DE2502072A1

DE2502072A1 - Vorrichtung zur behandlung von luft fuer einen oder mehrere raeume

Info

Publication number: DE2502072A1
Application number: DE19752502072
Authority: DE
Inventors: Tord Herlog Ingemar Karlsson
Original assignee: Svenska Flaktfabriken AB
Current assignee: Svenska Flaktfabriken AB
Priority date: 1974-01-21
Filing date: 1975-01-20
Publication date: 1975-07-31
Also published as: FI57657B; NO142491B; FI750123A; SE390209B; JPS589344B2; DE2502072C3; NO142491C; FR2258604B1; DE2502072B2; DK15175A; FR2258604A1; FI57657C; BE824568A; CH594178A5; US3995809A; JPS50107547A; IT1028430B; GB1500212A; SE390209C; NL7500642A

Description

HOFFMANN <& SITLH PATENTANWÄLTE

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Aktieboläget Svenska Fläktfabriken, Nacka, Schweden

Vorrichtung zur Behandlung von Luft für einen oder

mehrere Räume

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Luft für einen oder mehrere Räume unter Anwendung von Wärmepumpen.

Um die ständig steigenden Ansprüche an die Leistungsfähigkeit in einem großen Arbeitsbereich und an die Wirtschaftlichkeit eines Betriebes besser zufriedenzustellen, wird die Funktion herkömmlicher Luftbehandlungsgeräte immer häufiger um ein Wärmepumpenverfahren

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ORfGlNAL INSPECTED-

ergänzt. Die Wärmepumpe dient dabei im Winter als Heizungssystem und im Sommer als Kühlsystem. Sie erfüllt den gleichen Zweck auch bei Klimaschwankungen während der übrigen Jahresund Tageszeiten, die Erwärmung bzw. Kühlung verlangen, um das Klima im Inneren eines Hauses behaglich zu gestalten. In diesem Zusammenhang ist die Charakteristik einer Wärmepumpe von Interesse, die bekanntlich mehr Energie erzeugt als für den Betrieb des Prozesses erforderlich ist. Dieses Argument ist deshalb besonders zu erwähnen, weil bisher die Anlage - und Unterhaltungskosten einer in Klimageräten integrierten Wärmepumpe der Anwendung in einem breiteren Ausmaß allzu oft hindernd im Wege standen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Klimaanlagen der vorgenannten Art die richtige Ausnutzung der guten Eigenschaften von Wärmepumpen zu ermöglichen, deren Nachteile jedoch möglichst weitgehend zu vermeiden, und die in ihr enthaltenen Komponenten vor solchen Beanspruchungen zu schützen, wie sie bei einem großen Arbeitsbereich und starken BelastungsSchwankungen auftreten.

Großer Arbeitsbereich und starke Belastungsschwankungen bringen bekanntlich für eine Wärmepumpe den Nachteil eines hohen Verdichtungsverhältnisses für den Kompressor in der Wärmepumpe mit sich. Ferner bringen sie niedrige Verdampfungstemperaturen sowie hohe Druckrohrtemperaturen mit sich. Desgleichen haben Entfrostung und Wechsel zwischen Heiz- und Kühlbetrieb bekanntlich schnelle Temperaturwechsel und umgekehrten Kältemittelfluß zur Folge. Es ist ferner bekannt, daß durch Niederregelung niedrige Gasgeschwindigkeiten und unterbrochener Lauf bewirkt werden. Starts dagegen mit einem Wärmetauscher, der durch Außenluft stark niedergekühlt ist, können Kältemittel im Öl mit sich bringen. Die vorstehend genannten Nachteile haben zur Folge, daß Kompressions-

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teile sowie Expansions- und Umsteuerungsventile wie auch die elektrischen Wicklungen für die Motoren in den Wärmepumpenanlagen zusätzlich beansprucht werden.

Die oben aufgeführte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine Basiswärmepumpe und mindestens eine Zusatzwärmepumpe vorgesehen sind, wobei die Zusatzwärmepumpe unterbrechend und nur bei besonders niedrigen Außentemperaturen arbeitet, und die Wärme für die Basiswärmepumpe mittels eines in einem Abluftkanal angebrachten, als Verdampfer bzw. Kondensator arbeitenden Wärmetauschers aufgenommen bzw. abgegeben wird, und daß · die Wärme für die Zusatzwärmepumpe mittels eines in einem gesonderten Zuluftkanal für Außenluft angebrachten, als Verdampfer bzw. Kondensator arbeitenden Wärmetauschers aufgenommen bzw. abgegeben wird, ferner daß die Basiswärmepumpe so bemessen und ausgeführt ist, daß der Druckpegel in ihrer wärmeaufnehmenden Batterie im Erwärmungsfall auf einen solchen niedrigsten Wert regelbar ist, daß Frost auf der kalten Oberfläche der Batterie vermieden wird, wodurch die Basiswärmepumpe kontinuierlich (d.h. ohne Unterbrechung für Entfrostung) arbeiten kann und mit so großer Kapazität bemeßbar ist, daß unterbrechende Betriebsperioden der Zusatzwärmepumpe auf die Klimaperioden begrenzt werden können, in denen die Temperatur der Außenluft so niedrig ist, daß deren Feuchtigkeitsgehalt niedrig, und somit der hierdurch verursachte Frostbelag gering ist.

Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die im Zuluftstrom des Raumes (bzw. der Räume) angeordnete wärmeabgebende Batterie der Zusatzwärmepumpe dort angeordnet ist, wo die Luft ihre niedrigste Temperatur hat, was ein für den Kompressorprozeß

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günstiges Verdichtungsverhältnis mit mäßigen Gastemperaturen und geringen Materialbeanspruchungen mit sich bringt.

Einem Kennzeichen für eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung gemäß wird die zur Entfrostung der Zusatzwärmepumpe erforderliche Wärme der von der Basiswärmepumpe stammenden Kondensatorwärme zwecks Beschleunigung der Entfrostung entnommen, wodurch die Entfrostungsperioden in dem Raum (bzw. den Räumen ) wenig fühlbar werden.

Die Erfindung wird nachstehend näher erklärt und beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird:

Fig. 1 zeigt schematisch die Funktion der Anordnung und die darin enthaltenen Teile im Winterbetrieb, d.h. beim Heizen,

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm (Druck als Funktion der Enthalpie) die Arbeitsweise der Basiswärmepumpe bzw. die Arbeitsweise der Zusatzwärmepumpe in der Vorrichtung,

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung beim Entfrosten der Zusatzwärmepumpe,

Fig. 4 zeigt schematisch die Arbeitsweise der Anordnung in einem Zustand gemäß Anspruch 3,

Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung, in der auch die Basiswärmepumpe mit einem 4-Wegeventil ausgerüstet ist, um auch die Basiswärmepumpe im Sommerbetrieb zum Kühlen verwenden zu können, und

Fig. 6 zeigt sehematisch die Funktion der Anordnung und die darin enthaltenen Teile im Sommerbetrieb, d.h.beim Kühlen sowohl mit der Basiswärmepumpe als auch der Zusatzwärmepumpe.

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Die Vorrichtung besteht, wie aus den Figuren 1,3 und 4 hervorgeht, aus jeweils zwei geschlossenen Systemen, von denen das jeweils unten dargestellte eine Basiswärmepumpe und das jeweils oben dargestellte eine Zusatzwärmepumpe ist. In allen Figuren sind die warmen Teile und die Leitungen, die warmes Medium befördern, mit schraffierten Pfeilen C=*$) bezeichnet, während kalte Teile und Leitungen, die kaltes Medium befördern, mit unausgefüllten Pfeilen ( ^) bezeichnet sind. Leitungen, die Flüssigkeit befördern, sind in den Figuren mit schwarz ausgefüllten Pfeilen (mmm^) be-: zeichnet.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen in jedem System, d.h. sowohl der Basiswärmepumpe, als auch der Zusatzwärmepumpe, angeordneten Kompressor. 2 bezeichnet ein sog. 4-Wegeventil. 3, 4 bezeichnet Wärmetauscher, von denen in jedem System ein Verdampfer und 4 ein Kondensator ist.5 bezeichnet eine Warmgasleitung vom Kompressor 1 zum Kondensator 4, und 6 eine Flüssigkeitsleitung vom Kondensator 4 zum Verdampfer 3.

7 ist eine Saugleitung von Verdampfer 3 zum Kompressor 1_;.

8 bezeichnet ein Drosselmittel in der Flüssigkeitsleitung 6 zwischen dem Kondensator 4 und Verdampfer 3. 9^aund 9b bezeichnen einen Außenluftstrom für die Zusatzwärmepumpe, loaund 1ob bezeichnen einen Außenluftstrom für Lüftungszwecke. Die Pfeile 11a und 11b bezeichnen einen dem Raum entnommenen Luftstrom, der als Abluft zur Atmosphäre abgeleitet wird. Die Pfeile 12a und 12b bezeichnen einen dem Raum entnommenen Strom, der als Rückluft dem Raum wieder zugeführt wird und zusammen mit dem Außenluftstrom 1oa-1ob die Zuluft 14 des Systemes bildet. Mit 13 ist die insgesamt in die Atmosphäre entweichende Luft bezeichnet.

