DE2536124B2 - Vorrichtung zum Temperieren von Räumen, die mit Kälteanlagen betriebene Kühleinrichtungen enthalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren von Räumen, die mit Kälteanlagen betriebene Kühleinrichtungen enthalten, mit Zuluftkanal und Abluftkanal, die über eine Wärmepumpe miteinander in Verbindung stehen, wobei aus dem Zuluftkanal ein Vorwärmkanal abzweigt, der zum Zuluftkanal parallel verläuft und wieder in den Zuluftkanal einmündet und der in den Bereichen der Abzweigung und Einmündung aus bzw. in den Zuluftkanal je eine regelbare Luftklappe aufweist, und wobei im Vorwärmkanal mindestens einer der Verflüssiger der Kälteanlagen der Kühleinrichtung angeordnet ist.

Aus »Ki Klima- und Kälteingenieur«, Heft 3/1975, Seiten 75—78 ist ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung bekannt, das sich in Räumen, die mit Kälteanlagen betriebene Kühleinrichtungen enthalten, anwenden läßt. Dieser Druckschrift sind jedoch keine weiteren Hinweise zu entnehmen, die auf eine günstige Ausgestaltung der Heizvorrichtung hinweisen.

ίο Weiterhin sind in Heft 9, 1973, Seiten 728—730 von »Sanitär- und Heiztechnik« Verfahren zur Wärmerückgewinnung in lüftungstechnischen Anlagen beschrieben. Dabei wird einem warmen Abluftstrom Wärme entzogen und auf einen kalten Zuluftstrom übertragen.

Als Möglichkeit für eine derartige Wärmerückgewinnung wird zum einen der Einsatz von Wärmepumpen und zum anderen der Einsatz von regenerativen und rekuperativen Wärmeübertragern genannt. Hinweise auf eine gemeinsame Anwendung von Wärmepumpen und Wärmeübertragern sowie deren vorteilhafte Anordnung können dieser Druckschrift jedoch nicht entnommen werden.

Bei bekannten, nach dem Prinzip der Wärmepumpe arbeitenden Vorrichtungen der eingangs genannten Art dient der Verflüssiger der Wärmepumpe zum Beheizen und der Verdampfer der Wärmepumpe zum Kühlen der Luft. Um die Wärmepumpe mit möglichst geringem Energieaufwand betreiben zu können, ist es notwendig, daß die am Verflüssiger und am Verdampfer vorbeigeführte Luft konstante Werte bezüglich Menge und Temperatur aufweist. Temperaturschwankungen und dadurch bedingte wechselnde Temperaturdifferenzen zwischen dem Zuluftstrom und dem Abluftstrom bewirken dagegen eine Änderung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe und sind deshalb unerwünscht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die nur einen geringen Energiebedarf hat, einfach im Aufbau und vielseitig verwendbar ist und bei der günstige Voraussetzungen für den Betrieb der Wärmepumpe vorliegen sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zuluftkanal und der Abluftkanal außer über die Wärmepumpe noch durch einen gemeinsamen Wärmeübertrager miteinander verbunden sind, daß der Wärmeübertrager leistungsregulierbar ist und daß der Verflüssiger bzw. der Verdampfer der Wärmepumpe im Zuluftkanal und im Abluftkanal strömungsmäßig dem Wärmeübertrager jeweils nachgeschaltet sind.

Die erfindungsgemäße gemeinsame Verwendung einer Wärmepumpe und eines Wärmeübertragers ermöglichen bei der obengenannten Anordnung des Wärmeübertragers einen besonders günstigen Betrieb der Wärmepumpe. Bevor der Verflüssiger bzw. der Verdampfer der Wärmepumpe vom Zuluftstrom oder vom Abluftstrom bestrichen wird, erfolgt bereits eine Angleichung der Temperaturen dieser Ströme mittels des Wärmeübertragers. Am Verflüssiger und am Verdampfer der Wärmepumpe liegt deshalb eine relativ konstante Temperatur vor, die beim Heizbetrieb der Anlage etwas niedriger und beim Kühlbetrieb etwas höher als die Raumtemperatur ist. Dies hat nicht nur den Vorteil, daß die Wärmepumpe bei im wesentlichen konstanten Temperaturen betrieben werden kann, sondern trägt auch zur Steigerung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe bei, da dieser mit abnehmender Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger ansteigt.

