Klimagerät zur Temperaturregulierung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimagerät zur Temperaturregulierung, das über einen ersten Kühlmittelkreislauf mit einem Rückkühler verbunden ist und einen von dem Rückkühler beaufschlagbaren Wärmetauscher für freie Kühlung und einen Verflüssiger aufweist. Die Erfindung betrifft weiter eine Anlage zur Temperaturregulierung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Klimagerätes.
Die genannten Klimageräte werden im Inneren eines Gebäudes zur Raumkühlung aufgestellt. Der Rückkühler ist im Regelfall außerhalb des Gebäudes im Freien angeordnet. Bei den bekannten Klimageräten ist in dem ersten Kühimittelkreislauf mindestens eine Pumpe zum Umwälzen des Kühlmittels vorgesehen. Die Aufteilung zwischen dem Wärmetauscher und dem Verflüssiger des Klimagerätes erfolgt durch in Serie geschaltete Mehrwegventile. Nachteilig bei den bekannten Klimageräten ist der sehr große hydraulische Widerstand des Wärmetauschers für die freie Kühlung des Verflüssigers und der Mehrwegventile. Dies führt zu einem erhöhten Energieverbrauch für die Umwälzung des Kühlmittels in dem ersten Kühimittelkreislauf. Weiter ist eine kostenintensive, zentrale und große Pumpe zum Überwinden des hydraulischen Widerstands erforderlich. Aus Sicherheitsgründen wird darüber hinaus eine Stand-by- Pumpe benötigt, um einen Ausfall der ersten Pumpe überbrücken zu können. Diese Stand-by-Pumpe muß dieselbe Pumpleistung wie die
erste Pumpe erbringen und ist daher ebenfalls sehr kostenintensiv und groß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Klimagerät bereitzustellen, das bei geringem Energieverbrauch eine gute Temperaturre- guiierung ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zur Temperaturregulierung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Klimageräts bereitzustellen.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Klimagerät der eingangs genannten Art vorgesehen, daß der Wärmetauscher und der Verflüssiger parallel geschaltet sind.
Durch die Parallelschaltung des Wärmetauschers und des Verflüssigers wird der wasserseitige Widerstand reduziert. Hierdurch wird der Energieverbrauch zum Umwälzen des Kühlmittels in dem ersten Kühimittelkreislauf wesentlich verringert.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
In vorteilhafter Ausgestaltung zum Umwälzen des Kühlmittels zwischen dem Rückkühler und dem Klimagerät mindestens zwei parallel geschaltete Pumpen mit regelbarer Drehzahl vorgesehen, wobei die ersten Pumpe den Wärmetauscher und die zweite Pumpe den Verflüssiger beaufschlagt. Die Verwendung der Pumpen anstatt der bekannten Ventile reduziert den wasserseitigen Widerstand des Klimageräts und damit den Energieverbrauch weiter. Weiter kann der Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher und den Verflüssiger genau eingestellt wer-
den. In Abhängigkeit von den Randbedingungen kann die den Verflüssiger beaufschlagende Pumpe abgeschaltet werden, so daß der Energieverbrauch weiter reduziert wird.
Vorteilhaft ist mindestens eine der Pumpen in dem Klimagerät angeordnet. Hierdurch kann auf kostenintensive, zentrale und große Umwälzpumpen in dem ersten Kühimittelkreislauf verzichtet werden. Eine Stand-by-Pumpe wird nicht mehr benötigt, da in jedes Klimagerät bereits mindestens eine Pumpe integriert ist. Die gesamten Investitionskosten sinken erheblich.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in dem Klimagerät ein zweiter Kühimittelkreislauf mit dem Verflüssiger, einem Verdampfer, einem Expansionsventil und einem Kompressor vorgesehen, der über den von dem Rückkühler beaufschlagbaren Verflüssiger gekühlt wird. Dieser zweite Kühimittelkreislauf kann unabhängig von der Kühlung durch den Wärmetauscher des Klimagerätes mit variabler Leistung gefahren werden, so daß eine optimale Anpassung an unterschiedliche Randbedingungen ermöglicht wird.
In vorteilhafter Weiterbildung ist das Klimagerät mit einem Lüfter zur Zwangsumwälzung von Luft versehen. Hierdurch wird die Kühlleistung des Klimageräts erhöht.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anlage zur Temperaturregulierung vorgeschlagen, bei der mehrere Klimageräte der vorstehend beschriebenen Art vorgesehen sind, die zueinander parallel geschaltet und mit dem Rückkühler verbunden sind.
