EP3770534A1 - Vorrichtung und verfahren zur belüftung einer wärmepumpe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur belüftung einer wärmepumpe Download PDF

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EP3770534A1
EP3770534A1 EP20187126.6A EP20187126A EP3770534A1 EP 3770534 A1 EP3770534 A1 EP 3770534A1 EP 20187126 A EP20187126 A EP 20187126A EP 3770534 A1 EP3770534 A1 EP 3770534A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
working fluid
air
housing
heat
electronics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20187126.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnold Wohlfeil
Stefan Roth
Wolfgang Breckerfeld
Antje Winkler
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.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP3770534A1 publication Critical patent/EP3770534A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • 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
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/005—Arrangement or mounting of control or safety devices of safety devices
    • 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
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the invention relates to irregular states in refrigeration circuits in which a working fluid acting as a refrigerant is guided in a thermodynamic cycle, such as the Rankine cycle, and to their safety device.
  • thermodynamic cycle such as the Rankine cycle
  • These are mainly heat pumps installed indoors, but also air conditioning and cooling devices such as those commonly used in residential buildings.
  • Residential buildings are understood to mean private houses, apartment complexes, hospitals, hotel facilities, restaurants and combined residential and commercial buildings in which people live and work permanently, in contrast to mobile devices such as car air conditioning systems or transport boxes, or industrial systems or medical devices. What these cycle processes have in common is that they generate useful heat or useful cooling using energy and form heat displacement systems.
  • thermodynamic cycle processes used have been known for a long time, as have the safety problems that can arise when using suitable working fluids. Apart from water, the most popular working fluids of the time are flammable and poisonous. In the past century, they led to the development of safety refrigerants, which consisted of fluorinated hydrocarbons. However, it turned out that these safety refrigerants lead to global warming and that their safety-related harmlessness led to constructive inattention. Up to 70% of the turnover was accounted for by the need to refill leaky systems and their leakage losses, which was accepted as long as this was perceived as economically justifiable in individual cases and encouraged the need for replacement.
  • Today's refrigeration circuits are equipped with these safety refrigerants of safety class A1, i.e. they are non-toxic and non-flammable.
  • the most common refrigerants in the field of heat pump applications are the refrigerants R134a, R407C and R410A, all of them fluorocarbon compounds.
  • the use of these refrigerants was not subject to any restrictions until January 2015, the introduction of the F-Gas Regulation (EU) 517/2014 on January 01, 2015 will in future restrict the use of fluorocarbon refrigerants via quantity restrictions in the European Union in such a way that the prices of previous refrigerants will rise significantly.
  • the aim of the F-gas regulation is the medium-term ban of greenhouse gas-promoting refrigerants and the replacement by natural refrigerants or chemical refrigerants with a significantly reduced global warming potential.
  • the EN 378 standard and its specifications for installation are also relevant.
  • refrigerants belong to the group of flammable or toxic refrigerants, especially the technically most promising refrigerants such as R290 (propane) and R1270 (propylene).
  • heat pumps installed outside differ considerably from those installed inside. While protection from the weather in the form of rain, frost and icing dominates with heat pumps installed outdoors, installation indoors is similar to the situation in data centers.
  • the electronic components are housed separately and cooled with air or with ambient air.
  • a ventilation system for the electronics and a ventilating flushing system are provided around the heat pump apparatus, which are operated independently of one another.
  • the DE 44 13 130 C2 describes a cooling device for a switch cabinet, in which cold generating devices and a secondary circuit are housed and separated from one another by a gas-impermeable partition from the interior of the switch cabinet.
  • a cold brine circulates in the secondary circuit, which cools the contents of the control cabinet via a heat exchanger.
  • the cold brine is cooled by the primary circuit in which the refrigerant circulates in a known manner.
  • the waste heat is taken from the primary circuit in the usual way in a condenser DE 44 13 130 C2 teaches to dissipate heat to the environment.
  • the heat pump must provide heat on demand, which can either be used for heating or to generate hot water, but it should be recycled. In summer there is no heating, but heat can be used in long-term storage or for pools. The heat can also come from cooling the living space. The focus of heat pumps is therefore on using the heat generated. As a rule, this heat is obtained from the surroundings of the house, be it from outside air or groundwater or from geothermal extraction. Due to the often considerable waste heat from the electronics of inverters and In the present case, the control electronics of heat pumps should also turn the waste heat into useful heat.
