DE2133060A1 - Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes und zugehoerige Anlage - Google Patents

Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes und zugehoerige Anlage

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Description

WpL-Zn8. Dipl. o»c. pubi. 02. JUIl 1971 DIETRICH LSWINSICY
PATENTANWALT 6 645 - V
8 MBnchen^l - Gotfhardstr. 81
Telefon So 17 02
SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES
(ALSTHOM)^
Paris 16e, 38, avenue Kleber (Frankreich)
„Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes und zugehörige Anlage" ί
Priorität vom 7.JuIi 19 70 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 70 25409
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes, z.B. eines Appartements, eines Büroraumes, einer Werkstätte oder einer Stallung und zwar durch einen Arbeitszyklus einer Wärmepumpe, während dem, sofern die Innentemperatur unterhalb eines gewünschten Wertes liegt, das umlaufende Medium durch Wärmeaustausch mit der eintretenden Außenluft kondensiert wird, wobei anschließend dieses Medium durch Austausch mit der austretenden Innenluft verdampft wird. Liegt die Innentemperatur über dem gewünschten Wert, so wird das umlaufende Medium durch Austausch mit der austretenden Innenluft kondensiert und durch Austausch mit der eintretenden Außenluft verdampft. Das erfindungsgemäße Verfahren erstreckt sich darüber hinaus auf Anlagen, die ein Anwenden dieses Verfahrens ermöglichen.
Bei den bekannten Verfahren dieser Art arbeitet die Wärmepumpe bei einem verhältnismäßig geringen Druckgefälle zwischen dem Kondensor und dem Verdampfer des umlaufenden Mediums. Hierbei wird jedoch nicht das Vereisen des Verdampfers vermieden, das auftritt, sobald die Temperatur des verdampfenden Mediums auf etwa -3°C absinkt. Diese Vereisung bewirkt eine Verringerung des Wärmeaustausch-Koeffizienten des Verdampfers. Demzufolge muß der Arbeitszyklus der Wärmepumpe für in bestimmten Abständen durchzu-
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führende Enteisungen unterbrochen werden, was wiederum eine zusätzliche Heizquelle erfordert, die diese Unterbrechung überbrückt, wodurch das Interesse für das obengenannte Klimatisierungsverfahren in Gegenden mit verhältnismäßig strengen Wintermonaten beeinträchtigt wird.
Es wäre zwischen zwei Außentemperatur-Zonen zu unterscheiden, die eine Vereisung des Verdampfers herbeiführen. Diese beiden Zonen sind durch eine Temperatur getrennt, die im folgenden Teil der Beschreibung als kritische Temperatur bezeichnet werden soll. Unterhalb dieser Temperatur liegt die für die Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur im Raum erforderliche Leistung, unter Berücksichtigung der Wärmeverluste des Raumes und der erforderlichen Wiederaufheizung der Ventilationsluft, über der Leistung, die vom Kompressor erbracht werden kann. Liegt die Außentemperatur über der kritischen Temperatur bzw. ist dieser gleichzusetzen, so kann ein Funktionsablauf ohne Vereisung des Verdampfers und ohne zusätzliche Heizquelle gewährleistet werden. Liegt die Außentemperatur jedoch unter der kritischen Temperatur, so erweist sich eine zusätzliche Wärmeleistung über eine zusätzliche Heizquelle, wie z.B. mit Hilfe eines oder mehrerer elektrischer Widerstände, als erforderlich. ,
In der Zielsetzung der Erfindung liegt demnach die Schaffung eines Verfahrens zur Klimatisierung, mit dem die genannten Nachteile während des Arbeitszyklus der Wärmepumpe vermieden werden und eine Funktion ohne Vereisung des Verdampfers auch dann gewährleistet werden kann, wenn die Außentemperaturen wesentlich unterhalb 00C liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren bezweckt darüber hinaus unabhängig von der Außentemperatur eine ι wirtschaftlichere Funktion des Wärmepumpenzyklus. Schließlich er- , ! möglicht der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Klima- | tisierung von Räumen, deren Bedarf voneinander abweicht, d.h. einmal inbezug auf die jeweils erforderliche Heizleistung dieser einzelnen Räume, die unterschiedlichen Ventilationsleistungen, die unterschiedlichen Wärmeverluste bzw. unterschiedliche Heiztemperaturen und zwar mit Hilfe von Wärmepumpen gleichen Aufbaus, wo-
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durch die Anzahl der Pumpenarmaturen, die für einen ziemlich um- ( fangreichen Wärmeleistungsbereich herzustellen wären, eingeschrärkjt
werden kann. J
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dadurch gekenn- j
zeichnet, daß die Durchschnittstemperatur der eintretenden Luft ■
bei Berührung mit dem Kondensor künstlich erhöht wird und zwar .
