur Konditionierung, das heißt Kühlung und/oder Heizung mehrerer Fluide, gelöst, mit mindestens einem Verdichter, mindestens drei Wärmetauschern und mindestens einer Expansionseinrichtung, wobei diese Komponenten durch eine Druckleitung, in die Schaltmittel und/oder Stellmittel geschaltet sind, verbunden sind und einen ersten Fluidkreislauf eines Arbeitsfluids bilden,
wobei vorgesehen ist,
- a) dass ein erster Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen dem Arbeitsfluid und einem zu konditionierenden ersten Fluid vorgesehen ist, wobei das erste Fluid in einem eigenen Fluidkreislauf strömt,
- b) dass mindestens ein zweiter Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen dem Arbeitsfluid und einem zu konditionierenden zweiten Fluid oder mehreren anderen zu konditionierenden Fluiden vorgesehen ist,
- c) dass mindestens ein weiterer Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen dem Arbeitsfluid und einem weiteren Fluid vorgesehen ist,
- d) dass die Reihenfolge der Durchströmung der Wärmetauscher mit dem Arbeitsfluid in Abhängigkeit von der Betriebsart als Kälteanlage oder als Wärmepumpe durch die Schaltmittel und/oder Stellmittel bestimmt ist, wobei der Wärmetauscher des zu konditionierenden ersten Fluids stromaufwärts von den übrigen Wärmetauschern der anderen zu konditionierenden Fluide angeordnet ist, und
- e) wobei vorgesehen ist,
- e1) dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung die Überhitzung im Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs steuert und/oder regelt, indem die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit der Expansionseinrichtung verbunden ist; und/oder
- e2) dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung den Druck im Hochdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs steuert und/oder regelt, indem die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit der Expansionseinrichtung verbunden ist; und/oder
- e3) dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung den Differenzdruck zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs steuert und/oder regelt, indem die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit der Expansionsorganeinrichtung verbunden ist.
-
Die erfindungsgemäße Klimaanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie so betreibbar ist, dass mindestens zwei der Fluide konditioniert, das heißt gekühlt und/oder geheizt werden, und dass mindestens ein weiterer Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen einem weiteren Fluid und dem Arbeitsfluid vorgesehen ist. Dieses weitere Fluid kann als Wärmesenke und/oder Wärmequelle dienen. Die Begriffe Wärmesenke und Wärmequelle drücken aus, dass die Temperatur des weiteren Fluids keine Zielgröße ist. Wegen des großen Volumens des weiteren Fluids erfolgt praktisch keine Temperaturerhöhung dieses Fluids.
-
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Klimaanlage kann durch die Festlegung der Reihenfolge der Durchströmung der Wärmetauscher mit dem Arbeitsfluid in Abhängigkeit von der Betriebsart so eingestellt werden, dass die Betriebsführung optimal an den Betriebsfall, d. h. an Kühlbetrieb oder Heizbetrieb, angepasst werden kann. Die Klimaanlage ermöglicht dabei im Wärmepumpenbetrieb eine energiesparende Beheizung eines Fahrzeuginnenraums oder Gebäudes.
-
Die Anpassung ist besonders einfach durch die vorgesehenen Schaltmittel und/oder Stellmittel möglich, so dass keine Änderungen vorgenommen werden müssen, die einen Montageaufwand erfordern, wie beispielsweise das Umstecken von Verbindungsleitungen.
-
Die erfindungsgemäße Klimaanlage zeichnet sich weiter dadurch aus, dass die räumliche Anordnung der Wärmetauscher unabhängig von der funktionellen Reihenfolge der Wärmetauscher im Arbeitsfluidkreislauf möglich ist, so dass eine klimatechnisch optimale Anordnung im Fahrzeug oder Gebäude möglich ist. Es ist so möglich, beispielsweise bei einer Fahrzeugklimaanlage das erste Fluid durch Wärmetauscher zu leiten, die im Fußraum des Fahrzeugs an den Fahrzeugwänden und/oder unter den Sitzen angeordnet sein können und die von der Innenraumluft des Fahrzeugs umströmt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Klimaanlage auch mit Vorteil in Verbindung mit einer Wasserzentralheizung von Gebäuden eingesetzt werden, z. B. auch in Verbindung mit einer Fußbodenheizung.
