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Verfahren zum Klimatisieren der Luft in Räumen
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und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Klimatisieren der Luft in Räumen mittels einer von einem
Arbeitsmedium durchströmten Luft-zu-Luft-Wärmepumpe mit zwei Wärme aus schern, von
denen der eine als Verdampfer und der andere als Kondensator arbeitet und zwischen
denen einerseits ein Kompressor und andererseits ein Entspanner angeordnet sind.
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Lei bekannten Luft-zu-Luft-Warmepumpen unterscheidet man im wesentlichen
zwischen zwei Arten, nämlich zwischen Wärmepumpen mit Wärmegewinnung aus der Außenluft
einereits und Warmepumpen mit Wärmegewinnung aus der abgesogenen Luft andererseits.
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Bei Wärmepumpen mit Wärmegewinnung aus der Außenluft wird wird eine
möglichst große Außenluftmenge über den Verdampfer eieitet unit ihr dabei die Warme
entzogen. Die dadurch abgekühlte und entfeuchtete Außenluft wird dann wieder ins
Freie ausgeblasen.
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Die vom Verdampfer aufgenommene Wärme wird über einen von einem Kühlmitteldurchströmten
Kühlkreislauf einer Kondensatorhatterie zugeffihrt. Über die Kondensatorbatterie
wird eine möglichst große Menge von aus den zu klimatisierenden Räumer entnommener
Itm]nufluft geleitet, dabei erwärmt und anschließend wieder in die betreffenden
Räume zurückgeblasen.
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Um die Kondensatortemperatur so niedrig wie möglich und die Verdnmpfertemperatur
so hoch wie möglich zu halten und dadurch einen möglichst großen Gewinnfaktor zu
erzielen, sind bei einer Nennleistung des Kompressors von ca. 3 kW sehr große Luftmengen
notwendig, welche beim Verdampfer in der Größenordnung von 5000 m3/h und beim Kondensator
in der Größenordnung von 1700 m³/h liegen.
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flei einer Wärmepumpe mit Wärmegewinnung aus der abgesaugten Luft
wird diese im Heizbetrieb in einer vorbestimmten Menge von ca. 900 m3/h über den
Verdampfer geleitet, wobei ihr
sowohl füh]bare als auch latente
Wärme entzogen wird. Die dadurch abgekühlte und entfeuchtete Luft wird dann ins
Freie ausgeblasen. Über den Kondensator wird inzwischen Außenluft in einer vorbestimmten
Menge von ca. 900 m3/h geleitet, dabei erwärmt und anschließend in die zu klimatisierenden
Räume geblasen.
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Die Räume werden hierbei also ständig von frischer Luft durchströmt,
so daß es sich hier eher um eine Belüftungsals um eine Wärmepumpe handelt. Um die
Lüftungsverluste zu beschränken wird mit begrenzten Luftmengen gearbeitet und die
Lufterneuerung bzw. der Luftwechsel wird auf ein Mindestmaß beschränkt, insbesondere
auf eine Lufterneuerung von ca. zwei- bis zweieinhalb Mal pro Stunde, was im Hinblick
auf die Lufterneuerung angesichts der dabei üblichen Größenordnung von ca. einmal
pro Stundeein sehr hoher, im Hinblick auf einen Luftwechsel angesichts der dabei
üblichen Größenordnung von ca. viermal pro Stunde ein sehr niedriger Wert ist.
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Die Erfindung schafft in der Hauptsache ein Verfahren zum Klimatisieren
der Luft in Räumen mittels einer Luft-zu-Luft-Wärmepumpe, mittels welcher die Luft
wahlweise erwärmbar oder abkühlbar und dabei eine angemessene Lufterneuerung in
allen zu klimatisierenden Räumen erzielbar ist, wobei die Gesamt-Energieverluste,
welche sowohl Ubertragungsverluste als auch Ventilationsverluste umfassen, auf ein
Mindestmaß beschränkbar sind.
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Bei einem Verfahren der genannten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
daß über einen der Wärmetauscher gleichzeitig eine bestimmte Menge frische Luft
und aus einem oder mehreren Räumen abgesaugte Luft geleitet wird und daß über den
anderen Wärmetauscher eine bestimmte Menge frische Außenluft und eine bestimmte
Menge aus einem oder mehreren zu klimatisierenden .räumen entnommene Umwälzluft
geleitet wird, worauf die Umwälzluft und die frische Außenluft den betreffenden
Räumen erneut zugeführt werden.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Absaugluft
aus anderen Räumen entnommen als die Umwälzluft.
