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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines integralen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems von Gebäuden mit einem primären Kältekreislauf zum Bereitstellen einer Gewerbekälte für Kühlanlagen oder ähnliches sowie einem sekundären Kältekreislauf, welcher wahlweise in einen Heizbetrieb oder einen Klimatisierungsbetrieb zur Kühlung bzw. zum Heizen des Gebäudes umschaltbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein derartiges integrales Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem mit einem primären Kältekreislauf mit einem ersten Wärmeträgermedium sowie einem sekundären Kältekreislauf mit einem zweiten Wärmeträgermedium, wobei der primäre und sekundäre Kältekreislauf miteinander über einen zusätzlichen Wärmeübertrager und einen als Verflüssiger dienenden kombinierten Wärmeübertrager für mehrere Fluide miteinander gekoppelt sind.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines integralen lastangepassten Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems, bei welchem der sekundäre Kältekreislauf als eine Wärmepumpe betrieben werden kann. Derartige integrale Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsysteme von Gebäuden finden beispielsweise in Gewerbebetrieben Anwendung, bei denen gleichermaßen eine Gewerbekälte mittels eines primären Kältekreislaufs für beispielsweise Kühlmöbel erzeugt werden muss und gleichzeitig eine Heizung bzw. Kühlung des Gebäudes mittels eines sekundären Kältekreislaufs erfolgt. Es ist im Stand der Technik bekannt, solch eine kombinierte Heiz-/Klimatisierung und Kühlung von Gebäuden bereitzustellen, wobei verschiedene Wärmeträgermedien bzw. Kältemittel in den Leitungen der Kältekreisläufe strömen. Beispielsweise ist es im Stand der Technik bekannt, bei einer Luft-/Wasser-Wärmepumpe über einen im Außenbereich aufgestellten Wärmeübertrager primärseitig Wärme über ein Wärmeübertragermedium wie die Außenluft zu entziehen und beispielsweise durch eine Kältemaschine über ein zweites Wärmeträgermedium (Kühlmedium) den Heizkreis mit Hilfe eines weiteren Wärmeübertragers auf der Sekundärseite zum Zwecke der Beheizung von Innenräumen des Gebäudes zu nutzen. Ein solches kombiniertes Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem verwendet dabei die Abwärme aus dem primären Kältekreislauf, um eine Heizleistung im sekundären Kältekreislauf für das Heizen des Gebäudes bereitzustellen. Bei solch einem bekannten Wärmeübertragungsprozess wird die über den Wärmeübertrager geführte Außenluft am kombinierten Wärmeübertrager (Verflüssiger) um mehrere Kelvin abgekühlt in Abhängigkeit von der Größe des Wärmeübertragers. Diese an die Außenluft abgeführte thermische Leistung wird dem primären Kältekreislauf entnommen und ohne weitere Verwendung abgegeben.
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Ein solcher im Stand der Technik bekannter Betrieb eines kombinierten integralen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems ist zum Beispiel in der nachfolgenden 1 schematisch dargestellt. Die 1 zeigt einen Sommerbetrieb (Betriebsart 1) des Systems 10, wobei lediglich die Gewerbekälte über den primären Kältekreislauf 1 erzeugt wird, wie es mit den fett hervorgehobenen Strömungspfaden des ersten Wärmeträgermediums WT1 im primären Kältekreislauf 1 veranschaulicht ist. Ein als Verdampfer dienender Wärmeübertrager E ist im primären Kältekreislauf 1 über einen Verdichter in Form eines Kompressors G und ein Drei-Wege-Ventil H so geschaltet, dass in dem im Außenbereich des Gebäudes liegenden Verflüssiger in Form eines kombinierten Wärmeübertragers J die Wärme an die Außenluft abgegeben werden kann. Auf der Rückflussseite im primären Kältekreislauf 1 befindet sich das Expansionsventil F, das den primären Kältekreislauf 1 zur Erzeugung der Gewerbekälte im Sommerbetrieb bzw. Betriebsart 1 vervollständigt.
