DE3735808A1 - Waermerueckgewinnungs- und unterkuehlungsanlage sowie verfahren zum erzeugen von ganzjaehriger unterkuehlung in einer kaelteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf kommerzielle und industrielle Kälteanlagen und betrifft insbesondere Umkehrzykluskondensatoranordnungen für solche Kälteanlagen.

Der Kältefachmann kennt den jahreszeitlichen klimatischen Einfluß auf große kommerzielle und industrielle Kälteanlagen der beschriebenen Art. Die Hauptfunktion von solchen Anlagen ist es, ganzjährig für eine wirksame Kühlung von Vorrichtungen oder Einheiten zu sorgen, die durch die Anlagenverdampfer gekühlt werden, und die wirksamste Kühlung wird erzielt, indem deren Expansionsventilen unterkühltes flüssiges Kältemittel zugeführt wird. Die Unterkühlung wird von Haus aus während des Winters und während der Zwischenjahreszeiten erzielt, indem herkömmliche Kondensatorflutung und/oder Mehrwegkondensatoren zum Steuern oder Aufrechterhalten des Mindestkompressorkopfdruckes, der für den gesamten Anlagenbetrieb erforderlich ist, benutzt werden, wie es in der US-PS 33 58 469 beschrieben ist. Diese Unterkühlung kann zu beträchtlichen Energie- oder Leistungseinsparungen führen, sofern sie nicht erzielt werden muß durch Ausgleichen der Energieverwendung durch die Benutzung von herkömmlichen mechanischen Unterkühlern in der Flüssigkeitsleitung zu den Expansionsventilen, um Spülgas aufgrund der Flüssigkeitsleitungsdruckverminderung während des Abtauens mit Gas zu verhindern, wie es in der US-PS 31 50 498 beschrieben ist. Die Vorteile der Flüssigkältemittelunterkühlung bei effizientem betrieb der Anlagenkompressoren und -verdampfer sowie die potentiellen Leistungseinsparungen, die dadurch erzielt werden, sind bekannt. Bislang ist jedoch das Installieren von herkömmlichen mechanischen Unterkühlern für die Verwendung während des Sommerbetriebes die Hauptlösung für einen effizienten Anlagenkühlbetrieb während heißen Wetters geblieben.

Das Arbeiten mit Wärmerückgewinnung ist ebenfalls bekannt und kann zu beträchtlichen Energie- oder Leistungseinsparungen während des Winters und der Zwischenjahreszeiten führen, je nach den relativen Kosten von elektrischer Kompressorleistung und von Heizbrennstoff. Wenn der Kompressorkopfdruck erhöht wird, gibt es ein höheres Wärmerückgewinnungspotential, aber bei einem höheren Energieverbrauch durch die Kompressoren, wie es in der US-PS 45 22 037 beschrieben ist.

Eine Kälteanlage, die mit der Erfindung versehen ist, hat eine Wärmerückgewinnungsschlange mit einer ersten Ventileinrichtung, welche in einer Wärmerückgewinnungsbetriebsart während des Winterbetriebes die Schlange wahlweise zwischen die Kompressor- und die Kondensatoreinrichtung schaltet, und eine zweite Ventileinrichtung, die in einer Unterkühlungsbetriebsart während des Sommerbetriebes die Schlange wahlweise zwischen die Kondensatoreinrichtung und ein Sammelgefäß der Anlage schaltet. Die Erfindung beinhaltet weiter ein Verfahren zum Durchführen eines Umkehrzyklusbetriebes der Wärmerückgewinnungsschlange in ihren saisonalen Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsbetriebsarten.

Das Hauptziel der Erfindung ist also die Schaffung einer Kälteanlage, welche ganzjährig für eine tiefe Unterkühlung des flüssigen Kältemittels sorgt, ohne daß mechanische Unterkühler benutzt werden.

Weiter soll durch die Erfindung für eine wirksamere Luftkonditionierungsfeuchtigkeitssteuerung durch Rückerhitzung während des Sommerbetriebes gesorgt werden.

Gemäß der Erfindung wird eine Wärmerückgewinnungsschlange in einer Umkehrzyklus-Unterkühlungs- und fühlbaren Rückerhitzungsbetriebsart zur Verbesserung des Klimatisierungskomforts und zur Verbesserung der Kühlleistung benutzt.

Schließlich wird gemäß der Erfindung ein Kompensationsfaktor für die Kältemittelüberfüllmenge geschaffen, die typisch einem Betrieb der Kompressoren mit niedrigem Kopfdruck und volumetrischer Expansion während des Betriebes in der wärmeren Jahreszeit zugeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit der Erfindung versehenen Kälteanlage in der Betriebsart bei gemäßigter Jahreszeit,

Fig. 2 eine schematische Darstellung für die Sommerbetriebsart und

Fig. 3 eine schematische Darstellung für die Winterbetriebsart.

Zu Erläuterungszwecken ist eine geschlossene Kälteanlage, die mit der Erfindung versehen ist, als eine kommerzielle Multiplexanlage dargestellt, die Doppel- oder Zwillingsparallelkompressoren hat und in einem Lebensmittelsupermarkt installiert ist, um mehrere gesonderte Vorrichtungen zu betreiben, beispielsweise Kühltruhen und Gefriertheken, es ist aber klar, daß eine solche Anlage auch an andere kommerzielle oder industrielle Zwecke angepaßt werden kann. Der Begriff "Oberseite" wird hier in herkömmlichem Sinn verwendet und bedeutet den Teil der Anlage von dem Kompressorauslaß bis zu den Verdampferexpansionsventilen, und der Begriff "Unterseite" bedeutet den Teil der Anlage von den Expansionsventilen bis zur Kompressorsaugseite.