Durch den Einsatz eines leistungsregulierbaren Wärmeübertragers ist es möglich, die günstigsten Betriebsbedingungen für die Wärmepumpe auch bei wechselnden Voraussetzungen bezüglich der Temperaturen des Raumes oder der Zuluft sowie der Menge der zugeführten Zuluft einzuhalten. Als leistung ;regulierbarer Wärmeübertrager kann beispielsweise ein Regenerativ-Wärmeübertrager verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Motorverdichter der Kälteanlagen der Kühleinrichtungen und der Wärmepumpe im Abluftkanal so angeordnet, daß der Abluftstrom die Motorverdichter bestreicht, bevor er Wärme an den Zuluftstrom überträgt Die Motorverdichter werden bei einer derartigen Anordnung stets auf konstanter Temperatur gehalten, was sich günstig auf ihr Betriebsverhalten auswirkt Darüber hinaus wird dadurch eine besonders platzsparende und kompakte Bauweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht

Eine andere günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zwischen dem 'Zuluftkanal und dem Abluftkanal einen durch Luftklappen verschließbaren Verbindungskanal auf, der strömungsmäßig im Zuluftkanal nach dem Wärmeübertrager bzw. im Abluftkanal vor dem Wärmeübertrager angeordnet in. Dabei ist es günstig, wenn im Abluftkanal vor den¹ Verdampfer bzw. Verflüssiger der Wärmepumpe ein zusätzlicher mit Luftklappen verschließbarer und mit der Außenluft in Verbindung stehender Kanal einmündet Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung mit niedrigerer Zuluftmenge betrieben werden kann, während die Wärmepumpe weiterhin laufen kann.

Mit Vorteil lassen sich sämtliche Einzelteile der Vorrichtung, beispielsweise ein Teil des Zuluftkanals und des Abluftkanals, Luftfilter, Ventilatoren, Verdampfer und Verflüssiger der Wärmepumpe, Luftklappen, Lufterhitzer, Vorwärmer, Motoren für die Verdichter der Kühleinrichtungen und der Wärmepumpe und zusätzliche Kanäle zur Führung der Luft sowie die Verflüssiger der Kälteanlage für die Kühleinrichtungen in einem kompakten Gehäuse anordnen. Ein derartiges Gehäuse kann mit Anschlußrahmen für Außenluft, Zuluft- und Abluftkanäle und Anschlußstücke für die Kältemittelleitungen der Kühleinrichtungen versehen sein. Bei dieser Bauweise ist eine weitgehende Fertigstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Herstellungswerk möglich, so daß am Ort des Einbaues nur noch die einzelnen Anschlüsse hergestellt werden müssen.

An den in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F i g. 2 einen Schnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

In F i g. 1 ist ein Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Sie dient zur Kühlung beziehungsweise zur Heizung des Raumes 1. Während des Kühlens des Raumes 1 wird über Zuluftkanal 2 Luft angesaugt und über den Wärmeübertrager 3 sowie den Verdampfer 4 der Wärmepumpe in den Raum 1 geleitet. Aus diesem gelangt die Luft über den Abluftkanal 5 ins Freie. Bevor die Luft die Vorrichtung verläßt, wird sie im Abluftkanal 5 nacheinander noch über den Wärmeübertrager 3 und den Verflüssiger 6 der Wärmepumpe geführt In Raum 1 ist eine mit Kälteanlagen betreibbare Kühleinrichtung 7 aufgestellt. Die Kühleinrichtung 7 kann beispielsweise ein Kühl- und/oder Gefriermöbel sein, wobei jeweils der Verdampfer der Kälteanlage der Kühleinrichtung 7 in der Kühleinrichtung angeordnet ist Ober Leitungen 8» 9 wird der Verdampfer der Kühleinrichtung 7 mit Kältemittel versorgt. Der Verflüssiger 10 der Kälteanlage der Kühleinrichtung 7 befindet sich im Vorwärmkanal 11. Der Vorwärmkanal 11 zweigt hinter dem Verdampfer 4 der Wärmepumpe vom Luftkanal 2 ab und mündet vor dem Ende des Zuluftkanals 2 wieder in diesen.

Während des Heizens des Raumes 1 ist die Wärmepumpe der Vorrichtung umgeschaltet Der Verdampfer 4 dient, dann als Verflüssiger, und der Verflüssiger 6 arbeitet als Verdampfer. Die Zuluft wird dann ganz oder teilweise über den Vorwärmkanal 11 geführt, wo sie zusätzlich aufgeheizt wird.

