DD159810A1 - Waermepumpeneinrichtung fuer die waermeversorgung der duesenkonvektoren von hd-induktionsklimaanlagen - Google Patents

Abstract

Diese Einrichtung ist Bestandteil einer lufttechnischen Anlage zur Klimatisierung grosser Gebaeude. Ziel ist es, die Abwaerme der Fortluft zum Betreiben einer Waermepumpe zu nutzen. Aufgabe ist es, die ueber eine zentrale Waermepumpe zur Verfuegung gestellte Waerme in den einzelnen Anlagen so zu regeln, dass die Waermeerzeugung davon nicht direkt beeinflusst wird. Der Einsatz erfolgt in einer konventionellen Anlage, deren Versorgung mit Heizenergie dergestalt geaendert wird, dass durch den Einbau von mit Kaeltemittel durchflossenen Waermeuebertragern in die moeglichst zentralisierten Fortluftstroeme des Gebaeudes dieser Luft Waerme entzogen wird. Durcheine Mischregelung erfolgt abhaengig von derhimmelsrichtungsorientierten lufttechnischen Anlage die Heizlast.

Description

Titel der Erfindung'

Wärmepumpeneinrichtung für die Wärmeversorgung der Düsenkonyektoren von HD-Induktionsklimaanlagen

Anwendungsgebiet.der Erfindung .

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpeneinriehtung für die Wärmeversorgung der Düsenkonvektoren von HD-Induktionsklimaanlagen im sekundären Kreislauf, die Bestandteil lufttechnische: Anlagen für die Kühlung und Heizung, d. h. Klimatisierung von großen Gebäuden sind, wobei zur erhöhten energetischen Ausnutzung der Abwärmemengen eine bivalente Nutzung der rückgewonnenen Wärme zur Warmwasserbereitung in Zeiten.geringer oder FuIl-Heizlast in der lufttechnischen Anlage als möglich vorgesehen wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In Düsenkonvektoren wird durch aus einem Düsensatz austretende, zentral aufbereitete 'Primärluft infolge einer Induktion Raumluft, d. h. Sekundärluft, in den Konvektor gesaugt und jahreszeitabhängig durch einen im Düsenkonvektor befindlichen Wärmeüberträger geheizt oder gekühlt. Die angesaugte Sekundärluft beträgt dabei bauartabhängig das zwei- bis vierfache der Primärluftmenge. Die hierzu eingesetzten Hochdruck-Induktiohsanlagen haben die Eigenheit, im Regelfall eine örtliche Trennung der den Anlagen zugeführten Heiz- und Kühlenergien vorzunehmen. Um eine Einsparung an· Energie zu erreichen, wird u. a. in der BRD-OS 24 11 558 eine Ho.chdrückinduktions-Klimaanlage beschrieben, in der in den Abluftstrom wenigstens ein weiterer Wärmetauscher angeordnet ist, der in den Kreislauf des mit dem Verdampfer der Kältemaschine im Wärmeaustausch stehenden Wärmeübertragungsmediums' einschaltbar ist. Diese Einrichtung zielt darauf, mittels der Kältemaschine der Abluft Wärme zu entziehen und der Primärluft wieder zuzuführen.

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Die Primärluft wird somit an zentraler Stelle so aufbereitet, daß sie annähernd mit einem Temperaturwert, der dem gewünschten Raumluftwert entspricht, in die.Düsenkonvektoren zur Auslösung der Induktion eintritt.

Dieser Energieanteil entspricht also .dem der Außenluftaufbereitung entsprechenden Anteil und erfordert, da der Größe der Wärmeübertragerflächen in der Anlage. Grenzen u. a. zur Vermeidung von Druckverlusten gesetzt sind, hohe Temperaturdifferenzen zwischen den am Energieaustausch beteiligten Medien. Weiterhin wird in der DD-PS 10 39 58 eine Einrichtung zur Klimatisierung beschrieben, in v/elcher mit Klimageräten, d. h. mit Geräten in denen eine Außenluftaufbereitung und Regelung des gewünschten Raumklimas zentral erfolgt, ausgerüstete Einzelräume versorgt werden.

