DE3301303A1

DE3301303A1 - Klimaanlage

Info

Publication number: DE3301303A1
Application number: DE19833301303
Authority: DE
Inventors: Masamichi Shimizu Hanada; Hirokiyo Shizuoka Terada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-02-03
Filing date: 1983-01-17
Publication date: 1983-08-11
Also published as: US4454728A; JPS58133542A; DE3301303C2

Description

33U13U3

KLIMAANLAGE

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, welche in Kombination wenigstens eine Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit, eine Wärmepumpenkühleinheit und einen kälte- und wärmespeichernden Tank aufweist.

Bisher hat man vielfach eine Wärmepumpen-Klimatisierungseinheit mit Wasserkühlung oder Luftkühlung verwendet, um einen Raum mit gesteigertem Wirkungsgrad zu kühlen und zu beheizen. Eine Klimatisierungseinheit wird gewohnlich tagsüber über einen längeren Zeitraum als nachts betrieben, so daß sich eine bedeutende Steigerung der Anforderungen an die elektrische Energie zeigt, wenn im Sommer tagsüber die Raumkühlung erfolgt, so daß manchmal die Versorgung mit elektrischer Energie den Bedarf nicht decken kann und die Energieversorgung ausfällt. In einer solchen Situation ist die vorstehend erwähnte Wärmepumpen-Klimatisierungseinheit mit Wasserkühlung oder Luftkühlung, wenn sie allein verwendet wird, nicht in der Lage, mit dem Ausfäll der Energieversorgung bei Spitzenbelastung fertigzuwerden. Wenn eine Raumbeheizung durch die Klimatisierungseinheit der beschriebenen Art erfolgt, hat diese Einheit gewöhnlich eine Heizbelastung tagsüber, die etwa 50 bis 70 % der Maximalbelastung am frühen Morgen entspricht, so daß eine Klimatisierungseinheit eine un- ■ vernünftig hohe Kapazität haben müßte, wenn sie allen Belastungsanforderungen als einzelne Einheit genügen würde. Dies hätte jedoch wirtschaftliche Nachteile. Um dieser Situation gerecht zu werden, wurde der Einsatz eines wärmespeichernden Tanks als Mittel vorgeschlagen, um die Klimatisierungseinheit wirtschaftlich mit erhöhtem Wirkungsgrad zu betreiben.

Eine Klimatisierungseinheit mit einem wärmespeichernden

Tank ist aus den US-PS'en 3 411 571, 3 523 575, 3 808 827,

■ 3 922 876, 4 077 464, 4 242 873 sowie dem JP-GM 83654/74 bekannt.

In dieser letzteren Druckschrift sind eine Kühleinheit in Form einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe und eine Wärmepumpe mit Luft als Heizquelle beschrieben, die mit dem wärmespeichernden Tank über eine Wasserleitung verbunden sind. Die bekannte Anlage soll mit einem hohen Wirkungsgrad bei der Raumbeheizung und Raumkühlung arbeiten, und zwar durch Verwendung des gleichen Druckverhältnisses des Kompressors für die mit der Wärmequelle Luft arbeitenden Wärmepumpe unten den beiden Zuständen Heizen und Kühlen. Es wurden jedoch keinerlei Maßnahmen dafür getroffen, die mit einer Unterbrechung der Energiezufuhr fertigwerden, wenn die Raumkühlung bei einer Spitzenbelastung erfolgt oder wenn eine Hohe Belastung aufgrund der Raumbeheizung vorliegt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, die erwähnten Nachreile zu vermeiden und eine. Klimaanlage zu schaffen, welche gespeichertes kaltes Wasser zum Einsparen der verwendeten elektrischen Energie benutzt, um mit einer Unterbrechung der Energiezufuhr bei Spitzenlast fertigzuwerden, so daß auch eine Raumbeheizung, insbesondere bei Maximalbelastung in den frühen Morgenstunden mit günstigem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, das eingesetzte Gerät insgesamt raumsparend gebaut ist und der Verbrauch an elektrischer Energie während der Nacht bzw. während des Tages ausgemittelt bzw. gleichmäßig verteilt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein kälte- und wärmespeichernder Tank in zwei Tankabschnitte unterteilt ist, die sich voneinander im Volumen und der

Temperatur der gespeicherten Kälte und Wärme unterscheiden. Außerdem ist ein Zusatzwärmetauscher für die Klimatisierungseinheit als Wärmetauscher der Nutzungsseite vorgesehen. Wenn eine Raumkühlung durchgeführt wird, wird kaltes Wasser mit relativ hoher Temperatur in den Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen durch Betätigung eines Umschaltventils, gespeichert, das in einer Wasserleitung sitzt, welche die Klimatisierungseinheit mit der Kühleinheit verbindet, und kaltes Wasser mit relativ niedriger Temperatur in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen durch Betätigung eines Umschaltventils gespeichert, das in einer weiteren Wasserleitung sitzt, die die Klimatisierungseinheit mit der Kühleinheit verbindet.

