[0001] Es werden ein Kältespeicher und ein Kühlsystem beschrieben, wobei in dem Kältespeicher
ein Fluid aufgenommen ist, das über ein Kühlmittel gekühlt werden kann. Das Kühlsystem
weist hierzu mindestens eine Kältemaschine auf, die zum Kühlen des Kühlmittels ausgebildet
und mit dem Leitungssystem des Kühlsystems gekoppelt ist.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind Kältespeicher bekannt, die beispielsweise als Eisspeicher
ausgebildet sind. In den Eisspeichern ist Wasser aufgenommen, welches über ein Kühlmittel
gekühlt werden kann. Hierzu wird über eine Leitungsanordnung das Kühlmittel durch
den Eisspeicher geführt. Beispielsweise wird das Kühlmittel, das über eine Kältemaschine
gekühlt wurde, in einer ersten Richtung durch den Eisspeicher geführt und einer Kühleinrichtung
mit einem Verbraucher zugeführt. Anschließend wird das Kühlmittel von dem Verbraucher
wieder der Kältemaschine zugeführt, wobei der Vorgang wiederholt wird. Um ein Kühlen
ohne die Kältemaschine durchzuführen, kann das Kühlmittel über eine weitere Leitungsanordnung
entgegengesetzt durch den Eisspeicher geführt werden, wobei die weitere Leitungsanordnung
so angeordnet ist, dass sie über den Verbraucher erwärmtes Kühlmittel durch den Eisspeicher
führt. Das in dem Eisspeicher enthaltene Eis nimmt die in dem Kühlmittel enthaltene
Wärme auf, sodass das Kühlmittel gekühlt wird und dem Verbraucher wieder zugeführt
werden kann.
[0003] Die aus dem Stand der Technik bekannten Eisspeicher sind so ausgebildet, dass eine
optimale Regeneration des Eisspeichers auftritt. Entsprechend sind die Leitungsanordnungen
innerhalb des Eisspeichers so angeordnet, dass das Kühlmittel den Eisspeicher vertikal
durchströmt.
[0004] Da sich im Eisspeicher bestimmte Temperaturschichten einstellen, kann jedoch keine
optimale Kühlung des Kühlmittels erreicht werden. Insbesondere bei vertikal verlaufenden
Leitungsanordnungen durchläuft das Kühlmittel verschiedene Temperaturschichten innerhalb
des Eisspeichers.
[0005] Es ist daher Aufgabe, einen Eisspeicher sowie ein Kühlsystem mit einem Eisspeicher
anzugeben, wobei neben einer Regeneration des Eisspeichers eine verbesserte Kühlung
eines Kühlmittels durchführbar ist.
[0006] Die Aufgabe wird durch einen Kältespeicher mit den in Anspruch 1 angegebenen technischen
Merkmalen und durch ein Kühlsystem mit den in Anspruch 10 angegebenen technischen
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen im Detail angegeben.
[0007] Ein Kältespeicher, der die vorstehend genannte Aufgabe löst, weist mindestens auf
- ein Gehäuse, das einen Speicherraum umgibt, wobei in dem Speicherraum ein Fluid aufgenommen
ist,
- eine erste Leitungsanordnung, die in dem Speicherraum angeordnet ist, wobei die erste
Leitungsanordnung so angeordnet ist, dass über die erste Leitungsanordnung geführtes
Kühlmittel den Kältespeicher vertikal durchströmt, und
- eine zweite Leitungsanordnung, die in dem Speicherraum angeordnet ist, wobei die zweite
Leitungsanordnung so angeordnet ist, dass über die zweite Leitungsanordnung geführtes
Kühlmittel den Kältespeicher horizontal durchströmt.
[0008] Die Anordnung der zweiten Leitungsanordnung ermöglicht es, dass das Kühlmittel nicht
über mehrere Temperaturschichten innerhalb des Kältespeichers geführt wird, sondern
nur im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs geführt ist, der eine bestimmte Temperatur
oder einen bestimmten Temperaturbereich aufweist. Aufgrund der vertikalen Anordnung
der ersten Leitungsanordnung kann über diese eine Beladung und Regeneration des Kältespeichers,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, durchgeführt werden. Die horizontale Anordnung
der zweiten Leitungsanordnung erlaubt es, ein erwärmtes Kühlmittel innerhalb des Bereichs
des Fluids zu führen, welches beispielsweise 0 Grad Celsius aufweist. Das in der zweiten
Leitungsanordnung geführte Kühlmittel wird nicht durch weitere Temperaturbereiche
des Fluids geführt und kann hierdurch im Wesentlichen die Temperatur des Bereichs
annehmen, in welchem die zweite Leitungsanordnung verläuft.
[0009] Die zweite Leitungsanordnung kann in weiteren Ausführungsformen in einem oberen Bereich
des Speicherraums angeordnet sein. In Abhängigkeit des verwendeten Fluids stellt sich
in dem oberen Bereich des Kältespeichers, bspw. eines Eisspeichers, eine bestimmte
Temperatur ein. Diese Temperatur wird über einen weiten Betriebsbereich des Kältespeichers
beibehalten, unabhängig davon ob sich innerhalb des Kältespeichers Eis gebildet hat
oder nicht. Dadurch ist es möglich, das Kühlmittel mit einer bestimmten Temperatur
auch dann zu kühlen, wenn der Kältespeicher nicht oder nicht vollständig beladen ist.
Dadurch, dass die zweite Leitungsanordnung im oberen Bereich des Speicherraums angeordnet
ist, muss das Kühlmittel auch nicht über mehrere Temperaturbereiche innerhalb des
Speicherraums geführt werden.
[0010] Der Kältespeicher kann in weiteren Ausführungen eine dritte Leitungsanordnung aufweisen,
die in dem Speicherraum angeordnet ist, wobei die dritte Leitungsanordnung so angeordnet
ist, dass über die dritte Leitungsanordnung geführtes Kühlmittel den Kältespeicher
vertikal und entgegengesetzt der Strömungsrichtung des in der ersten Leitungsanordnung
geführten Kühlmittels durchströmt. Über die dritte Leitungsanordnung kann eine weitere
Kühlung des Kühlmittels erreicht werden, wobei analog zu den aus dem Stand der Technik
bekannten Eisspeichern ein gezieltes Abtauen möglich ist.