Die Bereitstellung von Lüftungs- und Transmissionswärmebedarf erfordert im Teilklimagerät die bereits erwähnten hohen, den Yfärmepumpenprozeß unwirtschaftlich beeinflussenden, im Regelfall diesen ausschließende, Vorlauftemperatüren bei der Wärmeversorgung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Abwärme der Portluft oder andere Abwärmequellen eines klimatisierenden Gebäudes zu nutzen, wobei eine Wärmepumpe so eingesetzt werden soll, daß mit geringen Verdichtungstemperaturen T1 gearbeitet vferden und ganzjährig Wärmeenergie mit hohem Wirkungsgrad für die haustechnische Versorgung rückgewonnen werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 'Wärmepumpeneinrichtung für die Wärmeversorgung der Düsenkonvektoren von Hochdruck-Induktionsanlagen zu schaffen, wobei eine zentrale "Wärmepumpe vorgesehen 1st und die Düsenkonvektoren der einzelnen Anlagen eine eigene Temperaturregelung- aufweisen, wodurch die, über die Wärmepumpe zentral zur Verfugung gestellte Wärme, davon nicht direkt beeinflußt, über eine konstante Temperatur im Kondensator/Speicher geregelt v/erden kann.

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Die. Merkmale der Erfindung sind darin zu sehen, daß die speziellen, durch den Düsenkonvektoreneinsatz möglichen niedrigen Heizmitteltemperaturen~die volle Deckung des'Transmissionswärmebedarf s bei hohen Wirkungsgraden für den Wärmepumpenprοzeß ermöglichen und eine Mischregelung des Warmwasserstromes in einzelnen Heizkreisen der Anlagen vorgesehen ist, wobei diese Heizkreise aus einem gemeinsamen mit Reserveheizung versehenen Speicherbehälter gespeist v/erden, der in dem Wärmepuinpenprozeß den Kondensator darstellt, wobei über Zweiwegeventil im Bedarfsfall auf einen zweiten zur Warmwasserbereitung dienenden ebenfalls mit Reserveheizung ausgerüsteten Warmwasserbereiter umgeschaltet wird, daß mindestens ein Wärmeübertrager im möglichst zentralen Portluftstrom angeordnet ist, der als Verdampfer dient und mit einem Kältemittel direkt beaufschlagt ist. Die sich aus dem Einsatz der vorgeschlagenen Lösung ergebenden. Vorteile sind darin zu sehen, daß die dem Wärmepumpenprozeß als Bewertungsgröße' zugeordnete Xeistungsziffer^ bzw. £ im Einsatzfall für die Wärmeversorgung von Düsenkonvektoren optimale Vierte erreichen und bei Vorhandensein einer ausreichenden Abwärmemenge die erforderlichen Vorlauftemperatüren des Heizmediums ohne zusätzliche konventionelle Wachheizung wirtschaftlich erreichbar sind.

Vorzusehende derartige, von herkömmlichen Wärmeträgern beheizte Anlagenteile würden lediglich die Aufgabe einer Reserveanlage für den Havariefall haben.

Weiterhin ist die Raumtemperaturregelung im Wirkungsbereich einer Anlage durch die vorgesehene Mischregelung, die die Regelung des Wärmepumpenprozesses nur indirekt beeinflußt und dadurch eine Mehrzahl von Anlagen mit unterschiedlichen Ansprüchen an das Wärmeangebot bzw. die zuzuordnende Vorlauftemperatur des sekundären Heizkreises über eine zentrale Wärmepumpenanlage versorgt werden können, vorteilhaft möglich. Weitere Vorteile sind, daß die Leistungsregelung der Wärmepumpe ausschließlich von der Heizwassertemperatur im gleichzeitig als Kondensator des Wärmepumpenprozesses dienenden-Speieher vorgenommen wird oder bei aufgeladenem Speicher eine Umschaltung auf den Warmwasserbereiter als Kondensator nur von der dort herrschenden

Temperatur gesteuert wird, d. h· die Vielzahl der verschiedenen Raumtemperatureinflüsse des Gebäudes für die Leistungsregelung werden direkt ausgeschaltet.

Durch die Parallelschaltung des Warmwasserbereiters mit einer geregelten Beaufschlagung durch die Wärme aus dem "Wärmepumpenprozeß wird erreicht, daß bei einem Wärmeangebot, welches größer ist als die geforderte sekundäre,Heizleistung für die Düsenkonvektoren, praktisch über das ganze Jahr Wärme aus dem Wärmepumpenprozeß und damit Abwärme mit hohem Nutzeffekt wirtschaftlich zurückgewonnen werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Pig. 1: ein Schaltschema der vorgeschlagenen Lösung

Fig. 2i ein Vorauswahl-Diagramm. . '