-
Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage sind sämtliche Wärmetauscher mit Ausnahme der vorgenannten Wärmetauscher im Arbeitsfluidkreislauf vom Arbeitsfluid durchflossen, so dass die in herkömmlichen Fahrzeugklimaanlagen üblichen als Wasser-Wärmetauscher ausgebildeten Heizer für die Zuluft entfallen können.
-
Es kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem zu konditionierenden ersten Fluid um Wasser handelt.
-
Es ist aber auch möglich, dass es sich bei dem zu konditionierenden ersten Fluid um ein Gemisch aus Wasser und Glykol handelt. „Glykol” steht hierbei für Glykol oder ein anderes beliebiges Frostschutzmittel, das dem Wasser zur Erniedrigung des Gefrierpunktes beigemischt ist.
-
Weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem zu konditionierenden zweiten Fluid um Luft, insbesondere um Innenluft oder um Zuluft für den Innenraum eines Fahrzeugs oder Gebäudes handelt.
-
Bei dem weiteren Fluid kann es sich um Außenluft handeln.
-
Weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Arbeitsfluid um Kohlenstoffdioxid handelt.
-
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind auf die Anordnung der Wärmetauscher im Arbeitsfluidkreislauf gerichtet.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher stromabwärts unmittelbar hinter dem Verdichter angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher im Heizbetrieb zum Heizen des ersten Fluids durchströmt wird. Im Kühlbetrieb kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher zum Heizen des ersten Fluids durchströmt wird oder eine Durchströmung des ersten Wärmetauschers durch das erste Fluid nicht erfolgt.
-
Weiter kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher stromaufwärts vor dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher im Kühlbetrieb durch Schaltmittel vom Arbeitsfluid-Kreislauf getrennt ist. Im Heizbetrieb kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher zum Heizen des ersten Fluids von dem Arbeitsfluid durchströmt wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher stromaufwärts unmittelbar vor dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist, und dass der erste Wärmetauscher im Kühlbetrieb auch zum Kühlen des ersten Fluids von verdampfendem Arbeitsfluid durchströmt wird. Im Heizbetrieb kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher zum Heizen des ersten Fluids vom Arbeitsfluid durchströmt wird.
-
Weiter ist es möglich, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid an einer von dem zweiten Wärmeübertrager entfernten Stelle stattfindet, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das erste Fluid Konvektoren durchströmt, die im Innenraum eines Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnet sind. Die Konvektoren können beispielsweise im Fußbereich des Fahrzeuginnenraums angeordnet sein, wobei der zweite Wärmeübertrager als Gebläseeinheit im Kopfbereich der Fahrgäste angeordnet sein kann.
-
Wie weiter oben ausgeführt, kann die Expansionseinrichtung in dem Arbeitsfluidkreislauf so geschaltet sein, dass es die Überhitzung des Arbeitsfluids im Niederdruckteil des Fluidkreislaufs regelt. Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage kann also auf eine Druckregelung im Hochdruckbereich verzichtet werden. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Expansionseinrichtung die Überhitzung des Arbeitsfluids an einer Stelle zwischen Verdampferausgang und Verdichtereingang misst und/oder regelt. Es kann aber auch zusätzlich oder an Stelle der Überhitzungsregelung der Hochdruck vor der Expansionseinrichtung und/oder der Differenzdruck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck geregelt und/oder gesteuert werden.
-
Apparativ kann vorgesehen sein, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung für die Überhitzung im Niederdruckbereich des Arbeitsfluidskreislauf und/oder für den Druck im Hochdruckbereich des Arbeitsfluidskreislaufs und/oder für den Differenzdruck zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs eine Messfühlereinrichtung und/oder eine Sollwert-Einstelleinrichtung für diese betreffenden Parameter aufweist. Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit der Expansionseinrichtung eine Baueinheit bildet.
