DE2502072B2 - Anlage zur Behandlung von Luft für Räume - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Behandlung von Luft für Räume gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um die ständig steigenden Ansprüche an die Leistungsfähigkeit in einem großen Arbeitsbereich und an die Wirtschaftlichkeit eines Betriebes besser zufriedenzustellen, wird die Funktion herkömmlicher Luftbehandlungsanlagen immer häufiger um ein Wärmepumpenverfahren ergänzt. Die Wärmepumpe dient dabei im Winter als Heizungssystem und im Sommer als Kühlsystem. Sie erfüllt den gleichen Zweck auch bei Klimaschwankungen während der übrigen Jahres- und Tageszeiten, die Erwärmung bzw. Kühlung verlangen, um das Klima im Inneren eines Hauses behaglich zu gestalten. In diesem Zusammenhang ist die Charakteristik einer Wärmepumpe von Interesse, die bekanntlich mehr Energie abgibt als für den Betrieb des Prozesses erforderlich ist Dies ist deshalb besonders zu erwähnen, weil bisher die Anlagen- und Unterhaltungskosten einer in Klimageräten integrierten Wärmepumpe der Anwendung in einem breiteren Ausmaß allzu oft hindernd im Wege standen.

Es ist bekannt, in einer Klimaanlage mehrere Wärmepumpen zu verwenden, deren einer Wärmeübertrager von der Außenluft bzw. der Außenluft und Umluft durchströmt wird, während ihr anderer Wärmeübertrager in einem Abluft und Außenluft führenden Luftkanal angeordnet sind (Sanitär- und Heizungstechnik, Heft 9/1973, S. 729, Bild 3). Eine solche Anordnung der Wärmeübertrager der hintereinander geschalteten Wärmepumpen hat jedoch zur Folge, daß die Wärmeübertrager jahreszeitabhängig mit stark unterschiedlichen Temperaturen arbeiten müssen, wodurch sich zwangsläufig stark variierende Betriebsverhältnisse für die Kompressoren und die übrigen Teile der Wärmepumpen ergeben. Ein großer Arbeitsbereich und starke Belastungsschwankungen bringen bekanntlich für eine Wärmepumpe den Nachteil eines hohen Verdichtungsverhältnisses für den Kompressor in der Wärmepumpe mit sich. Ferner führen sie zu niedrigen Verdampfungstemperaturen sowie hohen Druckrohrtemperaturen. Eine derartige Klimaanlage mit stark variierenden Betriebsverhältnissen muß deshalb notwendigerweise relativ oft, d.h. in kurzen Intervallen,

ίο entfrostet werden. Dies wird üblicherweise durch ein Umsteuern des Kühlmittelkreislaufes durchgeführt, so daß der Verdampfer des Kreislaufes als Kondensator und der Kondensator als Verdampfer arbeiten. Häufige Umsteuervorgänge erhöhten jedoch das Störungsrisiko derartiger Anlagen und verringern die Lebensdauer der Kompressoren, der Ventile und der übrigen Teile aufgrund der starken Beanspruchung der Kompressionteile, der Expansions- und Umsteuerungsventile wie auch der elektrischen Wicklungen für die Motoren in den Wärmepumpenanlagen.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, eine Anlage zur Behandlung von Luft für Räume mit mindestens zwei Wärmepumpen so auszubilden, daß bei guter Ausnutzung der vorteilhaften Eigenschaften von Wärmepumpen starke Belastungsschwankungen und das Erfordernis eines großen Arbeitsbereiches der Anlagenteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, eine kontinuierlich arbeitende Basiswärmepumpe und eine zeitweise arbeitende Zusatzwärmepumpe vorzusehen und den einen Wärmeübertrager der Basispumpe in einem ausschließlich Abluft führenden Abluftkanal anzuordnen, welche unabhängig von der Außentemperatur zu al)en Jahreszeiten eine relativ konstante Temperatur' aufweist, kann die Basiswärmepumpe derart ausgelegt werden, daß die Temperaturerniedrigung der Luft im Verdampfer nach dem Verdampfen eine Lufttemperatur ergibt, die hoch genug ist, eine Frostbildung auf der kalten Oberfläche des Wärmeübertragers zu vermeiden. Hierdurch kann also die Basiswärmepumpe in einem verhältnismäßig kleinen Arbeitsbereich kontinuierlich (d. h. ohne Unterbrechung zur Entfrostung) arbeiten, so daß der Betrieb der Zusatzwärmepumpe auf Perioden mit besonders niedrigen Außentemperaturen begrenzt werden kann. Da hierzu der eine Wärmeübertrager der Zusatzwärmepumpe in einem ausschließlich Außenluft führenden gesonderten Luftkanal angeordnet ist, die bei sehr niedrigen Außentemperaturen einen verhältnismäßig niedrigen Feuchtigkeitsgehalt hat, ist der sich auf dem Verdampfer hierbei bildende Frostbelag sehr gering, so daß die erforderlichen Entfrostungsintervalle im Ver gleich mit der obenerwähnten bekannten Anlage sehr groß sind. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit die erforderliche Anzahl von Entfrostungen pro Zeitperiode ohne großen technischen Aufwand in erheblichem Maße reduziert, so daß damit die

Lebensdauer der Anlagenteile erhöht wird.

