EP4598688A1 - System und verfahren zur erzeugung von heiz- und kühlleistungen in einer behandlungsanlage für werkstücke - Google Patents

System und verfahren zur erzeugung von heiz- und kühlleistungen in einer behandlungsanlage für werkstücke

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EP4598688A1
EP4598688A1 EP23789496.9A EP23789496A EP4598688A1 EP 4598688 A1 EP4598688 A1 EP 4598688A1 EP 23789496 A EP23789496 A EP 23789496A EP 4598688 A1 EP4598688 A1 EP 4598688A1
Authority
EP
European Patent Office
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hot water
water network
heat
network
heat pump
Prior art date
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Pending
Application number
EP23789496.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
David Carl
Dietmar Wieland
Thomas Klenge
Alexander HAMMEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Duerr Systems AG
Original Assignee
Duerr Systems AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4598688A1 publication Critical patent/EP4598688A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B05B16/60—Ventilation arrangements specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05D3/0413—Heating with air
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24D2200/16—Waste heat
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    • F26B2210/12—Vehicle bodies, e.g. after being painted
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a system and a method for generating heating and cooling power in a treatment plant for workpieces, in particular a paint shop for vehicle bodies, whereby seasonal climatic conditions are taken into account in particular.
  • the greatest effort is to provide the connection power.
  • the location of the heaters in the treatment plant plays an important role here.
  • central stations may need to be provided in order to be able to provide the required operating voltage for the heaters.
  • the overall efficiency of a purely electrically operated heating system is also three to five times lower than that of a heat pump-based heating system, depending on the temperature level or temperature.
  • Compression refrigeration machines are well known for providing quantities of cold water.
  • the electrical energy supplied is needed to compress the coolant.
  • the heat output dissipated into the environment corresponds to the cooling output plus the electrical power consumed. On average, three to four kilowatt hours of cooling energy can be generated from one kilowatt hour of electrical energy.
  • the installed electrical power must be designed according to the greatest possible cooling requirement of the connected processes. For example, peak power is sometimes installed that is only needed for a few hours a year.
  • the dissipation of heat to the environment is essential and the efficiency decreases as the outside air temperature increases.
  • the flow temperature of the hot or cold water network is used as a constant target control variable to regulate the operating output of the heaters or chillers. Therefore, when consumption is low, for example, the corresponding units, i.e. the heaters or chillers, are switched off, with the number and size of the units being defined by the maximum required output.
  • the required cooling or heating output varies greatly within a year or even within a day, as these depend on the external climatic conditions. For example, units are sometimes installed that are in operation for a fraction of the year. It must also be taken into account that, due to fluctuations in external conditions within a day, heating output is required at night and cooling output is required during the day.
  • a treatment plant such as a paint shop for vehicle bodies
  • warm water is usually used for air conditioning.
  • the temperature level for this is determined by the air conditioning in winter (dry, cold air). This level must be high enough to raise the outside air to the specific enthalpy level of the target state.
  • the subsequent spray humidification adiabatic
  • the flow temperature of the hot water which is used as a constant target control variable, is determined by the heating of the outside air in winter. Before humidifying the dry outside air, it must be heated until the air contains the enthalpy to evaporate the water to be absorbed and the target temperature to be achieved. The required enthalpy of the dry air is thus set to the appropriate temperature by heating. The higher the humidity should be, the higher the temperature of the dry air required. This difference is greatest in the cold winter months.
  • the temperature level itself is determined by the driest and coldest outside air and is therefore higher than required for a long time of the year.
  • the present invention is based on the object of providing a system which energy-optimizes consumer processes of a treatment plant for workpieces and sustainably supplies them with heating or cooling power.
  • the system is used to generate and provide heating and cooling services in a treatment plant for workpieces, in particular a paint shop for vehicle bodies.
  • the system according to the invention preferably comprises the following: at least one cold water network for supplying consumer processes with cold water, which has at least one cold water storage device for compensating process load peaks and/or at least one cold water network heat transfer device for recovering heat from consumer processes; at least one hot water network for supplying consumer processes with hot water, which has at least one hot water storage device for compensating process load peaks and/or at least one hot water network heat transfer device for recovering heat from consumer processes; and at least one heat pump device, in particular at least one first heat pump device, wherein the at least one cold water network is connected to the at least one hot water network by means of the at least one heat pump device, and wherein the networks have different temperature levels.
  • the system further comprises at least one hot water network for supplying consumer processes with hot water, wherein the at least one hot water network has at least one hot water storage device for compensating for process load peaks. Furthermore, it can be provided that the at least one hot water network has at least one hot water network heat transfer device for heat recovery from consumer processes.
  • the system further comprises at least one second heat pump device, wherein a) the at least one warm water network is connected to the at least one hot water network by means of the at least one second heat pump device, or b) the at least one hot water network is connected to the at least one cold water network by means of the at least one second heat pump device.
  • the system according to the invention comprises the following in total: at least one cold water network for supplying consumer processes with cold water, which has at least one cold water storage device for compensating process load peaks and/or at least one cold water network heat transfer device for recovering heat from consumer processes; at least one warm water network for supplying consumer processes with warm water, which has at least one warm water storage device for compensating process load peaks and/or at least one warm water network heat transfer device for recovering heat from consumer processes; at least one hot water network for supplying consumer processes with hot water, which has at least one hot water storage device for compensating process load peaks and/or at least one hot water network heat transfer device for recovering heat from consumer processes; at least one first heat pump device; and at least one second heat pump device, wherein the at least one cold water network is connected to the at least one warm water network by means of the at least one first heat pump device, wherein the at least one hot water network is connected to the at least one warm water network by means of the at least one second heat pump device or the at least one cold water network, and
  • the present invention is based on the basic idea that in a treatment plant for workpieces, preferably a central hot, warm and cold water generation is provided in three corresponding networks by means of at least two heat pump devices or heat pumps, the networks being connected to one another via the heat pumps.
  • the different seasonal climatic conditions in summer (warm and humid ambient air) and winter (cold and dry ambient air) are to be taken into account, so that in summer the excess heat from the cold water generation is fed to the warm and hot water network. If heat is also present, this is passed into the exhaust air via heat transfer devices or heat exchangers or fed to the environment of the treatment plant.
  • the cold water network is used as a heat collector through the use of heat recovery measures. The heat pump devices then use this recovered heat to produce usable warm and/or hot water.
  • the aim of producing the required cooling, warm and heating water in the treatment plant in a CC>2-neutral manner requires complete electrification of the units for producing cold, warm and hot water, whereby the installed output of the units should be as low as possible in order to take sustainability and energy saving into account.
  • the energy consumption per workpiece or vehicle body should be reduced to a minimum, for which purpose the heat recovery measures according to the invention are integrated into the system.
  • the interconnected system of the three water networks can be divided into three functional areas: The first area represents the heat recovery, the second area is assigned to the heat pump devices and storage devices and the third area contains the consumers or consumer processes of the treatment plant.
  • network or “water network” in this description and the appended claims refers to an interaction of several circuits, which are Water of the respective temperature level or temperature flows through it.
  • circuit in this description and the appended claims is to be understood as a line network which can be formed from pipes, hoses or the like, forms an open or closed circuit and can be flowed through in one direction, preferably in two directions, by the water of the respective temperature level, wherein the circuit indirectly or directly contains further elements such as consumer processes, heat transfer devices, storage devices or
  • the different temperature levels of the three networks supply a wide variety of consumer processes and consumers, whereby a large number of consumer processes and consumers can be connected to the cold and hot water networks.
  • Such processes and consumers are mainly ventilation devices, which must be regulated to the changing external conditions.
  • the cold and hot water networks in particular experience large fluctuations in the required power over the course of a day.
  • the processes and consumers of the hot water network such as one or more pretreatment stations and one or more intermediate dryers in the case of a paint shop for vehicle bodies, on the other hand, have a very constant heat consumption from the network or distribution network; boilers or burners only need to be installed for start-up purposes.
  • the hot water network is preferably connected to continuous consumer processes. Due to the different temperature levels of the networks, different storage devices can be used. Preferably, a balance must be struck between the available space in the treatment plant and the complexity of the storage device.
  • one or more conventional industrial heat pump devices can be used due to the low temperature level of preferably a maximum of 60°C and the prevailing temperature spread of preferably 30°C to 40°C.
  • Heat recovery using heat transfer devices is used to reuse the energy from the consumer process streams leaving the treatment plant. With the help of heat pump devices, these can be raised to a usable temperature level for the respective network.
  • the waste heat from the various consumer processes can be fed into the cold water network in order to be used as efficiently as possible.
  • Examples of process streams for heat recovery in a paint shop for vehicle bodies are cooling zone exhaust air, dryer exhaust air, spray booth exhaust air, waste heat from compressed air generation, exhaust air from pretreatment (VBH) or from cathodic dip painting (KTL), dryer waste heat, etc.
  • heating water network is directly connected to the cold water network via the second heat pump device, i.e. bypassing the hot water network and the first heat pump device, offers the advantage that the performance in the Hot water network can be used to generate cooling capacity. In addition, transmission losses are minimized by bypassing the hot water network, which increases the efficiency of generating cooling capacity.
  • the efficiency can actually be increased. This is particularly advantageous in hot ambient/climatic conditions (due to the climate zone and/or the time of year), where a high level of cooling capacity is known to be required. This means that the waste heat required for cooling can be used by consumers in the hot water network.
  • the at least one cold water storage device and/or the at least one warm water storage device and/or the at least one hot water storage device are connected to a flow line and a return line of the respective network.
  • the storage devices which preferably act as buffer storage in the respective network, can be used to balance out process load peaks, i.e. both maximum and minimum, of the consumer processes connected to the respective network.
  • process load peaks i.e. both maximum and minimum
  • the size or capacity is designed to smooth or level out the load profile of a day.