In Fig. 2 sind in einem Druck-Enthalpie-Diagramm mit durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien als Beispiel gewählte

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Fälle des geschlossenen Arbeitsbereiches für eine Basiswärmepumpe bzw. eine Zusatzwarmepumpe eingezeichnet. Die Achsen stellen auf bekannte Weise die Enthalphie- bzw. Druckwerte während des geschlossenen Prozeßverlaufes dar. Die untere Grenzkurve 1-2 bezeichnet die Linie für den flüssigen Zustand, und die obere Grenzkurve 2-3 die Linie für den gasförmigen Zustand (trockener, gesättigter Dampf). Der Bereich für feuchten Dampf wird durch die beiden Grenzlinien 1-2 bzw. 2-3 abgegrenzt. 2 bezeichnet den sogenannten kritischen Punkt. Der Arbeitsbereich der Basiswärmepumpe ist mit A-B-C-D-A, und der entsprechende Arbeitsbereich für die Zusatzwärmepumpe mit A¹- B'-C-D'-A¹ bezeichnet. Die Strecke A-B stellt dabei die Ausdehnung des Mediums (der Flüssigkeit) dar, die in der Leitung 6 in Fig. 1 beim Passieren des Drosselmittels erfolgt. Dieser Teil des Prozesses bedeutet, wie dargestellt, eine Druckabsenkung, die gemäß der Erfindung jedoch nur in einem solchen Grad erfolgt, daß Frostbildung vermieden wird. Die Strecke B-C stellt eine Verdampfung, unter Beibehaltung des Druckes im Verdampfer 3 in Fig. 1 dar. Das Medium gelangt nach Passieren des 4-Wegeventiles 2 zum Kompressor 1, wo unter Temperaturanstieg die Verdichtung erfolgt, die im Diagramm mit C-D bezeichnet ist. In Punkt D und rechts außerhalb der Grenzlinie 2-3 tritt das Medium nun in Form von überhitztem Dampf auf. Dieser Dampf wird zum Erwärmen der Außenluft 1oa-1ob und Rückluft 12a-12b im Kondensator 4 ausgenutzt, die in erwärmtem Zustand dem Raum (bzw. den Räumen) als Zuluft 14 zugeführt wird. Das Kondensieren des Mediums im Kondensator 4 bedeutet einen Übergang vom Zustand Dampf in den Zustand Flüssigkeit, wobei Wärme frei wird. Die entsprechenden Teile des Arbeitsverlaufes für die Zusatzwarmepumpe sind mit A'-B¹ und B'-C sowie C-D' und schließlich D'-A¹ bezeichnet. Die Basiswärmepumpe ist gemäß der Erfindung für

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den Betrieb innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches, in dem keine Frostbildung erfolgt, ausgeführt, während die Zusatzwärmepumpe für den Bereich über einen größeren Arbeitsbereich ausgebildet ist.

Durch die vorstehend beschriebene Gestaltung der Vorrichtung kann die Kapazität der Basiswärmepumpe so bemessen werden, daß die Betriebsperioden der Zusatzwärmepumpe im Winterbetrieb auf Klimaperioden begrenzt sind, in denen die Temperatur der Außenluft derart niedrig ist, daß auch deren Feuchtigkeitsgehalt niedrig ist, und somit der aufgrund des Feuchtigkeitsgehaltes verursachte Frostbelag gering bleibt.

Beim Entfrosten der Zusatzwärmepumpe gemäß Fig. 3 hat das 4-Wegeventil 2 der Zusatzwärmepumpe die entgegengesetzte Einstellung als in Fig. 1, d.h. im Falle der Erwärmung. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Funktion wird Wärme vom Wärmeaustauscher 4 zum Wärmeaustauscher 3 der Zusatzwärmepumpe übertragen und dadurch ein Entfrosten des Wärmeaustauschers 3 bewirkt. Der im Außenzuluftstrom angeordnete Wärmeaustauscher 4 arbeitet dabei vorübergehend als Verdampfer, während der Wärmeaustauscher 3 vorübergehend als Kondensator arbeitet. Die in den Zuluftstrom 14 eingebaute Batterie 4 der Zusatzwärmepumpe ist an einer Stelle angeordnet, an der die Lufttemperatur ihren niedrigsten Wert hat, d.h. vor dem Wärmeaustauscher 4 der Basiswärmepumpe. Dies erbringt ein für den Verdichtungsprozeß vorteilhaftes Verdichtungsverhältnis mit niedrigen Gastemperaturen und einer niedrigen Beanspruchung des Materials. ,

