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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Lüftungssysteme für Räume in Gebäuden und der elektrisch betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpen, welche insbesondere eingesetzt werden, um Luft Wärme zu entziehen und mit dieser Wärme Trinkwasser (für Haushaltszwecke, z. B. zum Händewaschen, Duschen, Spülen etc.) und/oder geringe Mengen an Brauchwasser für Heizzwecke zu erwärmen. Unter geringen Mengen an Brauchwasser werden Mengen verstanden, die nicht für eine zentrale Beheizung eines Gebäudes ausreichen, jedoch einzelne (kleine) Räume) oder einzelne Heizkörper z. B. in einem Badezimmer oder einer Toilette beheizen können. Solche Wärmepumpen haben im Vergleich zu beispielsweise Heizungswärmepumpen zur zentralen Gebäudebeheizung eine relativ geringe Heizleistung von bis zu 5 kW [Kilowatt], vorzugsweise bis zu 2,5 kW. Die elektrische Anschlussleistung eines zugehörigen Kompressors liegt daher z. b. bei etwa 0,05 bis 2 KW, insbesondere 0,1 bis 1,5 kW. Dafür sind sie dauerhaft in Betrieb oder wenigstens die meiste Zeit, insbesondere in 40 bis 90 % der Zeit, und wärmen dabei einen Warmwasserspeicher auf, aus dem bei Bedarf warmes Trink- oder Brauchwasser entnommen werden kann. Auch Lüftungsgeräte sind typischerweise die meiste Zeit in Betrieb, in vielen Fällen sogar ständig.
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Ein besonders effizienter Einsatz beider Arten von Geräten hängt von den klimatischen Bedingungen ab, unter denen sie eingesetzt werden. In warmen Gegenden können Wärmepumpen zumindest zeitweise effizient eingesetzt werden, wenn warme Raumluft als Wärmequelle zur Verfügung steht, die abgekühlt (und möglicherweise auch entfeuchtet) werden soll. So entsteht eine besonders wünschenswerte, energiesparende und umweltfreundliche Kombination, wenn ein Raum gekühlt werden und gleichzeitig warmes Wasser zur Verfügung stehen soll. Solche Kombinationen sind im Stand der Technik bekannt und werden erfolgreich eingesetzt.
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Lüftungsgeräte können mit einem Rückgewinnungs-Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung ausgestattet sein. Dazu können beispielsweise sogenannte Rekuperations-Wärmetauscher (Plattenwärmetauscher) oder auch andere Wärmetauscher-Bauformen (Luft-Luft-Wärmetauscher) eingesetzt werden. Diese ermöglichen quasi eine gekreuzte Führung und/oder eine im Gegenstrom „verbrauchter“ Raum-Luft und frischer Luft über Wärmetauscherflächen, wobei die in der verbrauchten Luft enthaltene Wärme größtenteils auf die frische Luft übertragen wird, so dass die frische Luft annähernd die Temperatur der verbrauchten Luft annimmt. Dabei treten vier „Arten“ von Luft auf, nämlich (frische) Eintrittsluft an einem ersten Einlass in den Wärmetauscher, (frische und in der Temperatur angepasste, meist erwärmte) Zuluft für einen Raum bei einem ersten Auslass aus dem Wärmetauscher, (verbrauchte) Abluft aus einem Raum an einem zweiten Einlass in den Wärmetauscher und (verbrauchte und in der Temperatur angepasste, meist abgekühlte) Fortluft an einem zweiten Auslass aus dem Wärmetauscher. Nach dem Stand der Technik ist Eintrittsluft meist Außenluft, also Luft, die aus der freien Umgebung angesaugt wird, während Fortluft in die freie Umgebung geleitet wird. Wenn die Zuluft kälter ist als in dem Raum erwünscht, muss die Zuluft (oder der Raum) zusätzlich beheizt werden, um eine gewünschte vorgebbare Temperatur zu erreichen. Ist die Temperatur im Raum zu hoch, so ist eine Kühlung der Zuluft (oder des Raumes) wünschenswert. Mindestens ein Lüfter ist zur Bewegung der Luft erforderlich, in der Regel wird ein erster Lüfter für das Ansaugen von Eintrittsluft und ein zweiter Lüfter für das Absaugen von Abluft eingesetzt. Wenn hier und im Folgenden von einem Raum die Rede ist, so kann es sich auch um mehrere (untereinander in Verbindung stehende) Räume handeln, die durch eine geeignete Unterverteilung gemeinsam belüftet werden. Typischerweise wird angesaugte Außenluft mittels eines oder mehrerer Filter gefiltert, um z. B. Staub und andere Partikel oder Schadstoffe am Eintritt in den Raum zu hindern. Ein zusätzlicher Filter in der Abluft kann für einen Schutz nachfolgender Geräte sinnvoll sein. Weiterhin ist auch eine Regelung üblich, oft eine Konstantvolumenstromregelung für den Volumenstrom der Eintrittsluft und gegebenenfalls auch für einen zweiten Lüfter in der Austrittsluft. Schließlich ist für viele Klimazonen auch ein sogenanntes Vorheizregister zum Frostschutz vorgesehen. Dieses hat die Aufgabe, die Eintrittsluft auf mindestens -3 °C [Grad Celsius] aufzuwärmen, damit nachfolgende Komponenten nicht einfrieren können.
