DK159738B - Kombineret koele- og varmeanlaeg - Google Patents

Description

- 1 -

DK 159738 B

Opfindelsen angår et kombineret køle- og varmeanlæg af den i krav l's indledning angivne art, der overfører termisk energi fra et kølekredsløb til et varmtvandssystem. Nærmere bestemt angår opfindelsen kombinationen af et køleanlæg 5 og en varmtvandsforvarmer af varmevekslertypen (superheat-er-varmeveksler) samt et system til integration af denne varmtvandsforvarmer i et luftkonditioneringsanlæg.

Et typisk køleanlæg af kompressionstypen består af et antal 10 forskellige komponenter såsom kompressor, kondensator, fordamper og ekspansionsventil beregnet til overførsel af termisk energi (varme) fra fordamperen til kondensatoren. Det er kendt at indsætte en varmeveksler foran kondensatoren til udtagning af termisk energi ved et relativt højt tempe-15 raturniveau (superheating-princippet) inden dampens kondensering i kondensatoren.

Almindelige bygninger er sædvanligvis udstyret med en varmtvandsforsyning (varmt brugsvand) af den art, hvor en 20 varmtvandsbeholder fødes direkte med koldt brugsvand. I kombination med et air-conditionanlæg er det kendt at forvarme det til varmtvandsbeholderen (eller varmtvandsgenera-toren) tilførte kolde brugsvand ved at lade dette passere den nævnte superheater-varmeveksler, inden vandet ledes ind 25 i varmtvandsbeholderen. Et sædvanligt air-conditionanlæg er opbygget på den måde, at varme fra det indre af bygningen overføres via anlægget til den omgivende luft eller til en anden uden for bygningen værende varmerecipient (grundvand, jord etc.). Den udledte varmeenergi repræsenterer et 30 energitab. Ved i stedet at udnytte den i bygningen værende overflødige varme til forvarmning af det varme brugsvand ved hjælp af det omtalte forvarmningsprincip opnås en nyttiggørelse af varmeenergien. Princippet kan tages i anvendelse i boliger, hvor det varme brugsvand anvendes til bad-35 ning, rengøring m.v., samt til kommercielle formål, eksempelvis i supermarkeder, restauranter og lignende steder, - 2 -

DK 159738 B

hvor en relativ stor kølekapacitet forefindes, og hvor der samtidig er behov for varmt brugsvand eller brugsvarme til andet formål.

5 Visse typer air-conditionanlæg er indrettet reversible, således at anlægget ved passende omstyring (reversering) er i stand til opvarme bygningen i varmesæsonen (i vinterhalvåret). Denne type air-conditionanlæg benævnes sædvanligvis varmepumpe. En varmepumpe kan, hvis der er behov derfor, 10 producere varmt brugsvand. Hertil benyttes en varmeveksler af den omtalte superheatertype indsat foran fordampere.

Den foreliggende opfindelse angår specielt et kombineret køle- og varmeanlæg af den tredelte type, dvs. et anlæg op-15 delt i tre separate sektioner, hvoraf den ene sektion udgøres af en udendørs anbragt varmeveksler, der køles (eller opvarmes) af den omgivende luft. Den anden sektion er anbragt indendørs og fungerer som en varmeveksler, der transmitterer varme eller kulde til det cirkulerende varmemedium 20 i bygningen (fx centralvarmeanlægget), og den tredje sektion indeholder anlæggets kompressorunit inklusive den omtalte superheater-varmeveksler til forvarmning af det varme brugsvand.

25 Vandgennemstrømningen gennem superheater-varmeveksleren kontrolleres på en sådan måde, at systemet fungerer effektivt og sikkert under alle forhold. En brugsvandscirkulationspumpe arbejder kontinuerligt samtidig med, at kompressoren arbejder, således at der til stadighed cirkulerer 30 vand gennem varmeveksleren, når kompressoren er i arbejde.

