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Die Erfindung betrifft eine Außeneinheit für ein Wärmeverschiebungssystem, die eine Vielzahl von Verwendungen ermöglicht und eine Sicherheitslüftung, die die Bildung eines zündfähigen Kältemittel-Luftgemisches im Nahbereich einer außen aufgestellten Wärmepumpe verhindert. Bekanntlich dienen Wärmepumpen zur Erhitzung und/oder Kühlung von Medien und erwärmen und/oder kühlen damit Häuser oder andere Objekte. Mittels eines Kältemittels in einem Kältekreislauf wird Umweltenergie, z.B. Erdwärme oder Umgebungsluft, oder auch Abwärme aus der Wärmequelle entnommen auf ein höheres und damit nutzbares Temperaturniveau angehoben und der Wärmesenke, also beispielsweise der Heizungsanlage zugeführt. Sie verwendet dabei wenigstens teilweise einen Kompressionskältekreis mit einem brennbaren Kältemittel und verfügt über ein Sicherheitssystem, welches die Bildung eines zündfähigen Kältemittel-Luftgemisches verhindert.
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Das Gehäuse der Außeneinheit ist dabei auf ein optimales Verhältnis zwischen Öffnungen im Gehäuse und der Spülung/Lüftung durch den Lüfterbetrieb konstruiert. Sofern kein Klima- oder Wärmepumpenbetrieb veranlasst, dass der Lüfter zum Betrieb des in der Außeneinheit angeordneten Wärmeübertragers für eine Durchströmung sorgen muss, wird vorgesehen, dass eine Mindestdurchströmung erfolgt. Dies kann durch den vorhandenen Lüfter selbst, der dann mit einer sehr kleinen Drehzahl betrieben wird, oder durch andere Maßnahmen bewirkt werden. Im Normalbetreib wird ein geringer Unterdruck im Verdichterkompartment erzeugt. Falls in diesem Verdichterkompartment eine Leckage auftreten sollte, wird sichergestellt, dass kontaminierte Luft aus dem Verdichterkompartment abgesaugt wird. Alls eine Leckage am durchströmten Wärmetauscher auftritt, bewirkt die Durchströmung ebenfalls eine sichere Abfuhr der kontaminierten Luft. Weitere geeignete Maßnahmen zur Sicherstellung einer Durchströmung auch bei ungünstigen Aufstellungs-, Umgebungs- und Klimabedingungen werden weiter unten beschrieben. Damit wird ein Sicherheitsabstand zur angrenzenden Wohnbebauung und zu anderen möglichen Brandlasten verzichtbar gemacht.
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Ein typisches Wärmeverschiebungssystem für eine Außeneinheit kann gleichzeitig oder alternativ Kälte und Wärme bereitstellen, wobei die Kälte beispielsweise zur Klimatisierung und die Wärme beispielsweise zum Heizen jeweils von Häusern, Ställen oder Gewächshäusern dienen kann. In solchen Fällen arbeitet die Außeneinheit als Wärmepumpe oder Klimaanlage. Aus Sicherheitsgründen ist dabei die Außeneinheit ständig und ausfallsicher belüftet. Das Kältemittel hat die Eigenschaft, bei tiefen Wärmequellentemperaturen als verdampfende Flüssigkeit Energie aus der Wärmequelle aufzunehmen und war früher in der Regel unbrennbar und ungiftig, hatte aber ein beträchtliches Erderwärmungspotential (GWP = Global Warming Potential). Natürliche Kältemittel haben zumindest ein deutlich geringeres Erderwärmungspotential, sind dafür aber brennbar und teilweise giftig.
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Stand der Technik sind außen aufgestellte Wärmepumpen mit brennbaren, natürlichen Kältemitteln oder Split-Wärmepumpen mit einem Teil des Kältekreises im Innenbereich der Aufstellungsgebäude. Für Wärmepumpen, die als Mono- oder Split-Systeme mit einem brennbaren Kältemittel, wie z.B. R290, im Außenbereich installiert werden, sind im Vergleich zu Wärmepumpen auf Basis von herkömmlichen F-Gasen besondere Sicherheitsmaßnahmen für den Fall einer Kältemittelleckage erforderlich. Es ist gängige Praxis, die elektronischen Bauteile innerhalb des Geräts zündquellenfrei auszuführen und einen Schutzbereich um die Wärmepumpe zu definieren, in dem sich keine externen Zündquellen bzw. Gebäude-Öffnungen befinden dürfen.
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Die
CN 201 652 623 U zeigt eine Außeneinheit einer Klimaanlage mit zwei voneinander getrennten Gehäuseabschnitten, bei denen in einem ersten Gehäuseabschnitt ein Lüftungskanal, ein Lüfter und ein von Luft umströmbarer Wärmeübertrager angeordnet sind. Um im Falle einer Leckage von beispielsweise R290 oder R600A zu verhindern, dass eine entzündliche Atmosphäre in einem Hohlraum der Außeneinheit entsteht, werden Maßnahmen getroffen. Diese umfassen einen Lüfter mit einer elektronischen Kontrolleinrichtung und einer Verrohrung zu einem Gehäuse mit einem Kompressor. Dieses Kompressorgehäuse wird von oben aus eingehängt und ist mit einer oberen Abdeckplatte verbunden, ferner ist es mit einer L-förmigen Trennplatte vom Lüfterabschnitt abgetrennt. Unten wird es von einer strukturierten Bodenplatte abgestützt und verschraubt. Die L-förmige Trennplatte weist zahlreiche schlitzförmige Öffnungen zum Lüfterkanal auf, ebenso die vordere und die obere Abdeckung. Auch die Bodenplatte weist Öffnungen auf, damit von allen Seiten aus Frischluft im Falle einer Leckage zur Verdünnung des austretenden Kältemittels nachströmen kann. Aber auf einen Sicherheitsabstand als Schutzbereich zu Gebäuden und anderen Brandlasten kann nicht verzichtet werden.