  • the resulting advantage is that the heat pump devices can be made smaller on the one hand and continuous operation of the heat pump devices is possible on the other.
  • fluctuations in heat recovery can be absorbed when consumer process conditions change and passed on to the consumer processes in a metered manner.
  • each of the networks comprises at least one consumer process circuit and/or at least one heat pump circuit, wherein the at least one storage device of the respective network is directly or indirectly integrated into each of the circuits.
  • at least one of the networks comprises at least one heat recovery circuit in which the respective storage device is directly or indirectly integrated.
  • the at least one first heat pump device can be controlled according to at least one variable from the group of cooling capacity, heat requirement, temperature, storage energy loading and storage capacity.
  • the first heat pump device By connecting to the cold and hot water network, the first heat pump device generates cold on the one hand and heat or thermal energy for the consumer processes on the other. This achieves maximum efficiency and utilization of this heat pump device.
  • the installed electrical power for this heat pump device is based on the maximum cooling output to be provided, as this is usually greater than the maximum heat output.
  • the maximum heat and cooling output of the first heat pump device is reduced to the average power requirement on an extreme day by the storage devices of the two networks.
  • the operation of the first heat pump device is preferably determined by the required cooling capacity of the consumer processes.
  • the resulting heat output is transferred to the hot water storage device. If the consumption values (including the consumption values of the second heat pump device) are greater than the generation, any heat recovery that may be present is initially no longer carried out. If there is a further surplus (increase in the flow temperature of the hot water network), the heat generated must first be removed from the hot water network via exhaust air heat transfer devices and, if this is not sufficient, via a free cooling device or a free cooler.
  • the temperature lift of the first heat pump device is reduced. This increases efficiency. This leads to less heat generation in the hot water network. However, the release of excess heat energy from the hot water network to the environment or to the free cooling device or to the exhaust air is made more difficult. An additional hydraulic connection of the The hot water network must be connected to the heat exchanger of the exhaust air to be heated, since this exhaust air (low temperature level) feeds its heat energy into the cold water network during winter operation. This expense should preferably be weighed against the benefit.
  • the at least one further, second heat pump device is a high-temperature heat pump.
  • a high-temperature heat pump In order to connect the warm or cold water network with the hot water network, a high-temperature heat pump is required, the primary goal of which is to generate heat energy for the hot water network. To do this, it uses heat energy from the warm or cold water network. Since such a high-temperature heat pump is connected to continuous consumers, the provision of heat from the network with the lower temperature level must be guaranteed.
  • heat energy from the cold water network can thus be indirectly used in the hot water network, whereby the efficiency is considered to be higher than that of direct generation by means of an electric boiler.
  • heat energy from the cold water network can be used directly in the hot water network, whereby the transmission losses into the hot water network and from this to the second heat pump device are avoided in comparison to the previously mentioned case.
  • the system has at least one latent heat storage device which is arranged in the at least one cooling water network and/or in the at least one hot water network.
  • the system By means of an additional latent heat storage device, it is possible in the system according to the invention to store the excess heat energy of the hot water network in summer and to feed this heat energy into the cold water network in winter. This heat energy from the cold water network is thus raised to the level of the hot water network with the help of the first heat pump device.
  • the system has at least one heat wheel for moisture and heat transfer in the hot water network.
  • a rotary heat exchanger also called a heat wheel, is preferably a heat exchanger that enables moisture and heat recovery in two air streams. Moisture and heat are transferred from one air stream to another by a rotating storage mass being alternately heated by one air stream and cooled by the other.
  • Heat wheels are preferably integrated between the supply and exhaust air of all processes that require humidified supply air.
  • the at least one hot water network has at least one free cooling device, preferably a free cooling device for summer operation of the treatment plant.
  • the heat generated can be taken from the hot water network in the event of a heat energy surplus which exceeds heat recovery, i.e. can no longer be transferred by means of a heat transfer device.
  • the at least one cold water network has a temperature level of 0°C to 30°C, preferably 0°C to 25°C, that the at least one warm water network has a temperature level of 20°C to 65°C, preferably 25°C to 60°C, and that the at least one hot water network has a temperature level of 55°C to 100°C, preferably 60°C to 100°C.
  • the temperature level of the at least one cold water network and/or the at least one hot water network can be adapted to the air humidity and/or the temperature of an environment of the treatment plant.
  • a storage capacity of the cold water storage device is 25% to 400%, in particular 50% to 300%, greater than a storage capacity of the hot water storage device.
  • a storage capacity of the hot water storage device is smaller than a storage capacity of the cold water storage device and/or the warm water storage device, preferably 10% to 75% smaller, more preferably 25% to 50% smaller.
  • the at least one hot water network is indirectly and/or directly connected to the at least one cold water network.
  • the object of the present invention can further be achieved by a method for generating heating and cooling power in a treatment plant for workpieces, in particular in a paint shop for vehicle bodies.
  • the method can further comprise the following step:
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a system according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of a third embodiment of a system according to the invention.
  • the cold water network 104 preferably has a temperature level of 0°C to 25°C, the warm water network 106 preferably 25°C to 60°C and the hot water network 108 preferably 60°C to 100°C.
  • the exhaust air 148 of the consumer processes 146 is cooled with cold water in the cold water network heat transfer device 112 before reaching the exhaust air outlet above the roof 152, whereby the exhaust air temperature above the roof is reduced to a minimum.
  • this device By connecting the first heat pump device 132 to the cold water network 104 and to the hot water network 106, this device generates both cold and heat, thereby achieving maximum efficiency and utilization. It is also possible to generate both cold and heat output simultaneously outside of the extreme months in winter and summer.
  • the installed electrical output is preferably based on the maximum cooling output that can be achieved.
  • this can be raised to the temperature level of the hot water network 108 by means of the second heat pump device 144 or by means of the first and second heat pump devices 132, 144.
  • heat wheels can be integrated between the supply and exhaust air of all consumer processes 146 that require humidified supply air. Due to the moisture transfer of a heat wheel, preconditioning of supplied fresh air is possible and the temperature level of the fresh air before entering the humidifier can be reduced accordingly. Conditioning of fresh air up to a relative humidity of 65% is therefore also possible in winter in dry and cold outside conditions.
  • the temperature level of the hot water network 106 is preferably lowered so that the efficiency of the first heat pump device for generating cold water increases. However, if excess heat energy from the hot water network 106 is to be fed into the outside air outside the treatment plant 102 or into the exhaust air 148 of the consumer processes 146, consideration should be given to raising the temperature level of the hot water network.
  • a second embodiment of the system 100 according to the invention is shown, in which in the heat recovery circuit 118 of the cold water network 104 several parallel heat transfer devices are integrated.
  • a separate heat transfer device 154 the thermal energy contained in an exhaust air 156 from a separate consumer process 146 is transferred to the cold water of the heat recovery circuit 118, and in another separate heat transfer device 158, the thermal energy contained in an exhaust air 160 from another separate consumer process 146 is transferred.
  • the thermal energy contained in the exhaust air 148 guided through the exhaust air line 150 is transferred to the cold water.
  • the system 100 further comprises a compressed air compressor device 162, the waste heat of which is transferred to the hot water in a first circuit 164 by means of a further heat transfer device 166 in the heat recovery circuit 130 of the hot water network 106 and is transferred to the hot water in a second circuit 168 by means of a hot water network heat transfer device 136 in the heat recovery circuit 142 of the hot water network 108.
  • a latent heat storage device 170 is provided as a supplement, which is connected to the cold water network 104 and the hot water network 106 via a latent heat storage circuit 172.
  • the excess heat energy of the hot water network 106 is stored in the latent heat storage device 170 in summer, as shown in Fig. 3.
  • This heat energy stored in the latent heat storage device 170 can then be made available in the cold water network 104 in winter, as shown in Fig. 4, and then raised from the cold water network 104 to the temperature level of the hot water network 106 with the aid of the first heat pump device 132.
  • FIG. 5 and 6 show a fourth embodiment of the system 100 according to the invention, showing the summer operation of the system 100 in the treatment plant 102.
  • the first heat pump device is determined by the required cooling capacity of the consumer processes 146.
  • the resulting heat output is delivered to the hot water storage device 120. If the consumption values, including the second heat pump device 144, are greater than the generation, the heat recovery via the heat recovery circuit 130, if present, is first no longer carried out, as shown in Fig. 6.
  • the heat generated must first be removed from the treatment plant 102 via an exhaust air heat transfer device 174 via the exhaust air outlet above the roof 152.
  • winter operation is shown in a fifth embodiment of the system 100.
  • the three heat transfer devices 112, 154, 158 are provided in the heat recovery circuit 118 of the cold water network 104, which in parallel recover heat energy from the consumer processes 156, 160 and the exhaust air line 150 into the cold water network 104.
  • the heat transfer circuit 130 of the hot water network 166 also has the further heat transfer device 166, via which - after transfer of the thermal energy or at least part of the thermal energy from the exhaust air 148 of one or more consumer processes 146 - the temperature-reduced exhaust air 148 is supplied to one or more consumer processes 146 and thus initially remains in the treatment plant 102.
  • the hot water network 108 in whose heat recovery circuit 142 the temperature-reduced exhaust air 148 is also fed back to one or more consumer processes 146 downstream of the hot water network heat transfer device.
  • the second heat pump device 144 is connected to the cold water storage device 110 via the second heat pump circuit 128 of the cold water network 104 and to the hot water storage device 134 via the heat pump circuit 140 of the hot water network 108, whereby heat can be pumped directly from the cold water network 104 into the hot water network 108.