En bypassforbindelse danner en parallel shunt forbi super-heater-varmeveksleren. Denne shunt er forsynet med en strømningsmodstand, eksempelvis i form af en drøvleventil, hvormed gennemstrømningen gennem shunten begrænses. En 35 indgangstemperaturføler er anbragt foran varmeveksleren til registrering af vandets indløbstemperatur. Den anden udgangstemperaturføler er anbragt efter varmeveksleren til - 3 -

DK 159738 B

registrering af udløbstemperaturen fra denne. En ventil styrer vandgennemstrømningen gennem varmeveksleren, og en sikkerhedstemperaturføler registrerer temperaturen af det vand, der recirkuleres til varmtvandsbeholderen. Den om-5 talte cirkulationspumpe, der arbejder samtidig med kompressoren, tjener til at cirkulere vand gennem varmeveksleren, når vandets indløbstemperatur er under den ønskede varmt-vandstemperatur, og når vandets afgangstemperatur er over den temperatur, vandet ønskes opvarmet til.

10

Sikkerhedstemperaturføleren har til opgave at stoppe det totale anlæg (kompressor, cirkulationspumpe osv.), hvis temperaturen bliver for høj. Alle de omtalte temperaturfølere er forbundet i serie med ventilen (magnetventilen) og 15 danner på denne måde et integreret kontrolarrangement, hvormed flowet gennem varmeveksleren reguleres. Shunten over varmeveksleren bevirker en vis begrænset vandcirkulation i systemet, selv når magnetventilen er lukket, hvilket sikrer en mere nøjagtig og jævn afgangstemperatur.

20

Tilstedeværelsen af sikkerhedstemperaturføleren, hvormed bl.a. magnetventilen kontrolleres, sikrer effektivt mod overhedning af vandet, hvis en af de primære reguleringsforanstaltninger skulle svigte. Sikkerhedstemperaturføle- 25 ren er derfor en garanti for, at der ikke sker en overhedning af det varme brugsvand.

Fra EP-A-0 027 995 kendes et kombinationsanlæg, hvor vand cirkuleres ved hjælp af en pumpe fra et udløb, gennem en 30 varmeveksler og til et udløb. Varmeveksleren modtager også det gasformige kølemiddel fra kølesystemet. Anlægget omfatter en ventil, der styrer strømmen af vand fra varmeveksleren som en funktion af vandtemperaturerne ved indløbet og ved varmevekslerens udgang. En shuntforbindelse er 35 forbundet i parallel med serieforbindelsen af varmeveksler og ventil.

- 4 -

DK 159738 B

Formålet med opfindelsen er at anvise et kombineret anlæg af den omhandlede art, som pålideligt styrer vandtemperaturen ved varmeanlæggets udløb.

5 Dette opnås ifølge opfindelsen ved den i krav 1 anviste udformning.

Sammenbygningen af kompressoren og superheater-varmeveksleren til en unit begrænser installationsarbejdet, specielt 10 det antal rørforbindelser der skal udføres på montagestedet, og mindsker derved også muligheden for fejlinstallation. De nødvendige trykrørsforbindelser kan udføres på fabrikationsstedet (på fabriken). Sammenbygningen af varmeveksleren og kompressoren betyder endvidere, at antallet 15 af komponenter, der skal monteres på opstillingsstedet, bliver det mindst mulige. Af betydning er det endvidere, at en væsentlig del af det elektriske installationsarbejde kan færdiggøres fra fabriken.

20 Opfindelsen skal forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1 viser et kombineret køle- og varmeanlæg ifølge opfindelsen i skematisk form, 25 fig. 2 et udsnit af samme, der viser anlæggets varmtvands-generator inklusive superheater-varmeveksleren, fig. 3 et elektrisk diagram, der skematisk viser forbindelsen mellem de forskellige temperaturfølere i anlæggets varmtvandsdel, og 30 fig. 4 et elektrisk diagram, der skematisk viser forbindelsen mellem en sikkerhedsswitch og et sikkerhedsrelæ, der udgør en del af anlæggets kontrolkredsløb.