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Dieses bekannte kombinierte integrale Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem kann zur Erzeugung von Gewerbekälte und gleichzeitigen Klimatisierung im sekundären Kältekreislauf 2 in einer Betriebsart 2 eingesetzt werden, wie es der nachfolgenden schematischen 2 der Zeichnungen zu entnehmen ist. Im Unterschied zur ersten, in der 1 gezeigten Betriebsart 1 werden bei der 2 (Betriebsart 2) sowohl der primäre Kältekreislauf 1 als auch der sekundäre Kältekreislauf 2 betrieben, und zwar indem im sekundären Kältekreislauf 2 das zweite Wärmeträgermedium WT2 über den als Verdampfer dienenden Wärmeübertrager N zur Klimatisierung, den Verdichter in Form eines Kompressors R, das Drei-Wege-Ventil H und den kombinierten Wärmeübertrager J als Verflüssiger geleitet wird. Auf der Rückflussseite befindet sich ein Expansionsventil O des sekundären Kältekreislaufs 1, so dass zum Klimatisieren von Innenräumen des Gebäudes eine Kälteleistung mittels des sekundären Kältekreislaufs parallel zu der Kälteleistung für die Gewerbekälte im primären Kältekreislauf 1 bereitgestellt werden kann. Der primären Kältekreislauf 1 und der sekundäre Kältekreislauf 2 sind also über den kombinierten Wärmeübertrager J derart gekoppelt, dass beide Fluide mittels der Außenluft bzw. des dritten Wärmeträgermediums WT3 entsprechend gekühlt werden können. Auch bei dieser zweiten Betriebsart 2 gemäß der 2 wird also eine thermische Leistung im kombinierten Wärmeübertrager J ohne weitere Nutzung an die Außenluft übertragen, welche um einige Kelvin dort erwärmt wird.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Betrieb eines integralen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems von Gebäuden mit primärem und sekundärem Kältekreislauf bereitzustellen, welches eine höhere Ausnutzung von Wärme-/Kälteleistungen aus den Kreisläufen zur Erhöhung der Gesamteffizienz des Systems ermöglicht. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren und ein solches System zum integralen kombinierten Betrieb von mehreren Kältekreisläufen für die Zwecke einer Heizung, Klimatisierung und zum Bereitstellen von Kühlleistung auszubilden, welches eine Verschwendung von erzeugter Kälte/Wärme durch das System effektiv verhindert.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 sowie mit einem Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb eines integralen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems von Gebäuden mit einem primären Kältekreislauf mit einem ersten Wärmeträgermedium zum Bereitstellen einer Kühlleistung für Kälteanlagen in dem Gebäude vorgesehen sowie mit einem sekundären Kältekreislauf mit einem zweiten Wärmeträgermedium, welcher zweite bzw. sekundäre Kältekreislauf wahlweise in einen Heizbetrieb oder einen Klimatisierungsbetrieb zum Heizen/Klimatisieren (Kühlen) von Innenräumen des Gebäudes schaltbar ist, wobei der sekundäre Kältekreislauf mit dem primären Kältekreislauf gekoppelt ist und als eine Wärmepumpe betrieben werden kann, wobei der primäre Kältekreislauf mindestens einen Verdampfer, einen Kompressor, ein Expansionsventil und einen Verflüssiger in Form eines kombinierten Wärmeübertragers für mehrere Fluide umfasst, welcher kombinierte Wärmeübertrager mit einem dritten Wärmeträgermedium, vorzugsweise mit Außenluft, betrieben wird, und wobei zwischen dem primären Kältekreislauf und dem sekundären Kältekreislauf mindestens ein zusätzlicher Wärmeübertrager vorgesehen ist, welcher insbesondere zur Wärmerückgewinnung aus dem primären Kältekreislauf angepasst ist, wobei das Verfahren der Erfindung gekennzeichnet ist durch Betreiben des sekundären Kältekreislaufs im Heizbetrieb als Wärmepumpe mindestens teilweise mittels einer aus dem primären Kältekreislauf abfallenden Kälteleistung in Abhängigkeit einer im kombinierten Wärmeübertrager erfassten Temperatur des dritten Wärmeträgermediums oder gemessener Außenlufttemperaturen. Durch die Verwendung der im primären Kältekreislauf abfallenden Kälteleistung in dem sekundären Kältekreislauf für die Zwecke einer Heizung der Innenräume des Gebäudes kann die Gesamteffizienz des Systems deutlich verbessert werden.