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In noch einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Absaugluft
im Heizbetrieb über den als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher geleitet, während
die Umwälzluft über den als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher geleitet wird.
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Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Klimatisieren der
Luft in Räumen, mit einer Luft-zu-Luft-Wärmepumpe, welche zwei Wärmetauscher, dargestellt
durch eine Verdampferbatterie und eine Kondensatorbatterie, einen Kompressor und
einen Entspanner aufweist.
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Eine solche Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch das
Vorhandensein zweier Luftzuführungen zu jedem Wärmetauscher, wobei an jedem Wärmetauscher
die eine Luftzufuhr für frische Außenluft und die andere für aus den zu klimatisierenden
Räumen entnommene und in diese zurückzuführende Umwälzluft oder für aus den Räumen
abgesaugte und n n n / n n 4 P
anschließend abzuführende Luft bestimmt
ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind die Warmetauscher, der Kompressor
und der Entspanner zusammen mit an jeder der genannten Luftzufuhren angeordneten
Gebläse in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer besonderen Ausführungsform
einer Luft-zu-Luft-Wärmepumpe für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform
und Fig. 3 eine schematisierte Darstellung einer Gesamtanlage zum Klimatisieren
von Luft in einer praktischen Ausführung der Erfindung.
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In der Zeichnung sind gleiche oder einander entsprechende Teile durchgehend
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine in der Zeichnung dargestellte Wärmepumpe hat einen Kühlkreislauf,
welcher im wesentlichen mit dem bekannten Carnot'schen Kühlkreislauf übereinstimmt.
Die Hauptteile der dargestellten Wärmepumpe sind ein Verdampfer 1, ein Kompressor
2, ein Kondensator 3 und ein Entspanner 4, gewöhnlich in Form eines Drosselventils.
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Bei der dargestellten Luft-zu-Luft-Wärmepumpe arbeitet der Außenwärmetauscher
im Winter als Verdampfer, als
welcher er der Außenluft Wärme entzieht
und sie an den Innenwärmetauscher überführt, welcher in diesem Falle zur Beheizung
der Räume als Kondensator arbeitet. Im Sommer arbeitet der Innenwärmetauscher als
Verdampfer, als welcher er den Räumen Wärme entzieht, während der Außenwärmetauscher
als Kondensator arbeitet und die Wärme an die freie Umgebung abgibt.
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Die Erfindung schafft eine Verfahren zum Klimatisieren der Luft in
Räumen unter Verwendung einer derartigen Wärmepumpe, in Verbindung mit einer angemessenen
Belüftung der zu klimatisierenden Räume.
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Zu diesem Zweck wird über den als Verdampfer 1 arbeitenden Wärmetauscher
gleichzeitig eine bestimmte Menge Außenluft sowie aus wenigstens einem der zu klimatisierenden
Räume abgesaugte Luft geleitet, während über den anderen, als Kondensator 3 arbeitenden
Wärmetauscher gleichzeitig eine andere vorbestimmte Menge frische Außenluft sowie
eine bestimmte Menge aus den gleichen oder anderen zu klimatisierenden Räumen entnommener
Umwälzluft geleitet wird, worauf dann die Umwälzluft zusammen mit der frischen Außenluft
wieder in die zuletzt genannten Räume geblasen wird.
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Für die gemeinsame Zufuhr frischer Außenluft ist in Fig. 1 eine gemeinsame
Leitung 5 dargestellt, welche sich in zwei zum Verdampfer 1 bzw. zum Kondensator
3 führende Zweigleitungen 6 bzw. 7 aufteilt. Für die Zufuhr der Absaugluft ist eine
Leitung 8 und für die Zufuhr der Umwälzluft eine Leitung 9 vorgesehen.
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Die Absaugluft wird zusammen mit dem über die Leitung C zugeführten
Anteil Außenluft entlang einer Leitung 10 über den Verdampfer 1 geleitet. Diese
Luft wird dann nach Entzug einer bestimmten Wärmemenge in die freie Umgebung ausgeblasen.
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Die Umwälzluft wird zusammen mit dem über die Leitung 7 zugeführten
Anteil der Außenluft iiber den Kondensator 3 geleitet und dabei erwärmt, bevor sie
wieder in die zu klimatisierenden Räume geblasen wird.
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Das Verhältnis zwischen der Menge der über die Leitung 8 abgesaugten
Luft und der Menge der dieser über die Leitung beigemengten Außenluft ist abhängig
von der gewünschten Wärmeleistung der Wärmepumpe, von der vorhandenen Kompressorleistung
und vom gewünschten Gewinnfaktor. Dieses Verhältnis kann beispielsweise zwischen
1:3 und 1:5 liegen.