  • the object of the invention is therefore to provide a safe device for simultaneous ventilation of the apparatus of the heat pump installed inside and the use of the heat from the electronics, which device no longer has the disadvantages described.
  • a housing is referred to as a working fluid housing which includes all devices connected to the closed working fluid circuit and can include further devices, including a housing for the electronic devices.
  • An electronics housing is a housing that contains all electronic devices, including the power electronics and the control electronics; it can also be divided, contain externally accessible slots or have an additional cooling device, e.g. water cooling or a heat pipe.
  • a branch with at least two branches for air is provided in the outflow area after the electronics housing, one branch being returned to the working fluid casing and cooled there and the other branch having an outlet from the building.
  • the branch is designed to be switchable, so that either one or the other branch is open and the other is closed.
  • a closable air inlet opening is provided in the working fluid housing.
  • a third branch for direct delivery of heating air into the installation room can also be provided.
  • the branch that leads from the electronics housing back into the working fluid housing is open and the air inlet is closed. If a leak is detected, the air inlet opening is opened and the air branch into the working fluid housing is closed. In this case, the contaminated air is led into the open by the conveying fan and air from the building in which the heat pump is installed is sucked into the working fluid housing for flushing.
  • the air inlet opening is equipped with a non-return device so that in the event of an overpressure situation due to a major leak, no contaminated air can get into the installation room.
  • the conveyor fan is equipped with a battery that can provide an amount of energy that is sufficient in the event of a power failure to convey a volume of gas through the working fluid housing that is large enough to safely ventilate the entire working fluid without that an ignitable mixture is formed.
  • a battery that can provide an amount of energy that is sufficient in the event of a power failure to convey a volume of gas through the working fluid housing that is large enough to safely ventilate the entire working fluid without that an ignitable mixture is formed.
  • the specialist must provide the amount of energy to be provided depending on the installation conditions, the efficiency and the pressure loss of the discharge.
  • the air which is normally returned to the working fluid housing, is cooled in the working fluid housing by being guided past a line leading from or to the evaporator before it is dispersed into the working fluid housing.
  • the waste heat from the heat pump can be used as a heat source.
  • this can also be done using a suitable heat exchanger.
  • the heat exchanger can also be attached on the high pressure side of the working fluid or on the primary or secondary side of the heat transfer fluid, that is to say water or brine.
  • the electronics housing is directly adjacent to the working fluid housing, preferably at the front, or is integrated therein. In this way, additional sound insulation can be achieved.
  • a temperature sensor is provided at the air outlet of the electronics housing, which regulates the conveying fan speed and, if the control range is left, outputs an alarm.
  • the alarm can also be provided that the system is then switched off or put into a secured state.
  • speed monitoring or flow monitoring is also possible.
  • a gas detector for flammable working fluid is provided at the air inlet of the electronics housing.
  • this gas detector or another leakage detection system gives a positive signal, the air branching to the outlet from the building is switched, the air inlet is opened, the conveyor fan speed is set to the maximum value and an alarm is triggered.
  • the waste heat from the electronics is used as a heat source for the useful heat of the heat pump, the heat being fed to the working fluid on the outflow side for pressure reduction in a heat exchanger.
  • Fig. 1 a simplified scheme of the air flow.
  • Fig. 1 shows a heat pump based on a schematic diagram of a refrigeration circuit 1 with a compressor 2, a condenser 3, a pressure reduction 4 and an evaporator 5 in a working fluid housing 6 and a directly connected electronics housing 7.
  • the refrigeration circuit 1 is operated with the flammable working fluid propane, which is also known as R290.
  • a suction opening 8 with a gas detector 9 is provided, which is connected to the electronics housing 7.
  • the air enters the air outlet 10 with the temperature sensor 11 from the electronics housing 7 and is conveyed by the conveying fan 12 to the air branch 13.
  • the first branch guides the heated cooling air 14 via the circulating air line 15 to the heat exchanger 16 and then back again into the working fluid housing 6.
  • the second branch leads out of the building as exhaust air 17 and is used when the signal at the gas detector 9 is positive.