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Wird in einem Gebäude außer einer Lüftung auch eine Luft-Wasser-Wärmepumpe kleiner Leistung, insbesondere zur Erwärmung von Trinkwasser (zum Spülen, Waschen, Duschen etc.) betrieben, die ähnliche Laufzeiten wie ein beschriebenes Lüftungsgerät hat, so benötigt auch diese einen Luftstrom, was nach dem Stand der Technik einen eigenen Lüfter, eine eigene Regelung und andere Komponenten, wie sie auch bei einem Lüftungsgerät vorhanden sind, erfordert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung von Betriebsmöglichkeiten für ein Lüftungssystem in Kombination mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe durch eine dafür geeignete Vorrichtung und ein geeignetes Verfahren, die es ermöglichen, mit weniger Komponenten einen an unterschiedliche Umgebungsbedingungen anpassbaren effizienten, kostensparenden und umweltschonenden Betrieb durchzuführen. Ein zugehöriges Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens mit einer solchen Vorrichtung soll ebenfalls geschaffen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt bevorzugte Ausführungsbeispiele an.
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Hierzu trägt eine Vorrichtung zum kombinierten Betrieb eines elektrisch betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpenkreislaufs mit einer Wärme-Leistung von bis zu 5 kW, vorzugsweise bis zu 2,5 kW, zur Erwärmung von Wasser und eines Lüftungssystems mit Außenluft für einen Raum bei, die so gestaltet ist, dass durch den Raum und einen Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufs zumindest zeitweise im Wesentlichen derselbe Luftstrom strömen kann.
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Unter „demselben“ Luftstrom wird insbesondere verstanden, dass es sich um einen zusammenhängenden Luftstrom handelt, der gleichwohl unterwegs unterschiedliche Zustände (Temperatur, Feuchtigkeit, etc.) annehmen kann. Es steht also die (ständige) Belüftung des Raumes mit Außenluft im Vordergrund, wobei dieselbe Luft vor und/oder nach der Durchströmung des Raumes auch den Verdampfer durchströmt, also für dessen Durchströmung kein weiterer Luftstrom erforderlich ist. Dementsprechend ist für beide Funktionen auch nur ein (einziger) Luftstrom zu regeln, wodurch insgesamt weniger Komponenten erforderlich sind. Zwar kann der Raum Undichtigkeiten gegenüber der Umgebung aufweisen (beispielsweise können Fenster oder Türen geöffnet werden), wodurch Luft nach außen entweicht oder eindringt, jedoch wird dieser Effekt bei den hier vorliegenden Betrachtungen vernachlässigt. Es handelt sich jedenfalls integral betrachtet im Wesentlichen um denselben Luftstrom, selbst wenn zwischenzeitlich Teilströme abgezweigt oder zugeführt werden sollten.