Das Schaltschema nach Fig. 1 zeigt die Wärmeversorgung der Düsenkonvektoren mittels einer "Wärmepumpe. Die Wärmepumpe ist über einen Vorlaufverteiler 1 und einen Rücklaufverteiler 2 mit den einzelnen Anlagen verbunden, wobei nur eine Anlage dargestellt wird. Vom Vorlaufverteiler wird das Warmwasser über ein Ventil 3 und ein erstes Umschaltventil 4 für Heizung und Kühlung mittels einer Pumpe 5 durch die parallelgeschalteten Düsenkonvektoren 6.bis 6n gepumpt. Das abgekühlte Wasser wird über ein zweites Umschaltventil 7 für Heizung und Kühlung und ein Mischventil 8, welches bei Heizbetrieb zur Mischungsregelung der Vorlauftemperatur eingesetzt wird, über ein Ventil 9 auf den Rücklaufverteiler 2 geführt. Die beiden Verteiler 1; 2 sind über ein Motorregelve.ntil 10 und die zugehörige Druckdifferenzregelung 11 miteinander verbunden. Mittels der beiden'Umschaltventile 4; 7 kann die Warmwasserversorgung auf eine Kaltwasserbeaufschlagung umgeschaltet werden. Ausschlaggebend dafür ist eine Außentemperaturmeßstelle 12 als Führungsgröße· und eine Raumtemperaturmeßstelle 13 als Regelgröße sowie eine Vorlauftemperaturmeßstelle 16 für die Düsenkonvektoren als Rückführung. Je nach Raumluftzustand werden vom Raumtemperatursoliwert die Umschaltventile 4; 7 angesteuert, wobei erst bei voll geöffnetem bzw. geschlossenem Ventil

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die jeweilige Regelung der Energieströme Kaltwasser über einen Kälteumformer 14 bzw. Warmwasser aus. einem Speicher 18 möglich werden. Das Zusammenspiel dieser Meßstellen 12; 13| 16 dient zur Stabilisierung der Regelung und zur Beeinflussung der Totzeiten der Regelstrecke.

' Vom Rüeklaufverteiler 2 wird das Wasser über ein nachgeschaltete Ventil 17 in einen Kondensator 18,der als Warmwasserspeicher dient, geführt. Dieser Kondensator 18 weist eine Umwälzpumpe 19 auf, die zum Temperaturausgleich im Kondensator dient. Vom

••Kondensator 18 wird das wieder erwärmte Wasser mit konstanter Temperatur über ein Ventil 20 auf den Vorlauf.verteiler 1 geführt.

Zur Versorgung'mit Heizenergie ist ein mit"einem Kältemittel durehfIo ssener Wärmeübertrager 21 vorgesehen. Dieser Wärmeübertrager 21 liegt in den möglichst zentralisierten Portluftströmen des*Gebäudes. Durch den Entzug von Wärme' aus der Portluft verdampft das Kältemittel. Der Kältemitteldampf wird von einem Kompressor 22 angesaugt und unter Zufuhr von Verdichtungsarbeit auf eine höhere Temperatur erwärmt. Dieser am Endpunkt der Verdichtung etwas überhitzte Dampf tritt über ein Zweiwegeventil 23 in den Kondensator 18 ein, der wie erwähnt als Wärmespeicher ausgebildet ist und dem Kältemittel die Verdampfungswärme entzieht und damit dem bereits geschilderten sekundären Heizkreislauf zur Verfugung stellt. Vom Kondensator 18 wird das nun v^ieder als Flüssigkeit vorliegende Kältemittel über ein weiteres Zweiwegeventil 24 und ein Reduzierventil 25 in den Wärmeübertrager 21 gebracht, wobei im Reduzierventil 25 die Druckminderung auf den Ausgangsdruck P des Wärmepumpenprozesses erfolgt. . .

Die beiden Zweiwegeventile 24; 25 dienen dazu, außerhalb von der Heizperiode bzw. in Minderlastzeiten die anfallende Wärmeenergie auch zur Warmwasserbereitung zu verwenden. Aus diesem Grund wird dann in einem Warmwasserbereiter 26, der an eine konventionelle Wärmeversorgung angeschlossen ist, der erhitzte Kältemitteldampft über eine dort eingebaute Heizschlange geführt.' · . ' ' Die Betätigung der .Zweiwegeventile 23.; 24 erfolgt über eine Temperaturmeßstelle 28, desgleichen die Wahl der Stufe der Ver-

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der Wärmepumpenanlage bei'voll geladenem Speicher 18 und V/armwasserbereiter 26 entsprechend der' eingestellten Sollwerttemperatur. ·

