DE4408657A1 - Kälteerzeugungsanlage mit Eisspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteerzeugungsanlage zur Lieferung von Kälte für Klimasysteme für die Raum­ temperierung oder Prozeßkühlung.

In den meisten Gebäuden hat die Kältelast eine deut­ liche Mittagsspitze mit entsprechend hoher elektrischer Leistungsaufnahme. Wenn die Kälteerzeugungsanlage aus­ schließlich mit Kältemaschinen betrieben wird, entsteht ein hoher Stromverbrauch in den Spitzenzeiten. Es ist bekannt, Kälteerzeugungsanlagen mit Eisspeichern aus­ zustatten, die zu Zeiten niedriger Stromtarife mit Kälte geladen und zu den Bedarfszeiten entladen werden. Solche Eisspeicher sind statische Behälter, die ein von Sole (Glykol-Wasser-Gemisch) durchströmtes Rohrsystem enthalten, das von Wasser umgeben ist. Die Sole wird von der Kältemaschine auf eine unterhalb des Gefrier­ punkts von Wasser liegende Temperatur gekühlt. Sie überträgt diese Kälte auf das im Eisspeicher enthaltene Wasser, das dadurch gefriert. Beim Entladen des Eis­ speichers wird die Sole durch den Eisspeicher zu einem Kälteabnehmer geleitet. Die im Eisspeicher aufgenommene Kälte wird zum Kälteabnehmer übertragen.

Die bekannten Kälteerzeugungsanlagen mit Eisspeicher ermöglichen die Betriebsarten A "Eisspeicher entladen", B "Kältemaschine an Kälteabnehmer", C "Kältemaschine plus Eisspeicher-Entladebetrieb"und D "Eisspeicher-Ladebetrieb". Zwischen diesen Betriebsarten werden sie je nach Bedarf umgeschaltet. Das System funktioniert grundsätzlich nur, wenn alle Aggregate funktionsfähig sind. Im Falle einer Reparatur oder Wartung an der Kältemaschine fällt die gesamte Kälteerzeugungsanlage aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kälteer­ zeugungsanlage zu schaffen, die den jeweiligen An­ forderungen entsprechend, eine größere Vielzahl von Be­ triebsarten ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage weist mindestens zwei Kältemaschinen auf, die wahlweise ent­ weder einzeln oder zusammen zugeschaltet werden können. Obwohl die Kältemaschinen in parallelen Schaltungs­ zweigen liegen, die mit den Anschlüssen des Kälteabneh­ mers verbunden sind, sind sie einander nicht unmittel­ bar parallelgeschaltet. Durch die zu jedem Schaltungs­ zweig gehörende Ventilvorrichtung und das zusätzliche Absperrventil kann jede Kältemaschine einzeln mit dem Eisspeicher zu einem geschlossenen Umlaufsystem ver­ bunden werden, so daß jede Kältemaschine in der Lage ist, den Eisspeicher aufzuladen, während die übrigen Kältemaschinen den Kälteabnehmer versorgen. Wenn die eine Kältemaschine schon zur Aufladung des Eisspeichers benutzt wird bei Soletemperaturen unter dem Gefrier­ punkt, dann kann gleichzeitig die jeweils andere Kälte­ maschine noch ihre Kälteleistung bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt und damit mit ca. 30% höherer Kälte­ leistung an die Kälteabnehmer KA abgeben.

Darüberhinaus besteht auch die Möglichkeit, daß beide Kältemaschinen für den Eisspeicher-Ladebetrieb benutzt werden. Ferner können die Kältemaschinen einzeln oder gemeinsam mit dem Kälteabnehmer verbunden werden. Die beiden Kältemaschinen sind somit in ihrer Funktion aus­ tauschbar und addierbar. Sie können sich bei Ausfall gegenseitig vertreten. Ferner können sie z. B. monatlich in Grundlast-/Spitzenlaststellung umgeschaltet werden zur Erzielung gleicher Laufzeiten. Ferner ist es mög­ lich, daß eine Kältemaschine den Kälteabnehmer und die andere den Eisspeicher mit Kälte versorgt. Schließlich ist ein Spitzenlastbetrieb möglich, bei dem der Kälte­ abnehmer sowohl von beiden Kältemaschinen als auch vom Eisspeicher versorgt wird.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kälteer­ zeugungsanlage mit zwei Kältemaschinen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der verschiedenen Betriebsarten der Kältemaschine nach Fig. 1, und

Fig. 3 den Schaltplan einer Kälteerzeugungsanlage mit drei Kältemaschinen.

