DE19836876A1

DE19836876A1 - Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät

Info

Publication number: DE19836876A1
Application number: DE1998136876
Authority: DE
Inventors: Uwe Franzke; Manfred Stangl; Klaus Weinhold
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1998-08-14
Publication date: 2000-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein frei aufstellbares dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät, das zur gleichzeitigen Kaltwasserbereitung und -bereitstellung für die Abführung von thermischen Lasten, z. B. durch Kühldecken oder Konvektoren geeignet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden zwischen Außenluftvolumenstrom und Zuluftvolumenstrom in Strömungsrichtung ein Sorptionsrotor, ein rotierender Regenerativwärmeübertrager und ein im Kaltwasser beaufschlagter Wärmeübertrager, der mit dem Verdampfer eines Kältekreislaufes verbunden ist, angeordnet. In entgegengesetzter Strömungsrichtung ist vor dem Sorptionsrotor ein Teilkondensator und nach dem Sorptionsrotor ein weiterer Teilkondensator des Kältekreislaufes angeordnet. Wahlweise wird über eine Abzweigung der Kaltwasserkreislauf mit einer Kühldecke oder Konvektoren verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein frei aufstellbares dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditionier gerät, das zur gleichzeitigen Kaltwasserbereitung und -bereitstellung für die Abführung von thermischen Lasten, z. B. durch Kühldecken oder Konvektoren geeignet ist.

Die Anwendung von Kühldecken hat sich speziell im Bürobereich stark entwickelt. Der Vor teil besteht bei deren Nutzung darin, daß zum einen Zugerscheinungen aufgrund zu großer umgewälzten Luftmengen vermieden werden und zum anderen der aufzubereitende Außen luftvolumenstrom auf das hygienisch notwendige Maß reduziert werden kann. Bisher ge langten dafür überwiegend zentrale Lösungen zur Anwendung, die in der Regel in Form einer gemeinsamen Kaltwassererzeugung für Kühlung und Entfeuchtung ausgeführt sind; auch um die Abfuhr der Kondensationswärme über einen Kühlturm sicherstellen zu können.

Bekannt sind Lösungen, die zur Raumklimatisierung Kombinationen von sorptiver Entfeuch tung, regenerativer Wärmerückgewinnung und adiabater Befeuchtung in unterschiedlicher Form vorsehen. Eine gleichzeitige Kaltwassererzeugung zum Betreiben von Kühldecken oder Konvektoren unter Nutzung vorstehend genannter Luftbehandlungsprozesse wurde bisher aufgrund der großen abzuführenden Kondensatorleistungen nicht realisiert.

So werden z. B. in der DE 31 00 915 A1 und der DE 42 26 164 C2 Lösungen vorgeschla gen, die geeignet sind, Raumluft zu konditionieren, aber nur unter Verwendung von großen Luftvolumenströmen, um die Kühllasten abzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein energiesparendes System zu schaffen, das die Kaltwas sererzeugung in einer Kälte-Wärme-Kopplung mit der hygienisch erforderlichen Außen luftaufbereitung verknüpft und durch die Integration der Zu- und Abluft eine in sich ge schlossene Versorgungseinheit für den Raum bildet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, indem in einem Gerät ein Sorptions- und ein Wärmerotor angeordnet sind und eine Kopplung mit einer als Wär mepumpe ausgeführten Kälteanlage erfolgt. Der Kondensator ist erfindungsgemäß in der Abluftstrecke angeordnet. Der Verdampfer wird als Plattenwärmeübertrager ausgeführt und mit Wasser beaufschlagt. In dem Wasserkreislauf sind über entsprechende Regelmöglich keiten eine Kaltwasserverteilung zur angeschlossenen Kühldecke und zum im Zuluftstrom befindlichen Nachkühler vorgesehen.

Da aufgrund der großen erforderlichen Kälteleistung für die Kühldecke und den luftseitigen Nachkühler auch die abzuführende Kondensatorleistung bezüglich des Fortluftvolumen stroms unverhältnismäßig groß ist, wird erfindungsgemäß ein geteilter Kondensator ver wendet. Dabei wird in Strömungsrichtung der Luft erst der zweite Teilkondensator (mit Un terkühlungsstrecke) von der Abluft durchströmt. Die erhitzte Abluft wird zum Regenerieren des Sorptionsrotors nachfolgend verwendet, nimmt dabei Feuchtigkeit aus dem Rotor auf und kühlt sich dabei ab. Im nachfolgenden ersten Teilkondensator ist die abgekühlte Abluft in der Lage Kondensationswärme vom Wärmeübertrager aufzunehmen und wird danach thermisch belastet als Fortluftvolumenstrom abgeführt.