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Mit der zunehmenden Zahl von Geräteerneuerungen in der Zukunft kann dieser Schutzbereich zu einem Hindernis am bestehenden Aufstellungsort werden. Dadurch werden häufig Neuinstallationen verhindert. Eine bekannte Gegenmaßnahme ist die Erhöhung der Austrittsstelle des austretenden Kältemittels. Der erhöhte Auslass sorgt für eine bessere direkte Verdünnung des Kältemittelanteils in der Luft, um die Bildung eines zündfähigen Kältemittel-Luft-Gemisches zu verhindern. Dieser Effekt wird bereits bei der Wandmontage des Außenteils ausgenutzt, wodurch der Schutzbereich mit einem Radius von 1 m auf 0,5 m um den Außenteil reduziert werden kann.
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Die Verhinderung der Zündfähigkeit kann durch aktive Verdünnung erreicht werden. Hierbei ist aber problematisch, dass vorab nicht bekannt ist, wo genau die befürchtete Leckage auftreten wird, und damit kann man auch nicht sicher wissen, ob der Austritt in gasförmiger Form oder als Flüssigkeit erfolgen wird, meistens ist es aufgrund der Druckverhältnisse im Kältekreis die gasförmige Form. Das führt auf die Frage, wie man das zündfähige Fenster zwischen einem zu fetten und einem zu mageren Bereich des Kältemittel-Luft-Gemisches, also der unteren und der oberen Zündgrenze in ungefährlicher Weise technisch überbrücken kann. Man muss also die möglichen Austrittsstellen von flüssigem Kältemittel und die von gasförmigem Kältemittel voneinander getrennt betrachten und entsprechend sicherheitstechnisch angehen.
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Bei außen neben Gebäuden oder an den Gebäuden selbst aufgestellten Geräten kommt noch dazu, dass oft Dämmungsmaßnahmen im Bereich der Außenwände vorgenommen werden müssen, seien das Maßnahmen an Fenstern oder der Außenfassade oder auch Wartungsarbeiten, und man in solchen Fällen mit Gerüsten rechnen muss, auf denen Menschen arbeiten, die auch dann nicht in Gefahr gebracht werden dürfen, wenn sie Arbeiten mit Werkzeug durchführen oder telefonieren oder rauchen, also potenzielle Zündquellen nutzen. Die außen aufgestellten Geräte müssen daher auch im ausgeschalteten, stromlosen Zustand sicher sein. Auch Tiere könnten Gefahrenquellen sein, vor allem Vögel und Nagetiere, ferner ist Vandalismus eine Gefahr.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, mit geeigneten Maßnahmen die Schutzzone soweit zu verringern, dass Neuinstallationen von außen aufgestellten Wärmepumpen oder Außeneinheiten von Splitgeräten an Stellen vorgenommen werden können, an denen das bisher nicht möglich oder zulässig ist.
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Auch sollte es möglich sein, beispielsweise während Arbeiten innerhalb der Schutzzone Maßnahmen ergreifen zu können, die solche Arbeiten gefahrlos möglich machen, die Schutzzone also quasi abschalten zu können, wenigstens vorübergehend. Das betrifft auch Arbeiten wegen Maßnahmen, die im Verlauf von Naturkatastrophen erforderlich sein können, etwa bei Sturmschäden, Hochwasser oder Erdbeben. Im Idealfall soll die Notwendigkeit einer Schutzzone wenigstens zeitweise entfallen dürfen und durch einen Fachmann nach Einschätzung der Sachlage vor Ort, gegebenenfalls auch dauerhaft, durch entsprechende Einstellung am Gerät.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, mit geeigneten Maßnahmen für eine Verdünnung von leckagebedingt ausgetretenem Kältemittel in der Außeneinheit zu sorgen, die die Bildung eines zündfähigen Gemisches immer sicher ausschließt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Außeneinheit für ein Wärmeverschiebungssystem, aufweisend:
- ein Gehäuse mit einen Kältekreis mit einem brennbaren Kältemittel und darin mindestens zwei voneinander abgetrennte Gehäuseabschnitte,
- Anschlüsse für elektrische Stromversorgung und Anschlüsse für Kältemittelleitungen und/oder Wärmeträgerfluid führende Leitungen,
- bei denen in einem ersten Gehäuseabschnitt ein Luftkanal als Lüftungskanal, ein Lüfter und ein von Luft umströmbarer Lüfterwärmeübertrager angeordnet sind,
- und bei dem der Luftkanal einen unverschließbaren Einströmbereich und einen unverschließbaren Ausströmbereich für Außenluft aufweist,
- und bei denen in einem zweiten Gehäuseabschnitt ein Kältemittelverdichter, ein Entspannungsventil sowie Anschlüsse für Fluidleitungen für mindestens eine Wärmesenke und mindestens eine Wärmequelle angeordnet sind,
- und der zweite Gehäuseabschnitt über mindestens eine Zuluftöffnung verfügt,
- und zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseabschnitt eine Trennvorrichtung vorgesehen ist, die die beiden Gasräume des ersten und des zweiten Gehäuseabschnittes sowie gegebenenfalls weiterer Gehäuseabschnitte voneinander trennt,
- die Trennvorrichtung mindestens eine unverschließbare Verbindungsöffnung aufweist, die den ersten Gehäuseabschnitt mit dem zweiten Gehäuseabschnitt verbindet,
- wobei die unverschließbare Verbindungsöffnung in der Trennvorrichtung mit dem Luftkanal an der Saugseite des Lüfters verbunden ist, und
- der Lüfter so ausgebildet und ausgestattet ist, dass er im Dauerbetrieb ohne zu stoppen ständig laufen kann,
- der ständig laufende Lüfter abhängig von der Aufstellsituation vom Installateur aktiviert oder deaktivierbar ist.