Es ist zwar an sich bekannt, ein Basisaggregat zusammen mit einem Zusatzaggregat zum Auffangen von Spitzenbelastungen zu verwenden. Jedoch erschöpft sich die Erfindung darin nicht, sondern sie lehrt darüberhinausgehend, wie durch besondere Anordnung der Wärmeübertrager der Basiswärmepumpe und der Zusatzwärmepumpe starke Beanspruchungen und Belastungsschwankungen in der Anlage vermieden werden

können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß von denjenigen Wärmeübertragern der Wärmepumpen, die in dem Außenluft und Umluft führenden Zuluftkanal liegen, der Wärmeübertrager der Zusatzwärmepumpe im Zuluftstrom vor dem Wärmeübertrager der Basiswärmepumpe angeordnet ist Dadurch liegt der Wärmeübertrager der Zusatzwärmepumpe dort, wo die Luft ihre niedrigste Temperatur hat, was ein für den Verdichtungsprozeß günstiges Verdichtungsverhältnis mit mäßigen Gastemperaturen und geringen Materialbeanspruchungen mit sich bringt.

Jedoch kann es gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auch vorteilhaft sein, von den im Zuluftstrom des Raumes bzw. der Räume angeordnten Wärmeübertragern den Wärmeübertrager der Zusatzwärmepumpe im Zuluftstrom hinter dem Wärmeübertrager der Basiswärmepumpe anzuordnen. Hierdurch wird die zur zeitweisen Entfrostung der Zusatzwärmepumpe erforderliche Wärme der von der Basiswärmepumpe stammenden Kondensatorwärme entnommen, so daß die Entfrostung beschleunigt wird und die Entfrostungsperioden in dem Raum bzw. den Räumen nur wenig fühlbar werden.

Die Erfindung wird nachstehend näher erklärt und beschrieben, wobei auf die Zeichnungen bezug genommen wird:

F i g. 1 zeigt schematisch die Funktion der Anordnung und die darin enthaltenen Teile im Winterbetrieb, d. h. beim Heizen,

F i g. 2 zeigt in einem Diagramm (Druck als Funktion der Enthalpie) die Arbeitsweise der Basiswärmepumpe bzw. die Arbeitsweise der Zusatzwärmepumpe in der Vorrichtung,

Fig.3 zeigt schematisch die Anordnung beim Entfrosten der Zusatzwärmepumpe,

F i g. 4 zeigt schematisch die Arbeitsweise der Anordnung in einem Zustand gemäß F i g. 3,

F i g. 5 zeigt schematisch eine Anordnung, in der auch die Basiswärmepumpe mit einem 4-Wegeventil ausgerüstet ist, um auch die Basiswärmepumpe im Sommerbetrieb zum Kühlen verwenden zu können, und

F i g. 6 zeigt schematisch die Funktion der Anordnung und die darin enthaltenden Teile im Sommerbetrieb, d. h. beim Kühlen sowohl mit der Basiswärmepumpe als auch der Zusatzwärmepumpe.

Die Vorrichtung besteht, wie aus den F i g. 1,3 und 4 hervorgeht, aus jeweils zwei geschlossenen Systemen, von denen das jeweils unten dargestellte eine Basiswärmepumpe und das jeweils oben dargestellte eine Zusatzwärmepumpe ist. In allen Figuren sind die warmen Teile und die Leitungen, die warmes Medium befördern, mit schraffierten Pfeilen bezeichnet, während kalte Teile und Leitungen, die kaltes Medium befördern, mit unausgefüllten Pfeilen bezeichnet sind. Leitungen, die Flüssigkeit befördern, sind in den Figuren mit schwarz ausgefüllten Pfeilen bezeichnet.