Mit Hilfe dieser erfindungsgemäßen Schaltung kann unter Nutzung des latenten "Kälterückgewinns" bereits mit dem vergleichsweise geringen hygienisch erforderlichen Luftvolumenstrom die anfallende Kondensationswärme abgeführt werden.

Ein weiterer Vorzug dieser Geräteschaltung besteht darin, daß die Verdampfungstempera tur der verwendeten Wärmepumpenanordnung mit 12, . . . 15°C hoch gewählt werden kann, da zum Abführen sensibler Wärme aus der Zuluft der Wasser-Nachkühler punktgenau ge regelt werden kann (ohne Nachheizung auf 21°C) und gleichzeitig die Kaltwassertempera tur für die Kühldecke mit 16, . . . 18°C hoch genug ausfällt. Das hat zur Folge, daß gegenüber herkömmlichen Anlagen eine deutliche Verbesserung der Wärmepumpen-Leistungszahl auf 3, . . . 4 eintritt.

An nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert:
In Fig. 1 sind die Schaltungsanordnung des erfindungsgemäß gestalteten Luftkonditionier gerätes und in Fig. 2 das h, x-Diagramm mit den Zustandsänderungen im Sommerbetrieb dargestellt.

Der Außenluftvolumenstrom 1 mit dem Luftzustand (a) wird über das Filter 2 angesaugt, durch den rotierenden Sorptionsübertrager 3 geleitet und dabei auf den Luftzustand (b) entfeuchtet und erwärmt. Im nachgeschalteten regenerativen Rotationswärmeübertrager 4 erfolgt eine Vorkühlung auf den Luftzustand (c). Im Gegenstrom wird der Rotationswärme übertrager 4 mit dem kälteren Abluftvolumenstrom 8 beaufschlagt. Im nachgeordneten Wärmeübertrager, der im Sommer mit Kaltwasser beaufschlagt wird, erfolgt eine weitere sensible Abkühlung auf den Luftzustand (d) und dem Raum als Zuluftvolumenstrom 7 zuge führt. Der Zuluftventilator 6 wird so positioniert, daß bei der günstigsten Stelle die auftreten den Leckluftströme an den Rotoren minimal bleiben.

Der Abluftvolumenstrom 8 mit dem Luftzustand (e) wird vom Abluftventilator 10 saugseitig über ein vorgeschalten Luftfilter 9 geführt und danach druckseitig durch den regenerativen Rotationswärmeübertrager 4 weiter geleitet. Dabei wird sensible Wärme aufgenommen und der Luftzustand ändert sich nach (f). Die im Teilkondensator 11 von der Luft aufgenomme ne Kondensationswärme führt danach zum Luftzustand (g) und dient der Regeneration des nachfolgenden Sorptionsübertragers 3. Im Rotor wird Feuchtigkeit aufgenommen und damit Verdunstungswärme abgegeben, die Luft kühlt sich auf den Zustand (h) ab. Begünstigt durch diese "Zwischenkühlung" kann beim Durchfluten des nachgeschalteten Teilkondensa tors 12 wieder Kondensationswärme auf den Abluftstrom übertragen werden und der Luft strom verläßt als Fortluftvolumenstrom 13 mit dem Luftzustand (i) das Gerät.

Der Kältekreislauf ist als Wärmepumpenschaltung ausgeführt. Der Kältemittelverdichter 15 ist für eine drehzahlgeregelte Leistungsanpassung ausgerüstet. Das verdichtete Kältemit tel-Heißgas gelangt über die Heißgasleitung und das geöffnete Magnetventil 19 zum Teilkon densator 12 und danach zum Teilkondensator 11. Da die Teilkondensatoren 11 und 12 in Reihe geschaltet sind und damit unterschiedliche Kältemittel-Eintrittstemperaturen auftre ten, besteht an beiden Teilkondensatoren 11 und 12 ein genügend großes Temperaturge fälle zur durchströmenden Luft, um die anfallende Kondensationswärme abzuführen.