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Auf diese Weise kann immer sichergestellt werden, dass eine durchgängige Durchströmung des Lüftungskanals erzeugt wird, wodurch eine verdünnte Ablüftung gegebenenfalls leckagebedingt ausgetretenen Kältemittels gewährleistet ist und somit eine reduzierte Sicherheitszone um die Außeneinheit herum beansprucht werden darf. Da kann sich nichts entzünden oder ungünstig ansammeln.
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Wäre der Lüfter nicht in Betrieb, muss eine Mindestdurchströmung des Luftkanals erfolgen, damit kleinste Kältemittelleckagen, beispielsweise am Verdampfer im Luftkanal, nicht zu einer kritischen Ansammlung von Kältemittel und damit zum Überschreiten der Zündgrenze bei brennbaren Kältemitteln wie R290, R600a oder R1260 führen können.
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Im Falle von Windstille muss der Lüfter mit einer Mindestleistung für Luftdurchsatz betrieben werden, um die Mindestdurchströmung sicherzustellen. Diese beträgt bei üblichen Abmessungen für eine Außeneinheit 200 bis 2000 m3/h, was einer sehr kleinen Drehzahl von ca. 50 bis 400 Umdrehungen pro Minute entspricht. Für den Fall, dass kein normaler Wärmepumpen- oder Klimatisierungsbetrieb stattfindet, oder auch im Störfall, muss der Lüfterbetrieb sehr sparsam mit Energie umgehen.
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Das bedeutet im Regelfall jedoch auch, dass der Lüfter viel elektrische Energie auch dann verbraucht, wenn das Wärmeverschiebungssystem nicht oder kaum benötigt wird. Die folgenden Maßnahmen dienen dazu, diesen Verbrauch an elektrischer Energie möglichst gering zu halten und gleichzeitig auch bei Störungen der elektrischen Energieversorgung die Durchströmung und Ablüftung aufrechtzuerhalten. So kann beispielsweise der elektrische Energieverbrauch dadurch geringgehalten werden, dass der Lüfter ständig wenigstens mit einer geringen Drehzahl betreibbar ist. Dazu müssen aber Informationen gewonnen und bereitgestellt werden, wann eine solcher Minimalbetrieb sinnvoll erfolgen kann.
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In Ausgestaltungen ist daher eine mindestens eine Ermittlungseinrichtung für die Umströmungsgeschwindigkeit von Luft um die Außeneinheit vorgesehen, wobei diese entweder
- ein Messgerät ist, welches auf physikalisch-strömungsmechanischer Weise Messungen der Luftgeschwindigkeit durchführen kann, oder
- einen Empfänger für Wetterdaten in Verbindung mit einer Kl-gestützten Auswerteeinheit aufweist, oder
- einen Empfänger für extern ermittelte und von dort an die Außeneinheit geschickte Winddaten enthält, oder
- Kombinationen dieser Ermittlungsmittel enthält und/oder Beobachtungen vor Ort zulässt.
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Außerdem ist in diesem Zusammenhang eine Regelungsmöglichkeit für den Dauerbetrieb des Lüfters vorgesehen, damit dieser nur für die zusätzliche Durchströmung sorgt, die nicht durch die natürliche Umströmung bereits vorhanden ist. Der Lüfter läuft dann zwar praktisch ständig, wird aber durch die natürliche Strömung von außen entlastet und verbraucht nur entsprechend wenig elektrische Energie.
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Für die erforderlichen Umströmung wird im Rahmen von ATEX (ATmosphères Explosives Richtlinie 2014/34/EU), genormt in IEC 60079 Series "Explosive atmospheres", kein Schutzbereich (ohne Zündquellen usw.) verlangt, bzw. eine Zone 2 NE (neglibigle extent), wenn eine Luftbewegung von 0,15 m/s herrscht.
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Mit Umströmungsgeschwindigkeit ist die Luftgeschwindigkeit der um die Außeneinheit strömenden Umgebungsluft gemeint, sofern nicht Windstille herrscht. Die Ermittlungseinrichtung, die auch aus einer Vielzahl von Einzelgeräten auf der Basis unterschiedlicher und zueinander redundanter Messprinzipien bestehen kann oder aufgrund von empfangenen Wetterdaten, Auswertungsmitteln der künstlichen Intelligenz oder auch durch Inaugenscheinnahme bzw. Beobachtung vor Ort erfolgen kann, ermittelt dabei vorzugsweise ein dreidimensionales Strömungsprofil. Hierbei kommt es nicht auf große Präzision an, sondern es muss lediglich sichergestellt sein, dass eine definierte Mindestumströmung vorhanden ist. Zuverlässig und unempfindlich muss das System sein, es ist vor Witterungseinflüssen wie Schnee, Sturm und Hagel sowie vor Tieren zu schützen.
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In Frage kommen als Strömungsmessgeräte Pitot-Rohre, Flügelradanemometer, Windräder und günstige LIDAR-Systeme in Betracht, wobei der Fachmann hier aus einer großen Zahl bekannter und bewährter Systeme unter Berücksichtigung seiner Budgetrestriktionen und der Aufstellbedingungen ein passendes Messystem aussuchen kann und wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Außeneinheit betreffen die Möglichkeiten, den Lüfter herunterzuregeln, wenn keine Leckage aufgetreten ist und sich keinerlei Kältemittel im Freiraum der Außeneinheit befindet. Auch dann läuft der Lüfter jedoch ständig durch, wenn auch mit deutlich reduzierter Leistung, er kann aber nicht abgeschaltet werden. Um auf Leckagefreiheit zu schließen, müssen dafür aber Messungen für gasförmiges Kältemittel durchgeführt werden. Daher ist vorgesehen, dass die Außeneinheit
- über mindestens eine Kältemitteldetektionseinrichtung
- und eine Einrichtung zur Regelung und/oder Steuerung der Lüfterleistung des Lüfters verfügt,
- wobei diese Einrichtung zur Regelung und/oder Steuerung mit der Kältemitteldetektionseinrichtung und der Ermittlungseinrichtung für die Umströmungsgeschwindigkeit verbunden ist,
- sowie eine Rechen- und Auswerteeinheit umfasst,
- oder über die Rechen- und Auswerteeinheit eine angepasste Lüfterleistung des Lüfters einstellbar ist.