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Die im primären Kältekreislauf anfallende Kühlleistung, welche im Stand der Technik zu einer Erwärmung von Außenluft um einige Grad bzw. Kelvin geführt hatte, wird erfindungsgemäß nutzbar gemacht für die Zwecke eines Heizens in dem sekundären Kältekreislauf. Der sekundäre Kältekreislauf ist erfindungsgemäß dadurch so integriert und mit dem primären Kältekreislauf bzw. dem kombinierten Wärmeübertrager gekoppelt, dass er als Wärmepumpe zum Verwenden der abfallenden thermischen Leistung betrieben werden kann. Auf der Seite des Verflüssigers wird quasi durch das zweite Wärmeträgermedium, welches in dem sekundären Kältekreislauf strömt, die thermische Leistung verwendet, um die erforderliche Heizleistung in dem Gebäude mit geringerem Aufwand als bisher bereitzustellen. Mit solch einem Verfahren wird auf konstruktiv einfache Art und Weise eine überschüssige thermische Leistung nutzbar gemacht, die zu einer erheblichen Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems führt. Über einfache Wärmeübertragungsprozesse in dem erfindungsgemäßen Verfahren und anhand von ohnehin vorhandenen kombinierten integrierten Komponenten des primären Kältekreislaufs und des sekundären Kältekreislaufs wird durch spezifische Schaltung und einen speziellen Betrieb als Wärmepumpe anhand von überschüssiger thermischer Leistung die Heizleistung zumindest teilweise erbracht. Dabei kann gleichzeitig die erforderliche Kälte in dem primären Kältekreislauf, im Kühlmöbel oder ähnlichem in dem Gebäude bereitgestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich so eine gleichzeitige Bereitstellung von Kälteleistung durch eine Wärmepumpe im Heizfall des Systems realisieren, ohne dass ein deutlich erhöhter Aufwand an Energie für den Betrieb der Kältekreisläufe erforderlich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Heizleistung im sekundären Kältekreislauf über eine aus dem primären Kältekreislauf abfallende thermische Leistung und/oder eine Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Wärmeträgermedium und dem dritten Wärmeträgermedium bzw. Außenluft erzeugt. Die Heizleistung ist somit das Ergebnis einer Temperaturdifferenz an dem kombinierten Wärmetauscher, welcher sowohl vom primären Kältekreislauf als auch vom sekundären Kältekreislauf genutzt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der sekundäre Kältekreislauf mindestens einen Verdampfer, einen Kompressor, ein Expansionsventil und einen Verflüssiger in Form eines kombinierten Wärmeübertragers auf, wobei zwischen einem Klimatisierungsbetrieb zur Kühlung des Gebäudes und einem Heizbetrieb zum Heizen des Gebäudes mindestens teilweise mittels Wärmepumpe in Abhängigkeit von Außenlufttemperaturen umgeschaltet wird. Die Steuerung des Verfahrens, d. h. der Betrieb des sekundären Kältekreislaufs als Wärmepumpe, erfolgt somit in Abhängigkeit von gemessenen Außenlufttemperaturen. Sobald sich die Außenluft in einem vordefinierten Temperaturbereich befindet, welcher den Betrieb als Wärmepumpe des sekundären Kältekreislaufs erlaubt, wird erfindungsgemäß auf solch einen Wärmepumpenbetrieb im Heizfall umgeschaltet, so dass die zeitgleich geforderte Kühlleistung mindestens zum Teil auf Basis dieser ansonsten nicht nutzbaren thermischen Leistung bereitgestellt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Mittel zum Erfassen der Temperatur des dritten Wärmeträgermediums bzw. der Außenluft im kombinierten Wärmeübertrager vorgesehen, und es wird bei Unterschreiten einer vordefinierten Schwellentemperatur des dritten Wärmeträgermediums der sekundäre Kältekreislauf in einen Betrieb als Wärmepumpe umgeschaltet. Mit einfachen zusätzlichen technischen Komponenten, nämlich einem Temperatursensor, lässt sich so eine vergleichsweise einfache Steuerung des Verfahrens mit deutlicher Effizienzsteigerung realisieren. Auf effiziente Art und Weise kann so der Gesamtwirkungsgrad des Systems deutlich erhöht werden. Die Umschaltung des sekundären Kältekreislaufs auf den Betrieb als Wärmepumpe erfolgt anhand einer Schwellentemperatur, die beispielsweise voreingestellt in der Steuerung des Systems hinterlegt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht der kombinierte Wärmeübertrager an der Außenseite des Gebäudes, welcher als Verflüssiger verwendet wird, einen Wärmeaustausch zwischen mindestens drei verschiedenen oder voneinander abgetrennten Wärmeträgermedien. Beispielsweise kann ein erstes Wärmeträgermedium in Form eines Kältemittels in dem primären Kältekreislauf vorgesehen sein. Ein zweites Wärmeträgermedium in Form einer Sole oder eines Heizwassers kann in dem sekundären Kältekreislauf vorgesehen sein. Ein drittes Wärmeträgermedium kann beispielsweise die Außenluft an dem kombinierten Wärmeübertrager sein oder ein anderes Fluid, sofern sich dieses von der in dem primären und sekundären Kältekreislauf herrschenden Temperatur unterscheidet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Heizbetrieb des sekundären Kältekreislaufs ein dritter, zusätzlicher Wärmeübertrager mittels eines Umschaltventils und einer Bypassleitung zugeschaltet, so dass ein Betrieb als Wärmepumpe mit geringem Aufwand ermöglicht wird. Die erforderlichen Umbauten des bestehenden, im Stand der Technik bekannten kombinierten Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems sind daher vergleichsweise gering. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich durch ein einfaches zusätzliches Umschaltventil und eine Bypassleitung realisieren.
