DE3203526A1 - Klimaanlage - Google Patents

Klimaanlage

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Description

- il -
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für Heiz- und/oder Kühlzwecke, bei der die zum Heizen bzw. Kühlen erforderliche Energie ganz oder teilweise mittels eines Wärmetauschers zur Gewinnung von Energie aus der Umwelt zur Verfügung gestellt wird.
Bei der Klimatisierung von Wohnräumen und gewerblich genutzten Räumen werden zur Kühlung in der Regel Kälteanlagen zur künstlichen Kälteerzeugung eingesetzt, die jedoch einen hohen Energieaufwand erfordern. Als Wärmequelle zur Heizung derartiger Räume kommen neben befeuerten Heizkesseln auch Wärmepumpen in Frage. Bei Wärmepumpen besteht aber insbesondere bei sehr kalter Witterung - immer das Problem, die zur Erwärmung des expandierten, abgekühlten Kältemittels erforderliche Wärmemenge bereitzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine wahlweise zum Heizen und/oder Ktihlen'zu'verwendende Klimaanlage bereitzustellen, bei der keine aufwendigen Kühlaggregate notwendig sind und bei der die' Wärmegewinnung aus der Umwelt unabhängig von den Aussentemperaturen ganzjährig möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Wärmetauscher, der sich in einer Umgebung von im wesentlichen konstanter Temperatur befindet, bei Heizbetrieb die erforderliche Wärme zur Erwärmung des expandierten, abgekühlten Kältemittels einer Wärmepumpe' und bei Kühlbetrieb direkt die gewünschte , relativ niedrige Temperatur für den Tcühlkreislauf liefert.
Gegenstand der Erfindung ist eine Klimaanlage, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
a. ein Wärmetauscher zur Gewinnung von Umweltenergie vorgesehen ist, der zwei oder mehr konzentrisch angeordnete Rohre und
COPY?
1 ■ BAD ORJGINAL
eine zwischen diehimi Rohren liegende Wärmeisolationsschicht aufweist, I
b. dass ein Heiz- bzw. Kühlkreislauf mit Heiz- bzw. Kühlelementen vorgesehen ist,
c. dass ggf. eine Wärmepumpe vorgesehen ist, die bei Heizung. betrieb erforderlicnenfalls zum Einsatz kommt und die vom Wärmetauscher am Verdampfer mit Primärenergie versorgt wird, und
d. dass bei Kühl- und ggf. auch bei Heizungsbetrieb der Rücklauf des War
tauschers unter Umgehung der Wärmepumpe direkt in den Xüh' bzw. Heizkreislauf gelangt.
Der erfindungsgemäss vorgesehene Wärmetauscher ist vorzugsweise zur Installation im Erdreich in senkrechter Richtung zur Erdoberfläche vorgesehen, es ist jedoch auch eine Montage im Erdreich parallel oder schräg zur Erdoberfläche möglich. Ausserdem kann der erfindungsgemässe Wärmetauscher auch in Gewässern, wie Seen, Bächen oder Flüssen, sowohl vertikal als auch horizontal zur Wasseroberfläche angeordnet werden. Dabei muss Sorge dafür getragen werd-an, dass der Wärmetauscher bei Kühlbetrieb die erforderliche Kühlung gewährleistet und bei Heizbetrieb die notwendige Wärmemenge liefert. Dies wird im besten durch eine Umgebung gewährleistet, die das ganze-Jahr über im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweist. Derartige Bedingungen liegen insbesondere im Erdre'ich vor.
Ein wesentliches Merkmal des Wärmetauschers besteht darin, dass zwischen dem inneren Rohr, in dem der von der Wärmepumpe kommende abgekühlte oder direkt vom Heizkreisläuf kommende erwärmte Rücklauf fliesst, gegen das äussere Rohr, in dem die Erwärmung bzw. Abkühlung der Flüssigkeit durch
BAD ORIOSNAL COPY
das Umweltmedium stattfindet, eine Wärmeisolationsschicht vorgesehen ist. Ohne derartige Isolierungsmassnahmen kann ein derartiger Wärmetauscher nur kurzzeitig betrieben werden, da sonst sehr rasch ein Temperaturausgleich zwischen Vorlauf und Rücklauf stattfindet und somit die erforderliche Kühlung oder Erwärmung nicht mehr gewährleistet sind.