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Praktisch heißt das auch, dass wenn die Kältemitteldetektionseinrichtung eine Kältemittelkonzentration erkennt, die auf eine Leckage schließen lässt, der Lüfter auf eine angepasste hohe Lüfterleistung hochgeregelt wird, und zwar auch dann, wenn aufgrund der erkannten Leckage der Wärmeverschiebungsbetrieb gestoppt werden muss und im Lüfterwärmetauscher keine thermische Last mehr anfällt. Bei der Kältemitteldetektionseinrichtung ist es nicht erforderlich, dass eine Messung der Absolutkonzentration erfolgt, es kann auch ein bloßer Anstieg an Kältemittel in Luft ausreichend sein, also die erste zeitliche Ableitung.
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In weiteren Ausgestaltungen ist daher vorgesehen, dass der Lüfter über eine eigene Notstromversorgung, die möglichst unterbrechungsfrei ist, und über eine Explosionsschutzausrüstung verfügt. Die Stromversorgung basiert bevorzugt auf einem Reserveakku als elektrischem Notstromspeicher zum Notbetrieb des Lüfters, der Kältemitteldetektionseinrichtung und der Ermittlungseinrichtung für die Umströmungsgeschwindigkeit sowie für die Rechen- und Auswerteeinheit, ausgeführt als ein Akku, ein Superkondensator (Goldcap) oder ein Kondensator als Energiespeicher. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung kann als separate Einheit oder als Bestandteil des Gleichspannungs-Zwischenkreises eines Umrichters vorgesehen sein. Die Kapazität der Stromversorgung ist dabei mindestens so bemessen, dass bei einem Stromausfall während einer gleichzeitigen Leckage der Lüfter so lange weiter betrieben werden kann, dass sich keine gefährlichen Konzentrationen des ausströmenden Kältemittels ansammeln, und zwar weder im Gerät selbst noch in seiner Umgebung.
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Weitere Ausgestaltungen betreffen den Luftkanal, in dem der Lüfter angeordnet ist, sowie seinen Eingang und seinen Ausgang für Umgebungsluft. Typischerweise wird durch eine Außeneinheit ein Luftkanal hindurchgeführt, der den Verdampfer-Wärmeübertrager und den Lüfter enthält, wenn es sich um einen Wärmepumpenbetrieb handelt, oder es handelt sich um einen Kondensator-Wärmeübertrager und einen Kondensatorlüfter, wenn es sich um einen Klimatisierungsbetrieb handelt. Im Idealfall werden solche Ausrüstungen verwendet, die beide Betriebsarten gleichermaßen fahren können. Der Luftkanal kann, muss nicht aber nicht entlang einer fluchtenden Mittellinie ausgeführt sein, auch gewundene Formen mit Umlenkungen sind üblich. Im Eingangs- und Ausgangsbereich des Lüfter-Luftkanals können Wölbungen vorgesehen werden.
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Zweck dieser Wölbungen ist dabei, dass bei seitlicher An- oder Umströmung der Außeneinheit durch Umgebungsluft ein Sog im Lüfter-Luftkanal entsteht, der den Lüfter-Luftkanal auch bei ausgeschaltetem Lüfter gut genug durchlüftet, so dass beim leckagebedingten Austritt von Kältemittel kein zündfähiges Gemisch entstehen kann. Hierbei sind natürlich die Anströmrichtung ebenso wie die Windgeschwindigkeit der Umgebungsluft zu berücksichtigen, was im Zusammenhang mit dem Aufstellungsort zu sehen ist, und die gemessen werden.
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Vorliegend sind der Lufteinlassbereich und der Luftauslassbereich zwar auf entgegengesetzten Seiten der Außeneinheit angeordnet, es muss aber betont werden, dass die folgenden Ausprägungen sinngemäß auch dann angewendet werden können, wenn dies nicht der Fall ist und Lufteinlassbereich und Luftauslassbereich an derselben Seite oder im Winkel zueinander an verschiedenen Seiten der Außeneinheit sein können und dass die Außeneinheit nicht notwendigerweise quaderförmigen Grundriss haben muss, sondern auch beliebig geformt sein kann. So können solche Einlass- oder Auslassbereiche auch auf der Oberseite der Außeneinheit oder über den Umfang verteilt angeordnet sein. Vorliegend kommt es darauf aber nicht an. Solche unüblichen geometrischen Formen sind auch miterfasst und Gegenstand der Erfindung, vor allem in Bezug auf die folgenden Ausprägungsformen.
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Falls der Luftkanal Umlenkungen aufweist oder wenn es mehrere Öffnungen des Luftkanals aus dem Gehäuse oder in das Gehäuse gibt, gilt dies für jede der Luftkanal-Öffnungen für sich. Insbesondere wird für den Eingang des Luftkanals vorgesehen, dass er konvex ausgebildet ist, so dass sich bei seitlicher Anströmung ein Überdruck einstellt und für den Ausgang des Luftkanals, dass er konkav ausgebildet ist, so dass sich ein Unterdruck einstellt. Die sich einstellende Druckdifferenz führt analog zu Flugzeugflügeln zu einem Auftrieb, die die Durchströmung des Luftkanals fördert. In besonderen Fällen können hier auch Stellklappen analog zu Lande- und Startklappen vorgesehen werden, um Lüfterenergie auch im Normalbetrieb zu sparen, je nach Anströmung.
