[0001] 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. Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, 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.
[0002] 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 die Ozonschicht schädigen, 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.
[0003] Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen,
in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (EU) 517/2014.
[0004] Es ist daher einerseits äußerst problematisch, die konstruktiven Prinzipien für Kältemittel-führende
thermodynamische Prozesse zu übernehmen, die sich bei Sicherheitskältemitteln scheinbar
gut bewährt haben, andererseits auf die Anlagenkonzepte aus der Zeit vor Einführung
der Sicherheitskältemittel aufzusetzen. Dies liegt auch daran, dass inzwischen aus
Einzelgeräten komplexe Anlagen geworden sind, was die Anzahl der Möglichkeiten für
Störungen und deren Folgen vervielfältigt hat. Hierdurch ergeben sich beispielhaft
die folgenden Anforderungen an das Sicherheitskonzept:
- Im Normalbetrieb muss die Anlage absolut dicht sein.
- Weder bei einer Leckage im Kondensator noch bei einer Leckage im Verflüssiger darf
Arbeitsfluid in den gekoppelten Nutzwärme- oder Nutzkältekreislauf gelangen.
- Es darf kein Arbeitsfluid aus dem Kältekreislauf unbemerkt entweichen können.
- Im Verdichter darf das Arbeitsfluid nicht durch die Lagerung entweichen.
- Im Entspannungssystem darf das Arbeitsfluid nicht durch den Ventilsitz diffundieren
oder durch Kavitation zu Leckagen führen.
- Gekapselte Teile müssen für Wartungs- und Kontrollzwecke zugänglich bleiben.
- In Notfällen dürfen sich keine Gefahren einstellen.
- Die Anlage soll in vorhandene Räumlichkeiten integrierbar sein
- Das Kältemittel bzw. Arbeitsfluid soll abgelassen und eingefüllt werden können.
[0005] Der Begriff des Notfalls muss weit gesehen werden. Denkbar sind externe Ursachen
wie Stromausfälle, Erdbeben, Erdrutsche, Überschwemmungen, Brände und klimatische
Extrembedingungen sowie interne Ursachen wie technische Fehler oder Bedienungsfehler.
Sofern die Anlagen in einem Netzwerk betrieben werden, ist auch ein Netzausfall oder
eine Netzstörung als Notfall anzusehen. Gegenüber solchen Gefahren oder Störungen
soll die Vorrichtung inhärent sicher sein. Aber auch ein Ausfall der verfügbaren Primärenergie
kann einen Notfall begründen und darf keine Gefahrentwicklung zur Folge haben. Alle
diese Notfälle können auch kombiniert auftreten; zu unterscheiden ist ferner, ob der
Notfall nur ein Bedrohungsszenario darstellt oder ob bereits eine Havarie eingetreten
ist.
[0006] Hierbei sind die verschiedenen Bauformen und Anwendungsfälle für derartige thermodynamische
Kreisprozesse gesondert zu berücksichtigen, bei ortsfesten Anlagen für Wohngebäude,
die innerhalb der Wohngebäude aufgestellt werden, beispielsweise folgende:
- Haushaltskühlschränke,
- Haushaltsgefrierschränke,
- Haushaltstrockner,
- Haushaltskühl-Gefrierkombinationen,
- Kühlkammern für Hotel- und Gastronomie,
- Gefrierkammern für Hotel- und Gastronomie,
- Klimaanlage für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- Warmwassererzeugung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- Beheizung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- Sauna-Schwimmbadanlagen für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- Kombinierte Anlagen für die oben genannten Anwendungen,
wobei diese Aufzählung nicht vollständig ist.
[0007] Die Energie für den Betrieb der Anlagen einschließlich der zu verschiebenden Wärmeenergie
kann aus verschiedenen Quellen stammen:
- Erdwärme aus Erdwärmespeichern,
- Geothermische Wärme,
- Fernwärme,
- Elektrische Energie aus allgemeiner Stromversorgung,
- Elektrische Solarenergie,
- Solarwärme,
- Abwärme,
- Warmwasserspeicher,
- Eisspeicher,
- Latentwärmespeicher,
- Fossile Energieträger wie Erdgas, Erdöl, Kohle,
- Nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Pellets, Biogas,
- Kombinationen aus den oben genannten Energiequellen,
wobei auch diese Aufzählung nicht vollständig ist.