Bei der normalen Raumkühlung wird das kalte Wasser mit relativ hoher Temperatur dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tank mit größerem Volumen als Kühlwasser für den Kondensator der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit durch Betätigung eines weiteren Umschaltventils zugeführt, (3_as in einer Wasserleitung angeordnet' ist. Wenn die Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit aufgrund eines Ausfalls der Energieversorgung oder zur Reduzierung des Energieverbrauchs nicht mehr arbeitet, wird kaltes Wasser mit relativ niedriger Temperatur von dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen zu dem Zusatzwärmetauscher durch Betätigung eines weiteren Umschaltventils geführt, das in einer Wasserleitung angeordnet ist. Wenn eine Raumbeheizung durchgeführt wird, wird Wasser mit relativ niedriger Temperatur in den Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen durch Betätigung des Umschaltventils in der Wasserleitung gespeichert, welche die Kühleinheit mit der Klimatisierungseinheit verbindet, und warmes Wasser mit relativ hoher Temperatur in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen durch Betätigung des Umschaltventils gespeichert, das in der Was-

serleitung sitzt, welche die Klimatisierungseinheit mit der Kühleinheit verbindet. In den Anfangsstufen der Raumbeheizung wird warmes Wasser mit relativ hoher Temperatur in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinem Volumen dem Zusatzwärmetauscher durch Betätigung eines weiteren Umschaltventils zugeführt, das in einer Wasserleitung angeordnet ist, welche die Klimatisierungseinheit mit dem Zusatzwärmetauscher verbindet.

Bei der normalen Raumbeheizung wird das kalte Wasser mit relativ niedriger Temperatur in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen einem Verdampfer der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit als eine Wärmequelle bildendes Wasser durch Betätigung eines weiteren Umschaltventils zugeführt, das in einer Wasser^ leitung angeordnet ist oder das warme .Wasser in der Kühleinheit wird direkt zu dem Zusatzwärmetauscher der Wasser kühlung s-Klimat is ierung se inhe it transportiert.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäße eine Klimaanlage geschaffen, bei welcher der wärme- und kältespeichernde Tank in zwei Tankabschnitte unterteilt ist, die sich im Volumen und in der Temperatur der darin gespeicherten Kälte und Wärme unterscheiden. Wenn eine Raumkühlung erfolgt, wird das kalte Wasser, das von dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen gekühlt wird, durch die Wärmepumpen-Kühleinheit gespeichert, während kaltes Wasser mit relativ hoher Temperatur .in dem Abschnitt des kälten und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen gespeichert wid, so daß ...beim normalen Raumkühlungsvorgang das Kühlwasser mit relativ hoher Temperatur in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen als Kühlwasser für den Kondensator der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit verwendet wird, wodurch diese als Kühleinheit arbeiten kann. Wenn die Wasserkühlungs-Klimatisiereinheit

durch Ausfall der Energiezufuhr nicht mehr arbeitet, wird lediglich ein Gebläse betätigt. Der Kompressor der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit wird abgeschaltet, so daß der Kühlvorgang durch Verwendung des kalten Wassers fortgesetzt wird, das durch den Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen gekühlt ist. Beim Raumbeheizungsvorgang wird das warme Wasser, das an dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen erhitzt worden ist, in der Wärmepumpeneinheit gespeichert. Das warme Wasser mit relativ niedriger Temperatur wird in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen gespeichert. Das warme Wasser mit hoher Temperatur in dem Abschnitt des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit kleinerem Volumen wird dann verwendet, wenn eine größe Wärmemenge erforderlich ist, beispielsweise beim Beginn der Raumerhitzung früh am Morgen. Das Wasser mit relativ niedriger Temperatur in dem Abschnitt, des kälte- und wärmespeichernden Tanks mit größerem Volumen wird bei der normalen Raumerwärmung .dazu verwendet, daß die Raumerwärmung von der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit durchgeführt werden kann.-Die in dem Tankabschnitt mit kleinerem Volumen gespeicherte Wärme wird in der vorstehend beschriebenen Weise bei Maximalbelastung benutzt, so daß keine Notwendigkeit mehr besteht, die Kapazitäten der Anlage zu steigern, um der Maximalbelastung zu genügen, wodurch die Kapazitäten der Anlage verringert werden können. Da die Kälte- und Wärmespeicherung in der Nacht erfolgen kann durch Verwendung der Wärmepumpenkühleinheit, ist es möglich, den Verbrauch an elektrischer Energie während des Tags und der Nacht auszugleichen, wodurch das System wirtschaftlich betrieben werden ■ kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt.

Fig. 1 schematisch den Verrohrungsplan einer ersten Ausführungsform der Klimaanlage,

Fig. 2 schematisch den Verrohrungsplan einer zweiten

Ausführungsform der Klimaanlage und Fig. 3 schematisch den Verrohrungsplan einer dritten Ausführungsform der Klimaanlage.

Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform der Klimaanlage hat eine Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung, und Wärmepumpe, einen Zusatzwärmetauscher 11, einen kälte- und wärmespeichernden Tank 30 und eine Wärmepumpenkühleinheit 40, die miteinander durch Leitungen verbunden sind, in denen eine Vielzahl von Umschaltventilen und Pumpen angeordnet ist. Die Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe hat ein Vierwege-Umschaltventil 3, das in einer Kühlmittelabgabeleitung 2 eines Kompressors zum Umschalten eines Kühlmittelkreislaufes sitzt und mit einer Verbindungsöffnung mit einem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 über eine Leitung 4 verbunden ist. Ein Rückschlagventil 6 ermöglicht einen Durchstrom des Kühlmittels bei einem Kühlvorgang, verhindert jedoch den Durchstrom, beim Heizvorgang. Parallel zu dem Rückschlagventil 6 ist eine druckregulierende Einrichtung 7 geschaltet, die nur beim Heizvorgang betätigt wird und die mit dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 über eine Leitung 8 in Wärmeaustauschbeziehung verbunden ist. Mit einem parallelen Kreis eines weiteren Rückschlagventils 12 und .einer weiteren druckreduzier'enden Einrichtung 13 ist eine Leitung 9 verbunden. Das Rückschlagventil 12 ermöglicht es dem Kühlmittel, beim Heizvorgang hindurchzuströmen, während dieser Durchstrom beim Kühlvorgang verhindert ist. Die druckreduzierende Einrichtung 13 ermöglicht den Durchstrom des Kühlmittels beim Kühlvorgang, so daß das Kühlmittel durch Reduzierung des Drucks expandieren kann, wodurch eine Kühlung erfolgen kann. Das Rückschlagventil 12 und die

druckreduzierende Einrichtung 13 sind mit einem nutzungsseitigen Wärmetauscher 15 über eine Leitung 14 verbunden. Der nutzungsseitige Wärmetauscher 15 ist ein Wärmetauscher, der im Kühlmittel den Austausch von Wärme mit Luft ermöglicht, wobei die in einem Gebläse 16 zwangsweise zugeführte Luft gekühlt oder erwärmt wird. Ein an einem Ende mit dem nutzungsseitigen Wärmetauscher 15 verbundene Leitung 17 steht am anderen Ende mit einer weiteren Verbindungsöffnung des Vierwegeumschaltventils 3 in Verbindung. Ein Speicher' 18 ist an seinem Einlaß mit dem Vierwegeumschaltventil 3 über eine Leitung 19 und an seinem Auslaß mit der Saugseite des Kompressors 1 über eine Leitung 20 verbunden. Der kälte- und wärmespeichernde Tank 30 ist in einen Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen und in einen Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen unterteilt, Der Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen ist weiterhin durch eine Trennwand 33 unterteilt, die ein Überströmen . ermöglicht.

/ Die Wärmepumpen-Kühleinheit 40 hat einen Kompressor 41, ein Vierwegeumschaltventil 42, einen auf der Wärmequel-. lenseite befindlichen Wärmetauscher 43, Kreisläufe 44 mit einem Rückschlagventil zum Kühlen und einer druck-■ .reduzierenden Einrichtung bzw. einem Rückschlagventil zum Heizen, und einer druckreduzierenden-. Einrichtung sowie einen Kühlmittelkanal, der in dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 45 angeordnet ist und in.Wärmeaustauschbeziehung über eine Leitung 47 in Reihe mit den Kreisläufen 44 und dem Umschaltventil 42 geschaltet ist,vum dadurch einen Wärmepumpen-Kühlkreislauf zu bilden. Zur-Steuerung des Betriebs bzw. des Gebläses sind Zeitgeber 48 und 49 vorgesehen. Eine erste Pumpe 50

■' ist an ihrem Auslaß mit dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 45 über eine Leitung 51 und an ihrem Einlaß mit dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über eine Leitung 52 verbunden. Ein erstes Umschaltventil

53 ist an seinem Auslaß mit dem Tankabschnitt 31 mit grö-• ßerem Volumen über eine Leitung 54 und an seinem Einlaß mit einer Leitung 56 verbunden, die an einen Auslaß des auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauschers 45 über eine Leitung 55 angeschlossen ist. Ein zweites Umschaltventil 57 ist an seinem Einlaß mit der Leitung 56 und an seinem Auslaß mit dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen über.eine Leitung 58 verbunden. Eine zweite Pumpe 59 ist an ihrem Einlaß mit einem dritten Umschaltventil 61 über eine Leitung 60 verbunden, wobei das dritte Umschaltventil 61 über eine Leitung 62 mit dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen verbunden ist. Ein fünftes Umschaltventil 63 ist an seinem Auslaß mit dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen über eine Leitung 64 verbunden. Die zweite Pumpe 59 ist an ihrem Auslaß mit einer Leitung 65 verbunden, die ihrerseits mit einer Leitung 66 in Verbindung steht. Ein viertes Umschaltventil 67 ist an seinem Einlaß mit der Leitung 66 und an seinem Auslaß mit dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 über eine Leitung 68 verbunden. Ein sechstes Umschaltventil 69 ist an seinem Einlaß mit der Leitung und an seinem Auslaß mit dem Zusatzwärmetauscher 11 über eine Leitung 70 verbunden. Eine Leitung 71 ist mit dem : Auslaß des auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauschers 5, eine Leitung 72 mit dem Auslaß des Zusatzwärmetauschers 11 verbunden. Die Leitungen 71 und 72 sind mit einer Leitung 73 verbunden, die an den Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen angeschlossen ist.