  • the consumer processes in the hot water network 146 can thus be supplied using waste heat from the cold water network 104.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System (100) zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage (102) für Werkstücke, insbesondere einer Lackiererei (103) für Fahrzeugkarosserien, wobei das System (100) Folgendes umfasst: mindestens ein Kaltwassernetz (104) zur Versorgung von Verbraucherprozessen (146) mit Kaltwasser, welches mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung (110) zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Kaltwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung (112, 154, 158) zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen (146) aufweist; mindestens ein Warmwassernetz (106) zur Versorgung von Verbraucherprozessen (146) mit Warmwasser, welches mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung (120) zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Warmwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung (122, 166) zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen (146) aufweist; und mindestens eine Wärmepumpenvorrichtung, insbesondere mindestens eine erste Wärmepumpenvorrichtung (132), wobei das Kaltwassernetz (104) mittels der mindestens einen Wärmepumpenvorrichtung (132) mit dem Warmwassernetz (106) verbunden ist, und wobei die Netze (104, 106) unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage (102) für Werkstücke, insbesondere einer Lackiererei (103) für Fahrzeugkarosserien.

Description

System und Verfahren zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage für Werkstücke
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage für Werkstücke, insbesondere einer Lackiererei für Fahrzeugkarosserien, wobei insbesondere saisonale klimatische Verhältnisse berücksichtigt werden.
In der Praxis ist bekannt, dass im Zuge der Bekämpfung der globalen Erderwärmung immer mehr Automobilhersteller die Elektrifizierung ihrer Behandlungsanlagen, wie z.B. ihrer Lackiererei, erwägen. Stammt der hierzu verwendete Strom aus erneuerbaren Energien, so kann die Produktion als CC>2-neutral angesehen werden. Neben der direkten Elektrifizierung von Prozessen, wie z.B. Trocknungsprozessen, werden andere Prozesse über Warm- und/oder Kaltwassernetze versorgt.
Bei der Bereitstellung der Warmwassermengen erfolgt bekanntermaßen der Einsatz von fossilen und/oder elektrischen Erhitzern oder Heizvorrichtungen. Bei elektrischen Erhitzern wird die zugeführte elektrische Energie direkt in Wärmeenergie umgewandelt. Bei fossilen Erhitzern wird die zugeführte Energie bezogen auf den Brennwert mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 % in Wärme für das Warmwassernetz umgesetzt.
Fossile Erhitzer ermöglichen allerdings keinen CC>2-neutralen Betrieb und werden somit immer geringer nachgefragt. Bei einer alternativen Verwendung von H2-Brennern zur Erhitzung des Warmwassernetzes ist die Verfügbarkeit sehr standortabhängig und zudem sind einige sicherheitstechnische Aspekte zu beachten.
Beim Einsatz von elektrischen Erhitzern ist die Bereitstellung der Anschlussleistung der größte Aufwand. Hier spielt der Aufstellort der Erhitzer in der Behandlungsanlage eine wichtige Rolle. Des Weiteren müssen gegebenenfalls Schwerpunktstationen vorgesehen werden, um die geforderte Betriebsspannung der Erhitzer bereitstellen zu können. Der Gesamtwirkungsgrad einer rein elektrisch betriebenen Beheizung ist außerdem je nach Temperaturniveau bzw. Temperatur um den Faktor drei bis fünf geringer als bei einer wärmepumpenbasierten Beheizung. Bei der Bereitstellung von Kaltwassermengen sind Kompressionskältemaschinen bekannt. Hier wird die zugeführte elektrische Energie zur Verdichtung des Kältemittels benötigt. Die an die Umgebung abgeführte Wärmeleistung entspricht der Kälteleistung zuzüglich der elektrisch aufgenommenen Leistung. Im Mittel können hierbei aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie drei bis vier Kilowattstunden Kälteenergie erzeugt werden.
Bei Kompressionskältemaschinen müssen allerdings die installierten elektrischen Leistungen nach dem größtmöglichen benötigten Kältebedarf der angeschlossenen Prozesse ausgelegt werden. So werden teilweise Spitzenleistungen installiert, die nur für wenige Stunden im Jahr benötigt werden. Außerdem ist die Abführung von Wärme an die Umgebung zwingend erforderlich und der Wirkungsgrad sinkt mit steigender Außenlufttemperatur.
In beiden Erzeugungsvorgängen, d.h. bei der Erzeugung von Warm- und Kaltwasser, wird die Vorlauftemperatur des Warm- bzw. Kaltwassernetzes als konstante Zielregelgröße verwendet, um die Betriebsleistung der Erhitzer bzw. Kältemaschinen zu regeln. Daher werden bei geringen Verbräuchen beispielsweise die entsprechenden Aggregate, d.h. die Erhitzer bzw. die Kältemaschinen, abgeschaltet, wobei die Anzahl und Größe der Aggregate durch die maximal benötigte Leistung definiert werden.
Die erforderlichen Kälte- bzw. Wärmeleistungen sind innerhalb eines Jahres oder auch innerhalb eines Tages stark unterschiedlich, da diese von den klimatischen Außenbedingungen abhängig sind. So werden zum Teil Aggregate installiert, welche einen Bruchteil des Jahres im Betrieb sind. Außerdem ist stets zu berücksichtigen, dass aufgrund der Schwankungen der Außenbedingungen innerhalb eines Tages in der Nacht Heizleistungen und am Tag Kühlleistungen benötigt werden.
Aufgrund der bekannten klimatischen Schwankungen werden dementsprechend die Erhitzerleistungen meist nach dem Winterbetrieb und die der Kältemaschinen nach dem Sommerbetrieb ausgelegt, wodurch in der Regel zu keinem Zeitpunkt alle Aggregate ausgelastet sind.
Um u.a. aus Gründen der Nachhaltigkeit und der Effizienz Wärme aus Abluft der Behandlungsprozesse der Anlage zurückzugewinnen, wird diese in ein vorhandenes Warmwassernetz eingespeist. Dies geschieht durch Wärmeübertrager und ist daher nur möglich, wenn der Abluftstrom ein höheres Temperaturniveau als das Warmwassernetz aufweist. Mit anderen Worten limitiert das Temperaturniveau des Warmwassernetzes das Temperaturniveau der Wärmerückgewinnung. Es werden daher höhere Temperaturen der Abluftströme als die des Warmwassernetzes benötigt, damit eine Wärmerückgewinnung aus Ablüften überhaupt möglich ist.
In einer Behandlungsanlage, wie einer Lackiererei für Fahrzeugkarosserien, wird für die Luftkonditionierung in der Regel Warmwasser verwendet. Das Temperaturniveau hierfür wird durch die Luftkonditionierung im Winter (trockene, kalte Luft) bestimmt. Dieses Niveau muss so hoch sein, dass die Außenluft auf das spezifische Enthalpieniveau des Sollzustandes angehoben wird. Durch die anschließende Sprühbefeuchtung (adiabat) wird dann der Sollzustand mit der geforderten relativen Feuchte erreicht. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass im Winter hohe Temperaturdifferenzen zwischen den Luftströmen, welche die Behandlungsanlage verlassen und denjenigen, welche in die Behandlungsanlage angesaugt werden, entstehen. Dies führt zu einer Enthalpiedifferenz zwischen einströmenden und ausströmenden Luftströmen der Anlage. Diese Enthalpiedifferenz muss für die Luftkonditionierung der Anlage aufgewendet werden.
Die Vorlauftemperatur des Warmwassers, welche als konstante Zielregelgröße verwendet wird, wird durch die Erhitzung der Außenluft im Winter bestimmt. Vor der Befeuchtung der trockenen Außenluft muss diese so weit aufgeheizt werden, bis die Luft die Enthalpie zum Verdampfen des aufzunehmenden Wassers sowie der zu erlangenden Solltemperatur beinhaltet. Die erforderliche Enthalpie der trockenen Luft wird somit durch Erhitzen auf die entsprechende Temperatur eingestellt. Es sind umso höhere Temperaturen der trockenen Luft erforderlich, desto höher die Luftfeuchtigkeit sein soll. Dieser Unterschied ist in kalten Wintermonaten am höchsten.
Im Sommer hingegen hat die Außenluft bereits eine höhere Feuchte, wodurch das erforderliche Temperaturniveau des Warmwasserkreislaufes geringer ist, da die einströmenden Luftströme nicht im gleichen Maße erhitzt werden müssen.
Bei einem konstantem Temperaturniveau des Warmwassernetzes einer Behandlungsanlage wird das Temperaturniveau selbst also durch die trockenste und kälteste Außenluft bestimmt und ist folglich eine lange Zeit des Jahres höher als gefordert. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System bereitzustellen, welches Verbraucherprozesse einer Behandlungsanlage für Werkstücke energieoptimiert und nachhaltig mit Heiz- bzw. Kühlleistungen versorgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das System dient zur Erzeugung und Bereitstellung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage für Werkstücke, insbesondere einer Lackiererei für Fahrzeugkarosserien.
Das erfindungsgemäße System umfasst vorzugsweise Folgendes: mindestens ein Kaltwassernetz zur Versorgung von Verbraucherprozessen mit Kaltwasser, welches mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Kaltwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen aufweist; mindestens ein Warmwassernetz zur Versorgung von Verbraucherprozessen mit Warmwasser, welches mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Warmwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen aufweist; und mindestens eine Wärmepumpenvorrichtung, insbesondere mindestens eine erste Wärmepumpenvorrichtung, wobei das mindestens eine Kaltwassernetz mittels der mindestens einen Wärmepumpenvorrichtung mit dem mindestens einen Warmwassernetz verbunden ist, und wobei die Netze unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen.
Es ist vorteilhaft, wenn das System ferner mindestens ein Heißwassernetz zur Versorgung von Verbraucherprozessen mit Heißwasser umfasst, wobei das mindestens eine Heißwassernetz mindestens eine Heißwasserspeichervorrichtung zum Ausgleich von Prozesslastspitzen aufweist. Ferner kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Heißwassernetz mindestens eine Heißwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen aufweist.