[0008] Die auftretenden Probleme bei der Sicherheitsauslegung solcher Anlagen werden in
der
WO 2015/032905 A1 anschaulich beschrieben. So liegt die untere Zündgrenze von Propan als Arbeitsfluid
etwa bei 1,7 Volumenprozent in Luft, was 38 g/m
3 in Luft entspricht. Sofern der Kälteprozess in einem ihn umgebenden, hermetisch abgeschlossenen,
ansonsten aber luftgefüllten Raum mit dem Arbeitsfluid Propan durchgeführt wird, stellt
sich das Problem der Erkennung einer kritischen, explosiven Situation nach einer Störung,
bei der das Arbeitsfluid in diesen hermetisch abgeschlossenen Raum austritt. Elektrische
Sensoren zur Erkennung kritischer Konzentrationen sind nur schwierig explosionsgeschützt
auszuführen, weswegen gerade die Propan-Erkennung durch die Sensoren selbst das Explosionsrisiko
erheblich verschärft, ausgenommen hiervon sind Infrarotsensoren. Propan ist auch giftig,
bei Inhalation oberhalb einer Konzentration von ca. 2 g/m
3 stellen sich narkotische Effekte, Kopfschmerzen und Übelkeit ein. Dies betrifft Personen,
die ein erkanntes Problem vor Ort lösen sollen, noch bevor Explosionsgefahr entsteht.
[0009] Propan ist auch schwerer als Luft, sinkt also in ruhender Luft auf den Boden und
sammelt sich dort an. Sollte sich also ein Teil des Propans in einer strömungsarmen
Zone des abgeschlossenen Raums, in dem sich das gestörte Aggregat befindet, sammeln,
können die lokalen Explosionsgrenzen wesentlich schneller erreicht werden, als es
der Quotient aus Gesamtraumvolumen zu ausgetretener Propanmenge erwarten lässt. Die
WO 2015/032905 A1 sucht dieses Problem zu lösen, indem ein Generator für elektrischen Strom in die
Öffnung bzw. deren Verriegelung dieses Raums integriert wird und bei deren Betätigung
in einem ersten Schritt die elektrische Energie erzeugt und bereitstellt, mit der
der Sensor aktiviert wird, und der im Alarmfall die Verriegelung dann nicht freigibt,
sondern eine Lüftung des abgeschlossenen Raums veranlasst, und erst in einem zweiten
Schritt eine Entriegelung und Öffnung zulässt.
[0010] Schon zu Beginn der Technologie der Kompressionskältemaschinen wurde der Versuch
unternommen, einen abgeschlossenen Raum zu bilden, in dem die apparativen Ausrüstungen
alle sicher untergebracht werden konnten und der diese vollständig umhüllt. Die
DE-PS 553 295 beschreibt eine gekapselte Kompressionskältemaschine, bei der der Kältemittelverdichter
1, sein Antriebsmotor 2, Verdampfer 3, Verflüssiger 4 und Regelventil 5 in einer doppelwandigen
Kapsel 6 bzw. 7 eingeschlossen sind. Im Zwischenraum der doppelwandigen Kapsel wird
ein Unterdruck angelegt und Leckagen, die an den Durchbrüchen für Kühlwasser und Sole
auftreten könnten, abgesaugt. Das abgesaugte Arbeitsfluid kann im Anschluss daran
ggf. zurückgewonnen werden. Zu bemerken ist dabei, dass sich innerhalb des gekapselten
Raums keine Umgebungsluft befindet und aufgrund des Unterdrucks im Doppelmantel auch
nicht in den gekapselten Innenraum eindringen kann.
[0011] Die
DE 41 14 529 A1 beschreibt eine Sicherheitseinrichtung für eine mit einem gefährlichen Medium gefüllte
kältetechnische Anlage, die aus mindestens einem kompletten Kälteaggregat besteht,
das einen Kältemittelkreislauf mit Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger, sowie
einen Antriebsmotor umfasst. Die Anlage ist gasdicht eingeschlossen, wobei die Umschließung
nach dem im Störfall technisch möglichen Höchstdruck ausgelegt ist, und aus der Umschließung
die Anschlüsse für den Kälteträger, ein Kühlmittel sowie elektrische Versorgungs-,
Überwachungs- und Steuerleitungen druckdicht nach außen geführt sind. Es kann ein
Ausgleichsbehälter angeschlossen sein.
[0012] Die
DE 195 25 064 C1 beschreibt eine Kältemaschine mit einem gasdicht ausgebildeten Gehäuse, welches alle
kältemittelführenden Komponenten der Maschine aufnimmt, ein das Innere des gasdichten
Gehäuses mit einem Auslass verbindender Raum vorgesehen ist, und der Raum mit einem
das Kältemittel sorbierenden Stoff gefüllt ist. Die Menge des sorbierenden Stoffes
wird dabei so dimensioniert, dass die gesamte Menge an eventuell austretendem Kältemittel
aufgenommen und von der Umwelt ferngehalten werden kann. Der mit dem sorbierenden
Stoff gefüllte Raum ist zur Umgebung hin offen. Bei Kältemitteln, die schwerer als
Luft sind, ist der Raum nach unten hin offen, bei solchen, die leichter sind, ist
er nach oben hin offen, so dass ein Fördergebläse nicht erforderlich ist. Das Sorptionsmittel
wird in das Gehäuse eingebracht und umschließt die Kältemaschine bzw. die kältemittelführenden
Einrichtungen vollständig. Auf seinem Weg nach außen sind Schikanen vorgesehen, die
Kurzschlussströmungen verhindern und entweichendes Gas durch das Sorptionsmittel zwingen.