[0011] Der Kältespeicher kann in weiteren Ausführungen auch mehrere parallel zueinander
verlaufende zweite Leitungsanordnungen aufweisen. Die Leitungsanordnungen können in
verschiedenen Abständen zueinander innerhalb des Speicherraums angeordnet sein, sodass
das Kühlmittel mit verschiedenen Temperaturen gekühlt werden kann. Beispielsweise
weist der Bereich, in welcher eine erste Leitungsanordnung der zweiten Leitungsanordnungen
angeordnet ist eine Temperatur zwischen 0 und 3 Grad Celsius auf. Eine zweite Leitungsanordnung
der zweiten Leitungsanordnungen kann beispielweise in einem Temperaturbereich zwischen
3 und 4 Grad Celsius angeordnet und eine dritte Leitungsanordnung der zweiten Leitungsanordnungen
kann in einem Temperaturbereich zwischen 4 und 5 Grad Celsius angeordnet sein. Die
zweiten Leitungsanordnungen können über Ventile oder andere Koppeleinrichtungen mit
einem Vorlauf eines Kühlsystems verbunden sein. In Abhängigkeit der benötigten Kühlung,
kann das Kühlmittel dann durch eine der zweiten Leitungsanordnungen geführt werden,
um das Kühlmittel auf eine entsprechende Temperatur zu bringen. Vorzugsweise weisen
sowohl die erste Leitungsanordnung als auch die mindestens eine zweite Leitungsanordnung
in ihren jeweiligen Vorlaufabschnitten eine drehzahlgesteuerte Pumpe auf, die den
Kühlmittelstrom in den jeweiligen Leitungsanordnungen regelt. Entsprechend kann auch
in der dritten Leitungsanordnung eine drehzahlgesteuerte Pumpe angeordnet sein.
[0012] Die erste Leitungsanordnung, die zweite Leitungsanordnung und/oder die dritte Leitungsanordnung
können mit einem Kühlkreislauf verbindbar sein, in dem mindestens ein Wärmetauscher
angeordnet ist, wobei
- die erste Leitungsanordnung in Kühlmittelströmungsrichtung vor dem mindestens einen
Wärmetauscher im Vorlauf des Kühlkreislaufs angeordnet ist,
- die zweite Leitungsanordnung in Kühlmittelströmungsrichtung nach dem mindestens einen
Wärmetauscher im Rücklauf des Kühlkreislaufs angeordnet ist, und/oder
- die dritte Leitungsanordnung in Kühlmittelströmungsrichtung nach dem mindestens einen
Wärmetauscher im Rücklauf des Kühlkreislaufs angeordnet ist.
[0013] Die erste Leitungsanordnung, die zweite Leitungsanordnung und/oder die dritte Leitungsanordnung
können mindestens einen Wärmetauscher und/oder wendelförmig verlaufende Leitungsabschnitte
aufweisen. Die Wärmetauscher und/oder wendelförmigen Leitungsabschnitte bieten eine
große Übergangsfläche für einen Wärmeübergang zwischen dem in dem Kältespeicher aufgenommenen
Fluid und dem Kühlmittel. Hierdurch kann die Kühlung des Kühlmittels weiter verbessert
werden. Zudem ist es möglich, den Kältespeicher schneller zu beladen.
[0014] Das in dem Speicherraum aufgenommene Fluid kann in weiteren Ausführungsformen Wasser
sein. Als Kühlmittel kann ferner eine Sole, z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, in den
Leitungsabschnitten geführt sein. Bei einem mit Wasser gefüllten Speicherraum des
Kältespeichers stellen sich oftmals definierte Temperaturbereiche ein. So weist das
Wasser im Bodenbereich des Kältespeichers eine Temperatur von 4 Grad Celsius auf,
da bei dieser Temperatur das Wasser seine höchste Dichte hat. Im oberen Bereich weist
das Wasser in der Regel 0 Grad Celsius auf. Würde nun bei einer konventionellen Ausbildung
des Kältespeichers ein Kühlen des Kühlmittels über vertikal verlaufende Leitungsanordnungen
durchgeführt werden, ist es nahezu unmöglich - in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur
des Kühlmittels - die in den Leitungen geführte Sole auf 0 Grad Celsius zu bringen.
Dies liegt insbesondere daran, dass das Kühlmittel auch durch Bereiche innerhalb des
Kältespeichers geführt wird, die wärmer als 0 Grad Celsius sind. Bei der hierin beschriebenen
technischen Leere kann das Kühlmittel jedoch gezielt auf eine Temperatur von 0 Grad
Celsius gebracht werden, da das Kühlmittel über die zweite Leitungsanordnung beispielsweise
nur im oberen Bereich innerhalb des Kältespeichers geführt wird. Die vorstehend genannte
Temperaturverteilung stellt sich insbesondere unabhängig davon ein, ob der Eisspeicher
fast vollständig beladen oder fast vollständig entladen ist. Vorteilhafterweise kann
daher über einen weiten Beladungszustand des Kältespeichers eine definierte Kühlung
des Kühlmittels erreicht werden.
[0015] In dem Speicherraum können in weiteren Ausführungsformen Speicherelemente aufgenommen
sein, die aus einem Phasenwechselmaterial bestehen oder ein Phasenwechselmaterial
aufweisen. Als Phasenwechselmaterial kann beispielweise Wasser oder ebenfalls wieder
eine Sole verwendet werden. Solche Speicherelemente können Platten mit Öffnungen sein,
wobei über die Öffnungen sowohl das Fluid bzw. Wasser strömen kann als auch die Leitungsanordnungen
geführt sind. Ferner können die Speicherelemente auch mit Phasenwechselmaterial gefüllte
Kugeln sein.
[0016] In weiteren Ausführungen ist der Kältespeicher als Eisspeicher ausgebildet. Der Eisspeicher
wird zum Beladen über die erste Leitungsanordnung gekühlt. Hierbei kommt es zur Eisbildung
des Wassers, wobei sich definierte Temperaturbereiche innerhalb des Eisspeichers einstellen.