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Die Menge der Absaugluft ist dabei ihrerseits abhängig von dem Gesamtvolumen
der zu behandelnden Räume und von dem gewünschten Grad der Lufterneuerung darin.
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Im Winter etwa, wenn die Außentemperatur niedriger ist als die Innentemperatur,
wird kühlere und trocknere Außenluft mit niedrigerem Taupunkt mit aus den Räumen
abgesaugter, wärmerer und feuchterer, einen höheren Taupunkt aufweisender Luft vermischt,
wobei der Taupunkt des Gemischs aus Absaugluft und frischer Außenluft dann in jedem
Falle höher liegt als der der reinen Außenluft.
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Über den Kondensator 3 wird ein Gemisch aus wärmerer Umwälzluft
und
kälterer frischer Außenluft geleitet. Bei tieferen Außentemperaturen liegt daher
die Temperatur dieses Gemischs niedriger als die Temperatur in den zu klimatisierenden
Räumen. Dieses kältere Luftgemisch wird im Heizbetrieb über den Kondensator geleitet
und dabei erwärmt, gegebenenfalls mittels nachgeschalteter elektrischer Heizwiderstände
nacherwärmt und anschließend in die zu klimatisierenden Räume geblasen.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird die Absaugluft anderen Räumlichkeiten
entzogen als die Umwälzluft. Da die über den Verdampfer geleitete Absaugluft anschließend
einfach in die freie Umgebung abgeblasen wird, kann als Absaugluft sehr feuchte,
einen relativ hohen Taupunkt aufweisende Luft verwendet werden, wie sie beispielsweise
in Küchen, Bädern und dergl. Räumen anfällt. Auf diese Weise ist automatisch eine
Belüftung aller zu klimatisierenden Räume sowie die Rückgewinnung einer anderenfalls
verloren gehenden Wärmemenge erzielbar.
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Sowohl die Räume, aus denen die Absaugluft stammt, als auch dieJenigen,
aus denen die Umwälzluft entnommen wird, werden klimatisiert, d.h. daß in beide
Arten von Räumlichkeiten Umwälzluft zusammen mit Frischluft eingeblasen wird.
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Im Kühlbetrieb wird die Absaugluft über den als Kondensator arbeitenden
Wärmetauscher geleitet, während die Umwälzluft über den als Verdampfer arbeitenden
Wärmetauscher geleitet wird.
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Das Umschalten zwischen dem Heizbetrieb und dem Kühlbetrieb geschieht
mittels eines in Fig. 2 dargestellten Vierwegehahns 11.
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Im Heizbetrieb verläuft die Strömung des Arbeitsmediums im Kreislauf
entsprechend den Pfeilen 1C>, während sie im Kühlbetrieb in entgegengesetzter
Richtung verläuft, wie durch die Pfeile 17 angedeutet.
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Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums wird bestimmt durch die Stellung
eines Steuerglieds 18 im Vierwegehahn 11.
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In Fig. 2 ist die Stellung des Steuerglieds 18 im fleizbetrieb ausgezogen
gezeichnet und seine Stellung im Kühlbetrieb gestrichelt dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht praktisch darin, die Arbeitsweise
einer klassischen Wärmepumpe mit der einer Belüftungseinrichtung zu kombinieren.
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Neben der mittels einer klassischen Wärmepumpe bewerkstelligbaren
Heizung und Kühlung ist durch das erfindungsgemäße Verfahren zusätzliche eine angemessene
Belüftung der zu klimatisierenden Räumlichkeiten erzielbar, wobei es im wesentlichen
zu einer vollständigen Lufterneuerung pro Stunde kommt. Die Lufterneuerung wird
darüber hinaus auf besonders wirtschaftliche Weise bewerkstelligt, indem der aus
bestimmten Räumlichkeiten abgesaugten, gegebenenfalls stark verunreinigten und/oder
sehr feuchten Luft ihre Wärme entzogen wird, wobei die Menge der Absaugluft in einem
bestimmten Verhältnis zu der Menge der aus anderen zu klimatisierenden
Räumlichkeiten
entnommenen Umwälzluft steht.
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Auf diese Weise werden gewöhnlich in den zu klimatisierenden Räumlichkeiten
auftretende Ventilationsverluste im wesentlichen vollständig aufgefangen.
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Durch die Temperatvwsenkung der im Heizbetrieb über den Kondensator
geleiteten Luft kann der Gewinnfaktor der Wärmepumpe wesentlich verbessert werden.
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Außerdem erzielt man durch die Erhöhung des Taupunkts der über den
Verdampfer geleiteten Luft eine Leistungsverbesserung der Wärmepumpe bei niedriger
Außentemperatur.