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Zur Verbesserung der Mindestdurchströmung können geeignete Maßnahmen hinsichtlich der Formgebung des Gehäuses der Außeneinheit vorgenommen werden. Hierbei wird der Bernoulli-Effekt dazu benutzt, eine Überdruckseite und eine Unterdruckseite bei seitlicher oder schräger Richtung, gemessen an den Außenkanten, sofern vorhanden, des Gehäuses der Außeneinheit, zu erzeugen.
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In weiteren Ausgestaltungen werden daher in analoger Weise zu den Lüfteröffnungen die Außenfläche des Gehäuses der Außeneinheit, in der der Eingang des Luftkanals angeordnet ist, konvex und die Außenfläche des Gehäuses der Außeneinheit, in der der Ausgang des Luftkanals angeordnet ist, konkav ausgeprägt. Dies erhöht die Druckdifferenz, die die Durchströmung des Luftkanals antreibt und den Lüfter unterstützt, zusätzlich.
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In einer Ausgestaltung der Außeneinheit sind Teile der Außenhülle daher gewölbt. Dabei bedeutet konkav "nach innen gewölbt" und konvex "nach außen gewölbt". Hiermit werden unter anderem optische Linsen, wenn die Wölbung in zwei Achsen vorgenommen wird und Tragflächen von Luftfahrzeugen, wenn die Wölbung in einer Achse vorgenommen wird, in bekannter Weise beschrieben. Im vorliegenden Fall müssen diese Wölbungen nicht über die gesamte Außenfläche der Außeneinheit vorgenommen werden und es können über den Verlauf der Wölbungen auch unterschiedliche Wölbungsradien angewendet werden.
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Hierbei ist je nach Aufstellungsort zu entscheiden, welche Windrichtungen möglich sein können, vor allem unter Berücksichtigung von Strömungshindernissen wie Bäumen, Wänden, Zäunen und Nachbarbebauung. Wenn die Außeneinheit vor einem Gebäude steht, kann eine Luftströmung um das Gebäude auch zu einer Aufwärtsströmung führen. Sofern verschieden geformte Verblendungen der Außeneinheit zur Verfügung stehen, kann der Fachmann eine solche auswählen, welche im Normalfall den Lüfter durch geeigneten Sog maximal unterstützt, was Lüfterenergie spart, und in einem möglichen Leckagefall auch ohne Lüfterbetrieb eine gute Durchströmung bewirkt. Geeignete Verblendungen können ggf. auch nachgerüstet werden, wenn sich die Umgebungsverhältnisse ändern.
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Bei Wölbungen in zwei Achsen können die Wölbungen verschieden sein, sofern eine der beiden Achsen eine konkave Wölbung und die andere Achse eine konvexe Wölbung bildet, ergeben sich Sattelformen, die jedoch nur in Ausnahmen im Rahmen dieser Erfindung zur Anwendung kommen, wenn sich Aufwärtsströmungen um Hindernisse mit seitlichen Strömungen mischen. Das wird der Fachmann in Abhängigkeit der Geländeformen berücksichtigen, vor allem in Hanglagen.
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Weitere Ausgestaltungen betreffen die Lüfterlagerung, um den Energieverbrauch bei Mindestdrehzahl zu minimieren, das verringert dann auch die erforderliche Notstromversorgung, wenn der Lüfter bei Störfällen längstmöglich weiterlaufen soll. In einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass der Lüfter mit einer Magnetlagerung gelagert ist. Die Magnetlagerung ist wenigstens teilweise als aktives Magnetlager ausgeführt, wobei ein weiteres Magnetlager als passives Magnetlager ausgeführt werden kann. Das aktive Magnetlager bedarf der ständigen Stromzufuhr, die aber aufgrund der ebenfalls vorgesehenen Notstromversorgung mit vorhandener Ausrüstung angeschlossen werden kann. Das aktive Magnetlager kann dabei entsprechend dem Stand der Technik mit einer aktiven Dämpfung von Schwingungen und Unwucht ausgestattet sein, was einen sehr leisen Betrieb ermöglicht, das ständige Laufen des Lüfters stört dann auch in schönen Sommerabenden nicht. Im Falle einer kombinierten Lagerung mit einem aktiven Magnetlager und einem passiven Magnetlager ist eine berührungsfreie Lagerung vorgesehen, die keine Wartung erfordert und eine wartungsbedingte Abschaltung des Lüfters erfordern würde.
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Weitere Ausgestaltungen betreffen die Verbindungsöffnung. So verfügt der Einlaufbereich der unverschließbaren Verbindungsöffnung aus dem zweiten Gehäuseabschnitt über Rundungen, die verhindern, dass Strömungen über scharfe Kanten geführt werden, und der Auslaufbereich der unverschließbaren Verbindungsöffnung in den ersten Gehäuseabschnitt ist als Düse ausgeführt, die mit einem sich zuerst verengenden und dann erweiternden Auslauftrichter ausgestattet ist. Das hat den Vorteil, dass auch die ständige Durchströmung des zweiten Gehäuseabschnitts zum einen weniger Energie erfordert und zum anderen nicht zu Lärmbelästigung durch Pfeifgeräusche aufgrund von Wirbelstraßen führt. Die Akzeptanz eines ständig laufenden Lüfters erhöht das deutlich.