während Zeiträumen, in denen die Verdampfungstemperatur des im j
Wärmeaustausch mit der austretenden Luft stehenden Kühlmediums [
ausreichend niedrig liegt, um eine Vereisung der mit der austre- ; tenden Luft in Berührung stehenden Austauschoberfläche herbeifüh-j ren zu können. !
Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise zumindest eine der folgenden Besonderheiten auf:
- 'Die künstliche Erhöhung der Durchschnittstemperatur der eintre- I tenden und mit dem Kondensor in Berührung kommenden Luft wird zu-| mindest teilweise durch eine vorherige Aufheizung über eine auto- ' nome Wärmequelle, vorzugsweise einen elektrischen Widerstand, er- .; reicht.
- Die künstliche Erhöhung der Durchschnittstemperatur der mit dem Kondensor in Berührung kommenden Luft wird zumindest teilweise durch eine Abzweigung eines Teils der Außenluft erreicht, die mit dem anderen Teil zusammengeführt wird, der am Ausgang dieser den Kondensor durchlaufen hat.
- Die künstliche Erhöhung der Durchschnittstemperatur der mit dem Kondensor in Berührung kommenden Luft wird zumindest teilweise durch eine erneute Umwälzung eines Teils der im Kondensor am Eingang aufgeheizten Luft erreicht.
Eine in sich bekannte Wärmepumpe besteht aus einem Kompressor für das Kühlmedium, einer Leitung, die das verdichtete' Kühlmedium einem Kondensor zuführt, einem Kondensor mit Wärmeaustauschoberfläche mit einer ersten Luftströmung, ferner aus Vorrichtungen, die die erste Luftströmung mit der Wärmeaustauschoberfläche des Kondensors in Berührung bringen, einer Leitung, die das kondensierte Kühlmedium einem Druckminderventil zuführt, einen
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Druckminderventil, einer Leitung, die das entspannte Kühlmedium einem Verdampfer zuführt, einem Verdampfer mit Wärmeaustauschoberfläche mit einem zweiten Luftstrom, ferner aus Vorrichtungen, die diesen zweiten Luftstrom mit der Wärmeaustauschoberfläche des Verdampfers in Berührung bringen und aus einer Leitung, die das verdampfte Kühlmedium zum Kompressor leitet. Erfindungsgemäß umfaßt diese Anlage darüber hinaus Vorrichtungen, um die durchschnittliche Temperatur des ersten Luftstromes bei Berührung mit dem Kondensor künstlich zu erhöhen. Gemäß einer ersten Variante, die auch dann anwendbar ist, wenn die Außentemperatur unter der kritischen Temperatur liegt, handelt es sich bei diesen Vorrichtungen um eine autonome Heizquelle, d.h. vorzugsweise um einen elektrischen Widerstand, der oberhalb des Kondensors im Leitungszug des ersten Luftstromes angeordnet ist. Gemäß einer zweiten, bevorzugten AusführungsVariante,_die jedoch nur dann anwendbar ist, wenn die Außentemperatur nicht unter der kritischen Temperatur liegt, und bei der auf eine kostspielige, autonome Heizquelle verzichtet werden kann, handelt es sich bei den Vorrichtungen zur künstlichen Erhöhung der Temperatur des ersten Luftstromes bei Beruh- ; rung mit dem Kondensor um eine Leitung zur Abzweigung eines Teiles des ersten Luftstromes zwischen dem oberen und unteren Teil des Kondensors. Gemäß einer dritten, bevorzugten Ausführungsvariante, die unter den gleichen Bedingungen wie bei der zweiten anwendbar ist, handelt es sich bei den Vorrichtungen zur künstlichen Erhöhung der Durchschnittstemperatur des ersten Luftstromes bei Berührung mit dem Kondensor um eine Leitung zur erneuten Um-.wälzung eines Teiles des ersten Luftstromes zwischen dem unteren und dem oberen Teil des Kondensors. Diese bevorzugten Ausführungsvarianten können auch kombiniert werden, wobei, sofern die Außentemperatur unter der der Wärmepumpenanlage entsprechenden kritischen Temperatur liegt, insbesondere die erste Variante mit der zweiten oder mit der dritten Variante kombiniert werden kann.