Gemäß Fig. 1 enthält die Kälteanlage zwei Kompressoren 10 und 11, die parallel geschaltet sind und jeweils eine Saug- oder Niederdruckseite 12 haben, auf der sie mit einem vorbestimmten Saugdruck arbeiten, und eine Auslaß- oder Hochdruckseite 13, die mit einem gemeinsamen Auslaßsammler 14 verbunden ist, über den heißes, komprimiertes, gasförmiges Kältemittel zum Kondensieren abgegeben wird. Der Auslaßsammler 14 ist über ein Umschaltventil 15 in einer Auslaßleitung 16 mit einem Kondensator 17 verbunden, der geteilte Kühlschlangenabschnitte 18 und 19 hat und auf übliche Weise außen auf dem Dach R eines Gebäudes befestigt ist. Der Kondensatorkühlschlangenabschnitt 18 ist mit der Kompressorauslaßleitung 16 durch eine Einlaßzweigleitung 18 a und mit einer Kältemittelausflußleitung 20 durch eine Auslaßzweigleitung 18 b verbunden. Der Kondensatorkühlschlangenabschnitt 19 ist mit der Auslaßleitung 16 durch eine Einlaßzweigleitung 19 a und mit der Kältemittelauslaßleitung 20 durch eine Auslaßzweigleitung 19 b verbunden. Das Kältemittel wird durch den Luftstrom, der durch den Kondensator 17 hindurchgeht, auf seine Kondensationstemperatur und seinen Kondensationsdruck heruntergebracht, und die Auslaßleitung 20 wird über ein Vierwegeumschaltventil 21 und eine Kondensatleitung 22 mit einem Sammelgefäß 23 verbunden, das eine Flüssigkältemittelquelle für den Betrieb der Anlage bildet. Ein Flutventil 24 ist in der Kondensatleitung 22 auf übliche Weise vorgesehen, um für variables Fluten des Kondensators zu sorgen und die Kompressorkopfdrücke auf oder über einem vorgewählten Minimum zu halten, beispielsweise während des Winter- oder Kaltwetterbetriebes. Das Sammelgefäß 23, das ein Auffang- oder Durchflußsammelgefäß sein kann, ist mit einer Flüssigkeitssammelleitung 25 verbunden, die flüssiges Kältemittel Flüssigkeitszweigleitungen 26 zuführt, welche zu Verdampferschlangen 27, 28 und 29 führen, die verschiedenen gekühlten Vorrichtungen (nicht dargestellt) zugeordnet sind und für zahlreiche Verdampfer repräsentativ sind, welche an die Kälteanlage angeschlossen sein können. Der Einlaß jedes Verdampfers 27, 28, 29 wird durch ein Expansionsventil 30 gesteuert, das auf herkömmliche Weise das in die Verdampfer eingeleitete Kältemittel dosiert. Die Auslässe der Verdampfer sind über Saugzweigleitungen 31 mit einer saugseitigen Sammelleitung 32 verbunden, die mit der Saugseite 12 der Kompressoren 10 und 11 verbunden ist und über die dampfförmiges Kältemittel aus den Verdampfern zu den Kompressoren zurückgeleitet wird, um den grundlegenden Kältekreislauf zu schließen. Die Verdampfer der zu kühlenden Vorrichtungen können wahlweise abgetaut werden, was üblicherweise periodisch erforderlich ist, und zwar durch elektrisches Abtauen oder durch Abtauen mit Heißgas. Der Aufbau und die Arbeitsweise der bis hierher beschriebenen Anlage sind ausführlicher in den US-PS 34 27 819 und 45 22 037 beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist eine Wärmerückgewinnungsschlage 35, die wahlweise in die Kälteanlage geschaltet wird, um im Umkehrzyklus in einer Winterwärmerückgewinnungsbetriebsart und in einer Sommerunterkühlungs- und -wiedererhitzungsbetriebsart zu arbeiten. Die Wärmerückgewinnungsschlange 35 ist in einer Luftfördereinheit 36 angeordnet, welche in Luftströmungsverbindung mit einem Gebäude- oder Lagerraum S ist, der zu erwärmen oder zu kühlen ist. Die Luftfördereinheit 36, die aus der US-PS 45 02 292 bekannt ist, weist hier einen Luftkanal 37 auf, der einen Lufteinlaß und in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Komponenten hat, nämlich einen Luftfilter 38, ein Gebläse 39, eine Luftkonditionierschlange 40, welche Teil einer separaten Klimaanlage oder Wärmepumpe (nicht dargestellt) ist, die Wärmerückgewinnungsschlange 35 und einen zusätzlichen Raumlufterhitzer 41.