Die Klimaanlage des beschriebenen Aufbaus arbeitet folgendermaßen:

.Eine Raumkühlung und eine Raumbeheizung werden dadurch ausgeführt, daß die Klimatisierungseinheit IO mit Wasserkühlung und Wärmepumpe arbeiten gelassen wird. Von dem kälte- und wärmespeichernden Tank 30 wird Wasser im auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 der

Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe zugeführt, um eine Wärmeaustausch zu bewirken. Die Temperatur des Wassers in dem kälte- und wärmespeichernden Tank 30 wird auf eine geeignete Hohe durch die Wärmepumpen-Kühleinheit 40 einreguliert.

Bei einem Kühlvorgang wirken der auf der Wasserseite befindliche Wärmetauscher 5 der Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe als Kondensator und der verwendungsseitige Wärmetauscher 15 als ein Verdampfer aufgrund der Betätigung des Vierwegeumschaltventils 3. Somit strömt Kühlmittel mit hohem Druck und hoher Temperatur, komprimiert vom Kompressor 1'. , in Richtung der mit ausgezogenen Linien gezeigten Pfeile in den auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5, der als Kondensator wirkt, und gibt dort die Wärme an Kühlwasser ab, das von dem kälten und wärmespeichernden Tank 30 zugeführt wird, wodurch durch Kondensation eine Umstellung in den flüssigen' Zustand erfolgt. Das Kühlmittel mit hohem Druck im flüssigen Zustand strömt durch die Leitung -8 in die druckreduzierende Einrichtung 13 über das Rückschlagventil 6 und die Leitung 9, wobei es expandiert und sein Druck reduziert wird. Das Kühlmittel mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur, das durch die Expansion und Druckreduzierung erhalten wird, strömt durch die.Leitung 14 zu dem verwendungsseitigen Wärmetauscher 15, der als Verdampfer wirkt, wo Wärme mit Luft ausgetauscht wird, die zwangsweise durch das Gebläse 16 dem zu kühlenden Raum zugeführt wird, um dadurch die Raumkühlung zu bewirken. Inzwischen absorbiert das Kühlmittel Wärme aus der Luft und geht in einen gasförmigen Zustand über, ehe es durch die Leitung 16 und über das Vierwegeumschaltventil 3 und die Leitung· 19 zu dem Speicher 18 fließt, wo das Gas von der Flüssigkeit getrennt wird und das Gas durch die Leitung 20 in den Kompressor 1 abgesaugt wird, wodurch der Kühlkreislauf vervollst Und igt

ist.

Bei diesem Kühlvorgang wird der Zusatzwärmetauscher 11 nicht eingesetzt. Das Kühlwasser, das dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 zugeführt wird, der als Kondensator wirkt, wird durch Betätigung der zweiten Pumpe 59 transportiert, wodurch Wasser aus dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über die Leitung 62, ein drittes Umschaltventil 61 und eine Leitung 60 abgezogen wird, ehe e's dem Wärmetauscher 5 über die Leitungen 65 und 66, ein viertes Umschaltventil 67 und eine Leitung. zugeführt wird. Das durch den Wärmeaustausch erwärmte Wasser wird über die Leitungen 71 und 73 zum Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen .zugeführt. Das zum Tankabschnitt 31 zurückgeführte Wasser wird jedoch in eine Kammer abgeleitet, die durch die Trennwand 33 von der Kammer getrennt ist, aus der das kalte Wasser über die Leitung 62 abgezogen wird, so daß eine Vermischung des kalten Wassers mit dem warmen Wasser unterbunden wird. Beim Kühlvorgang bleiben ein fünftes und sechstes Umschaltventil geschlossen.

in dem kälte- und wärmespeichernden Tank 30 wird kaltes Wasser durch die Wirkung der Wärmepumpenkühleinheit 40 gespeichert, die bei Nacht unter Verwendung von Nachtstrom betätigt wird, wodurch kaltes Wasser von etwa 20⁰C im Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen gespeichert wird, das zur Verwendung als Kondensatorkühlwasser geeignet ist, während Kühlwasser von etwa 5°C in dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen gespeichert wird. Insbesondere wird das Vierwegeumschaltventil 42 der Wärmepumpenkühleinheit 40 so betätigt, daß der Kühlmitteldurchgang bzw. Kühlmittelkanal 46 in dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 45 als Verdampfer wirkt, während der auf der Wärmequellenseite befindliche Wärmetauscher 43 als Kondensator wirkt. Das vom Kompressor 41 gelieferte Kühlmittel mit hohem Druck und hoher Temperatur wird über das