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Die Erfindung betrifft ebenso ein integrales Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem von Gebäuden mit einem primären und einem sekundären Kältekreislauf, wobei im primären Kältekreislauf ein erstes Wärmeträgermedium vorgesehen ist und dieser zum Bereitstellen einer Gewerbekälte für Kälteanlagen, insbesondere in Kühlmöbeln, in dem Gebäude dient, wobei der sekundären Kältekreislauf mit einem zweiten Wärmeträgermedium mit einem wahlweise schaltbaren Heizbetrieb und Klimatisierungsbetrieb zum Heizen/Klimatisieren von Innenräumen des Gebäudes versehen ist, wobei dieser sekundäre Kältekreislauf mit dem primären Kältekreislauf gekoppelt ist und als Wärmepumpe betreibbar ist, wobei mindestens ein zusätzlicher Wärmeübertrager zu den im primären Kältekreislauf und im sekundären Kältekreislauf vorgesehenen Wärmeübertragern vorgesehen ist, welcher insbesondere zur Wärmerückgewinnung aus dem primären Kältekreislauf angepasst ist. Das erfindungsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Kältekreislauf ein Umschaltventil zum primären Kältekreislauf und eine Bypassleitung derart aufweist, dass er im Heizbetrieb als Wärmepumpe mindestens teilweise mittels einer aus dem primären Kältekreislauf abfallenden thermischen Leistung in Abhängigkeit einer im kombinierten Wärmeübertrager erfassten Temperatur des dritten Wärmeträgermediums oder gemessener Außenlufttemperaturen betreibbar ist. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß der sekundäre Kältekreislauf nicht nur über den kombinierten Wärmeübertrager mit dem primären Kältekreislauf gekoppelt. Ein zusätzlicher Schaltzyklus ist in dem sekundären Kältekreislauf in Zusammenwirken mit dem kombinierten Wärmeübertrager derart vorgesehen, dass der sekundäre Kältekreislauf als Wärmepumpe im Heizbetrieb auf Basis von abfallender thermischer Leistung aus dem primären Kältekreislauf bzw. dem kombinierten Wärmeübertrager betrieben werden kann. Die mit solch einem System erfolgte Einsparung an Energie ist überraschend hoch. Durch alleine die Temperaturdifferenz von einigen Kelvin zwischen der als drittes Wärmeträgermedium dienenden Außenluft und dem Wärmeträgermedium in dem sekundären Kältekreislauf lässt sich eine erhebliche Steigerung der Effizienz und Energieeinsparung realisieren. Ein lastangepasster, integraler Betrieb des Systems ist mit vergleichsweise einfachen technischen Mitteln umsetzbar. Lediglich der Betrieb als Wärmepumpe von dem sekundären Kältekreislauf und eine Steuerung zum Umschalten zwischen dem klassischen Betrieb als Kältekreislauf und dem Wärmepumpenbetrieb sind hierfür erforderlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems ist der sekundäre Kältekreislauf als umschaltbarer Kältekreislauf zur Umgehung des als Verdampfer dienenden Wärmeübertragers im konventionellen Betrieb als Kältekreislauf ausgebildet. Der sekundäre Kältekreislauf ist somit in zweierlei Art und Weise betreibbar: als klassischer Kältekreislauf zum Heizen/Klimatisieren des Innenraums von Gebäuden ohne Nutzung von abfallender thermischer Leistung. Alternativ kann er als Wärmepumpe für eine Kühlung als Wärmepumpe im Heizfall betrieben werden, indem die Kälte aus dem primären Kältekreislauf genutzt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist der sekundäre Kältekreislauf mindestens ein Drei-Wege-Umschaltventil und eine Bypassleitung auf. Das Drei-Wege-Umschaltventil und die Bypassleitung sind so in den sekundären Kältekreislauf eingebaut, dass