Auch eine doppelwandige Ausführungsform, bei der das Sorptionsmittel im Doppelmantel
angeordnet ist, ist möglich. Am Ausgang des mit dem sorbierenden Stoffes gefüllten
Raumes zur Umgebung hin kann eine Messeinrichtung für Kältemittel vorgesehen werden.
[0013] Die
DE 195 26 980 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Luft geschlossener
Räume, die eine gasförmige Verunreinigung aufweisen. Nachdem die Verunreinigung von
einem Gassensor erkannt wurde, steuert dieser einen Verdichter an, der die Luft durch
einen in diesem Raum befindlichen Absorber leitet, wodurch die Verunreinigung absorbiert
wird. Die gereinigte Luft verlässt den Absorber in den geschlossenen Raum.
[0014] Die vorgestellten Systeme sind aufwendig, sie hatten am Markt bislang nur wenig Erfolg.
Dies kann auf die folgenden Gründe zurückgeführt werden:
- Montagefreundlichkeit: Im Falle von Modernisierungen von alten Heizungsanlagen müssen
die neu zu installierenden Vorrichtungen zerlegbar und transportabel sein. Beispielsweise
müssen sie über Kellertreppen und in verwinkelte und niedrige Kellerräume verbracht
werden können. Zusammenbau, Inbetriebnahme und Wartung müssen ohne großen Aufwand
vor Ort möglich sein. Dies schließt große und schwere Druckbehälter weitgehend aus,
ferner Systeme, die nach einer Havarie nicht mehr demontierbar sind.
- Diagnosefreundlichkeit: Die Betriebszustände sollten von außen gut erkennbar sein,
dies betrifft die Sichtbarkeit und Prüfbarkeit bezüglich möglicher Leckagen und schließt
den Füllstand des Arbeitsfluids sowie den Befüllungsgrad ggf. eingebrachter Sorbentien
ein.
- Wartungsfreundlichkeit: Systemdiagnosen sollten ohne großen zusätzlichen Aufwand erfolgen
können. Sicherheitsrelevante Systeme sollten regelmäßig getestet bzw. auf ihre Zuverlässigkeit
geprüft werden können. Sofern Systemdiagnosen nicht einfach durchführbar sind, sollten
möglicherweise belastete Teile leicht durch Neuteile austauschbar sein.
- Ausfallsicherheit: Die System sollen einerseits gegen Störungen gesichert sein, gleichzeitig
aber zuverlässig laufen können, wenigstens im Notbetrieb. Im Falle einer vorübergehenden
externen Störung sollten die Systeme entweder selbstständig wieder anfahren oder ohne
großen Aufwand wiederangefahren werden können.
- Energieeffizienz: Die Anlagen sollen energetisch günstig betrieben werden können,
ein hoher Eigenverbrauch an Energie für Sicherheitsmaßnahmen wirkt dem entgegen.
- Robustheit: Im Falle größerer Störungen, seien sie extern oder systemintern aufgeprägt,
muss die Beherschbarkeit gewährleistet sein, dies betrifft z.B. Lüftungssysteme, die
verstopfen können oder Druckbehälter, die unter Druck stehen oder heiß werden, etwa
bei einem Brand.
- Kosten: Die Sicherheitsmaßnahmen sollen weder bei den Anschaffungskosten noch bei
den laufenden Kosten bedeutend sein und die Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber
herkömmlichen Systemen übersteigen. Sie sollen günstig sein.
[0015] Die Anforderungen schließen sich zumeist gegenseitig aus und erzeugen außerdem Zielkonflikte
in großer Zahl.
[0016] Es ist auch bekannt, entzündliche und explosive Arbeitsfluide im Falle von Leckagen
einfach ins Freie abzulassen. So erklärt die "Bundesfachschule Kälte Klima Technik"
im Mai 2012, der Einfluss auf die globale Erderwärmung bei R290 sei sehr gering, daher
sei das Ablassen in die Atmosphäre die bisher übliche Vorgehensweise, um dieses Kältemittel
zu entsorgen. Es seien aber gewisse Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, die das Auftreten
einer explosionsfähigen Atmosphäre weitestgehend minimierten.
[0017] Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine
sichere und energiesparende Spülung eines Gehäuses bereitzustellen, der in einem Wohngebäude
aufgestellt ist, und in dessen Inneren ein linksdrehender thermodynamischer Clausius-Rankine-Kreisprozesses
in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf mittels eines entzündlichen
Arbeitsfluids durchgeführt wird, welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen
schwerer als Luft ist.
