DE202017000600U1

DE202017000600U1 - Decentralized cooling and heating unit with air-circulating storage elements made of phase change material

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Publication number: DE202017000600U1
Application number: DE202017000600.6U
Authority: DE
Original assignee: Corino Energy And Real Estate Projects Ug (haftungsbeschrankt)
Current assignee: Corino Energy And Real Estate Projects Ug (haftungsbeschrankt)
Priority date: 2017-02-04
Filing date: 2017-02-04
Publication date: 2017-05-09
Anticipated expiration: 2027-02-05

Abstract

Ein Kühl- und Heizgerät (1), dadurch gekennzeichnet, dass Kälte in einem direkt in dem zu kühlenden Raum befindlichen Kühl- und Heizgerät (1) und dessen innenliegendem thermischen Speicher (11) mit Speicherelementen (12) aus Phasenwechselmaterialien gespeichert wird und das Kühlrohr (5) und die Speicherelemente (12) direkt von Raumluft umströmt werden.A cooling and heating device (1), characterized in that cold is stored in a directly in the space to be cooled cooling and heating device (1) and its internal thermal storage (11) with storage elements (12) of phase change materials and the cooling tube (5) and the storage elements (12) are directly flowed around by room air.

Description

Ein steigender Bedarf an Kühlung mit jährlich über 100 Millionen verkaufter kleiner Kompressionskältemaschinen hat zu einem stark steigenden Strombedarf für die Raumkälteerzeugung geführt. Mit der prognostizierten Erderwärmung wird sich dieser Trend noch beschleunigen. Er führt zu Stromengpässen, erhöhten Kosten der Stromversorgung und des Netzausbaus und zu erhöhten Treibhausgasemissionen zu Deckung des Strombedarfs, welche wiederum die Erderwärmung beschleunigen.An increasing demand for cooling with more than 100 million small compression refrigeration units sold per year has led to a strong increase in electricity demand for space cooling. The predicted global warming will accelerate this trend. It leads to electricity bottlenecks, increased costs of electricity supply and grid expansion and increased greenhouse gas emissions to meet the electricity demand, which in turn accelerate global warming.

Kleine, dezentrale Kompressionskältemaschinen sind sehr beliebt, weil sie preiswert sind und ohne großen Aufwand direkt dort installiert werden können, wo die Kälte benötigt wird. Kompressionskältemaschinen funktionieren nach dem Wärmepumpenprinzip: Im Innenraum wird Luft am Verdampfer vorbeigeführt, in dem das Kältemittel verdampft und der Luft Wärme entzieht. Das verdampfte Kältemittel wird nach außen zum Kompressor gepumpt, komprimiert und gibt bei der Kondensation mit Hilfe eines Gebläses die Wärme an die Außenluft oder nach außen zu transportierende Luft ab. Eine beliebte Form der Kompressionskältemaschinen sind Split-Geräte, die über eine Außeneinheit mit Kondensator und Kompressor verfügen und die über Kältemittelleitungen mit einer Inneneinheit verbunden sind, in der sich der Verdampfer befindet, welcher dem Innenraum die Wärme entzieht. Sofern eine Außeneinheit mit mehreren Inneneinheiten verbunden ist, wird von dem Sonderfall der Multi-Split-Geräte gesprochen. Viele Klimaanlagen können auch im umgekehrten Betrieb laufen und den Innenraum heizen. Besonders effizient arbeiten Split-Geräte mit Umrichter, bei denen die Leistung des Kompressors variabel dem Kühlbedarf angepasst werden kann.Small, decentralized compression chillers are very popular because they are inexpensive and can be installed without much effort directly where the cold is needed. Compression chillers work according to the heat pump principle: In the interior, air is carried past the evaporator where the refrigerant evaporates and heat is removed from the air. The vaporized refrigerant is pumped to the outside of the compressor, compressed and, when condensed by a blower, releases the heat to the outside air or to the outside to be transported air. A popular form of compression refrigerators are Split units, which have an outdoor unit with condenser and compressor, and which are connected by refrigerant piping to an indoor unit containing the evaporator, which removes heat from the interior. If an outdoor unit is connected to several indoor units, the special case of multi-split units is used. Many air conditioners can also run in reverse and heat the interior. Split units with inverters work particularly efficiently, where the performance of the compressor can be variably adjusted to the cooling requirements.