Die Kälteerzeugungsanlage 10 gemäß Fig. 1 ist an einen Kälteabnehmer KA angeschlossen, der beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet ist und ein Netz aus zahl­ reichen Kälteverbrauchern für die Raumklimatisierung eines Gebäudes versorgt. Die Kälteerzeugungsanlage stellt ein geschlossenes Umlaufsystem dar, in dem Sole zirkuliert, deren Gefrierpunkt unter demjenigen von Wasser liegt. Eine Vorlaufleitung 12 führt zu dem Ein­ laß des Kälteabnehmers KA und eine Rücklaufleitung 13 ist an den Auslaß des Kälteabnehmers angeschlossen.

Die Rücklaufleitung 13 ist mit der Vorlaufleitung 12 über einen ersten Strömungszweig verbunden. Dieser ent­ hält in dieser Reihenfolge hintereinander eine Pumpe PE, den Eisspeicher ES, ein Absperrventil VE und ein Regelventil RV. Der erste Strömungszweig ist der Ent­ ladezweig des Eisspeichers, in welchem der Eisspeicher ES mit dem Kälteabnehmer KA zu einem geschlossenen Kreislauf zusammengeschaltet ist. Das Regelventil RV weist einen ersten Einlaß "2" auf, der mit dem Auslaß des Eisspeichers verbunden ist, einen zweiten Einlaß "3", der mit dem Einlaß des Eisspeichers ES verbunden ist, und einen Auslaß "1", der mit der Vorlaufleitung 12 verbunden ist. Es wird von einem Motor 14 so ge­ steuert, daß das Mischungsverhältnis der Einlässe "2" und "3" stufenlos verändert werden kann. Der Motor 14 erhält sein Stellsignal von einem Temperaturfühler 15 oder Thermostaten, der die Temperatur am Kälteabnehmer KA mißt.

Die Rücklaufleitung 13 ist mit der Vorlaufleitung über einen zweiten Strömungszweig verbunden, der in dieser Reihenfolge hintereinander aufweist: eine Pumpe P1, eine Kältemaschine KM1 und das Absperrventil 16 einer Ventilvorrichtung VV1. Die Ventilvorrichtung VV1 ent­ hält ein zweites Ventil 17, das den Auslaß der Kälte­ maschine KM1 mit dem Einlaß des Eisspeichers ES ver­ binden kann. Die Ventile 16 und 17 der Ventilvor­ richtung VV1 sind Absperrventile, die von einem ge­ meinsamen Antrieb 18 gegenläufig zueinander gesteuert sind, d. h. wenn das Ventil 16 offen ist, ist das Ventil 17 geschlossen, und umgekehrt.

Ferner ist die Rücklaufleitung 13 mit der Vorlauf­ leitung 12 über einen dritten Strömungszweig verbunden, der in dieser Reihenfolge hintereinander aufweist: eine Pumpe P2, eine Kältemaschine KM2 und das eine Ventil 16a einer Ventilvorrichtung VV2. Die Ventilvorrichtung VV2 weist ein weiteres Ventil 17 auf, das den Auslaß der Kältemaschine KM2 mit dem Einlaß des Eisspeichers ES verbinden kann. Beide Ventile 16a, 17a sind Absperr­ ventile, die von einem Antrieb 18a gegenläufig zuein­ ander gesteuert sind.

Schließlich ist der Auslaß des Eisspeichers ES über ein Absperrventil V1 mit dem Einlaß des zweiten Strömungs­ zweiges, d. h. dem Einlaß der Pumpe P1, verbunden und er ist ferner über ein Absperrventil V2 mit dem Einlaß des dritten Strömungszweiges, d. h. dem Einlaß der Pumpe P2, verbunden. Die Absperrventile V1 und V2 bzw. V1 oder V2 sind nur im Ladebetrieb der zugehörigen Kältemaschine geöffnet, wobei das Ventil VE dann jeweils gesperrt ist.

