DE3301303C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage mit jeweils einer wahlweise als Wärmepumpe oder Kältemaschine arbeitenden ersten und einer zweiten Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche, aus dem JP-GM 83 654/74 bekannte Klimaanlage hat eine erste, als Kältemaschine oder Wärmepumpe arbeiten­ de Vorrichtung. Ein als Verdampfer oder Kondensator ein­ setzbarer erster Wärmetauscher der Vorrichtung wird über ein Gebläse mit Luft beaufschlagt, die für die Raumküh­ lung bzw. Raumheizung verwendet wird. Ein zweiter Wärme­ tauscher der Vorrichtung erwärmt oder kühlt Wasser, das über eine Pumpe und einen ersten Vorlauf in den zweiten Wärmetauscher und über einen ersten Rücklauf in einen Tank zurückfließt. Über eine zweite Pumpe und einen zweiten Vor­ lauf wird Wasser aus dem Tank in den Verdampfer einer als Wärmepumpe arbeitenden zweiten Vorrichtung gepumpt und über einen Rücklauf in den Tank zurückgeführt. Die zweite Vorrichtung hat einen Kompressor, dem ein Kondensator zu­ geordnet ist, der bei der Kondensierung des komprimierten Mediums in einer Rohrleitung zu- und abgeführtes Wasser erhitzt. Die zweite Vorrichtung dient somit als Wärme­ pumpe, die dafür sorgt, daß in der Rohrleitung Wasser auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher ist als die des Wassers im Tank.

Die gesamte Anlage hat einen sehr guten Wirkungsgrad bei der Raumklimatisierung, da über den speichernden Tank und die zweite Vorrichtung warmes Brauchwasser gewonnen werden kann. Hinsichtlich Aufheizung und Abkühlung der zu klimatisierenden Räume sind die Möglichkeiten der be­ kannten Anordnung jedoch begrenzt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 so auszubilden, daß unter Aufrechterhaltung eines hohen Gesamtwirkungsgrades eine Anpassung an zeit­ lich begrenzte Spitzenleistungen in der Raumklimatisie­ rung möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unter­ ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Klimaanlage.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage hat den Vorteil, daß bei hoher Ausnutzung der eingespeisten Energie eine Raum­ klimatisierung möglich ist, die auch vorübergehend hohen Anforderungen hinsichtlich der Heiz- und Kühlleistung ge­ recht wird.

Anhand einer Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch das Schaltbild einer ersten Aus­ führungsform der Klimaanlage,

Fig. 2 schematisch das Schaltbild einer zweiten Aus­ führungsform der Klimaanlage und

Fig. 3 schematisch das Schaltbild einer dritten Aus­ führungsform der Klimaanlage.

Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform der Klima­ anlage hat eine wahlweise als Wärmepumpe oder Kältema­ schine arbeitende erste Vorrichtung 10, einen Zusatzwärme­ tauscher 11, einen Wasserspeicher 30 und eine zweite Vorrichtung 40, die miteinander durch Leitungen verbunden sind, in denen eine Vielzahl von Umschaltventilen und Pumpen angeordnet ist. Die erste Vorrichtung 10 hat ein Vierwege-Umschaltventil 3, das in einer Leitung 2 eines Kompressors 1 zum Umschalten eines Kältemittelkreislaufes sitzt und mit einem Anschluß mit einem auf der Wassersei­ te befindlichen zweiten Wärmetauscher 5 über eine Leitung 4 verbunden ist. Ein Rückschlagventil 6 ermöglicht einen Durchstrom des Kältemittels beim Kühlen, verhindert jedoch den Durchstrom beim Heizen. Parallel zu dem Rück­ schlagventil 6 ist eine druckregulierende Einrichtung 7 geschaltet, die nur beim Heizen betätigt wird und die mit dem auf der Wasserseite befindlichen zweiten Wärmetauscher 5 über eine Leitung 8 verbunden ist. Mit einem parallelen Kreis eines weiteren Rückschlagventils 12 und einer weiteren druckreduzierenden Einrichtung 13 ist eine Leitung 9 verbunden. Das Rückschlagventil 12 ermöglicht den Durchstrom des Kältemittels beim Heizen und unterbricht ihn beim Kühlen. Die druckreduzierende Ein­ richtung 13 ermöglicht den Durchstrom des Kältemittels beim Kühlen, so daß das Kältemittel durch Reduzierung des Drucks expandieren kann, wodurch eine Kühlung erfolgt. Das Rückschlagventil 12 und die druckreduzierende Ein­ richtung 13 sind mit einem ersten Wärmetauscher 15 über eine Leitung 14 verbunden. Der erste Wärmetauscher 15 ist ein Wärmetauscher, der dem Kältemittel den Austausch von Wärme mit Luft ermöglicht, wobei die von einem Ge­ bläse 16 zwangsweise zugeführte Luft gekühlt oder erwärmt wird. Ein an einem Ende mit dem ersten Wärmetauscher 15 verbundene Leitung 17 steht am anderen Ende mit einem weiteren Anschluß des Vierwege-Umschaltventils 3 in Ver­ bindung. Ein Abscheider 18 ist an seinem Einlaß mit dem Vierwege-Umschaltventil 3 über eine Leitung 19 und an seinem Auslaß mit der Saugseite des Kompressors 1 über eine Leitung 20 verbunden. Der Wasserspeicher 30 ist in einen großen Raum 31 und in einen kleinen Raum 32 unter­ teilt. Der große Raum 31 ist durch eine Überströmwand 33 in zwei Abschnitte unterteilt.

Die zweite Vorrichtung 40 hat einen Kompressor 41, ein Vierwege-Umschaltventil 42, einen ersten Wärmetauscher 43, eine Verbindungsleitung 44 mit einem Rückschlagventil zum Kühlen und einer druckreduzierenden Einrichtung bzw. einem Rückschlagventil zum Heizen und einer druckredu­ zierenden Einrichtung sowie einen Kältemittelkanal 46 in einem zweiten Wärmetauscher 45, die über Leitungsabschnitte 47 in Reihe mit der Verbindungsleitung 44 und dem Vierwege-Umschaltventil 42 geschaltet sind, wodurch ein Wärmepumpenkreislauf gebildet wird. Zur Steuerung des Betriebs eines Gebläses 49 ist ein Zeitgeber 48 vorge­ sehen.

Eine erste Pumpe 50 ist an ihrem Auslaß mit dem zweiten Wärmetauscher 45 über eine Leitung 51 und an ihrem Ein­ laß mit dem großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 über eine Leitung 52 verbunden. Die Leitungen 51 und 52 bilden einen zweiten Vorlauf. An einen Auslaß des zweiten Wärme­ tauschers 45 ist eine Leitung 56 angeschlossen, die über ein erstes Absperrventil 53 und eine Leitung 54 mit dem großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 verbunden ist. Die Leitungen 54 und 56 bilden einen zweiten Rücklauf. Mit der Leitung 56 des zweiten Rücklaufs ist über ein zweites Absperventil 57 eine einen dritten Rücklauf bildende Leitung 58 mit dem kleinen Raum 32 des Wasserspeichers 30 verbunden. Eine zweite Pumpe 59 ist an ihrem Einlaß über eine Leitung 62 mit dem großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 sowie an ihrem Auslaß über eine Leitung 65, ein viertes Absperrventil 67 und eine Leitung 68 mit dem zweiten Wärme­ tauscher 5 der ersten Vorrichtung 10 verbunden. Die Leitungen 62, 60, 65 und 68 bilden zusammen einen ersten Vorlauf. Mit dem Auslaß des zweiten Wärmetauschers 5 der ersten Vor­ richtung 10 ist eine Leitung 71 verbunden, die in eine Leitung 73 mündet, die an den großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 ange­ schlossen ist. Die Leitungen 71 und 73 bilden einen ersten Rücklauf. Der kleine Raum 32 des Wasserspeichers 30 ist über eine einen dritten Vorlauf bildende Leitung 64, in der ein fünftes Absperrventil 63 sitzt, mit der Leitung 60 des ersten Vorlaufs verbunden. Eine einen vierten Vorlauf bildende Leitung 70, in der ein sechstes Absperrventil 69 sitzt, ist mit der Leitung 65 des ersten Vorlaufs und mit dem Zusatzwärmetauscher 11 verbunden. Mit dem Auslaß des Zusatzwärmetauschers 11 ist eine einen vierten Rücklauf bildende Leitung 72 verbunden, die an die Leitung 73 des ersten Rücklaufs angeschlossen ist.