Gleichzeitig ist in den letzten Jahren die Stromerzeugung durch Solartechnologien wie Photovoltaik und seltener konzentrierende Photovoltaik (zusammenfassend als Solarmodule bezeichnet) viel preiswerter geworden. Die Kosten für Solarstrom liegen dadurch oft unterhalb der Kosten für Strom aus dem Netz oder aus Dieselgeneratoren. Kühlung und Solarstromerzeugung weisen oft räumliche und zeitliche Gemeinsamkeiten auf: Kühlbedarf besteht besonders in sonnigen Weltregionen wie etwa dem Süden der USA, Südeuropa und Nordafrika, der Golfregion und in Indien. Und der Kühlbedarf besteht zeitlich grundsätzlich vor allem dann, wenn die Sonne scheint. Hierbei ist jedoch oft eine gewisse Phasenverschiebung zu beobachten: Normalerweise scheint erst die Sonne und erwärmt die Außenhülle eines Gebäudes und erst danach dringt die Wärme ins Innere des Gebäudes ein. Aufgrund dessen und wegen hoher Außentemperaturen kann auch am Abend – wenn die Berufstätigen von der Arbeit nach Hause kommen und die Klimageräte einschalten möchten – und in der Nacht noch ein Kühlbedarf bestehen. Dieser kann nur dann mit Solarstrom gedeckt werden, wenn der Strom oder die thermische Energie, insbesondere gleich in Form von Kälte, gespeichert wird. Da Batteriespeicher derzeit noch sehr teuer sind, ist es die bessere Lösung, die zur Kühlung benötigte Energie direkt in Form von Form Kälte zu speichern.At the same time, electricity generation by solar technologies such as photovoltaic and less concentrated photovoltaic (collectively referred to as solar modules) has become much cheaper in recent years. As a result, the cost of solar power is often below the cost of electricity from the grid or from diesel generators. Cooling and solar power generation often have spatial and temporal similarities: Cooling requirements exist especially in sunny regions of the world such as the southern United States, southern Europe and North Africa, the Gulf region and India. And the cooling requirement is basically always in time when the sun is shining. However, a certain phase shift is often observed here: Normally, the sun only shines and warms the outer shell of a building, and only then does the heat penetrate into the interior of the building. Because of this and because of the high outside temperatures, even in the evening - when the working people want to come home from work and switch on the air conditioning units - there may still be a need for cooling during the night. This can only be covered by solar power when the power or thermal energy, especially in the form of cold, is stored. Since battery storage is currently still very expensive, it is the better solution to store the energy needed for cooling directly in the form of cold form.

Eine Speicherfunktion ist aber nicht nur dann hilfreich, wenn die nur tagsüber und hier vor allem zur Mittagszeit verfügbare Sonnenenergie genutzt werden soll. Sie ist auch dann erwünscht, wenn – wie in vielen Teilen der Welt wie etwa in weiten Teilen Afrikas oder in Indien – der Strom nur zeitweise verfügbar ist, sei es, weil er nur für Teile des Tages zugeteilt wird oder häufig ausfällt. Hier kann man nur mit Hilfe von Speichern in den Genuss einer annähernd konstanten Raumklimatisierung kommen. Ereignet sich der Stromausfall in der Nacht, so wacht der Schläfer auf oder schwitzt sich nass und kann sich, sobald der Strom wieder verfügbar ist und die Klimaanlage wieder läuft, auch noch erkälten. Hierfür muss die Kältemaschine natürlich auch mit einem Batteriespeicher versehen sein, mit dessen elektrischer Energie das Gebläse die gespeicherte Kälte auch bei einem Stromausfall in den Raum transportieren kann.However, a memory function is not only helpful if the solar energy available only during the day and especially here at lunchtime should be used. It is also desirable when, as in many parts of the world, such as in much of Africa or India, electricity is only available on a temporary basis, either because it is allocated for part of the day or often fails. Here you can only come with the help of storage in the enjoyment of an approximately constant air conditioning. If the power outage occurs during the night, the sleeper wakes up or sweats wet and can catch cold as soon as the power is restored and the air conditioner is running again. For this purpose, the chiller must of course also be provided with a battery storage, with its electrical energy, the fan can transport the stored cold in the event of a power failure in the room.

Schließlich kann eine Speicherfunktion selbst bei Strombezug aus dem Netz ohne Solarstromnutzung und ohne Netzausfälle vorteilhaft sein. So kann das Kühl- und Heizgerät (1) beispielsweise in der Nacht laufen, wenn die Rückkühlung durch niedrigere Außentemperaturen besser funktioniert und die Kälteerzeugung dadurch deutlich effizienter arbeitet, oder wenn der Netzstrom preiswerter ist als zu anderen Zeiten. Ferner kann der Speicher der Leistungserhöhung dienen (siehe dazu nachfolgend den Absatz zu Mischformen der Betriebsweisen).Finally, a memory function can be advantageous even when power is taken from the grid without solar power and without power outages. So the cooling and heating device ( 1 ) run, for example, at night, when the re-cooling works better by lower outside temperatures and the cooling thereby works much more efficient, or if the grid is cheaper than at other times. Furthermore, the memory can serve to increase the power (see below the paragraph on mixed forms of operation).

