DE3005848C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmerückge­ winnung bei einer Lüftungs-, Luftheizungs- oder Klima-Anlage mit Wasser als Wärmeträger, mit einem ersten Kreislauf, der eine Heizeinrichtung sowie eine Vor- und eine Rücklaufleitung aufweist, der über Absperrorgane mit einem zweiten Kreislauf zwischen einem Fortluft- und einem Außenluft-Wärmeübertrager gekoppelt ist, wobei die Vorlauf­ leitung des ersten Kreislaufs in Strömungsrichtung gesehen vor dem Außenluft-Wärmeübertrager mündet.

Bei Anlagen der genannten Art ist es zur Einsparung von Energie von Bedeutung, Wärme aus dem Fortluftstrom rückzu­ gewinnen und sie an die dem Raum zugeführte Außenluft, dem Außenluftstrom, zu übertragen. So ist es während der Heizperiode im Winter, während man im Sommer in im Prinzip gleicher Weise und mit denselben Mitteln dem dann warmen Außenluftstrom mit Hilfe der gekühlten Fortluft Wärme entziehen kann. Es ist bekannt, hierzu eine Vorrichtung zu verwenden, die aus mindestens je einem Wärmeübertrager im Außenluftstrom und im Fortluftstrom, und einer sie verbindenden Rohrleitung besteht. Als Wärmeübertrager wird darin Wasser im Kreislauf mit einer Pumpe umgewälzt, während zuvor hierfür Wasser mit einem Frostschutzmittel verwendet wurde, letzteres um zu verhüten, daß das Wasser im kritischen Bereich des Kreislaufs, vor allem also im Außenluft-Wärmeübertrager gefriert.

Sobald die kalte Witterung dies erforderlich macht, wird Wärme aus der Heizungsanlage, als dem ersten Kreislauf, dem der Wärmeübertrager, als zweiten zugeführt (DE-AS 25 26 568). Dabei wird dem kritischen Bereich des zweiten Kreislaufs vor oder in dem Außenluft-Wärmeübertrager Warmwasser aus dem ersten Kreislauf über eine Vorlaufleitung mit einem Regulierventil zugeführt und hinter dem Außenluft-Wärmeübertrager über eine Rücklaufleitung wieder in die Heizungsanlage als ersten Kreislauf zurückgeführt, d. h. der Warmwasser-Zuschuß ist auf eine Teilstrecke des Kreislaufs beschränkt, und zwar auf den kritischen Bereich, in dem das Wasser bei entsprechend kalter Witterung anderen­ falls gefrieren würde.

Nachteilig ist jedoch, daß ein hinreichendes Druckgefälle in dem Kreislaufabschnitt zwischen Vorlauf und Rücklauf von der Heizungsanlage und in diese zurück nicht sicherge­ stellt ist, so daß zur Einspeisung des Warmwassers in den zweiten Kreislauf zusätzlich eine Warmwasserpumpe samt zuge­ hörigen Steuereinrichtungen erforderlich wird. Des weiteren wird die im zweiten Kreislauf je Zeiteinheit umgewälzte Wärmeträgermenge durch die Umwälzpumpe bestimmt. Da der Warmwasser-Zuschuß nur über eine Teilstrecke des Kreislaufes geführt wird, ist die umgewälzte Menge im Restteil des zweiten Kreislaufs, insbesondere also im Fortluft- Wärmeübertrager kleiner. Gleiches gilt für die Wärmekapazität und die wasserseitige Wärmeübergangszahl, weshalb die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung eine geringere Rückge­ winnungsleistung liefert.

Der Erfindung liegt entgegen einem Vorurteil der Fachwelt die Erkenntnis zugrunde, daß Warmwasser, das aus dem ersten Kreislauf durch die Vorlaufleitung in den zweiten Kreislauf einströmt, sich dort sofort mit dessen Wasser mischt und auf die Temperatur des dem Fortluft-Wärmeübertrager zuströmenden Wassers keinen Einfluß, ob der Rücklauf vor oder nach ihm erfolgt, hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das erforderliche Druckgefälle zwischen dem Vor- und Rücklaufanschluß bereitzu­ stellen und durch den Kreislauf der Wärmeübertrager eine konstante Menge des Wärmeträgers unter allen Betriebs­ bedingungen zu führen.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rücklaufleitung des ersten Kreislaufs in Strömungsrichtung gesehen nach dem Fortluft-Wärmeübertrager abzweigt.