Wie in Fig. 4 gezeigt ist es auch möglich anstelle der im ^Vorangegangenen beschriebenen Anordnung den im Zuluftstrom liegenden Wärmeaustauscher 4 der Basiswärmepumpe vor dem

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im gleichen Luftstrom angeordneten Wärmeaustauscher 4 der Zusatzwärmepumpe anzuordnen. Aufgrunddessen wird die für das Entfrosten der Zusatzwärmepumpe notwendige Wärme von der von der Basiswärmepumpe herrührenden Kondensatorwärme entnommen, um das Entfrosten zu beschleunigen, so daß die Entfrostungsperioden in dem Raum bzw. den Räumen kaum fühlbar werden.

In der Praxis kann es zweckmäßig sein, auch den Basiswärmepumpenzweig mit einem 4-Wegwentil 2, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, auszustatten. Der übrige Teil der Fig. zeigt dieselbe Arbeitsweise wie die Fig. 1. Dank dieser Ausrüstung kann die Anordnung im Sommer zur Kühlung eines oder mehrerer Räume mit Hilfe von einer oder auch beiden Wärmepumpen verwendet werden. Wird die Anordnung für das Kühlen im Sommerbetrieb, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, verwendet, so bewirkt eine Umsteuerung der Wärmeaustauscher 3 und 4 durch das 4-Wegeventil 2, daß der Wärmeaustauscher 3 als Kondensator und der Wärmeaustauscher 4 als Verdampfer wirkt, und zwar entweder in beiden Wärmepumpen, also in der Basiswärmepumpe und in der Zusatzwärmepumpe, oder in nur einer von beiden. Bei einem Umschalten eines oder beider 4-Wegeventile wirkt die Leitung 5 als Saugleitung zwischen dem Verdampfer 4 und dem Kompressor 1, während die Leitung 7 als Heißgasleitung vom Kompressor 1 zu den Kondensatoren wirkt, die der Luft angeordnet sind, und zwar in bereits verbrauchter Luft im Basiswärmepumpenzweig im unteren Teil der schematischen Darstellung bzw. in Außenluft im Zusatzwärmepumpenzweig im oberen Teil der schematischen Darstellung.

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Claims

Patentansprüche

( 1.J Vorrichtung zur Behandlung von Luft für einen oder mehrere Räume unter Anwendung von Wärmepumpen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Basiswärmepumpe und mindestens eine Zusatzwärmepumpe vorgesehen sind, wobei die Zusatzwärmepumpe unterbrechend und nur bei besonders niedrigen Außentemperaturen arbeitet, und die Wärme für die Basiswärmepumpe mittels eines in einem Abluftkanal (11a-11b) angebrachten, als Verdampfer bzw. Kondensator arbeitenden Wärmetauschers aufgenommen bzw. abgegeben wird, und daß die Wärme für die Zusatzwärmepumpe mittels.. eines in einem gesonderten Zuluftkanal (9a-9b) für Außenluft angebrachten, als Verdampfer bzw. Kondensator arbeitenden Wärmetauschers aufgenommen bzw. abgegeben wird, ferner daß die Basiswärmepumpe so bemessen und ausgeführt ist, daß der Druckpegel in ihrer wärmeaufnehmenden Batterie (3) im Erwärmungsfall auf einen solchen niedrigsten Wert regelbar ist, daß Frost auf der kalten Oberfläche der Batterie (3) vermieden wird, wodurch die Basiswärmepumpe kontinuierlich (d.h. ohne Unterbrechung für Entfrostung) arbeiten kann und mit so großer Kapazität bemeßbar ist, daß unterbrechende Betriebsperioden der Zusatzwärmepumpe auf die Klimaperioden begrenzt werden können, in denen die Temperatur der Außenluft (9a, 1oa) so niedrig ist, daß deren Feuchtigkeitsgehalt niedrig, und somit der hierdurch verursachte Frostbelag gering ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zuluftstrom (14) des Raumes (bzw.der Räume) angeordnete wärmeabgebende Batterie (4) der Zusatzwärmepumpe dort angeordnet ist, wo die Luft ihre niedrigste Temperatur hat, was ein für den Kompressorprozeß günstiges Verdichtungsverhältnis mit mäßigen Gastemperatufen und geringen Materialbeanspruchungen mit sich bringt,

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Entfrostung der Zusatzwärmepumpe erforderliche Wärme der von der Basiswärmepumpe stammenden Kondensatorwärme zwecks Beschleunigung der Entfrostung, entnommen wird, wodurch die Entfrostungsperioden im Raum (bzw. in den Räumen) weniger fühlbar werden.

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