In F i g. 1 bezeichnet I einen in jedem System, d. h. sowohl der Basiswärmepumpe, als auch der Zusatzwärmepumpe, angeordneten Kompressor. 2 bezeichnet ein sog. 4-Wegeventil. 3, 4 bezeichnen Wärmeübertrager, von denen in j dem System 3 ein Verdampfer und 4 ein Kondensator ist. 5 bezeichnet eine Warmgasleitung vom Kompressor 1 zum Kondensator 4, und 6 eine Flüssigkeitsleitung vom Kondensator 4 zum Verdampfer 3. 7 ist eine Saugleitung von Verdampfer 3 zum Kompressor 1. 8 bezeichnet ein Drosselmittel in der Flüssigkeitsleitung 6 zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 3. 9a und 96 bezeichnen einen Außenluftstrom für die Zusatzwärmepumpe. 10a und 106 bezeichnen einen Außenluftstrom für Lüftungszwecke. Die Pfeile Ua und 116 bezeichnen einen dem

s Raum entnommenen Luftstrom, der als Abluft zur Atmosphäre abgeleitet wird. Die Pfeile 12a und 126 bezeichnen einen dem Raum entnommenen Strom, der als Rückluft dem Raum wieder zugeführt wird und zusammen mit dem Außenluftstrom 10a-106 die Zuluft 14 des Systemes bildet Mit 13 ist die einsgesamt in die Atmosphäre entweichende Luft bezeichnet

In F i g. 2 sind in einem Druck-Enthalpie-Diagramm mit durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien als Beispiel gewählte Fälle des geschlossenen Arbeitsberei-

IS ches für eine Basiswärmepumpe bzw. eine Zusatzwärmepampe eingezeichnet Die Achsen stellen auf bekannte Weise die Enthalpie- bzw. Druckwerte während des geschlossenen Prozeßverlaufes dar. Die untere Grenzkurve 1-2 bezeichnet die Linie für den flüssigen Zustand, und die obere Grenzkurve 2-3 die Linie für den gasförmigen Zustand (trockener, gesättigter Dampf). Der Bereich für feuchten Dampf wird durch die beiden Grenzlinien 1-2 bzw. 2-3 abgegrenzt. 2 bezeichnet den sogenannten kritischen Punkt. Der Arbeitsbereich der Basiswärmepumpe ist mit A-B-C- D-A, und der entsprechende Arbeitsbereich für die Zusatzwärmepumpe mit A'-B'-C'-D'-A'bezeichnet. Die Strecke A-B stellt dabei die Ausdehnung des Mediums (der Flüssigkeit) dar, die in der Leitung 6 in F i g. 1 beim Passieren des Drosselmittels 8 erfolgt. Dieser Teil des Prozesses bedeutet, wie dargestellt, eine Druckabsenkung, die jedoch nur in einem solchen Grad erfolgt, daß Frostbildung vermieden wird. Die Strecke B-C stellt eine Verdampfung, unter Beibehaltung des Druckes im Verdampfer 3 in F i g. 1 dar. Das Medium gelangt nach Passieren des 4-Wegeventils 2 zum Kompressor 1, wo unter Temperaturanstieg die Verdichtung erfolgt, die im Diagramm mit C-D bezeichnet ist. Im Punkt D und rechts außerhalb der Grenzlinie 2-3 tritt das Medium nun in Form von überhitztem Dampf auf. Dieser Dampf wird zum Erwärmen der Außenluft 10a—106 und Rückluft 12a—126 im Kondensator 4 ausgenutzt, die in erwärmtem Zustand dem Raum (bzw. den Räumen) als Zuluft 14 zugeführt wird. Das Kondensieren des

Mediums im Kondensator 4 bedeutet einen Übergang vom Zustand Dampf in den Zustand Flüssigkeit, wobei Wärme frei wird. Die entsprechenden Teile des Arbeitsverlaufes für die Zusatzwärmepumpe sind mit A'-B' und B'-C sowie C-D' und schließlich D'-A' bezeichnet. Die Basiswärmepumpe ist für den Betrieb innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiches, in dem keine Frostbildung erfolgt, ausgeführt, während die Zusatzwärmepumpe für den Bereich über einen größeren Arbeitsbereich ausgebildet ist.

Durch die vorstehend beschriebene Gestaltung der Vorrichtung kann die Kapazität der Basiswärmepumpe so bemessen werden, daß die Betriebsperioden der Zusatzwärmepumpe im Winterbetrieb auf Klimaperioden begrenzt sind, in denen die Temperatur der Außenluft derart niedrig ist, daß auch deren Feuchtigkeitsgehalt niedrig ist und somit der aufgrund des Feuchtigkeitsgehaltes verursachte Frostbelag gering bleibt.