Vorzugsweise umfasst das System ferner mindestens eine zweite Wärmepumpenvorrichtung, wobei a) das mindestens eine Warmwassernetz mittels der mindestens einen zweiten Wärmepumpenvorrichtung mit dem mindestens einen Heißwassernetz verbunden ist, oder b) das mindestens eine Heißwassernetz mittels der mindestens einen zweiten Wärmepumpenvorrichtung mit dem mindestens einen Kaltwassernetz verbunden ist.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße System insgesamt Folgendes: mindestens ein Kaltwassernetz zur Versorgung von Verbraucherprozessen mit Kaltwasser, welches mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Kaltwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen aufweist; mindestens ein Warmwassernetz zur Versorgung von Verbraucherprozessen mit Warmwasser, welches mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Warmwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen aufweist; mindestens ein Heißwassernetz zur Versorgung von Verbraucherprozessen mit Heißwasser, welches mindestens eine Heißwasserspeichervorrichtung zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Heißwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen aufweist; mindestens eine erste Wärmepumpenvorrichtung; und mindestens eine zweite Wärmepumpenvorrichtung, wobei das mindestens eine Kaltwassernetz mittels der mindestens einen ersten Wärmepumpenvorrichtung mit dem mindestens einen Warmwassernetz verbunden ist, wobei das mindestens eine Heißwassernetz mittels der mindestens einen zweiten Wärmepumpenvorrichtung mit dem mindestens einen Warmwassernetz oder dem mindestens einen Kaltwassernetz verbunden ist, und wobei die Netze unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Grundidee, dass in einer Behandlungsanlage für Werkstücke vorzugsweise eine zentrale Heiß-, Warm- und Kaltwassererzeugung in drei entsprechenden Netzen mittels mindestens zwei Wärmepumpenvorrichtungen bzw. Wärmepumpen vorgesehen ist, wobei die Netze über die Wärmepumpen miteinander verbunden sind. Dabei sollen die unterschiedlichen saisonalen klimatischen Verhältnisse im Sommer (warme und feuchte Umgebungsluft) und Winter (kalte und trockene Umgebungsluft) berücksichtigt werden, so dass im Sommer die überschüssige Wärme aus der Kaltwassererzeugung dem Warm- und Heißwassernetz zugeführt wird. Ist darüber hinaus Wärme vorhanden, wird diese über Wärmeübertragungsvorrichtungen bzw. Wärmeübertrager in die Abluft gegeben oder der Umgebung der Behandlungsanlage zugeführt. Im Winter hingegen wird das Kaltwassernetz als Wärmesammler durch den Einsatz von Wärmerückgewinnungsmaßnahmen verwendet. Über die Wärmepumpenvorrichtungen wird dann aus dieser zurückgewonnenen Wärme wieder nutzbares Warm- und/oder Heißwasser.
Zudem ist, wie oben erwähnt, durch das Bestreben einer CC>2-neutralen Erzeugung des benötigten Kühl-, Warm- sowie Heizwassers in der Behandlungsanlage eine komplette Elektrifizierung der Aggregate für die Kalt-, Warm- sowie Heißwassererzeugung vorzusehen, wobei die installierten Leistungen der Aggregate so gering wie möglich sein sollen, um den Gedanken der Nachhaltigkeit und Energieeinsparung Rechnung tragen zu können. Der Energieaufwand pro Werkstücke bzw. Fahrzeugkarosserie soll entsprechend auf ein Minimum reduziert werden, wozu u.a. die erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungsmaßnahmen in das System integriert sind.
Grundsätzlich lässt sich das Verbundsystem der drei Wassernetze in drei funktionelle Bereiche unterteilen: Der erste Bereich stellt die Wärmerückgewinnung dar, dem zweiten Bereich sind die Wärmepumpenvorrichtungen und Speichervorrichtungen zugeordnet und im dritten Bereich befinden sich die Verbraucher bzw. die Verbraucherprozesse der Behandlungsanlage.
Unter dem Begriff "Netz" bzw. "Wassernetz" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Zusammenwirken mehrerer Kreisläufe, welche von dem Wasser des jeweiligen Temperaturniveaus bzw. der jeweiligen Temperatur durchströmt werden, zu verstehen.
Unter dem Begriff "Kreislauf" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein Leitungsverbund, welcher aus Rohrleitungen, Schläuchen oder dergleichen ausgebildet sein kann, einen offenen oder geschlossenen Umlauf bildet und in eine Richtung, vorzugsweise in zwei Richtungen, von dem Wasser des jeweiligen Temperaturniveaus durchströmbar ist, zu verstehen, wobei im Kreislauf mittelbar oder unmittelbar weitere Elemente wie z.B. Verbraucherprozesse, Wärmeübertragungsvorrichtungen, Speichervorrichtungen oder
Wärmepumpenvorrichtungen sein können.
Unter dem Begriff "Verbraucherprozess" oder "Verbraucher" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen jeder Vorgang bzw. jede Anlagenvorrichtung zu verstehen, welcher im Rahmen der Behandlung von Werkstücken der Bereitstellung von Kalt-, Warm- oder Heißwasser bedarf.
Unter dem Begriff "verbunden" ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere auf direkte oder indirekte Art und Weise fluidisch verbunden zu verstehen.
Durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus der drei Netze, werden die unterschiedlichsten Verbraucherprozesse bzw. Verbraucher versorgt, wobei eine Vielzahl an Verbraucherprozessen bzw. Verbrauchern an das Kalt- und das Warmwassernetz angeschlossen sein können. Derartige Prozesse oder Verbraucher sind überwiegend Lüftungsvorrichtungen, welche auf die wechselhaften Außenbedingungen geregelt werden müssen. Somit sind vor allem im Kalt- und Warmwassernetz hohe Schwankungen der benötigten Leistungen im Verlauf eines Tages vorzufinden. Die Prozesse oder Verbraucher des Heißwassernetzes, wie im Falle einer Lackiererei für Fahrzeugkarosserien eine oder mehrere Vorbehandlungsstationen und eine oder mehrere Zwischentrockner, hingegen besitzen eine sehr konstante Wärmeabnahme aus dem Netz bzw. Verteilernetz, lediglich zu Anfahrzwecken sind Boiler oder Brenner zu installieren. Mit anderen Worten ist das Heißwassernetz vorzugsweise an kontinuierliche Verbraucherprozesse angeschlossen. Durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus der Netze können unterschiedliche Speichervorrichtungen eingesetzt werden. Vorzugsweise ist hier zwischen dem vorhandenen Platz in der Behandlungsanlage und der Komplexität der Speichervorrichtung abzuwägen.
Hinsichtlich der ersten Wärmepumpenvorrichtung zwischen dem Kaltwassernetz und dem Warmwassernetz kann aufgrund des geringen Temperaturniveaus von vorzugsweise maximal 60°C und der vorherrschenden Temperaturspreizung von vorzugsweise 30°C bis 40°C eine oder mehrere herkömmliche Industriewärmepumpenvorrichtungen verwendet werden.
Die Wärmerückgewinnung mittels der Wärmeübertragungsvorrichtungen dient dazu, die die Behandlungsanlage verlassenden Verbraucherprozessströme energetisch wiederverwerten zu können. Mit Hilfe der Wärmepumpenvorrichtungen können diese auf ein nutzbares Temperaturniveau für das jeweilige Netz gehoben werden. Hierbei kann die Abwärme der unterschiedlichen Verbraucherprozesse in das Kaltwassernetz eingespeist werden, um energetisch optimal genutzt zu werden. Allerdings ist darauf zu achten, dass die erste Wärmepumpenvorrichtung nur eine gewisse installierte Leistung besitzt. Diese orientiert sich in der Regel an der maximalen Kälteleistung. Spätestens sobald diese Kühlleistung (inklusive Verbraucherprozesse im Kaltwassernetz) überschritten ist, müssen Wärmerückgewinnungsmaßnahmen in das Warmwassernetz vorgenommen werden. Vor allem Prozessströme, bei welchen der Taupunkt unterschritten wird, sind energetisch bedeutend für eine Wärmerückgewinnung. Beispiele für Prozessströme zur Wärmerückgewinnung in einer Lackiererei für Fahrzeugkarosserien sind Kühlzonenablüfte, Trocknerablüfte, Spritzkabinenablüfte, Abwärme aus der Drucklufterzeugung, Ablüfte aus der Vorbehandlung (VBH) oder aus der kathodischen Tauchlackierung (KTL), Trocknerabwärme usw.
Es ist vorteilhaft, wenn für eine Vielzahl von Prozessströmen eigene Wärmeübertragungsvorrichtungen für die Wärmerückgewinnung installieren werden, wobei der Verrohrungsaufwand dem Nutzen gegenübergestellt werden muss.
Der Fall, dass das Heizwassernetz über die zweite Wärmepumpenvorrichtung direkt mit dem Kaltwassernetz verbunden ist, d.h. also unter Umgehung des Warmwassernetzes und der ersten Wärmepumpenvorrichtung, bietet den Vorteil, dass die Leistung im Heißwassernetz zur Erzeugung von Kälteleistung genutzt werden kann. Außerdem werden Übertragungsverluste durch die Umgehung des Warmwassernetzes minimiert, wodurch die Effizienz zur Erzeugung der Kälteleistung erhöht wird.
Durch die Umgehung der ersten Wärmepumpenvorrichtung zwischen dem Kaltwassernetz und dem Warmwassernetz kann somit der Wirkungsgrad sogar angehoben werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei heißen Umgebungs- /Klimabedingungen (bedingt durch die Klimazone und/oder die Jahreszeit), bei welchen bekanntermaßen ein hohes Maß an Kälteleistung erforderlich ist. So kann die für die Kälteerzeugung erforderliche Abwärme im Heißwassernetz durch die Verbraucher genutzt werden.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung und/oder die mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung und/oder die mindestens eine Heißwasserspeichervorrichtung an einen Vorlauf und einen Rücklauf des jeweiligen Netzes angeschlossenen sind.