  • the air inlet opening 18, which is equipped with the non-return valve 19, is unlocked so that air can flow in from the building.
  • the heat utilization of the waste heat from the electronics cooling results from the fact that the heated cooling air 14 is guided via the circulating air line 15 to the heat exchanger 16, where it gives off its heat to the liquid working fluid.
  • the working fluid is preferably not yet evaporated; it is only preheated before it reaches the evaporator 5.
  • the heat exchanger 16 serves as a preheater. An arrangement of the heat exchanger 16 after the evaporator 5 is also possible, but in terms of equipment is more complex, in such a case the heat exchanger 16 would act as a superheater.
  • the heat obtained from the waste heat of the electronics is extracted in a known manner from the condenser 3, which is connected via an underfloor heating flow 21 and an underfloor heating return 22 to an underfloor heating 23, which is charged with a heat transfer fluid.
  • the waste heat from the electronics can also be used directly for heating by providing the air branch 13 with three branches, of which the third branch leads as heating air 20 in normal operation directly into the installation room, if this is desired, in which case the Air inlet opening 18 is also opened.

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Abstract

Lüftungsvorrichtung und Belüftungsverfahren für eine innen aufgestellte Wärmepumpenanlage, die mit einem entzündlichen oder giftigen Arbeitsfluid betrieben wird, wobei das Arbeitsfluid in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf (1) geführt wird, der Arbeitsfluidumlauf (1) mindestens aufweisend einen Verdichter (2) für Arbeitsfluid, eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid, zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide, wobei die Wärmeüberträgerfluide mit mindestens einer Einrichtung zur Wärmenutzung verbunden sind, ein Arbeitsfluidgehäuse (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf (1) angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann, ein Elektronikgehäuse (7) für Elektronik, die zum Betrieb der Wärmepumpe dient und an sie angeschlossene Ausrüstungen mitbedienen kann, wobei ein Fördergebläse (12) vorgesehen ist, das Luft aus dem Arbeitsfluidgehäuse (6) ansaugt und diese Luft zur Kühlung durch das Elektronikgehäuse (7) führt, wobei die Elektronik, ihr Elektronikgehäuse (7), das Fördergebläse (12) und alle damit verbundenen Einrichtungen zündquellenfrei ausgeführt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird, sowie deren Sicherheitseinrichtung. Vorwiegend sind dies innen aufgestellte Wärmepumpen, aber auch Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind. Unter Wohngebäuden werden dabei Privathäuser, Miethauskomplexe, Krankenhäuser, Hotelanlagen, Gastronomie und kombinierte Wohn- und Geschäftshäuser verstanden, in denen Menschen dauerhaft leben und arbeiten, im Unterschied zu mobilen Vorrichtungen wie KFZ-Klimaanlagen oder Transportboxen, oder auch Industrieanlagen oder medizintechnischen Geräten. Gemeinsam ist diesen Kreisprozessen, dass sie unter Einsatz von Energie Nutzwärme oder Nutzkälte erzeugen und Wärmeverschiebungssysteme bilden.
  • Die zum Einsatz kommenden thermodynamischen Kreisprozesse sind seit langem bekannt, ebenso die Sicherheitsprobleme, die bei der Verwendung geeigneter Arbeitsfluide entstehen können. Abgesehen von Wasser sind die bekanntesten damaligen Arbeitsfluide brennbar und giftig. Sie führten im vergangenen Jahrhundert zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel, die aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestanden. Es zeigte sich jedoch, dass diese Sicherheitskältemittel zur Klimaerwärmung führen und dass ihre sicherheitstechnische Unbedenklichkeit zu konstruktiven Unachtsamkeiten führte. Bis zu 70 % des Umsatzes entfiel auf den Nachfüllbedarf undichter Anlagen und deren Leckageverluste, der hingenommen wurde, solange dies im Einzelfall als wirtschaftlich vertretbar empfunden wurde und Bedarf an Ersatzbeschaffung förderte.