[0017] Die Aufgabe wird auch durch ein Kühlsystem mit mindestens einem Kältespeicher der
vorstehend beschriebenen Varianten, mindestens einer Kühleinrichtung mit mindestens
einem Wärmetauscher zum Kühlen von in einem Warenraum aufgenommenen Waren und mindestens
einer Kältemaschine zum Kühlen des in dem Kühlkreislauf geführten Kühlmittels gelöst,
wobei
- die erste Leitungsanordnung mit dem Vorlauf des Kühlsystems gekoppelt ist,
- die zweite Leitungsanordnung mit dem Rücklauf des Kühlsystems gekoppelt ist, und/oder
- die dritte Leitungsanordnung mit dem Rücklauf des Kühlsystems gekoppelt ist, und
wobei
- zum Beladen des Kältespeichers das Kühlmittel über die erste Leitungsanordnung geführt
wird,
- zum Kühlen der Kühleinrichtung das Kühlmittel über die zweite Leitungsanordnung und/oder
die dritte Leitungsanordnung geführt wird, und
- zum Kühlen der Kühleinrichtung das Kühlmittel über die zweite Leitungsanordnung geführt
wird, wenn die Kältemaschine keine Kühlung des Kühlmittels durchführt.
[0018] Die erste Leitungsanordnung, die zweite Leitungsanordnung und/oder die dritte Leitungsanordnung
können über Ventile mit dem Vorlauf bzw. dem Rücklauf des Kühlsystems gekoppelt sein.
In alternativen Ausführungsformen weisen die erste Leitungsanordnung, die zweite Leitungsanordnung
und die dritte Leitungsanordnung in ihren jeweiligen Vorlaufleitungen eine Pumpe auf,
über welche das Kühlmittel von der Vorlauf- bzw. Rücklaufleitung des Kühlsystems durch
den Kältespeicher geleitet wird. Dementsprechend kann in solchen Ausführungen auf
Ventile verzichtet werden. Über die Pumpen wird gesteuert, ob ein Beladen des Kältespeichers
oder ein Kühlen der Kühleinrichtung über den Kältespeicher durchgeführt werden soll.
Insbesondere wird das Kühlmittel aus dem Rücklauf über die zweite Leitungsanordnung
durch den Kältespeicher geführt, wenn die Kältemaschine keine Kühlung des Kühlmittels
durchführt. Dies bedeutet aber auch, dass die Kältemaschine nicht mehr betrieben werden
wird oder betrieben werden muss, wenn die Kühlung des Kühlmittels über die zweite
Leitungsanordnung erfolgt.
[0019] Die Kältemaschine kann beispielsweise eine Wärmepumpe sein. Soll die Wärmepumpe weniger
stark takten oder über einen längeren Zeitraum nicht aktiv betrieben werden, so kann
das Kühlmittel nur über die zweite Leitungsanordnung durch den Kältespeicher geführt
werden und damit eine Kühlung der Kühleinrichtung bewirken. Das über die zweite Leitungsanordnung
und den Kältespeicher gekühlte Kühlmittel wird dabei einem mit der Wärmepumpe gekoppelten
Wärmetauscher, der den Rücklauf des Kühlsystems, insbesondere der Kühleinrichtung,
mit dem Vorlauf des Kühlsystems, insbesondere der Kühleinrichtung, verbindet, vorbeigeführt.
Das Kühlmittel weist dann eine Temperatur auf, die gewöhnlich unterhalb der Temperatur
liegt, die im Rücklauf vorherrscht. Eine Messeinrichtung erfasst die Temperatur, wobei
über eine Regel- und Steuereinheit erkannt wird, dass ein Einschalten der Wärmepumpe
nicht erforderlich ist, da die Temperatur im Rücklauf unterhalb eines Schwellenwertes
liegt. Über den Wärmetauscher, der mit der Wärmepumpe gekoppelt ist, wird das gekühlte
Kühlmittel über den Vorlauf der Kühleinrichtung bzw. des Kühlsystems dem Wärmetauscher
der Kühleinrichtung zugeführt und erwärmt. Von dem Wärmetauscher wird das Kühlmittel
wieder über die zweite Leitungsanordnung durch den Kältespeicher geführt und gekühlt.
Dieser Ablauf kann so lange durchgeführt werden, bis die Temperatur beispielsweise
im oberen Bereich des Kältespeichers und damit auch die Temperatur im Rücklauf des
Kühlsystems bzw. der Kühleinrichtung ansteigt. Eine Sensoranordnung erfasst ein Ansteigen
der Temperatur und aktiviert die Wärmepumpe, sodass über den Wärmetauscher der Wärmepumpe
das Kühlmittel auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird. Die dafür vorgesehene
Regel- und Steuereinheit deaktiviert dann die im Vorlauf der zweiten Leitungsanordnung
angeordnete Pumpe und aktiviert die im Vorlauf der ersten Leitungsanordnung angeordnete
Pumpe, sodass das über die Wärmepumpe gekühlte Kühlmittel die erste Leitungsanordnung
durchströmt und damit den Kältespeicher kühlt und über den Kältespeicher dann in den
Vorlauf der Kühleinrichtung bzw. des Kühlsystems eingebracht wird und zu dem Wärmetauscher
der Kühleinrichtung gelangt.
[0020] Die in dem Kühlsystem angeordneten Pumpen können vorzugsweise drehzahlgesteuerte
Pumpen sein. Hierüber lässt sich der Betrieb der Pumpen einfach regeln und verschiedene
Massenströme einstellen. Insbesondere kann über die Steuerung der Pumpen auch auf
Ventile verzichtet werden.