Kälte kann aber nicht nur mit elektrisch betriebenen Maschinen erzeugt werden. Es gibt auch thermisch angetriebene Verfahren zur Kälteerzeugung, insbesondere in Form von Adsorptions- und Absorptionskältemaschinen. Diese nutzen Wärme, insbesondere Wärme aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, Abwärme aus industriellen Prozessen oder Solarwärme, um ein Arbeitsmittel verdampfen zu lassen und dabei Kälte zu erzeugen, welche bei der Kondensation des Arbeitsmittels an anderer Stelle wieder freigesetzt wird. Mit solchen thermischen Kältemaschinen kann ebenfalls die Kälte zum Betrieb der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Dabei sind manche Arbeitsmittel wie etwa das gängige Lithiumbromid – mit dem auch besonders effiziente mehrstufige Verfahren gebaut werden – auf Temperaturen von über 5°C beschränkt, so dass für den Kältespeicher Phasenwechselmaterialien (Phase Change Material – PCM) mit einem entsprechend hohen Erstarrungspunkt gewählt werden müssen. Andere Arbeitsmittel wie etwa Ammoniak erreichen auch Kühltemperaturen von unter 0°C, so dass auch Wasser oder eine anderes PCM mit noch niedrigerem Erstarrungspunkt eingesetzt werden können. In diesen Fällen erfolgt die Verdampfung anders als bei den dezentralen Kompressionskältemaschinen nicht in der Inneneinheit, sondern in der Außeneinheit, die dann ein kaltes Fluid zur Inneneinheit pumpt.However, cold can not only be generated with electrically operated machines. There are also thermally driven methods for cooling, especially in the form of adsorption and absorption chillers. These use heat, in particular heat from combined heat and power plants, waste heat from industrial processes or solar heat to evaporate a working fluid and thereby generate cold, which is released in the condensation of the working fluid elsewhere. With such thermal refrigeration machines, the cold can also be generated for the operation of the present invention. In this case, some tools such as the common lithium bromide - are built with the most efficient multi-stage process - limited to temperatures above 5 ° C, so that the cold storage phase change materials (Phase Change Material - PCM) must be selected with a correspondingly high solidification point , Other work tools such as ammonia also reach Cooling temperatures of below 0 ° C, so that water or another PCM with even lower freezing point can be used. In these cases, unlike the decentralized compression chillers, evaporation does not occur in the indoor unit but in the outdoor unit, which then pumps a cold fluid to the indoor unit.

Dabei ist ein thermischer Speicher auch beim umgekehrten Betrieb – beim Heizen – von Vorteil. Dort nimmt der Speicher die im Heizbetrieb erzeugte Wärme auf und gibt sie zeitversetzt und wohldosiert an den Raum ab. Hierbei kann teilweise auch das Temperaturgefälle über 24 Stunden ausgenutzt werden: So ist es beispielsweise in Nordchina an Wintertagen deutlich wärmer als in der Nacht und das Split-Gerät kann am Tag die Wärme mit einem viel besseren Wirkungsgrad erzeugen als in der Nacht, und die durch die Wärmepumpe erhöhte Tageswärme im Speicher zwischenlagern.A thermal storage is also in reverse operation - when heating - an advantage. There, the memory absorbs the heat generated in the heating mode and gives it time-delayed and well-dosed to the room. Here, in part, the temperature gradient over 24 hours can be exploited: For example, it is much warmer in northern China on winter days than at night and the split device can produce the heat with a much better efficiency during the day than at night, and by the heat pump temporarily stores increased daytime heat in the storage tank.

Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine preiswerte Form der dezentralen Kältespeicherung für Raumkühlung und – beim reversiblen Betrieb – für die Raumheizung zu entwickeln, indem direkt die Raumluft genutzt und das Speichermaterial in praktischen und billigen Speicherelementen verkapselt wird.The present invention sets itself the task of developing an inexpensive form of decentralized cold storage for space cooling and - in reversible operation - for space heating by directly using the room air and the storage material is encapsulated in practical and inexpensive storage elements.