Die Klimaanlage arbeitet folgendermaßen:

Für die Raumkühlung und die Raumbeheizung arbeitet die erste Vorrichtung 10. Von dem Wasserspeicher 30 wird dem zweiten Wärmetauscher 5 Wasser zugeführt, dessen Tempera­ tur mit Hilfe der zweiten Vorrichtung 40 reguliert wird.

Für das Kühlen wird das Vierwege-Umschaltventil 3 so ge­ stellt, daß der zweite Wärmetauscher 5 der ersten Vor­ richtung 10 als Kondensator und der erste Wärmetauscher 15 als ein Verdampfer wirken. Vom Kompressor 1 komprimier­ tes Kältemittel strömt in Richtung der mit ausgezogenen Linien gezeigten Pfeile in den als Kondensator wir­ kenden zweiten Wärmetauscher 5 und gibt dort Wärme an das Kühlwasser ab, das von dem Wasserspeicher 30 zugeführt wird, wobei es verflüssigt wird. Das flüssige Kältemittel mit hohem Druck strömt über die Leitung 8, das Rückschlag­ ventil 6 und die Leitung 9 in die druckreduzierende Ein­ richtung 13, wo es expandiert. Das Kältemittel mit redu­ ziertem Druck und niedriger Temperatur strömt nach der Expansion durch die Leitung 14 in den als Verdampfer wirken­ den ersten Wärmetauscher 15, der zur Kühlung mit Raum­ luft durch das Gebläse 16 beaufschlagt wird. Dabei ver­ dampft das Kältemittel und strömt durch die Leitung 17 und das Vierwege-Umschaltventil 3 und die Leitung 19 in den Abscheider 18, wo Dampf und Flüssigkeit getrennt werden und der Dampf durch die Leitung 20 in den Kompres­ sor 1 gesaugt wird.

Bei dieser Kühlung wird der Zusatzwärmetauscher 11 nicht eingesetzt. Das Kühlwasser, das dem als Kondensator wirkenden zweiten Wärmetauscher 5 zugeführt wird, wird durch die zweite Pumpe 59 gefördert, wodurch Wasser aus dem großen Raum 31 des Wassserspeichers 30 über die Lei­ tung 62, das dritte Absperrventil 61 und die Leitung 60 abgezogen wird, ehe es dem zweiten Wärmetauscher 5 über die Leitung 65, das vierte Absperrventil 67 und die Leitung 68 zugeführt wird. Das durch den Wärme­ austausch mit dem Kältemittel erwärmte Wasser wird über die Leitungen 71 und 73 zum großen Raum 31 des Wasser­ speichers 30 zurückgeführt, wo es an eine Kammer abgegeben wird, die durch die Überströmwand 33 von der Kammer ge­ trennt ist, aus der kaltes Wasser über die Leitung 62 abgezogen wird, so daß eine Vermischung des kalten Was­ sers mit dem warmen Wasser unterbunden wird. Beim Kühlen bleiben das fünfte Absperrventil 63 und das sechste Ab­ sperrventil 69 geschlossen.

