DE69927207T2

DE69927207T2 - Ventilator zur Energierückgewinnung von aufbereiteter Luft

Info

Publication number: DE69927207T2
Application number: DE69927207T
Authority: DE
Inventors: Ruddy C. Chittenango Bussjager; James M. Pompey McKallip; Lester N. East Syracuse Miller
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2019-04-17
Also published as: EP0964210A2; JP2000035245A; ES2246562T3; JP3031909B2; AU741715B2; AR019287A1; AU2803699A; US5992160A; EP0964210B1; BR9901463A; DE69927207D1; EP0964210A3

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Luftklimatisierungssysteme und insbesondere ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Steuern der Feuchtigkeit in einem Raum.
Bei herkömmlichen Luftklimatisierungssystemen wird wenig Anstrengung unternommen, um die Feuchtigkeit in dem zu kühlenden Raum zu steuern, und als Ergebnis ist es, um das Maß gewünschten Komforts zu erreichen, notwendig, den Raum auf eine niedrigere Temperatur hinab zu bringen, als dies ansonsten erforderlich wäre. Eine solche "Überkühlungs"-Funktion ist relativ teuer und kann auch Grund zu Unbehagen für jemanden in dem zu kühlenden Raum sein.
Eine Verbesserung wurde an dem herkömmlichen Luftklimatisierungssystem durch Hinzufügung eines Unterkühlers an der stromabwärtigen Seite des Verdampfers vorgenommen, wie in US-Patent Nr. 5 622 057, erteilt am 22. April 1997, gezeigt und beschrieben. Hierbei ist die latente Wirkung der Verdampferrohrschlange durch die hinzugefügte Unterkühlerrohrschlange verbessert, und die Feuchtigkeit ist wesentlich reduziert.
Ein weiterer Ansatz wurde vorgenommen, um Feuchtigkeit in einem Raum zu steuern, der ein Trockenmittel verwendet, um das herkömmliche Luftklimatisierungssystem zu ergänzen. Ein solches System in US-Patent 5 551 245, erteilt am 3. September 1996, gezeigt. Obwohl ein solches Trockenmittelsystem für eine noch stärkere Feuchtigkeitssteuerung sorgen kann als der oben erwähnte Unterkühler-Ansatz, sind dessen Herstellungs- und Installationskosten wesentlich größer.
Aufgrund der engen Konstruktion heute errichteter Gebäude gibt es nun den Zustand, der als "Sick building"-Syndrom bekannt ist, bei dem es eine unzureichende Leckage von Außenluft in das Gehäuse gibt, so dass dieselbe Luft immer wieder umgewälzt wird und abgestanden und verbraucht wird. Um dieses Problem zu vermeiden, gibt es nun eine ASHRAE-Standard-Vorschrift, die vorgeschriebene Anforderungen für minimalen Nachschub von Luftvolumina in öffentlichen Gebäuden vorgibt. Dies wird derzeit erfüllt durch die Verwendung von Economizern, aber derzeitige Systeme bringen keine Verwendung von 100% Außenluft, da die Kühlkapazität im Allgemeinen nicht ausreicht, dies zu tun. In ähnlicher Weise ist eine Auffrischluft-Vorklimatisierungseinrichtung in US-Patent 4 281 522 gezeigt, wobei ein ergänzendes System verwendet wird, um die Außenluft vorzukühlen. Wiederum ist ein solches System nicht in der Lage, 100% Außenluft aufzunehmen.
FR-A-2 299 605 und DE-A-2 612 997 offenbaren beide Luftklimatisierungssysteme mit mehreren Kreisläufen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für die Steuerung von Feuchtigkeit in einem luftklimatisierten Raum bereitzustellen.