  • Heutige Kältekreise sind ausgestattet mit diesen Sicherheitskältemitteln der Sicherheitsklasse A1, d.h. sie sind nicht giftig und nicht brennbar. Die gebräuchlichsten Kältemittel im Bereich der Wärmepumpenanwendungen sind die Kältemittel R134a, R407C bzw. R410A, allesamt Fluorkohlenwasserstoffverbindungen. Der Einsatz dieser Kältemittel war bis Januar 2015 keinerlei Restriktionen unterworfen, die Einführung der F-Gase-Verordnung (EU) 517/2014 zum 01. Januar 2015 schränkt zukünftig die Anwendung von Fluorkohlenwasserstoff- Kältemitteln über Mengenbegrenzungen in der Europäischen Union derartig ein, dass die Preise bisheriger Kältemittel deutlich ansteigen werden. Ziel der F-Gase-Verordnung ist die mittelfristige Verbannung der treibhausgasfördernden Kältemittel und den Ersatz durch natürliche Kältemittel bzw. gegen chemische Kältemittel mit erheblich reduziertem Treibhauspotenzial. Einschlägig sind auch die Norm EN 378 und ihre Vorgaben zur Aufstellung.
  • Nachteilig ist jedoch, dass nahezu alle Kältemittelalternativen zur Gruppe der brennbaren oder giftigen Kältemittel gehören, insbesondere die technisch vielversprechendsten Kältemittel wie z.B. R290 (Propan) und R1270 (Propylen). R170 (Ethan), R717 (Ammoniak), R600 (n-Butan), R600a (Isobutan), R245fa (1,1,1,3,3 Pentafluorpropan), R723 (Dimethylether/ Ammoniak), R744a (Distickstoffmonoxid) sowie Mischungen aus diesen Kältemitteln und vielen anderen.
  • Dies führt zu Sicherheitsproblemen bei Leckagen. Während bei außen aufgestellten Luft-Wasser-Wärmepumpen eine Belüftung vergleichsweise unproblematisch ist, weil im Normalbetrieb eine so große Menge Luft durch die Außeneinheit strömt, dass sich leckagebedingt austretendes entzündliches oder giftiges gasförmiges Kältemittel schnell unter potenziell kritische Werte verdünnt, ist dies bei innen aufgestellten Wärmepumpen nicht der Fall. Innen aufgestellte Wärmepumpen, bei denen nur der Verdampfer im Außenbereich mit Luft in Berührung kommt, oder bei Solen bzw. Wasser als Wärmequellen, findet kein Luftaustausch statt, der leckagebedingt austretendes Kältemittel ausreichend verdünnen könnte. Aus diesem Grund muss eine Spülung der kältemittelführenden Gehäuseabschnitte vorgesehen werden, die zumindest dann aktiviert wird, wenn Kältemittel detektiert wird.
  • Ein anderes Problem der innen aufgestellten Wärmepumpen ist die Kühlung der Elektronik, wobei die Leistungselektronik oft eine große Wärmelast verursacht. Der Grund hierfür ist der Einsatz von Inverterkompressoren, die gut regelbar sind und mit denen hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Aber auch deren moderne, computergestützte Regelungselektronik erzeugt viel Abwärme, die abgeführt werden muss und die vorzugsweise einer Nutzung zugeführt werden soll. Sofern die Wärmepumpe mit einer Solaranlage gekoppelt ist, kommt oft auch die Abwärmelast der Leistungselektronik der Solaranlage hinzu.
  • Auch bezüglich der Abwärmebehandlung unterscheiden sich außen aufgestellte Wärmepumpen erheblich von innen aufgestellten. Während bei außen aufgestellten Wärmepumpen der Schutz vor der Witterung in Form von Regen, Frost und Vereisung dominiert, ähnelt die Aufstellung im Innenbereich der Situation in Rechenzentren. Hierbei werden die elektronischen Bauteile separat untergebracht und mit gekühlter Luft oder mit Raumluft angeströmt. Im Ergebnis werden je ein Lüftungssystem für die Elektronik und eine lüftende Spülung um die Apparate der Wärmepumpe herum vorgesehen, die unabhängig voneinander betrieben werden.