ein einfaches Umschalten vom konventionellen Betrieb als Kältekreis zu einem Betrieb als Wärmepumpe ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist der kombinierte Wärmeübertrager eine Dreifachplatte in Form eines mit drei Fluiden betriebenen integrierten Plattenwärmeübertragers. Durch ein einziges kompaktes Bauteil in Form eines Dreifachplatten-Wärmeübertragers kann so die erfindungsgemäße Nutzbarmachung von abfallender Kälte in dem sekundären Kältekreislauf realisiert werden. Auch kann so auf energetisch effiziente Art und Weise der Wärmeaustausch zwischen dem dritten Wärmeträgermedium bzw. der Außenluft und den beiden verschiedenen Wärmeträgermedien in dem primären und sekundären Kältekreislauf erfolgen. Ein unnötiger Verlust an thermischer Leistung ist dadurch reduziert. Der Energieaufwand ist ebenfalls geringer.
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Weitere Merkmale und Vorteile sowie Aspekte der Erfindung werden im Folgenden mehr im Detail anhand von einem Ausführungsbeispiel unter einer Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem in einem Sommerbetrieb (Betriebsart 1) zur Bereitstellung von lediglich Kälteleistung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems in einer kombinierten Betriebsart zur Bereitstellung von Kälteleistung im primären Kältekreislauf und zur Klimatisierung bzw. Kühlung im sekundären Kältekreislauf (Betriebsart 2);
- 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems in einer dritten Betriebsart (Betriebsart 3) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit kombinierter Bereitstellung von Kälteleistung und gleichzeitiger Heizung des Gebäudes durch Wärmepumpe im sekundären Kältekreislauf ;
- 4 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems mit einer vierten Betriebsart als Freikühlung (Betriebsart 4) ohne Erfordernis einer Heizung bzw. Kühlung des Gebäudeinneren; und
- 5 ein Temperatur-/Betriebsarten-Diagramm zur Veranschaulichung von mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren möglichen Betriebsarten 1 bis 4 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur außerhalb des Gebäudes.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Betriebsart 1, auch bezeichnet als „Sommerbetrieb“, in welcher lediglich eine Gewerbekälte für Kühlmöbel oder ähnliches in dem Gebäude erforderlich ist. Das Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystem 10 gemäß der Erfindung ist mit einem primären 1 und sekundären 2 Kältekreislauf versehen, die miteinander gekoppelt sind. In der Betriebsart 1 („Sommerbetrieb“), welche in der 1 gezeigt ist, wird lediglich im primären Kältekreislauf 1 Gewerbekälte für beispielsweise Kühlmöbel in einem Supermarkt erzeugt. Der primäre Kältekreislauf 1 weist einen Vorlauf A und einen Rücklauf B auf. In den Leitungen des Kältekreislaufs 1 ist ein erstes Wärmeträgermedium WT1 vorhanden, beispielsweise ein Kältemittel wie Propan bzw. R290. In dem daran gekoppelten sekundären Kältekreislauf 2 ist ein zweites Wärmeträgermedium WT2 beispielsweise in Form einer Sole vorhanden, und auch hier gibt es einen Vorlauf K und einen Rücklauf L. Der sekundäre Kältekreislauf 2 dient einer Klimatisierung (Kühlung) oder Heizung eines Innenraums des Gebäudes, in welchem die Gewerbekälte aus dem primären Kältekreislauf 1 genutzt wird. Im primären Kältekreislauf 1 wird bei dieser Betriebsart 1 („Sommerbetrieb“) Sole bzw. ein Glykolgemisch durch eine Zirkulationspumpe C über ein Drei-Wege-Ventil D in einen Wärmeübertrager für die Gewerbekälte