Durch die Speichervorrichtungen, welche vorzugsweise als Pufferspeicher im jeweiligen Netz wirken, lassen sich Prozesslastspitzen, d.h. sowohl Maxima als auch Minima, der an das jeweilige Netz angebundenen bzw. angeschlossenen Verbraucherprozesse ausgleichen. Damit die Größe der jeweiligen Speichervorrichtung ökonomisch attraktiv bleibt, wird die Größe bzw. Kapazität für die Glättung bzw. Nivellierung des Lastganges eines Tages ausgelegt. Der sich daraus ergebene Vorteil ist, dass die Wärmepumpenvorrichtungen einerseits kleiner dimensioniert werden können und andererseits ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmepumpenvorrichtungen möglich wird. Zudem können Schwankungen bei der Wärmerückgewinnung bei Änderungen von Verbraucherprozessbedingungen abgefangen werden und dosiert an die Verbraucherprozesse weitergeleitet werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass jedes der Netze mindestens einen Verbraucherprozesskreislauf und/oder mindestens einen Wärmepumpenkreislauf umfasst, wobei in jedem der Kreisläufe die mindestens eine Speichervorrichtung des jeweiligen Netzes unmittelbar oder mittelbar eingebunden ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der Netze mindestens einen Wärmerückgewinnungskreislauf umfasst, in welchem die jeweilige Speichervorrichtung unmittelbar oder mittelbar eingebunden ist.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn die mindestens eine erste Wärmepumpenvorrichtung nach mindestens einer Größe aus der Gruppe Kälteleistung, Wärmebedarf, Temperatur, Speicherenergiebeladung und Speicherkapazität regelbar ist.
Durch den Anschluss an das Kalt- und Warmwassernetz erzeugt die erste Wärmepumpenvorrichtung einerseits Kälte und andererseits Wärme bzw. Wärmeenergie für die Verbraucherprozesse. Somit wird eine maximale Effizienz und Auslastung dieser Wärmepumpenvorrichtung erreicht. Die installierte elektrische Leistung für diese Wärmepumpenvorrichtung orientiert sich an der maximalen zu erbringenden Kälteleistung, da diese in der Regel größer als die maximale Wärmeleistung ist. Die maximale Wärme- sowie Kälteleistung der ersten Wärmepumpenvorrichtung reduziert sich durch die Speichervorrichtungen der beiden Netze auf den durchschnittlichen Leistungsbedarf an einem Extremtag.
Der Betrieb der ersten Wärmepumpenvorrichtung wird im Sommer vorzugsweise durch die benötigte Kälteleistung der Verbraucherprozesse bestimmt. Die anfallende Wärmeleistung wird an die Warmwasserspeichervorrichtung abgegeben. Sind die Verbrauchswerte (inklusive der Verbrauchswerte der zweiten Wärmepumpenvorrichtung) größer als die Erzeugung, wird zuerst die gegebenenfalls vorhandene Wärmerückgewinnung nicht mehr vorgenommen. Bei einem weiteren Überschuss (Steigerung der Vorlauftemperatur des Warmwassernetzes) muss die erzeugte Wärme zunächst über Abluftwärmeübertragungsvorrichtungen und, falls das nicht ausreicht, durch einen Freikühlvorrichtung bzw. einen Freikühler aus dem Warmwassernetz gebracht werden.
Wird im Sommer das Temperaturniveau des Warmwassers abgesenkt, wird der Temperaturhub der ersten Wärmepumpenvorrichtung verringert. Hierdurch wird die Effizienz gesteigert. Dies führt zu einer geringeren Wärmeerzeugung im Warmwassernetz. Jedoch wird die Abgabe von überschüssiger Wärmeenergie aus dem Warmwassernetz an die Umgebung bzw. an die Freikühlvorrichtung oder an die Abluft erschwert. Es muss dann eine zusätzliche hydraulische Anbindung des Warmwassernetzes an den Wärmeübertrager der zu erwärmenden Abluft vorgenommen werden, da diese Abluft (geringes Temperaturniveau) im Winterbetrieb ihre Wärmeenergie in das Kaltwassernetz einspeist. Dieser Aufwand ist vorzugsweise dem Nutzen gegenüberzustellen.
Im Winter wird die erste Wärmepumpenvorrichtung vorzugsweise nach dem Wärmebedarf des Warmwassernetzes dimensioniert. Da jedoch der Bedarf an Kälte nicht für die alleinige Erzeugung der Wärmeenergie für das Warmwassernetz ausreicht, muss der Kältebedarf erhöht werden. Dies bedeutet, dass in das Kaltwassernetz Wärme über Wärmerückgewinnungsmaßnahmen eingebracht werden muss, d.h. über die Wärmeübertragungsvorrichtung in der Prozessabluft. So können alle Prozessströme, welche die Behandlungsanlage verlassen, fast bis auf das Temperaturniveau des Kaltwassernetzes heruntergezogen werden, womit die die Behandlungsanlage verlassenden Ströme energetisch maximal verwertet werden.
Die installierte Leistung der ersten Wärmepumpenvorrichtung wird vorzugsweise nach dem durchschnittlichen Tagesbedarf an Kälte eines Extremtages ausgelegt, da dies der Erfahrung nach der für die erste Wärmepumpenvorrichtung größere Wärmestrom im Betrieb darstellt. So stellen die Wärmerückgewinnungsmaßnahmen zur Erzeugung der Wärmeenergie im Winter ein Ausnutzen bereits vorhandener installierter Leistung dar. Wird das Temperaturniveau des Kaltwassernetzes abgesenkt, so kann einerseits mehr Wärme durch Prozesse zurückgewonnen werden, andererseits erhöht sich der Temperaturhub der ersten Wärmepumpenvorrichtung. So wird mehr elektrische, jedoch weniger Wärmeenergie aus dem Kaltwassernetz benötigt, um dieselbe Wärmeenergie in das Warmwassernetz einzubringen.
In den Übergangszeiträumen zwischen Sommer und Winter wird vorzugsweise die erste Wärmepumpenvorrichtung nach den größeren Verbrauchern geregelt, d.h. entweder im Ergebnis nach dem Warm- oder Kaltwassernetz. Infolgedessen werden entweder die Regelmaßnahmen des Sommer- oder Winterbetriebs herangezogen, damit die Temperaturniveaus, insbesondere diejenigen der Vorlauftemperaturen, der beiden Netze konstant gehalten werden. Hier arbeitet die erste Wärmepumpenvorrichtung am effektivsten, da Wärme- und Kälteerzeugung im Vordergrund stehen. Optimalerweise halten diese sich in Hinblick auf die Leistungszahl (Coefficient of Performance, kurz COP) und das Energieeffizienzverhältnis (Energy Efficiency Ratio, kurz EER) der Wärmepumpe die Waage.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die mindestens eine weitere, zweite Wärmepumpenvorrichtung eine Hochtemperatur-Wärmepumpe ist.
Um das Warm- oder Kaltwassernetz mit dem Heißwassernetz zu verbinden, wird eine Hochtemperatur-Wärme-pumpe benötigt, deren primäres Ziel die Erzeugung der Wärmeenergie für das Heißwassernetz ist. Hierbei nutzt sie Wärmeenergie aus dem Warm- oder Kaltwassernetz. Da eine derartige Hochtemperatur-Wärmepumpe an kontinuierliche Verbraucher angebunden ist, muss die Wärmebereitstellung aus dem Netz mit dem geringeren Temperaturniveau garantiert sein.
Im Fall einer Verknüpfung der ersten und der zweiten Wärmepumpenvorrichtung durch das Warmwassernetz ist somit eine Wärmeenergie aus dem Kaltwassernetz im Heißwassernetz mittelbar nutzbar, wobei die Effizienz im Vergleich zur direkten Erzeugung mittels eines elektrischen Boilers als höher anzusetzen ist.
Im Fall der Verknüpfung des Kalt- mit dem Heißwassernetzes mit der zweiten Wärmepumpenvorrichtung ist eine Wärmeenergie aus dem Kaltwassernetz im Heißwassernetz unmittelbar nutzbar, wobei die Übertragungsverluste in das Warmwassernetz und aus diesem zur zweiten Wärmepumpenvorrichtung im Vergleich zum vorher aufgeführten Fall vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das System mindestens eine Latentwärmespeichervorrichtung aufweist, welche in dem mindestens einen Kühlwassernetz und/oder in dem mindestens einen Warmwassernetz angeordnet ist.
Durch eine ergänzte Latentwärmespeichervorrichtung ist es im erfindungsgemäßen System möglich, die überschüssige Wärmeenergie des Warmwassernetzes im Sommer zu speichern und diese Wärmeenergie im Winter in das Kaltwassernetz zu speisen. So wird diese Wärmeenergie aus dem Kaltwassernetz mit Hilfe der ersten Wärmepumpenvorrichtung auf das Niveau des Warmwassernetzes angehoben. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das System mindestens ein Wärmerad zur Feuchte- und Wärmeübertragung im Warmwassernetz aufweist.
Ein Rotationswärmeübertrager, auch Wärmerad genannt, ist vorzugsweise ein Wärmeübertrager, welcher in zwei Luftströmen eine Feuchte- und Wärmerückgewinnung ermöglicht. Feuchte und Wärme wird von einem Luftstrom auf einen anderen übertragen, indem eine rotierende Speichermasse abwechselnd durch den einen Luftstrom aufgewärmt und durch den anderen abgekühlt wird.