  • Im Bereich der Computerkühlung sind ähnliche Problemstellungen bekannt. So beschreibt die DE 44 45 818 ein Computergehäuse mit hermetisch voneinander getrennten Kammern, von denen die erste Kammer von einem Luftstrom umgewälzt wird, der von einem ersten Wärmetauscher eines Kühlaggregates gekühlt wird und in der anderen Kammer ein zweiter Wärmetauscher die Wärme an einen zweiten Luftstrom abgibt. Praktisch entspricht dies einem Haushaltskühlschrank, dessen rückwärtiges Gitter eine Abdeckung aufweist und bei dem die erste Kammer dem Kühlfach entspricht, in dem ein Abwärme erzeugender Computer platziert wird. Der erste Wärmetauscher kann auch in einer weiteren dritten Kammer angeordnet werden, die mit der ersten Kammer durch eine Luftströmung in Verbindung steht, in der zweiten und dritten Kammer können auch Ventilatoren die Wärmetauscher zwangsbelüften. Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung findet jedoch keine Wärmenutzung statt, die die Hauptanwendung einer Wärmepumpe darstellt. Dafür kann der Computer bei entsprechend dimensionierter Kühlleistung auch in sehr heißen Umgebungen eingesetzt werden.
  • Die DE 44 13 130 C2 beschreibt ein Kühlgerät für einen Schaltschrank, in dem Kälte erzeugende Geräte und ein Sekundärkreislauf untergebracht und durch eine gasundurchlässige Trennwand vom Innenraum des Schaltschrankes voneinander getrennt sind. Im Sekundärkreislauf zirkuliert eine Kältesole, die über einen Wärmetauscher den Schaltschrankinhalt kühlt. Die Kältesole wird von Primärkreislauf gekühlt, in dem Kältemittel in bekannte Weise zirkuliert. Die Abwärme wird in üblicher Weise mit in einem Verflüssiger aus dem Primärkreislauf entnommen, die DE 44 13 130 C2 lehrt, die Wärme an die Umgebung abzuführen.
  • Trotz der Ähnlichkeiten unterscheiden sich die Kühlungseinrichtungen von Elektronik in Wärmepumpen und denen für Computer deutlich. Die Wärmepumpe muss Wärme auf Anforderung bereitstellen, die kann entweder zur Heizung oder zur Erzeugung von Warmwasser benötigt werden, aber sie soll verwertet werden. Im Sommer entfällt zwar die Heizung, aber dafür kann Wärme in Langzeitspeicher oder für Pools genutzt werden. Die Wärme kann dabei auch aus der Wohnraumkühlung stammen. Im Vordergrund steht daher bei Wärmepumpen die Nutzung der gewonnenen Wärme. In der Regel wird diese Wärme aus der Umgebung des Hauses gewonnen, sei es aus Außenluft oder Grundwasser oder aus geothermischer Gewinnung. Aufgrund der oft beträchtlichen Abwärme der Elektronik von Invertern und Regelungselektronik von Wärmepumpen soll vorliegend auch die Abwärme zu Nutzwärme werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine sichere Vorrichtung zur gleichzeitigen Lüftung der Apparate der innen aufgestellten Wärmepumpe und der Nutzung der Wärme der Elektronik zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Lüftungsvorrichtung für eine innen aufgestellte Wärmepumpenanlage, die mit einem entzündlichen oder giftigen Arbeitsfluid betrieben wird, wobei das Arbeitsfluid in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, der Arbeitsfluidumlauf mindestens aufweisend
    • einen Verdichter für Arbeitsfluid,
    • eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
    • zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
    • wobei die Wärmeüberträgerfluide mit mindestens einer Einrichtung zur Wärmenutzung verbunden sind,
    • ein Arbeitsfluidgehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
    • ein Elektronikgehäuse für Elektronik, die zum Betrieb der Wärmepumpe dient und an sie angeschlossene Ausrüstungen mitbedienen kann,
    • wobei ein Fördergebläse vorgesehen ist, der Luft aus dem Arbeitsfluidgehäuse ansaugt und diese Luft zur Kühlung durch das Elektronikgehäuse führt,
    • wobei die Elektronik, ihr Elektronikgehäuse, das Fördergebläse und alle damit verbundenen Einrichtungen zündquellenfrei ausgeführt sind.