35 i den på tegningen viste udførelsesform er det kombinerede køle- og varmeanlæg af den omtalte tredelte type. Det er imidlertid underforstået, at det beskrevne kontrolarrange- - 5 -

DK 159738 B

ment for superheater-varmeveksleren ikke er begrænset til denne specifikke udførelsesform men også kan indgå i andre sammenhænge. Det her beskrevne kombinerede køle- og varmeanlæg er vist i skematisk form i fig. 1. Anlæggets air-5 conditiondel består af en kompressorunit 10, en indendørs kølesektion 90 og en udendørs sektion 92. Varmtvandssystemet består af en varmtvandsbeholder (forrådsbeholder) 54 med tapperør 56, koldtvandstilløb 58 og varmtvandstilløb 60. Koldt- og varmtvandstilløbene 58 og 60 udgår fra en 10 varmtvandsgenerator i kompressoruniten 10.

Kølekredsløbet (air-conditiondelen) består af en kompressor 12, en første rørforbindelse 14, en dæmper 16, en anden rørforbindelse 18, en superheater-varmeveksler 20, en tred-15 je rørforbindelse 22, en omstillingsventil 24, en fjerde rørforbindelse 26, en akkumulator 28 og en kompressorsugeslange 30. Superheater-varmevekslerens 20 kølespiral er angivet med 19. Fra omstillingsventilen 24 udgår en køleslange 32, der fortsætter til en indendørs anbragt varme-20 vekslerspiral 36. Denne varmevekslerspiral 36 er via en rørforbindelse 44 forbundet med en første ekspansionsventil 46, som igen via en anden rørforbindelse 48 er forbundet med en anden ekspansionsventil 50. Den anden ekspansionsventil 50 er gennem en rørforbindelse 52 forbundet med den 25 udendørs anbragte varmevekslerspiral 38. Denne er igen forbundet med omstillingsventilen 24 via en returforbindelse 34. Kølekredsløbet virker på i og for sig kendt måde ved overførsel af varmeenergi fra den indendørs anbragte varmevekslerspiral 36 til den udendørs anbragte varmevekslerspi-30 ral 38.

Varmtvandssystemet består som nævnt af en varmtvandsbeholder 54 med koldtvandstilløb 58. Endvidere findes en indløbstemperaturføler 62, en cirkulationspumpe 64 og en rør-35 forbindelse 66 mellem pumpen og superheater-varmeveksleren 20. Varmevekslerens 20 vandførende del er angivet med 67. En udløbstemperaturføler fra varmeveksleren er angivet med - 6 -

DK 159738 B

68, en magnetventil 70 og en sikkerhedstemperaturføler (termostat) med 72. En shuntforbindelse over varmeveksleren er angivet med 74. Denne shuntforbindelse er forsynet med en gennemstrømningsbegrænserventil 76. Shunten forbin-5 der rørstykket 66 med afgangssiden af ventilen 70. Super-heater-varmeveksleren med tilhørende cirkulationspumpe og magnetventil og shuntforbindelse danner sammen med de allerede beskrevne kølekredskomponenter: kompressor, akkumula tor, dæmper og omstillingsventil, anlæggets kompressorunit 10 10.

Den indendørs anbragte sektion 90 består foruden af varmeveksleren 32 af en køleluftblæser 40. Den udendørs sektion 92 består foruden af varmeveksleren 38 af en udendørs blæ-15 ser 42.

I fig. 2 er anlæggets varmtvandssystem vist i mere detaljeret form. Som det fremgår af diagrammet, danner varmt-vandssystemet et lukket kredsløb, hvori vandet cirkulerer.