Dabei ist für die Raumkühlung zu berücksichtigen, dass zwischen der den Raum kühlenden Luft von beispielsweise 10°C und dem Gefrierpunkt von Wasser bei 0°C nur wenige Kelvin liegen. Angesichts eines Wärmespeichervermögens von Wasser von etwa 1,16 kWh pro Tonne und Kelvin würde ein bloßer Wasserspeicher deshalb eine sehr geringe Energiedichte aufweisen; er müsste zur Speicherung einer ausreichenden Energiemenge somit sehr groß und schwer werden. Dies würde bei dezentral aufgestellten Speichern oft auch die Statik des Gebäudes überfordern. Demgegenüber benötigt der Phasenübergang von Wassereis zu flüssigem Wasser etwa so viel Energie, wie der Erwärmung von Wasser um 80 K entspricht. Insgesamt wird durch diesen Phasenwechsel, wenn man das Eis auch noch auf –10°C abkühlt, die Energiedichte eines Eispeichers gegenüber einem bloßen Kaltwasserspeicher etwa verzehnfacht. Und auch im Heizbetrieb weist ein Wasserspeicher eine akzeptable Energiedichte auf, da er über die Raumtemperatur von vielleicht 22°C bis unter den Siedepunkt von Wasser von etwa 100°C um fast 80 K erwärmt werden kann. Wenn man den Siedepunkt des Phasenwechselmaterials gegenüber Wasser erhöht oder das Wasser oder Phasenwechselmaterial in druckbeständiger Form speichert, kann das Wasser sogar noch stärker erwärmt werden und seine Energiedichte als Wärmespeicher noch weiter erhöht werden.It should be noted for the room cooling that between the air cooling the room, for example, 10 ° C and the freezing point of water at 0 ° C only a few Kelvin. Given a heat storage capacity of water of about 1.16 kWh per tonne and Kelvin, therefore, a mere reservoir of water would have a very low energy density; he would have to be very large and heavy to store a sufficient amount of energy. In the case of decentralized storage facilities, this would often overwhelm the statics of the building. In contrast, the phase transition from water ice to liquid water needs about as much energy as the heating of water by 80 K corresponds. Overall, the energy density of an ice storage compared to a mere cold water storage is increased approximately tenfold by this phase change, if the ice still cools to -10 ° C. And even in heating mode, a water storage has an acceptable energy density, since it can be heated from room temperature of perhaps 22 ° C to below the boiling point of water of about 100 ° C by almost 80 K. If you increase the boiling point of the phase change material to water or stores the water or phase change material in pressure-resistant form, the water can be even more heated and its energy density as a heat storage can be further increased.

Eine Herausforderung für einen solchen Phasenübergang ist, dass Wasser und auch viele andere PCM wie z. B. wässrige Salzlösungen oder Paraffine bei der Verfestigung eine z. T. erhebliche Volumenveränderung erfahren. Hiermit muss der Behälter oder die Verkapselung umgehen können. Am einfachsten ist dies zu erreichen, indem die Umschließung flexibel ist oder Luft mit eingeschlossen wird. Am preiswertesten dürfte es sein, bereits vorhandene Makroverkapselungen zu nutzen, wie z. B. sog. Kühl-Akkus, also stabile Kunststoffbehälter mit einer Füllung aus Wasser, Salzwasser oder eutektischem Gel mit einer hohen Wärmekapazität. Demgegenüber haben sog. Kühlpads, Tüten mit Füllung, den Vorteil, dass die Wandung noch dünner ist und dadurch der Wärmeübergang verbessert wird, und dass sich bildende Schichten von Eis oder anderen Feststoffen dünn sind. Eis oder Feststoffe haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit und wirken wie Isolatoren. Durch eine geringe Schichtdicke kann der Innenbereich der Speicherelemente einfacher erwärmt und abgekühlt werden. Durch zwischen den Makroverkapselungen bestehende Luftspalte kann Luft zum Be- oder Entladen des Kältespeichers geblasen werden.One challenge for such a phase transition is that water and many other PCM such. As aqueous salt solutions or paraffins in the solidification z. T. experienced significant change in volume. This must allow the container or encapsulation to be bypassed. The easiest way to accomplish this is to make the enclosure flexible or to include air. The cheapest should be to use already existing macroencapsulations, such. B. so-called. Cooling batteries, so stable plastic containers with a filling of water, salt water or eutectic gel with a high heat capacity. In contrast, so-called. Cooling pads, bags with filling have the advantage that the wall is even thinner and thereby the heat transfer is improved, and that forming layers of ice or other solids are thin. Ice or solids have low thermal conductivity and act as insulators. Due to a small layer thickness, the inner region of the storage elements can be heated and cooled more easily. Air gaps for loading or unloading the cold accumulator can be blown through air gaps between the macroencapsules.

Im Folgenden werden auf der Grundlage des generellen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Ausführungsmusters (siehe ) drei verschiedene Betriebsweisen der Kühlung unterschieden.Hereinafter, on the basis of the general structure of an embodiment of the invention (see FIG ) distinguished three different modes of cooling.