In dem Wasserspeicher 30 wird kaltes Wasser durch die Wirkung der zweiten Vorrichtung 40 gespeichert, die bei Nacht unter Verwendung von Nachtstrom betätigt wird. Das kalte Wasser von etwa 20°C wird im großen Raum 31 ge­ speichert und als Kondensatorkühlwasser verwendet. Im kleinen Raum 32 wird Wasser von etwa 5°C gespeichert. Das Vierwege-Umschaltventil 42 der zweiten Vorrichtung 40 wird so gestellt, daß der Kältemittelkanal 46 in dem zweiten Wärmetauscher 45 als Verdampfer wirkt, während der erste Wärmetauscher 43 als Kondensator wirkt. Das vom Kompressor 41 geförderte Kältemittel strömt über die verbindenden Leitungsabschnitte 47 über das Vierwege-Umschaltventil 42, und den ersten Wärmetauscher 43 zur Verbindungsleitung 44 mit der druckreduzierenden Einrichtung, in der es expandiert. Das expandierte Kältemittel gelangt dann in den Kältemittelkanal 46 und über das Vierwege-Umschaltventil 42 zurück zum Kompressor 41. Dabei ist das dem ersten Wärmetauscher 43 zugeordnete Gebläse 49 eingeschaltet. Das in dem großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 befindliche Wasser wird durch die erste Pumpe 50 über die Leitungen 52, 51, den zweiten Wärmetauscher 45, die Leitung 56, das erste Absperrventil 53 und die Leitung 54 zur Liefe­ rung von kaltem Wasser von 20°C umgewälzt. Das zweite Ab­ sperrventil 57 bleibt dabei geschlossen. Wenn kaltes Wasser von etwa 5°C in dem kleinen Raum 32 des Wasser­ speichers 30 gespeichert werden soll, wird das erste Absperrventil 53 geschlossen und das zweite Absperrventil 57 geöffnet, wobei dann im zweiten Wärmetauscher 5 Kältemittel mit tieferer Temperatur strömen muß, was über den Zeitgeber 48 zeitlich gesteuert wird.

Wenn im Sommer zur Reduzierung der Stromspitzenbelastung die erste Vorrichtung 10 abgeschaltet wird, bleibt nur noch das Gebläse 16 eingeschaltet. Das fünfte Absperrventil 63 und das sechste Absperrventil 69 sind geöff­ net, das dritte Absperrventil 61 und das vierte Absperr­ ventil 67 sind geschlossen. Die zweite Pumpe 59 ist eingeschaltet. Das kalte Wasser von etwa 5°C im kleinen Raum 32 des Wasserspeichers 30 wird dem Zusatzwärme­ tauscher 11 über die Leitung 64, das fünfte Absperrven­ til 63, die Leitungen 60, 65, das sechste Absperrventil 69 und die Leitung 70 zugeführt, wodurch die vom Gebläse 16 geförderte Luft gekühlt wird. Das Wasser wird zum großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 über die Leitungen 72 und 73 zurückgeführt.

Beim Heizen wird warmes Wasser in dem Wasserspeicher 30 durch Verwendung von Nachtstrom gespeichert. Das warme Wasser in dem großen Raum 31 hat eine Temperatur von etwa 35°C. Das warme Wasser in dem kleinen Raum 32 hat eine Temperatur von etwa 55°C. Die Wasserumwälzung zwischen dem Wasserspeicher 30 und dem zweiten Wärme­ tauscher 45 der zweiten Vorrichtung 40 entspricht dem der Erzeugung von kaltem Wasser. Der Kältemittelkreis­ lauf der zweiten Vorrichtung 40 ist über das Vierwege- Umschaltventil 42 umgeschaltet, so daß Kältemittel mit hoher Temperatur durch den Kältemittelkanal 46 fließt und das Wasser erwärmt. Das durch Erwärmen des Wassers erzeugte Warmwasser wird durch die erste Pumpe 50 zum Wasserspeicher 30 geführt und in seinem großen Raum 31 und im kleinen Raum 32 gespeichert. Wenn die Temperatur des Wassers in den beiden Räumen 31 und 32 unterschied­ lich sein soll und die Temperatur des Wassers im kleinen Raum 32 55°C erreichen soll, muß die Kondensationstempe­ ratur des Kreislaufs der zweiten Vorrichtung 40 gesteigert werden, was mit Hilfe der Zeitsteuerung über den Zeit­ geber 48 erreichbar ist.