Wegen der Feuchte- und Wärmeübertragung eines Wärmerades ist eine Vorkonditionierung von Frischluft möglich und das Temperaturniveau der Luft vor Befeuchtereintritt kann aufgrund der zurückgewonnenen Wärme gesenkt werden. Wärmeräder werden vorzugsweise zwischen Zu- und Abluft aller Prozesse, die befeuchtete Zuluft benötigen, integriert.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das mindestens eine Warmwassernetz mindestens eine Freikühlvorrichtung, vorzugsweise eine Freikühlvorrichtung für einen Sommerbetrieb der Behandlungsanlage, aufweist.
Durch eine Freikühlvorrichtung kann bei einem Wärmeenergieüberschuss, welcher eine Wärmerückgewinnung übersteigt, d.h. nicht mehr mittels Wärmeübertragungsvorrichtung übertragbar ist, die erzeugte Wärme aus dem Warmwassernetz gebracht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Kaltwassernetz ein Temperaturniveau von 0°C bis 30°C, vorzugsweise 0°C bis 25°C, aufweist, dass das mindestens eine Warmwassernetz ein Temperaturniveau von 20°C bis 65°C, vorzugsweise 25°C bis 60°C, aufweist und dass das mindestens eine Heißwassernetz ein Temperaturniveau von 55°C bis 100°C, vorzugsweise 60°C bis 100°C, aufweist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Temperaturniveau des mindestens einen Kaltwassernetzes und/oder des mindestens einen Warmwassernetzes an die Luftfeuchtigkeit und/oder die Temperatur einer Umgebung der Behandlungsanlage anpassbar ist. Vorzugsweise kann ferner vorgesehen sein, dass eine Speicherkapazität der Kaltwasserspeichervorrichtung um 25 % bis 400 %, insbesondere um 50 % bis 300%, größer ist als eine Speicherkapazität der Warmwasserspeichervorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Speicherkapazität der Heißwasserspeichervorrichtung kleiner ist als eine Speicherkapazität der Kaltwasserspeichervorrichtung und/oder der Warmwasserspeichervorrichtung, vorzugsweise 10 % bis 75 % kleiner, weiter vorzugsweise 25 % bis 50 % kleiner.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Heißwassernetz mit dem mindestens einen Kaltwassernetz mittelbar und/oder unmittelbar verbunden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann ferner durch ein Verfahren zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage für Werkstücke, insbesondere in einer Lackiererei für Fahrzeugkarosserien, gelöst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit dem vorstehend beschriebenen System durchgeführt und umfasst folgende Schritte:
Bereitstellen von Kalt- und/oder Warmwasser an die Verbraucherprozesse der Behandlungsanlage;
Zwischenspeichern von Wärmeenergie in der Kaltwasserspeichervorrichtung und/oder der Warmwasserspeichervorrichtung;
Zurückgewinnen von Wärmeenergie aus der Abluft eines oder mehrerer Verbraucherprozesse; und
Erzeugen von Kälteleistung und/oder Wärmeleistung mittels der ersten Wärmepumpenvorrichtung.
Das Verfahren kann insbesondere einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem System beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen.
Vorzugsweise kann ferner vorgesehen sein, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst: Bereitstellen von Heißwasser an die Verbraucherprozesse der Behandlungsanlage; und
Zwischenspeichern von Wärmeenergie in der Heißwasserspeichervorrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, das Verfahren weiter folgenden Schritt umfasst:
Erzeugen von Heizleistung mittels der zweiten Wärmepumpenvorrichtung.
Günstig kann es ferner sein, wenn mittelbar und/oder unmittelbar Wärme von dem Kaltwassernetz in das Heißwassernetz gepumpt wird.
Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung der dritten Ausführungsform aus Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung der vierten Ausführungsform aus Fig. 5; Fig. 7 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems; und
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
Gleiche oder funktional gleichwirkende Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen belegt.
Eine in den Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichnetes System 100 dient zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage 102 für Werkstücke.
Die Behandlungsanlage 102 ist insbesondere eine Lackiererei 103 für Fahrzeugkarosserien.
Das erfindungsgemäße System 100 umfasst mindestens ein Kaltwassernetz 104, mindestens ein Warmwassernetz 106 und mindestens ein Heißwassernetz 108.
Die Netze 104, 106, 108 weisen vorzugsweise unterschiedliche Temperaturniveaus bzw. unterschiedliche Temperaturen auf, d.h. insbesondere die Temperatur des in dem jeweiligen Netz geführten Wassers weicht von der Temperatur des in den beiden übrigen Netzen geführten Wassers ab.
Das Kaltwassernetz 104 weist vorzugsweise ein Temperaturniveau von 0°C bis 25°C auf, das Warmwassernetz 106 vorzugsweise 25°C bis 60°C und das Heißwassernetz 108 vorzugsweise 60°C bis 100°C.
Das Kaltwassernetz 104 weist mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung 110 sowie mindestens eine Kaltwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung 112 auf.
Ferner umfasst das Kaltwassernetz 104 mindestens einen Verbraucherprozesskreislauf 114, mindestens einen Wärmepumpenkreislauf 116 und mindestens einen Wärmerückgewinnungskreislauf 118, in welchem die Kaltwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung 112 angeordnet ist. Das Warmwassernetz 106 weist mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung 120 sowie mindestens eine Warmwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung 122 auf.
Ferner umfasst das Warmwassernetz 106 mindestens einen Verbraucherprozesskreislauf 124, mindestens einen ersten Wärmepumpenkreislauf 126, mindestens einen zweiten Wärmepumpenkreislauf 128 und mindestens einen Wärmerückgewinnungskreislauf 130, in welchem die Warmwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung 122 angeordnet ist.
Das Kaltwassernetz 104 und das Warmwassernetz 106 sind mittels einer ersten Wärmepumpenvorrichtung 132 miteinander verbunden, insbesondere sind der Wärmepumpenkreislauf 116 des Kaltwassernetzes 104 und der erste
Wärmepumpenkreislauf 126 des Warmwassernetzes 106 an die erste
Wärmepumpenvorrichtung 132 angeschlossen.
Die erste Wärmepumpenspeichervorrichtung 132 ist vorzugsweise eine herkömmliche Industriewärmepumpe.
Das Heißwassernetz 108 weist mindestens eine Heißwasserspeichervorrichtung 134 sowie mindestens eine Heißwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung 136 auf.
Ferner umfasst das Heißwassernetz 108 auch mindestens einen Verbraucherprozesskreislauf 138, mindestens einen Wärmepumpenkreislauf 140 und mindestens einen Wärmerückgewinnungskreislauf 142, in welchem die Heißwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung 136 angeordnet ist.
Das Warmwassernetz 106 und das Heißwassernetz 108 sind mittels einer zweiten Wärmepumpenvorrichtung 144 miteinander verbunden, insbesondere sind der zweite Wärmepumpenkreislauf 128 des Warmwassernetzes 106 und der Wärmepumpenkreislauf 140 des Heißwassernetzes 108 an die zweite Wärmepumpenvorrichtung 144 angeschlossen.
Die zweite Wärmepumpenvorrichtung 144 ist vorzugsweise eine Hochtemperatur- Wärmepumpe. Die erste und die zweite Wärmepumpenvorrichtung 132, 144 sind elektrisch betriebene Pumpenvorrichtungen mit einer definierten installierten Leistung, wobei sich die definierte Leistung vorzugsweise an der maximal zu erbringenden Leistung für die notwendige Kälte bzw. Wärme im System 100 in Zeiträumen klimatischer Spitzenwerte orientiert.
Die Verbraucherprozesskreisläufe 114, 124, 138 der Netze 104, 106, 108 stellen einem oder mehreren Verbraucherprozessen 146 Kalt-, Warm- und/oder Heißwasser bereit.
Verbraucherprozesse 146, deren Abluft 148 im Wesentlichen der einen oder den mehreren Kaltwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtungen 112 zugeführt werden, sind in einer Lackiererei 103 beispielsweise Kühlzonen oder Vorbehandlungsstationen. Verbraucherprozesse 146, deren Abluft 148 im Wesentlichen der einen oder den mehreren Warmwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtungen 122 zugeführt werden, sind in einer Lackiererei 103 beispielsweise Trockner.
Aus dem einen oder den mehreren Verbraucherprozessen 146 abgeführte Abluft 148 wird über eine Abluftleitung 150 zu einem Abluftausgang über Dach 152 aus der Behandlungsanlage 102 abgeführt.
Die Abluftleitung führt durch die Wärmeübertragungsvorrichtungen 112, 122, 136 der Netze 104, 106, 108, wodurch die Abluft bzw. abgeführten Prozessmedien 148 diese durchströmen und dabei zumindest einen Teil der in der Abluft enthaltenen Wärmeenergie in die Wärmerückgewinnungskreisläufe 118, 130, 142 zurückübertragen.
Die Ablüfte 148 der Verbraucherprozesse 146 werden vor dem Erreichen des Abluftausgangs über Dach 152 in der Kaltwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung 112 mit Kaltwasser abgekühlt, womit die Ablufttemperatur über Dach auf ein Minimum gezogen wird.
Die Speichervorrichtungen 110, 120, 134 sind an den Vor- und Rücklauf des jeweiligen Netzes 104, 108, 108 angeschlossen und dämpfen die Schwankungen im jeweiligen Netz 104, 106, 108 bei der Bereitstellung von Wasser für die Verbraucherprozesse 146, wobei die Kapazität der Speichervorrichtungen 110, 120, 134 vorzugsweise auf die Glättung des Lastganges der Verbraucherprozesse 146 innerhalb eines Tages ausgelegt sind. Infolgedessen können die Wärmepumpenvorrichtung 132, 144 u.a. auf ein Minimum ausgelegt werden.