In der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird neben dem Außenluft-Wärmeübertrager auch der Fortluft-Wärmeübertrager bei unterschiedlicher aus dem ersten Kreislauf zugeführter Menge des Wärmeträgers von gleichen Mengen pro Zeiteinheit durchströmt. Hierdurch wird eine Herabsetzung des Wärmeübergangs im Fortluft-Wärmeübertrager und damit auch der Wärme­ rückgewinnung vermieden.

Diese Lösung gilt gleichermaßen vorteilhaft für den Fall, daß im zweiten Kreislauf mehrere Außenluft-Wärmeübertrager und Fortluft-Wärmeübertrager vorgesehen sind, und daß der erste Kreislauf über mehrere Vor- und Rücklaufleitungen mit diesen Wärmeübertragern gekoppelt ist.

Des weiteren vorteilhaft kann zwischen der Vorlaufleitung und der Rücklaufleitung, vor ihren Anschlußstellen an den zweiten Kreislauf, eine Verbindungsleitung angeordnet werden; durch diese strömt dann ständig etwas Heizungs-Warmwasser, so daß dieses ohne Verzögerung zur Verfügung steht, wenn z. B. bei einem plötzlichen Frosteinbruch rasch ein Warmwasserzuschuß im zweiten Kreislauf benötigt wird. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, daß die Verbindungsleitung so eng oder gedrosselt ist, daß ihr Strömungswiderstand größer ist als derjenige in dem Abschnitt des zweiten Kreislaufs, der zwischen den Einmündungen der Rücklaufleitung und der Vorlauf­ leitung angeordnet ist, so daß in der Verbindungsleitung ein nur mäßiger, für ihren Zweck jedenfalls genügender Durch­ fluß entsteht und sie praktisch keinen Nebenschluß zu dem parallelen Abschnitt des zweiten Kreislaufs bilden kann.

Bei mehreren, im zweiten Kreislauf parallelgeschalteten Wärmeübertragern im Außenluftstrom kann man vor jedem derselben eine Vorlaufleitung anschließen. Sind demgegenüber mehrere solcher Wärmeübertrager im zweiten Kreislauf in Reihe geschaltet, so kann man eine Vorlaufleitung vor den frostgefährdeten Außenluft-Wärmeübertragern sowie evtl. zusätzlich vor dem am meisten gefährdeten eine zusätzliche Vorlaufleitung anschließen; letztere bringt dann den Vorteil, daß man insgesamt weniger Wärme zuzuführen braucht, um die Gefahr des Einfrierens auszuschließen.

Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn die Pumpe im Leitungsabschnitt des zweiten Kreislaufs in Strömungsrichtung gesehen vor einem oder mehreren Fortluft-Wärmeübertragern angeordnet ist und von diesem Leitungsabschnitt in Strömungsrichtung gesehen vor der Pumpe zur Rücklaufleitung eine Hilfsleitung mit einem Ventil abzweigt, das bei Ausfall der Pumpe öffnet. Dies bietet Sicherheit vor der Gefahr des Einfrierens des Wärmeträgers auch dann, wenn die Pumpe ausfällt, denn dann treibt das zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung bestehende Druckgefälle im ersten Kreislauf Warmwasser aus diesem von der Vorlaufleitung durch den oder die Wärmeübertrager im Außenluftstrom des zweiten Kreislaufs und durch die Hilfsleitung zurück in die Rücklaufleitung. Die Möglichkeit für einen solchen Notbetrieb besteht bei fast allen bekannten Vorrichtungen nicht. Ist zugleich die Verbindungsleitung zwischen Vorlauf- und Rücklaufleitung vorgesehen, so kann man sie bei Ausfall der Pumpe, gleichzeitig mit dem Öffnen der Hilfsleitung, absperren, um hierdurch ein erhöhtes Druckgefälle für den Notbetrieb zu gewinnen.

