DE19502372C2 - Verfahren zur ganzjährigen dezentralen Klimatisierung mit luftgekühlten Mono- bzw. Multi-Splitanlagen und Vorrichtung zu dessen Durchführung - Google Patents

Verfahren zur ganzjährigen dezentralen Klimatisierung mit luftgekühlten Mono- bzw. Multi-Splitanlagen und Vorrichtung zu dessen Durchführung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dezentralen Klimati­ sierung mit luftgekühlten Mono- oder Multi-Splitanlagen (mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1) und ei­ ne Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens (mit den Merkma­ len des Oberbegriffes des Patentanspruches 4).
Neben der konventionellen Klimatechnik mit Zentralgeräten ge­ winnt die dezentrale Raumklimatisierung mit Mono-Splitgeräten (Funktionsprinzip s. a. Fig. 1) seit etwa 15 Jahren und Multi- Splitgeräten seit etwa 10 Jahren zunehmend an Bedeutung. Typi­ sche Anwendungsbereiche sind der techn.-industrielle Bereich, wie Werkstatt- und Industriegebäude, EDV-Anlagen u. a., sowie der Komfortbereich, wie Instituts- und Bürogebäude, Kaufhäuser, Hotels, Arztpraxen, Einfamilienhäuser u. ä. Gebäude. Für beide Bereiche sind wesentliche Zielstellungen der optimale Prozeßab­ lauf und die "Thermische Behaglichkeit" sowie ein ganzheitlich gesundes Raumklima.
Die vorwiegend für eine Teilklimatisierung eingesetzten Geräte (Filterung, Kühlung und Entfeuchtung der Raumluft) werden durch einfache Funktionsumschaltung des Kältekreislaufes auch als Luft/Luft-Wärmepumpen für eine wirtschaftliche Raumheizung ge­ nutzt. Allerdings sind die herkömmlichen Luft/Luft-Wärmepumpen­ systeme, die als Wärmequelle die Außenluft nutzen, nur etwa bis zu einer Außentemperatur ±0°C (min. -5°C) in der Lage, die erforderliche Raumheizlast ohne Zusatzheizung abzudecken. Bei einer für den Winterbetrieb in Mitteleuropa häufig zugrundezu­ legenden Außentemperatur von -15°C bleibt daher ein Tempera­ turdefizit von 10-15 K, d. h. für bis zu 850 Heizstunden/a ist eine traditionelle Heizung bzw. ein anderes Heizsystem er­ forderlich. Damit verliert insbesondere das Multi-Splitsystem deutlich an techn.-technologischer Attraktivität und die Inve­ stitionsbereitschaft sinkt in erheblichem Umfang.
Aus DE-z.: TAB 4/92, S. 325 bis 330 ist eine Wohnungslüftungs­ anlage mit Wärmerückgewinnung und vorgeschaltetem Erdwärmeüber­ trager bekannt, die für ein Einfamilienhaus mit 154 m2 Wohnflä­ che eingesetzt wurde. Der Erdwärmeübertrager, der aus einem 42 m langem, erdverlegtem Rohr ( 125 mm) besteht, wird von max. 140 m3/h Außenluft durchströmt und ist mit den nachge­ schalteten Baugruppen, Plattenwärmeübertrager und Kleinwärme­ pumpe, fest verbunden. Ein weiteres, charakteristisches Merkmal dieser Erdwärmeübertragerapplikation ist darin zu sehen, daß die im Erdwärmeübertrager aufbereitete Außenluft direkt für die Raumheizung bereitgestellt wird. Mit dieser Klein-Anlage soll der gesamte Lüftungs- und ein Teil des Transmissionswärmebe­ darfs des Einfamilienhauses abgedeckt werden können.
In den Quellen [1] bis [8] sind weitere Applikationsbeispiele für Erdwärmeübertrager angegeben.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die ganz­ jährige Gebäudeklimatisierung mittels Mono- bzw. Multi-Splitan­ lagen anzugeben, sowie die Vorrichtung zu dessen Durchführung.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung weist die Merkmale des Patentanspruchs 4 auf. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den ab­ hängigen Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben. Charakteristi­ sche Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale sind hierbei
  • 1. daß der Erdwärmeübertrager mit der Außeneinheit der (Multi-) Splitanlage nicht fest verbunden sondern im Abstand angeord­ net ist und
  • 2. daß eine Systemtrennung, bezüglich der Energieübertragung zwischen Erdwärmeübertrager und zu klimatisierenden Raum, besteht.