Kurz ausgedrückt ist in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Luftklimatisierungssystem vorgesehen, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, wie es in Anspruch 5 beansprucht ist. Dabei ist ein vollständiger Kühlkreislauf, der einen Kompressor, eine Kondensorrohrschlange, eine Expansionseinrichtung und eine Verdampferrohrschlange aufweist, in Wirkbeziehung mit einem Luftklimatisierungssystem mit seinen eigenen solchen Komponenten installiert. Die Kanalführung und Luftströmung mittels Gebläsen ist derart angeordnet, dass die Außenauffrischluft (outdoor make-up air) dazu veranlasst wird, zuerst durch die Hilfsverdampferrohrschlange und dann durch die Systemverdampferrohrschlange zu strömen. Auch wird mindestens ein Teil der Rücklaufluft aus dem Raum dazu veranlasst, durch die Hilfskondensorrohrschlange zu strömen, bevor sie nach außen ausgelassen wird. Auf diese Weise wird das Hilfssystem dazu gebracht, durch die Verwendung der kühleren Rücklaufluft anstatt der Außenluft effizienter zu sein, und die Hilfsverdampferrohrschlange bringt die Außenluft näher an den Taupunkt, bevor sie durch den Verdampfer strömen gelassen wird, um so die Kondensationsmenge zu erhöhen, die an der Verdampferrohrschlange auftritt, so dass ihre latente Wirkung wesentlich verbessert ist, um die Feuchtigkeit der Luft, die zu dem Raum geleitet wird, zu reduzieren. Ein weiterer Teil der Rücklaufluft strömt durch die Systemverdampferrohrschlange.
Vorzugsweise werden Filter stromaufwärts sowohl der Hilfsverdampfer- als auch der Systemverdampferrohrschlange hinzugefügt.
Vorzugsweise kann eine Unterkühlerrohrschlange stromabwärts der Systemverdampferrohrschlange angeordnet sein, um deren latente Kühlwirkung weiter zu verbessern.
In den hierin im Anschluss beschriebenen Zeichnungen ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Es können jedoch verschiedene andere Modifikationen und alternative Konstruktionen daran ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
1 ist eine schematische, perspektivische Veranschaulichung eines Luftklimatisierungssystems mit der darin eingebauten vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische, perspektivische Veranschaulichung eines Luftklimatisierungssystems mit einer darin eingebauten modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Psychrometrie-Chart-Veranschaulichung der Kreisläufe sowohl der Rücklaufluft als auch der Zufuhrluft, die durch das System strömen.
Bezugnehmend nun auf 1 ist die Erfindung allgemein als 10 gezeigt, wie sie auf ein Luftklimatisierungssystem angewendet wird, das einen Kompressor 11, eine Kondensorrohrschlange 12, eine Expansionseinrichtung 13 und eine Verdampferrohrschlange 14, die in serieller Strömungsbeziehung verbunden sind, um in einer herkömmlichen Weise zu arbeiten, aufweist, wobei ein Gebläse 15 die Rücklaufluft von dem zu kühlenden Raum durch die Verdampferrohrschlange 14 strömen lässt und ein Gebläse 20 die Außenluft durch die Kondensorrohrschlange 12 strömen lässt. Obwohl die vorliegende Erfindung in einem Wärmepumpensystem verwendet werden kann, ist sie in einem Luftklimatisierungssystem am nützlichsten und wird aus Einfachheits- und Beschreibungsgründen in Bezug auf ein solches System beschrieben mit dem Verständnis, das ein Umkehrventil (nicht veranschaulicht) enthalten sein könnte, so dass das System in dem Erwärmungsmodus arbeiten könnte.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine Energiewiedergewinnungseinheit oder ein Hilfssystem 16 mit dem herkömmlichen Luftklimatisierungssystem derart kombiniert, dass es mit diesem arbeitsmäßig interagiert, mit dem Zweck, verbesserte Innenluftqualität und Komfort zu erreichen.