[0018] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung
eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mittels eines
entzündlichen Arbeitsfluids, welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen
schwerer als Luft ist und in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf
geführt wird, und welche in einem Wohngebäude aufgestellt ist, aufweisend
- mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen
für Wärmeüberträgerfluide,
- ein geschlossenes Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen
Einrichtungen umfasst,
- wobei das Gehäuse beim Anlegen von Unter- oder Überdruck dicht ist,
- es einen Spülluftzulauf aufweist, welcher an einen Lufteinlass, eine Drosselungseinrichtung
und eine Rückschlagsicherung angeschlossen ist,
- es einen Spülluftauslass aufweist, der an einen Ablass angeschlossen ist, und der
Ablass an einen Ort außerhalb des Gebäudes geführt wird,
- zwischen dem Lufteinlass und dem Spülluftauslass druckseitig oder saugseitig zum Gehäuse
ein Fördergebläse angeschlossen ist,
- innerhalb des Gehäuses der Zulauf für den Spülluftabzug an der tiefsten Stelle angeordnet
ist,
- alle Einrichtungen des Gehäuses so konstruiert und angeordnet sind, dass von jedem
beliebigen Ort im Freiraum des Gehäuses immer ein absteigender Strömungsweg für Luft
existiert.
[0019] Dadurch, dass alle Einrichtungen des Gehäuses so konstruiert und angeordnet sind,
dass von jedem beliebigen Ort im Freiraum des Gehäuses immer ein absteigender Strömungsweg
für Luft existiert, kann im Falle einer Leckage sichergestellt werden, dass das austretende
Arbeitsfluid, welches schwerer als Luft ist, nach unten sinkt, ohne dass es sich zuvor
in Hohlräumen oder in nach oben konkaven Flächen sammeln, anreichern und dabei explosive
Gemische bilden kann. Es gelangt dadurch von jeder Stelle des Gehäuseinnenraums immer
auf direktem Weg zum Spülluftauslass an der tiefsten Stelle des Gehäuses, von wo es
aus dem Gehäuse abgezogen werden kann.
[0020] Ausgestaltungen der Erfindung betreffen den Spülluftzulauf, der sich aus mehreren
Komponenten zusammensetzt. Diese Komponenten sind der Einlass der Spülluft aus dem
Außenraum, die Weiterleitung der Spülluft in den Gehäuserinnenraum mit Ausstattungen,
und der Eintritt der Spülluft in den Gehäuseinnenraum. Hierbei wird vorgesehen, dass
der Eintritt der Spülluft in den Innenraum des Gehäuses an der Oberseite des Gehäuses
angeordnet ist und mittels einer Dispergierdüse erfolgt. Hierdurch wird erreicht,
dass sich eine langsame Abwärtsströmung ohne Strähnenbildung über den Gehäusequerschnitt
ergibt und die Wirbelbildung minimiert wird.
[0021] Der Ort des Eintritts der Spülluft in den Gehäuseinnenraum ist normalerweise nicht
identisch mit dem Eintritt der Spülluft in das Gehäuse aus dem Aufstellungsraum, sondern
erfolgt über eine Leitung mit Einrichtungen, die auch eine Ansaugung von Luft aus
dem Freien außerhalb des Gebäudes vorsehen kann. Um ein mögliches Verstopfen der Einströmleitung
zu verhindern, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung eine Vielzahl von Einlässen,
etwa in Schlitzform oder über ein Lochblech, vorgesehen, deren Ort lokal an die Gegebenheiten
des Aufstellungsortes angepasst wird, und die in einer Sammelleitung zusammengefasst
werden, welche auch mit einer Rückschlagsicherung und einer Drosselung ausgestattet
ist. Die Vielzahl von Einlässen kann auch in einiger Entfernung zum Gehäuse platziert
werden.
[0022] Der Austritt der Spülluft aus dem Gehäuseinnenraum ist normalerweise nicht identisch
mit dem Auslass der Spülluft im Gehäuseboden, der tiefsten Stelle im Gehäuse, sondern
erfolgt über eine Leitung mit Einrichtungen, die auch teilweise im Gehäuseinneren
verlaufen kann. Der Anschluss der Spülluftauslassleitung kann somit an einer beliebigen
Stelle in der Gehäusewand erfolgen, wobei es keine Rolle spielt, ob das Fördergebläse
innerhalb oder außerhalb des Gehäuses und innerhalb oder außerhalb des Aufstellraums
oder des Gebäudes angeordnet wird. Am Austritt des Ablasses außerhalb des Gebäudes
sollte eine Vorrichtung zum Dispergieren angeordnet sein, der Ablass aus dem Gehäuse
sollte außerdem an einen Ort außerhalb des Gebäudes geführt werden, an dem sich keine
Bodensenken befinden, etwa Keller-Gitterroste oder dergleichen.
[0023] Das Fördergebläse kann im Ansaugbereich oder im Ablassbereich angeordnet sein, im
einen Fall erzeugt es einen leichten Unterdruck, im anderen Fall einen leichten Überdruck
im Gehäuse.