E befördert. Ein Kältemittel R290 (Propan) wird auf der rechten Seite des Wärmeübertragers verdampft für den primären Kältekreislauf. Nachdem der Kompressor G das Kältemittel R290 komprimiert hat, strömt es über ein Drei-Wege-Ventil H in Richtung zu einem als Verflüssiger dienenden kombinierten Wärmeübertrager J. Im kombinierten Wärmeübertrager J wird das Kältemittel einem Wärmeaustausch mit Außenluft als drittem Wärmeträgermedium WT3 unterzogen, so dass es abgekühlt und damit kondensiert wird. Das Kältemittel strömt im primären Kältekreislauf 1 weiter über ein weiteres Drei-Wege-Ventil S, welches später beschrieben wird, ein Expansionsventil F für die Gewerbekälte und durch den Wärmeübertrager für die Gewerbekälte E zurück zu dem Vorlauf A. Mit diesem Kältekreislauf in der Betriebsart 1 wird durch das System 10 lediglich Gewerbekälte bereitgestellt. Gemäß der Erfindung ist das System 10 des Weiteren mit einem zusätzlichen Wärmeübertrager I versehen, der zwischen dem sekundären 2 und primären 1 Kältekreislauf geschaltet ist. Dieser Wärmeübertrager I dient unter anderem einer Nutzung von Abwärme im Falle eines Bedarfs und wird erfindungsgemäß in einer speziellen Art und Weise eingesetzt, wie es weiter unten unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben werden wird.
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Der sekundäre Kältekreislauf 2 wiederum hat ebenfalls einen Vorlauf L, einen Rücklauf K, einen Wärmeübertrager zur Klimatisierung N, einen Kompressor R und ein Expansionsventil O zur Klimatisierung.
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Wenn die Betriebsart 2, welche in der 2 schematische dargestellt ist, geschaltet wird, wird das System 10 mit sowohl dem primären Kältekreislauf 1 als auch dem sekundären Kältekreislauf 2 kombiniert betrieben. Das Wärmeträgermedium WT1 und das Wärmeträgermedium WT2 werden jeweils in den kombinierten Wärmeübertrager J geleitet, so dass beide zusammen mit der Außenluft als drittes Wärmeträgermedium WT3 einem Wärmeaustausch zum Verflüssigen der Kältemittel bzw. Wärmeträgermedien unterzogen werden. In dieser in 2 gezeigten Betriebsart 2 wird sowohl das Gebäude in den Innenräumen klimatisiert bzw. gekühlt als auch eine Gewerbekälte durch den primären Kältekreislauf 1 bereitgestellt. Die im primären Kältekreislauf 1 anfallende thermische Leistung wird mittels einer Zirkulationspumpe C einem als Verdampfer arbeitenden Wärmeübertrager E zugeführt. Das in dem Wärmeübertrager E durch das Expansionsventil F verdampfende Kältemittel bzw. Wärmeträgermedium WT1, beispielsweise in Form von Propan bzw. R290, gibt in dem verdichteten Zustand eine Abwärme über das Drei-Wege-Ventil H an den kombinierten Wärmeübertrager J und somit an ein drittes Wärmeträgermedium WT3, in der Regel Außenluft, ab. Zusätzlich und parallel dazu wird in dem sekundären Kältekreislauf 2 eine dort anfallende thermische Leistung mittels einer Zirkulationspumpe M einem Wärmeübertrager N, der als Verdampfer arbeitet, zugeführt. Das in dem Wärmeübertrager N durch das Expansionsventil O verdampfende Kältemittel des sekundären Kältekreislaufs 2 (Wärmeträgermedium WT2) gibt im verdichteten Zustand die Abwärme über ein Drei-Wege-Ventil H an den kombinierten Wärmeübertrager J und somit an das dritte Wärmeträgermedium WT3 bzw. die Außenluft ab. Ein kombinierter Wärmeübertrager J hat somit die Möglichkeit, einen Wärmeaustausch zwischen drei verschiedenen Wärmeträgermedien WT1, WT2 und WT3 integriert in einem Bauteil auszuführen.