Insbesondere in einer Lackiererei 103 werden alle Verbraucherprozesse 146, welche von den Außenbedingungen, d.h. den klimatischen Verhältnissen außerhalb der Lackiererei, abhängig sind, fast ausschließlich durch das Kaltwassernetz 104 und das Warmwassernetz 106 versorgt, weshalb die Speicherkapazität der Kaltwasserspeichervorrichtung 110 und der Warmwasserspeichervorrichtung 120 größer als die Kapazität der Heißwasserspeichervorrichtung 134 zu dimensionieren ist.
Durch die Kopplung des Kaltwassernetzes 104 mit dem Warmwassernetz 106 über die erste Wärmepumpenvorrichtung 132 kann die in das Kaltwassernetz 104 eingespeiste Wärmeenergie mittels der ersten Wärmepumpenvorrichtung 132 auf ein für die Verbraucherprozesse 146, welche vom Warmwassernetz 106 versorgt werden, nutzbares Temperaturniveau gehoben werden.
Der Anschluss der ersten Wärmepumpenvorrichtung 132 an das Kaltwassernetz 104 und an das Warmwassernetz 106 erzeugt diese Vorrichtung einerseits Kälte und andererseits Wärme, wodurch eine maximale Effizienz und Auslastung erreicht werden kann. Außerdem ist eine gleichzeitige Erzeugung von Kälte- sowie Wärmeleistung außerhalb der Extremmonate im Winter und Sommer möglich. Die installierte elektrische Leistung orientiert sich vorzugsweise an der maximal zu erbringenden Kälteleistung.
Mittels der zweiten Wärmepumpenvorrichtung 144 können Verbraucherprozesse 146 des Heißwassernetzes 108, welche einen Bedarf eines höheren Temperaturniveaus, d.h. insbesondere einem Wassertemperaturniveau von über 60°C, haben, mit der notwendigen Wärmeenergie versorgt werden.
Ist im Kaltwassernetz 104 und/oder im Warmwassernetz 106 ausreichend Wärmeenergie vorhanden bzw. übrig, kann diese mittels der zweiten Wärmepumpenvorrichtung 144 oder mittels der ersten und der zweiten Wärmepumpenvorrichtung 132, 144 auf das Temperaturniveau des Heißwassernetzes 108 angehoben werden.
Somit sind vorteilhaftweise außer den Wärmepumpenvorrichtungen 132, 144 keine zusätzlichen Aggregate zur Erzeugung der Heiz- und Kühlleistungen während des Regelbetriebs einer Behandlungsanlage 102 wie einer Lackiererei 103 notwendig. Ausgenommen hiervon sind entsprechend der zuvor erwähnten Temperaturniveaus der Netze 104, 106, 108 Verbraucherprozesse 146, welche Temperaturen über 100°C erfordern, wie z.B. Trocknungsprozesse.
Ferner können für eine Verringerung des Temperaturniveaus des Warmwassernetzes 106 Wärmeräder (nicht dargestellt) zwischen Zu- und Abluft aller Verbraucherprozesse 146, welche befeuchtete Zuluft benötigen, integriert werden. Wegen der Feuchteübertragung eines Wärmerades ist eine Vorkonditionierung von zugeführter Frischluft möglich und das Temperaturniveau der Frischluft vor Befeuchtereintritt kann entsprechend gesenkt werden. Eine Konditionierung von Frischluft bis zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 % ist also auch im Winter bei trockenen und kalten Außenbedingungen möglich.
Im Sommer wird vorzugsweise das Temperaturniveau des Warmwassernetzes 106 abgesenkt, so dass die Effizienz der ersten Wärmepumpenvorrichtung zur Kaltwassererzeugung steigt. Ist allerdings eine Einspeisung von überschüssiger Wärmeenergie aus dem Warmwassernetz 106 an die Außenluft außerhalb der Behandlungsanlage 102 oder an die Abluft 148 der Verbraucherprozesse 146 vorgesehen, so sollte an eine Anhebung des Temperaturniveaus des Warmwassernetzes nachgedacht werden.
Im Winter wird das Temperaturniveau des Kaltwassernetzes 104 abgesenkt, wodurch eine effizientere Wärmerückgewinnung erreicht werden kann. Durch den dadurch verringerten COP kann die erste Wärmepumpenvorrichtung 132 aus gleicher Wärmeenergie aus dem Kaltwassernetz 104 eine höhere Wärmemenge in das Warmwassernetz 106 bereitstellen.
Nachfolgend wird auf die Unterschiede der in den in Fig. 2 bis 7 dargestellten weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems 100 eingegangen, wobei verstanden werden soll, dass sich alle zuvor im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Vorteile und technischen Wirkungen auch mit den nachfolgenden Ausführungsformen erreichen lassen.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 dargestellt, bei welcher im Wärmerückgewinnungskreislauf 118 des Kaltwassernetzes 104 mehrere parallele Wärmeübertragungsvorrichtung eingebunden sind. So wird beispielsweise in einer separaten Wärmeübertragungsvorrichtung 154 die in einer Abluft 156 enthaltene Wärmeenergie aus einem separaten Verbraucherprozess 146 auf das Kaltwasser des Wärmerückgewinnungskreislaufs 118 übertragen und in einer weiteren separaten Wärmeübertragungsvorrichtung 158 die in einer Abluft 160 enthaltene Wärmeenergie aus einem weiteren separaten Verbraucherprozess 146. Zudem wird in der Wärmeübertragungsvorrichtung 112 die Wärmeenergie auf das Kaltwasser übertragen, welche in der Abluftleitung 150 geführten Abluft 148 enthalten ist.
Das System 100 umfasst des Weiteren eine Druckluftkompressorvorrichtung 162, deren Abwärme in einem ersten Kreislauf 164 mittels einer weiteren Wärmeübertragungsvorrichtung 166 im Wärmerückgewinnungskreislauf 130 des Warmwassernetzes 106 auf das Warmwasser übertragen wird und in einem zweiten Kreislauf 168 mittels Heißwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung 136 im Wärmerückgewinnungskreislauf 142 des Heißwassernetzes 108 auf das Heißwasser übertragen wird.
Die Abluftleitung 150 führt in der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform des Systems vorzugsweise nicht durch die Heißwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung 136.
In der in den Fig. 3 und 4 dargestellten, dritten Ausführungsform des Systems 100 ist als Ergänzung eine Latentwärmespeichervorrichtung 170 vorgesehen, welche über einen Latentwärmespeicherkreislauf 172 mit dem Kaltwassernetz 104 und dem Warmwassernetz 106 verbunden ist. In die Latentwärmespeichervorrichtung 170 wird die überschüssige Wärmeenergie des Warmwassernetzes 106 im Sommer eingespeichert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Diese in die Latentwärmespeichervorrichtung 170 eingespeicherte Wärmeenergie kann dann im Winter in dem Kaltwassernetz 104 bereitgestellt werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und sodann aus dem Kaltwassernetz 104 mit Hilfe der ersten Wärmepumpenvorrichtung 132 auf das Temperaturniveau des Warmwassernetzes 106 gehoben werden.
In den Fig. 5 und 6 ist eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 dargestellt, wobei der Sommerbetrieb des Systems 100 in der Behandlungsanlage 102 zu sehen ist. Im Sommerbetrieb wird die erste Wärmepumpenvorrichtung durch die benötigte Kälteleistung der Verbraucherprozesse 146 bestimmt. Die anfallende Wärmeleistung wird an die Warmwasserspeichervorrichtung 120 abgegeben. Sind die Verbrauchswerte, inklusive der zweiten Wärmepumpenvorrichtung 144, größer als die Erzeugung, wird zuerst die gegebenenfalls vorhandene Wärmerückgewinnung über den Wärmerückgewinnungskreislauf 130 nicht mehr vorgenommen, wie in Fig. 6 dargestellt ist.
Bei einem weiteren Überschuss, wie z.B. durch die Steigerung der Vorlauftemperatur des Warmwassernetzes 106, muss die erzeugte Wärme zunächst über eine Abluftwärmeübertragungsvorrichtung 174 über den Abluftausgang über Dach 152 aus der Behandlungsanlage 102 abgeführt werden.
Falls dies nicht ausreichen sollte, ist eine Freikühlvorrichtung 176 vorzusehen, welche über einen Freikühlkreislauf 178 in das Warmwassernetz 106 eingebunden ist. Mittels der Freikühlvorrichtung 176 kann die überschüssige Wärmeenergie aus dem Warmwassernetz 106 ausgebracht werden.
Ferner ist in der in den Fig. 5 und 6 dargestellten, vierten Ausführungsform ersichtlich, dass die abgekühlte Abluft 148 eines oder mehrerer Verbraucherprozesse 146 stromabwärts der Heißwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung 136 wieder einem oder auch mehreren Verbraucherprozessen 146, welche die temperaturreduzierte Abluft als Zuluft verwenden können, zugeführt werden kann, wodurch der Wärmerückgewinnungskreislauf 130 nicht zusätzlich mit der Wärmeenergie aus der Wärmerückgewinnung des Heißwassernetzes 108 beaufschlagt wird.
In Fig. 7 ist in einer fünften Ausführungsform des Systems 100 ein Winterbetrieb dargestellt. In dieser fünften Ausführungsform sind, wie im Falle der zweiten Ausführungsform in Fig. 2, im Wärmerückgewinnungskreislauf 118 des Kaltwassernetzes 104 die drei Wärmeübertragungsvorrichtungen 112, 154, 158 vorgesehen, welche parallel Wärmeenergie aus den Verbraucherprozessen 156, 160 und der Abluftleitung 150 in das Kaltwassernetz 104 zurückgewinnen. Zudem weist der Wärmeübertragungskreislauf 130 des Warmwassernetzes 166 ebenfalls die weitere Wärmeübertragungsvorrichtung 166 auf, über welche - nach Übertragung der Wärmeenergie bzw. zumindest eines Teils der Wärmeenergie aus der Abluft 148 eines oder mehrerer Verbraucherprozesse 146 - einem oder mehreren Verbraucherprozessen 146 die temperaturreduzierte Abluft 148 zugeführt wird und damit zunächst in der Behandlungsanlage 102 verbleibt.