Gemäß den Fig. 1 und 3 hat die Wärmerückgewinnungsschlange 35 Leitungsanschlüsse 42 und 43 auf entgegengesetzten Seiten, von denen der erste Leitungsanschluß 42 über eine Leitung 44 mit dem Umschaltventil 15 verbunden ist. Ein Einfachrückschlagventil 45 in der Leitung 44 gestattet einen Kältemitteldurchfluß nur von dem Ventil 15 zu der Wärmerückgewinnungsschlange 35. Der zweite Leitungsanschluß 43 ist mit einer Leitung 46 verbunden, mit der über ein T-Stück 47 eine weitere Leitung 48 verbunden ist, die ihrerseits an die Einlaßzweigleitung 19 a über ein weiteres T-Stück 49 angeschlossen ist, das zu dem Kondensatorkühlschlangenabschnitt Leitung 48 vorgesehenes Einfachrückschlagventil 50 beschränkt den Kältemitteldurchfluß darin auf die Richtung allein zu dem Kondensatorabschnitt 19 und verhindert einen Durchfluß in umgekehrter Richtung. Ein Einfachrückschlagventil 51 ist außerdem in der Zweigleitung 19 a stromaufwärts des T-Stücks 49 vorgesehen, um den Kältemitteldurchfluß in der Zweigleitung 19 a allein auf die Richtung zu dem Kondensatorabschnitt 19 zu beschränken. Während des Winterbetriebes, wenn Wärme in dem Lagerraum S erforderlich ist, wird das Umschaltventil 15 durch einen Lagerraumthermostat 52 betätigt, der die Temperatur der Raumluft abkühlt, so daß die Auslaßsammelleitung 14 mit der Leitung 44 verbunden und heißes, komprimiertes Kältemittel durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 geleitet wird, um die dem Raum zugeführte Luft zu erhitzen, welche durch den Ventilator 39 durch die Luftfördereinheit 36 hindurchgeleitet wird. Die Temperatur des Kältemittels wird auf einen Punkt unmittelbar oberhalb der Sättigung erniedrigt, und das Kältemittel strömt dann durch die Leitungen 46, 48 und 19 a zu dem Kondensatorabschnitt 19, in welchem das Kältemittel vollständig kondensiert wird und eine tiefe Unterkühlung von Haus aus im Winterbetrieb erzielt wird. Unterkühltes Kältemittelkondensat strömt aus dem Kondensatorabschnitt 19 durch die Leitungen 19 b und 20 zu dem zweiten Umschaltventil 21, das die Leitung 20 mit der Kondensatleitung 22 und dem Sammelgefäß 23 während des Betriebes im Winter und bei gemäßigtem Wetter verbindet. Die Auslaßzweigleitung 18 b des Kondensatorabschnitts 18 enthält ein Einfachrückschlagventil 53 zum Verhindern des Zurückfließens von kondensiertem Kältemittel in diesen Abschnitt während des Winterbetriebes. Die Einfach- oder Einwegrückschlagventile 45, 51 und 53 können einen bekannten, herkömmlichen Aufbau haben und entweder ein Pendelsperrelement (nicht dargestellt) aufweisen, das durch Schwerkraft normalerweise schließt, oder ein federbelastetes Element (nicht dargestellt), das unter einer Federdruckkraft vernachlässigbarer Größe normalerweise geschlossen ist, wobei jedes derartige Element unter dem Kältemittelströmungsdruck nur in einer Richtung öffnet. Das Rückschlagventil 50 ist vorzugsweise ein federbelastetes Rückschlagventil, wobei die Federkraft etwa 0,014-0,034 MPa (2-5 ψ) beträgt, und wird im Sommerbetrieb durch die zusätzliche Kraft des oberseitigen Druckabfalls mit einer Größe von 0,14-0,7 bar (2-10 ψ) an dem Kondensatorabschnitt 19 normalerweise geschlossen gehalten. Das Rückschlagventil 50 ist in der Lage, im Sommerbetrieb unter ungewöhnlichen Kältemittelpumpbedingungen in pendelnden Kompressoren od. dgl. zu öffnen, um einen hydrostatischen Zustand des Kältemittels zu beseitigen, der sich in der Schlange 35 entwickelt, und für Druckausgleich zu sorgen, um Schlagen oder Klopfen zu verhindern.