-
Zur Steuerung und/oder Regelung der Überhitzung kann vorgesehen sein, dass die die Überhitzung im Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs messende Messfühlereinrichtung zwischen Verdampferausgang und Verdichtereingang vorzugsweise unmittelbar vor dem Eingang des Verdichters angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Überhitzung im Niederdruckbereich durch ein thermostatisches Expansionsventil geregelt wird. Zur Steuerung und/oder Regelung des Drucks im Hochdruckbereich kann vorgesehen sein, dass die den Druck im Hochdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs messende Messfühlereinrichtung vorzugsweise unmittelbar vor dem Eingang der Expansionseinrichtung angeordnet ist. Zur Regelung des Hochdrucks kann vorgesehen sein, dass der Hochdruck in Abhängigkeit einer Temperatur eines der Fluide geregelt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Hochdruck in Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsfluids geregelt wird, wobei die Temperatur des Arbeitsfluids an einer Stelle zwischen dem Eingang des internen Wärmetauschers (14) und dem Eingang des Expansionsorgans (15) gemessen wird. Zur Steuerung und/oder Regelung der Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Arbeitsfluidkreislaufs kann vorgesehen sein, dass die die Druckdifferenz messende Messfühlereinrichtung so angeordnet ist, dass sie den Druck des in die Expanisonseinrichtung eintretenden und dem Druck des aus der Expansionseinrichtung austretenden Arbeitsfluids misst.
-
Weiter kann ein interner Wärmetauscher vorgesehen sein, der vorzugsweise als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist, der von dem Arbeitsfluid durchströmt wird.
-
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
-
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klimaanlage;
-
2 ein Blockschaltbild der Klimaanlage in 1 im Kühlbetrieb;
-
3 ein Blockschaltbild der Klimaanlage in 1 im Heizbetrieb;
-
4 ein Blockschaltbild einer nicht erfindungsgemäßen Klimaanlage;
-
5 ein Blockschaltbild der Klimaanlage in 4 im Kühlbetrieb;
-
6 ein Blockschaltbild der Klimaanlage in 4 im Heizbetrieb;
-
7 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Klimaanlage;
-
8 ein Blockschaltbild der Klimaanlage in 7 im Kühlbetrieb;
-
9 ein Blockschaltbild der Klimaanlage in 7 im Heizbetrieb.
-
1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Klimaanlage 1, die einen Verdichter 10, einen Wasser-Wärmetauscher 11, einen äußeren Wärmetauscher 12, einen inneren Wärmetauscher 13, einen internen Wärmetauscher 14, ein Expansionsventil 15, Dreiwegeventile 16a und 16b sowie vorzugsweise als Rückschlagventile ausgebildete Ventile 17a bis 17d aufweist. In der Klimaanlage 1 zirkuliert ein Arbeitsfluid, bei dem es sich in dem konkreten Ausführungsbeispiel um Kohlenstoffdioxid handelt.
-
Der Wasser-Wärmetauscher 11 ist als Arbeitsfluid-Wasser-Hochduckwärmetauscher ausgebildet, im Weiteren als Wasser-Wärmetauscher bezeichnet. Der Wasser-Wärmetauscher 11 weist einen Arbeitsfluid-Eingang und einen Arbeitsfluid-Ausgang, im Weiteren als Eingang und Ausgang bezeichnet, sowie einen Wasser-Eingang und einen Wasser-Ausgang auf.
-
Bei dem äußeren Wärmetauscher 12 und dem inneren Wärmetauscher 13 handelt es sich um Arbeitsfluid-Luft-Wärmetauscher. Die Wärmetauscher 12 und 13 weisen jeweils einen Arbeitsfluid-Eingang und einen Arbeitsfluid-Ausgang auf, im Weiteren als Eingang und Ausgang bezeichnet.
-
Der interne Wärmetauscher 14 ist als ein Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet, durch den das Arbeitsfluid im Gegenstrom fließt. Der Wärmeaustauscher weist folglich einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen ersten und einen zweiten Ausgang auf. Dabei ist der zweite Eingang stromabwärts hinter dem ersten Eingang angeordnet.
-
Der Ausgang des Verdichters 10 ist mit dem Eingang des Wasser-Wärmetauschers 11 verbunden, in dem das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid bei hohem Temperaturniveau Wärme an das Wasser abgibt.