Um im Anfangsstadium des Heizens eine schnelle und gleich­ mäßige Raumerwärmung zu erhalten, wird das warme Wasser von etwa 55°C, das im kleinen Raum 32 der Wasserspeichers 30 gespeichert ist, durch die zweite Pumpe 59 direkt zum Zusatzwärmetauscher 11 geführt. Wenn der Raum auf Behaglichkeitsniveau angewärmt ist, wird normal geheizt, wofür das Vierwege-Umschaltventil 3 der ersten Vorrich­ tung 10 so geschaltet wird, daß das Kältemittel in Rich­ tung der mit gestrichelten Linien gezeigten Pfeile strömt. Das warme Wasser von etwa 35°C, das in dem großen Raum 31 des Wasserspeichers 30 gespeichert ist, wird durch die zweite Pumpe 59 zu dem zweiten Wärmetauscher 5 geführt, der als Verdampfer wirkt, so daß ein Wärmeaustausch zwischen dem warmen Wasser und dem Kältemittel statt­ finden kann. Somit kann mit der ersten Vorrichtung 10, die eine geringe Heizfähigkeit hat, eine ausreichende Heizwirkung im Anfangsstadium des Heizvorgangs erreicht werden, obwohl die Anlage raumsparend und leicht ge­ baut ist. Darüber hinaus ermöglicht der Wärmespeicher 30 eine Verringerung des Energieverbrauchs am Tage.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Klimaan­ lage werden als Umschaltventile Dreiwegeventile verwendet. Dabei sind jeweils das vierte Absperrventil 67 und das sechste Absperrventil 69 von Fig. 1 zu einem ersten Dreiwege­ ventil 106, das erste Absperrventil 53 und das zweite Ab­ sperrventil 57 zu einem zweiten Dreiwegeventil 100 und das dritte Absperrventil 61 und das fünfte Absperrventil 63 zu einem Dreiwegeventil 103 zusammengefaßt. Außerdem sind zwei erste Vorrichtungen 10 parallel geschaltet. Die Dreiwegeventile 100 und 106 sind so gebaut, daß, wenn ein Auslaß offen ist, der andere Auslaß geschlossen ist. Das Dreiwegeventil 103 ist so gebaut, daß, wenn eine Saugöffnung offen ist, die andere Saugöffnung ge­ schlossen ist. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform arbeitet wie die von Fig. 1, benötigt jedoch weniger Absperrventile und weniger Leitungen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten, gegenüber Fig. 2 modifzierten Klimaanlage kann die Raumbeheizung auch durch direktes Zuführen von warmen Wasser von der zweiten Vorrichtung 40 zu den Zusatzwärmetauschern 11 der Vorrichtungen 10 bewirkt werden. Dabei strömt warmes Wasser von der zweiten Vorrichtung 40 über die Leitung 56, ein viertes Dreiwegeventil 304, eine Leitung 300, ein fünftes Drei­ wegeventil 202 und die Leitung 70 zu den Zusatzwärme­ tauschern 11 und von dort über die Leitung 72, ein siebentes Dreiwegeventil 207, eine Leitung 301, ein sechstes Dreiwegeventil 302, die Leitung 52, die erste Pumpe 50 und die Leitung 51 zurück zur zweiten Vorrichtung 40. Dies ermöglicht bei bereits installierten Klimaan­ lagen mit Wasserkühlung einen Anlauf des Heizvorgangs, der ebenso abläuft, wie wenn der Strom aufgrund einer Spitzenbelastung beim Kühlvorgang ausfällt.