[0024] Weitere Ausgestaltungen betreffen den Wärmehaushalt der Spülluft. Sofern Spülluft
aus einem geschlossenen Raum nach außerhalb des Gebäudes geführt wird, muss Luft in
der gleichen Menge von außerhalb in das Gebäude nachströmen. Sind die Temperaturen
innerhalb und außerhalb des Gebäudes verschieden, ergibt sich durch die Spülluft ein
Wärmestrom, wobei es auf die Raumtemperatur des Aufstellungsortes nicht ankommt. Praktisch
bedeutet dies, dass ohne entsprechende weitere Maßnahmen ein unerwünschter Wärmeverlust
oder Wärmeeintrag, je nach Betriebsart, entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen
Innentemperatur und Außentemperatur stattfinden würde. Aus diesem Grund kann die Spülluft
sowohl gekühlt als auch erwärmt werden, wobei die Einrichtungen zum Betrieb des Kreisprozesses
genutzt werden.
[0025] In einer Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die vom Gehäuseboden abgezogene
Spülluft zu einer umschaltbaren Verzweigung geführt wird, deren Abzweige zu Zusatzwärmetauschern
geführt werden, die sich jeweils in den Wärmeträgerzuleitungen zu den beiden Wärmetauschern
des Kreisprozesses befinden. Diese Zusatzwärmetauscher können sich innerhalb oder
außerhalb des Gehäuses befinden.
[0026] Die Erfindung umfasst auch das Verfahren, dass ein Fördergebläse die Spülluft aus
dem Inneren des Gebäudes ansaugt und dabei das Gehäuse unter Unter- oder Überdruck
setzt, die abgezogene Spülluft in mindestens einen Wärmetauscher geleitet wird, in
dem die Spülluft gegen ein Wärmeüberträgerfluid, welches an den Kreisprozess angeschlossen
ist, entweder gekühlt oder erwärmt wird.
[0027] Liegt die Außentemperatur über der Innentemperatur des Gebäudes, ist Kühlbetrieb
und die Spülluft muss erwärmt werden. Hierzu wird sie in einen Wärmetauscher geleitet,
der erwärmtes Wärmeträgerfluid zum Außenbereich leitet, wo dieses Wärme an die Umgebung
abgibt. Die Spülluft dient in diesem Fall als weitere Wärmesenke und hilft bei der
erwünschten Gebäudekühlung mit.
[0028] Liegt die Außentemperatur unter der Innentemperatur des Gebäudes, ist Heizbetrieb
und die Spülluft muss gekühlt werden, bevor sie das Gebäude verlässt. Hierzu wird
sie in einen Wärmetauscher geleitet, der Wärmeträgerfluid vom Außenbereich zurückleitet,
bevor dieses in den Verdampferwärmetauscher des Kreisprozesses geführt wird. Die Spülluft
dient in diesem Fall als weitere Wärmequelle und hilft bei der erwünschten Gebäudeheizung
mit.
[0029] Wird die Spülluft außerhalb des Gebäudes angesaugt, ergibt sich kein Wärmeverlust
durch die Ansaugung und Abgabe von Luft unterschiedlicher Temperatur, das oben beschriebene
Verfahren lässt sich aber nutzen, um die Wärmeübergänge im Behälterinneren zu kompensieren.
[0030] Als Wärmeübertragerfluide sind hier alle gasförmigen oder flüssigen Medien zu verstehen,
mit denen Wärme übertragen wird, also etwa Luft, Wasser, Sole, Wärmeträgeröle oder
dergleichen. Insofern der Kreisprozess nicht als zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb
umschaltbare Wärmepumpe betrieben oder ausgeführt wird, oder wenn er mehrstufig ist,
können auch andere Ströme von Wärmeüberträgerfluiden eingesetzt werden.
[0031] Die Spülluft kann vorteilhaft mit einer Einrichtung zur Leckagedetektion verbunden
werden. In diesem Fall kann der Spülluftbetrieb im Normalfall stark eingeschränkt
oder sogar eingestellt werden, während bei der Erkennung einer Leckage die Luftmenge
entsprechend erhöht wird.
[0032] Das Fördergebläse kann für den Fall eines Stromausfalls mit einem Reserveakku ausgestattet
werden, ferner ist ein solarbetriebener Anschluss, der auch den Reserveakku stets
geladen halten kann, vorteilhaft. Sofern das Fördergebläse außerhalb des Gebäudes
angeordnet wird, ist auch eine integrierte Bauweise mit einer Solarzelle und einem
Reserveakku sinnvoll .
[0033] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Beispielen näher erläutert. Dabei
zeigen die Fig. 1 bis Fig. 4 schematisch einen Kältekreislauf mit dem Kältemittel
Propan und der vorgesehenen Spülvorrichtung am Beispiel einer Hauswärmepumpe, im Falle
von
Fig. 1: mit einer Ansaugung von Luft im Gebäude und einem Unterdruck im Gehäuse,
Fig. 2: mit einer Ansaugung von Luft im Gebäude und einem Überdruck im Gehäuse,
Fig. 3: mit einer Ansaugung von Luft außerhalb des Gebäudes und einem Unterdruck im
Gehäuse,
Fig. 4: mit einer Ansaugung von Luft außerhalb des Gebäudes und einem Überdruck im
Gehäuse.