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Es sei angemerkt, dass der Verdampfer nicht unbedingt in Betrieb sein muss, damit die Lüftung funktioniert. Wird gerade keine Wärme für warmes Wasser benötigt, so kann einfach der Kompressor abgeschaltet werden, so dass praktisch ein Lüftungsgerät übrigbleibt mit einem (inaktiven) Verdampfer im Strömungsweg. Daher ist es auch möglich, die Anlage für die Lüftung zu dimensionieren, weil der Verdampfer, wenn er benötigt wird, seine Funktion mit den verfügbaren Volumenströmen erfüllen kann. Typischerweise wird er so ausgelegt sein, dass er den durch ihn fließenden Luftstrom bei üblichen Bedingungen um einige Kelvin, beispielsweise 5 K [Kelvin], abkühlt. Dies hängt aber auch von der Eingangs-Temperatur der hindurchgeführten Luft ab.
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Bevorzugt ist in dem Lüftungssystem ein Rückgewinnungs-Wärmetauscher vorhanden, durch den ebenfalls zeitweise der gleiche Luftstrom strömt, und zwar einmal als Frischluft in Richtung zum Raum hin und dann auch als verbrauchte Luft vom Raum weg. Die Funktion ist die gleiche wie bei bekannten Lüftungssystemen, bei denen die Wärme (oder Kälte) des Raumes möglichst wenig in die Umgebung verloren gehen soll.
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Eine bevorzugte Anordnung ist so gestaltet, dass der Verdampfer, der Rückgewinnungs-Wärmetauscher in einer ersten Richtung, der Raum und der Rückgewinnungs-Wärmetauscher in einer zweiten Richtung nacheinander von demselben Luftstrom durchströmbar sind, der von einem ersten Lüfter oder gemeinsam von einem ersten und einem zweiten Lüfter antreibbar ist. Die beschriebene Reihenfolge ist für die meisten Klimabedingungen die energetisch günstigste, da Rechnungen zeigen, dass eine Abkühlung durch einen in ein Lüftungssystem eingeschalteten Verdampfer zu einem erheblichen Teil durch einen Rückgewinnungs-Wärmetauscher in dieser Konstellation ausgeglichen werden kann. Ist es in der Umgebung wärmer als in dem Raum erwünscht, so unterstützt der Verdampfer eine erforderliche Kühlung des Raumes. Ist es in der Umgebung kälter, so wird zwar etwas mehr Wärmeenergie für den Raum benötigt, aber weitaus weniger als für die Erwärmung von Wasser durch den Verdampfer gewonnen werden kann.
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Insbesondere ist nur ein Außenlufteinlass vorhanden ist, durch den Außenluft vom ersten Lüfter ansaugbar ist, und nur ein Fortluftauslass, durch den Fortluft des Lüftungssystems in die freie Umgebung abführbar ist. Es handelt sich praktisch um einen offenen Kreislauf zur Lüftung des Raumes und Erwärmung des Wassers, wo nach dem Stand der Technik zwei Kreisläufe verwendet werden.