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Die erfindungsgemäße Betriebsart 3, welche auch bezeichnet wird als „Kühlung durch Wärmepumpe im Heizfall“ ist in einer schematischen Darstellung in der 3 gezeigt. Der Aufbau des Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems 10 gemäß der Erfindung entspricht im Wesentlichen demjenigen der vorherigen beiden Darstellungen der 1 und der 2. Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Funktionen des Systems 10 wird bei der sogenannten Kühlung durch Wärmepumpe die im sekundären Kältekreislauf 2 benötigte Heizleistung über eine Verdampfung des zweiten Wärmeträgermediums WT2 durch das Expansionsventil Q in dem kombinierten Wärmeübertrager J, eine anschließende Kompression in dem Kompressor R der Wärmepumpe und eine Kondensation in dem zusätzlichen Wärmeübertrager I zur Verfügung gestellt. Die im kombinierten Wärmeübertrager J aufgenommene kalte thermische Leistung wird durch den primären Kältekreislauf 1 und durch das dritte Wärmeträgermedium WT3 bzw. Außenluft bereitgestellt. Somit wird der primäre Kältekreislauf 1, welcher über die Zirkulationspumpe C eine Abwärme der Gewerbekälte in den kombinierten Wärmeübertrager J einbringt, hier abgekühlt. Durch diese erfindungsgemäße spezifische Anhebung der Verdampfungstemperatur in dem kombinierten Wärmeübertrager J bei niedrigeren Außentemperaturen als den Temperaturen des Mediums im primären Kältekreislauf 1 steigert sich deutlich die Effizienz der Wärmepumpe, die in dem sekundären Kältekreislauf 2 zum Betreiben der Klimatisierung des Gebäudes verwendet wird. Zu diesem Zweck ist, wie in der 3 gezeigt, ein Drei-Wege-Ventil S als ein Umschaltventil zwischen Verflüssigen/Verdampfen eingebaut sowie eine Bypassleitung X, welche für den Betrieb als Wärmepumpe von dem sekundären Kältekreislauf 2 verwendet wird. Durch die Nutzbarmachung der Kälteleistung auf Seiten des kombinierten Wärmeübertragers J kann so effektiv die Wärmepumpe in dem sekundären Kältekreislauf 2 in bestimmten Temperaturbereichen betrieben werden, ohne dass ein zusätzlicher Energiebedarf erforderlich ist. Dies erhöht die Gesamteffizienz des kombinierten integralen lastangepassten Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems 10.
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Ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen kombinierten Wärmeübertrager J ist ein sogenannter Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager. Beispielsweise kann in einem Innenrohr eine Sole als das Wärmeträgermedium WT2 des sekundären Kältekreislaufs strömen, während in einem Außenrohr als Kältemittel Propan oder R290 als Wärmeträgermedium WT1 für den primären Kältekreislauf 1 strömt. Die Wärme kann an das dritte Wärmeträgermedium WT3, beispielsweise an Außenluft, über Lamellen an der Außenseite dieses Rohr-in-Rohr-Wärmeübertragers abgegeben werden. Alternativ kann der erfindungsgemäße kombinierte Wärmeübertrager J auch in Form einer sogenannten Dreifachplatte realisiert werden. Hier werden für mindestens drei verschiedene Wärmeträgermedien WT1, WT2 und WT3 jeweils getrennte Durchlässe in einen Plattenwärmetauscher eingebaut. Bei dieser Art eines Dreifachplatten-Wärmetauschers können auch als drittes Wärmeträgermedium WT3 andere Fluide als Luft oder Gase, wie zum Beispiel Kühlflüssigkeiten, eingesetzt werden.
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Die 4 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung eine vierte Betriebsart 4 in Form einer sogenannten „Freikühlung“. Wenn keine Kühl- bzw. Heizanforderung seitens der Steuerung der Gebäudeklimaanlage des sekundären Kältekreislaufs 2 besteht und die Temperatur des dritten Wärmeträgermediums WT3 kleiner als eine bestimmte Solltemperatur des primären Kältekreislaufs 1 (Wärmeträgermedium 1) ist, kann der primäre Kältekreislauf 1 auch die Wärme aus der Erzeugung der Gewerbekälte direkt an das dritten Wärmeträgermedium WT3 abgeben, wie es durch die fett hervorgehobenen Strömungspfeile in der 4 gezeigt ist. Diese Form einer Freikühlung ist parallel und unabhängig von der Betriebsart 3, welche den erfindungsgemäßen Betrieb mit Wärmepumpe zeigt, jederzeit mit dem System 10 der Erfindung möglich.
