DE19903743A1 - Kühlwasserbereitstellung mittels Phasenwechselspeicher - Google Patents

Kühlwasserbereitstellung mittels Phasenwechselspeicher

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Abstract

Die Kühlwasserbereitstellung mit Phasenwechselspeichern erfolgt üblicherweise in Systemen mit auf dem Kompressions-, Absorptions- und Adsorptionsverfahren beruhenden Kältemaschinen. Die bedeutet einen hohen energetischen und apparativen Aufwand auch für Anwendungsfälle, bei denen das Temperaturniveau der bereitzustellenden Kälte höher liegen kann als das mit den Kältemaschinen erreichbare Niveau. Dieser Aufwand soll durch das neue System deutlich verringert werden. DOLLAR A Das neue System umfaßt nur die Hauptbestandteile Kühlturm (2), Phasenwechselspeicher (1) und Wärmetauscher (3). Die Speicherung der Kühlenergie erfolgt nachts und in den frühen Morgenstunden durch Inbetriebnahme des Wasserkreislaufes zwischen dem Kühlturm (2) und dem Phasenwechselspeicher (1), wobei die Phasenwechseltemperatur des Stoffes im Speicher so liegt, daß auch im wärmsten Monat des Jahres das im Kühlturm (2) abgekühlte Wasser Erstarrungswärme abführt. Die Kühlwasserbereitstellung erfolgt durch Inbetriebnahme des Wasserkreislaufes zwischen dem Phasenwechselspeicher (1) und dem Wärmetauscher (3) unter Aufnahme von sensibler und Schmelzwärme durch den Phasenwechselstoff. Dabei ist der Wasserkreislauf zwischen dem Kühlturm (2) und dem Phasenwechselspeicher (1) außer Betrieb. DOLLAR A Kostengünstige Kühlwasserbereitstellung.