Das Hilfssystem 16 weist einen Kompressor 17, eine Kondensorrohrschlange 18, eine Expansionseinrichtung 19 und eine Verdampferrohrschlange 21 auf. Diese Hilfssystemkomponenten sind dazu ausgelegt, in einer Weise eines herkömmlichen geschlossenen Kreislaufs zu arbeiten, um die Luft, die durch die Verdampferrohrschlange 21 strömt, zu kühlen. Obwohl das System hauptsächlich dazu ausgelegt ist, im Kühlmodus zu arbeiten, kann es auch als eine Wärmepumpe verwendet werden, um die Luft zu erwärmen, die durch die Rohrschlange 21 strömt, die normalerweise als die Verdampferrohrschlange angesehen wird, aber eine Kondensorrohrschlange sein würde, wenn sie im Wärmepumpenbetriebsmodus arbeitet. Zu diesem Zweck ist ein Umkehrventil 22 vorgesehen, um die wählbare Änderung der Kühlmittelströmung zu ermöglichen, um so entweder Kühl- oder Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen.
Eine Luftbewegungseinrichtung ist vorgesehen, um die Luft durch sowohl das Hilfssystem als auch das Basissystem in einer Weise, wie sie durch die Pfeile gezeigt ist, zu bewegen. Das heißt, in einem Luftströmungsstrom wird die umgebende Außenluft (Auffrischluft) durch das Gebläse 15 dazu veranlasst, durch die Hilfsverdampferrohrschlange 21 und dann durch die Basissystemverdampferrohrschlange 14 zu strömen. Wenn die Umgebungsluft durch die Hilfsverdampferrohrschlange 21 strömt, wird die Luft durch Senken ihrer Trockentemperatur (englisch: dry bulb temperature) vorklimatisiert und so ein Teil des Dampfes entfernt und die Luft näher ihrem Taupunkt gebracht. Dies er möglicht dem Basiseinheitverdampfer 14, beim merklichen Kühlen und Entfernen von Dampf effektiver zu werden, was zu einer verbesserten Innenraumluftqualität und einem verbesserten Komfort führt.
Wenn die Außenluft bei einer niedrigeren Temperatur ist als die Rücklaufluft aus dem Raum, wird das Umkehrventil 22 der Hilfseinheit umgeschaltet auf einen Wärmepumpenmodus. Dann dient die Rohrschlange 21 als eine Kondensorrohrschlange, um so die durch diese hindurch laufende Luft zu erwärmen, bevor sie durch die Basiseinheitsverdampferrohrschlange 14 strömt.
Wie zu sehen sein wird, ist ein Filter 23 vorzugsweise stromaufwärts der Hilfsverdampferrohrschlange 21 vorgesehen, um alle Feststoffe auszusieben, die durch die Umgebungsluft mitgerissen werden können. In ähnlicher Weise ist ein Filter 24 stromaufwärts der Systemverdampferrohrschlange 14 angeordnet, um alle Feststoffe herauszufiltern, die ansonsten durch die Rohrschlange verlaufen würden.
Zusätzlich zu der Zirkulation der Umgebungsluft durch das System, wie hierin oben beschrieben, gibt es auch eine Luftbewegungseinrichtung, wie z.B. ein durch einen Elektromotor angetriebenes Gebläse 25, um die Rücklaufluft durch das System zu zirkulieren, wie durch die Pfeile angedeutet. Hierbei wird die gesamte oder ein Teil der Rücklaufluft über die Kondensorrohrschlange 18 strömen gelassen, um das Kondensationsstadium in dem Kreislauf des Hilfssystems abzuschließen. Auf diese Weise zieht das System einen Vorteil aus der relativ geringen Temperatur der Rücklaufluft (z.B. 80 DB/67 WD Grad F, verglichen mit einer typischen 95 DB/75 WB Grad F Außentemperatur), um die Effizienz des Hilfssystems zu steigern. Nach Durchströmen durch die Hilfskondensorrohrschlange 18 wird die Luft dann in die Umgebung ausgestoßen.
Wie aus 1 zu erkennen, wird ein Teil der Rücklaufluft mit der von der Verdampferrohrschlange 21 kommenden Auffrischluft vermischt, bevor sie durch die Verdampferrohrschlange 14 geströmt wird. Diese Mischung kann selektiv variiert werden, abhängig von den Umgebungsbedingungen und den gewünschten Bedingungen in dem zu kühlenden Raum.