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Die Erhöhung des Taupunkts der über den Verdampfer geleiteten Luft
ermöglicht es außerdem, den Durchsatz dieser Luft bei gleichb]eibender Wärme leistung
der Wärmepumpe beträchtlich zu verringern.
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Dadurch, daß einerseits die Kondensatortemperatur gesenkt und andererseits
die Verdampfertemperatur erhöht wird, wird der Gewinnfaktor der Wärmepumpe bei niedriger
Außentemperatur günstig beeinflußt.
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Dadurch, daß über den Verdampfer Luft geleitet werden kann, welche
aus anderen als den zu klimatisierenden Räumlichkeiten stammt, ist eine den normalen
Ansprüchen entsprechende Lufterneuerung in den zu klimatisierenden Räumen erzielbar
und eine Überbelüftung derselben vermeidbar. Dies ist bei herkömmlichen Belüftungspumpen
zumeist nicht der Pall, da bei diesen im Hinblick auf die Wirksamkeit der Wärmepumpe
eine zwei- bis zweieinhalbmalige Lufterneuerung
pro Stunde notwendig
ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet sowohl im Heizbetrieb
als auch im Kühlbetrieb eine gute Durchlüftung der Räumlichkeiten, indem es einen
ungefähr viermaligen Luftwechsel pro Stunde ermöglicht, was bei gebräuchlichen Belüftungspumpen,
die allein mit Absaugluft arbeiten, aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen
nicht möglich ist. Im letzteren Falle ist aufgrund der Tatsache, daß aus den Räumlichkeiten
keine Umwälzluft entnommen wird, der Luftwechsel gleich der Lufterneuerung.
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Schließlich ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, unter Beibehaltung
eines relativ hohen Gewinnfaktors der Wärmepumpe die Luft einzeln aus beliebigen
Räumlichkeiten abzusaugen, während herkömmliche, allein mit Außenluft arbeitende
Wärmepumpenanlagen bei tieferen Temperaturen von etwa 6 OC eine zentrale Absaugung
erfordern, um einen möglichst hohen Gewinnfaktor zu erzielen.
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Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des
vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Klimatisieren der Luft in Räumlichkeiten.
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Die Vorrichtung ist dargestellt als eine Luft-zu-Luft-Wärmepumpe mit
zwei Wärmetauschern 1, 3, von denen der eine eine Verdampferbatterie 1 und der andere
eine Kondensatorbatterie 3 darstellt, sowie mit einem Kompressor 3 und einem Entspanner
4, welcher gewöhnlich als Drosselventil ausgebildet ist. Die beschriebene Anordnung
ist an
einem von einem Arbeitsmedium, beispielsweise Freon, durchströmten
Kreislauf angeschlossen.
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Im Heizbetrieb verläßt das Arbeitsmedium den Verdampfer als gesättigter
Dampf mit einer Temperatur Tv über eine Leitung 12 und wird im Kompressor bis zu
einer Temperatur Tk adiabatisch komprimiert. Das komprimierte und dabei noch gasförmige
Arbeitsmedium strömt anschließend über eine Leitung 13 dem Kondensator 3 zu, in
welchem ihm ein Teil seiner Wärme durch die in die zu klimatisierenden Räume einzublasende
Luft entzogen wird. Dadurch wird das Arbeitsmedium zu einer Flüssigkeit kondensiert.
Die Flüssigkeit strömt über eine Leitung 14 zum Entspanner 4 und erfährt hier eine
Druckverringerung. Die Verdampfung findet dann anschließend im Verdampfer 1 statt.
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Gemäß der Erfindung ist eine solche Vorrichtung gekennzeichnet durch
zwei Luftzufuhren zu jedem der beiden durch den Verdampfer und den Kondensator dargestellten
Wärmetauscher 1 bzw. 3. Jedem der Wärmetauscher ist eine Luftzufuhr für frische
Außenluft zugeordnet, sowie eine weitere Luftzufuhr für aus den zu klimatisierenden
Räumen entnommene und anschließend wieder in diese zurückzuführende Umwälzluft oder
für aus Räumlichkeiten entnommene und anschließend in die freie Umgebung abzuführende
Absaugluft.
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In einer in Fig. 3 dargestellten zweckmäßigen Ausführungsform der
Erfindung sind die Wärmetauscher 1, 3, der Kompresßor 2 und der Entspanner 4 zusammen
mit den erforderlichen
Gebläsen 21, 22 in einem gemeinsamen Gehäuse
23 untergebracht.