[0021] Bei der Kühleinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Kühlregal handeln, welches
zur Aufnahme und Kühlung von Waren, wie beispielsweise Molkereiprodukte, Fleisch,
Geflügel und/oder Obst und Gemüse, vorgesehen ist. In einem regulären Betrieb wird
das Kühlmittel über die Wärmepumpe gekühlt und dabei auch der Kältespeicher, vorzugsweise
ein mit Wasser gefüllter Eisspeicher, gekühlt d.h. beladen. In einem Nachtbetrieb,
wobei für die Kühleinrichtung eine Art Rollo heruntergefahren wird, welches den Warenraum
der Kühleinrichtung verschließt, liegt ein geringerer Kühlbedarf vor. Die geringe
Kühlleistung, die dann benötigt wird, kann über den Kältespeicher bereitgestellt werden,
wobei wie vorstehend angegeben das Kühlmittel über die zweite Leitungsanordnung geführt
wird. Steigt die Temperatur im Rücklauf des Kühlsystems bzw. der Kühleinrichtung,
wird der Temperaturanstieg über eine Sensoranordnung erfasst und einer Steuer- und
Regeleinrichtung übermittelt, welche die Wärmepumpe dann wieder aktiviert. Alternativ
oder zusätzlich dazu kann auch nachts, wenn günstiger Strom verfügbar ist, die Wärmepumpe
so lange betrieben werden, bis der Kältespeicher vollständig beladen ist. Anschließend
kann in einem Tagbetrieb, wenn die Stromkosten deutlich höher sind, die Kühlung der
Kühleinrichtung im Wesentlichen über den Kältespeicher erfolgen. Hierzu wird das Kühlmittel
innerhalb des Kühlkreislaufs der Kühleinrichtung bzw. des Kühlsystems über die zweite
Leitungsanordnung geführt. Dadurch, dass die zweite Leitungsanordnung im oberen Bereich
des Kältespeichers angeordnet sein kann, und vor allem bei Wasser als Fluid für den
Kältespeicher die Temperatur im oberen Bereich des Kältespeichers über einen weiten
Beladungszustand des Kältespeichers konstant bleibt, lässt sich eine optimale und
langanhaltende Kühlung bereitstellen.
[0022] Weitere Vorteile, Merkmale sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
[0023] In den Zeichnungen zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines Eisspeichers;
- Fig. 2
- eine weitere schematische Darstellung eines Eispeichers mit Speicherelementen;
- Fig. 3
- eine schematische Ansicht eines Kühlsystems;
- Fig. 4
- eine schematische Ansicht des Kühlsystems von Fig. 3 in einem ersten Betriebszustand;
und
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung des Kühlsystems von Fig. 3 in einem zweiten Betriebszustand.
[0024] In den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehene Teile entsprechen im Wesentlichen
einander, sofern nichts anderes angegeben ist. Ferner wird darauf verzichtet, Bestandteile
zu beschreiben, welche nicht Wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen
Leere sind.
[0025] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Eisspeichers 10 einer ersten Ausführungsform.
Der Eisspeicher 10 weist ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 weist neben angedeuteten
Seitenwänden und einem Bodenelement auch ein Deckenelement auf. Das Deckenelement
ist in Fig. 1 nicht dargestellt. In dem Eisspeicher 10 ist ein Fluid 16 aufgenommen.
Das Fluid 16 ist vorzugsweise Wasser. Dem Wasser können weitere Zusätze beigemischt
sein, um bestimmte Eigenschaften des Wassers zu beeinflussen oder bestimmte Eigenschaften
des Fluid 16 zu erreichen.
[0026] Das Gehäuse 12 umgibt einen Speicherraum 14, in dem eine erste Leitungsanordnung
18, eine zweite Leitungsanordnung 20 und eine dritte Leitungsanordnung 22 angeordnet
sind. Die erste Leitungsanordnung 18 ist so angeordnet, dass ein über die erste Leitungsanordnung
18 geführtes Kühlmittel den Speicherraum 14 und damit das Fluid 16 in der dargestellten
Richtung durchströmt. Das in der ersten Leitungsanordnung 18 geführte Kühlmittel durchströmt
zwei Wärmetauscher 30 vertikal, wobei das Kühlmittel auch über Abschnitte der ersten
Leitungsanordnung 18 parallel zum Boden geführt sein kann. Wird das Kühlmittel über
die erste Leitungsanordnung 18 durch den Eisspeicher 10 geführt, kommt es zu einer
definierten Eisbildung im Speicherraum 14. Über die dritte Leitungsanordnung 22 kann
ein Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung durch den Speicherraum 14 des Eisspeichers
10 geführt werden. Beispielsweise ist die erste Leitungsanordnung mit einem Vorlauf
eines Kühlsystems verbunden, sodass gekühltes Kühlmittel den Eisspeicher 10 durchströmt
um diesen aufzuladen, d. h. abzukühlen. Hierbei nimmt das durch den Eisspeicher 10
geführte Kühlmittel Wärme auf. Zum Entladen des Eisspeichers 10 bzw. wenn die in dem
Eisspeicher 10 gespeicherte Kälte zum Kühlen eines Verbrauchers in dem Kühlsystem
verwendet werden soll, wird ein erwärmtes Kühlmittel über die dritte Leitungsanordnung
22 durch den Eisspeicher 10 geführt. Das erwärmte Kühlmittel innerhalb der Leitung
der dritten Leitungsanordnung 22 gibt Wärme an das Fluid 16 bzw. an das zu Eis gewordene
Fluid 16 ab, wobei das in der dritten Leitungsanordnung 22 geführte Kühlmittel abkühlt.
Hierzu sind Wärmetauscher 34 in der dritten Leitungsanordnung 22 vorgesehen, die eine
große Wärmeübergangsfläche bereitstellen. Die dritte Leitungsanordnung 22 ist im Rücklauf
eines Kühlsystems einem Verbraucher nachgeschaltet.
[0027] Bei dem Eisspeicher 10 stellen sich verschiedene Temperaturschichtungen ein. Da Wasser
bei 4 Grad Celsius die größte Dichte aufweist, hat das Fluid 16 im Bereich 28 eine
Temperatur von 4 Grad Celsius. Im oberen Bereich 24 weist das Fluid 16 bzw. Wasser
eine Temperatur von 0 Grad Celsius auf. Im mittleren Bereich 26 stellen sich weitere
Temperaturschichtungen ein.
[0028] Bei einem konventionellen Eisspeicher mit lediglich einer ersten Leitungsanordnung
18 und einer dritten Leitungsanordnung 22 kann ein definiertes Beladen eines Eisspeichers
und ein definiertes Regenerieren, d. h. Abschmelzen des Eises, durchgeführt werden.