Die in Fig.2 beschriebene Vorrichtung dient zur Temperierung eines Verkaufsraumes 12. Der Zuluftkanal besitzt dabei im wesentlichen die drei Abschnitte 13, 14 und 15. Der Abluftkanal 16 verbindet den Verkaufsraum 12 mit der Außenluft. Parallel zum Abschnitt 14 des Zuluftkanals verläuft der Vorwärmkanal 17. Im Zuiuftkanal sind nacheinander ein Luftfilter 18, der eine Strömungsquerschnitt des Wärmeübertragers 19, ein Verdampfer beziehungsweise Verflüssiger 20 der Wärmepumpe, ein Ventilator 21, eine Luftklappe 22 und ein Lufterhitzer 23 angeordnet. Der Vorwärmkanal 17 zweigt hinter dem Ventilator 21 vom Zuluftkanal ab und mündet vor dem Lufterhitzer 23 wieder in diesen. Im Bereich des Beginns und des Endes des Vorwärmkanals 17 regeln Luftklappen 24 beziehungsweise 25 die durch den Vorwärmkanal 17 strömende Luft Ein am Beginn des Vorwärmkanals 17 einmündender, mit der Außenluft in Verbindung stehender Kanal kann durch die Luftklappen 26 verschlossen werden. Am Ende des Vorwärmkanals ist ein weiterer, ebenfalls mit der Außenluft in Verbindung stehender Kanal, der durch die Luftklappe 27 reguliert werden kann, angeordnet. Innerhalb des Vorwärmkanals befindet sich ein Ventilator 28 und ein Verflüssiger 29 einer Kälteanlage einer nicht dargestellten Kühleinrichtung. Ein weiterer, ebenfalls verschließbarer Kanal 30, in dem ein Ventilator angeordnet sein kann, verbindet den Vorwärmkanal zusätzlich mit der Außenluft. Im Abluftkanal sind in Strömungsrichtung der Luft nacheinander die Motorverdichter 31 der gesamten Anlage, der andere Strömungsquerschnitt des Wärmeübertragers 19, ein Verflüssiger beziehungsweise Verdampfer 32 der Wärmepumpe und ein weiterer Ventilator 33 angeordnet. Der Ventilator 33 kann durch einen Ventilator 38, der in einem zusätzlichen mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kanal 34· angeordnet ist, unterstützt werden. Den Abschnitt 13 des Zuluftkanals und den Abluftkarial 16 verbindet, in Strömungsrichtung der Zuluft hinter dem Wärmeübertrager 19 warmseitig abzweigend, ein durch Luftklappen 35 verschließbarer Kanal. In Sitrömungsrichtung der Abluft hinter dem Wärmeübertrager 19 mündet in den Abluftkanal ein durch die Luftklappe 36 verschließbarer mit ucr Außenluft in Verbindung stehender Kanal 37. Die eingezeichneten Pfeile geben mögliche Strömungsrichtungen der Luft an.

Die verwendeten Luftklappen 22, 24, 25, 26, 27, 35

und 36 sind mittels Stellmotoren stetig verstellbare Überdruckjalousienklappen. Mindestens einige der Ventilatoren 21, 28,33 und 38 können in ihrer Drehzahl reguliert werden. Besonders geeignet sind hierzu polumschaltbare Ventilatoren. Als leistungsregulierbarer Wärmeübertrager kann ein Regenerativ-Wärmeübertrager verwendet werden. Der Regenerativ-Wärmeübertrager kann einen Rotor aus einer speicherfähigen, nicht brennbaren Asbestpappe besitzen und eine Vielzahl von axial gerichteten Kanälchen mit je einem freien Strömungsquerschnitt von ca. 2 mm² aufweisen. Der Rotor dreht sich in dem Stahlblechgehäuse mit einer Drehzahl bis zu 10 U/min. Durch die Drehbewegung werden die kleinen Kanäle des Rotors abwechselnd von beiden Luftströmen der Zuluft und der Abluft in entgegengesetzter Richtung axial durchströmt. Betrachtet man einen einzelnen Kanal, der sich z. B. gerade im Abluftabschnitt befindet, so nehmen seine Wandungen im Winterbetrieb die Wärme und die Feuchtigkeit der Abluft auf. Auf seinem weiteren, kreisförmigen Weg gelangt der betrachtete Einzelkanal in den Zuluftabschnitt. Die Zuluft tritt in den Kanal ein, erwärmt sich und nimmt Feuchtigkeit auf. Die Kanalwandungen werden dabei von der Zuluft wieder gekühlt und getrocknet. Bei Eintritt in den Abluftabschnitt beginnt der Vorgang von neuem. Durch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten des Rotors kann sowohl die zu übertragende Wärmemenge als auch die Menge der zu übertragenden Feuchtigkeit geregelt werden.