Das nachfolgende Zahlenbeispiel soll Anhaltspunkte dafür liefern, wie groß die mit der Erfindung erzielten Verbesserungen gegenüber dem bekannten im Durchschnitt sind. Die Verbesserungen fallen natürlich je nach den Umständen und Betriebs­ bedingungen verschieden groß aus, deshalb wurden durchschnittliche Verhältnisse für das Beispiel gewählt. Verglichen werden die folgenden drei Wärmerückgewinnungs-Vorrichtungen:

A gemäß der Erfindung,
B gemäß der Schweizer Patentschrift 584 870,
C gemäß der deutschen Auslegeschrift 25 26 568,

die unter denselben Bedingungen dimensioniert und eingesetzt zu denken sind. Gemeinsame Ausgangsdaten:

Außenluftmenge = Fortluftmenge
Nenn-Wirkungsgrad
(über der Frostgrenze)55% Temperatur der Fortluft+ 20°C Temperatur des Heizungswassers+ 80°C Temperatur der Außenluft- 15°C niedrigste zulässige Wärmeträger-
Temperatur an der kältesten Stelle+  3°C

Aufteilung des gesamten Druckgefälles im Kreislauf ( Δ p = 100%) bei Betrieb über der Frostgrenze:

Im Außenluft-Wärmeübertrager35% im Fortluft-Wärmeübertrager35% in den Armarturen im Kreislauf20% in den Rohren im Kreislauf10%

Ferner bewirkt die Umwälzpumpe in jeder der drei Vorrichtungen bei Betrieb oberhalb der Frostgrenze dieselbe Umwälzmenge des Wärmeträgers Wasser. Damit erhält man für den Betrieb der Vorrichtungen A, B und C bei -15°C Außenlufttemperatur ungefähr die folgenden Resultate, bezogen auf diejenigen unter A:

Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen B und C erhöht sich bei Frostwetter also die Wasserdurchfluß­ menge durch die Außenluft-Wärmeübertrager und somit auch die erforderliche Wellenleistung der Umwälzpumpe; gleichzeitig nimmt da jedoch der Wasserdurchfluß durch die Fortluft-Wärmeübertrager ab, wodurch der Fortluft weniger zurückgewinnbare Wärme entzogen werden kann, die Rückgewinnungsleistung verringert sich infolgedessen, d. h. die aus der Fortluft zurück­ gewonnene Wärme wird bei den bekannten Vorrichtungen - im Gegensatz zur neuen - also gerade bei Spitzenlast­ bedarf reduziert.

Man sieht an dem Beispiel, daß die Wärmerück­ gewinnung bei den bekannten Vorrichtungen A und C um rund 9% kleiner als bei der neuen A ist, bzw. bei der letzteren um rund 11% größer - was in der Wärmetechnik eine bedeutende Verbesserung darstellt -, ferner daß die Pumpen der bekannten Vorrichtungen unter den da zugrundegelegten durchschnittlichen Bedingungen eine um 14 bis 21% höhere Wellenleistung erfordern, was bei der Energiebilanz natürlich außerdem zu berücksichtigen ist.

Nach den Resultaten des Beispiels erscheint die bekannte Vorrichtung B auf den ersten Blick noch einigermaßen akzeptabel. Es gilt aber zu berücksichtigen, daß sich die Wassertemperatur bei aufkommendem Frost dort nicht nur an einer, sondern an zwei Stellen im Außenluft-Wärmeübertrager der Gefriertemperatur nähert, wobei, in Wasserfluß­ richtung gesehen, der erste Wärmeübertrager nicht durch Einspeisung von Heizungswasser frostgesichert ist. Bei den dem Beispiel zugrundeliegenden Daten würde ein Sturz der Außenlufttemperatur auf ca. -20°C, wie er bei außergewöhnlichem Winterwetter vorkommen kann, genügen, um diesen Teil des Wärmeübertragers einfrieren zu lassen. Die bekannte Vorrichtung B führt außerdem noch zu zusätzlichen Kosten bei der Herstellung und Montage des da vorgesehenen, geteilten Außenluft- Wärmeübertragers.