Es ist zu erkennen, dass, wenn die Umgebungstemperatur geringer als die gewünschte Temperatur in dem Raum ist, das Umkehrventil 22 in den Wärmepumpenmodus umgeschaltet werden kann, so dass die Kondensorrohrschlange 18 als eine Verdampferrohrschlange wirkt und die durch diese hindurch strömende Luft daher gekühlt wird, bevor sie nach außen ausgestoßen wird.
Bezugnehmend nun auf 2 wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart, wobei eine Unterkühlerrohrschlange 26 für den Zweck des selektiven Unterkühlens des flüssigen Kühlmittels, bevor es zu der Verdampferrohrschlange 14 strömen gelassen wird, hinzugefügt ist, in einer Weise, die in Einzelheiten in US-Patentanmeldung Nr. 5 622 057, die dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, gezeigt ist. Ein Solenoidventil 27 ist vorgesehen, um das selektive Einschließen oder Ausschließen der Unterkühlerrohrschlange 26 in den Kreislauf zu ermöglichen. Wenn das Solenoidventil 27 offen ist, verläuft das Kühlmittel von der Kondensorrohrschlange 12, durch das Solenoidventil 27, durch das Expansionsventil 13 und zu der Verdampferrohrschlange 14 in einer Weise, wie sie hierin oben beschrieben ist. Wenn ein Unterkühlen erwünscht ist, ist das Solenoidventil 27 geschlossen, so dass das Kühlmittel entlang der Leitung 28 zu der Unterkühlerrohrschlange 26 strömt, wo die Temperatur des Kühlmittels reduziert wird. Das kühlere Kühlmittel strömt dann von der Unterkühlerrohrschlange 26 entlang der Leitung 29 zu einem thermischen Expansionsventil 31, wo der Druck des flüssigen Kühlmittels reduziert wird, bevor es in die Expansionseinrichtung 13 und die Verdampferrohrschlange 14 eintritt. Das thermische Expansionsventil 31 wird in einer in dem oben in Bezug genommenen Patent beschriebenen Weise gesteuert.
Bezugnehmend nun auf 3 ist eine Psychrometrie-Chart-Veranschaulichung der Temperaturen der verschiedenen Luftströmungen, die durch das System an einem Tag, wenn die Außentemperatur 90°F ist, strömen, gezeigt. Angenommen, das System arbeitet mit 100% Ausfrischluft, wird Umgebungsluft hereingebracht bei 95 DB/75 WB Grad F, wie in A gezeigt. Die Luft wird durch die Verdampferrohrschlange 21 auf 73,4 DB/68 WB Grad F gekühlt, wie durch einen Punkt B angedeutet. Die Luft wird dann durch die Verdampferrohrschlange 14 strömen gelassen, wo sie weiter gekühlt wird auf 59,6 DB/58,2 WB Grad F, wie in C gezeigt. Bei dieser Temperatur, die unterhalb des Taupunkts ist, tritt ein wesentliches Maß an Kondensation auf, um so die Feuchtigkeit der Luft, die zu dem zu kühlenden Raum geleitet wird, zu reduzieren. Dieses Kondensat wird in einer herkömmlichen Weise abgeleitet. Die gekühlte Luft wird dann durch den Unterkühler 26 geleitet, wo sie Wärme von dem vorgekühlten Kühlmittel aufnimmt mit einer sich ergebenden Lufttemperatur von 65 DB/60,3 WB Grad F für eine Zulieferung zu dem zu kühlenden Raum.
An der Rücklaufluftseite ist Luft, die von dem zu kühlenden Raum kommt, bei 80 DB/67 WB Grad F, wie in E in 3 gezeigt. Diese gesamte Luft wird dann durch die Kondensorrohrschlange 18 geleitet, wo sie verwendet wird, um das Kühlmittel in der Hilfseinheit 16 zum Zweck, es in eine Flüssigkeit zu kondensieren, zu kühlen. In dem Prozess wird die Luft auf 109 DB/75,6 WB Grad F erwärmt, und diese relativ heiße Luft wird dann nach außen ausgestoßen. Es wird daher erkannt, dass die Energie aus der Rücklaufluft durch die Hilfseinheit 16 wieder aufgenommen wird zu dem Zweck des Kühlens der Umgebungsluft auf ein Temperaturniveau unterhalb der von dem Raum kommenden Rücklaufluft.