[0034] Fig. 1 zeigt einen üblichen Kältekreis 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer
Druckreduzierung 4 und einem Verdampfer 5 in einem geschlossenen Gehäuse 6. Das Gehäuse
6 ist dabei üblicherweise schallisoliert und schon deshalb luftdicht ausgeführt, es
kann leichten Unterdruck, beispielsweise 20 oder 50 hPa, aushalten. Baulich können
Wasserspeicher und Schaltelemente integriert sein. Das Gehäuse 6 verfügt neben einem
hier nicht gezeigten Stromanschluss über Leitungsanschlüsse für die Wärmequelle, den
Wärmequellen-Anschluss 7 und den Wärmequellen-Vorlauf 8, und den Heizungskreislauf
mit dem Wärmesenken-Vorlauf 9 und dem Wärmesenken-Anschluss 10.
[0035] Natürlich kann der hier vereinfacht dargestellte Kältekreislauf auch mehrere Wärmetauscher
auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, eine gestufte Druckreduzierung, Umschaltvorrichtungen
für Heizbetrieb im Winter und Kühlung im Sommer, sowie eine Vielzahl von Sensoren
enthalten, wobei die Spüleinrichtungen aber grundsätzlich identisch sind. Im Folgenden
wird davon ausgegangen, dass Verdampfer 5 und Kondensator 3 in ihrer Betriebsweise
austauschbar sind bzw. nicht gezeigte Umschaltvorrichtungen im Kältekreis diese Funktionalität
nach bekanntem Stand der Technik herstellen können, so dass der Heizungskreislauf
zum Kältekreislauf einer Klimaanlage wird und die Wärmequelle des Heizungsbetriebs
zur Wärmesenke bei der Klimatisierung.
[0036] Die Spülluft tritt durch die Dispergiervorrichtung 11 in das Gehäuse 6 ein und wird
flächig an seiner Oberseite verteilt. Die Spülluft wird hierbei über einen Lufteinlass
12 mit mehreren Lufteintrittsschlitzen aus dem Gebäudeinneren eingesaugt und über
eine Luftleitung mit Drosselung 13, die mit einer Rückschlagsicherung 14 ausgestattet
ist. versorgt. Selbstverständlich können sich in dieser Leitung auch weitere Ausstattungen
wie Sensoren für Temperatur-, Druck- und Mengenmessung befinden und es können auch
mehrere Lufteinlässe an verschiedenen Stellen vorgesehen werden. Die Drosselung bewirkt
hierbei, dass sich im Gehäuseinneren immer ein entsprechender Unterdruck befindet,
der aufgrund der Rückschlagsicherung auch während einer Unterbrechung der Spülluftdurchströmung
aufrechterhalten wird, um einen Austritt von leckagebedingtem Arbeitsfluid in das
Gebäudeinnere zu verhindern.
[0037] Die Spülluft wird an der tiefsten Stelle 15 des Gehäuses 6 mittels eines Abzuges
16 abgezogen. Die Einrichtungen im Gehäuse sind dabei so angeordnet, dass sich keine
Schalen oder Sackungen bilden können, in denen sich leckagebedingt ausgetretenes Arbeitsfluid
sammeln könnte. Durch die leichte, vorzugsweise verwirbelungsfreie Abwärtsströmung
der Spülluft werden schwerere gasförmige Komponenten sicher nach unten zum Abzug 16
gefördert und abgezogen.
[0038] In der Spülluftleitung 19 hinter dem Abzug 16, die innerhalb des Gehäuses 6 geführt
wird, befinden sich die beiden Drei-Wege-Ventile 17 und 20 die zu den Spülluft-Wärmetauschern
18 und 21 führen. Hierbei handelt es sich nur um eines von vielen möglichen Anordnungsbeispielen,
sowohl die Abzweigungen als auch die Spülluftleitung und die Wärmetauscher können
außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet werden. Die Spülluft wird je nachdem, ob sich
die Wärmepumpenanlage im Heizbetrieb oder im Kühlbetrieb befindet, in jeweils einen
der Spülluftwärmetauscher 18 oder 21 geleitet.
[0039] Im Heizbetrieb ist dies der Spülluftwärmetauscher 21. Hierbei gibt die Spülluft Wärme
an den Wärmequellen-Anschluss 7 ab, der kälter als die warme Spülluft ist. Sofern
die Hauswärmepumpe ihre Wärme aus der Außenluft bezieht, hätte der Wärmequellen-Anschluss
dabei etwa Außentemperatur und die abgeführte Spülluft würde eine Temperatur knapp
darüber erhalten, bevor sie in den Außenbereich abgeführt wird. Der überwiegende Teil
der Abluftwärme wäre auf diese Weise zurückgewonnen, da er nachfolgend in den Kreisprozess
gelangt.