Als Wärmeisolationsschicht können beliebige, für die Wärmeisolierung von Rohren geeignete Materialien verwendet werden. Vorzugsweise besteht die Wärmeisolationsschicht aus einem Luftpolster, das dadurch bereitgestellt wird, dass das den Rücklauf aufnehmende innere Rohr doppelwandig ausgestaltet ist. In dem so gebildeten Rohrmantel befindet sich cas wärmeisolierende Material. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Luft.
Beim Heiz- bzw. Kühlkreislauf kann es sich beispielsweise um einen herkömmlichen Kreislauf eines mit warmem Wasser versorgten Zentralheizungssystems handeln. Bei Kühlbetrieb dienen dann die Heizkörper als Kühleleinente. AIa Heiü- bzw. Kühlelemente kommen auch Keiz- und/oder Kühlschlangen als stilles oder ventilationsbelüftetes System in Frage. Zusätzlich zur Wärmepumpe kann auch -ein herkömmlicher Heizkessel insbesondere für die Fälle, in denen bei extrem kalten Aussentemperaturen die Wärmepumpe nicht die erforderliche Wärmemenge zur Verfügung stellen kann (bivalente Betriebsweise), vorgesehen sein.
Ein beonderer Vorteil der erfindungsgemässen Klimaanlage besteht in den geringen Investitionskosten, da ein Kühlaggregat bzw. eine Kühlmaschine vollkommen entfällt. Ferner entfällt der für den Betrieb der Kühlmaschine erforderliche Energieeinsatz vollkommen. Energie wird "lediglich für den Betrieb d,er Umwälzpumpen und für den Betrieb der gegebenenfalls an den Heizkörpern vorgesehenen Ventilatoren benötigt. Hinzu kommt bei Heizbotrieb die Energie für die Wärmepumpe.
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J BAD
Somit wird bei der erfindungsgemässen Klimaanlage die Erdwärme im Winterbetrieü als Primärenergiespender für die Wärmepumpe genutzt, während im Sommerbetrieb die relativ niedrige Erdreichtemperatur als direkter Kältespender unter Umgehung dor Wärmepumpe dem Kühlsystem zugeführt wird. Um eine entsprechende Führung des Wärme- bzw. Kälteträgers, vorzugsweise Wasser oder Sole,zu gewährleisten, sind entsprechende Schieber und Absperrventile im System anzuordnen. Vorzugsweise sind auch geeignete Thermostaten und Steuerungsmechanismen vorgesehen, die temperaturabhängig die Anlage steuerr
Die erfindungsgemässe Anlage kann zur Klimatisierung von j Wohnräumen, Büros, Arbeitsräumen, Lagerhäusern", Gewächshäu- ; sern und sonstigen Räumlichkeiten, die während des Sommers z.B. auf eine maximale Temperaturdifferenz von 60K zwischen aussen und innen (DIN 19-4 6 Bl.2) oder an heissen Sommertager auf einen Mittelwert zwischen 2O0C und der jeweiligen Aussei | temperatur gekühlt werden sollen, verwendet werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungsgemässe Anlage oder Teile davon nur zum Kühlen oder nur zum Heizen zu verwenden. Beispiele für derartige EinsatzmöglichJceiten sind ■ Rückkühlung, z.B. bei Anfall von Prozesswärme oder als Ersatz für Rückkühlwerke, oder Heizung von Fahr- und Startbahnen, Stadien, Rasenflächen oder dergl. In den letzgenannten Fällen ist es auch möglich, die Erdwärme direkt, d.h. ohne Einsatz einer Wärmepumpe, zu nutzen. Dies gilt auch beim Frostschutz in Gewächshäusern und in sonst ungeheizten Räumen.
Versuche haben ergeben, dass mit der Klimaanlage der Erfindung im Kühlbetrieb gegenüber einem herkömmlichen Kältemaschinenbetrieb zwischen 95 und 99 Prozent Energie eingespart werden können.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei wird eine
COPY " BAD ORIGINAL
mit. tiLncr Wanr*ipump<·* ;tiuitfiiniaU;l.(: k<iiibi:iLerte Heizungs- bzw. Kühlanlage dargestellt, bei der die Umweltwärme bzw. -kühle durch einen senkrecht zur Erdoberfläche angeordneten Wärmetauscher zur Verfugung gestellt wird. Bei isoliertem Kühlbetrieb oder bei Heizungsbetrieb mit relativ geringem Wärmebedarf, z. B. beim Frostfreihalten von Räumen oder Flächen, entfällt die Wärmepumpe.