Zu den im Folgenden beschriebenen Anwendungsfall dient das in Fig. 2 dargestellte Vorauswahl-Diagramm als Hilfsmittel. In einem mehrgeschossigen Bürohaus ist eine Vollklimatisierung mittels Hochdruck-Induktibnsklimaanlagen realisiert. Die zentrale Fortluftführung erfolgt in zwei Schächten über dem Dach des Gebäudes. Die maximale Heizleistung über den sekundären Heizkreisbedarf für die Düsenkonvektoren beträgt

^QHEIZ_Ö ^{Α 2}>³² * ¹°^{6 KJ/il = 645 kW}

bei Vorlauftemperaturen in den verschiedenen Heizkreisen zwischen

·" ³⁹'⁵ °⁰· ,

Die Fortluftmenge in den beiden Schächten beträgt insgesamt bei Ansatz eines maximalen Umluftbetriebes für alle sonstigen im Gebäude installierten lufttechnischen Anlagen als Minimalmenge

⁰⁰° ³

Für die Portlufttemperatur kann mit einem Mindestwert von •tr™ = 23 ⁰C gerechnet werden.

Pur die maximale Vorlauftemperatür, d. h* die Warmwassertemperatur im Speicher wird von ty_ww = 40 ⁰C ausgegangen.

In erster Näherung wird mit einer Leistungsziffer, d. h. Gütegrad für den gesamten Wärmepumpenprozeß von

£_ β 4,7 gerechnet, β

Damit ergibt sich eine im Wärmepumpenprozeß aufzuwendende elektrische Leistung von

= m =137 kW

Cg ^» '

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die in Form von V/ärme zur Erreichung der Verdichtungstemperatur

T. an den Wärmeübertrager übergeht. ·

Damit wird die aus der Abluft zurückzugewinnende Wärmemenge

% * ^QHBIZ. -^Pel^{a 645} - ¹³⁷ »508 kW.

Bezogen auf die zur Verfugung stehende For.tluftmenge ergibt das eine maximale Temperaturdifferenz von Δ tr-ρ- = 10,6 ⁰K.

Damit ergibt sich die Verdampfungstemperatur des Kältemittels zu T₀= ([273+Ct^₀ -^W]-5J {["273 + (23 - 10,6)] - 5]

280,4 ⁰K

Demgemäß wird die Verdichtungs-Endtemperatür bei einer geforderten Heizwassertemperatur t„· von 40 ⁰C ·

- [(273 + t_Vww) + 5] [⁰K] = [(273 + 40) + 5]

= . 318 ⁰K. ·

Aus den Werten für die Verdarnpfungstemperatur T und Verdichtung st emperatur T. ermittelt sich die Leistungsziffer nach dem Carnot-Prozeß als Vergleichsprozeß zu

£0 -STT-T-*⁸'⁵.

Damit ergibt sich mit der eingangs getroffenen Annahme einer" Leistungsziffer von£ =4,7 für den Gesamtprozeß ein erforderlicher Gesamtwirkungsgrad von

Dieser Wert ist real erreichbar. Pur'den Wärmepumpenbetrieb in

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steigenden Fortluftmengen und der geringer werdenden Temperatur differenz Δt-p eine Anhebung der Verdampfungstemperatur T ; so daß trotz Annebung der Verdichtungstemperatur T. auf 328 ⁰E die Leistungsziffer £ gehalten werden kann*

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Wärmepumpeneinrichtung für die Wärmeversorgung von Düsenkonvektoren in einer Hochdruck-Induktionsklimaanlage, bei der über Vorlauf- und Rücklaufverteiler mehrere unterschiedliche Anlagen betrieben werden, wobei mittels einer Wärmepumpe die Fortluftwärme für Heizzwecke genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die speziellen, durch den Düsenkonvektoreneinsatz möglichen niedrigen Heizmitteltemperaturen die volle Deckung des Transmissionsrvärmebedarf s bei hohen Wirkungsgraden für den Wärmepumpenprozeß ermöglichen und eine .Mischregelung, des Warmwasserstromes in den einzelnen Heizkreisen der Anlagen vorgesehen ist, wobei diese Heizkreise aus einem gemeinsamen mit Reserveheizung versehenen Speicherbehälter (18) gespeist werden, der in dem Wärmepumpenprozeß den Kondensator darstellt, wobei über Zweiwegeventile (23; 24) im Bedarfsfall auf einen zweiten zur Warmwasserbereitung dienenden ebenfalls mit Reserveheizung ausgerüsteten Warmwasserbereiter (26) umgeschaltet wird, daß mindestens ein Wärmeübertrager (21) im möglichst zentralen Portluftstrom angeordnet ist, der als Verdampfer dient und mit einem Kältemittel direkt beaufschlagt ist.

   Hierzu..^. Seiten Zeichnungen