  • Als Arbeitsfluidgehäuse wird dabei ein Gehäuse bezeichnet, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann, darunter auch ein Gehäuse für die elektronischen Einrichtungen. Als Elektronikgehäuse wird ein Gehäuse bezeichnet, welches alle elektronischen Einrichtungen beinhaltet einschließlich der Leistungselektronik und der Regelungselektronik, es kann in sich auch geteilt ausgeführt sein, von außen zugängliche Einschübe enthalten oder eine zusätzliche Kühleinrichtung, z.B. eine Wasserkühlung oder eine Heatpipe aufweisen.
  • In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass im Abströmbereich nach dem Elektronikgehäuse eine Verzweigung mit wenigstens zwei Zweigen für Luft vorgesehen ist, wobei der eine Zweig in das Arbeitsfluidgehäuse zurückgeführt und dort gekühlt wird und der andere Zweig einen Auslass aus dem Gebäude aufweist. Die Verzweigung ist umschaltbar gestaltet, so dass entweder der eine oder der andere Zweig geöffnet und der andere geschlossen ist. Weiterhin ist eine verschließbare Zuluftöffnung in das Arbeitsfluidgehäuse vorgesehen. Auch ein dritter Zweig für eine direkte Abgabe von Heizungsluft in den Aufstellungsraum kann vorgesehen werden.
  • Im normalen Betrieb ist der Zweig geöffnet, der vom Elektronikgehäuse zurück in das Arbeitsfluidgehäuse führt und die Zuluftöffnung ist geschlossen. Falls eine Leckage erkannt wird, wird die die Zuluftöffnung geöffnet der Abzweig der Luft in das Arbeitsfluidgehäuse geschlossen. Die kontaminierte Luft wird in diesem Fall vom Fördergebläse ins Freie geleitet und Luft aus dem Gebäude, in dem die Wärmepumpe aufgestellt ist, wird zum Spülen in das Arbeitsfluidgehäuse hineingesogen.
  • In einer Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die Zuluftöffnung mit einer Rückschlagsicherung ausgestattet ist, damit im Fall einer Überdrucksituation durch eine größere Leckage keine kontaminierte Luft in den Aufstellungsraum gelangen kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass das Fördergebläse mit einem Akku ausgestattet ist, der eine Energiemenge bereitstellen kann, die im Falle eines Stromausfalls ausreicht, um ein Gasvolumen durch das Arbeitsfluidgehäuse zu fördern, welches groß genug ist, das gesamte Arbeitsfluid sicher abzulüften, ohne dass ein zündfähiges Gemisch gebildet wird. Für die Ablüftung jedes Kilogramms R290 wären dies beispielsweise, um die Zündgrenze von 1,7 Prozent zu unterschreiten, mindestens 100 Kubikmeter Luft, wobei der Fachmann je nach den Aufstellungsbedingungen, den Wirkungsgraden und den Druckverlusten der Ableitung die jeweils bereitzustellende Energiemenge vorsehen muss.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Luft, die im Normalfall in das Arbeitsfluidgehäuse zurückgeführt wird, im Arbeitsfluidgehäuse gekühlt wird, indem sie an einer Leitung, die vom oder zum Verdampfer führt, vorbeigeführt wird, bevor sie in das Arbeitsfluidgehäuse dispergiert wird. Auf diese Weise kann die Abwärme durch die Wärmepumpe als Wärmequelle genutzt werden. Natürlich kann dies auch mittels eines entsprechenden Wärmetauschers geschehen. Abweichend kann der Wärmetauscher auch auf der Hochdruckseite des Arbeitsfluids oder auf der Primär- oder Sekundärseite des Wärmeträgerfluids, also Wasser oder Sole, angebracht werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Elektronikgehäuse direkt an das Arbeitsfluidgehäuse angrenzt, vorzugsweise frontseitig, oder darin integriert ist. Auf diese Weise kann ein zusätzlicher Schallschutz erreicht werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass am Luftauslass des Elektronikgehäuses ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der die Fördergebläsedrehzahl regelt und, falls der Regelbereich verlassen wird, einen Alarm ausgibt. Auf den Alarm hin kann auch vorgesehen werden, dass die Anlage dann abgeschaltet bzw. in einen gesicherten Zustand gefahren wird. Alternativ zu der Temperaturüberwachung ist auch eine Drehzahlüberwachung oder eine Durchflussüberwachung möglich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass am Lufteinlass des Elektronikgehäuses ein Gasdetektor für entzündliches Arbeitsfluid vorgesehen ist.