Es zeigen
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgernässe Heiz- und/oder Kühlanlage;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erffindungsgemäss vorgesehenen Wärmetauscher, der senkrecht zur Erdoberfläche im Erdreich installiert ist; und Fig. 3 eine besondere Ausgestaltung des Abschlusses am oberen Rohrende des Wärmetauschers von Fig. 2.
Nachstehend wird das System gema:;s Fig. 1 zunächst für den Kühlbetrieb erläutert. Der erwärmte Rücklauf 23 vom Kühlsystem 18 wird in das innere Rohr 4 des Wärmetauschers 17 geleitet und tritt am unceren Ende des Wärmetauschers in das konzentrische äussere Rohr 7 aus. Die Flüssigkeit steigt nach oben, wird vom umgebenden Erdreich 9 abgekühlt und gelangt als Vorlauf 24 wieder in das Kühlsystem.
Bei Heizbetrieb gelangt der a-us der Wärmepumpe 20"kommende, abgekühlte Rücklauf 25 ,wie vorstehend für den Rücklauf 23 vom Kühlsystem beschrieben ,in das innere Rohr 4 des Wärmetauschers 17. Beim Hochsteigen Lm ausseren Rohr 7 wird die Flüssigkeit durch das umgebende Erdreich 9 erwärmt und gelangt als Vorlauf 26 wieder in die Wärmepumpe 20. Die Wärmepumpe 20 versorgt den Heizkreislauf 18 mit der erforderlichen Wärme. Im Heizsystem sind gegebenenfalls übliche Vorrichtungen, wie ein Warmwasservorrat 22 mit dazugehörigem Vor- und Rücklauf und ein Druckausgleichsgefäss 27" vorgesehen.
Vorzugsweise sind Umwälzpumpen 28 zur Gewährleistung der erforderlichen Strömung in den Kreisläufen vorgesehen.
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Absperrschieber 22 gewährleisten, dass im Sommerbetrieb die Wärmepumpe umgangen wird und das durch den Wärmetauscher 17 gekühlte Medium direkt in den Kühlkreislauf gelangt. Ferner gewährleisten diese Schieber 22, dass bei Heizbetrieb der direkte Rücklauf 23 bzw. Vorlauf 24 zum Heiz system geschlossen sind. "
Alternativ zu dem als Erdsonde ausgebildeten Wärmetauscher 17 kann auch ein Wärmetauscher 29 auf horizontalem KoLlektorsystem vorgesehen sein.
Die Heiz- bzw. Kühlelemente 19 können mit Ventilatoren versehen sein. Diese sind insbesondere bei Kühlbetrieb zweckmässig.
Nachstehend werden spezielle Ausführungsformen des Wärmetauschers 17 anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert. Der von der Wärmepumpe bzw. direkt vom Kühlsystem kommende Rücklauf 1 fliesst durch das innere Rohr 4 und tritt am unteren Ende in das konzentrische äussere Rohr 7 aus. Die Flüssigkeit steigt nach oben, wird durch das umgebende Erdreich 9 erwärmt bzw. abgekühlt und gelangt als Vorlauf 2 wieder zur Wärmepumpe bzw. zum Kühlsystem. Das äussere Rohr 7 ist am unteren Ende 11 fLüssigkeitsdicht verschlossen, vorzugsweise zugeschweisst.
Zwischen dem inneren Rohr 4 und dem äusseren Rohr 7 befindet sich ein konzentrisch angeordnetes'mittleres Rohr 6, das am oberen und unteren Ende 8 jeweils dicht mit dem inneren Rohr 4 verschlossen ist, vorzugsweise durch Verschweisser Der so gebildete, abgeschlossene Rohrmantel stellt eine Wärmeisolationsschicht 5 dar und ist vorzugsweise mit trockener Luft gefüllt. Zur Aufrechterhaltung des gewünschten Abstands zwischen dem inneren Rohr 4 und dem mittleren Rohr sind Abstandshalter 3 vorgesehen, die vorzugsweise aus wärme-
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isolierendem Material, z.B. aus Styropor, Polyurethan oder Filz,bestehen. Anstelle von Luft kann selbstverständlich auch ein anderes geeignetes wärmeisolierendes Material verwendet werden .