20 Koldtvandstilførslen sker gennem rørforbindelserne 58 og 63 og via en termisk reagerende kontakt 62 indsat mellem de to nævnte rørforbindelser. Cirkulationspumpen 64 er indsat i varmtvandskredsløbet og tjener til at cirkulere vandet gennem varmeveksleren 20 og varmtvandsbeholderen 54. Cirkula-25 tionspumpen er sluttet til koldtvandstilløbsrøret 63. Fra pumpen fortsætter vandet gennem en anden rørforbindelse 66 til varmeveksleren 20, hvis vandførende del (varmevekslerspiral) er angivet med 67. Varmevekslerspiralens afgangsside er sluttet til en tredje rørforbindelse 69, som fører 30 til magnetventilen 70. I selve rørforbindelsen 69 er indsat den omtalte udløbstemperaturføler 68. Shuntforbindelsen 74 er indsat mellem den anden og tredje rørforbindelse 66 henholdsvis 69. Gennemstrømningsbegrænserventilen 76 i shunten 74 er indrettet som en drøvleventil med en kalibre-35 ret gennemstrømningsdyse. Sikkerhedstemperaturføleren 72 er indsat i returforbindelsen 60 fra varmeveksleren.

- 7 -

DK 159738 B

Som det fremgår af diagrammet i fig. 2, er indløbstemperaturføleren 62 indrettet til at slutte en elektrisk forbindelse, når vandtemperaturen falder til 51,5°C eller derunder, og til at åbne (dvs. afbryde) den elektriske forbin-5 delse, når vandtemperaturen er på 60°C eller derover. Udløbstemperaturføleren 68 er indrettet til at slutte ved en temperatur på 57°C og til at åbne ved en temperatur på 37,8°C og derunder. Sikkerhedstemperaturføleren 72 er indrettet til at åbne ved en vandtemperatur på 83°C og til at 10 slutte ved en temperatur på 71°C og derunder.

Det i fig. 3 viste elektriske diagram viser den operative sammenhæng mellem varmtvandssystemet og kølesystemet. Terminaler L-l og L-2 angiver strømforsyningen til det elek-15 triske kontrolkredsløb. Terminalen L-l er via en leder 100 forbundet med den ene side af et relæ 82 af den normalt åbne type. Relæet 82 styres af sikkerhedstemperaturføleren. Relæets 83 anden side er gennem en leder 101 forbundet med et kompressorrelæ CR og med indløbstemperaturføleren 62.

20 Denne er indrettet som en termostatafbryder. Kompressorrelæet CR er gennem en leder 104 forbundet med en kompressor-kontaktor C og med pumpen 64. Den anden terminal L-2 er gennem en leder 103 forbundet med kompressorkontaktoren C, pumpen 64 og magnetventilspolen 70. Indløbstemperaturføle-25 ren (termostaten) 62 er forbundet med udløbstemperaturføleren (termostaten) 68 gennem en leder 105. En anden leder 107 forbinder udløbstemperaturføleren 68 med magnetventil-spolen 70.

30 Det i fig. 4 viste elektriske diagram angiver forbindelsen mellem sikkerhedskontakten 72 og sikkerhedsrelæet 80. Strømforsyningen sker gennem terminaler L-3 og L-4. L-3 er forbundet med sikkerhedskontakten 72 gennem lederen 121, sikkerhedskontakten i serie med relæet gennem en leder 123 35 og relæet med terminalen L-4 via en leder 125.

- 8 -

DK 159738 B

Ved behov for køleeffekt (eller varmeeffekt) sættes kølekompressoren 12 i gang. Dette sker ved aktivering af kompressorrelæet CR og forudsat, sikkerhedskontakten 72 samtidig har sluttet sikkerhedsrelæet 80. Er disse 5 forudsætninger opfyldt, aktiveres kompressorkontaktoren C og samtidig pumpen 64, hvorved køleprocessen starter.

Under disse omstændigheder cirkulerer pumpen 64 vand enten fra varmtvandsbeholderen 54 eller fra koldtvandstilløbet 58 via superheater- varmeveksleren og tilbage til varmt-10 vandsbeholderen 54 igen. Pumpen arbejder kontinuerligt i al den tid, kompressoren arbejder. Pumpen bevirker en tvungen vandcirkulation enten gennem varmeveksleren og shunten 74 i fællesskab eller gennem shunten 74 alene. I sidste tilfælde vil flowet være begrænset til et minimum 15 af drøvleventilen 76. Det reducerede flow gennem shunten har til formål at tillade en kontinuerlig registrering af vandtemperaturen i varmtvandsbeholderen ved hjælp af indløbstemperaturføleren 62.