Die beschriebene Steuer- und Verteilvorrichtung, die aus den genannten Pumpen und Ventilen besteht, kann zu einer transportablen Einheit zusammengefaßt sein, die an der Baustelle aufgestellt wird und die Anschlüsse aufweist, an die der Kälteabnehmer, die beiden Kälte­ maschinen KM1, KM2 und der Eisspeicher ES angeschlossen werden. Die Steuer- und Verteilvorrichtung enthält ein Steuergerät, das die Schaltvorgänge für die Pumpen und Ventile nach unterschiedlichen Betriebsarten durch­ führt. Diese Betriebsarten sind in der nachfolgenden Betriebsartentabelle angegeben:

Betriebsarten-Tabelle

In Fig. 2 sind die Funktionen der verschiedenen Be­ triebsarten vereinfacht dargestellt. In der Betriebsart A sind die beiden Kältemaschinen KM1 und KM2 abge­ schaltet, der zweite und der dritte Strömungszweig sind gesperrt. Dagegen ist der erste Strömungszweig geöffnet und die Pumpe PE in Betrieb. Dadurch wird der Eis­ speicher entladen, indem die Sole sein Rohrleitungs­ system durchströmt und sich an dem die Rohrleitung um­ gebenden Eis abkühlt. Diese Kälte wird dem Kälteab­ nehmer KA zugeführt.

In der Betriebsart B1 ist nur der zweite Strömungszweig offen und nur die Kältemaschine KM1 ist in Betrieb, wobei sie mit dem Kälteabnehmer KA in einen Kreislauf geschaltet ist.

In der Betriebsart B2 ist nur der dritte Strömungszweig offen und nur die Kältemaschine KM2 in Betrieb. Diese liefert ihre Kälte an den Kälteabnehmer KA. Wenn die Kälteleistungen der Kältemaschinen KM1 und KM2 und des Eisspeichers ES zum Beispiel gleich sind, wird bei jeder der Betriebsarten A, B1 und B2 jeweils ein Drit­ tel der gesamtmöglichen Kälteleistung dem Kälteabnehmer zugeführt.

In der Betriebsart C1 liefern die Kältemaschine KM1 und der Eisspeicher ES Kälte an den Kälteabnehmer KA, während die Kältemaschine KM2 abgeschaltet und der zu­ gehörige dritte Strömungszweig gesperrt ist.

In der Betriebsart C2 liefern die Kältemaschine KM2 und der Eisspeicher ES Kälte an den Kälteabnehmer KA, während die Kältemaschine KM1 abgeschaltet und der zu­ gehörige zweite Strömungszweig gesperrt ist.

In den Betriebsarten C1 und C2 erfolgt die Versorgung des Kälteabnehmers KA z. B. mit etwa zwei Drittel der maximalen Kälteleistung.

In der Betriebsart C3 liefern beide Kältemaschinen KM1 und KM2 und der Eisspeicher ES Kälte an den Kälteab­ nehmer KA. Dies ist entspricht der maximalen Kühl­ leistung.

In der Betriebsart D wird der Eisspeicher ES durch beide Kältemaschinen KM1 und KM2 aufgeladen. Die von den Kältemaschinen auf eine unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser gekühlte Sole strömt durch das Rohrleitungs­ system des Eisspeichers und kühlt das im Eisspeicher enthaltene Wasser, das dann gefriert. Die in dem Sole­ kreislauf umlaufende Sole kehrt anschließend zu beiden Kältemaschinen KM1, KM2 zurück.

In der Betriebsart D1 lädt die Kältemaschine KM1 den Eisspeicher ES auf, während die Kältemaschine KM2 den Kälteabnehmer KA versorgt, z. B. in Abend- oder Nacht­ stunden mit Rest-Kältebedarf im Gebäude.

In der Betriebsart D2 lädt die Kältemaschine KM2 den Eisspeicher ES auf, während die Kältemaschine KM1 den Kälteabnehmer KA versorgt, z. B. in Abend- oder Nacht­ stunden mit Rest-Kältebedarf im Gebäude.