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Das Gehäuse 23 ist in wenigstens vier Kammern 2, 25, 2G, 27 unterteilt.
Der Wärmetauscher 1 ist zwischen den Kammern 24 und 25 und der Wärmetauscher 3 zwischen
den Kammern 26 und 27 angeordnet. Die dritte Kammer 26 ist über einen steuerbaren
Durchlaß 28 mit der zweiten Kammer 25 strömungsverbunden.
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Das Gebläse 21 saugt durch den Wärmetauscher 1 hindurch einerseits
über die Leitung 5 frische Außenluft und andererseits über die Leitung 8 mehr oder
weniger verunreinigte Luft aus einem oder mehreren Wirtschaftsräumen 30 an.
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Die beiden Ströme aus frischer Außenluft und abgesaugter Luft treffen
in der Kammer 25 zusammen, bevor sie über den Wärmetauscher 1 geleitet werden.
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Das Gebläse 22 für die in die Räume einzublasende Luft ist in der
Kammer 27 angeordnet und saugt durch den Wärmetauscher 3 hindurch über die Leitung
9 etwa aus Wohnräumen 31 entnommene Umwälzluft an und gleichzeitig damit eine gewisse
Menge frischer Außenluft, welche von der zweiten Kammer 25 über den Durchlaß 28
in die dritte Kammer 26 gelangt.
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Bei der Durchströmung des Wärmetauschers 3 findet der gewünschte Wärmeaustausch
statt, worauf das Luftgemisch dann vom Gebläse 22 über eine Leitung 32 in die genannten
Wohn-
und Wirtschaftsräume 31 bzw. 30 geblasen wird.
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Der Betrieb der in Form eines einzigen oder eines zweifachen Blocks
aufgebauten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist von einem elektrischen Schaltbrett
29 aus steuerbar, welches am Gehäuse 23 selbst oder an anderer Stelle angeordnet
sein kann.
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Es ist in der Hauptsache dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verdanken,
daß die Wärmepumpe in einem einzigen Block ausgeführt werden kann. Ferner ermöglicht
der Umstand, daß über den Verdampfer Luft mit einem relativ hohen Taupunkt geleitet
wird, bei gleichbleibender Wärmeleistung der Pumpe eine beträchtliche Beschränkung
des Luftdurchsatzes, wie vorstehend bereits ausgeführt.
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Darüber hinaus arbeitet die in einem einzigen Block zusammengefaßte
Vorrichtung wesentlich leiser als bekannte, allein mit Außenluft arbeitende und
in einem einzigen Block ausgeführte Anlagen, und dies darum, daß der Durchsatz der
Außenluft dank dem erfindungsgemäßen Verfahren beschränkt werden kann.
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Ferner sei noch festgestellt, daß bei gleicher Kompressorleistung
der Gesamt-Energieverbrauch für eine Wohnung von bestimmter Größe bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erheblich, beispielsweise um ca. 25%, niedriger liegt als bei einer
allein mit der Absaugluft arbeitenden und daher als Belüftungspumpe bezeichneten
Wärmepumpe.
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Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung schaffen somit
die Möglichkeit, die Luftabsaugung aus Räumlichkeiten mit normaler Luftbelastung
und die Luft absaugung aus bestimmten Räumlichkeiten beispielsweise mit starker
Luftverunreinigung gänzlich voneinander zu trennen.
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Zur Erläuterung sind nachstehend die technischen Daten einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung der in Fig. 3 dargestellten Art mit einer Kompressor-Nennleistung
von 3 kW zusammengestellt.
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1. Luftdurchsstz über die Verdampferbatterie 1 1500 m3/h davon Außenluft
1200 m3/h Absaugluft 300 m3/h 2. Luftdurchsatz über die Kondensatorbatterie 3 1500
m3/h davon Umwälzluft (Leitung 9) 1200 m3/h Absaugluft (Leitung 8) 300 m3/h 3. Kompressor-Nennleistung
3 kW 4. Arbeitsfaktor (COP) bei + 7 oC Außentemp. 2,8 kW bei - 7 oC Außentemp. 2,4
kW 5. Wärmeleitung in kW bei + 7 °C Außentemp. 7,7 kW bei - 7 °C Außentemp. 6 kW
6. Gebläse: Außenluftgebläse 21: 1500 m3/h Umwälzluftgebläse 22: 1500 m3/h Die Erfindung
ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt
sich auf die verschiedensten Abwandlungen derselben. Insbesondere können Je nach
den Abmessungen der zu klimatisierenden Räume auch mehrere Wärmepumpeinheiten über
die Räume verteilt vorgesehen sein.
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L e e r s e i t e