-
Der Ausgang des Wasser-Wärmetauschers 11 ist mit dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbunden, in dem das Arbeitsfluid im Wärmeaustausch mit der Außenluft steht, die als Wärmequelle oder Wärmesenke dient. Der Wärmetauscher 12 kann bei Ausführungen der Klimaanlage als Fahrzeugklimaanlage vorteilhafterweise auf dem Fahrzeugdach angeordnet sein. In die Verbindungsleitung zwischen dem Wasser-Wärmetauscher 11 und dem äußeren Wärmetauscher 12 ist ein Dreiwegeventil 16a eingeschaltet, dessen dritter Anschluss über eine Druckleitung mit dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 verbunden ist.
-
Der Ausgang des äußeren Wärmetauschers 12 ist zum einen über ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 17a mit dem ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 verbunden und zum anderen über ein weiteres Dreiwegeventil 16b mit dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 verbindbar. Weiter ist der Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 über ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 17b mit dem ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 verbunden und über das Dreiwegeventil 16b mit dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 verbunden. Der erste Ausgang des internen Wärmetauschers 14 ist mit dem Eingang des Expansionsventils 15 verbunden. Der zweite Ausgang des internen Wärmetauschers 14 ist mit dem Eingang des Verdichters 10 verbunden.
-
Der Ausgang des Expansionsventils 15 ist zum einen über ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 17c mit dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbunden und zum anderen über ein vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 17d mit dem Eingang des ersten inneren Wärmetauschers 13.
-
Durch Einstellen der Dreiwegeventile 16a und 16b sowie der vorzugsweise als Rückschlagventile ausgebildeten Ventile 17a bis 17d ist es möglich, die Klimaanlage sowohl im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb zu betreiben.
-
Der Wasserkreislauf des Wasser-Wärmetauschers 11 ist weiter mit mindestens einem Konvektor 18 verbunden, wobei das Wasser durch eine Umwälzpumpe 19 gefördert werden kann. Der Konvektor 18 kann an geeigneter Stelle im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnet sein und dient der besseren Wärmeverteilung im Heizbetrieb.
-
Die 2 zeigt die Klimaanlage 1 im Kühlbetrieb. Zum besseren Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
-
Im Kühlbetrieb fließt das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid vom Verdichter 10 in den Wasser-Wärmetauscher 11 und gibt bei hohem Temperaturniveau Wärme an das Wasser ab. Der Wärmeaustausch mit dem Wasser-Wärmetauscher 11 kann über den mit der Umwälzpumpe 19 einstellbaren Wasserdurchfluss geregelt werden oder auf Null zurückgenommen werden, wenn im Kühlbetrieb keine (Wasser-)Heizung an anderer Stelle benötigt wird.
-
Das Dreiwegeventil 16a ist so eingestellt, dass eine Verbindung zwischen dem Ausgang des Wasser-Wärmetauschers 11 und dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 hergestellt ist. Die Verbindung zum Eingang des inneren Wärmetauschers 13 ist unterbrochen. Folglich fließt das Arbeitsfluid über den äußeren Wärmetauscher 12 und wird dabei abgekühlt und ggf. verflüssigt. Es fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17a zum ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und sodann zum Expansionsventil 15, in dem es entspannt wird. Bei dem Expansionsventil 15 kann es sich um ein thermostatisches Expansionsventil handeln, dessen Messfühler 15f vor dem Eingang des Verdichters 10 angeordnet ist und dort die Überhitzungstemperatur misst. Es kann auch ein Expansionsventil eingesetzt werden, das den Hochdruck vor dem Expansionsventil regelt. Der Hochdruck kann entweder als fixer Wert einstellbar sein oder in Abhängigkeit einer Temperatur eines der Fluide erfolgen. Vorzugsweise wird zur Ermittlung eines optimalen Hochdrucks die Temperatur des Arbeitsfluids im Bereich zwischen dem ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und dem Eingang des Expansionsventils 15 gemessen. Es ist auch eine Kombination von Hochdruckregelung und Überhitzungsregelung möglich. Diese ist insbesondere bei mehrstufigen Anlagen (z. B. mit Mitteldruckbehälter) vorteilhaft. Es kann auch ein Expansionsventil vorgesehen sein, das die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruck, vorzugsweise die Druckdifferenz zwischen Eintritt und Austritt des Expansionsventils 15 regelt.