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Die Erfindung betrifft auch ein Belüftungsverfahren. Dabei gelten die Ausführungen zur Vorrichtung entsprechend. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Belüften einer Außeneinheit eines Wärmeverschiebungssystems, die Außeneinheit dabei aufweisend
- ein Gehäuse mit einen Kältekreis mit einem brennbaren Kältemittel,
- mindestens einen Lüfter, Lüfterwärmeübertrager in einem Luftkanal, und
- Anschlüsse für elektrische Stromversorgung und Anschlüsse für Kältemittel- und/oder Wärmeträgerfluid führende Leitungen und
- eine Einrichtung zur Regelung und/oder Steuerung der Lüfterleistung des Lüfters,
- wobei diese Einrichtung zur Regelung und/oder Steuerung mit einer Kältemitteldetektionseinrichtung und einer Ermittlungseinrichtung für die Luft-Umströmungsgeschwindigkeit verbunden ist, und
- eine Rechen- und Auswerteeinheit umfasst,
- Mittel zur Umschaltung des Lüfters der Außeneinheit zwischen Dauerbetrieb und intermittierendem Betrieb, wobei
- der Lüfter bei der Installation eingeschaltet wird, und
- nur von autorisiertem Wartungspersonal ausgeschaltet
- oder in einen intermittierenden Betrieb umgeschaltet werden kann.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
- der intermittierende Betrieb geregelt wird, indem die Umströmung der Außeneinheit (1) bestimmt wird und
- in Abhängigkeit der ermittelten Umströmung der Lüfter heruntergeregelt wird, wenn eine ausreichende Belüftung der Außeneinheit (1) aufgrund der Umströmung der Außeneinheit (1) gewährleistet ist.
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Sofern eine zuverlässige Bestimmung der Umströmung der Außeneinheit nicht gewährleistet werden kann, bleibt der Lüfter wenigstens mit Mindestdrehzahl eingeschaltet und der Luftdurchsatz des Lüfters wird durch die Wärmelast des Wärmeverschiebungssystems mit üblichen Methoden geregelt. Das Gleiche gilt für den Fall, dass eine Kältemitteldetektionseinrichtung geprüft und befunden hat, dass sich kein Kältemittel im Freiraum der Außeneinheit befindet.
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Weitere Ausgestaltungen betreffen die Verwendung der Außeneinheit. Diese wird alternativ oder additiv zur Temperierung für jeweils mindestens einen Tierstall, ein Schwimmbad, ein Wohnhaus, ein Gewächshaus oder ein Rechenzentrum verwendet. Da keine Sicherheitszone erforderlich ist, ergeben sich eine Vielzahl von Aufstellungsmöglichkeiten, die den Verwendungen ohne Einschränkungen angepasst werden können. Durch die Vielzahl der Verbraucher mit unterschiedlichen Anforderungen reduziert sich die Zeit, in der der Lüfter ohne Wärmelast laufen muss, was Energie einspart.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 7 Skizzen näher erläutert. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine Ansicht des Strömungsweges in der Außeneinheit
- Fig. 2
- den inneren Aufbau einer Außeneinheit,
- Fig. 3
- eine Skizze mit einer Düse und einem Akku,
- Fig. 4
- eine Außeneinheit mit Sicherheitsbereich von oben,
- Fig. 5
- eine umströmte Außeneinheit von der Seite mit zwei Messeinrichtungen,
- Fig. 6
- eine umströmte Außeneinheit von der Seite mit Tragflügelprofil,
- Fig. 7
- eine Darstellung verschiedener Verwendungen.
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Fig. 1 zeigt perspektivisch die Außeneinheit 1 im regulären Betrieb mit dem ersten Gehäuseabschnitt 2 auf der linken Seite und dem zweiten Gehäuseabschnitt 3 auf der rechten Seite. Die beiden Gehäuseabschnitte sind durch eine Trennvorrichtung, hier als Trennwand 4 ausgeführt, voneinander getrennt, in der sich die Verbindungsöffnung 6 befindet. Im ersten Gehäuseabschnitt 2 ist der Lüfter 5 im Lüfterkanal 16 angeordnet, der den ersten Gehäuseabschnitt 2 bildet, die Luftführung im laufenden Betrieb ist durch Pfeile gezeigt. Nicht dargestellt ist der Lüfterwärmeübertrager 7, gegen den der Lüfter 5 die Luft entweder ziehend oder drückend fördert, und der im Winterfall die Luft abkühlt und dabei das Kältemittel verdampft und im Sommerfall die Luft erwärmt und das Kältemittel kondensiert.
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Fig.2 zeigt perspektivisch und beispielhaft das Innere einer typischen Außeneinheit, wobei die Gehäuseabdeckungen, gestrichelt dargestellt, entfernt wurden. Aufgrund des gewünschten Unterdrucks im zweiten Gehäuseabschnitt 3 erzeugt der Lüfter 5 Unterdruck, die Luft wird also durch den Lüfterwärmeübertrager 7 gezogen und die Verbindungsöffnung 6 zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt 2 und dem zweiten Gehäuseabschnitt 3 wird dort platziert, wo der Unterdruck am höchsten ist, das ist im Luftkanal des ersten Gehäuseabschnitts zwischen dem Lüfterwärmeübertrager 7 und den Schaufelblättern des Lüfters 5.
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Fig.3 zeigt eine Variante, bei der eine als Düse 17 ausgebildete Verbindungsöfffnung in der Trennwand 4 vorgesehen wird, diese kann zusätzlich zu Verbindungsöffnungen 6, wie in den vorangegangenen Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, vorgesehen werden. Bei einer größeren Leckage, was sehr selten ist, aber bei robusten äußeren Einflüssen auftreten kann, könnte sich im zweiten Gehäuseabschnitt 3 schnell Druck aufbauen und die Düse 17 würde zu einer beschleunigten Ableitung der kontaminierten Luft führen und die Vermischung im Lüfter 5 verbessern. Fig. 3 zeigt weiterhin einen Reserveakku 18 für elektrischen Strom, falls ein Stromausfall auftritt, der Lüfter aber weiterlaufen muss. Ein solcher Reserveakku 18 kann auch als Stromspeicher an ein lokales Netz angeschlossen werden und dieses sowohl verstärken, als auch vergleichmäßigen. Diese Variante ist bei größervolumigen Außeneinheiten vorzuziehen und auch dann, wenn gelegentlich Überschussstrom aus regenerativer Energie vor Ort anfällt. Primär dient der Reserveakku 18 dem Weiterlaufen des Lüfters 5, damit immer eine Durchströmung stattfindet.