Im Kühlbetrieb der Vorrichtung wird über Ventilator 21 Luft in den Abschnitt 13 des Zuluftkanals gesaugt. Zuerst wird die Luft im Luftfilter 18 gereinigt und in den einen Strömungsquerschnitt des Wärmeübertragers 19 geführt. Im Wärmeübertrager 19 wird die Luft abgekühlt. Dann gelangt die Luft über die geöffnete Luftklappe 22 über Abschnitt 14 des Zuluftkanals zu dem nicht arbeitenden Lufterhitzer 23 und über Abschnitt 15 des Zuluftkanals in den Verkaufsraum 12. Dabei sind die Luftklappen 24 und 25 geschlossen. Der Vorwärmkanal wird deshalb nicht von der in den Verkaufsraum geführten Luft durchströmt. Da gleichzeitig die Luftklappen 26 und 27 geöffnet sind, kann der Ventilator 28 Außenluft zur Kühlung des Verflüssigers 29 der Kälteanlage der Kühleinrichtung ansaugen. Ein weiterer in Kanal 30 angeordneter Ventilator kann die Kühlwirkung bei Bedarf verstärken. Aus dem Verkaufsraum 12 wird die Luft durch den Ventilator 33 in den Abluftkanal gesaugt. Die Luft streicht zunächst über die Motorverdichter. Dadurch, daß die Motorverdichter der Anlage, also die Motorverdichter sowohl für die Wärmepumpe als auch für die Kälteanlage der Kühleinrichtung, im Abluftstrom vor dem Wärmeübertrager 19 angeordnet sind, erhalten die Motorverdichter ganzjährig nahezu gleichbleibende Temperaturen. Dies erhöht die Sicherheit und die Lebensdauer der Motorverdichter erheblich. Nachdem die Luft die Motorverdichter überstrichen hat, wird sie im Wärmeübertrager 19 weiter angewärmt und kühlt schließlich noch den Verflüssiger 32 der Wärmepumpe, bevor sie die Vorrichtung verläßt. Falls der Abluftstrom in Einzelfällen beim Überstreichen der Motorverdichter 31 bereits auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Zulufttemperatur liegt, wird der leistungsregulierbare Wärmeübertrager 19 völlig abgeschaltet. Die Kühlung der Zuluft erfolgt dann ausschließlich über die Wärmepumpe.

Im Heizbetrieb ist der Verdampfer 20 und der Verflüssiger 32 der Wärmepumpe so umgeschaltet, daß der Verdampfer 20 zum Verflüssiger und der Verflüssiger 32 zum Verdampfer der Wärmepumpe wird. Der Ventilator 21 saugt wieder Luft in den Abschnitt 13 des Zuluftkanals. Zunächst wird die Luft im Wärmeübertrager 19 angewärmt. Danach überströmt sie den jetzt als Verflüssiger 20 arbeitenden Teil der Wärmepumpe. Bei Bedarf sind die Luftklappen 22,24 und 25 so gestellt, daß zumindest ein Teilstrom der Luft über den Vorwärmkanal geführt wird, um dort Verflüssigungswärme vom Verflüssiger 29 der Kälteanlage der Kühleinrichtung aufzunehmen. Reicht diese zusätzliche Erwärmung noch nicht aus, kann die Luft mittels der Lufterhitzers 23, beispielsweise ein Elektroerhitzer, ein Warmwasserheizregister oder ein Dampfheizregister, auf die notwendige Temperatur erwärmt werden. Danach strömt die Luft durch den Abschnitt 15 des Zuluftkanals in den Verkaufsraum. Durch verschiedene Stellungen der Luftklappen 22, 24 und 25 kann die der Luft zuzuführende Wärmemenge fein abgestimmt werden. Aus dem Verkaufsraum 12 kommend gelangt die Luft schließlich, vom Ventilator 33 angesaugt, über die Motorverdichter 31, den Wärmeübertrager 19 und den jetzt als Verdampfer 32 arbeitenden Teil der Wärmepumpe wieder nach außen. Zur Unterstützung des Ventilators 33 ist ein weiterer Ventilator 38 mit einem eigenen, mit der Außenluft in Verbindung stehenden Kanal 34 vorgesehen.

Bei Nacht und/oder am Wochenende kann die Luftklappe 35, die ansonsten geschlossen ist, geöffnet und der Ventilator 21 mit geringerer Drehzahl betrieben werden. Somit gelangt weniger Luft in den Verkaufsraum. Trotzdem kann die Wärmepumpe weiterhin laufen, da genügend Luft zur Kühlung beziehungsweise zur Erwärmung des Verflüssigers beziehungsweise des Verdampfers zur Verfügung steht. Die Luft kann von dem zusätzlichen Ventilator 38 über den Abschnitt 13 des Zuluftkanals, die Luftklappe 36 und den Kanal 37 angesaugt werden.