Dementsprechend sind die erste Leitungsanordnung und die dritte Leitungsanordnung
bei konventionellen Eisspeichern so ausgebildet, dass das darin geführte Kühlmittel
den Eisspeicher vertikal durchströmt. Soll die in dem Eisspeicher gespeicherte Kälte
zum Kühlen eines Kühlmittels verwendet werden, wird diese über die dritte Leitungsanordnung
22 durch den Eisspeicher 10 geführt. Aufgrund der verschiedenen Temperaturschichten
in den Bereichen 24, 26 und 28 kann das Kühlmittel jedoch nicht optimal gekühlt werden.
Dies liegt daran, dass das Kühlmittel auch durch Temperaturzonen innerhalb des Speicherraums
14 des Eisspeichers 10 geführt wird, die über einer gewünschten Kühlmitteltemperatur
liegen. Grund hierfür ist die vertikale Anordnung der ersten Leitungsanordnung 18
und der dritten Leitungsanordnung 22. Jedoch ist die Ausbildung der ersten Leitungsanordnung
18 und die Ausbildung der dritten Leitungsanordnung 22, d. h. die vertikale Ausrichtung,
vorteilhaft, um ein definiertes Beladen des Eisspeichers 10 und ein definiertes Regenerieren
des Eisspeichers 10 zu erreichen.
[0029] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Eisspeicher 10 ist für ein optimales Kühlen eines Kühlmittels
im Rücklauf eines Kühlsystems eine zweite Leitungsanordnung 20 angeordnet. Die zweite
Leitungsanordnung 20 ist wie die dritte Leitungsanordnung 22 im Rücklauf eines Kühlsystems
angeordnet und kann von einem erwärmten Kühlmittel, das von einem Verbraucher im Kühlsystem
kommt, durchströmt werden. Jedoch ist die zweite Leitungsanordnung 20 so angeordnet
und ausgebildet, dass das Kühlmittel, welches durch die zweite Leitungsanordnung 20
geführt wird, den oberen Bereich 24 horizontal durchströmt. In diesem Bereich weist
das Wasser bzw. Fluid 16 eine Temperatur von 0 Grad Celsius auf. Anders als bei einer
Durchströmung der dritten Leitungsanordnung 22 kann das in der zweiten Leitungsanordnung
20 geführte Kühlmittel stärker herabgekühlt werden, da das Kühlmittel nicht verschiedene
Temperaturschichten durchläuft. Die zweite Leitungsanordnung 20 kann ebenfalls einen
Wärmetauscher 32 aufweisen, der eine große Übertragungsfläche für einen Wärmeübergang
bereitstellt.
[0030] Die Wärmetauscher 30, 32 und 34 können verschieden ausgebildet sein. Beispielsweise
sind diese Wärmetauscher 30, 32 und 34 durch Leitungsabschnitte gebildet, die sich
wendelförmig über die gesamte Fläche einer Seitenwand oder über die Grundfläche des
Gehäuses 12 erstrecken.
[0031] Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Eisspeichers 10. Die in Fig. 2 gezeigte
Ausbildung des Eisspeichers 10 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Eisspeicher
darin, dass in dem Speicherraum 14 Speicherelemente 16 angeordnet sind. Die Speicherelemente
16 weisen eine Kunststoffhülle auf, in welcher eine Sole aufgenommen ist. Die Sole
dient als Phasenwechselmaterial und speichert Kälte, welche durch das in der ersten
Leitungsanordnung 18 geführte Kühlmittel übertragen wird.
[0032] Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Kühlsystems mit einem Eisspeicher
10. Das Kühlsystem weist eine Wärmepumpe 46 auf, die zum Kühlen eines Kühlmittels
vorgesehen ist. Die Wärmepumpe 46 weist einen Verdichter 48 sowie ein Expansionsventil
50 auf. Der Aufbau und der Betrieb einer Wärmepumpe 46 sind aus dem Stand der Technik
bekannt. Daher wird hierauf nicht weiter eingegangen.
[0033] Über einen Wärmetauscher 52 wird die Kälte des über die Wärmepumpe 46 gekühlten Kühlmittels
auf ein Kühlmittel übertragen, das zur Kühlung einer Kühleinrichtung 38 dient. Die
Kühleinrichtung 38 kann ein Kühlregal sein, welches zur Aufnahme von Waren in einem
Supermarkt aufgestellt ist. Die Waren umfassen beispielsweise Fleisch, Wurst, Geflügel
und/oder Obst und Gemüse. Zur Kühlung der darin aufgenommenen Waren weist die Kühleinrichtung
38 eine Kühleinheit 40 auf. Die Kühleinheit 40 weist einen Wärmetauscher 42, hier
in dem Beispiel ein plattenförmiger Wärmetauscher 42, und einen Ventilator 44 auf.
Über den Ventilator 44 wird Luft über den Wärmetauscher 42 geführt, wodurch die Luft
abkühlt. Die abgekühlte Luft wird dann innerhalb der Kühleinrichtung 38 umgewälzt.
Ferner können über den Wärmetauscher 42 auch Seitenwände der Kühleinrichtung 38, welche
einen Warenraum umgeben, gekühlt werden.
[0034] Der Wärmetauscher 52 ist mit einem Vorlauf 54 und einem Rücklauf 56 der Kühleinrichtung
38 verbunden. Im Vorlauf 54 ist eine Pumpe 58 angeordnet, die als Förderpumpe zum
Transport des in dem Kühlsystem geführten Kühlmittels dient. Die Pumpe 58 ist insbesondere
eine drehzahlgesteuerte Pumpe. Ferner ist die Pumpe 58 in dem Teil des Kühlsystems
angeordnet, welcher das Kühlmittel einer Vielzahl von Kühleinrichtungen 38 zuführen
kann. In Fig. 3 ist nur eine einzige Kühleinrichtung 38 dargestellt und daher der
Kühlkreislauf bestehend aus dem Vorlauf 54 und aus dem Rücklauf 56 einfach ausgeführt.