Es ist klar, daß die Kältemittelkondensation mit kleinerer Kondensatoroberfläche bei kaltem Wetter leicht erzielt wird, und daß der Kühlschlangenabschnitt 18 zu dieser Zeit von dem Kältekreislauf isoliert werden kann, um die Kondensationskapazität zu reduzieren. Das Flutventil 24 kann bei extrem kaltem Wetter erforderlich sein, um den Kondensatorabschnitt 19 rückzufluten und seine Kondensationskapazität wirksam zu reduzieren, um minimalen Kompressorkopfdruck aufrechtzuerhalten. Das Umschaltventil 15 ist so ausgebildet, daß es die Leitung 16 mit einer Auslaßleitung 54 während der Wärmerückgewinnungsbetriebsart verbindet, wenn die Kompressorauslaßseite mit der Wärmerückgewinnungsschlange 35 verbunden ist. Die Auslaßleitung 54 ist mit der Saugseite 12 eines der Kompressoren 10, 11 oder mit der an diesen angeschlossenen saugseitigen Sammelleitung 32 verbunden, und ein Kapillarrohr 55 gewährleistet, daß das Kältemittel, das aus dem Kondensatorabschnitt 18 über die Leitung 16 abgelassen wird, eine Phasenänderung in die Dampfphase erfährt, wenn es zur Kompressorsaugseite geht. Auf diese Weise wird jegliches restliche Kältemittel aus dem Kühlschlangenabschnitt 18 abgelassen, wodurch die Kältemittelüberfüllmenge reduziert wird, die normalerweise in der Anlage für den ganzjährigen Betrieb erforderlich ist, was im folgenden noch näher erläutert ist.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist die Wärmerückgewinnungsschlange 35 im Sommerbetrieb umgekehrt in die Anlage geschaltet. Eine Leitung 58 verbindet das T-Stück 47 (Leitungen 46, 48) mit einer weiteren Öffnung des Umschaltventils 21, um einen offenen Leitungsanschluß auf einer Seite der Wärmerückgewinnungsschlange 35 zu schaffen, und die andere Seite der Wärmerückgewinnungsschlange 35 hat eine weitere Leitung 59, die sich zwischen der Leitung 44 auf der stromabwärtigen Seite des Rückschlagventils 45 und einer vierten Öffnung in dem Umschaltventil 21 erstreckt. Fig. 1 zeigt das Umschaltventil 21 in der Position für normalen Betrieb bei gemäßigtem Wetter, bei dem der Kondensatausfluß aus dem Kondensator 17 über die Leitung 20 direkt in die Leitung 22 und das Sammelgefäß 23 abgeleitet wird. In der Sommerbetriebsart, für die die Darstellung in Fig. 2 gilt, ist das Umschaltventil 21 so eingestellt, daß es den Kondensatausfluß aus der Leitung 20 in die Leitung 58 auf einem umgekehrten Strömungsweg durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 und zurück durch die Leitungen 44, 59 zu dem Umschaltventil 21 und von da aus zu der Kondensatleitung 22 und dem Sammelgefäß 23 leitet. Eine weitere Leitung 60, die zwischen der Wärmerückgewinnungsschlange 35 und der saugseitigen Sammelleitung 32 vorgesehen ist, dient zum Ablassen von restlichem Kältemittel aus der Wärmerückgewinnungsschlange 35 während inaktiver Perioden (bei gemäßigtem Wetter). Die Leitung 60 ist wie dargestellt mit der Leitung 59 verbunden und wird durch ein normalerweise geschlossenes Magnetventil 61 gesteuert, obgleich die Leitung 60 an irgendeiner Stelle angeschlossen sein kann, an der sich eine Gefälleströmung des Kältemittels zu der Saugseite 12 der Kompressoreinrichtung 10, 11 ergibt. Es sei erneut angemerkt, daß die Wärmerückgewinnungsschlange 35 das Kältemittel nicht vollständig in den Sättigungszustand herunterbringt, so daß das Kältemittel für den Wiedereintritt in die saugseitige Sammelleitung 32 und die Rückkehr zu den Kompressoren ohne stoßweises Fließen im wesentlichen in einer Dampfphase sein wird.

Im Betrieb der Kälteanlage während gemäßigten klimatischen Wetterbedingungen wie im Frühling und im Herbst wird das Auslaßleitungsumschaltventil 15 die Kompressorsammelleitung 14 über die Leitung 16 mit beiden äußeren Kondensatorabschnitten 18 und 19 verbinden, und das Umschaltventil 21 wird die Ausflußleitung 20 direkt mit der zu dem Sammelgefäß 23 führenden Kondensatleitung 22 verbinden. In dieser Zwischensaisonbetriebsart ist die Wärmerückgewinnungsschlange 35 von dem Kältekreis durch die Umschaltventile 15 und 21 und das Rückschlagventil 50 isoliert, und das Magnetventil 61 ist geöffnet, um das Herauspumpen des Kältemittels aus der Wärmerückgewinnungsschlange 35 über die Leitung 60 zur Saugseite zu gestatten. Die Kondensationskapazität der Kondensatorabschnitte 18 und 19 wird auf herkömmliche Weise durch Pendelzonenkondensatorventilatoren (nicht dargestellt) od.dgl. gesteuert, um Überhitzung zu beseitigen und das Kältemittel auf eine unterkühlte flüssige Phase zu reduzieren.

Während des Kaltwetterbetriebes (Fig. 3), wenn der Lagerraum S Wärme benötigt, wird der Thermostat 52 das Umschaltventil 15 so einstellen, daß es die Kompressorauslaßsammelleitung 14 mit der zu der Wärmerückgewinnungsschlange 35 führenden Leitung 44 verbindet, wodurch die Auslaßleitung 16 abgetrennt wird, die zu den Kondensatorzweigleitungen 18 a, 19 a führt. Die Luftzirkulation durch die Luftfördereinheit 36 ruft einen Wärmeaustausch in der Wärmerückgewinnungsschlange 35 auf normale Weise hervor, wodurch Energie des überhitzten Kältemittels (von 75% aufwärts) auf die umgewälzte Raumluft übertragen und des Kältemittel so auf seinen Sättigungswert abgekühlt wird. Das Kältemittel strömt dann durch die Leitungen 46 und 48 und durch das Rückschlagventil 50 in den Kondensatorabschnitt 19, um die endgültige Kondensation auf eine unterkühlte flüssige Phase abzuschließen, und das Kältemittelkondensat fließt dann durch die Leitung 20, das Umschaltventil 21 und die Leitung 22 zu dem Sammelgefäß 23. Der äußere Kondensator 17 bewirkt die Kältemittelabkühlung oder -kondensation durch den durch ihn hindurchgehenden Umgebungsluftstrom und ist gemäß Entwurfseintrittslufttemperaturen und -wärmeunterdrückungsbelastungen bemessen, um die Sommererfordernisse zu erfüllen. Die Kondensationskapazität des außen angebrachten Kondensators 17 überschreitet daher stark die Winteranforderungen, und der geteilte Kondensator 18, 19 gestattet, eine Hälfte des außen angebrachten Kondensators von dem Kältekreis abzutrennen. Tiefe Kältemittelunterkühlung kann von Haus aus während des Winters und während gemäßigter Wetterbedingungen erzielt werden, indem die Kondensatorkapazität gesteuert wird, und Hauptziel ist es, einen effizienten Kältebetrieb zu schaffen, indem ein minimaler Kompressorkopfdruck aufrechterhalten wird, beispielsweise durch Drosseln des Flutventils 24, um den Kondensatorabschnitt 19 rückzufluten und dessen effektive Wärmeaustauschfläche zu reduzieren.