Nach dem Durchströmen der Kondensatorstrecke gelangt das verflüssigte Kältemittel zum Expansionsventil 18 und wird zur Entspannung in den Plattenverdampfer 14 eingespritzt. Bedingt durch den Druckabfall ist das Kältemittel bestrebt zu verdampfen und entzieht da bei dem gegenströmenden Wasser die dazu erforderliche Wärme. Im gasförmigen Zustand wird das Kältemittel vom Verdichter wieder angesaugt und der Kreislauf beginnt von neu em.

Das Kaltwasser wird durch die Umwälzpumpe 25 im Kreislauf gefördert und dabei, wie be schrieben, im Plattenverdampfer 14 gekühlt. Danach erfolgt je Regelstellung des Drei-We geventils 23' eine Kaltwasserverteilung zum Wärmeübertrager 5 im Luftstrom bzw. zur angeschlossenen Kühldecke 20. Die Magnetventile 17, 17' des Nebenkreislaufes sind ge schlossen und die Umwälzpumpe 22 ist außer Betrieb. Der Rücklauf des erwärmten Was sers erfolgt über das Drei-Wegeventil 23 zurück zur Umwälzpumpe 25. Die Handabsperr ventile 21, 21' sind für Betriebsfälle ohne Kühldeckeneinbindung vorgesehen.

Im Winterbetrieb ändert sich die Luftführung nicht. Da aber die Außenluft absolut trocken ist, wird durch Änderung der Drehzahl des Sorptionsübertragers 3 ein Wärme- und Feuch terückgewinn erreicht, d. h. der Sorptionsübertrager 3 wird zum Enthalpieübertrager.

Die Zustandsänderungen sind im h, x-Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt.

Unter Nutzung der Drehzahlregelung beider Rotoren 3 und 4, sowie der Kondensatorlei stung des Teilkondensators 11 kann die Zulufttemperatur konstant gehalten bzw. nachge heizt werden. Erst bei ausgeschöpftem Leistungsvermögen und weiterem Heizbedarf muß die vorgesehene Heizfunktion des Wärmeübertragers 5, der im Sommerbetrieb als Nach kühler arbeitet, in Anspruch genommen werden.

Da im Winterbetrieb die erforderliche Kälteleistung des Luftkonditioniergerätes geringer ist, denn der Außenluftvolumenstrom muß nicht gekühlt werden und die Raumkühllast beinhal tet nur noch innere Lasten, ergeben sich nachfolgende Änderungen im Kältekreislauf:
Der Teilkondensator 12 wird leistungsmäßig nicht benötigt und würde darüber hinaus bei weiterer Nutzung wertvolle Heizenergie ungenutzt an die Fortluft abführen. Deshalb wird das Magnetventil 19 geschlossen und das Magnetventil 19' als Bypaßleitung geöffnet. Gleichzeitig verhindert das Rückschlagventil 24, daß sich flüssiges Kältemittel im Teilkon densator 12 ansammeln kann.

Der Kaltwasserkreislauf wird durch die Drei-Wegeventile 23 und 23' so umgestellt, daß nur die Kühldecke 20 mit Kaltwasser beschickt wird. Der Wärmeübertrager 5 ist in dem Fall von dem Kaltwasserkreislauf getrennt. Wird regelungstechnisch Heizbedarf bei dem Zuluftvo lumenstrom 7 signalisiert, öffnen die Magnetventile 17 und 17', die Umwälzpumpe 22 geht in Betrieb und gleichzeitig wird die im Warmwasserspeicher 16 befindliche Elektroheizung zugeschaltet. In dem kleinen Nebenkreislauf kann nunmehr das Wasser erwärmt werden, um über den Wärmeübertrager 5 die Nachheizfunktion zu übernehmen.