20 Magnetventilen 70 er normalt lukket. Ventilen er kun åben i de tilfælde, hvor alle tre temperaturfølere: indløbstem peraturføler, udløbstemperaturføler og sikkerhedstemperaturføler registrerer tilladte (dvs. acceptable) temperaturbetingelser. Disse betingelser er følgende: 1) Indløbs- 25 temperaturføleren registrerer en temperatur under 60°C, hvilket indikerer behov for yderligere opvarmning af van det. 2) Udløbstemperaturføleren registrerer en temperatur over 57°C, hvilket indikerer, at vandet fra varmeveksleren er tilstrækkelig opvarmet, og 3) sikkerhedstemperaturføle-30 ren, som normalt er lukket, registrerer en temperatur under 82°C, hvilket indikerer, at vandet fra varmeveksleren (og/ eller varmtvandsbeholderen) er under den tilladte maksimaltemperatur. Når disse tre nævnte betingelser er opfyldt, vil magnetventilen være åben, og vandet vil frit kunne cir-35 kulere gennem varmeveksleren og varmtvandsbeholderen. Hvis indløbstemperaturføleren registrerer en temperatur over 60°C, vil termostaten åbne. Derved afbrydes strømmen til - 9 -

DK 159738 B

ventilens magnetspole, og ventilen lukker. Vandcirkulationen gennem varmeveksleren stoppes. Hvis udløbstemperatur-føleren registrerer en temperatur under 57°C, hvilket indikerer utilstrækkelig opvarmning i varmeveksleren, vil 5 strømmen til ventilspolen på lignende måde blive afbrudt, og ventilen dermed lukket. Først når temperaturen overstiger de nævnte 57°C, slutter termostaten, hvorved ventilen kan åbne. Termostaten åbner igen, når udløbstemperaturen er faldet til 37,8°C og derunder, dvs. at termostaten 10 har en indbygget hysterese. Indløbstermostaten er på tilsvarende måde indrettet til at åbne ved 60°C og slutte igen ved 51,5°C.

Sikkerhedstemperaturføleren er indrettet til at åbne ved 15 82°C og slutte igen ved 71°C. Hvis vandtemperaturen ved udløbet fra varmeveksleren overstiger 82°C, vil sikkerhedstemperaturføleren afbryde det elektriske kredsløb, der aktiverer kompressorkontaktoren og pumpen, og samtidig vil magnetventilen lukke for vandgennemstrømningen. Sikker-20 hedstemperaturføleren forbliver åben, indtil vandtemperaturen er faldet til under 71°C.

Det beskrevne kontrolsystem er forklaret i tilknytning til en varmtvandsgenerator (superheater-varmeveksler), der 25 udnytter overskudsvarmen fra et køleanlæg. Det er imidlertid underforstået, at det specielle superheater-varme-vekslerarrangement også kan anvendes i andre specifikke sammenhænge. Den tredelte opbygning med en separat kompressorunit, som også indeholder varmtvandsgeneratoren, en.

30 separat indendørs del og en separat udendørs del, betyder reducerede installationsomkostninger og reducerede vedligeholdelsesomkostninger. Ved at integrere superheater-varmeveksleren i kompressoruniten kan alle rørforbindelserne til varmeveksleren færdiggøres på fabrikationsstedet. Tidlige-35 re blev superheater-varmevekslere af den omtalte type solgt som tilbehør til air-conditionanlæg, hvorfor monteringen og herunder tilslutningen af vand og kølerør nødvendigvis måtte ske på stedet.