Genereller Aufbau: Im Beispiel wird das Kühl- und Heizgerät (1) in einer Weise ausgeführt, dass sich im unteren Bereich des Gehäuses (2) ein Lufteinlass (3) befindet. An diesem befindet sich ein geeigneter Filter für Staub und Luftschadstoffe (4). Darüber befindet sich das Kühlrohr (5) für die Verdampfung des Kältemittels (bei Kompressionskältemaschinen) bzw. für das kalte Fluid (bei thermischen Kältemaschinen, im Heizbetrieb entsprechend das Heizrohr), welches die Kälte ggf. mittels geeigneter Oberflächenvergrößerung an die Luft abgibt. Auf der Höhe des Verdampfers (5) und diagonal gegenüber dem Lufteinlass (3) befindet sich der Luftauslass (6). Ein elektrisch angetriebenes Gebläse (7) treibt die Luft an. Dieses Gebläse kann ebenso wie die Steuerung (8) durch eine elektrische Batterie (9) unabhängig vom Netz mit dem erforderlichen Betriebsstrom versorgt werden. Der Luftauslass im oberen Bereich hat den Vorteil, dass die Luft, auch mit Hilfe einer Verstell-Einrichtung (10) in den Deckenbereich des Raumes ausgeblasen wird und die kühle Luft dann aufgrund ihrer größeren Dichte im ganzen Raum absinken kann. Dadurch verteilt sich die kühle Luft im ganzen Raum, ohne dass die darin befindlichen Menschen einen unangenehmen Luftzug empfinden.General structure: In the example, the cooling and heating unit ( 1 ) in such a way that in the lower part of the housing ( 2 ) an air intake ( 3 ) is located. This is a suitable filter for dust and air pollutants ( 4 ). Above is the cooling tube ( 5 ) for the evaporation of the refrigerant (in compression refrigerating machines) or for the cold fluid (in thermal refrigerating machines, in heating operation corresponding to the heating tube), which releases the cold, if necessary by means of a suitable increase in surface area in the air. At the height of the evaporator ( 5 ) and diagonally opposite the air inlet ( 3 ) is the air outlet ( 6 ). An electrically driven blower ( 7 ) drives the air. This fan can be used as well as the controller ( 8th ) by an electric battery ( 9 ) are supplied with the required operating current independently of the mains. The air outlet in the upper area has the advantage that the air, even with the aid of an adjustment device ( 10 ) is blown into the ceiling area of the room and the cool air can then sink due to their greater density throughout the room. As a result, the cool air is distributed throughout the room, without the people therein feel an unpleasant draft.

Im unteren Teil des Kühl- und Heizgeräts (1) befindet sich der Kältespeicher (11), dessen Speicherelemente (12) hier aus makroverkapseltem Phasenwechselmaterial, sog. Kühl-Akkus oder alternativ Kühl-Pads, bestehen. Zwischen den Speicherelementen (12) befinden sich Luftkanäle (13), über welche der Speicher be- oder entladen werden kann. Die Speicherelemente können in Speicherelemente-Boxen (14) untergebracht sein, die über Luftdurchlässe verfügen (z. B. durch Verwendung von Lochblechen). Für den Fall, dass es zur Kondensation der Luftfeuchtigkeit an den kalten Flächen von Verdampfer/Kühlrohr (5) bzw. der Speicherelemente (12) kommt, oder dass Speicherelemente (12) undicht werden und sich entleeren, befindet sich am Boden eine Auffangwanne für Kondensat und Phasenwechselmaterial (16). Die Wandungen des Kältespeichers (11), insbesondere die untere Begrenzung (22), die Durchlässe für Flüssigkeit aufweist, und die obere Begrenzung (23) des Kältespeichers (11), die Luftdurchlässe aufweist, sollten strömungsgünstig geformt sein. Die obere Begrenzung (23) des weist ferner einen Lamellenverschluss (24) auf, mit dem eine Durchströmung für die Betriebsweise 1 unterbunden werden kann. Ferner weist der Kältespeicher (12) zur Luftlenkung bei den Betriebsweisen 1 bis 3 eine untere Verschlussklappe (25) und obere Verschlussklappe (26) auf.In the lower part of the cooling and heating unit ( 1 ) is the cold storage ( 11 ) whose memory elements ( 12 ) here from macro-encapsulated phase change material, so-called cooling batteries or alternatively cooling pads, exist. Between the memory elements ( 12 ) are air ducts ( 13 ), over which the memory can be loaded or unloaded. The memory elements can be stored in memory element boxes ( 14 ), which have air outlets (eg by using perforated sheets). In the event that it condenses the humidity on the cold surfaces of the evaporator / cooling tube ( 5 ) or the memory elements ( 12 ), or that storage elements ( 12 ) are leaking and empty, there is a collecting tray for condensate and phase change material ( 16 ). The walls of cold storage ( 11 ), in particular the lower limit ( 22 ), which has passages for liquid, and the upper limit ( 23 ) of cold storage ( 11 ), which has air outlets, should be aerodynamically shaped. The upper limit ( 23 ) of the further comprises a lamellar closure ( 24 ), with which a flow for the mode 1 can be prevented. Furthermore, the cold storage ( 12 ) for air control in modes 1 to 3, a lower flap ( 25 ) and upper flap ( 26 ) on.

Der Verdampfer bzw. das Kühlrohr (5) des Kühl- und Heizgeräts (1) sind mittels einer Rohrleitung (17) mit der Außeneinheit (nicht dargestellt) verbunden. Ferner ist die Steuerung des Kühl- und Heizgeräts hier mit einem Kabel (18) mit der Steuerung der Außeneinheit (hier nicht dargestellt) verbunden; die Kommunikation könnte aber alternativ auch kabellos erfolgen.The evaporator or cooling tube ( 5 ) of the cooling and heating device ( 1 ) are by means of a pipeline ( 17 ) connected to the outdoor unit (not shown). Furthermore, the control of the cooling and heating device here with a cable ( 18 ) connected to the controller of the outdoor unit (not shown here); Alternatively, the communication could also be wireless.