In weiteren Ausführungsformen können jedoch mehrere parallel geschaltete Kühleinrichtungen
38 vorgesehen sein. Über die Pumpe 58 wird dann das Kühlmittel jeweils in einen Vorlauf
der entsprechenden Kühleinrichtungen 38 geführt. Ferner sind dann die Rückläufe der
jeweiligen Kühleinrichtungen 38 über eine gemeinsame Rückführleitung miteinander verbunden.
[0035] Bezugnehmend auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist der Vorlauf 54 des Kühlsystems
gleich der Vorlauf 54 der Kühleinrichtung 38 und der Rücklauf 56 des Kühlsystems gleich
der Rücklauf 56 der Kühleinrichtung 38. Die Kühleinrichtung 38 weist eine dezentral
angeordnete Pumpe 62 auf, die ebenfalls als drehzahlgesteuerte Pumpe zum Fördern von
Kühlmittel vorgesehen ist. Über die Pumpe 62 kann gesteuert werden, welche Menge an
Kühlmittel der Kühleinheit 40 zugeführt werden soll. Die Pumpe 62 regelt den Massenstrom
des Kühlmittels innerhalb der Kühleinrichtung 38. Die Pumpe 58 regelt den Massenstrom
innerhalb des Kühlsystems. Da jedoch in Fig. 3 nur eine Kühleinrichtung 38 vorgesehen
ist, könnte bei einer solchen Ausführung beispielsweise auf die Pumpe 58 verzichtet
werden.
[0036] Die Pumpe 62 ermöglicht eine bedarfsabhängige Kühlmittelzufuhr zu der Kühleinheit
40. Der Vorlauf 54 weist einen parallelen Strömungsweg für das Kühlmittel auf, der
durch die erste Leitungsanordnung 18 gebildet ist. Im Vorlauf der Leitungsanordnung
18 ist eine Pumpe 60 angeordnet. Die Pumpe 60 ist ebenso eine drehzahlgesteuerte Pumpe
und regelt den Massenstrom und den Durchfluss des Kühlmittels durch die erste Leitungsanordnung
18. Der Eisspeicher 10 ist entsprechend so ausgebildet, wie der in Fig. 1 gezeigte
Eisspeicher.
[0037] In einer ersten Betriebsart wird über die Wärmepumpe 46 ein Kühlmittel gekühlt und
dadurch auch das in dem Kühlsystem geführte Kühlmittel. Über die Pumpen 58 und 62
wird das Kühlmittel im Vorlauf 54 und im Rücklauf 56 umgewälzt. Zusätzlich ist die
Pumpe 60 aktiv und führt Kühlmittel über die erste Leitungsanordnung 18 durch den
Eisspeicher 18, sodass es zu einer Aufladung des Eisspeichers 10 kommt. Im Abschnitt
des Vorlaufs 54, welcher der ersten Leitungsanordnung 18 nachgeschaltet ist, kommt
es zu einer geringen Temperaturerhöhung des Kühlmittels. Um für die Kühleinheit 40
dennoch eine ausreichende Kühlleistung bereitstellen zu können, kann über die Pumpe
62 die Fördermenge von Kühlmittel zusätzlich erhöht werden. Das Kühlmittel, welches
über die Pumpe 58 gefördert wird, teilt sich dabei in zwei Strömungswege auf.
[0038] Im Rücklauf 56 sind parallel zum Rücklauf 56 eine zweite Leitungsanordnung 20 und
eine dritte Leitungsanordnung 22 angeordnet. Im Vorlauf der zweiten Leitungsanordnung
20 ist eine Pumpe 66 angeordnet. Im Vorlauf der dritten Leitungsanordnung 22 ist eine
Pumpe 64 angeordnet. Die Pumpen 60, 64 und 66 sind ebenfalls drehzahlgesteuerte Pumpen
und regeln die Menge an Kühlmittel, welches durch die zweite Leitungsanordnung 20
bzw. durch die dritte Leitungsanordnung 22 geführt wird.
[0039] Fig. 4 zeigt das Kühlsystem von Fig. 3 in einer ersten Betriebsart. Die Pfeile zeigen
die Durchflussrichtung des Kühlmittels an. Das über die Wärmepumpe 46 gekühlte Kühlmittel
wird innerhalb des Vorlaufs 54 über die Pumpe 58 und die Pumpe 60 der ersten Leitungsanordnung
18 zugeführt. Hierbei ist anzumerken, dass neben einer parallelen Durchströmung der
Leitungsanordnung 18 zu dem Vorlauf 54 auch eine Umlenkung des Kühlmittelstroms, wie
in Fig. 4 gezeigt, erreicht werden kann. Die Aufteilung des Kühlmittelstroms ist abhängig
von der Förderleistung der einzelnen Pumpen 58, 60 und 62. Wäre die Förderleistung
der Pumpe 62 deutlich höher als die Förderleistung der Pumpe 60, so könnte sich auch
eine parallele Durchströmung des überbrückten Leitungsabschnitts im Vorlauf 54 einstellen.
In Fig. 4 durchströmt das Kühlmittel die erste Leitungsanordnung 18 und kühlt das
in dem Speicherraum 14 aufgenommene Fluid 16. Anschließend wird das Kühlmittel über
die Pumpe 62 der Kühleinheit 40 und über den Rücklauf 56 dem Wärmetauscher 52 zugeführt.
Über den Wärmetauscher 52 wird das Kühlmittel wieder abgekühlt.
[0040] In einer zweiten Betriebsart, die in Fig. 5 gezeigt ist, wird das im Vorlauf 54 und
im Rücklauf 56 umgewälzte Kühlmittel zum Kühlen der Kühleinheit 40 nicht über den
Wärmetauscher 52 gekühlt, sondern über die in dem Eisspeicher 10 gespeicherte "Kälte".