  • Als Lüftungsverfahren ist vorgesehen, dass wenn dieser Gasdetektor oder ein anderes Leckageerkennungssystem ein positives Signal gibt, eine Umschaltung der Luftverzweigung zum Auslass aus dem Gebäude erfolgt, die Zuluftöffnung geöffnet, die Fördergebläsedrehzahl auf den maximalen Wert gesetzt und ein Alarm ausgelöst wird. Für den Normalfall ist vorgesehen, dass die Abwärme der Elektronik als Wärmequelle für die Nutzwärme der Wärmepumpe genutzt wird, wobei die Wärme abströmseitig der Druckreduzierung in einem Wärmetauscher dem Arbeitsfluid zugeführt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Prinzipskizze näher erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 ein vereinfachtes Schema der Luftführung.
  • Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe anhand einer Prinzipskizze eines Kältekreises 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer Druckreduzierung 4 und einem Verdampfer 5 in einem Arbeitsfluidgehäuse 6 und einem direkt anschließenden Elektronikgehäuse 7.
  • Der Kältekreis 1 wird in diesem Beispiel mit dem entzündlichen Arbeitsfluid Propan, welches auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist, betrieben. Im unteren Bereich des Arbeitsfluidgehäuses 6 ist eine Ansaugöffnung 8 mit einem Gasdetektor 9 vorgesehen, die mit dem Elektronikgehäuse 7 verbunden ist. Die Luft tritt am Luftauslass 10 mit dem Temperatursensor 11 aus dem Elektronikgehäuse 7 aus und wird vom Fördergebläse 12 zur Luftverzweigung 13 gefördert. Der erste Zweig führt die erwärmte Kühlluft 14 über die Umluftleitung 15 zum Wärmetauscher 16 und danach wieder in das Arbeitsfluidgehäuse 6 zurück. Der zweite Zweig führt als Fortluft 17 aus dem Gebäude heraus und wird benutzt, wenn das Signal am Gasdetektor 9 positiv ist. In diesem Fall wird auch die Zuluftöffnung 18, die mit der Rückschlagklappe 19 ausgestattet ist, entsperrt, so dass Luft aus dem Gebäude einströmen kann.
  • Die Wärmenutzung der Abwärme aus der Elektronikkühlung ergibt sich dadurch, dass die erwärmte Kühlluft 14 über die Umluftleitung 15 zum Wärmetauscher 16 geführt wird, wo sie ihre Wärme an das flüssige Arbeitsfluid abgibt. Vorzugsweise wird dabei das Arbeitsfluid noch nicht verdampft, es wird lediglich vorgewärmt, bevor es in den Verdampfer 5 gelangt. Der Wärmetauscher 16 dient dabei als Vorwärmer. Ebenfalls möglich, aber apparativ aufwändiger ist eine Anordnung des Wärmetauschers 16 nach dem Verdampfer 5, in einem solchen Fall würde der Wärmetauscher 16 als Überhitzer wirken. Die Entnahme der aus der Abwärme der Elektronik gewonnenen Wärme erfolgt in bekannter Weise aus dem Kondensator 3, der über einen Fußbodenheizungsvorlauf 21 und einen Fußbodenheizungsrücklauf 22 mit einer Fußbodenheizung 23 verbunden ist, die mit einem Wärmeträgerfluid beschickt wird.