Das Betriebsverfahren bei Sommerwetter ergibt das Potential der Erfindung, bei der die Betriebsart mit umgekehrtem Kältemitteldurchfluß durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 tiefe Unterkühlung und Luftkonditionierungsfeuchtigkeitssteuerung durch Wiedererhitzen bewirkt. In der Sommerunterkühlungsbetriebsart (Fig. 2) ist das Umschaltventil 15 so eingestellt, daß das von den Kompressoren abgegebene Kältemittel über die Leitung 16 beiden Kondensatorabschnitten 18 und 19 für maximale Außenkondensationskapazität zugeführt wird, um die Entwurfseintrittslufttemperaturen und Wärmeunterdrückungsbelastungen zu decken. Das Umschaltventil 21 wird durch einen zweiten Thermostat 62, der auf die Temperatur des Gebäuderaums S anspricht, betätigt, so daß es die Kondensatleitung 20 mit den Leitungen 58, 46, verbindet und Kältemittelkondensat in umgekehrtem Kreislauf durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 und zurück durch die Leitung 59 leitet, von wo aus es über das Ventil 21 zur Kondensatleitung 22 und in das Sammelgefäß 23 gelangt. Das Umschaltventil 21 ist vorzugsweise ein langsam arbeitendes Ventil, damit das ausfließende Kältemittelkondensat in der Leitung 20 in die Leitung 58 und zu der Wärmerückgewinnungsschlange 35 gelangen kann, ohne einen hydrostatischen Pumpzustand zu erzeugen, der sonst aufgrund einer Kältemittelphasenänderung in den stromabwärtigen Leitungen eine Schlag- oder Klopfwirkung erzeugen könnte. Der außen angebrachte Kondensator 17 ist zwar üblicherweise so bemessen, daß die normalen Sommerkälteforderungen der Anlagenverdampfer 27, 28 und 29 erfüllt werden, es gibt jedoch wenig Unterkühlungswirkung, wenn überhaupt, in dem Kältemittelkondensat in der Flüssigkeitsleitung 25 in einer herkömmlichen Kälteanlage. Gemäß der Erfindung ist aber die Wärmerückgewinnungsschlange 35 in dem stromabwärtigen Luftstrom der Luftkonditionierschlange 38 in der Luftfördereinheit 36 angeordnet, so daß der Strom von kalter Versorgungsluft auf der Schlange 38 durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 in Wärmeaustauschbeziehung mit dem darin befindlichen Kältemittelkondensat hindurchgeht. Die Beiträge durch das in umgekehrtem Kreislauf durch die Schlange 35 hindurchgehende Kältemittel und der mit diesem stattfindende Wärmeaustausch der konditionierten Luft sind, daß (1) die Temperatur der kalten konditionierten Luft durch Erwärmen oder "Wiedererhitzen" um einige Grad auf einen höheren Wert gebracht wird, so daß die Raumversorgungsluft nicht auf oder nahe der Sättigung ist und die Raumluftentfeuchtung sowie -kühlung gesteigert werden, und (2) das kondensierte flüssige Kältemittel in der Wärmeaustauschschlange 35 wesentlich unterkühlt wird, um die Leistung der Verdampfer 27, 28 und 29 zu verbessern. Kurz gesagt, die Sommerbetriebsart der Wärmerückgewinnungsschlange 35, in der mit umgekehrtem Kreislauf gearbeitet wird, sorgt sowohl für Luftkonditionierungswiedererhitzung als auch für tiefe Unterkühlung des Kältemittels, und zwar ohne die Verwendung von separaten Wiedererhitzungs- oder mechanischen Unterkühlervorrichtungen, wie sie gegenwärtig benutzt werden, und diese Unterkühlung führt zu beträchtlichen Kompressorenergiebedarf- und -leistungseinsparungen