Erfindungsgemäß ist somit ein dezentrales Splitklimasystem ge­ schaffen, das insbesondere im Winterbetrieb immer eine Luftein­ trittstemperatur am Wärmeübertrager der Außeneinheit (Wärmepum­ penbetrieb ∼ Verdampfer) von größer -5°C bereitstellt und da­ mit die ganzjährige Nutzung ohne Zusatzheizung gewährleistet. Durch eine temperaturabhängige Drehzahlregelung gemäß Fig. 3 wird der wirtschaftliche Betrieb abgesichert.
Für einen energiesparenden Sommer- wie Winterbetrieb wird immer die optimale Lufteintrittstemperatur am Wärmeübertrager der Au­ ßeneinheit entsprechend eingestellt und außerdem kann bei In­ neneinheiten mit Außenluftanschluß der Außenluftanteil im Som­ mer vorgekühlt bzw. im Winter vorgewärmt werden. Die vorlie­ gende Erfindung beseitigt den o. a. wesentlichen Mangel her­ kömmlicher luftgekühlter Split-Klimasysteme, die unvollständige Abdeckung der Jahresheizlast. Dadurch wird die ganzjährige, wirtschaftliche Nutzung derartiger Anlagen ermöglicht. Ein zu­ sätzliches Heizsystem wird nicht mehr benötigt, da der gesamte Lüftungs- und Transmissionswärmebedarf abgedeckt werden kann.
Darüber hinaus ergibt sich eine deutliche Energiekosten-Einspa­ rung gegenüber traditionellen raumlufttechnischen Anlagen und auch gegenüber erdgas- und ölbefeuerten Heizungen. Besonders vorteilhaft ist, daß das erfindungsgemäße Verfahren nebst Vor­ richtung für mittlere und große Luftvolumenströme (zum Beispiel ≧5000 m3/h) geeignet ist und für die Erfüllung der Patentan­ sprüche 1, 2 und 4 infolge indirekter Nutzung der Außenluft (Systemtrennung) auch schadstoffbeladene, energiereiche Abluft verwendet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Funktionsprinzip einer Split-Anlage (Stand der Technik)
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Anlage nach der Erfin­ dung
Fig. 3 Regelschema der Anlage nach Fig. 2
Die Fig. 1 zeigt das Schema einer Mono-Splitanlage. Diese ge­ splittete, luftgekühlte Kompressions-Kälteanlage mit Hermetic- Verdichter ist Stand der Technik und wird zur Raumkühlung oder -heizung (Luft/Luft-Wärmepumpe) eingesetzt. Außen- und Innen­ einheit (im Raum) sind über Kältemittelleitungen miteinander verbunden. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist in Fig. 1 durch Pfeile gekennzeichnet, () steht für Wärmepumpenbetrieb mittels Kältekreislauf-Umschaltung.
Die Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäß ausgeführten Anlage mit Schüttbett-Erdwärmeübertrager. Die Au­ ßenluft 17 gelangt über Ansaugkanal 10 ( 600 mm), Luftver­ teilkanal 4 und Betongitterplatten 3 in den Erdwärmeübertrager 1. Beim Durchströmen der Schotterschüttung 2 des Schüttbettes (ca. -Abmessungen bezogen auf 30 kW Vorwärme-/Vorkühlleistung und 10000 m3/h Außenluftvolumenstrom: 4... 6 m Durchströmlänge; 12 m Breite; 0,6 m Schüttbetthöhe; Schüttbettsohle in 1,5 m Tiefe) wird die Außenluft 17 vorge­ wärmt bzw. vorgekühlt, um anschließend über Luftsammelkanal 5, Verbindungkanal 11, Ventilator 14 und Ausblashaube 15 der Au­ ßeneinheit 16 der Split-Klimaanlage zugeführt zu werden. Luft­ verteilkanal 4 und Luftsammelkanal 5 verlaufen vom Luftein­ trittspunkt 6 bzw. Luftaustrittspunkt 7 ausgehend unter einem Winkel von 160°, um über den gesamten Strömungsquerschnitt des Erdwärmeübertragers 1 gleiche Strömungsverhältnisse zu erzie­ len. Die Anpassung dieser Bedingungen an andere örtliche Gege­ benheiten ist möglich. Das wasserdurchlässige Dränage-Flies 9 verhindert das Zusetzen des Schüttbettes und gewährleistet in Verbindung mit der Kies-Dränage 8 die zuverlässige Entwässerung des Systems.