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Dies erlaubt es auch, stromabwärts des Außenlufteinlasses (nur) einen Filter und/oder ein Vorheizregister anzuordnen. Dies sind typischerweise die ersten Komponenten hinter dem Außenlufteinlass, so dass alle nachfolgenden Komponenten vor Staub, Partikeln und Schadstoffen geschützt werden, was bisher für Verdampfer nicht ohne zusätzlichen Aufwand möglich war. Das Vorheizregister kann (falls das örtliche Klima es erfordert) dazu eingesetzt werden, bei zu niedrigen Umgebungstemperaturen, z. B. unter -3°C, eintretende Frischluft/Außenluft vorzuheizen, um ein Vereisen nachfolgender Komponenten zu vermeiden. Hier ist das Vorhandensein des Verdampfers, wenn er eine zusätzliche Abkühlung bewirkt, von Nachteil. Das Vorheizregister muss für diesen Fall stärker heizen als ohne Verdampfer, oder der Kompressor muss ausgeschaltet werden, damit der Verdampfer inaktiv wird, wobei dann eine elektrische Beheizung für die Erwärmung des Wassers eingeschaltet werden kann. Welche der Möglichkeiten energetisch und/oder anlagentechnisch günstiger ist, hängt vom Einzelfall und den klimatischen Bedingungen am Aufstellort ab. In vielen Fällen wird für erhöhten Warmwasserbedarf ohnehin eine zusätzliche elektrische Heizung für das Wasser vorhanden sein. Andererseits haben Lüftungsgeräte typischerweise Vorheizregister, Wärmepumpenanlagen aber nicht. Wärmepumpenanlagen tauen dafür in Intervallen den Verdampfer ab, wenn dieser vereist ist. Die Erfindung ermöglicht es nun, insbesondere wenn die Fortluft des Raumes den Verdampfer durchströmt, die Leistung des Lüftungs-Vorheizregisters so weit anzuheben, dass die Temperatur hinter dem Verdampfer größer als 0 °C ist. Dadurch wird mit geringem Mehraufwand (an Energie) das Einfrieren von Lüftungskomponenten und Verdampfer verhindert. Von Vorteil ist dabei, dass der Energiebedarf des Abtauens des Verdampfers eingespart wird und der Wärmepumpenkreislauf keine Abtaupausen braucht, so dass auch ein dauerhafter Betrieb möglich ist. Daher ist im hier vorliegenden Zusammenhang auch immer von Verdampfer die Rede, auch wenn bei Wärmepumpenanlagen ansonsten oft eine Umschaltung möglich ist, wodurch der Verdampfer zum Kondensator wird und umgekehrt.
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In einer besonderen Ausgestaltung ist der Verdampfer geteilt und zweimal von demselben Luftstrom durchströmbar, einmal vor dem Eintritt in den Raum und einmal nach dem Austritt aus dem Raum. Dies ist eine ungewöhnliche erfindungsgemäße Bauform eines Verdampfers, die es ermöglicht, zwei getrennte Luftströme hindurchzuführen und ihnen Wärme zu entziehen. Eine solche Bauform kann auch unabhängig von den übrigen Merkmalen der vorliegenden Erfindung für andere Zwecke eingesetzt werden. Wenn jedoch Standardbauteile eingesetzt werden sollen oder andere Gründe gegen die besondere Bauform sprechen, können statt eines geteilten Verdampfers auch zwei Verdampfer eingesetzt werden, deren Verschaltung im Wärmepumpenkreislauf und im Lüftungskreislauf energetisch günstig gewählt werden kann.
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Insbesondere ist dazu der Verdampfer durch eine Trennwand in zwei von Luft durchströmbare Teilräume unterteilt, wobei ein erster Teilraum von Außenluft durchströmbar ist und ein zweiter Teilraum von Abluft oder Fortluft. So lässt sich der Verdampfer am effektivsten nutzen, wenn der Luftstrom für die Lüftung geringer ist als der Verdampfer nutzen könnte.
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Besonders bevorzugt ist der zweite Teilraum mit einem zweiten Auslass eines Rückgewinnungs-Wärmetauschers verbunden und weist einen Fortluftauslass auf, durch den die Fortluft, nachdem sie den Verdampfer durchströmt hat, an die Umgebung abgegeben wird.
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Für besonders hohe Umgebungstemperaturen mündet bevorzugt zwischen dem Außenlufteinlass und dem Verdampfer eine Zusatzverbindung zu einem zweiten Auslass für Fortluft des Rückgewinnungs-Wärmetauschers, die mit einer ersten Strömungsleiteinrichtung ganz oder teilweise geöffnet werden kann. Die Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtung kann unterschiedlich sein, bevorzugt wird mindestens eine Luftklappe eingesetzt. Dabei kann eine einfache Umschaltfunktion zwischen zwei Zuständen vorgesehen werden oder eine Funktion, die auch Zwischenzustände erlaubt. Die Zusatzverbindung ermöglicht es, zumindest zeitweise aus dem offenen Kreislauf einen (ganz oder teilweise) geschlossenen Kreislauf zu machen, wodurch eine stärkere Kühlung des Raumes erreicht wird als bei einem offenen Kreislauf. Da hierbei dem Raum keine Frischluft/Außenluft mehr zugeführt wird, ist dieser Zustand besonders für eine Abkühlphase geeignet, kann aber in einer Zwischenstellung (mit teilweiser Zufuhr von Frischluft) auch länger betrieben werden.