Claims

Luftklimatisierungssystem von dem Typ mit einem Kompressor (11), einer Kondensorrohrschlange (12), einer Expansionseinrichtung (13) und einer Verdampferrohrschlange (14), die in einem seriellen Strömungskühlmittelkreislauf verbunden sind, und aufweisend: einen Hilfskühlmittelkreislauf (16), der einen Hilfskompressor (17), eine Hilfskondensorrohrschlange (18), eine Hilfsexpansionseinrichtung (19), eine Hilfsverdampferrohrschlange (21) und eine Luftbewegungseinrichtung aufweist, die in Wirkbeziehung mit dem Luftklimatisierungssystem installiert ist, so dass die Luftbewegungseinrichtung bewirkt, dass: Außenluft zuerst durch die Hilfsverdampferrohrschlange (21) und dann durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömt; und mindestens ein Teil der Rücklaufluft von einem zu klimatisierenden Raum durch die Hilfskondensorrohrschlange (18) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil der Rücklaufluft durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömen gelassen wird.
Luftklimatisierungssystem nach Anspruch 1, wobei der Hilfskreislauf (16) einen Filter (23) aufweist und wobei die Außenluft zuerst durch den Filter (16) und dann durch die Hilfsverdampferrohrschlange (21) strömen gelassen wird.
Luftklimatisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Luftklimatisierungssystem einen Systemfilter (24) aufweist und wobei ein anderer Teil der Rücklaufluft zuerst durch den Systemfilter (24) und dann durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömen gelassen wird.
Luftklimatisierungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Luftklimatisierungssystem einen Systemfilter (24) aufweist und wobei die Außenluft zuerst durch die Hilfsverdampferrohrschlange (21), dann durch den Filter (24) und dann durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömen gelassen wird.
Luftklimatisierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche und aufweisend eine Unterkühlerrohrschlange (26), die stromabwärts der Systemverdampferrohrschlange (14) angeordnet ist, und wobei die durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömende Luft auch durch die Unterkühlerrohrschlange (26) strömen gelassen wird.
Luftklimatisierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Luft, die durch die Hilfskondensorrohrschlange (18) geströmt ist, anschließend durch die Systemkondensorrohrschlange (12) strömen gelassen wird.
Luftklimatisierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche und aufweisend ein Umkehrventil (22) zum selektiven Konvertieren des Systems von einer Kühleinheit zu einer Wärmepumpeneinheit, wobei die Funktionen der Hilfsverdampferrohrschlange (21) und der Hilfskondensorrohrschlange (18) umgekehrt werden.
Verfahren zum Verbessern der Leistung eines Luftklimatisierungssystems des Typs mit einer Verdampferrohrschlange (14) und einer Kondensorrohrschlange (12), aufweisend die folgenden Schritte: Installieren eines Hilfskühlmittelkreislaufs (16) mit einem Hilfskompressor (17), einer Hilfskondensorrohrschlange (18), einer Hilfsexpansionseinrichtung (19) und einer Hilfsverdampferrohrschlange (21); Installieren einer Luftbewegungseinrichtung, um Außenluft zuerst durch die Hilfsverdampferrohrschlange (18) und dann durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömen zu lassen; und Installieren einer Luftbewegungseinrichtung, um mindestens einen Teil der Rücklaufluft von einem zu klimatisierenden Raum durch die Hilfskondensorrohrschlange (18) strömen zu lassen; und gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Installierens einer Luftbewegungseinrichtung, um einen weiteren Teil der Rücklaufluft durch die Systemverdampferrohrschlange (14) strömen zu lassen.