An der Standfläche (19) – die zur besseren Gewichtsverteilung und zum Schutz vor Kippen vergrößert sein kann (20) kann sich zum Transport des Kühl- und Heizgeräts mindestens eine Transportrolle (21) befinden, der mit einem Handgriff an der Oberseite (21a) einfacher zu bewerkstelligen ist.At the booth ( 19 ) - which can be enlarged for better weight distribution and protection against tipping ( 20 ) can transport at least one transport roller ( 21 ), with a handle on the top ( 21a ) is easier to accomplish.

Betriebsweise 1: Direkte Kühlung ( ). In dieser Betriebsweise stellt die Außeneinheit Kälteenergie zum Betrieb des Verdampfers/Kühlrohrs (5) bereit. Die vom Gebläse (7) angesaugte Außenluft wird, dadurch dass die untere Verschlussklappe (25) und der Lamellenverschluss (24) des Kältespeichers (11) den Kältespeicher (11) verschließen, ohne Durchströmung des Kältespeichers (11) direkt am Verdampfer (5) vorbeigeführt, abgekühlt und wieder in den Raum ausgeworfen.Operation 1: Direct cooling ( ). In this mode of operation, the outdoor unit provides cooling energy for operation of the evaporator / cooling tube ( 5 ) ready. The blower ( 7 ) sucked outside air, characterized in that the lower flap ( 25 ) and the lamella closure ( 24 ) of cold storage ( 11 ) the cold storage ( 11 ), without flow through the cold storage ( 11 ) directly on the evaporator ( 5 ), cooled and ejected back into the room.

Diese Betriebsart entspricht der einer normalen Inneneinheit einer Split-Anlage ohne Speicher, und wird beispielsweise genutzt, wenn die Raumbenutzer das Kühl- und Heizgerät (1) mittags bei Verfügbarkeit von Solarstrom und Wärme anschalten, um den Raum zu kühlen. Das Anschalten kann an der Steuerung des Kühl- und Heizgeräts (8) oder über eine App auf dem Smartphone erfolgen, welches mit der Steuerung des Kühl- und Heizgeräts (8) kabellos kommuniziert.This operating mode corresponds to that of a normal indoor unit of a split system without memory, and is used, for example, when the room users use the cooling and heating device ( 1 ) at lunchtime on availability of solar power and heat to cool the room. The switching on can be done on the control of the cooling and heating device ( 8th ) or via an app on the smartphone, which with the control of the cooling and heating device ( 8th ) communicates wirelessly.

Betriebsweise 2: Beladen des thermischen Speichers ( ). In der zweiten Betriebsweise ist die gewünschte Raumtemperatur erreicht, aber es steht noch weitere Antriebsenergie zur Verfügung. Deshalb kann der Kältespeicher (11) beladen werden: Es wird Kälte in den Speicherelementen (12) gespeichert.Operation 2: Loading the Thermal Storage ( ). In the second mode, the desired room temperature is reached, but there is still more drive energy available. Therefore, the cold storage ( 11 ): There is cold in the memory elements ( 12 ) saved.

Hier werden der Lufteinlass (3) durch den Lamellenverschluss des Lufteinlasses (27) und der Luftauslass (6) durch die Obere Verschlussklappe (26) geschlossen. Der Lamellenverschluss (24) des Kältespeichers (11) und die untere Verschlussklappe (25) werden dagegen geöffnet. Hierdurch wird die im Speicher befindliche Luft an dem Verdampfer/Kühlrohr (5) vorbei und durch die Luftkanäle (13) im Kältespeicher (11) immer wieder im Kreise geführt und dabei zunehmend abgekühlt. Dabei ist es günstig, wenn die Wandungen des Kältespeichers, insbesondere die obere Begrenzung (23) und untere Begrenzung des Kältespeichers (22), eine strömungsgünstige Form aufweisen. Die kältere Luft entzieht den Speicherelementen (12) Wärme, bis die darin befindlichen Phasenwechselmaterialien in den festen Aggregatzustand übergehen. Dieser Prozess kann nach dem Phasenwechsel des gesamten Speichermaterials noch fortgesetzt werden und der Kältespeicher (11) weiter abgekühlt werden, solange Antriebsenergie zur Verfügung steht und nicht anderweitig eingesetzt werden soll, solange noch tiefere Temperaturen erzeugt werden können oder der Wirkungsgrad des Kühl- und Heizgeräts (1) (auch unter Berücksichtigung anderer Nutzungsmöglichkeiten für die Antriebsenergie) bei tieferen Temperaturen noch als wirtschaftlich oder akzeptabel angesehen werden kann.Here the air intake ( 3 ) through the lamellar closure of the air inlet ( 27 ) and the air outlet ( 6 ) through the upper flap ( 26 ) closed. The lamella closure ( 24 ) of cold storage ( 11 ) and the lower flap ( 25 ) are opened against it. As a result, the air in the storage at the evaporator / cooling tube ( 5 ) and through the air channels ( 13 ) in the cold storage ( 11 ) repeatedly circulated and increasingly cooled. It is advantageous if the walls of the cold storage, in particular the upper limit ( 23 ) and lower limit of cold storage ( 22 ), have a streamlined shape. The colder air withdraws from the storage elements ( 12 ) Heat until the phase change materials therein transition to the solid state. This process can be continued after the phase change of the entire storage material and the cold storage ( 11 ) are cooled as long as drive power is available and should not be used otherwise, as long as even lower temperatures can be generated or the efficiency of the cooling and heating device ( 1 ) (even taking into account other uses for the drive energy) at lower temperatures can still be considered as economical or acceptable.