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Je nach Umgebungsbedingungen und Temperatur in dem Raum ist es vorteilhaft, wenn eine zweite Zusatzverbindung vorhanden ist, die mit einer zweiten Strömungsleiteinrichtung ganz oder teilweise geöffnet werden kann und eine direkte Verbindung vom Verdampfer zum Zulufteinlass in dem Raum bildet. Auf diese Weise kann der Rückgewinnungs-Wärmetauscher vollständig umgangen werden. Der Verdampfer entzieht dann der Raumluft Wärme und die abgekühlte Luft wird direkt in den Raum zurückgeführt. Als zweite Strömungsleiteinrichtung kann ebenfalls eine Luftklappe oder dergleichen verwendet werden. Geeignete Luftklappen sollten bevorzugt so konstruiert sein, dass sie Zwischenstellungen ermöglichen, bei denen der Luftstrom teilweise durch den anfangs beschriebenen Weg strömt und teilweise durch die Zusatzverbindung.
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Bevorzugt ist für alle Funktionen des beschriebenen Systems eine gemeinsame Auswerte- und Regeleinheit vorhanden ist, die mittels Signalleitungen den Wärmepumpenkreislauf und das Lüftungssystem regelt. Nicht näher beschriebene Sensoren (für Temperatur von Luft und Wasser, Luftfeuchtigkeit, Volumenstrom etc. an verschiedenen Stellen) sind in üblicher Weise vorhanden und dienen zur Regelung des Systems anhand von in üblicher Weise gespeicherten Kalibrierdaten oder Kennfeldern. Ein Programm regelt die Abläufe, wobei Daten und Programm bei Bedarf aktualisiert werden können. Ein Vorteil der Erfindung ist gerade die Tatsache, dass für Lüftung und Warmwasserbereitstellung weniger Komponenten benötigt werden, so z. B. nur eine Auswerte- und Regeleinheit, ein Lüfter mit zugehöriger Regelung weniger und weniger Sensoren mit zugehöriger Verkabelung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zum kombinierten Betrieb eines elektrisch betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpenkreislaufs mit einer Leistung von bis zu 5 kW zur Erwärmung von Wasser und eines Lüftungssystems für einen Raum vorgeschlagen, wobei ein gemeinsamer Luftstrom erzeugt wird, der durch einen Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufs in Serie mit dem Raum geleitet und insbesondere für eine Belüftung des Raumes dimensioniert wird. Wie oben beschrieben erlaubt die die gleichzeitige Erfüllung zwei Anforderungen (Wassererwärmung und Raumlüftung) mit wenigen Komponenten und geringem Regelaufwand. Da für einen Wärmepumpenkreislauf der angegebenen Leistung und ein Raumlüftungssystem ähnliche Volumenströme an Luft benötigt werden und ähnliche Laufzeiten zugehöriger Lüfter üblich sind, ist das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft umsetzbar.
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Die vorstehenden Erläuterungen zur Vorrichtung können auch zur Charakterisierung des Verfahrens herangezogen werden, und umgekehrt. Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass diese das vorgeschlagene Verfahren ausführen kann. Weiter ist auch möglich, dass das Verfahren mit der vorgestellten Vorrichtung durchgeführt wird.
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Wie oben beschrieben wird bevorzugt der Luftstrom von einem ersten Lüfter erzeugt, der über eine Außenluftöffnung Luft aus der freien Umgebung ansaugt und über ein Filter und/oder ein Vorheizregister zum Verdampfer führt, wo sie als Wärmequelle dient und abgekühlt und dann weiter zu einem Zulufteinlass in dem Raum geleitet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird aus dem Raum über einen Abluftauslass Abluft zu einem Fortluftauslass geführt und direkt oder über den Verdampfer in die freie Umgebung entlassen, wobei ein Rückgewinnungs-Wärmetauscher Wärme der vom Raum abgeführten Luft entzieht und der dem Raum vom Verdampfer zugeleiteten Luft zuführt.