Gleiches gilt für das Heißwassernetz 108, in dessen Wärmerückgewinnungskreislauf 142 ebenfalls die temperaturreduzierte Abluft 148 stromabwärts der Heißwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung wieder einem oder mehreren Verbraucherprozessen 146 zugeführt wird.
In Fig. 8 ist in einer sechsten Ausführungsform des Systems 100 dargestellt, dass im Vergleich zur ersten Ausführungsform aus Fig. 1 alternativ zur Erzeugung von Kälteleistung im Kaltwassernetz 104 direkt die verfügbare Leistung aus dem Heißwassernetz 108 genutzt werden kann. Infolgedessen wird das Warmwassernetz 106 sowie die erste Wärmepumpenvorrichtung 132 umgegangen.
Die zweite Wärmepumpenvorrichtung 144 ist dafür zum einen über den zweiten Wärmepumpenkreislauf 128 des Kaltwassernetzes 104 mit der Kaltwasserspeichervorrichtung 110 und zum anderen über den Wärmepumpenkreislauf 140 des Heißwassernetzes 108 mit der Heißwasserspeichervorrichtung 134 verbunden, wodurch direkt Wärme vom Kaltwassernetz 104 in das Heißwassernetz 108 gepumpt werden kann. So können die Verbraucherprozesse im Heißwassernetz 146 mittels Abwärme aus dem Kaltwassernetz 104 versorgt werden.
Bezugszeichenliste
System
Behandlungsanlage
Lackiererei
Kaltwassernetz
Warmwassernetz
Heißwassernetz
Kaltwasserspeichervorrichtung
Kaltwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung
Verbraucherprozesskreislauf
Wärmepumpenkreislauf
Wärmerückgewinnungskreislauf
Warmwasserspeichervorrichtung
Warmwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung
Verbraucherprozesskreislauf erster Wärmepumpenkreislauf zweiter Wärmepumpenkreislauf
Wärmerückgewinnungskreislauf erste Wärmepumpenvorrichtung
Heißwasserspeichervorrichtung
Heißwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung
Verbraucherprozesskreislauf
Wärmepumpenkreislauf
Wärmerückgewinnungskreislauf zweite Wärmepumpenvorrichtung
Verbraucherprozess
Abluft
Abluftleitung
Abluftausgang über Dach
Wärmeübertragungsvorrichtung
Abluft
Wärmeübertragungsvorrichtung
Abluft Druckluftkompressorvorrichtung erster Kreislauf Wärmeübertragungsvorrichtung zweiter Kreislauf Latentwärmespeichervorrichtung Latentwärmespeicherkreislauf Abluftwärmeübertragungsvorrichtung Freikühlvorrichtung Freikühlkreislauf

Claims

Ansprüche System (100) zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage (102) für Werkstücke, insbesondere einer Lackiererei (103) für Fahrzeugkarosserien, wobei das System (100) Folgendes umfasst: mindestens ein Kaltwassernetz (104) zur Versorgung von Verbraucherprozessen (146) mit Kaltwasser, welches mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung (110) zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Kaltwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung (112, 154, 158) zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen (146) aufweist; mindestens ein Warmwassernetz (106) zur Versorgung von Verbraucherprozessen (146) mit Warm wasser, welches mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung (120) zum Ausgleich von Prozesslastspitzen und/oder mindestens eine Warmwassernetz-Wärmeübertragungsvorrichtung (122, 166) zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen (146) aufweist; und mindestens eine Wärmepumpenvorrichtung, insbesondere mindestens eine erste Wärmepumpenvorrichtung (132), wobei das mindestens eine Kaltwassernetz (104) mittels der mindestens einen Wärmepumpenvorrichtung (132) mit dem mindestens einen Warmwassernetz (106) verbunden ist, und wobei die Netze (104, 106) unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. System (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) mindestens ein Heißwassernetz (108) zur Versorgung von Verbraucherprozessen (146) mit Heißwasser umfasst, wobei das mindestens eine Heißwassernetz (108) mindestens eine Heißwasserspeichervorrichtung (134) zum Ausgleich von Prozesslastspitzen aufweist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) mindestens ein Heißwassernetz (108) zur Versorgung von Verbraucherprozessen (146) mit Heißwasser umfasst, wobei das mindestens eine Heißwassernetz (108) mindestens eine Heißwassernetz- Wärmeübertragungsvorrichtung (136) zur Wärmerückgewinnung aus Verbraucherprozessen (146) aufweist. System (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) mindestens eine zweite Wärmepumpenvorrichtung (144) umfasst, wobei a) das mindestens eine Warmwassernetz (106) mittels der mindestens einen zweiten Wärmepumpenvorrichtung (144) mit dem mindestens einen Heißwassernetz (108) verbunden ist, oder b) das mindestens eine Heißwassernetz (108) mittels der mindestens einen zweiten Wärmepumpenvorrichtung (144) mit dem mindestens einen Kaltwassernetz (104) verbunden ist. System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kaltwasserspeichervorrichtung (110) und/oder die mindestens eine Warmwasserspeichervorrichtung (120) und/oder die mindestens eine Heißwasserspeichervorrichtung (134) an einen Vorlauf und einen Rücklauf des jeweiligen Netzes (104, 106, 108) angeschlossenen sind. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Netze (104, 106, 108) mindestens einen Verbraucherprozesskreislauf (114, 124, 138) und/oder mindestens einen Wärmepumpenkreislauf (116, 126, 128, 140) umfasst, wobei in jedem der Kreisläufe die mindestens eine Speichervorrichtung (110, 120, 134) des jeweiligen Netzes (104, 106, 108) unmittelbar oder mittelbar eingebunden ist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Netze (104, 106, 108) mindestens einen Wärmerückgewinnungskreislauf (118, 130, 142) umfasst, in welchem die jeweilige Speichervorrichtung (110, 120, 134) unmittelbar oder mittelbar eingebunden ist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Wärmepumpenvorrichtung (132) nach mindestens einer Größe aus der Gruppe Kälteleistung, Wärmebedarf, Temperatur, Speicherenergiebeladung und Speicherkapazität regelbar ist. System (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Wärmepumpenvorrichtung (144) eine Hochtemperatur- Wärmepumpe ist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) mindestens eine Latentwärmespeichervorrichtung (170) aufweist, welche in dem mindestens einen Kühlwassernetz (104) und/oder in dem mindestens einen Warmwassernetz (106) angeordnet ist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) mindestens ein Wärmerad zur Feuchte- und Wärmeübertragung im Warmwassernetz (106) aufweist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Warmwassernetz (106) mindestens eine Freikühlvorrichtung (176), vorzugsweise eine Freikühlvorrichtung für einen Sommerbetrieb der Behandlungsanlage, aufweist. System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kaltwassernetz (104) ein Temperaturniveau von 0°C bis 30°C, vorzugsweise 0°C bis 25°C, aufweist, dass das mindestens eine Warmwassernetz (106) ein Temperaturniveau von 20°C bis 65°C, vorzugsweise 25°C bis 60°C, aufweist und dass das mindestens eine Heißwassernetz (108) ein Temperaturniveau von 55°C bis 100°C, vorzugsweise 60°C bis 100°C, aufweist. System (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturniveau des mindestens einen Kaltwassernetzes (104) und/oder des mindestens einen Warmwassernetzes (106) an die Luftfeuchtigkeit und/oder die Temperatur einer Umgebung der Behandlungsanlage (102) anpassbar ist. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherkapazität der Kaltwasserspeichervorrichtung (110) um 25 % bis 400 %, insbesondere um 50 % bis 300%, größer ist als eine Speicherkapazität der Warmwasserspeichervorrichtung (120). System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherkapazität der Heißwasserspeichervorrichtung (134) kleiner ist als eine Speicherkapazität der Kaltwasserspeichervorrichtung (110) und/oder der Warmwasserspeichervorrichtung (120), vorzugsweise 10 % bis 75 % kleiner, weiter vorzugsweise 25 % bis 50 % kleiner. System (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heißwassernetz (108) mit dem mindestens einen Kaltwassernetz (104) mittelbar und/oder unmittelbar verbunden ist. Verfahren zur Erzeugung von Heiz- und Kühlleistungen in einer Behandlungsanlage (102) für Werkstücke, vorzugsweise in einer Lackiererei (103) für Fahrzeugkarosserien, wobei das Verfahren mit einem System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 durchgeführt wird und folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen von Kalt- und/oder Warmwasser an die Verbraucherprozesse (146) der Behandlungsanlage (102);
Zwischenspeichern von Wärmeenergie in der Kaltwasserspeichervorrichtung (110) und/oder der Warmwasserspeichervorrichtung (120);
Zurückgewinnen von Wärmeenergie aus der Abluft (148, 156, 160) eines oder mehrerer Verbraucherprozesse (146); und
Erzeugen von Kälteleistung und/oder Wärmeleistung mittels der Wärmepumpenvorrichtung (132), insbesondere der ersten Wärmepumpenvorrichtung (132). Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen von Heißwasser an die Verbraucherprozesse (146) der Behandlungsanlage (102); und
Zwischenspeichern von Wärmeenergie in der Heißwasserspeichervorrichtung (134). Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgenden Schritt umfasst: Erzeugen von Heizleistung mittels einer weiteren Wärmepumpenvorrichtung (144), insbesondere einer zweiten Wärmepumpenvorrichtung (144). Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mittelbar und/oder unmittelbar Wärme von dem Kaltwassernetz (104) in das Heißwassernetz (108) gepumpt wird.
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