Bei der Verteil- und Steuervorrichtung von Fig. 1 handelt es sich um einen 8-Pol, d. h. um ein Gerät, das acht Anschlüsse aufweist (nämlich jeweils zwei für den Kälteabnehmer KA, die Kältemaschine KM1, die Kälte­ maschine KM2 und den Eisspeicher ES). In Fig. 3 ist ein entsprechender "10-Pol" dargestellt. Dieses Verteil- und Steuersystem entspricht demjenigen von Fig. 1, je­ doch ist zusätzlich ein weiterer (vierter) Strömungs­ zweig vorgesehen, der eine dritte Kältemaschine KM3 enthält. In diesem Strömungszweig zur Kältemaschine KM3 sind hintereinander vorgesehen: eine Pumpe P3, die Kältemaschine KM3 und das eine Ventil 16b einer Ventil­ vorrichtung VV3. Die Ventilvorrichtung VV3 enthält ein weiteres Ventil 17b, das den Auslaß der Kältemaschine KM3 mit dem Einlaß des Eisspeichers ES verbinden kann. Die Ventile 16b und 17b sind von einem Antrieb 18b gegenläufig zueinander gesteuert. Ferner ist ein Ab­ sperrventil V3 vorgesehen, das den Auslaß des Eis­ speichers ES mit dem Einlaß des dritten Strömungs­ zweiges, d. h. im Einlaß der Pumpe P3, verbindet. Dieses Absperrventil V3 ist nur dann geöffnet, wenn die zuge­ hörige Ventilvorrichtung VV3 die Kältemaschine KM3 über das Ventil 17b mit dem Einlaß des Eisspeichers ES ver­ bindet. In gleicher Weise sind die Absperrventile V1 und V2 ebenfalls nur dann geöffnet, wenn der Eis­ speicher durch die zugehörige Kältemaschine KM1 oder KM2 aufgeladen wird. Während des Aufladens des Eis­ speichers ist dagegen das Ventil VE geschlossen.

Bei dem 10-Pol nach Fig. 3 gibt es insgesamt 16 ver­ schiedene Betriebsarten. Die Steuerung erfolgt durch ein (nicht dargestelltes) Steuergerät, das die je­ weilige Betriebsart auswählt oder an dem sie einstell­ bar ist und das in Abhängigkeit von der gewählten Be­ triebsart die Pumpen und Ventile schaltet.

Claims (2)

1. Kälteerzeugungsanlage mit einer Kältemaschine (KM1) und einem Eisspeicher (ES), die in paral­ lelen Strömungszweigen enthalten sind, welche mit einem Kälteabnehmer (KA) verbunden sind, wobei ein erster Strömungszweig eine Reihenschaltung aus dem Eisspeicher (ES) und einem Regelventil (RV) und ein zweiter Strömungszweig die Kältemaschine (KM1) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Strömungszweig mindestens ein eine weitere Kältemaschine (KM2) enthaltender weiterer Strömungszweig parallelgeschaltet ist und daß der zweite und jeder weitere Strömungszweig an eine eigene Ventilvorrichtung (VV2, VV3) angeschlossen ist, die den jeweiligen Strömungszweig wahlweise durchschaltet oder den Auslaß der betreffenden Kältemaschine (KM2, KM3) mit dem Einlaß des Eis­ speichers (ES) verbindet, und daß der Auslaß des Eisspeichers (ES) über je ein Absperrventil (V1, V2, V3) mit dem Einlaß jedes Strömungszweiges verbunden ist, wobei das Absperrventil (V1, V2, V3) dann geöffnet ist, wenn die zugehörige Ventilvor­ richtung (VV1, VV2, VV3) die Kältemaschine (KM1, KM2) mit dem Eisspeicher (ES) verbindet.

2. Kälteerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile der Strömungs­ zweige in einer transportablen Einheit enthalten sind, die Anschlüsse für die Kältemaschinen (KM1, KM2, KM3), den Eisspeicher (ES) und den Kälte­ abnehmer (KA) aufweist.