'J 'λ

JUI

- 15 -

Vierwegeumschaltventil 42, die Leitung 47, den auf der Wärmequellenseite befindlichen Wärmetauscher 43 und die Leitung 47 zum Kreis 44 der druckreduzierenden Einrichtung geführt, wo das Kühlmittel expandiert, so daß sein Druck reduziert wird,ehe es durch die Leitung 47, den Kühlmitteldurchgang 46, die Leitung 47 und das Vierwegeumschaltventil 42 zum Kompressor 41 gelangt, wodurch der Kühlmittelkreislauf zum Kühlen des Wassers in dem auf der Wasserseite befindlichen Wäremtauscher 5 geschlossen ist. Während dieses Kühlzyklus ist das Gebläse 49 eingeschaltet. Das in dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen befindliche Wasser wird durch die erste Pumpe 50 über die Leitungen 52, 51, den auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 45, die Leitungen 56, 55, das erste Umschaltventil 53 und die Leitung 54 umgewälzt, die einen Wasserumwälzkreislauf zur Lieferung von kaltem Wasser von 20 C bilden. Das zweite Umschaltventil 57 bleibt während dieses Vorgangs zur Erzeugung von kaltem Wasser geschlossen. Wenn kaltes Wasser von etwa 5°C in dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen gespeichert ist, wird die erste Pumpe 50 durch Schließen des ersten Umschaltventils 53 und durch Öffnen des zweiten Umschaltventils 57 betätigt. Wenn das kalte Wasser von etwa 5°C durch den auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 erzeugt wird, ist es erforderlich, die Verdampfungstemperatur des Kältebzw. Kühlkreislaufs zu reduzieren. Das Ende wird durch .Betätigung des Zeitgebers 48 durch Schalten der Verdampfungstemperatufen erreicht.

Der Bedarf an elektrischer Energie steigt stark im Sommer, so daß die Energieversorgung ausfallen kann. Wenn die Stromversorgung beispielsweise bei einer Spitzenbelastung ausfällt, ist ein Arbeiten der Klimatisierungseinheit nicht mehr möglich. Wenn diese Situation eintritt, wird die Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe abgeschaltet. Es arbeitet nur noch das Gebläse 16

« > ft* mV+*
« · fr # ·

- 16 -

und transportiert Luft in den Raum. Das fünfte und sechste Umschaltventil 63 bzw. 69 sind geöffnet, das dritte
und vierte Umschaltventil 61 und 67 geschlossen/ um die
zweite Pumpe 59 zu betätigen. Das kalte Wasser von etwa
5°C ist in dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen gespeichert und wird dem Zusatzwärmetauscher 11 über die
Leitung 64, das fünfte Umschaltventil 63, die Leitungen
60, 65, das sechste Umschaltventil 69 und die Leitung 70 zugeführt, um die durch das Gebläse 16 zwangsweise in den Raum geblasene Luft zu kühlen und dadurch mit der Raumkühlung fortzufahren. Das Kühlwasser wird zum Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über die Leitungen 72 und 73 nach dem Kühlen der Luft zurückgeführt.

Dieser Vorgang kann nicht nur dann ausgeführt werden , wenn die Stromzufuhr ausfällt, sondern auch,

• wenn man Energie durch Verwendung von Nachtstrom einsparen will." Mit der vorstehend beschriebenen Betriebsweise kann der Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert werden, da nur das Gebläse und die zweite Pumpe für den Betrieb Energie benötigen. Der Tankabschnitt, in dem allein kaltes Wasser von etwa 5°C ge- ■ speichert wird, muß ein kleines Volumen haben, da das
kalte Wasser nur dafür verwendet wird, dem Stromausfall .^s bei Spitzenbelastung gerecht zu werden.

Beim Heizvorgang wird warmes Wasser in dem kälte- und wärmespeichernden Tank 30 durch Verwendung·von Nachtstrom
gespeichert. Das warme Wasser in dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen hat eine Temperatur von etwa 35°C. Das
warme Wasser in dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen hat eine Temperatur von etwa 55°C. Der Wasserumwälzkreislauf zwischen dem kälte- und wärmespeichernden Tank 30
und dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 45 der Warmepumpenkuhleinhext 40 ist der gleiche wie der zur Erzeugung von kaltem Wasser beschriebene. Der Kühlkreis-

I O U J

lauf der Wärmepumpenkühleinheit 40 erfolgt umgekehrt, da -■.?. das Vierwegeumschaltventxl 42 betätigt ist, so daß ein Kühlmittel mit hoher Temperatur durch den Kühlmitteldurchgang 46 fließt und das Wasser erwärmt. Das durch Erwärmen des Wassers erzeugte Warmwasser wird durch die erste Pumpe 50 zum Tank 30 geführt und in dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen und im Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen gespeichert. Wenn sich die beiden Tankabschnitte in der Temperatur des darin gespeicherten Wassers unterscheiden sollen, ist es erforderlich, die Kondensationstemperatur des Kühlkreislaufs der Wärmepumpenkühleinheit 40 zu steigern, wenn warmes Wasser von etwa 55°C in dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen gespeichert werden soll. Das Ende kann durch Betätigung des Zeitgebers 48 erreicht werden.