-
Das entspannte Arbeitsfluid fließt über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d durch den inneren Wärmetauscher 13. Im inneren Wärmetauscher 13 nimmt das Arbeitsfluid bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der zu kühlenden Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf und verdampft dabei. Das Arbeitsfluid strömt nun weiter über das Dreiwegeventil 16b zum zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14. Es wird im internen Wärmetauscher 14 ggf. weiter überhitzt, bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
-
3 zeigt die Klimaanlage 1 im Heizbetrieb. Zum besseren Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
-
Das hinter dem Wasser-Wärmetauscher 11 angeordnete Dreiwegeventil 16a ist nun so eingestellt, dass die direkte Verbindung zwischen dem Wasser-Wärmetauscher 11 und dem äußeren Wärmetauscher 12 unterbrochen ist. Das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid gibt zunächst einen Teil seiner Wärme an das im Wasser-Wärmetauscher 11 strömende Wasser ab, das wie weiter oben in 1 beschrieben, über die Umwälzpumpe 19 durch den im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordneten mindestens einen Wärmetauscher 18 gepumpt wird und dabei Wärme an die Innenluft des Fahrzeugs oder Gebäudes abgibt. Das abgekühlte Wasser fließt in den Wasser-Wärmetauscher 11 zurück.
-
Sodann fließt das in dem Wasser-Wärmetauscher 11 abgekühlte Arbeitsfluid durch das entsprechend eingestellte Dreiwegeventil 16a durch den inneren Wärmetauscher 13 und gibt dort die Restwärme an die Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes ab, die dadurch erwärmt wird. Das abgekühlte und ggf. verflüssigte Arbeitsfluid fließt weiter über den ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14, über das Expansionsventil 15 und über das Rückschlagventil 17c zum äußeren Wärmetauscher 12.
-
Dazu ist das Dreiwegeventil 16b so eingestellt, dass es die Verbindung zwischen dem Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 und dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 trennt. Weiter ist das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnete vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d völlig geschlossen und das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 angeordnete vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c geöffnet.
-
Das Arbeitsfluid nimmt nun im äußeren Wärmetauscher 12 bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der Außenluft auf. Es verdampft, fließt über das Dreiwegeventil 16b zum zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und wird im internen Wärmetauscher 14 weiter überhitzt, bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
-
Die Klimaanlage 1 arbeitet also im Heizbetrieb als eine Wärmepumpe, welche die in der Außenluft auf einem niedrigen Temperaturniveau gespeicherte Wärme nutzt und damit die Innenluft des Fahrzeugs oder Gebäudes auf ein höheres Temperaturniveau bringt, wobei der Innenraum sowohl über den inneren Wärmetauscher 13 als auch durch den bzw. die Wärmetauscher 18 beheizt wird.
-
Die 4 bis 6 zeigen zum besseren Verständnis der Erfindung eine nicht erfindungsgemäße Klimaanlage.
-
4 zeigt die nicht erfindungsgemäße Klimaanlage 2, die sich von der in 1 weiter oben beschriebenen Klimaanlage 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Wasser-Wärmetauscher 11 über Magnetventile 20a und 20b abschaltbar ist.
-
Der Ausgang des Verdichters 10 ist nun außer mit dem Eingang des Wasser-Wärmetauschers 11 auch über das Magnetventil 20a mit dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbindbar. Der Ausgang des Wasser-Wärmetauschers 11 ist nun nicht mehr mit dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbunden, sondern ist über das Magnetventil 20b mit dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 verbindbar. Das Magnetventil 20b kann alternativ auch am Eingang des Wasser-Wärmetauschers 11 angeordnet sein, oder die Magnetventile 20a und 20b können durch ein Dreiwegeventil ersetzt sein.
-
5 zeigt die nicht erfindungsgemäße Klimaanlage 2 im Kühlbetrieb. Zum besseren Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
-
Das Magnetventil 20a ist geöffnet, so dass das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid vom Verdichter 10 über den äußeren Wärmetauscher 12 fließt und dabei abgekühlt und ggf. verflüssigt wird. Es fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17a zum ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und weiter zum Expansionsventil 15, in dem es entspannt wird.