Betriebsweise 3: Raumkühlung aus dem Speicher ( ). In der dritten Betriebsweise schließlich wird das Kühl- und Heizgerät (1) mit der in den Speicherelementen (12) gespeicherten Kälte betrieben. Dazu wird der Lufteinlass (3) geöffnet, die untere Verschlussklappe (25) verschließt den Weg zum Verdampfer/Kühlrohr (5) und die Luft wird vom Gebläse (7) durch die Luftdurchlässe der Boxen (14) und durch die Luftkanäle (13) an den Speicherelementen (12) vorbei gezogen, dabei abgekühlt und anschließend durch den Luftauslass (6) mit der Verstell-Einrichtung (10) in den Raum geworfen.Operation 3: Room cooling from the storage tank ( ). Finally, in the third mode of operation, the cooling and heating device ( 1 ) with the in the memory elements ( 12 ) stored cold operated. For this purpose, the air intake ( 3 ), the bottom flap ( 25 ) closes the way to the evaporator / cooling tube ( 5 ) and the air is taken from the blower ( 7 ) through the air outlets of the boxes ( 14 ) and through the air channels ( 13 ) at the memory elements ( 12 ) pulled over, thereby cooled and then through the air outlet ( 6 ) with the adjustment device ( 10 ) thrown into the room.

Diese Betriebsweise wird gewählt, wenn keine Sonne mehr scheint und dadurch keine solare Antriebsenergie mehr zur Verfügung steht oder weil beispielsweise bei einem Netzausfall kein Strom mehr zur Verfügung steht. Oder auch trotz Verfügbarkeit von Strom, weil es unter Berücksichtigung von prognostiziertem Kältebedarf und ebenfalls prognostiziertem Dargebot von Antriebsenergie – ggf. auch unter Berücksichtigung von Wetterprognosen – wirtschaftlich erscheint, die gespeicherte Energie zu verbrauchen.This mode of operation is selected when no sun is shining and as a result no solar drive energy is available or because, for example, in the event of a power failure, no more power is available. Or despite the availability of electricity, because it seems economical taking into account the forecast refrigeration demand and also predicted offer of propulsion energy - possibly taking into account weather forecasts - to consume the stored energy.

Selbstverständlich sind durch eine entsprechende Luftlenkung auch Mischformen dieser Betriebsweisen denkbar, z. B. dass gleichzeitig eine direkte Kühlung und eine Kühlung aus dem thermischen Speicher erfolgen. Dadurch kann eine besonders große Kühlleistung abgerufen werden. Hierdurch kann entweder der Nutzerkomfort erhöht oder die Leistung alleine des Kühlrohrs zum Zwecke der Kosteneinsparung kleiner dimensioniert werden. Oder die Steuerung schaltet bei geringerem Kälteangebot im Kühlrohr als Kältebedarf im Raum in Intervallen von der direkten Kühlung auf Kühlung aus dem Speicher um. Umgekehrt kann die Steuerung bei größerem Kälteangebot im Kühlrohr als Kältebedarf im Raum in Intervallen von direkter Kühlung auf Speicherbeladung umschalten.Of course, by a corresponding air flow and mixed forms of these modes are conceivable, for. B. that simultaneously carried out a direct cooling and cooling from the thermal storage. As a result, a particularly large cooling capacity can be retrieved. As a result, either the user comfort can be increased or the power alone of the cooling tube can be made smaller for the purpose of cost savings. Or the controller switches from the storage at a lower cooling supply in the cooling tube than refrigeration demand in the room at intervals from the direct cooling to cooling. Conversely, when there is more refrigeration in the cooling tube, the controller can switch from direct cooling to storage loading at refrigeration needs in the room at intervals.