Gewöhnlich erfordert es in den Anfangsstufen des Beheizungsvorgangs /_'Zeit, eine Stabilisierung des Kühlkreislaufs zu erhalten. Es vergeht eine sehr lange Zeit, ehe Warmluft in jede Ecke und jeden Winkel des Raums für dessen Erwärmung gelangt. Insbesondere am frühen Morgen ist wegen der anstehenden hohen Belastung des Netzes eine lange Wartezeit erforderlich, ehe der Raum ausreichend erwärmt ist, daß die Insassen die Wärme fühlen. Zu dieser Zeit wird das warme Wasser von etwa 55°C, das im Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen gespeichert ist, durch die zweite Pumpe 59 direkt vom Zusatzwärmetauscher 11 geführt, um die Luft zu erwärmen. Der Umwälzkreislauf des warmen Wassers ist der gleiche wie der Umwälzkreislauf sdes kalten Wassers, wie er für den Kühlvorgang beschrieben wurde. Bei der Klimaanlage von Fig. 1 bleibt die Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe unwirksam, während der Heizvorgang durch Zuführung von warmem»Wasser zum Zusatzwärmetauscher 11 wie vorstehend beschrieben ausgeführt wird. Die Einheit 10 kann jedoch durch Ändern des Wasserleitungskreises aktiviert

werden. Die Zeit der hohen Belastung am frühen Morgen ist relativ kurz, so daß der Abschnitt mit kleinerem Volumen ausreicht. Wenn der Raum auf ein bestimmtes Maß erwärmt ist, fühlen sich die Insassen nicht mehr unbehaglich, bis die Stabilisierung des Kühlkreislaufs erreicht ist, auch wenn das System auf den normalen Heizvorgang umgeschaltet hat. Der normale Heizvorgang wird so durchgeführt, daß das Vierwegeumschaltventil 3 der Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe so betätigt wird, daß das Kühlmittel in Richtung der mit gestrichelten Linien gezeigten Pfeile strömt, wodurch ein . . Kreislauf gebildet wird, der zu dem des Kühlvorgangs umgesteuert ist. Das warme Wasser von etwa 35°C, das in dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen gespeichert ist, wird durch die zweite Pumpe 59 zum auf der -Wassers.eite befindlichen Wärmetauscher 5 geführt, der als Verdampfer wirkt, so daß ein Wärmeaustausch zwischen dem warmen Wasser und dem Kühlmittel stattfinden kann. Somit kann mit der Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmeaustausch, die eine geringe Heizfähigkeit hat, eine ausreichende Heizwirkung im Anfangsstadium des Heizvorgangs erreicht werden, obwohl die Anlage raumsparend und leicht gebaut ist. Darüberhinaus ermöglicht die Verwendung des kälte- und wärmespeichernden Tanks 30 eine Verringerung der Energiekosten durch Reduzierung des Energieverbauchs am Tag.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform werden als Umschaltventile Dreiwegeventile verwendet. Ein Dreiwegeventil 100 ist dabei an einer Verbindungsöffnung mit dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen über eine Leitung 101, eine weitere Verbindungsöffnung mit dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über e'ine Leitung 102 verbunden. Weiterhin ist ein Dreiwegeventil 103 von einer Verbindungsöffnung mit dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über eine Leitung 104 und eine weitere Verbin-

durigsöffnung mit dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen über eine Leitung 105 verbunden. Ein Dreiwegeventil 106 ist an einem Ende mit der Leitung 68 und am anderen Ende mit der Leitung 70 verbunden, um eine Verbin-5' dung mit dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 bzw. dem Zusatzwärmetauscher 11 der Klimatisierungseinheit 10 mit Wasserkühlung und Wärmepumpe herzustellen. Die Dreiwegeventile 100 und 106 sind so gebaut, daß, wenn ein Auslaß offen ist, der andere Auslaß geschlossen ist. Das Dreiwegeventil 103 ist so gebaut, daß_/ wenn eine Saugöffnung offen ist, die andere Saugöffnung geschlossen ist. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform hat zwei Klimatisierungseinheiten auf der Nutzungsseite, die in der gleichen Weise wie anhand der Ausführungsform von Fig. 1 beschrieben wurde, betätigt werden. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Anzahl der eingesetzten Umschaltventile verringert und die Verrohrung vereinfacht werden können.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher zwei Klimatisierungseinheiten 200 mit Wasserkühlung parallel zueinander geschaltet sind. Die Klimatisierungseinheiten 200 haben keine Wärmepumpe. Wenn die Klimatisierungseinheiten 200 für die Raumkühlung betätigt werden , wird das in dem kälte- und wärmespeichernden Tank 30 gespeicherte Wasser als Kühlwasser für den auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 verwendet, der als Kondensator wirkt, genauso wie dies anhand der Fig. und 2 erläutert wurde. Dabei wird kaltes Wasser aus dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen zum auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 5 über die Leitung 62, das Dreiwegeventil 103, die zweite Pumpe 59, das Dreiwegeventil 106 und die Leitung 68Tgeführt und über die Leitung 72 zum Tankabschnitt 31 zurückgeführt. Bei einem Stromausfall bei Spitzenbelastung werden die KIimatisierungseinheiten 200 abgeschaltet..Das kalte Was-