Die Vorrichtung kann somit unter gezielter Ausnutzung von Abwärme der Kälteanlage von vorhandenen Kühleinrichtungen, infolge der Wärmerückgewinnung durch den Wärmeübertrager und wegen der Verbindung des Zuluft- mit dem Abluftkanal über die Wärmepumpe besonders energiesparend betrieben werden. Durch die Möglichkeit der Anpassung der Ventilatorleistung an den Bedarf, durch die Führung der Luft im Zuluftkanal und im Vorwärmkanal und durch getrennte Kälteanlagen für die Wärmepumpe und die Kühleinrichtungen ist es möglich, die Klimaanlage besonders extremen klimatischen Bedingungen anzupassen. Die Vorrichtung kann dabei sowohl mit 100% Frischluft aber auch mindestens teilweise mit Umluft betrieben werden.

F i g. 3 zeigt die perspektivische Ansicht des Gehäuses 39 einer Vorrichtung gemäß F i g. 2. Das Gehäuse 39 besitzt einen Anschlußrahmen 40 für den Anschluß eines zusätzlichen Kanals 34, einen Anschlußrahmen 41 für den Anschluß eines Kanals zur Ableitung der Luft im Abluftkanal, je einen Anschlußrahmen 42,43 und 46 für den Anschluß von Kanälen, die den Vorwärmkanal mit der Außenluft verbinden, einen Anschlußrahmen 44 für den Anschluß des Abschnitts 15 des Zuluftkanals, einen Anschlußrahmen 45 für den Anschluß des vom Verkaufsraum 12 herführenden Abluftkanals, einen Anschlußrahmen 47 für den Anschluß des Abschnitts 13 des Zuluftkanals, einen Anschlußrahmen 48 für den Anschluß des zusätzlichen Kanals 37 und nichl

gezeichnete Anschlußstücke für die Kältemittelleitung der Kühleinrichtungen.

Die Vorrichtung kann an der Baustelle aus ihren Einzelteilen zusammengebaut werden. Es ist jedoch in vielen Fällen günstiger, sie komplett in der Werkstatt vorzufertigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Temperieren von Räumen, die mit Kälteanlagen betriebene Kühleinrichtungen enthalten, mit Zuluftkanal und Abluftkanal, die über eine Wärmepumpe miteinander in Verbindung stehen, wobei aus dem Zuluftkanal ein Vorwärmkanal abzweigt, der zum Zuluftkanal parallel verläuft und wieder in den Zuluftkanal einmündet und der in den Bereichen der Abzweigung und Einmündung aus bzw. in den Zuluftkanal je eine regelbare Luftklappe aufweist, und wobei im Vorwärmkanal mindestens einer der Verflüssiger der Kälteanlagen der Kühleinrichtungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuluftkanal (2, 13, 14, 15) und der Abluftkanal (5, 16) außer über die Wärmepumpe noch durch einen gemeinsamen Wärmeübertrager (3, 19) miteinander verbunden sind, daß der Wärmeübertrager (3,119) leistungsregulierbar ist und daß der Verflüssiger bzw. der Verdampfer (4, 6, 20, 32) der Wärmepumpe im Zuluftkanal (2,13,14,15) und im Abluftkanal (5, 16) strömungsmäßig dem Wärmeübertrager (3, 19) jeweils nachgeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorverdichter (31) der Kälteanlagen der Kühleinrichtungen (7) und der Wärmepumpe im Abluftkanal (5,16) derart angeordnet sind, daß der Abluftstrom die Motorverdichter (31) bestreicht, bevor er Wärme an den Zuluftstrom überträgt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zuluftkanal (13,14,15) und dem Abluftkanal (16) ein durch Luftklappen (35) verschließbarer Verbindungskanal auf der strömungsmäßig im Zuluftkanal (13,14,15) nach dem Wärmeübertrager (19) bzw. im Abluftkanal (16) vor dem Wärmeübertrager (19) liegenden Seite angeordnet ist, und daß im Abluftkanal (16) vor dem Verdampfer bzw. Verflüssiger (32) der Wärmepumpe ein zusätzlicher mit Luftklappen (36) verschließbarer und mit der Außenluft in Verbindung stehender Kanal (37) einmündet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Einzelteile der Vorrichtung sowie die Verflüssiger (10, 29) der Kälteanlagen für die Kühleinrichtungen (7) in einem kompakten Gehäuse (39) mit Anschlußrahmen für Außenluft-, Zuluft- und Abluftkanäle und Anschlußstücken für die Kältemittelleitungen der Kühleinrichtungen angeordnet sind.