-
Das entspannte Arbeitsfluid fließt über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d nun durch den inneren Wärmetauscher 13. Im inneren Wärmetauscher 13 nimmt das Arbeitsfluid bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der zu kühlenden Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf und verdampft. Die Verdampfung kann, muss aber nicht vollständig sein. Das Arbeitsfluid strömt nun weiter zum zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14. Es wird im internen Wärmetauscher 14 ggf. weiter überhitzt, bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
-
6 zeigt die nicht erfindungsgemäße Klimaanlage 2 im Heizbetrieb. Zum besseren Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
-
Das Magnetventil 20a am Ausgang des Verdichters 10 ist nun geschlossen und das Magnetventil 20b am Ausgang des Wasser-Wärmetauschers 11 geöffnet. Folglich gelangt das aus dem Verdichter 10 strömende verdichtete und erhitzte Arbeitsfluid in den Wasser-Wärmetauscher 11 und gibt zunächst einen Teil seiner Wärme an das im Wasser-Wärmetauscher 11 strömende Wasser ab, das wie weiter oben in 1 beschrieben, über die Umwälzpumpe 19 durch den im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordneten mindestens einen Wärmetauscher 18 gepumpt wird und dabei Wärme abgibt. Das abgekühlte Wasser fließt in den Wasser-Wärmetauscher 11 zurück.
-
Sodann fließt das in dem Wasser-Wärmetauscher 11 abgekühlte Arbeitsfluid durch den inneren Wärmetauscher 13 und gibt die Restwärme an die zu heizende Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes ab. Das abgekühlte und ggf. verflüssigte Arbeitsfluid fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17b zum ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und weiter über das Expansionsventil 15 und das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c zum äußeren Wärmetauscher 12.
-
Dazu ist das Dreiwegeventil 16b so eingestellt, dass es die Verbindung zwischen dem Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 und dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 trennt. Weiter ist das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnete vorzugsweise als Rückschlagsventil ausgebildete Ventil 17d völlig geschlossen und das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 angeordnete vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c geöffnet.
-
Das Arbeitsfluid nimmt nun im äußeren Wärmetauscher 12 bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der Außenluft auf. Es verdampft hier und wird im internen Wärmetauscher 14 weiter überhitzt, bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
-
Die Klimaanlage 2 arbeitet also im Heizbetrieb als eine Wärmepumpe, welche die in der Außenluft auf einem niedrigen Temperaturniveau gespeicherte Wärme nutzt und damit die Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Die Klimaanlage 2 arbeitet im Heizbetrieb besonders effektiv, weil im Wasser-Wärmetauscher 11 als Fluid Wasser vorgesehen ist, das dort auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur gebracht wird, so dass mit dem erwärmten Wasser zusätzlich zu dem ersten inneren Wärmetauscher 13 ein oder mehrere im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnete Wärmetauscher 18 betrieben werden können.
-
Die 7 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klimaanlage.
-
7 zeigt eine Klimaanlage 3, die sich von der in 4 weiter oben beschriebenen Klimaanlage 2 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Wasser-Wärmetauscher 11 unmittelbar vor dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnet ist. So kann der Wärmeaustausch mit dem Wasser sowohl im Heizbetrieb (siehe 9) als auch im Kühlbetrieb (siehe 8) mit der höchsten Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsfluid und dem Wasser erfolgen. Der Ausgang des Verdichters 10 ist über das Magnetventil 20a mit dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 verbindbar und über das Magnetventil 20b mit dem Eingang des Wasser-Wärmetauschers 11 verbindbar.
-
8 zeigt die Klimaanlage 3 im Kühlbetrieb. Zum besseren Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
-
Das Magnetventil 20a ist geöffnet, so dass das verdichtete und dabei erhitzte Arbeitsfluid vom Verdichter 10 über den äußeren Wärmetauscher 12 fließt und dabei abgekühlt und ggf. verflüssigt wird. Es fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17a zum ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und weiter zum Expansionsventil 15, in dem es entspannt wird. Das Magnetventil 20b ist geschlossen.