Beim bevorzugten oberen Rohrabschluss des Wärmetauschers gernäss Fig. 3 ist eine Überwurfmutter 12 auf ein am oberen Ende des äusaeren Rohrs 7 vorgesehenes Gewinde 13 aufgeschraubt, wobei ein Dichtring 1') am oberen Rand des äusseren Rohrs 7 aufliegt. Zwischen der Aussenseite des mittleren Rohrs ο und der Innenseite der Überwurfmutter 12 befindet sich eine Keildichtung (15). Durch den auftretenden Auftrieb wird das innere Doppelrohr 1J, 6 mit konstanter Kraft in die Verschraubung am oberen Ende des äusseren Rohrs 7 hineingeschoben. Der Keilring 15 dichtet somit das Rohrsystem völlig ab.
Materialien und Abmessungen des erfindungsgemäss vorgesehenen Wärmetauschers werden auf die jeweiligen Gegebenheiten abgestellt".. Bevorzugt wf-r-dnn Kunststoff rohre verwendet, insbesondere solche au:: Polyäthylen. Beispielsweise kann der Innendurchmesser df-:j inneren Rohrs 15 bis 30 mm, insbesondere ?0 mm betragen. .Die Stärke des die Wärmeisolationsschicht b darstellenden Luftpolsters beträgt etwa 5 bis 10 mm. Der -Innendurchmesser des mittleren Rohrs kann beispielsweise 30 bis 50 mm., insbesondere kO mm betragen. Als Innendurchmesser für das äussere Rohr 7 kommen 50 bis 80 mm in Frage, insbesondere etwa 63 mm.
Die Sondentiefe aes Wärmetauschers wird ebenfalls auf den Wärme- bzw. Kältebedarf abg.est'".·! 11 und beträgt vorzugsweise 20 bis 100 m und insbesondere <-'!;wa 50 m. In einer Erdtief e_ von etwa 30 bis '/θ m beträgt .Ii-- F.rdtemperatur etwa 9 bis IT0C. Nach den jot'/.i^en Krkrrttil niesen k''i,ii··!. irr: Heizbetrieb bei Rücklauftemperaturen von t:Lwa -j b i:; -·ιι!'
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Vorlauftemperaturen von etwa ü bis +10C erzielt werden.
Weist das äussere Rohr 7 einen Durchmesser von etwa 63 mm
2 auf, können mit 1 bis 2 Wärmetauschersonden etwa 120 m Wohnfläche beheizt werden. Im Kühlbetrieb können bei Rücklauftemperaturen von etwa 18 C Vorlauftemperaturen von etwa 15 C erzielt werden.
Der Keilring 14 weist vorzugsweise eine Höhe von 24 mm auf und ist am oberen Ende 1 mm und am unteren Ende 4 mm dick. Vorzugsweise besteht dieser Keilring aus Polyäthylen. Der Dichtring 14 besteht vorzugsweise aus weichem Polyäthylen und weist eine Stärke von 1,5 bis 2 mm auf. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Wärmetauschers liegt darin, daß auch ein nachträglicher Einbau in bereits eingefriedete Grundstücke ohne grössere Erdbewegungen möglich ist. Es muß lediglich mit herkömmlichen Bohrgeräten ein Bohrloch entsprechender Tiefe eingebracht werden, in das dann der Wärmetauscher abgesenkt wird. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass durch .die natürliche Wärmekonvektion der Flüssigkeit die Strömung unterstützt wird und somit nur eine relativ geringe Pumpenleistung erforderlich ist.