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Bei einer speziellen Ausführung des Verfahrens durchströmt der (selbe) Luftstrom den Verdampfer, der zu diesem Zwecke durch eine Trennwand geteilt ist, zweimal, nämlich vor dem Durchströmen des Raumes und nach dem Durchströmen des Raumes.
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Besonders bevorzugt wird bei besonders honen Außentemperaturen oder kurzfristig besonders hohen Raumtemperaturen mindestens eine erste Zusatzverbindung mittels einer ersten Strömungsleiteinrichtung ganz oder teilweise zugeschaltet, so dass ein ganz oder teilweise geschlossener Kreislauf gebildet wird, der dem Raum Wärme durch den Verdampfer entzieht und die von dem Wärmepumpenkreislauf dem Wasser zugeführt wird.
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Bevorzugt werden das Lüftungssystem und der Wärmepumpenkreislauf von einer gemeinsamen Auswerte- und Regeleinheit geregelt, indem Signale über Signalleitungen an die zu regelnden Komponenten gesendet werden, wobei die Auswerte- und Regeleinheit von Sensoren Messwerte über Außentemperatur, Raumtemperatur, Wassertemperatur zur Regelung heranzieht.
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Einem weiteren Aspekt folgend wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung zumindest eines der hier beschriebenen Verfahren ausführt. Insbesondere kann ein solchen Produkt ein Programm und/oder Daten und/oder ein Update für die Auswerte- und Regeleinheit beinhalten.
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Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden im Folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:
- 1: schematisch eine Anordnung zum kombinierten Betrieb eines Raumlüftungssystems und eines Luft-Wasser-Wärmepumpenkreislaufs zur Erwärmung von (Trink-)Wasser in einer ersten Ausführungsform und
- 2: schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Lüftung eines Raumes und zur Erwärmung von Wasser mittels eines Luft-Wasser-Wärmepumpenkreislaufs. Über eine Außenluftöffnung 1 gelangt Außenluft (im Folgenden auch als Frischluft bezeichnet), angesaugt von einem ersten Lüfter 5, über ein Filter 2 und ein Vorheizregister 3 zu einem Verdampfer 6 eines Wärmepumpenkreislaufs, der weiter einen Kompressor 7, einen Kondensator 8 und ein Entspannungsventil 9 aufweist. Der Wärmepumpenkreislauf entzieht in an sich bekannter Weise der Frischluft im Verdampfer 6 Wärme, die vom Kondensator 8 an Wasser 11 in einem Speicherbehälter 10 abgegeben wird. Der Kompressor 8 und der gesamte Wärmepumpenkreislauf sind für die Erwärmung von Trinkwasser oder geringen Mengen Brauchwasser ausgelegt, die bei Bedarf von einem oder mehreren Verbrauchern 12 abgenommen werden (Typischerweise sind die dabei benötigten Wärmemengen erheblich geringer als beispielsweise bei Gebäude-Zentralheizungen). Die im Verdampfer 6 etwas abgekühlte Frischluft gelangt weiter zu einem ersten Einlass 15 eines Rückgewinnungs-Wärmetauschers 14 und von einem ersten Auslass 16 des Rückgewinnungs-Wärmetauschers zu einem Zulufteinlass 21 in einem zu lüftenden Raum 20. „Verbrauchte“ Luft aus dem Raum 20 gelangt dafür durch einen Abluftauslass 22 zu einem zweiten Einlass 17 des Rückgewinnungs-Wärmetauschers 14 und von dessen zweitem Auslass 18 über einen Fortluftauslass 23 in die freie Umgebung. Optional kann für diese Absaugung ein zweiter Lüfter 19 vorhanden sein, was bei den meisten Anlagen nützlich ist, um die Volumenströme von Zuluft und Abluft möglichst gleich zu halten. Im Rückgewinnungs-Wärmetauscher 14 wird der ausströmenden verbrauchten Luft Wärme entzogen und an die einströmende Frischluft übertragen, so dass nur wenig Energie an die Umgebung abgegeben wird. Der genaue Wirkungsgrad des Rückgewinnungs-Wärmetauschers 14 hängt von seiner Bauart und den Temperaturen der beteiligten Massenströme ab. Die erfindungsgemäße Kombination hat nur eine Außenluftöffnung 1 für Außenluft und benötigt im Prinzip nur einen ersten Lüfter 5 für ihren Betrieb, auch wenn zu dessen Unterstützung auch noch optional der zweite Lüfter 19 vorhanden sein kann. Soweit überhaupt erforderlich ist daher auch nur ein Filter 2 zur Abscheidung von Staub, anderen Partikeln und schädlichen Bestandteilen aus der Außenluft vorhanden, und es gibt auch nur ein Vorheizregister 3 für einen Betrieb bei sehr niedrigen Außentemperaturen. Außerdem ist auch nur eine Auswerte- und Regeleinheit 24 vorhanden, die z. B. den ersten Lüfter 5 (und ggf. auch den zweiten Lüfter 19) regelt (z. B. einen konstanten Volumenstrom aufrechterhält). Auch der Kompressor 7 und das Vorheizregister 3 können von dieser Auswerte- und Regeleinheit 24 über entsprechende Signalleitungen 25 angesteuert werden.