Hierzu wird die Pumpe 60 deaktiviert, so dass kein Kühlmittel mehr die erste Leitungsanordnung
18 durchströmt. Ferner wird das über die Kühleinheit 40 erwärmte Kühlmittel im Rücklauf
56 über die zweite Leitungsanordnung 20 durch den oberen Bereich 24 des Eisspeichers
10 geführt. Hierzu wird die Pumpe 66 aktiviert und fördert damit das erwärmte Kühlmittel
im Rücklauf 56 über den Eisspeicher 10. Anschließend strömt das Kühlmittel, welches
im Eisspeicher 10 gekühlt wurde, wieder über den Wärmetauscher 52 und die Vorlaufleitung
54 direkt zu der Kühleinheit 40. Da die Kühlung über den Eisspeicher 10 erfolgt, weist
das Kühlmittel im Rücklauf vor dem Wärmetauscher 52 bereits die geforderte Temperatur
auf, sodass die Wärmepumpe 56 nicht mehr betrieben werden muss, um das Kühlmittel
zu kühlen. In dem Rücklauf 56 kann eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein,
welche die Temperatur des Kühlmittels erfasst. Ferner weist das Kühlsystem an weiteren
Stellen Messeinrichtungen zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels auf. Diese Informationen
werden an eine Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung des Gesamt-Kühlsystems und/oder
an untergeordnete Steuer- und Regeleinheiten, wie zum Beispiel für die Kühleinrichtung
38, weitergeleitet. Diese regeln dann die Kühlmittelförderung durch Steuern der Pumpen
58, 60, 62, 64 und 66. Überschreitet die Temperatur im Rücklauf 56 einen bestimmten
Schwellenwert, so wird die Wärmepumpe 46 wieder aktiviert und das Kühlmittel über
den Wärmetauscher 52 gekühlt. Dementsprechend werden dann die Pumpen 60 und 66 so
angesteuert, dass das Kühlmittel über die Pumpe 60 der ersten Leitungsanordnung 18
zugeführt wird, damit der Eisspeicher 10 beladen werden kann und die Pumpe 66 deaktiviert,
damit kein erwärmtes Kühlmittel im Rücklauf 56 die zweite Leitungsanordnung 20 durchströmt.
[0041] Die Strömung des Kühlmittels innerhalb der Leitungsanordnungen 18, 20 und 22 sowie
im Vorlauf 54 und 56 kann allein über eine Ansteuerung der Drehzahl der Pumpen 60,
62, 64 und 66 erfolgen.
[0042] Die in Fig. 3 bis 5 gezeigte Kühleinrichtung 38 weist zusätzlich eine dritte Leitungsanordnung
22 auf. Die Funktion der dritten Leitungsanordnung 22 wurde bereits mit Bezug auf
Fig. 1 beschrieben. Daher ist die dritte Leitungsanordnung 22 als optional anzusehen.
Die Funktion der dritten Leitungsanordnung 22 kann auch allein über die zweite Leitungsanordnung
20 übernommen werden. Jedoch kann auch eine dritte Leitungsanordnung 22 vorgesehen
sein, um ein definiertes Regenerieren, wie bereits im Stand der Technik beschrieben,
durchgeführt werden kann.
[0043] Die Anordnung der zweiten Leitungsanordnung 20 im oberen Bereich 24 innerhalb des
Eisspeichers 10 ermöglicht es, das Kühlmittel in der zweiten Betriebsart im Wesentlichen
auf die Temperatur zu bringen, die das Fluid 16 im Bereich 24 aufweist. Würde zum
Kühlen des Kühlmittels im Rücklauf 56 dieses nur über die dritte Leitungsanordnung
22 geführt werden, so würde das Kühlmittel auch durch die Bereiche 26 und 28 strömen,
welche höhere Temperaturen aufweisen als der Bereich 24. Dadurch wird das Kühlmittel
nicht so stark gekühlt, wie es zum Kühlen der Kühleinheit 40 notwendig wäre. Als Folge
dessen wird im Stand der Technik eine größere Menge an Kühlmittel durch einen Eisspeicher
geleitet, was zu einem schnelleren Entladen des Eisspeichers führt und die Taktzeiten
von Wärmepumpen verringert, was die Energiekosten deutlich erhöht. Bei der hierin
beschriebenen Ausbildung des Eisspeichers 10 kann jedoch ein Takten einer Wärmepumpe,
zum Kühlen der Kühleinheit 40 und zum Kühlen des in dem Eisspeichers 10 aufgenommenen
Fluids 16 bzw. die Abstände zwischen den Einschaltzeitpunkten der Wärmepumpe 46 reduziert
werden.
[0044] Das hierin beschriebene Kühlsystem ermöglicht es, eine Kühleinrichtung 38 kostengünstig
und effizient zu kühlen. Beispielweise kann der Eisspeicher 10 dann beladen werden,
wenn die Kosten für die Stromversorgung für den Betrieb der Wärmepumpe 46 gering sind.
Dies kann beispielsweise nachts der Fall sein. Ein günstiger Stromtarif kann aber
auch tagsüber zu bestimmten Zeiten vorherrschen. Maßgeblich ist hierfür mitunter das
über durch erneuerbare Energien erzeugte Stromangebot. Tagsüber wird dann auf die
in Fig. 5 gezeigte Betriebsart umgeschaltet, sodass die Wärmepumpe inaktiv ist. Dies
kann so lange durchgeführt werden, bis die Temperatur im Rücklauf 56 vor dem Wärmetauscher
52 einen Schwellenwert überschreitet.
[0045] Alternativ kann auch die in Fig. 5 gezeigte Betriebsart nachts aufrechterhalten werden.
Insbesondere Kühleinrichtungen 38 für Supermärkte zum Kühlen von Waren weisen Verschlusseinrichtungen
mit einem Rollo auf. Das Rollo wird nachts heruntergefahren, sodass der Warenraum
verschlossen ist und ein geringerer Wärmeübergang zwischen der Umgebung der Kühleinrichtung
38 und dem Warenraum auftritt. Um eine konstante Temperatur im Warenraum und eine
konstante Kerntemperatur der darin aufgenommenen Waren aufrechtzuerhalten, kann beispielsweise
das Kühlmittel auf 0 Grad abgekühlt werden, indem es durch den Bereich 24 über die
zweite Leitungsanordnung 20 geführt wird.