-
Das entspannte Arbeitsfluid fließt nun über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d über den Wasserwärmetauscher 11 und sodann durch den inneren Wärmetauscher 13. Der Wasserkreislauf im Wasser-Wärmetauscher 11 kann abgestellt, das heißt die Pumpe 19 abgeschaltet sein. Falls dies nicht der Fall ist, nimmt das Arbeitsfluid bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur bereits im Wasser-Wärmetauscher 11 von dem Wasserkreislauf Wärme auf und kühlt das Wasser und über die Wärmetauscher 18 den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes ab. In dem inneren Wärmetauscher 13 nimmt das Arbeitsfluid dann weiterhin bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der zu kühlenden Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes auf und verdampft. Das Arbeitsfluid strömt nun weiter über das Dreiwegeventil 16b zum zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14. Es wird im internen Wärmetauscher 14 ggf. weiter überhitzt, bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
-
9 zeigt die Klimaanlage 3 im Heizbetrieb. Zum besseren Verständnis sind die nicht genutzten Ventile sowie die gesperrten Ventilpfade schwarz hinterlegt.
-
Das Magnetventil 20a ist nun geschlossen und das Magnetventil 20b ist geöffnet. Folglich gelangt das aus dem Verdichter 10 strömende verdichtete und erhitzte Arbeitsfluid über das geöffnete Magnetventil 20b in den Wasser-Wärmetauscher 11 und gibt zunächst einen Teil seiner Wärme an das im Wasser-Wärmetauscher 11 strömende Wasser ab, das wie weiter oben in 1 beschrieben, über die Umwälzpumpe 19 durch den im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordneten mindestens einen Wärmetauscher 18 gepumpt wird und dabei Wärme an die Innenluft des Fahrzeugs oder Gebäudes abgibt. Das abgekühlte Wasser fließt in den Wasser-Wärmetauscher 11 zurück.
-
Sodann fließt das in dem Wasser-Wärmetauscher 11 abgekühlte Arbeitsfluid durch den inneren Wärmetauscher 13 und gibt die Restwärme an die zu heizende Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes ab. Das abgekühlte und ggf. verflüssigte Arbeitsfluid fließt weiter über das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17b, über den ersten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und über das Expansionsventil 15 zum äußeren Wärmetauscher 12.
-
Dazu ist das Dreiwegeventil 16b so eingestellt, dass es die Verbindung zwischen dem Ausgang des inneren Wärmetauschers 13 und dem zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 trennt. Weiter ist das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und dem Eingang des inneren Wärmetauschers 13 angeordnete vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17d völlig geschlossen und das zwischen dem Ausgang des Expansionsventils 15 und dem Eingang des äußeren Wärmetauschers 12 angeordnete vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil 17c geöffnet.
-
Das Arbeitsfluid nimmt nun im äußeren Wärmetauscher 12 bei reduziertem Druck und niedriger Temperatur Wärme von der Außenluft auf. Es verdampft hier und fließt über das Dreiwegeventil 16b zum zweiten Eingang des internen Wärmetauschers 14 und wird hier weiter überhitzt, bevor es wieder vom Verdichter 10 angesaugt wird.
-
Die Klimaanlage 3 arbeitet also im Heizbetrieb als eine Wärmepumpe, welche die in der auf einem niedrigen Temperaturniveau gespeicherte Wärme nutzt und damit die Innenluft des Fahrzeugs oder Gebäudes auf ein höheres Temperaturniveau bringt. Die Klimaanlage 3 arbeitet im Heizbetrieb besonders effektiv, weil im Wasser-Wärmetauscher 11 als Fluid Wasser vorgesehen ist, das dort auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur gebracht wird, so dass mit dem erwärmten Wasser zusätzlich zu dem ersten inneren Wärmetauscher 13 ein oder mehrere im Innenraum des Fahrzeugs oder Gebäudes angeordnete Wärmetauscher 18 betrieben werden können. Dieselben und/oder andere Wärmetauscher 18 können im Kühlbetrieb zur Abkühlung des Innenraums beitragen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 2, 3
- Klimaanlage
- 10
- Verdichter
- 11
- Wasser-Wärmetauscher
- 12
- äußerer Wärmetauscher
- 13
- innerer Wärmetauscher
- 14
- interner Wärmetauscher
- 15
- Expansionsventil
- 16a, 16b
- Dreiwegeventil
- 17a bis 17d
- Ventil, vorzugsweise Rückschlagventil
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Umwälzpumpe
- 20a, 20b
- Magnetventil