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Die bisher beschriebene Anordnung der Komponenten ist für viele Betriebssituationen gut geeignet und mit hoher Effizienz einsetzbar. Es kann aber Situationen geben, in denen eine etwas veränderte Konstellation der Komponenten bessere Ergebnisse bezüglich Energieeffizienz oder Komfort im zu lüftenden Raum 20 liefert. Daher kann optional eine erste Zusatzverbindung 26 vorgesehen werden, die über eine erste Strömungsleiteinrichtung 4, insbesondere eine Luftklappe, ganz oder teilweise zugeschaltet werden kann. Bei vollständigem Schließen der Klappe wird vom Lüfter 5 nur noch Abluft (verbrauchte Luft) vom zweiten Auslass 18 des Rückgewinnungs-Wärmetauschers 14 angesaugt und durch den Verdampfer 6 geführt (und keine Außenluft mehr angesaugt und auch keine Fortluft mehr aus an die Umgebung abgegeben). Dies führt dazu, dass der Verdampfer 6 als Kühlgerät für den Raum 20 im Umluftbetrieb (einer zweiten Betriebsart) wirkt und der Raumluft Wärme entzieht, mit der das Wasser 11 aufgeheizt wird. Diese Einstellung kann besonders bei hohen Außentemperaturen und/oder einer vorübergehend hohen Raumtemperatur zur schnellen Abkühlung des Raumes 20 sinnvoll sein. Mischungen der beiden Betriebsarten sind möglich. Eine zweite Zusatzverbindung 27, einschaltbar mit einer zweiten Strömungsleiteinrichtung 13, ebenfalls bevorzugt eine Luftklappe, kann den Strömungsverlauf im System bei der zweiten Betriebsart noch vereinfachen. Bei geöffneter Strömungsleiteinrichtung 13 gelangt die im Verdampfer abgekühlte Luft unter Umgehung des Rückgewinnungs-Wärmetauschers 14 direkt in den Raum 20 und kann diesen effektiver kühlen. Die Auswerte- und Regeleinheit 24 kann auch die Strömungsleiteinrichtungen 4, 13 über Signalleitungen 25 ansteuern. Außerdem gibt es bei solchen Anlagen noch verschiedene hier nicht dargestellte Sensoren, insbesondere zur Messung von Außentemperatur, Raumtemperatur, Wassertemperatur und Volumenströmen, evtl. auch der Luftfeuchtigkeit an verschiedenen Stellen, deren Messwerte in üblicher Weise der Auswerte- und Regeleinheit 24 zugeführt werden, damit diese anhand von gespeicherten Kalibrierdaten oder Kennfeldern und mit einem gespeicherten Programm die Anlage effizient steuern bzw. regeln kann.