Im folgenden Teil der Beschreibung wird nunmehr beispielhaft und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eine Wärmepumpen-Klimaanlage gemäß der Erfindung beschrieben, und zwar innerhalb ei-
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ner Funktionsweise, bei der die Ventilationsluft aufgeheizt werden muß.
Es zeigen:
Fig. 1 - eine Anlage, bei der die Erhöhung der Durchschnitts- j temperatur der Außenluft (Ventilationsluft) bei Berührung des Kondensors über elektrische Widerstände erfolgt;
Fig. 2 - eine Anlage, bei der die Erhöhung der Durchschnitts- i temperatur der Außenluft bei Berührung des Kondensors durch Abzweigung eines Teiles der eintretenden Luft ( erfolgt, die mit dem Hauptteil unterhalb des Kondensors! zusammengeführt wird und j
Fig. 3 - eine Anlage, bei der die Erhöhung der Durchschnittstemperatur der Außenluft bei Berührung des Kondensors durch erneute Umwälzung eines Teiles der unterhalb des Kondensors aufgeheizten Luft erfolgt.
Innerhalb der Darstellung der drei gezeigten Anlagen wird der zu beheizende Raum oberhalb der Zeichnung und die Außenatmosphäre unterhalb der Zeichnung angenommen. In der in Figur 1 gezeigten Anlage verdichtet der Kompressor 1 das gasförmige Kühlmedium, das vorzugsweise durch einen Fluorkohlenwasserstoff mit niedrigem Siedepunkt unter atmosphärischem Druck, wie z.B. einem unter der Bezeichnung „Freon" vertriebenen, oder ebenfalls durch Ammoniak oder schwefelhaltigen Anhydrid gebildet sein kann, und fördert dieses Medium in die Zufuhrleitung 2 des Kondensors 3. In diesem Kondensor verflüssigt sich das Kühlmedium, heizt die Ventilationsluft auf und strömt über die Leitung 4 zum Druckminderventil 5. Das entspannte Kühlmedium strömt nunmehr durch die Leitung 6 in den Verdampfer 7, in dem dieses verdampft und die verbrauchte Luft kühlt und trocknet, die anschließend aus dem Raum herausgedrückt wird. Das Kühlmedium strömt nunmehr über die Leitung 8 zum Ansaugteil des Kompressors 1.
Die verbrauchte Luft wird aus dem Raum über eine Lei tung 9 unter Mitwirkung eines Ventilators 10 herausgeführt. Diese
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wird bei der Berührung des Verdampfers 7 abgekühlt und getrocknet, wobei das Kondenswasser über nicht dargestellte Vorrichtungen abgeführt wird.
Die Ventilationsluft wird unter Mitwirkung eines Ventilators 12 über die Leitung 11 in den Raum geführt. Gegebenenfalls bewirkt ein elektrischer Widerstand 13 eine erste Aufheizung der Luft, bevor diese mit dem Kondensor 3 in Berührung kommt. Die den Kondensor berührende, aufgeheizte Luft wird gegebenenfalls durch Berührung des Widerstands 14 nochmals auf die gewünschte Einführungstemperatur aufgeheizt, die im allgemeinen zumindest 35°C beträgt. Ein weiterer Widerstand 15 ist ferner an der Aufheizung befe teiligt, wenn die Außentemperatur sehr tief liegt. Die Heizleistung des Widerstands 14 ist beispielsweise in der Form ausgelegt, daß die gewünschte Einführungstemperatur gewährleistet wird, wenn die Außentemperatur'-5°C beträgt. Die Heizleistung des Widerstands 15 ist so berechnet, daß zusammen mit dem Widerstand 14· die gewünschte Einführungstemperatur erreicht wird, wenn die Außentemperatur -100C beträgt.