Im Sommerbetrieb gibt es zwei Betriebsfaktoren, die ausgeglichen werden müssen. Ein Grundfaktor ist es, für einen Kältebetrieb mit gutem Wirkungsgrad zu sorgen, insbesondere bei der Aufrechterhaltung der richtigen Temperaturen in Lebensmittelkühltheken und -gefriertruhen, in denen frische bzw. gefrorene Produkte für den Verbraucher bereitgehalten werden, und es ist erwünscht, die relative Luftfeuchtigkeit des Lagerraums niedrig zu halten, so daß die Verdampfer 27-29 der zu kühlenden Vorrichtungen längere Zeit mit einem Minimum an Vereisung arbeiten können. Der zweite Faktor, der heutzutage bei der Lebensmittellagerung im Handel besonders wichtig ist, besteht darin, den Lagerraum S auf einer kühlen Temperatur zu halten, die die Kunden als angenehm empfinden, weshalb durch richtige Klimatisierung eine optimale Temperatur/Feuchtigkeit-Komfortzone in dem Lagerraum S geschaffen wird. Im Betrieb der Kälteanlage nach der Erfindung wird die Komfortzone als überragender Faktor angesichts der Tatsache betrachtet, daß die Kälteanlagenkomponenten so bemessen sind, daß sie die richtigen Entwurfskälteforderungen sogar ohne Sommertiefunterkühlung mit umgekehrtem Kreislauf erfüllen. Deshalb betreibt die zweite Thermostatsteuerung 62 die Wärmerückgewinnungsschlange 35 ständig in ihrer Unterkühlungs- und Wiedererhitzungsbetriebsart mit umgekehrtem Kreislauf während des Sommers zu allen Zeiten, zu denen die Klimaanlage 40 in Betrieb ist, ausgenommen dann, wenn in der Komfortzone des Raums S vorbestimmte Werte überschritten werden, beispielsweise eine Temperatur von 24°C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 50% oder eine Temperatur von 26°C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 25%. Wenn festgestellt wird, daß die Lagerraumtemperatur über einem solchen Wert ist, wird das Umschaltventil 21 umgeschaltet, um die Wärmerückgewinnungsschlange 35 abzutrennen und das Unterkühlen zu unterbrechen, damit die maximalen Luftkonditioniertemperaturen erzielt werden (selbst auf Kosten von höheren Werten der relativen Luftfeuchtigkeit), bis die Komfortzone in dem Lagerraum S wieder auf eine vorgewählte Temperatur gebracht worden ist, in welchem Zeitpunkt der Unterkühlungskältemittelkreis wieder hergestellt wird.

Die Erfindung ist außerdem von Vorteil beim Reduzieren der Kältemittelüberfüllungsmenge, die für den sich über das ganze Jahr erstreckenden Kälteanlagenbetrieb erforderlich ist. Der Zustand des Kältemittels verändert sich zwischen dem Sommer- und dem Winterbetrieb in einer herkömmlichen Kälteanlage beträchtlich. Im Sommer ist das Volumen des Kältemittels beträchtlich größer, und zwar wegen der üblicherweise höheren Kältemitteltemperaturen, die durch die höheren Kompressorkopfdrücke erzeugt werden, und wegen der Kältemittelkondensation, die nur die Entwurfsforderungen erfüllt, mit dem Ergebnis, daß das Sammelgefäß 23 üblicherweise mit überschüssigem Kältemittel gefüllt ist. Diese Überfüllungsmenge ist jedoch während des Winterbetriebes erforderlich, bei dem ein dichterer unterkühlter Kältemittelzustand auf natürliche Weise erzielt wird. Bei der Erfindung kann diese Kältemittelentwurfsüberfüllmenge, die bis zu etwa 113 kg oder 30% betragen kann, wesentlich reduziert werden, beispielsweise um 40%, und zwar aufgrund der Reduktion des außen angebrachten geteilten Kondensators (auf die Hälfte) und des Ablassens in der Winterbetriebsart, und die Verwendung der Wärmerückgewinnungsschlange 35, die für eine tiefe Unterkühlung und eine Fest-Flüssig-Phase in der Sommerbetriebsart sorgt, kann eine zusätzliche Reduktion von 10% der erforderlichen Überfüllmenge ergeben, wodurch beträchtliche Senkungen der Kältemittelkosten erzielt werden.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die angestrebten Ziele und Vorteile der Erfindung vollständig erreicht worden sind. Die Begriffe "Winter" und "Sommer" in bezug auf die Umgebungstemperatur- oder klimatischen Wetterbedingungen sind nicht saisonal begrenzt, sondern werden in breiterem Sinne benutzt, um Zeitperioden anzugeben, in denen die Kälteanlage in unterschiedlichen Betriebsarten arbeitet, wenn Lagerraumerwärmung und -kühlung verlangt werden. Die Verwendung von umgebungskompensierten Steuergeräten und anderen Temperatur/Feuchtigkeit-Meßvorrichtungen statt der Thermostaten 52 und 62 zum Steuern des Umschaltens der Ventile 15 und 21 ist möglich.

Claims (21)

1. Umkehrzyklus-Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage in Kombination mit einer Kälteanlage, die eine Kompressoreinrichtung (10, 11) mit einer Saug- und einer Auslaßseite (12, 13) sowie einen Kondensator (17), ein Sammelgefäß (23) und eine Verdampfereinrichtung (27, 28, 29) hat, gekennzeichnet durch eine Wärmrückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35), durch eine erste Einrichtung (15) zum wahlweisen Schalten der Schlange (35) in Kältemittelströmungsrichtung in Reihe zwischen die Auslaßseite (13) der Kompressoreinrichtung (10, 11) und den Kondensator (17) zur Wärmerückgewinnung in einer Winterkühlbetriebsart der Kälteanlage, und durch eine zweite Einrichtung (21) zum Schalten der Schlange (35) in Kältemittelströmungsrichtung in Reihe zwischen den Kondensator (17) und das Sammelgefäß (23) zum Unterkühlen von Kältemittelkondensat in einer Sommerkühlbetriebsart.

2. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung ein Umschaltventil (21) aufweist, das mit der Kältemittelausgangsseite des Kondensators (17) verbunden ist und eine erste Stellung hat, in der es die Kondensatorausgangsseite mit der Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in der Sommerkühlbetriebsart zum Unterkühlen von Kältemittelkondensat verbindet, sowie eine zweite Stellung, in der es die Ausgangsseite des Kondensators (17) mit dem Sammelgefäß (23) in der Winterkühlbetriebsart und in einer dritten Kühlbetriebsart während gemäßigten klimatischen Bedingungen verbindet.

3. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Luftfördereinheit (36), die in der Lage ist, Raumluft in einem Gebäude jahreszeitlich zu konditionieren, durch eine separate Klimaanlage, deren Luftkonditionierschlange (40) in der Luftfördereinheit (36) angeordnet ist und dazu dient, die Raumluft während der Sommerkühlbetriebsart der Kälteanlage zu kühlen, wobei die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in der Luftfördereinheit (36) in Luftströmungsrichtung stromabwärts der Luftkonditionierschlange (40) angeordnet und in Wärmeaustausch mit der gekühlten Raumluft ist, um für eine Wiedererwärmung dieser Raumluft zu sorgen und die Unterkühlung des Kältemittelkondensats in der Kälteanlage während der Sommerkühlbetriebsart derselben zu bewirken, wobei die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) die Raumluft in der Winterkühlbetriebsart der Kälteanlage erwärmt, wenn die separate Klimaanlage außer Betrieb ist.

4. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung ein erstes Umschaltventil (15) auf der Auslaßseite (13) der Kompressoreinrichtung (10, 11) aufweist und daß die zweite Einrichtung ein zweites Umschaltventil (21) auf der Kältemittelausgangsseite des Kondensators (10, 11) aufweist, wobei das erste Umschaltventil (15) eine erste Stellung hat, in der es die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in der Winterkühlbetriebsart zwischen die Kompressorauslaßseite (14) und den Kondensator (17) schaltet, und eine zweite Stellung, in der es in der Sommerkühlbetriebsart und in einer dritten Kühlbetriebsart während gemäßigten klimatischen Bedingungen die Kompressorauslaßseite (14) zu dem Kondensator (17) in Bypassbeziehung zu der Schlange (35) schaltet, und wobei das zweite Umschaltventil (21) eine erste Stellung hat, in der es die Kältemittelausgangsseite des Kondensators (17) in Reihenströmungsbeziehung mit der Schlange (35) in der Sommerkühlbetriebsart verbindet, und eine zweite Position, in der es die Kondensatorausgangsseite mit dem Sammelgefäß (23) in der Winterkühlbetriebsart sowie in der dritten Kühlbetriebsart verbindet.

5. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine erste Leitung (44), die ein Rückschlagventil (45) aufweist, welches das erste Umschaltventil (15) mit der Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in einseitiger Strömungsrichtung in der ersten Stellung des ersten Umschaltventils (15) verbindet, und durch eine zweite Leitung (46, 48), die ein zweites Rückschlagventil (50) aufweist, welches die Schlange (35) in einseitiger Strömungsrichtung mit dem Kondensator (17) verbindet.

6. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Abfühleinrichtung (52, 62) zum Betätigen des ersten und des zweiten Umschaltventils (15, 21) auf klimatische Temperaturbedingungen hin.

7. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Luftfördereinheit (36) zum jahreszeitlichen Konditionieren von Raumluft in einem Gebäude, wobei die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in der Luftfördereinheit (36) angeordnet ist und die durch diese hindurchgeleitete Raumluft in der Winterkühlbetriebsart erwärmt.

8. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfördereinheit (36) eine Luftkonditionierschlange (40) zum Kühlen der Raumluft während der Sommerkühlbetriebsart aufweist, wobei die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) stromabwärts der Luftkonditionierschlange (40) angeordnet ist und zum Wiedererwärmen der gekühlten Raumluft sowie zum Unterkühlen des Kältemittelkondensats in der Sommerkühlbetriebsart dient.

9. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52, 62) eine Einrichtung aufweist zum Abfühlen von Temperatur und Feuchtigkeit der Raumluft in einer Komfortzone in dem Gebäude und zum Trennen der Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) von ihrem Unterkühlungs- und Wiedererwärmungsbetrieb während der Sommerkühlbetriebsart, wenn Temperatur und Feuchtigkeit in der Komfortzone vorbestimmte Werte übersteigen.

10. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) von ihren Oberseitenverbindungen mit der Kälteanlage in der zweiten Stellung des ersten und des zweiten Umschaltventils (15, 21) isoliert ist und daß eine Einrichtung (60, 61) vorgesehen ist zum Verbinden der Schlange (35) mit der Saugseite (12) der Kompressoreinrichtung (10, 11), um Kältemittel aus der Schlange (35) abzupumpen.

11. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung eine Leitung (60) aufweist, die ein normalerweise geschlossenes Ventil (61) hat, das geöffnet wird, wenn das erste und das zweite Umschaltventil (15, 21) in ihrer zweiten Stellung sind.

12. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (17) ein geteilter Kondensator mit einem ersten und einem zweiten Kondensatorabschnitt (18, 19) ist, wobei das erste Umschaltventil (15) die Kondensatorabschnitte (18, 19) von der Kompressorauslaßseite (13) in seiner ersten Stellung trennt, und einer Einrichtung (54) zum Ablassen von restlichem Kältemittel aus dem ersten Kondensatorabschnitt (18), wenn das erste Umschaltventil (15) in seiner ersten Stellung ist.

13. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßeinrichtung (54) eine Leitungsverbindung von dem einen Kondensatorabschnitt (18) über das erste Umschaltventil (15) zu der Saugseite (12) der Kompressoreinrichtung (10, 11) aufweist.

14. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßeinrichtung (54) weiter eine Kältemittelexpansionseinrichtung (55) zum Zurückleiten nur von Kältemitteldampf über die Leitungsverbindung (54) zu der Kompressorsaugseite (12) aufweist.

15. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionseinrichtung (55) ein Kapillarrohr ist.

16. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in Reihenströmungsbeziehung mit dem zweiten Kondensatorabschnitt (19) in der Winterkühlbetriebsart verbunden ist und daß das Rückschlagventil (50) stromaufwärts der Reihenströmungsverbindung eine Kältemittelströmung aus der Schlange (35) in Richtung weg von dem zweiten Kondensatorabschnitt (19) verhindert.

17. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein weiteres Rückschlagventil (53) auf der Kältemittelausgangsseite des ersten Kondensatorabschnitts (18) zum Verhindern des Zurückströmens von Kältemittelkondensat durch dieses hindurch aus dem zweiten Kondensatorabschnitt (19).

18. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage in Kombination mit einer Kälteanlage, die eine Kompressoreinrichtung (10, 11) mit einer Saug- und einer Auslaßseite (12, 13), einen Kondensator (17), ein Sammelgefäß (23) und mehrere Verdampfer (27, 28, 29) aufweist, gekennzeichnet durch eine Wärmerückgewinnungsschlange (35), die in einer Luftfördereinheit (36) angeordnet ist, welche zum jahreszeitlichen Konditionieren von Luft, d. h. zum Erwärmen und Kühlen von Raumluft in einem Gebäude vorgesehen ist, wobei die Wärmerückgewinnungsschlange (35) einen ersten und einen zweiten Leitungsanschluß (42, 43) hat und wahlweise in die Kälteanlage geschaltet ist zum Umkehrzyklusbetrieb zwischen einer Erwärmungsbetriebsart und einer Unterkühlungsbetriebsart, durch ein erstes Umschaltventil (15), das auf der Auslaßseite (13) der Kompressoreinrichtung (10, 11) angeordnet ist und eine Sommerstellung hat, in der es die Auslaßseite (13) mit dem Kondensator (17) verbindet, und eine Winterstellung, in der es die Auslaßseite (13) mit dem ersten Leitungsanschluß (42) der Wärmerückgewinnungsschlange (35) verbindet, durch ein zweites Umschaltventil (21), das stromaufwärts des Sammelgefäßes (23) angeordnet ist und eine Sommerstellung sowie eine Winterstellung hat, wobei das zweite Umschaltventil (21) den Kondensator (17) mit dem zweiten Leitungsanschluß (43) der Wärmerückgewinnungsschlange (35) und den ersten Leitungsanschluß (42) der Wärmerückgewinnungsschlange (35) mit dem Sammelgefäß (23) in seiner Sommerstellung verbindet, und wobei das zweite Umschaltventil (21) den Kondensator (17) mit dem Sammelgefäß (23) in seiner Winterstellung verbindet.

19. Verfahren zum Erzeugen einer ganzjährigen Unterkühlung in einer Kälteanlage, die eine Kompressoreinrichtung mit einer Auslaßoberseite und einer Saugunterseite, einen Kondensator eine Wärmerückgewinnungsschlange, ein Sammelgefäß und eine Verdampfereinrichtung hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
sequentielles Schalten des Kondensators, des Sammelgefäßes und der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer normalen Kühlbetriebsart während gemäßigten klimatischen Bedingungen,
sequentielles Schalten der Wärmerückgewinnungsschlange und des Kondensators, des Sammelgefäßes und der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer zweiten Kühlbetriebsart während Winterklimabedingungen,
sequentielles Schalten des Kondensators, der Wärmerückgewinnungsschlange und des Sammelgefäßes sowie der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer dritten Kühlbetriebsart während Sommerklimabedingungen, und wahlweises Betreiben einer separaten Luftkühleinrichtung, die in Luftströmungsrichtung stromaufwärts der Wärmerückgewinnungsschlange angeordnet ist, in der dritten Kühlbetriebsart.

20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Trennen der Wärmerückgewinnungsschlange von der Kältemittelströmungsverbindung mit der Kompressorauslaßoberseite in der normalen Kühlbetriebsart und Verbinden der Wärmerückgewinnungsschlange mit der Saugunterseite, um Kältemittel aus der Wärmerückgewinnungsschlange abzupumpen.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Kälteanlage eine Kältemittelausgangsleitung an dem Kondensator und ein Vierwegeumschaltventil in dieser Ausgangsleitung aufweist, gekennzeichnet durch Betreiben des Umschaltventils in der dritten Kühlbetriebsart so, daß die Kältemittelausströmung in einem Unterkühlungskreis aus dem Kondensator durch die Wärmerückgewinnungsschlange abgeleitet und über das Umschaltventil zurückgeleitet wird, um dem Sammelgefäß unterkühltes Kältemittel zuzuführen.