Für den Fall, daß das Luftkonditioniergerät in Räumen zur Anwendung kommen soll, wo in der Heizperiode keine nennenswerte Raumkühllasten vorhanden sind und damit die Kühl deckenfunktion wegfallen kann, aber gleichzeitig eine Geräteheizfunktion benötigt wird, ist die im folgenden beschriebene Modifizierung der Geräteausrüstung möglich, die in den Abbildungen nicht dargestellt ist:
Druckseitig wird dem Kältemittelverdichter 15 ein umschaltbares Vier-Wegeventil zugeord net, mit dessen Hilfe die Strömungsrichtung umgekehrt werden kann. Der Verdampfer 14 wird funktionsmäßig zum Kondensator und mit einem zusätzlichen Expansionsventil, ange ordnet in Kältemittel-Strömungsrichtung zwischen den Teilkondensatoren 11 und 12 wird der Teilkondensator 12 zum Verdampfer.

Mit dieser Umkehrschaltung ist es möglich, den Kaltwasserkreislauf zwischen Wärmeüber trager 14 und 5 zum Heizkreislauf umzufunktionieren. Bei dieser Gerätevariante entfallen die Heizkreislaufbauteile 16, 17, 17' und 22.

In Fig. 4 ist eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten Gerätes dargestellt. Im oberen Bereich befinden sich die Handabsperrventile 21 und 21' für den Kaltwasservorlauf bzw. -rücklauf für die Kühldecke 20, die hier nicht dargestellt ist. Stirnsei tig sind die Anschlußstutzen 29 und 30 für den Fortluftvolumenstrom 13 bzw. den Außen luftvolumenstrom 1 angeordnet. Das Abluftgitter 27 ist ebenfalls im oberen Bereich des Gehäuses 28 angebracht. Der Zuluftauslaß 26 ist als Quelluftauslaß ausgebildet und befin det sich im Bereich des Fußbodens.

Bezugszeichenliste

1

Außenluftvolumenstrom

2

Filter

3

Sorptionsrotor

4

Rotationswärmeübertrager

5

Wärmeübertrager

6

Zuluftventilator

7

Zuluftvolumenstrom

8

Abluftvolumenstrom

9

Luftfilter

10

Abluftventilator

11

Teilkondensator

12

Teilkondensator

13

Fortluftvolumenstrom

14

Plattenverdampfer

15

Kältemittelverdichter

16

Warmwasserbereiter

17

,

17

' Magnetventil

18

Expansionsventil

19

Magnetventil

20

Kühldecke

21

,

21

' Handabsperrventil

22

Umwälzpumpe

23

,

23

' Drei-Wegeventil

24

Rückschlagventil

25

Umwälzpumpe

26

Zuluftauslaß

27

Abluftgitter

28

Gehäuse

29

Anschlußstutzen

30

Anschlußstutzen

Claims

1. Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen Außenluftvolumenstrom (1) und Zuluftvolumenstrom (7) in Strömungsrichtung ein Sorptionsrotor (3), ein rotierender Regenerativwärmeübertrager (4) und ein mit Kaltwasser beaufschlagter Wärmeübertrager (5), der mit dem Verdampfer (14) eines Kältekreislaufes verbunden ist, angeordnet sind, und daß in entgegengesetzter Strömungsrichtung vor dem Sorptionsrotor (3) ein Teilkondensator (11) und nach dem Sorptionsrotor (3) ein weiterer Teilkondensator (12) des Kältekreislaufes angeordnet sind und daß wahlweise über eine Abzweigung der Kaltwasserkreislauf mit einer Kühldecke (20) oder Konvektoren verbunden ist.

2. Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Verdampfer (14) als Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist.

3. Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß im Winter-Teillastbetrieb der Sorptionsübertrager (3) als Enthalpieüber trager betrieben wird und der nachgeschaltete Teilkondensator (12) mittels einer Kältemit tel-Bypaßschaltung umgangen wird.

4. Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (5) umschaltbar als Nachheizer ausgeführt und dazu mit einem elektrischen Warmwasserbereiter (16) verbunden ist.

5. Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Wegfall der separaten Warmwasserbereitung und bestehender Heizlast der Kältekreislauf mittels einem Vier-Wegeventil umkehrbar wird, und damit der Verdampfer (14) zum Kondensator wird und Warmwasser aufbereitet werden kann.

6. Dezentrales sorptionsgestütztes Luftkonditioniergerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gerät ein zylinderförmiges Gehäuse (28) besitzt und die Zuluftaus lässe (26) im unterem Gehäusemantel als Quelluftauslässe ausgebildet sind.