Bei der.in Figur 2 gezeigten Anlage ist der Funktionszyklus der Wärmepumpe sowie die Abführungsleitung für die verbrauchte Luft mit denen der in Figur 1 gezeigten und beschriebenen Anlage identisch, wonach auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden kann. Die Frischluftzufuhrlextung 11 besitzt eine als Ne- h benkanal wirkende Abzweigung 16, die mit einem Durchflußregelventil 17 ausgerüstet ist. Wie durch die Pfeile dargestellt wurde, strömt ein Teil der eintretenden Luft über die Abzweigung 16 und j vermischt sich mit dem Hauptteil unterhalb des Kondensors 3 und zwar unter der Saugwirkung des Ventilators 12. Demzufolge erhöhen . sich die Durchschnittstemperatur der Luft im Kondensor und die Kondensationstemperatur. Hieraus ist zu ersehen, daß bei einem 'schnellen Absinken der Außentemperatur eine schnelle Kompensie- ;rung durch die Anlage erfolgt, ohne daß hierzu zusätzliche Vor- , richtungen erforderlich sind. In der in Figur 3 gezeigten Anlage ist der Arbeitszyklus der Wärmepumpe und die Abführleitung der , verbrauchten Luft mit denen der Anlagen in Figur 1 und 2 vergleichf-
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bar. An die Frischluftzufuhrleitung 11 ist eine Leitung zur erneu-!
ten Umwälzung 18 angeschlossen, die mit einem Regelventil 19 versehen ist. Wie durch die Pfeile angedeutet wird, ermöglicht die j Leitung 18 eine Umwälzung oberhalb des Kondensors 3 eines Teiles ■ der bereits an diesem Kondensor aufgeheizten Luft. Da die Zufuhr der den Kondensor berührenden Luft über der in den Raum geförderten Luftmenge liegt, liegt die Eingangstemperatur über der, die sich ohne eine erneute Umwälzung ergeben hätte, wobei die Ausgangsf
temperatur praktisch unverändert bleibt. Durch diese Anordnung wird somit eine Erhöhung der Temperatur des kondensierten Kühlmediums und damit eine Erhöhung der Verdampfungstemperatur dieses Kühlmediums bewirkt, wodurch die Gefahr einer Vereisung vermieden wird und hierzu nur ein Ventilator erforderlich ist, dessen Leistung etwas über dem liegt, der erforderlich wäre, wenn keine erneute Umwälzung stattfinden würde.
Es wäre möglich, die eingeführte Luft nicht nur mit der erneut umgewälzten Luft unterhalb des Kondensors, sondern auch mit der aus der Raumatmosphäre entnommenen Luft zu vermischen. Hiermit könnte die Eingangstemperatur der Luft am Kondensor erhöht werden. Diese Erhöhung wäre jedoch nur sehr geringfügig, da das Temperaturgefälle zwischen der Außenluft und der Luft der Raumatmosphäre nicht sehr groß ist. Demgegenüber würde der den Kondensor berührenfde Luftstrom zunehmen, so daß die Durchschnittstemperatur der den Kondensor berührenden Luft nicht unbedingt ansteigen muß. Demzufolge ist auf diese Möglichkeit im allgemeinen zu verzichten.
Aus der Darstellung wird ersichtlich, daß innerhalb des Rahmens der Erfindung zahlreiche Änderungen möglich sind, die das beschriebene Verfahren und die zugehörigen Anlagen betreffen und gleichfalls zum Umfang der Erfindung gehören. Bestimmte Vorgänge und Vorrichtungen können durch andere erfüllt werden, die die gleiche technische Aufgabe erfüllen. Insbesondere können hierbei die Abzweigungsleitungen und Umwälzleitungen unterteilt werden und sich nur auf einen Teil der Wärmeaustauschoberfläche des Kondensors beziehen. Bei den autonom arbeitenden Wärmequellen kann es sich um Gasbrenner oder solche mit flüssigen Brennstoffen handeln. Der Arbeitszyklus der Wärmepumpe kann in Kompressions- und/oder Entspannungsphasen unterteilt werden.