Auf einen wesentlichen Vorteil der neuen Vorrichtung ist noch hinzuweisen: Der Druck in ihr liegt größten­ teils über demjenigen im Anschluß an den ersten Kreislauf, und in dem kurzen Leitungsabschnitt, wo er darunter liegt, ist er nur geringfügig kleiner als im Anschlußpunkt. Bei den bekannten Vorrichtungen ist es dagegen nicht vermeidbar, daß der Druck in ihnen größtenteils, und zwar stellen­ weise erheblich, unter dem Druck im ersten Kreislauf liegt. Damit ist der Nachteil verbunden, daß aus dem ersten Kreislauf eingespeistes Wasser in dem angeschlossenen zweiten stark entspannt wird, wobei es besonders dann, wenn im ersten Kreislauf ohnehin schon ein nur geringer statischer Druck vorhanden ist, z. B. bei Anschluß im obersten Geschoß eines Gebäudes, zu Entgasung und zu den bekannten, durch Gasblasen bedingten Betriebsstörungen kommen kann. Die neue Vorrichtung nutzt den im Anschluß der Vorlaufleitung zur Verfügung stehenden Druck optimal aus, die einem Drosselorgan in der Vorlauf­ leitung zugeordnete Druckdifferenz fällt daher sehr klein aus. So kann es auch dort nur unter außergewöhnlichen Verhältnissen und nur spurenweise zu einer Entgasung kommen, die ggf. aber beim unmittelbar anschließenden Druckanstieg wieder rückgängig gemacht wird.

Bei dem beigefügten Zeichnungsblatt zeigen Fig. 1 und 2 je ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in schematischer Darstellung. Beiden Ausführungsbeispielen und Figuren gemeinsam sind ein Wärmeübertrager 1 im Außenluftstrom A und ein Wärmeübertrager 2 im Fortluftstrom F, die durch Rohrleitungen a und b miteinander verbunden sind, einen nur strichpunktiert angedeuteten ersten Kreislauf 3 mit je einer daran angeschlossenen Vorlaufleitung v und Rücklaufleitung r, ferner Temperaturfühler 4, 5 und 6. Bei beiden Ausführungen ist eine Anschluß- und Armaturen­ einheit 10 bzw. 20 in die Leitungen a und b eingefügt und an die Leitungen v und r angeschlossen.

In der Einheit 10 erkennt man in Fig. 1 eine Umwälz­ pumpe 11, eine Armaturenkombination 12, ein Dreiwege­ ventil 13, das entweder den Durchgang in der Rohrleitung a freigibt oder über eine Umgehungsleitung c mit eingefügtem Drosselorgan 14 eine Verbindung zwischen den Rohrleitungen a und b herzustellen gestattet, ferner im Zuge der Vorlaufleitung v ein Drosselorgan 15 zur erstmaligen Einregulierung des Zuflusses aus dem ersten Kreislauf und ein Absperrventil 16, das ein progressiv wirkendes Motorventil und/oder ein Magnetventil für Auf-Zu- Regulierung sein kann, sowie zwischen den Leitungen v und r eine Verbindungsleitung d mit eingefügtem Drosselorgan 17. Der Temperaturfühler 4 im Ausfluß des Wärmeträgers aus dem Wärmeübertrager 1 beeinflußt das Absperrventil 16, der Temperaturfühler 5 im Außenluftstrom A beeinflußt ebenfalls das Absperr­ ventil 16, und der Temperaturfühler 6 im Außen­ luftstrom A beeinflußt das Dreiwegeventil 13.

Man erkennt in Fig. 1, daß sowohl die Vorlauf­ leitung v als auch die Rücklaufleitung r an dieselbe Rohrleitung a angeschlossen sind, so daß die Wärmeübertrager 1 und 2 auch bei Zumischung von Warmwasser aus dem ersten Kreislauf von gleichen Wärmeträgermengen je Zeiteinheit durchströmt werden; ferner daß die im Kreislauf erforderlichen Armaturen zwischen den Einmündungen der Vorlaufleitung v und der Rücklaufleitung r in der Leitung a angeordnet sind, um dort den entsprechenden Druckabfall zu konzentrieren, während die Umwälzpumpe 11 unmittelbar hinter dem Anschluß der Vorlaufleitung v für eine Druckerhöhung im Wärmeträger sorgt, deren Rest-Abbau erst unmittelbar davor erfolgt, nämlich in den Armaturen 12 und 13. Das Dreiwegeventil 13 hat keine Bedeutung im Zusammenhang mit der Gefahr des Einfrierens im Winter, sondern es dient in bekannter Weise der Regelung der Übertragungsleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur; wird diese Leistung bei warmem Wetter nicht benötigt, so wird das Dreiwege­ ventil 13 durch den Temperaturfühler 6 veranlaßt, auf die Umgehungsleitung c zur Umgehung des Wärmeübertragers 2 zu schalten. Fällt die Temperatur des Wärmeträgers im Wärmeübertrager 1 unter einen festgelegten Wert, z. B. 3°C, so bewirkt der Temperatur­ fühler 4 ein Öffnen des Absperrventils 16 und damit Zufluß von Warmwasser aus dem ersten Kreislauf. Auch der Temperaturfühler 5 wirkt in diesem Sinne auf das Absperrventil 16, und zwar bei einem plötzlichen Temperatursturz der Außenluft noch rascher als der Temperaturfühler 4, denn der Temperaturfühler 5 befindet sich unmittelbar im Außenluftstrom A. Die Verbindungsleitung d mit den Drosselorgan 17 hat den Zweck, ständig einen geringen Durchfluß von Warmwasser des ersten Kreislaufs in unmittelbarer Nähe des zweiten aufrechtzuerhalten, damit es im Falle plötzlich auftretenden Frostwetters unverzögert zur Verfügung steht. In der Vorlaufleitung v kann ein weiterer Durchfluß­ messer (nicht gezeichnet) angeordnet sein, damit man den Warmwasser-Zufluß überwachen kann.