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Fig.4 zeigt schematisch eine Außeneinheit 1 eines Wärmeverschiebungssystems von oben, bei der zwei Sicherheitsbereiche S1 und S2 um die Außeneinheit 1 eingezeichnet sind. Die Sicherheitsbereiche selbst sind nicht Teil der Außeneinheit 1, sondern sie entsprechen den Aufstellungsempfehlungen für Wärmepumpen mit entzündlichen Kältemitteln und sind hier vereinfacht dargestellt. Hierbei ist der Sicherheitsbereich S1 der Sicherheitsbereich um eine unbelüftete oder nicht ausreichend belüftete Außeneinheit 1, der Sicherheitsbereich S2 ist der Sicherheitsbereich, wenn eine Belüftung immer sichergestellt werden kann, auch dann, wenn kein regulärer Betrieb stattfindet. Ziel ist, dass der Sicherheitsbereich S2 maßgeblich für die Aufstellung werden soll.
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Die Außeneinheit 1 umfasst dabei wenigstens einen Luftkanal 16, darin sind ein Lüfter 5 und ein Lüfterwärmeübertrager 7 angeordnet. Außerdem befindet sich in der Außeneinheit 1 ein Kältekreis 20 in einer Wanne oder in einer Kapsel, die an eine Düse 17 angeschlossen ist, welche in den Luftkanal 16 mündet. Der Kältekreis besitzt eine Verbindungsöffnung 6 im zweiten Abschnitt 3, der seitlich oder oberseitig eine Verbindung zum Luftkanal 16 aufweist, welche mit dessen Ansaugseite, der Sogseite 13 verbunden ist. Wenn der Lüfter 5 in Betrieb ist, weist der Luftkanal 16 immer eine Sogseite 13 und eine Druckseite 12 auf und falls dann aufgrund einer Leckage Kältemittel austreten sollte, wird es weggelüftet. Beim typischen Luftdurchsatz eines Lüfters kann dann kein entzündliches Gemisch entstehen.
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Anders ist das, wenn der Lüfter 5 nur eingeschränkt in Betrieb ist oder hoch läuft nach längerem Betrieb mit Mindestdrehzahl, weil der Kältekreis 2 der Wärmepumpe Wärme oder ggf. Kälte vom Lüfterwärmeübertrager 7 anfordert, oder auch nach dem Ende der Wärmeanforderung und einer Abkühlphase. Immer dann treten bei Änderungen des Betriebszustands Wärmespannungen auf, was tendenziell zu kleinen Schäden mit der Folge von kleinen Leckagen führen kann. Gerade dann muss die Belüftung sichergestellt sein, ein kompletter Verzicht auf Belüftung kommt genau dann nicht in Frage. Gleiches gilt für Frostperioden und Abtaubetrieb bei Ver- und Enteisungsvorgängen.
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Außerdem muss dann, wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen wurden, im direkten Umfeld der Außeneinheit 1 eine Sicherheitszone S1 eingehalten sein, in der keine Zündquellen und keine Senken wie etwa Kellerfenster vorhanden sind, denn entzündliche Kältemittel sind typischerweise schwerer als Luft und sinken zu Boden, wo sie sich ansammeln und anreichern könnten, womit ein Zündfähigkeitsbereich entstehen könnte. Das schränkt die Aufstellungsmöglichkeiten für die Außeneinheit 1 erheblich ein.
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Wenn dagegen eine stetige Belüftung sichergestellt werden kann, wenigstens aber dann, wenn Kältemittel in der Luft in der Außeneinheit 1 detektiert wird, am Besten sogar bei einem Stromausfall, kann der Sicherheitsbereich S2 deutlich kleiner gewählt werden oder sogar ganz entfallen. Aus diesem Grund wird die Umströmung der Außeneinheit bestimmt, denn wenn diese Umströmung für eine Verdünnung eventuell entstandener Leckagen ausreicht, muss der Lüfter 5 zwar laufen, aber es muss nur sichergestellt sein, dass beide Gehäuseabschnitte 2 und 3 der Außeneinheit 1 trotzdem gut durchlüftet werden. Das ist bei ausreichender Umströmung mit geringerem Lüfterdurchsatz möglich, was zu Energieeinsparung führt.
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Fig. 5 zeigt schematisch eine Außeneinheit 1 eines Wärmeverschiebungssystems von der Seite, die den Kältekreis 15 enthält, und auf dem Dach ihres Gehäuses zwei Ermittlungseinrichtungen 18 für die umströmende Luft aufweist. Für eine optimale Effizienz sollte die Außeneinheit 1 bekanntlich nicht entgegen der Auslassseite in die Hauptwindrichtung installiert werden. Außerdem wird für den herkömmlichen Stand der Technik empfohlen, einen windgeschützten Ort zu wählen und eine ausreichende Sicherheitszone um die Außeneinheit 1 einzuhalten, dies betrifft vor allem den Abstand zu Fenstern und Türen, vor allem aber Senken in der Nähe, in denen sich entwichenes Kältemittel sammeln könnte. Letzteres betrifft vor allem Kellerfenster.
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Bei der gezeigten Außeneinheit 1 wird bei der Aufstellung anders vorgegangen, es wird bevorzugt ein gut umströmter Ort gewählt. Im Falle einer Leckage findet durch die Umströmung eine sehr schnelle Durchmischung mit Umgebungsluft statt, die sonst übliche Sicherheitszone S1 entfällt, was ein großer Vorteil ist. Im Beispiel in Fig. 5 wird eine Außeneinheit 1 gezeigt, bei der der Kältekreis 20 mit einem Verdichter und einem Entspannungsventil in einer unten im Gehäuse vorgesehenen Wanne 21 angeordnet ist. Im darüber angeordneten Luftkanal 16 wird ein ständiger Sog erzeugt, der zu einer Entlüftung der Luft im Kältekreis 20 nach oben über die Verbindungsöffnung 6 in den Luftkanal 16 führt, eine seitliche Führung wie in den vorangegangenen Figuren wäre ebenso möglich. Auch wäre ein ziehender Betrieb durch den Wärmeübertrager 7 möglich, indem man die Luftöffnung 6 zwischen Lüfter 5 und Wärmeübertrager 7 anordnet.