[0040] Im Kühlbetrieb ist dies der Spülluftwärmetauscher 21. Hierbei nimmt die Spülluft
Wärme vom Wärmesenken-Anschluss 10 auf, der wärmer ist als die Spülluft, wenn die
Außentemperatur höher als die Gebäudeinnentemperatur ist. Denkbar wäre auch ein Spülluftwärmetauscher
in der Leitung des Wärmesenken-Vorlaufs 9, was im Kühlbetrieb den Vorteil einer höheren
Temperaturdifferenz hätte, aber mit dem Nachteil verbunden wäre, dass eine höhere
Last im Kreisprozess entstünde, die Energierückgewinnung also geringer ausfiele. Vorteilhaft
wäre das aber in dem Fall, wenn im Kühlbetrieb die Wärmesenken für die Warmwasserbereitung
genutzt würde. Der Fachmann wird hier im Einzelfall die günstigste Einbindung wählen,
wobei natürlich auch ein dritter Spüllluftwärmetauscher eingesetzt werden könnte.
[0041] Die Spülluft wird im Anschluss daran durch die Ablassleitung 22 über eine Rückschlagsicherung
23, die wie die Rückschlagsicherung 14 die Unterdruckhaltung des Gehäuses 6 sicherstellt,
vom Spülluft-Fördergebläse 24 nach außerhalb der Außenmauer 25 des Gebäudes gefördert
und über eine Dispergiervorrichtung 26 verteilt. Dieser Weg dient im unwahrscheinlichen
Fall einer Havarie, bei der sich ein Überdruck im Gehäuse aufbauen könnte, auch als
Notablass.
[0042] Fig. 2 zeigt den Fall, dass das Fördergebläse 24 am Ort der Luftansaugung 12 innerhalb des
Gebäudes angeordnet wird. Dies hat den Vorteil, dass im Fall einer Leckage kein kontaminiertes
Luft-Gas-Gemisch angesaugt wird, und die Zündfähigkeit bei einer möglichen Explosionsgefahr
weiter verringert wird. Das Gehäuse 6 wird dabei unter leichten Überdruck gesetzt.
Die übrigen Einrichtungen entsprechen der Darstellung von Fig. 1.
[0043] Fig. 3 zeigt den Fall, dass das Fördergebläse 24, wie in Fig. 1 dargestellt, in der Ablassleitung
angeordnet wird. Die Luftansaugung 12 erfolgt jedoch außerhalb des Gebäudes, was die
Energieverluste verringert. Trotzdem findet beim Durchleiten durch die Wärmepumpe
ein Wärmeausgleich statt, der in der gleichen Weise wie bei der Ansaugung der Luft
innerhalb des Gebäudes wie in Fig. 1 beschrieben kompensiert werden kann. Das Gehäuse
wird dabei bei Unterdruck betrieben.
[0044] Fig. 4 zeigt den Fall, dass das Fördergebläse 24 am Ort der Luftansaugung 12 außerhalb des
Gebäudes angeordnet wird. Hierfür gilt das gleiche bezüglich Zündfähigkeit, wie es
bei Fig. 2 beschrieben ist, und die Möglichkeit des Wärmeausgleichs, wie es in Fig.
3 beschrieben ist.
Bezugszeichenliste
[0045]
- 1
- Kältekreis
- 2
- Verdichter
- 3
- Kondensator
- 4
- Druckreduzierung
- 5
- Verdampfer
- 6
- Gehäuse
- 7
- Wärmequellen-Anschluss
- 8
- Wärmequellen-Vorlauf
- 9
- Wärmesenken-Vorlauf
- 10
- Wärmesenken-Anschluss
- 11
- Dispergiervorrichtung
- 12
- Lufteinlass
- 13
- Luftleitung mit Drosselung
- 14
- Rückschlagsicherung
- 15
- tiefste Stelle
- 16
- Spülluftabzug
- 17
- Drei-Wege-Ventil
- 18
- Spülluftwärmetauscher
- 19
- Spülluftleitung
- 20
- Drei-Wege-Ventil
- 21
- Spülluftwärmetauscher
- 22
- Ablassleitung
- 23
- Rückschlagsicherung
- 24
- Spülluft-Fördergebläse
- 25
- Außenmauer
- 26
- Dispergiervorrichtung
1. Vorrichtung für eine sichere und energiesparende Spülung eines Gehäuses (6), das zur
Aufstellung in einem Wohngebäude vorgesehen ist, und in dessen Inneren ein linksdrehender
thermodynamischer Clausius-Rankine-Kreisprozesses in einem geschlossenen, hermetisch
dichten Arbeitsfluidumlauf (1) mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches
im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen schwerer als Luft ist, durchgeführt
wird, aufweisend
- mindestens einen Verdichter(2) für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei
Anschlüssen (7, 8, 9, 10) für Wärmeüberträgerfluide,
- ein geschlossenes Gehäuse (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf
(1) angeschlossenen Einrichtungen umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gehäuse (6) beim Anlegen von Unter- oder Überdruck dicht ist,
- es einen Spülluftzulauf (13) aufweist, welcher an einen Lufteinlass (12), eine Drosselungseinrichtung
und eine Rückschlagsicherung (14) angeschlossen ist,
- es einen Spülluftauslass (26) aufweist, der an einen Ablass (22) angeschlossen ist,
und der Ablass (22) an einen Ort außerhalb des Gebäudes geführt wird,