Insbesondere bei in den einzelnen Klimageräten angeordneten Pumpen kann auf einen separaten Pumpenschrank verzichtet werden. Die Anlage ist damit kompakter als die bekannten Anlagen. Das Anordnen der Pumpen in jedem Klimagerät ermöglicht ein flexibles Aufstellen der Klimageräte in dem Gebäude und eine autonome Regelung jedes einzelnen Klimageräts. Die Klimageräte werden lediglich an eine gemeinsame Kühlmittelvorlaufleitung und Kühlmittelrücklaufleitung des ersten Kühlmittelkreislaufs angeschlossen. Nachträgliche Erweiterungen können ohne Veränderung der Verrohrung und ohne Austausch von Pumpen erfolgen. Zusätzlich wird die umlaufende Kühlmittelmenge reduziert, da im Gegensatz zur Verwendung einer zentralen Pumpe das Kühlmittel bedarfsgerecht nur durch die in Betrieb befindlichen Klimageräte gepumpt wird.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Klimageräts, bei dem die den Wärmetauscher und den Verflüssiger beaufschlagenden Pumpen unabhängig voneinander betrieben werden. Die durch den Wärmetauscher gepumpte Kühlmittelmenge kann somit völlig unabhängig von der durch den Verflüssiger gepumpten Kühlmittelmenge eingestellt werden. Insbesondere kann im Winterbetrieb die den Verflüssiger beaufschlagende Pumpe vollständig abgeschaltet werden, da die durch den Wärmetauscher erzeugte Kälte zur Temperaturregulierung ausreicht. Hierdurch werden der Energieverbrauch verringert und die Lebensdauer der Pumpen erhöht.
Vorteilhaft wird die den Wärmetauscher beaufschlagende Pumpe in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels des ersten Kühlkreislaufs und der Umgebungstemperatur des Klimageräts angesteuert. Hierdurch wird sichergestellt, daß nur dann Kühlmittel durch den War-
metauscher gepumpt wird, wenn tatsächlich ein Beitrag zur gewünschten Temperaturregulierung geleistet wird. Sobald die Temperatur des Kühlmittels etwa der Umgebungstemperatur des Klimageräts entspricht, kann kein Beitrag zur Temperaturregulierung mehr geleistet werden. Die Pumpe zur Beaufschlagung des Wärmetauschers wird dann abgeschaltet, so daß die gesamte Temperaturregulierung durch die Pumpe zur Beaufschlagung des Verflüssigers erreicht wird.
In vorteilhafter Weiterbildung wird die den Verflüssiger beaufschlagende Pumpe in Abhängigkeit von der Kühlleistung des zweiten Kühlmittelkreislaufs in dem Klimagerät, insbesondere in Abhängigkeit von dem Verflüssigungsdruck und der elektrischen Leistungsaufnahme des Kompressors, angesteuert. Hierdurch wird sichergestellt, daß nur die zur Kühlung des zweiten Kühlmittelkreislaufs erforderliche Kühlmittelmenge umgewälzt wird, so daß der Energieverbrauch weiter verringert und die Lebensdauer nochmals gesteigert werden. Zusätzlich kann die Temperatur des Kühlmittels in dem ersten Kühimittelkreislauf berücksichtigt werden, um ein zuverlässiges Abführen der Wärme von dem Verflüssiger zu dem Rückkühler zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiter vor, daß ein möglichst großer Anteil der gewünschten Temperaturregulierung durch den Wärmetauscher für freie Kühlung erreicht wird. Hierdurch kann die Leistungsaufnahme des zweiten Kühlmittelkreislaufs in dem Klimagerät minimal gehalten werden, so daß sich ein geringer Energieverbrauch und eine hohe Lebensdauer für die den Verflüssiger beaufschlagende Pumpe ergeben.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das schematisch in der Zeichnung darstellt ist. Dabei zeigt:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer Anlage zur Temperaturregulierung mit mehreren parallel geschalteten erfindungsgemäßen Klimageräten; und
Figur 2: eine vergrößerte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Klimageräts.
In Figur 1 ist eine Anlage 20 zur Temperaturregulierung dargestellt. Die Anlage 20 umfaßt mehrere parallel zueinander geschaltete Klimageräte 4. Die Klimageräte 4 sind über einen ersten Kühimittelkreislauf mit einem Rückkühler 1 verbunden. Jedes Klimagerät 4 weist eine Pumpe 2 zum Beaufschlagen eines Wärmetauschers 3 für freie Kühlung sowie eine Pumpe 5 zum Beaufschlagen eines Verflüssigers 6 auf. Mittels der Pumpen 2, 5 wird gleichzeitig das Kühlmittel in dem ersten Kühimittelkreislauf in Pfeilrichtungen 7, 8 umgewälzt. Die Pumpen 2, 5 sowie der Wärmetauscher 3 und der Verflüssiger 6 sind jeweils parallel zueinander geschaltet und weisen einen geringen hydraulischen Widerstand auf. Weiter sind die Pumpen 2, 5 getrennt voneinander in der Drehzahl regelbar. Hierdurch kann die Menge des durch den Wärmetauscher 3 und den Verflüssiger 6 gepumpten Kühlmittels getrennt vorgegeben werden.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Klimageräts 4. Die Pumpen 2, 5 sind in dem Klimagerät 4 angeordnet. In dem Klimagerät 4 ist ein zweiter Kühimittelkreislauf vorgesehen, der den
Verflüssiger 6, einen Verdampfer 1 3, ein Expansionsventil 1 4 und einen Kompressor 1 5 umfaßt. Zur Zwangsumwälzung der Luft ist weiter ein Lüfter 1 0 vorgesehen. Die Luft tritt in Pfeilrichtung 1 1 in das Klimagerät 4 ein, durchstömt einen Filter 9 zum Entfernen von Verunreinigungen, wird an dem Wärmetauscher 3 und dem Verdampfer 1 3 vorbeigeleitet, temperiert und schließlich in Pfeilrichtung 1 2 ausgestoßen. Das Klimagerät 4 ist über Anschlüsse 1 6, 1 7 an den ersten Kühimittelkreislauf angeschlossen.