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Das Ausführungsbeispiel in 1 ist nicht die einzige mögliche Ausführungsform. Bei anderen Ausführungsformen können weitere oder andere Zusatzverbindungen vorgesehen werden, um andere oder zusätzliche Betriebsarten bereitzustellen. Wichtig ist dabei, dass die von einem ersten Lüfter 5 bewegte Luft im Wesentlichen in Serie durch den Raum 20 und durch den Verdampfer 6 strömt, wobei die Reihenfolge unterschiedlich sein kann. Je nach klimatischen Bedingungen kann es auch sinnvoll sein, den Verdampfer 6 nicht vor, sondern nach dem Raum 20 (und nach einem Wärmeaustausch im Rückgewinnungswärmetauscher 14 von dem Luftstrom durchströmen zu lassen. Der Rückgewinnungs-Wärmetauscher 14 wird bei den meisten Betriebsarten ebenfalls im Wesentlichen von dem gleichen Luftstrom (meist zweimal) durchströmt. Je nach Dichtigkeit des Raumes 20 gegenüber der Umgebung kann es zumindest zeitweise auch andere Luftströme als die durch das Lüftungssystem erzeugten geben, was aber für die Betrachtungen hier vernachlässigbar ist.
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Eine besonders bevorzugte weitere Ausführungsform ist schematisch in 2 dargestellt, wobei alle in beiden Figuren gleichen Bauteile auch die gleichen Bezugszeichen haben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dadurch, dass der Verdampfer 6 durch eine Trennwand 28 zweigeteilt ist in einen ersten Teilraum 29 und einen zweiten Teilraum 30. Dies erlaubt es, den Luftstrom zunächst auf seinem Weg zum Raum 20 ein erstes Mal durch den ersten Teilraum 29 des Verdampfers 6 zu führen und auf dem Rückweg ein zweites Mal durch den zweiten Teilraum 30. Falls der zur Belüftung des Raumes 20 benötigte Luftstrom für eine effektive Funktion des Verdampfers 6 nicht ausreicht, kann auf diese Weise der Luftstrom verdoppelt werden. Die Trennwand 28 verhindert, dass sich dabei Frischluft und Abluft vermischen, wobei die beiden Teilräume 29, 30 im Gegenstrom oder - wie hier dargestellt - in gleicher Richtung von beiden Strömen durchströmt werden können. Grundsätzlich können statt eines geteilten Verdampfers auch zwei getrennte Verdampfer verwendet werden, wenn dies wegen der Verwendung von Standardbauteilen oder aus anderen Gründen bevorzugt wird. Bei der Ausführungsform der 2 ist die erste Zusatzverbindung 26 von geringerer Bedeutung und kann auch entfallen.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, einen Luft-Wasser-Wärmepumpenkreislauf, der ausgelegt ist, Trink- oder geringe Mengen Brauch-Wasser zu erwärmen, in Kombination mit einer Lüftungsanlage für einen Raum mit nur einem gemeinsamen Luftstrom zu betreiben und an verschiedene klimatische Bedingungen und andere Faktoren flexibel anzupassen, so dass jeweils eine energetisch günstige Lösung für Warmwasserbereitung und Lüftung bzw. Regelung des Raumklimas eingestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außenluftöffnung / Außenluft
- 2
- Filter
- 3
- Vorheizregister
- 4
- Erste Strömungsleiteinrichtung / Klappe
- 5
- Erster Lüfter
- 6
- Verdampfer
- 7
- Kompressor
- 8
- Kondensator
- 9
- Entspannungsventil
- 10
- Speicherbehälter
- 11
- Wasser
- 12
- Verbraucher
- 13
- Zweite Strömungsleiteinrichtung / Klappe
- 14
- Rückgewinnungs-Wärmetauscher
- 15
- Erster Einlass
- 16
- Erster Auslass
- 17
- Zweiter Einlass
- 18
- Zweiter Auslass
- 19
- Zweiter (optionaler) Lüfter
- 20
- Raum
- 21
- Zulufteinlass (Frischluft)
- 22
- Abluftauslass („verbrauchte“ Luft)
- 23
- Fortluftauslass (in die freie Umgebung)
- 24
- Auswerte- und Regeleinheit
- 25
- Signalleitungen
- 26
- Erste Zusatzverbindung
- 27
- Zweite Zusatzverbindung
- 28
- Trennwand
- 29
- erster Teilraum
- 30
- zweiter Teilraum