  • Natürlich kann die Abwärme der Elektronik auch direkt zum Heizen verwendet werden, indem die Luftverzweigung 13 mit drei Abzweigen versehen wird, von denen der dritte Abzweig als Heizluft 20 im Normalbetrieb direkt in den Aufstellungsraum führt, wenn dies gerade gewünscht wird, wobei in diesem Fall die Zuluftöffnung 18 ebenfalls geöffnet wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kältekreis
    2
    Verdichter
    3
    Kondensator
    4
    Druckreduzierung
    5
    Verdampfer
    6
    Arbeitsfluidgehäuse
    7
    Elektronikgehäuse
    8
    Ansaugöffnung
    9
    Gasdetektor
    10
    Luftauslass
    11
    Temperatursensor
    12
    Fördergebläse
    13
    Luftverzweigung
    14
    erwärmte Kühlluft
    15
    Umluftleitung
    16
    Wärmetauscher
    17
    Fortluft
    18
    Zuluftleitung
    19
    Rückschlagklappe
    20
    Heizluft
    21
    Fußbodenheizungsvorlauf
    22
    Fußbodenheizungsrücklauf
    23
    Fußbodenheizung

Claims (12)

  1. Lüftungsvorrichtung für eine innen aufgestellte Wärmepumpenanlage, die mit einem entzündlichen oder giftigen Arbeitsfluid betrieben wird, wobei das Arbeitsfluid in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf (1) geführt wird, der Arbeitsfluidumlauf (1) mindestens aufweisend
    - einen Verdichter (2) für Arbeitsfluid,
    - eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid,
    - zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
    - wobei die Wärmeüberträgerfluide mit mindestens einer Einrichtung zur Wärmenutzung (23) verbunden sind,
    - ein Arbeitsfluidgehäuse (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
    - ein Elektronikgehäuse (7) für Elektronik, die zum Betrieb der Wärmepumpe dient und an sie angeschlossene Ausrüstungen mitbedienen kann,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein Fördergebläse (12) vorgesehen ist, das Luft aus dem Arbeitsfluidgehäuse (6) ansaugt und diese Luft zur Kühlung durch das Elektronikgehäuse (7) führt,
    - wobei die Elektronik, ihr Elektronikgehäuse (7), das Fördergebläse (12) und alle damit verbundenen Einrichtungen zündquellenfrei ausgeführt sind.
  2. Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft bei der Rückführung in das Arbeitsfluidgehäuse (6) im Gehäuse gekühlt wird.
  3. Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der zurückgeführten Kühlluft (14) durch Vorbeiführen an einer zum Verdampfer führenden Fluidumlaufleitung oder durch einen in dieser Leitung befindlichen Wärmetauscher (16) erfolgt.
  4. Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abströmbereich nach dem Elektronikgehäuse (7) eine Verzweigung (13) mit wenigstens zwei Zweigen für Luft vorgesehen ist, von denen ein Zweig als Heizluft (20) in den Aufstellungsraum geführt wird und der andere Zweig einen Auslass für Fortluft (17) aus dem Gebäude aufweist.
  5. Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Abströmbereich nach dem Elektronikgehäuse (7) eine Verzweigung (13) mit wenigstens zwei Zweigen für Luft vorgesehen ist, wobei im ersten Zweig erwärmte Kühlluft 14 in das Arbeitsfluidgehäuse (6) zurückgeführt wird und der andere Zweig einen Auslass für Fortluft (17) aus dem Gebäude aufweist.
  6. Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsfluidgehäuse (6) eine Zuluftöffnung (18) vorgesehen wird, die mit einer Rückschlagsicherung (19) ausgestattet ist.
  7. Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördergebläse (12) mit einem Akku ausgestattet ist, der eine Energiemenge bereitstellen kann, die im Falle eines Stromausfalls ausreicht, um ein Gasvolumen durch das Arbeitsfluidgehäuse zu fördern, welches groß genug ist, das gesamte Arbeitsfluid sicher abzulüften, ohne dass ein zündfähiges Gemisch gebildet wird.
  8. Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikgehäuse (7) direkt an das Arbeitsfluidgehäuse (6) angrenzt, vorzugsweise frontseitig, oder darin integriert ist.
  9. Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Luftauslass des Elektronikgehäuses (7) ein Temperatursensor (11) vorgesehen ist, der die Fördergebläsedrehzahl regelt und, falls der Regelbereich verlassen wird, einen Alarm ausgibt.
  10. Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Lufteinlass des Elektronikgehäuses (7) ein Gasdetektor (9) für entzündliches Arbeitsfluid vorgesehen ist.
  11. Lüftungsverfahren mittels einer Lüftungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme aus dem Elektronikgehäuse als Nutzwärme mittels einer Wärmepumpe einer Wärmenutzung zugeführt wird.
  12. Lüftungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Leckageerkennung eine Umschaltung der Luftverzweigung (13) zum Auslass der Fortluft (17) aus dem Gebäude erfolgt, die Zuluftöffnung (18) geöffnet, die Fördergebläsedrehzahl auf den maximalen Wert gesetzt und ein Alarm ausgelöst wird.
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