Die Klimageräte 4 sind im Inneren eines Gebäudes, gegebenenfalls verteilt auf mehrere Stockwerke, aufgestellt. Der Rückkühler 1 ist außerhalb des Gebäudes, also im Freien angeordnet. Es ergeben sich drei Betriebszustände, die nachstehend für ein Klimagerät 4 beschrieben werden.
Im Winterbetrieb wird das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs durch den Rückkühler 1 stark abgekühlt. Das kalte Kühlmittel wird mit der Pumpe 2 durch den Wärmetauscher 3 für die freie Kühlung gepumpt. Wegen der niedrigen Temperatur des Kühlmittels kann die erforderliche Kälteleistung allein durch den Wärmetauscher 3 erbracht werden. Bei einem Anstieg der Raumtemperatur wird über einen geeigneten Regler die Drehzahl der Pumpe 2 erhöht und so die Kühlmittelmenge bedarfsgerecht geregelt.
Im Sommerbetrieb liegt die Temperatur des Kühlmittels auch nach dem Abkühlen im Rückkühler 1 noch oberhalb der Raumtemperatur. Die Pumpe 2 ist daher abgeschaltet, da die gewünschte Temperaturregulierung durch freie Kühlung nicht erreicht werden kann. Das Kühlmittel wird daher über die Pumpe 5 direkt zu dem Verflüssiger 6 gepumpt.
Zur Abkühlung dient der zweite Kühimittelkreislauf in dem Klimageräte 4, der in Figur 2 näher dargestellt ist. Dieser zweite Kühimittelkreislauf ermöglicht eine Abkühlung der Umgebung des Klimageräts 4 durch Umwälzen eines weiteren Kühlmittels. Die der Umgebung des Klimageräts 4 entzogene Wärme wird in dem Verflüssiger 6 an den ersten Kühimittelkreislauf und von dort über den Rückkühler 1 außerhalb des Gebäudes abgeführt. Die Pumpe 5 wird in Abhängigkeit von der Kühlleistung des zweiten Kühlmittelkreislaufs angesteuert. Diese Kühlleistung hängt von der von dem Kompressor 1 5 erzeugten Verdichtung ab, die sich über die elektrische Leistungsaufnahme oder dem Verflüssigungsdruck/Saugdruck des Kompressor 1 5 ermitteln läßt. Die Drehzahl der Pumpe 5 wird deshalb in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels oder dem Verflüssigungsdruck in dem zweiten Kühimittelkreislauf eingestellt. Hierdurch ist eine zuverlässige Wärmeabfuhr von dem Verflüssiger 6 zu dem Rückkühler 1 gewährleistet.
In der Übergangszeit ist die Kühlleistung des Wärmetauschers 3 für freie Kühlung bei steigender Außentemperatur für die gewünschte Temperaturregulierung nicht ausreichend. Es wird daher der zweite Kühimittelkreislauf des Klimageräts 4 zugeschaltet. Die Pumpen 2, 5 laufen während dieser Übergangszeit bedarfsgerecht. Die Pumpe 2 läuft hierbei mit Maximalleistung, um möglichst viel Kühlleistung zu erzeugen. Die verbleibende Kühlleistung wird über die Pumpe 5 und den zweiten Kühimittelkreislauf in dem Klimagerät 4 erzeugt. Die Pumpe 5 und der Kompressor 1 5 laufen hierbei mit vergleichsweise geringer Leistung und geringem Energieverbrauch.
Die Drehzahl der Pumpen 2, 5 und die dem Wärmetauscher 3 und dem Verfiüssiger 6 zugeführte Kühlmittelmenge wird in Abhängigkeit von
der benötigten Kühlleistung für jedes Klimagerät 4 individuell und autonom eingestellt.
Als Kühlmittel im ersten Kühimittelkreislauf wird bevorzugt eine Mischung von Wasser und Frostschutzmittel eingesetzt, während im zweiten Kühimittelkreislauf ein Kältemittel, beispielsweise R 22, verwendet wird.
Die erfindungsgemäßen Klimageräte 4 ermöglichen durch die Parallelschaltung des Wärmetauschers 3 und des Verflüssigers 6 eine erhebliche Verringerung des hydraulischen Widerstands. Hierdurch kann der zum Umwälzen des Kühlmittels in dem ersten Kühimittelkreislauf erforderliche Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Eine weitere Absenkung läßt sich durch den Einsatz von parallel geschalteten Pumpen 2, 5 erreichen, deren Drehzahlen getrennt voneinander einstellbar sind.