ser von etwa 5°C wird durch Absaugen durch die zweite Pumper 59 über die Leitung 105 und das Dreiwegeventil 103 abgezogen, so daß das kalte Wasser über das Dreiwegeventil 106, eine Leitung 201, ein Dreiwegeventil 202 und Leitungen 203 und 204 zum Zusatzwärmetauscher 11 gelangt, um .
dort die von einem Gebläse zugeführten Luftströme zu kühlen. Das kalte Wasser wird nach dem Einsatz zum Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über Leitungen 205 und
206 und ein Dreiwegeventil 107 über die Leitung 72 zurückgeführt.

Beim Heizen wird das System beim Anlaufen genauso wie das System betrieben, wenn beim Kühlen ein Stromausfall eintreten würde. Zu diesem Zeitpunkt wird warmes Wasser von etwa 55°C im Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen durch die Wärmepumpen-Kühleinheit 40 gespeichert.

Beim normalen Heizen wird das in dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen gespeicherte warme Wasser in den auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher 11-geführt, um die Raumheizung zu bewirken. Zu dieser Zeit strömt warmes

Wasser aus dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen über die Leitung 104, das Dreiwegeventil 103, die zweite Pumpe 59, das Dreiwegeventil 106, die Leitung 201, das Dreiwegeventil 202, die Leitungen 203 und 204, den auf der Was-, serseite befindlichen Wärmetauscher 11, die Leitungen 205 und 206, das Dreiwegeventil 207 und die Leitung 27 zurück zum Tankabschnitt 31. ^:

Es ist möglich, die Raumbeheizung durch direktes Zuführen von warmem Wasser, das von der Wärmepumpenkühleinheit 40 erzeugt wird, dem Zusatzwärmetauschernlll der Klimatisierungseinheiten 200 zu bewirken. Zu dieser Zeit strömt
das warme Wasser von der Wärmepumpenkühleinheit 40 über
die Leitung 56, das Dreiwegeventil 100, eine Leitung 300, ein Dreiwegeventil 202, die Leitungen 203 und 204, die

Zusatzwärmetauscher 11, die Leitungen 205 und 206, das Dreiwegeventil 207/ eine Leitung 301, ein Dreiwegeventil 302, eine Leitung 303, die erste Pumpe 50 und die Leitung 51 zurück zur Wärmepumpen-Kühleinheit 40.

Wenn Wasser in dem Tankabschnitt 31 mit größerem Volumen und in dem Tankabschnitt 32 mit kleinerem Volumen durch Betätigung der Wärmepumpenkühleinheit 40 gespeichert wird, . wird ein Dreiwegeventil 304 betätigt, wodurch Wasser in die jeweiligen Tankabschnitte über die Leitungen 305 bzw. 306 strömt. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform ermöglicht es, daß bereits installierte Klimatisierungseinheiten mit Wasserkühlung ohne Schwierigkeiten beim Anlauf des Heizvorqangs arbeiten und wenn der Strom aufgrund einer Spitzenbelastung beim Kühlvorgang ausfällt.

Leerseite

Claims

ν. F ϋ N E R E B B I N G.'Jtf JA U ^S- -^ -.FINCK

PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95

HITACHI LTD.

17. Januar 1983 DEAC-30598.6

KLIMAANLAGE

Patentansprüche

Klimaanlage mit wenigstens einer Klimatisierungseinheit mit Wasserkühlung, einer Wärmepumpenkühleinheit und mit einem kälte- und wärmespeichernden Tank zum Speichern von gekühltem oder erwärmtem Wasser, das für die Kühlung oder Erwärmung benutzt wird, dadurch g e k e η η .zeichnet , daß

der kälte- und wärmespeichernde Tank (30) in zwei Tankabschnitte (31, 32) unterteilt ist, die sich voneinander im Volumen und in der Temperatur der darin gespeicherten Kälte und Wärme unterscheiden, und daß in der Klimatisierungseinheit (10) ein Zusatzwärmetauscher (11) .als nutzungsseitiger Wärmetauscher angeordnet ist, daß bei einem Kühlvorgang kaltes Wasser mit relativ hoher Temperatur in dem Tankabschnitt (31) mit größerem Volumen dadurch gespeichert wird, daß ein Umschaltventil (53) betätigt wird, das in mit der Kühleinheit verbundenen Leitungen (54, 56) angeordnet ist, und kaltes Wasser mit relativ niedriger Temperatur in dem Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen dadurch gespeichert wird, daß ein Umschaltventil (57) betätigt wird, das in mit der Kühleinheit (.40) verbundenen Leitungen (56, 58) angeordnet ist;