Zur Anschluß- und Armatureneinheit 20 in Fig. 2 gehörten Teile 21, 22 . . . 27, c′ und d′, die den Teilen 11, 12 . . . 17, c und d von Fig. 1 in Art und Funktion entsprechen. Zusätzlich in der Ausführung nach Fig. 2 erkennt man eine Hilfsleitung e, welche die Rohrleitung b mit der Rücklaufleitung r verbindet und ein Absperrventil 28 enthält, das bei Ausfall der Umwälzpumpe 21 öffnet, die sich bei dieser Ausführung hinter der Abzweigung der Hilfsleitung e von der Rohrleitung b in dieser befindet. Dies verhütet, wie zuvor näher beschrieben, ein Einfrieren des Wärmeaustauschers 1, wenn bei Frost­ wetter die Umwälzpumpe 21 ausfällt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung bei einer Lüftungs-, Luftheizungs- oder Klima-Anlage mit Wasser als Wärmeträger, mit einem ersten Kreislauf, der eine Heizeinrichtung sowie eine Vor- und eine Rücklaufleitung aufweist, der über Absperr­ organe mit einem zweiten Kreislauf zwischen einem Fort­ luft- und einem Außenluft-Wärmeübertrager gekoppelt ist, wobei die Vorlaufleitung des ersten Kreislaufs in Strömungs­ richtung gesehen vor dem Außenluft-Wärmeübertrager mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (r) des ersten Kreislaufs in Strömungsrichtung gesehen nach dem Fortluft-Wärmeübertrager (2) abzweigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Kreislauf mehrere Außenluft-Wärmeübertrager (1) und Fortluft-Wärmeübertrager (2) vorgesehen sind, und daß der erste Kreislauf über mehrere Vor- und Rücklaufleitungen mit diesen Fortluft-Wärmeübertragern gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vorlaufleitung (v) und Rücklaufleitung (r) vor ihren Anschlußstellen an den zweiten Kreislauf eine Verbindungs­ leitung (d, d′) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (d, d′) in ihrem lichten Durchmesser so eng bemessen ist oder eine Drossel aufweist, daß ihr Strömungs­ widerstand größer ist als derjenige im Leitungs-Abschnitt (a) des zweiten Kreislaufs zwischen der Abzweigung der Rücklauf­ leitung (r) und der Einmündung der Vorlaufleitung (v).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Kreislauf mehrere Außenluft-Wärmeübertrager parallel geschaltet sind und daß in Strömungsrichtung gesehen vor jedem Außenluft-Wärmeübertrager eine Vorlaufleitung mündet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Kreislauf mehrere Außenluft-Wärmeübertrager in Reihe geschaltet sind und daß die Vorlaufleitung (v) vor den frostgefährdeten Außenluft-Wärmeübertragern ange­ schlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem am meisten frostgefährdeten Wärmeübertrager eine zusätzliche Vorlaufleitung (v) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennnzeichnet, daß die Pumpe (21) im Leitungsabschnitt (b) des zweiten Kreislaufs in Strömungsrichtung gesehen vor einem oder mehreren Fortluft-Wärmeübertragern (2) angeordnet ist und daß von diesem Leitungsabschnitt in Strömungsrichtung gesehen vor der Pumpe (21) zur Rücklaufleitung (r) eine Hilfsleitung (e) mit einem Ventil (28) abzweigt, das bei Ausfall der Pumpe (21) öffnet.