Fig. 3 zeigt das Regelschema zu Fig. 2 (Pos. 1 bis 17 siehe Fig. 2). Winter-Heizbetrieb: Wenn der Außenlufttemperaturfühler 19 beispielsweise -5°C mißt und gleichzeitig ein Anforderungs­ signal 21 von der Außeneinheit 16 anliegt, wird der Ventilator 14 zugeschaltet und die Drehzahl mit dem Regler 18 über das stetige Signal 22 in Abhängigkeit der Luftleistung der Außen­ einheit 16 stufenlos geregelt. Winter-Ladebetrieb: Für den Fall, daß am Außenlufttemperaturfühler 19 deutlich höhere Werte als am Erdwärmeübertrager-Temperaturfühler 20 gemessen werden, schaltet der Regler 18 den Ventilator 14 auf Ladebetrieb. Für den Sommerbetrieb kann entsprechend verfahren werden.
Quellangaben
  • 1. [1] Axelsson, N.-A.:
    Patente zur Wärmespeicherung aus den Jahren 1897-1939, VVs. T. energi- och vvs-teknik, Stockholm, 51 (19980) 5/6, S. 43-46
  • 2. [2] Toshiba, K.K.:
    Horizontale Wärmespeicher mit Ausnutzung der Luft als Wärmeträger, Patent-Antrag Nr. 59-25 153, Japan
  • 3. [3] ...:
    System Sonneheizung mit phasenverschobenem Steinspeicher, Patent Nr. 2 529 999, Frankreich
  • 4. [4] Oleiko, B.J.:
    Dimensionierung von Kiesbettwärmespeichern, Sonnenenergie und Wärmepumpe, Bonn, 8(1983), S. 45-46
  • 5. [5] Schaffar, G.:
    Entwurf von Erdreichspeichern mit EDV, TAB, Hofern (Österreich), 12(1983), S. 969-975
  • 6. [6] Johnson, W.B.:
    Heating and cooling system using ground air, Patent Nr. 4 523 519, USA, 1983
  • 7. [7] Awerjanow, W.S. u. a.:
    Sistema solnetschnogo otoplenija sdanja, Patent Nr. 1 195 148, UDSSR, 1984
  • 8. [8] Besler, J.G.:
    Lüftungstechnische Anlagen in energiesparender Ausführung mit membranlosen Bodenwärme- und Stoffaustauschern, Luft- und Kältetechnik Dresden, 24(1988)2, S. 83-86

Claims (4)

1. Verfahren zur dezentralen Klimatisierung mit luftgekühlten Mono- oder Multi-Splitanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erdwärmeübertrager der Außeneinheit einer Mono- oder Multi-Splitanlage beigeordnet ist, wobei die im Erd­ wärmeübertrager aufbereitete Außenluft mittels eines Venti­ lators der im Abstand vom Luftaustritt (Ausblashaube) des Erdwärmeübertragers angeordneten Außeneinheit der Mono- oder Multi-Splitanlage zugeführt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatordrehzahl als Funktion der Temperatur der nicht aufbereiteten Außenluft und der Luftleistung der Au­ ßeneinheit stetig geregelt wird und so sowohl für einen energiesparenden Sommerkühlbetrieb als auch für den Winter­ betrieb optimale Lufteintrittstemperaturen am Wärmeübertra­ ger der Außeneinheit eingestellt werden.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Inneneinheiten mit Außenluftanschluß der Außen­ luftanteil im Sommer energiesparend vorgekühlt und im Win­ ter vorgewärmt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Paten­ ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. der Erdwärmeübertrager (1) einen Luftverteilkanal (4) und einen Luftsammelkanal (5) aufweist, die vom Lufteintrittspunkt (6) und vom Luftaustrittspunkt (7) ausgehend unter einem Winkel von etwa 160° verlaufen, um über den gesamten Strömungs­ querschnitt des Erdwärmeübertragers (1) gleiche Strömungsver­ hältnisse zu erzielen,
  • 2. Luftverteilkanal (4) und Luftsammelkanal (5) zur Schotterschüt­ tung (2) mittels Betongitterplatten (3) abgeschlossen sind,
  • 3. stromab vom Luftaustrittspunkt (7) des Erdwärmeübertragers (1) ein Ventilator (14) und daran anschließend eine Ausblashaube (15) vorgesehen sind und
  • 4. die Außeneinheit (16) der Mono- oder Multi-Splitanlage im Ab­ stand von dieser Ausblashaube (15) angeordnet ist.
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