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j Lv:.:.::!'Ο..·:! 3203528
Bezugszeichenl i :-:te
1 Rücklauf von Wärmepumpe bzw. Kühlsystem
2 Vorlauf zu Wärmepumpe bzw. Kühlsystem
3 Abstandshalter
4 inneres Rohr
5 Wärmeisolationsschicht
6 mittleres Rohr
7 äusseres Rohr
8 unteres und oberes Ende des mittleren Rohrs
9 Erdreich
10 unteres Ende des inneren Rohrs
1 1 unteres Ende des äusseren Rohrs
12 Überwurfmutter
13 Gewinde
14 Dichtring
15 Keildichtung
16 Heiz- bzw. Kühlsystem
17 Wärmetauscher
18 Heiz- bzw. Kühlkreislauf
19 Heizkörper bzw. Kühlei emenl.c
20 Wärmepumpe
21 Ventilator
22 Absperrschieber
23 Rücklauf vom Kühlsystem,
24 Vorlauf zum Kühlsystem
25 Rücklauf von der Wärmepumpe
26 Vorlauf zur Wärmepumpe
27 Druckausgleichsgefäß
28 Umwälzpumpe
29 Wärmetauscher auf horizontalem Kollektorsy3tera
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J BAD

Claims (13)

  1. Patentansprüche
    ( 1. )Klimaanlage für Heiz- und/oder Kühlzwecke, dadurch gekennzeichnet,
    a. dass ein Wäremtauscher (17) zur Gewinnung von Umweltenergie vorgesehen ist, der zyei oder mehr konzentrisch angeordnete Rohre (4, 7) und eine zwischen diesen beiden Rohren liegende Wärmeisolationsschicht (5) aufweist>
    b-.dass ein Heiz- bzw. Kühlkreislauf (18) mit Heiz- bzw. Kühlelementen (19) vorgesehen ist,
    c. dass ggf. eine Wärmepumpe vorgesehen ist, die bei Heizurigsbetrieb erforderlichenfalls zum Einsatz kommt und die vom Wärmetauscher (17) am Verdampfer mit Primärenergie versorgt wird, und
    d. dass bei Kühlbetrieb und ggf. 'auch bei Heizungsbe-trieb der Rücklauf des Wärmetauschers(17) unter Umgehung der Wär mepumpe (20) direkt in den Kühl- bzw. Heizkreislauf (18) gelangt.
    BAD
  2. 2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (17) drei konzentrische Rohre (4, 6, 7) aufweist und die Wärmeisolationsschicht (5) zwischen dem inneren Rohr (4) und dem mittleren Rohr (6) liegt.
  3. 3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolationsschicht (5) des Wärmetauschers (17) aus Luft besteht und das mittlere Rohr (6) an seinen Enden (8) dem inneren Rohr (4) flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
  4. 4. Klimaanlage nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Rohr (4) und dem mittleren Rohr (6) Abstandshalter (3) aus wärmeisolierendem Material vorgesehen sind.
  5. 5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zur Montage in der Erde in senkrechter Richtung zur Erdoberfläche vorgesehen ist und dass das innere Rohr (4) am unteren Ende (10) offen und das äussereRohr (7) am unteren Ende (11) geschlossen ist.
  6. 6. Klimaanlage nach Anspruch 5, 'dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Länge von weniger als 20 bis 100 m aufweist.
  7. 7. Klimaanlage nach Anspruch 5; dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher folgendes aufweist: eine Überwurfmutter (12), die auf ein Gewinde (13) am oberen Ende des äusseren Rohrs (7) aufgeschraubt ist, einen auf dem oberen Rand des äusseren Rohrs (7) aufliegenden Dichtring (14) und
    eine an der Aussenseite des mittleren Rohrs (6) und an der Innenseite der überwurfmutter (12) anliegende Keildichtung (15).
    "OPY
  8. 8. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Heiz- bzw. Kühlelementen (19) Ventilatoren (21) zugeordnet sind.
  9. 9. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Heiz- bzw. Kühlkreislauf (18) ein Vorratsbehälter (22) vorgesehen ist.
  10. 10. Klimanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende Absperrschieber (22) vorgesehen sind, die
    einen wahlweisen Heiz- oder Kühlbetrieb ermöglichen.
  11. 11. Klimanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinnung der Erdenergie weitestgehend unter Nutzung des Prinzips der Schwerkraft erfolgt und nur eine
    Pumpe kleiner Leistung für den Energietransport ausserhalb des Wärmetauschers (17) benötigt wird.
  12. 12. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass | der Energietransport von einer Flüssigkeit, insbesondere j Wasser oder einer Kühlsole, vorgenommen wird.
  13. 13. Klimanlage nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung des Wärmetauschers im Wärmepumpenbetrieb der Solevorlauf zum Verdampfer der Wärmepumpe gleichzeitig
    zu Kühlzwecken genutzt wird.
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