Claims (4)

1. Kombineret køle- og varmeanlæg med en kompressor (12) og et varmtvandsopvarmningssystem, som omfatter et koldt-vandsindløb (58), et aftapningsudløb (56), en pumpe (64) forbundet med koldtvandsindløbet og indrettet til at cirku-5 lere vand gennem opvarmningssystemet, hvilken pumpe aktiveres i fællesskab med kompressoren (12), en varmeveksler (20) indsat i kølekredsløbet og beregnet til at modtage den varme gas fra kølekompressoren, hvilken varmeveksler er indrettet til at overføre varmeenergi fra kølevæsken (gas-10 sen) til det cirkulerende vand i varmtvandsopvarmningssy-stemet, en første rørforbindelse (66), der forbinder varmeveksleren (20) med pumpen (64), en ventil (70), hvormed vandgennemstrømningen gennem varmeveksleren kontrolleres, en anden rørforbindelse (69), der forbinder varmeveksleren 15 med ventilen (70), en tredje rørforbindelse (60), der forbinder ventilen med vandudløbet, en shuntforbindelse (74) indsat mellem den første og den tredje rørforbindelse, hvilken shuntforbindelse er forsynet med en strømningsbegrænsning (76), en indløbstemperaturføler (62) til regi-20 strering af vandtemperaturen ved indløbet til varmeveksleren, en udløbstemperaturføler (68) til registrering af vandtemperaturen ved udløbet fra varmeveksleren i den anden rørforbindelse (69), og et kontrolkredsløb (105,107), der forbinder indløbstemperaturføleren (62) og udløbstempe-25 raturføleren (68) i serie med samme således, at en betingelse for åben ventil (70) og dermed vandcirkulation gennem varmeveksleren er, at begge temperaturfølere (62,68) registrerer acceptabel temperatur, kende tegnet ved at omfatte en sikkerhedstemperaturføler 30 (72) til registrering af vandtemperaturen i den tredje rør forbindelse (60), dvs. temperaturen af det vand, der strømmer gennem varmeveksleren og shuntforbindelsen, og at kontrolkredsløbet (105,107) forbinder sikkerhedstemperaturføleren (72) med ventilen (70), hvilket kontrolkredsløb er 35 indrettet til at lukke ventilen og dermed forhindre flow DK 159738 B - 11 - gennem varmeveksleren (20), når vandtemperaturen i denne overstiger en bestemt øvre grænseværdi (maksimaltemperaturen), og til at åbne ventilen (70), når alle tre temperaturfølere (62,68,72) registrerer acceptabel temperatur. 5

2. Kombineret køle- og varmeanlæg ifølge krav 1, k e n detegnet ved, at indløbstemperaturføleren (62) er en termostat indrettet til at åbne ved 60°C og slutte ved 51,5°C, og at udløbstemperaturføleren (68) er en termostat 10 indrettet til at åbne ved 37,8°C og derunder og slutte ved 57°C og derover, således at ventilen (70) forbliver lukket, hvis vandet i indløbet allerede har nået den ønskede temperatur, eller hvis vandet ved udløbet fra varmeveksleren endnu ikke er opvarmet tilstrækkeligt. 15

3. Kombineret køle- og varmeanlæg ifølge krav 2, k e n -detegnet ved, at sikkerhedstemperaturføleren (72) er en termostat, der er elektrisk forbundet med ventilen (70) på en sådan måde, at ventilen forbliver lukket og der- 20 med hindrer vandgennemstrømning gennem varmeveksleren i tilfælde, hvor termostaten registrerer en vandtemperatur på 82°C og derover.

4. Kombineret køle- og varmeanlæg ifølge krav 1-3, k e n-25 detegnet ved endvidere, at kontrolkredsløbet (105, 107. omfatter organer (100,101), der forbinder sikkerhedstemperaturføleren (72) med kompressoren (12) og pumpen (64) på en sådan måde, at både kompressoren og pumpen stoppes -(ved afbrydelse af effekttilførslen) i tilfælde, hvor sik-30 kerhedstemperaturføleren registrerer en vandtemperatur, der overstiger den fastlagte maksimaltemperatur, således at vandcirkulationen gennem varmeveksleren i dette tilfælde afbrydes. 35