Beim Entfrosten der Zusatzwärmepumpe gemäß F i g. 3 hat das 4-Wegeventil 2 der Zusatzwärmepumpe die entgegengesetzte Einstellung als in Fig. 1, d.h. im Falle der Erwärmung. Im Gegensatz zu der in F i g. 1 dargestellten Funktion wird Wärme vom Wärmeüber-

trager 4 zum Wärmeübertrager 3 der Zusatzwärmepumpe übertragen und dadurch ein Entfrosten des Wärmeübertragers 3 bewirkt Der im Außenzuluftstrom angeordnete Wärmeübertrager 4 arbeitet dabei vorübergehend als Verdampfer, während der Wärmeübertrager 3 vorübergehend als Kondensator arbeitet. Der in den Zuluftstrom 14 eingebaute Wärmeübertrager 4 der Zusatzwärmepumpe ist an einer Stelle angeordnet, an der die Lufttemperatur ihren niedrigsten Wert hat, d. h. vor dem Wärmeübertrager 4 der Basiswärmepumpe. Dies erbringt ein für den Verdichtungsprozeß vorteilhaftes Verdichtungsverhältnis mit niedrigen Gastemperaturen und einer niedrigen Beanspruchung des Materials.

Wie in F i g. 4 gezeigt, ist es auch möglich anstelle der im Vorangegangenen beschriebenen Anordnung den im Zuluftstrom liegenden Wärmeübertrager 4 der Basiswärmepumpe vor dem im gleichen Luftstrom angeordneten Wärmeübertrager 4 der Zusatzwärmepumpe anzuordnen. Aufgrunddessen wird die für das Entfrosten der Zusatzwärmepumpe notendige Wärme von der von der Basiswärmepumpe herrührenden Kondensatorwärme entnommen, um das Entfrosten zu beschleunigen, so daß die Entfrostungsperioden in dem Raum bzw. den Räumen kaum fühlbar werden.

In der Praxis kann es zweckmäßig sein, auch dei Basiswärmepumpenzweig mit einem 4-Wegeventil ί wie es in F i g. 5 dargestellt ist, auszustatten. Der übrig' Teil der Figur zeigt dieselbe Arbeitsweise wie die de Vorrichtung nach F i g. 1. Dank dieser Ausrüstung kam die Anordnung im Sommer zur Kühlung eines ode mehrerer Räume mit Hilfe von einer oder auch beidei Wärmepumpen verwendet werden. Wird die Anord nung für das Kühlen im Sommerbetrieb, wie dies ii

ίο Fig.6 dargestellt ist, verwendet, so bewirkt eim Umsteuerung der Wärmeübertrager 3 und 4 durch da 4-Wegeventil 2, daß der Wärmeübertrager 3 al Kondensator und der Wärmeübertrager 4 als Verdamp fer wirkt, und zwar entweder in beiden Wärmepumper also in der Basiswärmepumpe und in der Zusatzwärme pumpe, oder in nur einer von beiden. Bei einen Umschalten eines oder beider 4-Wegeventile wirkt dii Leitung 5 als Saugleitung zwischen dem Verdampfer > und dem Kompressor 1, während die Leitung 7 al Heißgasleitung vom Kompressor 1 zu den Kondensato ren wirkt, die in der Luft angeordnet sind, und zwar ii bereits verbrauchter Luft im Basiswärmepumpenzweij im unteren Teil der schematischen Darstellung bzw. ii Außenluft im Zusatzwärmepumpenzweig im oberei Teil der schematischen Darstellung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Anlage zur Behandlung von Luft für Räume, mit mindestens zwei Wärmepumpen, deren einer Wärmeübertrager von der Außen- bzw. Abluft und deren anderer Wärmeübertrager von der Außen- bzw. Umluft durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kontinuierlich arbeitende Basiswärmepumpe und mindestens eine zeitweise arbeitende Zusatzwärmepumpe vorgesehen sind, wobei der eine Wärmeübertrager (3) der Basiswärmepumpe in einem ausschließlich Abluft führenden Abluftkanal (Ua-Hb) und der eine Wärmeübertrager (3) der Zusatzwärmepumpe in einem ausschließlich Außenluft führenden gesonderten Luftkanal (9a—9b) angeordnet sind, und daß die anderen Wärmeübertrager (4) der Basis- und der Zusatzwärmepumpe in dem Außenluft und Umluft führenden Zuluftkanal (14) liegen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den anderen Wärmeübertragern (4) im Zuluftkanal (14) der Wärmeübertrager (4) der Zusatzwärmepumpe vor dem Wärmeübertrager (4) der Basiswärmepumpe angeordnet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den anderen Wärmeübertragern (4) im Zuluftkanal (14) der Wärmeübertrager (4) der Zusatzwärmepumpe hinter dem Wärmeübertrager (4) der Basiswärmepumpe angeordnet ist.