daß bei einem normalen Kühlvorgang kaltes Wasser mit relativ hoher Temperatur in dem Tankabschnitt (31) mit. größerem Volumen als Kühlwasser für einen Kondensator (5) der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) durch Betätigung von Umschaltventilen (61, 67) in Leitungen (60, 62,. 65, 66, 68) zugeführt wird, und,wenn die Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) zur Einsparung elektrischer Energie oder bei Energieausfall nicht arbeitet, kaltes Wasser mit relativ niedriger Temperatur im Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen dem Zusatzwärmetauscher (11) durch Betätigung eines weiteren Umschaltventils (69) zugeführt wird, das in einer Wasserleitung (70) angeordnet ist;

daß bei einem Heizvorgang Wasser mit relativ niedriger Temperatur in dem Tankabschnitt (31) mit relativ großem Volumen durch Betätigung des Umschaltventils (53)

gespeichert wird, das in der mit der Kühleinheit (40) verbundenen Wasserleitung (54) angeordnet istj und warmes Wasser mit relativ hoher Temperatur in dem Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen durch Betätigung des Umschaltventils (57) gespeichert wird, das in der mit der Kühleinheit (40) verbundenen Wasserleitung (58) angeordnet ist, wobei beim Anlauf des Systems für einen Heizvorgang warmes Wasser mit relativ hoher Temperatur in dem Tankabschnitt (31) mit kleinerem Volumen dem Zusatzwärmetauscher (11) durch Betätigung des Umschaltventils (69) zugeführt wird, das in der Wasserleitung (70) angeordnet ist, und

daß beim normalen Heizvorgang Wasser mit relativ niedriger Temperatur im Tankabschnitt (31) mit größerem Volumen, als eine Wärmequelle bildendes Wasser für den Kondensator (5) der Kühlwasser-Klimatisierungseinheit (10) durch Betätigung des Umschaltventils (67) zugeführt wird, das in der Wasserleitung (68) angeordnet ist, oder warmes Wasser in der Kühleinheit (40) direkt dem Zusatzwärmetauscher (11) der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10)

zugeführt wird.
2. Klimaanalage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Tankabschnitt (31) mit größerem Volumen mit einer Trennwand (33) versehen ist, die ein Überströmen in zwei Kammern ermöglicht, von denen die

eine mit den Wasserzuf ührungsleitun.gen (51, 52) zu einem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher (45) der Kühleinheit (40) und mit dem Rückführkanal (71,72, 73) von dem auf der VJasserseite befindlichen Wärmetauscher (5) und dem Zusatzwärmetauscher (11) der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) verbunden ist, und die andere mit dem Auslaßkanal (56, 58) der Kühleinheit (40) und mit dem Zuführungskanal (64) zum auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher (5) der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) verbunden ist.
3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei einem Kühlvorgang die relativ hohe Temperatur des in dem Tankabschnitt (31) mit größerem Volumen gespeicherten Wassers etwa 2O°C und die relativ nie-

■5 rige Temperatur des in dem Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen gespeichterten Wassers etwa 5°C beträgt, so daß bei einem normalen Kühlvorgang das Wasser von etwa 20°C im Tankabschnitt (31) mit größerem Volumen dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher (5) der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) zugeführt wird, um die Kühlung auszuführen, wobei dann, wenn die Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) zur Einsparung von elektrischer Energie oder aufgrund eines Energieausfalls nicht arbeitet, lediglich ein Gebläse (16) betätigt wird, um Luftströme zu einem zu kühlenden Raum zu führen, während das kalte Wasser von etwa 5°C aus dem Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen zum Zusatzwärmetauscher (11) transportiert wird, um die Kühlung durchzuführen-
4. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heizvorgang die relativ niedrige Temperatur des in dem Tankabschnitt (31) mit größerem Volumen gespeicherten Wassers etwa 35°C und die relativ hohe Temperatur des in dem Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen gespeicherten Wassers etwa 55°C beträgt, wobei beim Anlauf eines Heizvorgangs das warme Wasser mit etwa 55 C in dem Tankabschnitt (32) mit kleinerem Volumen dem Zusatzwärmetauscher (11) zugeführt wird, und zur Durchführung eines normalen Heizvorgangs das Wasser von etwa 35°C in dem Tankabschnit (31) mit größerem.Volumen dem auf der Wasserseite befindlichen Wärmetauscher (5) der Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit (10) als Kühlwasser .zur Durchführung der Beheizung zugeführt wird.
5. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ eich,η et, daß die Umschaltventile Ein-Aus-Ventile bzw. Schaltventile (53, 57, 61, 63, 67, 69) mit Doppelkanal sind.
6. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch ■ gekennzeichnet , daß die Umschaltventile Dreiwege-Umschaltventile (100, 103-, 106) aufweisen.
7. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit einen nichtumsteuerbaren Kühlkreislauf aufweist.
8. Klimaanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine Wasserkühlungs-Klimatisierungseinheit einen umsteuerbaren Kühlkreislauf aufweist.