Claims (3)

1. Klimaanlage mit jeweils einer wahlweise als Wärme­ pumpe oder Kältemaschine arbeitenden ersten Vorrichtung (10) und einer zweiten Vorrichtung (40), die jeweils einen in einem Kältemittelkreislauf liegenden ersten Wärmetauscher (15, 43) und einen zweiten Wärmetauscher (5, 45) aufweisen, wobei der erste Wärmetauscher (15) der ersten Vorrichtung (10) von der Luft eines zu klimatisierenden Raums und die jeweils zweiten Wärme­ tauscher (5, 45) der Vorrichtungen (10, 40) von einem Wasserkreislauf durchströmbar sind, und mit einem Wasserspeicher (30), der in den Wasserkreislauf zwischen der ersten und der zweiten Vorrichtung (10, 40) einschaltbar ist, wobei der Wasserspeicher (30) über einen eine Pumpe (59) aufweisenden ersten Vor­ lauf (62, 60, 65, 68) und einen ersten Rücklauf (71, 73) mit dem zweiten Wärmetauscher (5) der ersten Vor­ richtung (10) und über einen eine Pumpe (50) auf­ weisenden zweiten Vorlauf (52, 51) und einen zweiten Rücklauf (56, 54) mit dem zweiten Wärmetauscher (45) der zweiten Vorrichtung (40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärme­ tauscher (43) der zweiten Vorrichtung (40) für den Durchstrom von Luft als sekundäres Medium ausgelegt ist, daß der Wasserspeicher (30) durch eine Trennwand in einen großen Raum (31) und in einen kleinen Raum (32) unterteilt ist, wobei das Wasser aus dem großen Raum (31) durch den ersten Vorlauf (62, 60, 65, 68) und den zweiten Vorlauf (52, 51) entnehmbar sowie durch den ersten Rücklauf (71, 73) und den zweiten Rücklauf (56, 54) in den großen Raum (31) einleitbar ist, und wobei in den kleinen Raum (32) ein mit einer Leitung (60) des ersten Vorlaufs (62, 60, 65, 68) in Förderrichtung vor dessen Pumpe (59) verbindbarer dritter Vorlauf (64) und ein mit einer Leitung (56) des zweiten Rücklaufs (56, 54) verbindbarer dritter Rücklauf (58) münden, daß ein Zusatzwärmetauscher (11) dem ersten Wärmetauscher (15) der ersten Vorrichtung (10) nachgeschaltet ist, der für den Durchstrom der durch den ersten Wärmetauscher (15) hindurchgegangenen Luft als sekundäres Medium ausgelegt ist und für den Durchstrom von Wasser aus dem Wasserkreislauf einen vierten Vorlauf (70), der mit einer weiteren Leitung (65) des ersten Vorlaufs (62, 60, 65, 68) in Förder­ richtung nach seiner Pumpe (59) verbindbar ist, und einen vierten Rücklauf (72) aufweist, der mit einer Leitung (73) des ersten Rücklaufs (71, 73) verbunden ist, und daß im ersten Vorlauf (62, 60, 65, 68) zwischen der Pumpe (59) und dem zweiten Wärmetauscher (5) der ersten Vorrichtung (10) ein Absperrventil (67, 106) angeordnet ist.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der große Raum (31) des Wasser­ speichers (30) durch eine Überströmwand (33) in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei in den einen Abschnitt der erste Rücklauf (71, 73) und der zweite Vorlauf (52, 51) und in den anderen Abschnitt der erste Vor­ lauf (62, 60, 65, 68) und der zweite Rücklauf (56, 54) münden.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine erste Verbindungsleitung (300), die über ein viertes Dreiwegeventil (304) mit einer Leitung (56) des zweiten Rücklaufs (56, 54) und über ein fünftes Dreiwegeventil (202) mit dem vierten Vorlauf (70) verbindbar ist, und durch eine weitere Ver­ bindungsleitung (301), die über ein sechstes Dreiwege­ ventil (302) mit einer Leitung (52) des zweiten Vorlaufs (52, 51) in Förderrichtung vor dessen Pumpe (50) und über ein siebentes Dreiwegeventil (207) mit dem vierten Rücklauf (72) verbindbar ist.