- zwischen dem Lufteinlass (12) und dem Spülluftauslass (26) druckseitig oder saugseitig
zum Gehäuse (6) ein Fördergebläse (24) angeschlossen ist,
- innerhalb des Gehäuses (6) der Zulauf für den Spülluftabzug (16) an der tiefsten
Stelle (15) angeordnet ist,
- alle Einrichtungen des Gehäuses (6) so konstruiert und angeordnet sind, dass von
jedem beliebigen Ort im Freiraum des Gehäuses (6) immer ein absteigender Strömungsweg
für Luft existiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Eintritt(11) der Spülluft in den Innenraum des Gehäuses (6) an der Oberseite
des Gehäuses angeordnet ist und mittels einer Dispergierdüse erfolgt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Spüllufteinlässen (12) für Spülluft aus dem Außenbereich des Gehäuses
(6) vorgesehen ist, die in einer Sammelleitung zusammengefasst werden, welche auch
mit einer Rückschlagsicherung und einer Drosselung ausgestattet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmeübertrager (18, 21) für Wärmeüberträgerfluid und Spülluft vorgesehen
wird, der mit dem Spülluftstrom aus dem Spülluftabzug (16) verbunden ist und mit einem
der Wärmeüberträgerfluide (7, 8, 9, 10).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Spülluftabzug (16) abgezogene Spülstrom mit einer umschaltbaren Verzweigung
(17, 20) verbunden ist, deren Abzweige mit Wärmeübertragern (18, 21) verbunden sind,
die sich jeweils in den Wärmeträgerzuleitungen (7, 10) zu den beiden Wärmetauschern
(3, 5) des Kreisprozesses (1) befinden.
6. Verfahren zur energiesparenden Spülung eines Gehäuses, mindestens umfassend
- mindestens einen geschlossenen Kältekreis (1) mit einem Arbeitsfluid,
- mindestens einen Verdichter(2) für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei
Anschlüssen (7, 8, 9, 10) für Wärmeüberträgerfluide,
- ein geschlossenes Gehäuse (6), welches alle am geschlossenen Kältekreis (1) angeschlossenen
Einrichtungen umfasst und von Luft durchströmt wird,
- das Gehäuse (6) einen Spülluftzulauf (13) aufweist, welcher eine Drosselungseinrichtung
und eine Rückschlagsicherung (14) aufweist,
- das Gehäuse einen Spülluftauslass aufweist, an den ein Fördergebläse (24) angeschlossen
ist, der an einen Ablass (22) angeschlossen ist,
- und der Ablass (22) an einen Ort außerhalb des Gebäudes geführt wird, und
- wobei innerhalb des Gehäuses (6) der Zulauf für den Spülluftabzug (16) an der tiefsten
Stelle (15) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Fördergebläse (24) die Spülluft ansaugt und dabei das Gehäuse unter Unterdruck
setzt,
- die abgezogene Spülluft in mindestens einen Spülluft-Wärmetauscher (18, 21) geleitet
wird,
- in dem die Spülluft gegen ein Wärmeüberträgerfluid (7, 10), welches an den Kreisprozess
(1) angeschlossen ist, entweder gekühlt oder erwärmt wird.
7. Verfahren zur energiesparenden Spülung eines Gehäuses, mindestens umfassend
- mindestens einen geschlossenen Kältekreis (1) mit einem Arbeitsfluid,
- mindestens einen Verdichter(2) für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei
Anschlüssen (7, 8, 9, 10) für Wärmeüberträgerfluide,
- ein geschlossenes Gehäuse (6), welches alle am geschlossenen Kältekreis (1) angeschlossenen
Einrichtungen umfasst und von Luft durchströmt wird,
- das Gehäuse (6) einen Spülluftzulauf (13) aufweist, an den ein Fördergebläse (24)
angeschlossen ist, und welcher eine Drosselungseinrichtung und eine Rückschlagsicherung
(14) aufweist,
- das Gehäuse einen Spülluftauslass aufweist, der an einen Ablass (22) angeschlossen
ist,
- und der Ablass (22) an einen Ort außerhalb des Gebäudes geführt wird, und
- wobei innerhalb des Gehäuses (6) der Zulauf für den Spülluftabzug (16) an der tiefsten
Stelle (15) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Fördergebläse (24) die Spülluft ansaugt und dabei das Gehäuse unter Überdruck
setzt,
- die abgezogene Spülluft in mindestens einen Spülluft-Wärmetauscher (18, 21) geleitet
wird,
- in dem die Spülluft gegen ein Wärmeüberträgerfluid (7, 10), welches an den Kreisprozess
(1) angeschlossen ist, entweder gekühlt oder erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abgezogene Spülluft gekühlt wird, wenn die Außentemperatur niedriger als die
Gebäudeinnentemperatur ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abgezogene Spülluft erwärmt wird, wenn die Außentemperatur höher als die Gebäudeinnentemperatur
ist.