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Claims (8)

Patentansprüche :
1.!Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes durch den Arbeitszykk ^ lus einer Wärmepumpe, während dem, sofern die Innentemperatur i unterhalb eines gewünschten Wertes liegt, das umlaufende Kühl- : medium durch Wärmeaustausch mit der eintretenden Außenluft kondensiert wird, wobei anschließend dieses Kühlmedium durch Aus- ' tausch mit der austretenden Innenluft abgekühlt wird, daß, sofern die Innentemperatur über dem gewünschten Wert liegt, das Kühl- . medium durch Austausch mit der austretenden Innenluft kondensiert wird, wonach dieses durch Austausch mit der eintretenden Außenluft verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Vereisung auf der Verdampfungsoberfläche während Zeiträumen, in denen die Verdampfungstemperatur des im Wärmeaustausch mit der austretenden Luft stehenden Kühlmediums ausreichend niedrig liegt, um eine Vereisung der mit der austre- W tenden Luft in Berührung stehenden Austauschoberfläche herbei- · führen zu können, die Durchschnittstemperatur der mit dem Kon- ' ι densor (3) in Berührung kommenden Luft künstlich erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Erhöhung der Durchschnittstemperatur der mit dem Kondensor (3) in Berührung kommenden Luft zumindest teilweise durch eine vorherige Aufheizung mit Hilfe einer autonomen Wärmequelle, vorzugsweise mit einem elektrischen Widerstand (13,
'. 14,15) bewirkt wird. '.
■ I
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die künstliche Erhöhung der Durchschnittstemperatur der mit
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dem Kondensor (3) in Berührung kommenden Luft zumindest teilweise durch eine Abzweigung (16) eines Teiles der Außenluft erreicht wird, die mit dem anderen Teil aasammengeführt wird, der am Ausgang dieser den Kondensor (3) durchlaufen hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Erhöhung der Durchschnittstemperatur der mit dem Kondensor (3) in Berührung kommenden Luft zumindest teilweise durch eine erneute Umwälzung eines Teiles der im Kondensor (3) am Eingang aufgeheizten Luft erreicht wird.
5. Anlage zur Einsetzung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anlage folgende Elemente umfaßt: einen Kompressor (1) für das Kühlmedium, einen Kondensor (3) für das Kühlmedium mit Wärmeaustauschoberfläche und einem ersten Luftstrom, Leitungen, um die Kühlflüssigkeit des Kompressors (1) zum Kondensor (3) zu leiten, Leitungen, um den ersten Luftstrom mit der Wärmeaustauschoberfläche des Kondensors (3) in Berührung zu bringen, ein Druckminderventil (5) für das Kühlmedium, Leitungen, um das Kühlmedium vom Kondensor (3) zum Druckminderventil (5) zu führen, einen Verdampfer (7) für das Kühlmedium mit Wärmeaustauschoberfläche und einem zweiten Luftstrom, Leitungen, um das Kühlmedium vom Druckminderventil (5) zum Verdampfer (7) zu führen, Leitungen, um den zweiten Luftstrom mit der Wärmeaustauschoberfläche des Verdampfers (7) in Berührung zu bringen, sowie Leitungen, um das verdampfte Kühlmedium zum Kompressor (1) zurückzuführen, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage mit Vorrichtungen versehen ist, um die Durchschnittstemperatur des ersten Luftstromes bei Berührung mit dem Kondensor (3) künstlich zu erhöhen.
6, Anlage zur Einsetzung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Vorrichtungen zur künstlichen Erhöhung der Durchschnittstemperatur des ersten Luftstromes bei Berührung des Kondensors (3) zumindest teilweise um eine autonome Heizquelle, vorzugsweise um einen elektrischen Widerstand (13,14,15) handelt, der oberhalb des Kondensors (3) im Leitungszug des ersten Luftstromes angeordnet ist.
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7. Anlage zur Einsetzung des Verfahrens nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Vorrichtungen zur
künstlichen Erhöhung der Durchschnittstemperatur des ersten
Luftstromes bei Berührung des Kondensors (3) zumindest teilweise um eine Abzweigung (16) eines Teiles des ersten Luftstromes
zwischen dem oberen und unteren Teil des Kondensors (3) handelt.
8. Anlage zur Einsetzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Vorrichtungen zur künstlichen Erhöhung der Durchschnittstemperatur des ersten Luftstromes bei Berührung des Kondensors (3) zumindest teilweise um eine Leitung zur erneuten Umwälzung (18) eines Teiles des ersten Luftstromes zwischen dem unteren und dem oberen Teil des Kondensors (3) handelt.
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