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Die 5 stellt die verschiedenen Betriebsarten 1 bis 4 des erfindungsgemäßen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems 10, wie sie oben beschrieben sind, in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur bzw. einer Temperatur an dem kombinierten Wärmeübertrager J dar. In einer ersten Phase bei Temperaturen unter -5° C ist die dritte oder vierte Betriebsart, d. h. die erfindungsgemäße Kühlung durch Wärmepumpe (Betriebsart 3) im Heizfall oder die soeben beschriebene Freikühlung (Betriebsart 4), möglich. In dem Temperaturbereich von -5° C bis 20° C Temperatur von der Außenluft ist die erfindungsgemäße Betriebsart 3 möglich, in welcher die erfindungsgemäßen Vorteile durch eine Effizienzsteigerung mittels Wärmepumpe im sekundären Kreislauf 2 erreicht werden. Darüber, zwischen 20° C und 25° C, ist eine Betriebsart 1, wie oben beschrieben, möglich, d. h. lediglich eine Gewerbekälteerzeugung. In dem Bereich oberhalb von 25° C ist die Betriebsart 2, nämlich die Erzeugung von Gewerbekälte im primären Kältekreislauf 1 und eine konventionelle Klimatisierung in dem sekundären Kältekreislauf 2, realisierbar. Die verschiedenen Betriebsarten 1 bis 4 lassen sich durch eine Steuerung in Abhängigkeit der Last und der herrschenden Außenlufttemperaturen variabel ein- und ausschalten.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Erfindung umfasst sämtliche mögliche Varianten und Ausgestaltungen eines solchen Heiz-/Klimatisierungs- und Kühlsystems 10 mit Abwandlungen, welche in den Umfang der nachfolgenden Ansprüche fallen.
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Insbesondere können andere Komponenten oder zusätzliche Bauteile oder Komponenten in dem primären Kältekreislauf 1 und dem sekundären Kältekreislauf 2 als in den Beispielen dargestellt vorgesehen werden, solange die erfindungsgemäße Umschaltung auf einen Betrieb als Wärmepumpe mit Nutzung von Abwärme bzw. abfallender Kälteleistung aus dem primären Kreislauf 1 ermöglicht ist. Die Art der Wärmeträgermedien WT1, WT2 und WT3 kann ebenso variieren. Es können unterschiedliche Arten von Kältemitteln oder Kühlflüssigkeiten eingesetzt werden. Es können auch verschiedene Flüssigkeiten oder Gase verwendet werden, die in den entsprechenden Temperaturbereichen einen Betrieb der Kältekreisläufe 1, 2 in der beschriebenen Form und Betriebsarten 1 bis 4 erlauben. Insbesondere kann die Bauform des kombinierten Wärmeübertragers J (Verflüssiger) an der Außenseite des Gebäudes eine andere sein als die beschriebene Rohr-in-Rohr-Bauform oder die Bauform einer Dreifachplatte. Dem Fachmann des Gebiets sind weitere technische Umsetzungen bekannt, die für die Realisierung der erfindungsgemäßen Funktion eingesetzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- A:
- Vorlauf primärer Kältekreislauf (Kältemittel, z. B. R290)
- B:
- Rücklauf primärer Kältekreislauf
- C:
- Zirkulationspumpe
- D:
- Drei-Wege-Ventil
- E:
- Wärmeübertrager Gewerbekälte (primärer Kältekreislauf)
- F:
- Expansionsventil Gewerbekälte (primärer Kältekreislauf)
- G:
- Kompressor Gewerbekälte (R290)
- H:
- Drei-Wege-Ventil konditionierte Abwärmenutzung (Wasser bzw. Sole)
- I:
- Wärmeübertrager-Abwärmenutzer
- J:
- kombinierter Wärmeübertrager (Seite Außenluft)
- K:
- Vorlauf sekundärer Kältekreislauf (Wasser bzw. Sole)
- L:
- Rücklauf sekundärer Kältekreislauf (Wasser bzw. Sole)
- M:
- Zirkulationspumpe (Wasser bzw. Sole)
- N:
- Wärmeübertrager sekundärer Kältekreislauf
- O:
- Expansionsventil sekundärer Kältekreislauf
- P:
- Umschaltventil Verdampfer N/Verdampfer I
- Q:
- Expansionsventil Wärmepumpe
- R:
- Kompressor Wärmepumpe (R290)
- S:
- Umschaltventil Verflüssigen/Verdampfen