[0046] In einem Tagbetrieb mit einem geöffneten Rollo findet ein größerer Wärmeübergang
zwischen der Umgebung und dem Warenraum statt. Zudem werden immer wieder neue Waren
in die Kühleinrichtung 38 eingesetzt, sodass eine größere Kühlung erforderlich ist.
Hierzu kann ein Kühlmittel auf eine geringere Temperatur gebracht werden, wobei die
in Fig. 4 gezeigte Betriebsart verwendet werden kann.
[0047] Bei sämtlichen hierin beschriebenen Eisspeichern 10 kann auf eine dritte Leitungsanordnung
22 verzichtet werden. Wesentlicher Bestandteil ist die zweite Leitungsanordnung 20,
die sich horizontal im oberen Bereich 24 des Speicherraums 14 erstreckt und sich im
Wesentlichen innerhalb einer Temperaturschicht befindet. Hierbei kann das durch die
zweite Leitungsanordnung 20 geführte Kühlmittel auf eine definierte Temperatur gebracht
werden und durchströmt nicht verschiedene Temperaturschichtungen.
Bezugszeichenliste
[0048]
- 10
- Eisspeicher
- 12
- Gehäuse
- 14
- Speicherraum
- 16
- Fluid
- 18
- Leitungsanordnung
- 20
- Leitungsanordnung
- 22
- Leitungsanordnung
- 24
- Bereich
- 26
- Bereich
- 28
- Bereich
- 30
- Wärmetauscher
- 32
- Wärmetauscher
- 34
- Wärmetauscher
- 36
- Speicherelement
- 38
- Kühleinrichtung
- 40
- Kühleinheit
- 42
- Wärmetauscher
- 44
- Ventilator
- 46
- Wärmepumpe
- 48
- Verdichter
- 50
- Expansionsventil
- 52
- Wärmetauscher
- 54
- Vorlauf
- 56
- Rücklauf
- 58
- Pumpe
- 60
- Pumpe
- 62
- Pumpe
- 64
- Pumpe
- 66
- Pumpe
1. Kältespeicher, mindestens aufweisend
- ein Gehäuse (12), das einen Speicherraum (14) umgibt, wobei in dem Speicherraum
(14) ein Fluid (16) aufgenommen ist,
- eine erste Leitungsanordnung (18), die in dem Speicherraum (14) angeordnet ist,
wobei die erste Leitungsanordnung (18) so angeordnet ist, das über die erste Leitungsanordnung
(18) geführtes Kühlmittel den Kältespeicher vertikal durchströmt,
- eine zweite Leitungsanordnung (20), die in dem Speicherraum (14) angeordnet ist,
wobei die zweite Leitungsanordnung (20) so angeordnet ist, das über die zweite Leitungsanordnung
(20) geführtes Kühlmittel den Kältespeicher horizontal durchströmt.
2. Kältespeicher nach Anspruch 1, wobei die zweite Leitungsanordnung (20) in einem oberen
Bereich (24) des Speicherraums (14) angeordnet ist.
3. Kältespeicher nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend eine dritte Leitungsanordnung (22),
die in dem Speicherraum (14) angeordnet ist, wobei die dritte Leitungsanordnung (22)
so angeordnet ist, das über die dritte Leitungsanordnung (22) geführtes Kühlmittel
den Kältespeicher vertikal und entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des in der ersten
Leitungsanordnung (18) geführten Kühlmittels durchströmt.
4. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend mehrere parallel zueinander
verlaufende zweite Leitungsanordnungen (20).
5. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Leitungsanordnung
(18), die zweite Leitungsanordnung (20) und/oder die dritte Leitungsanordnung (22)
mit einem Kühlkreislauf verbindbar sind, in dem mindestens ein Wärmetauscher (42)
angeordnet ist, wobei
- die erste Leitungsanordnung (18) in Kühlmittelströmungsrichtung vor dem mindestens
einen Wärmetauscher (42) im Vorlauf (54) des Kühlkreislaufs angeordnet ist,
- die zweite Leitungsanordnung (20) in Kühlmittelströmungsrichtung nach dem mindestens
einen Wärmetaucher (42) im Rücklauf (56) des Kühlkreislaufs angeordnet ist, und/oder
- die dritte Leitungsanordnung (22) in Kühlmittelströmungsrichtung nach dem mindestens
einen Wärmetauscher (42) im Rücklauf (56) des Kühlkreislaufs angeordnet ist.
6. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Leitungsanordnung
(18), die zweite Leitungsanordnung (20) und/oder die dritte Leitungsanordnung (22)
mindestens einen Wärmetauscher (30; 32; 34) und/oder wendelförmig verlaufende Leitungsabschnitte
aufweisen.
7. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das in dem Speicherraum (14)
aufgenommene Fluid (16) Wasser ist.
8. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Speicherraum (14) Speicherelemente
(36) aufgenommen sind, die aus einem Phasenwechselmaterial bestehen oder ein Phasenwechselmaterial
aufweisen.
9. Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kältespeicher als Eisspeicher
(10) ausgebildet ist.
10. Kühlsystem mit mindestens einem Kältespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mindestens
einer Kühleinrichtung (38) mit mindestens einem Wärmetauscher (42) zum Kühlen von
in einem Warenraum aufgenommenen Waren und mindestens einer Kältemaschine zum Kühlen
des in dem Kühlkreislauf geführten Kühlmittels, wobei
- die erste Leitungsanordnung (18) mit dem Vorlauf (54) des Kühlsystems gekoppelt
ist,
- die zweite Leitungsanordnung (20) mit dem Rücklauf (56) des Kühlsystems gekoppelt
ist, und/oder
- die dritte Leitungsanordnung (22) mit dem Rücklauf (56) des Kühlsystems gekoppelt
ist, und
wobei
- zum Beladen des Kältespeichers das Kühlmittel über die erste Leitungsanordnung (18)
geführt wird,
- zum Kühlen der Kühleinrichtung (38) das Kühlmittel über die zweite Leitungsanordnung
(20) und/oder die dritte Leitungsanordnung (22) geführt wird, und
- zum Kühlen der Kühleinrichtung (38) das Kühlmittel über die zweite Leitungsanordnung
(20) geführt wird, wenn die Kältemaschine keine Kühlung des Kühlmittels durchführt.