Description

Der Einsatz von Phasenwechselspeichern wie z. B. Eisspeichern oder Paraffinspeichern zur Kühlwasserbereitstellung erfolgt üblicherweise in Verbindung mit Kältemaschinen, die auf dem Kompressions-, Absorptions- oder Adsorptionsverfahren beruhen. Ein Kältemittel­ kreislauf, der durch Zufuhr von mechanischer Energie beim Kompressionsverfahren und von thermischer Energie beim Absorptions- und Adsorptionsverfahren aufrechterhalten wird, sorgt dabei für die Erzeugung der zu speichernden Kälte, wobei meist ein Kühlturm der Verbesserung der Leistungszahl bzw. des Wärmeverhältnisses der Kälteerzeugung dient. Dies bedeutet einen hohen energetischen und apparativen Aufwand auch für Anwen­ dungsfälle, bei denen das Temperaturniveau der bereitzustellenden Kälte deutlich höher liegen kann als das mit dem Kompressions-, Absorptions- oder Adsorptionsverfahren erreichbare Niveau.
Der im Schutzanspruch angegeben Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kühlwasser­ bereitstellung mittels Phasenwechselspeicher 1 zu schaffen, die ohne auf dem Kompres­ sions-, Absorptions- oder Adsorptionsverfahren beruhende Kälteerzeugung auskommt.
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Kühlwasserbereitstellung erfolgt lediglich mit Hilfe eines Phasenwechselspeichers 1, der in den kühlen Nacht- und Morgenstunden durch einen Wasserkreislauf mit einem offenen Kühlturm 2 bei Nutzung des Verdunstungseffektes ausgekühlt wird und der tagsüber durch einen zweiten Wasserkreislauf Wärme über Wärmetauscher 3 vom zu kühlenden Objekt aufnehmen kann.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß für viele Anwendungsfälle eine umweltschonende Kühlwasserbereitstellung mit minimalem energetischen und apparativen Aufwand erfolgt. Ein solches System zeichnet sich aufgrund der Einfachheit und nur weniger bewegter Teile auch durch eine hohe Lebensdauer aus. Der offene Kühlturm 2 kann tagsüber für andere Kühlzwecke genutzt werden. Es sind nur Sprühwasser- und Verdunstungsverluste auszugleichen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 erläutert. Die vorliegende Erfindung bezieht sich hier auf ein System zur Kühlung eines Raumes unter Nutzung der niedrigeren Außenluftenthalpie nachts und in den frühen Morgenstunden gegenüber dem Tag. Es ist besonders geeignet für Gegenden mit großen Außenluftenthalpiedifferenzen zwischen Tag und Nacht. Das Kühlsystem wird von den Hauptbestandteilen offener Kühlturm 2, Phasenwechselspeicher 1 und Wärmetauscher 3 zur Wärmeabfuhr aus dem zu kühlenden Raum 4 gebildet. Offener Kühlturm 2, Phasenwechselspeicher 1 und Wärme­ tauscher 3 sind durch Rohr- bzw. Schlauchleitungen zur Führung von Wasser verbunden.
Mit dem offenen Kühlturm 2 wird Wasser nahezu auf Kühlgrenztemperatur abgekühlt. Die Kühlgrenztemperatur ist die niedrigste Temperatur, auf die man Wasser mit Luft vorgegebenen Zustandes durch Ausnutzung des Verdunstungseffektes abkühlen kann. Sie liegt, abhängig von der Luftfeuchte, unterhalb der Außenlufttemperatur. Für eine Außen­ lufttemperatur von 16°C beträgt sie 15°C bei einer relativen Feuchte von 90% und 14°C bei 80%. Aus den Tagesgängen der Außenlufttemperatur im Hauptauslegungsmonat für die Kühllastberechnung Juli (Quelle: VDI-Richtlinien, VDI 2078, Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume, 1994) geht hervor, daß zwischen 200 Uhr und 500 Uhr für weite Gebiete Deutschlands die Werte zwischen 15°C und 17°C liegen. Die relative Feuchte beträgt dabei etwas weniger als 90%. In allen anderen Monaten liegen die entsprechenden Außen­ lufttemperaturen niedriger. Im zweiten Hauptauslegungsmonat, dem September, haben sie zwischen 200 Uhr und 600 Uhr Werte von 9,5°C bis 13°C.
Der offene Kühlturm 2, der nur in den Nacht- und frühen Morgenstunden in Betrieb ist, kühlt den Phasenwechselspeicher 1 durch Zufuhr von Wasser mit Temperaturen von unter ca. 16°C. Nur an sehr wenigen Sommertagen wird diese Temperatur überschritten.
Der Phasenwechselspeicher 1 enthält für das hier beschriebene Beispiel als Phasen­ wechselstoff Paraffin mit einer Schmelztemperatur von ca. 16°C und einer spezifischen Schmelzenthalpie von etwa 190 kJ/kg. Der Speicher 1 ist so gestaltet, daß Raum zum Durchströmen mit Wasser bei möglichst großer Wärmeübertragungsfläche vorhanden ist.
Beim Durchströmen mit Wasser aus dem offenen Kühlturm 2 wird das Paraffin gekühlt und erstarrt unter Abgabe der Schmelzenthalpie. In einem Speicher mit einem Volumen von 1 m3 mit 700 kg Paraffin kann somit Kühlenergie von ca. 37 kWh bei einem Temperaturniveau von ca. 16°C gespeichert werden.
Bei einem nur mit Wasser gefüllten Speicherbehälter gleichen Volumens ergäbe sich für den hier beschriebenen Sachverhalt ein deutlich geringeres Speichervermögen. Zum Zwecke der Raumkühlung ist eine Zufuhr von Wasser zum Wärmetauscher 3 des Raumes 4 mit Tempe­ raturen von maximal ca. 23°C sinnvoll. Bei der Erwärmung von 1000 kg Wasser eines Speichers von 16°C auf 23°C könnte eine Wärme von nur ca. 8,1 kWh aus einem zu kühlenden Raum aufgenommen werden.
Nach der Wärmeabfuhr aus dem Phasenwechselspeicher 1 werden der offene Kühlturm 2 und der Wasserkreislauf zwischen dem Phasenwechselspeicher 1 und dem offenen Kühlturm 2 außer Betrieb gesetzt. Bei Bedarf wird danach der Wasserkreislauf in Betrieb genommen, der den Phasenwechselspeicher 1 mit dem Wärmetauscher 3 zur Wärmeaufnahme aus dem zu kühlenden Raum 4 verbindet. Nach Durchströmung des Phasenwechselspeichers 1 tritt Wasser mit einer Temperatur von ca. 18°C in den Wärmetauscher 3. Diese Temperatur reicht aus, um mit Wärmetauschern in Form von Kühldecken Wärme durch freie Konvektion und Strahlung aus Räumen abzuführen. Eine intensivere Wärmeabfuhr ist durch zwangs­ belüftete Rippenrohrwärmetauscher möglich. Die vom Wärmetauscher 3 aufgenommene Wärme führt zum Erwärmen und Schmelzen des Paraffins im Phasenwechselspeicher 1.

Claims (1)

  1. Bereitstellung von Kühlwasser mittels Phasenwechselspeicher (1), wobei
    • - das System aus den Hauptbestandteilen offener Kühlturm (2), Phasenwechselspeicher (1) und Wärmetauscher (3) besteht,
    • - die Speicherung von Kühlenergie im Phasenwechselspeicher (1) nachts und in den frühen Morgenstunden durch Inbetriebnahme des Wasserkreislaufes zwischen dem offenen, zwangsbelüfteten oder mit Naturzug arbeitenden Kühlturm (2) und dem Phasenwechselspeicher (1) erfolgt,
    • - die Phasenwechseltemperatur des Stoffes im Speicher dabei so liegt, daß auch im wärmsten Monat des Jahres das im offenen Kühlturm (2) abgekühlte Wasser in der Lage ist, nachts und in den frühen Morgenstunden Erstarrungswärme abzuführen,
    • - die Bereitstellung von Wasser für Kühlzwecke durch Inbetriebnahme des Wasser­ kreislaufes zwischen dem Phasenwechselspeicher (1) und einem oder mehreren wärme­ aufnehmenden Wärmetauschern (3) unter Aufnahme von sensibler und Schmelzwärme durch den Phasenwechselstoff erfolgt. Dabei ist der Wasserkreislauf zwischen dem offenen Kühlturm (2) und dem Phasenwechselspeicher (1) außer Betrieb.
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