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Leicht umsetzbar ist für den Fall, dass die Umströmung der Außeneinheit genügend Strömung durch den Luftkanal bewirkt, auch ein Wechsel der Strömungsrichtung in Abhängigkeit der Umströmungsrichtung der Außeneinheit. Nur bei Windstille wird der erforderliche Sog allein durch den Lüfter 5 erzeugt, der die Umgebungsluft ansaugt und diese gegen den Lüfterwärmeübertrager 7 drückt, folglich wird die Luft aus dem Kältekreis 15 auf die Sogseite 12 des Lüfters 5 geführt und die Belüftung findet statt. Sofern der Lüfter nur zur Unterstützung der ohnehin vorhandenen Durchströmung genutzt wird, kann auch ein Lüfter 5 mit Lüfterblättern eingesetzt werden, der wahlweise und umschaltbar in beiden Richtungen Luft fördern kann, je nach Umströmungsrichtung.
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Bei der Ermittlungseinrichtung 18 für die Umströmung handelt es sich in diesem Beispiel um ein Pitot-Rohr und ein Flügelradanemometer, die beide drehbar angebracht sind und eine Fahne zur Ausrichtung auf die Windrichtung und eine Bestimmung dieser Windrichtung ermöglichen. Falls eine gute Umströmung der Außeneinheit 1 gegeben ist, was von der Ermittlungseinrichtung 18 gemessen und erkannt wird, kann der Lüfter 5 rein strömungsunterstützend bleiben, sofern er nicht Luft für den Lüfterwärmeübertrager 7 wegen Wärmelastanfall durch den Luftkanal 16 führen muss.
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Eine Ausnahme davon ist gegeben, wenn die Kältemitteldetektionseinrichtung 9 Kältemittel innerhalb der Außeneinheit 1 erkennt und dies an die Rechen- und Auswerteeinheit 10 gibt, die dann entscheidet, mit welcher Leistung der Lüfter 5 hochzufahren ist.
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Fig. 6 zeigt schematisch eine Außeneinheit 1 von oben, die abweichend vom üblichen Quaderprofil ein Tragflügelprofil aufweist, ein solches Tragflügelprofil kann je nach erwarteten Windverhältnissen ausgeprägt oder weniger ausgeprägt sein oder auch nur den Einström- und Ausströmbereich des Lüfterkanals 16 betreffen. Die umströmende Luft 11 strömt dabei seitlich um die Außeneinheit 1 herum, durch das Tragflügelprofil ergibt sich eine Sogseite 12 mit Unterdruck, die der Oberseite eines Tragflügels entspricht, und eine Druckseite 13 mit Überdruck, die der Unterseite eines Tragflügels entspricht. Durch abgerundete Kanten 14 der Außeneinheit 1 wird eine Glättung des Umströmungsprofils erreicht, durch die Reduzierung der Wirbelbildung ergibt sich im Nebeneffekt auch eine Lärmreduzierung. Durch das sich ergebende Druckprofil ergibt sich bei Umströmung eine Unterstützung der Luftförderung im Luftkanal 16 mit der Folge, dass die Leistungsaufnahme des Lüfters 5 sinkt, was im Nebeneffekt eine weitere Reduzierung des Lüftergeräuschs bewirkt. Für den Fall häufig wechselnder Windrichtungen können auch geeignete Leitbleche vorgesehen werden, wie sie als Start- und Landeklappen im Flugzeugbau bekannt sind, um den Wind optimal in den Lüfterkanal ein- und durchzuleiten.
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Fig. 7 zeigt eine Darstellung verschiedener Verwendungen, die gleichzeitig mit einer Außeneinheit 1 betrieben werden können. Gezeigt werden ein Tierstall 19, ein Schwimmbad 20, ein Wohnhaus 21, ein Gewächshaus 22 und ein Rechenzentrum 23. Somit eignet sich diese Außeneinheit 1 nicht nur in Verbindung mit einer Inneneinheit eines Wohnhauses als Split-Wärmepumpe, sondern auch mit anderen Verwendungen, entweder zur Beheizung oder zur Klimatisierung und in unterschiedlicher Weise über die Laufzeit im Dauerbetrieb. Das führt insgesamt zu einer Verringerung von Stillstandszeiten und somit auch zu einem wirtschaftlichen Dauerbetrieb des Lüfters 15 durch geringere Laufzeiten mit verringerter Förderleistung.
Bezugszeichenliste
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- S1
- unbelüfteter Sicherheitsbereich
- S2
- Sicherheitsbereich
- 1
- Außeneinheit
- 2
- Erster Gehäuseabschnitt
- 3
- Zweiter Gehäuseabschnitt
- 4
- Trennwand
- 5
- Lüfter
- 6
- Verbindungsöffnung
- 7
- Lüfterwärmeübertrager
- 8
- Reserveakku
- 9
- Kältemitteldetektionseinrichtung
- 10
- Rechen- und Auswerteeinheit
- 11
- umströmende Luft
- 12
- Sogseite
- 13
- Druckseite
- 14
- Kante
- 15
- Kältekreis
- 16
- Luftkanal
- 17
- Düse
- 18
- Ermittlungseinrichtungen
- 19
- Tierstall
- 20
- Schwimmbad
- 21
- Wohnhaus
- 22
- Gewächshaus
- 23
- Rechenzentrum