Daneben gibt es entsprechende Betriebsweisen für den reversiblen Betrieb des Kühl- und Heizgeräts zum Heizen: Das direkte Heizen (Betriebsweise 4), das Beladen des Speichers mit Wärme (Betriebsweise 5) und das Entladen des Speichers im Heizbetrieb (Betriebsweise 6), die ohne Abbildung sind. Hier wird das Kühlrohr (5) zum Heizrohr. Auch hier sind ebenso wie beim Kühlen selbstverständlich Mischformen der Betriebsweise möglich, die insbesondere zu einer Erhöhung der Heizleistung führen können.In addition, there are corresponding modes of operation for the reversible operation of the cooling and heating device for heating: the direct heating (mode 4), the loading of the memory with heat (mode 5) and the unloading of the memory in heating mode (mode 6), the figure without are. Here is the cooling tube ( 5 ) to the heating tube. Of course, as in the case of cooling, mixed forms of operation are also possible here, which in particular can lead to an increase in the heating power.

Claims

A cooling and heating device ( 1 ), characterized in that cold in a directly in the space to be cooled cooling and heating device ( 1 ) and its internal thermal storage ( 11 ) with memory elements ( 12 ) is stored from phase change materials and the cooling tube ( 5 ) and the memory elements ( 12 ) are directly flowed around by room air.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the memory elements ( 12 ) consist of two or more units of macro-encapsulated phase change material, preferably with walls of a flexible material, in particular plastic, rubber or metal.

A cooling and heating device ( 1 ) According to claim 1, characterized in that the memory elements ( 12 ) consist of microencapsulated phase change material.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that in the memory elements ( 12 ) phase change material consists of water, a water-salt solution or a eutectic gel.

A cooling and heating device ( 1 ) According to claim 1, characterized in that the memory elements ( 12 ) in air-permeable boxes ( 14 ).

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the generated cold by a corresponding steering of the air without flow through the thermal storage ( 11 ) by an electrically operated blower ( 7 ) can be blown directly into the room, for which the open upper limit ( 23 ) of the thermal storage ( 11 ) with a lamellar closure ( 24 ) can be closed.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a blower ( 7 ) the thermal storage ( 11 ) by circulating the air with the air intake closed ( 3 ) and air outlet ( 6 ), the walls, and in particular the lower ( 22 ) and upper limit ( 23 ) of the thermal storage ( 11 ) are preferably made streamlined.

A cooling and heating device according to claim 1, characterized in that the direct cooling with cooling tube ( 5 ) and the cooling from the thermal storage ( 11 ) or that direct cooling with cooling tube ( 5 ) and loading or unloading of the thermal store ( 11 ) are operated alternately.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the controller ( 8th ), the blower ( 7 ) and other internal power consumers network-independent of the electrical energy of a battery located in the cooling and heating device ( 9 ) can be operated.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that on the housing ( 2 ) of the cooling and heating device or the thermal storage ( 11 ) is located inside or outside thermal and / or acoustic insulation.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cooling and heating device at the footprint ( 19 ) at least one transport roller ( 21 ) and the cooling and heating device ( 1 ) so that it can be moved in space.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cooling and heating device an enlarged footprint ( 20 ) having.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the design is similar a radiator has a small depth in relation to the width and height, and preferably in the upper region a substantially over the entire width and / or depth going air outlet ( 6 ) having.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the entirety of cooling and heating device ( 1 ) and outdoor unit has a DC converter with tracker for the maximum power point of solar modules and thereby can directly use the direct current generated by solar panels.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the entirety of cooling and heating device ( 1 ) and the outdoor unit has an inverter which converts the direct current provided by solar modules into alternating current for operating the external electrical unit or the cooling and heating device ( 1 ) converts.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the power generated by solar modules via the inverter of the entirety of cooling and heating device ( 1 ) and outdoor unit can be fed into a network or in a power storage.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the controller ( 8th ) the operating mode - in particular direct cooling without flow through the storage tank, storage load and storage discharge as well as the respective intensity or the shutdown - depending on or in combination can depend on the following factors: - air conditions in the room; - weather conditions; - predicted future weather conditions; - availability of solar power or solar heat; - feed-in tariff of self-generated electricity and - purchase prices of mains electricity.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the controller ( 8th ) can communicate via interfaces via cable or radio with a higher-level control or with electronic devices of the users of the rooms.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the energy for cooling on the cooling tube ( 5 ) is generated by electric refrigerators from solar power or thermal refrigerators from solar heat.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that with the cooling tube ( 5 ) can also be heated (reversible cooling unit).

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the thermal storage ( 11 ) in the memory elements ( 13 ) can also store the heat generated (reversible thermal storage).

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 21, characterized in that the heat storage by the properties of the in the memory elements ( 12 ) phase change material, in particular by an evaporation temperature of about 100 ° C, or by the compressive strength of the wall of the memory elements ( 12 ), even at over 100 ° C can take place.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that all room air via the air inlet ( 3 ) into the cooling and heating device ( 1 ) and this air through an air filter ( 4 ) is cleaned.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that of the cooling tube ( 5 ) or of the memory elements ( 12 ) dripping condensation water or from leaky storage elements ( 12 ) leaking phase change material is collected and / or derived.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that through the air inlet ( 3 ) sucked air can be moistened.

A cooling and heating device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that through the air inlet ( 3 ) can be provided with desired substances (eg fragrances) or other desired properties (eg ionization).