Kälteerzeugungsanlage mit doppeltem Nutzen

Die Erfindung betrifft eine Kälteerzeugungsanlage,

Luft- und klimatechnische Anlagen, insbesondere in Gebäuden, benötigen zur Einhaltung vorgegebener Raumluftkonditionen, wie z.B. Temperatur und/oder Feuchte, in der Regel Kälteenergie. Diese kann über Naturkühlung z.B. aus Brunnenwasser, Erdkälte, adiabatische Verdunstungskühlung oder mittels Kälteerzeugungsanlagen erzeugt bzw, bereitgestellt werden.

Die mechanischen Kälteerzeugungsanlagen nutzen dazu den carnotschen Kreisprozess mit einem Kältemittel als so genanntes Arbeitsmittel, welches zunächst komprimiert und verflüssigt und die dabei entstehende Wärme über den Kondensator abgeführt und anschließend im Verdampfer z.B. über ein Expansionsventil entspannt wird, womit Kälte entsteht und so im Verdampfer Wärme aus einem zu kühlenden Wärmeträgermedium entzogen wird. Die an einem Kondensator anfallende Wärme kann üblicherweise mittels eines Rückkühlwerkes z.B. der Umwelt zugeführt werden.

Die inneren Prozesstemperaturen liegen üblicherweise auf der Kälteseite (Verdampferseite) bei etwa +5°C bis -5°C und auf der Abwärmeseite (Kondensatorseite) zwischen 30°C bis 50°C. Damit können z.B. Kaltwassertemperaturen von z.B. 12°C bis 6°C bereitgestellt werden und es werden Rückkühlmedien zwischen 25°C und 45°C erforderlich, mit denen die Abwärme aus einem Kondensator abgeführt wird.

In der Regel werden derartige Kälteerzeugungsanlagen im Sommerkühlbetrieb bei Außentemperaturen zwischen 15°C und 32°C benötigt, um z.B. die einem Gebäude zugeführte warme Außenluft abzukühlen, wofür z.B. ein Wärmetauscher in einem Zuluftstrom angeordnet wird, der von einem gekühlten Wärmeträgermedium durchflossen wird, welches zuvor in einer Verdampferstufe einer solchen Kälteerzeugungsanlage gekühlt wurde.

Bekannt ist es weiterhin, Kältemaschinen als Wärmepumpenanlagen einzusetzen. Soll die Wärmepumpenfunktion allerdings auch bei Außentemperaturen <= 0 Grad Celsius erfolgen, ist in der Regel vorauszusetzen, dass eine gesicherte Wärmequelle wie z.B. Erdwärme, Brunnenwasser etc. zur Verfügung steht. Will man als Wärmequelle jedoch Außenluft verwenden oder die Fortluft eines Gebäudes unter 0 Grad Celsius auskühlen, ist dies durch die Kondensatbildung und Vereisung des Wärmetauschers problembehaftet. Dabei ist es weiter nachteilig, dass für jede erzeugte kWh an Heizwärme etwa 0,4 bis 0,7 kWh an Strom erforderlich wird. Dies entspricht etwa nur einer Leistungsziffer zwischen 1:2,5 bis 1:1,5.

Bekannte Kälteerzeugungsanlagen mit Einsatz im luft- und/oder klimatechnischen Bereich oder anderer ähnlicher Nutzungsbereiche, erfordern üblicherweise apparativ und gebäudetechnisch hohe Investitionen, welche durch die in der Regel geringen Betriebszeiten (1,000 bis 2.000 h/anno) ungenügend genutzt werden. Der Herstellkostenanteil pro kWh Kälteenergie ist daher besonders hoch. Der vorbeschriebene Zusatznutzen mit einer Wärmepumpe kann dies verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Investitionen für eine ohnehin installierte Kälteerzeugungsanlage besser auszunutzen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen weiteren Zusatznutzen einer Kälteerzeugungsanlage, z.B. durch Umschaltung auf eine weitere Kältenutzung und dies ggfs. kombiniert mit einem Wärmepumpenbetrieb mit Außenluft als Wärmequelle.

Hierfür ist es vorgesehen, dass eine Kälteerzeugungsanlage in eine zweite Betriebsart umschaltbar ist, in der die erzeugte Kälte für einen weiteren Kältenutzen, wie z.B. eine Wintersport- und/oder Winterfreizeitanlage und/oder Kältenutzen im Gesundheitswesen, wie z.B. Kältekammern, Kältebäder, Eisbäder, Eiserzeugung etc. genutzt ist.

So kann eine Kälteerzeugungsanlage z.B. im Sommer in der ersten Betriebsart wie üblich zur Kühlung von z.B. Gebäudezuluft genutzt werden, wobei z.B. die kondensatorseitige Abwärme der Kälteerzeugungsanlage durch ein Rückkühlwerk der Umwelt zugeführt werden kann, wohingegen z.B. im Winter in der zweiten Betriebsart die Kälteerzeugungsanlage weiterhin nutzbar ist, z.B. für einen im Winter gewünschten Zusatznutzen, der z.B. in einer Wintersport- und/oder Winterfreizeitanlage und/oder im Gesundheitswesen gesehen werden kann. So können z.B. im Winter mit derselben Anlage z.B. Eisbahnen zum Schlittschuhlaufen und/oder Eisstockschießen oder auch Beschneiungsanlagen oder andere Kälteanwendungen z.B. im Gesundheitswesen betrieben werden.

Analog zu den genannten verschiedenen Betriebsarten einerseits im Sommer und andererseits im Winter kann es auch vorgesehen sein, zwischen den Betriebsarten bei einem Wechsel zwischen einem Tag- und einem Nachtbetrieb umzuschalten und umgekehrt. Z.B. kann so tagsüber eine Kühlung von Gebäudeluft vorgenommen werden und nachts der Einsatz für den zusätzlichen Kältenutzen.

Grundsätzlich gilt neben diesen bevorzugten Umschaltmöglichkeiten, dass eine erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage bevorzugt zu beliebigen Zeiten zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden kann, ggfs. kann eine automatische periodische Umschaltung nach Ablauf von vorgebbaren/vorgegebenen Zeitintervallen und somit ein intermittierender Betrieb erfolgen. Hierbei können die Zeitintervalle beliebig gewählt sein.

Dies kann besonders vorteilhaft in Einkaufszentren / Hotelanlagen und/oder Gesundheitszentren eingesetzt werden, die z.B. im Sommer zur Klimatisierung gekühlt werden sollen und die z.B. im Winter Ihren Kunden / Patienten einen zusätzlichen Nutzen, z.B. Freizeit- oder Sportattraktion oder therapeutische Anwendungen bieten wollen oder bei denen eine Umschaltung zwischen Tag- und Nachtbetrieb erfolgt bzw. gewünscht ist.

Um dies zu realisieren kann eine Kälteerzeugungsanlage wenigstens einen Kondensator aufweisen, der in der ersten Betriebsart mit wenigstens einem ersten Verdampfer einen internen Kältekreislauf eines Kältemittels bildet, wobei mittels des wenigstens einen ersten Verdampfers ein Wärmeträgermedium in einem (ersten) externen Kältekreislauf kühlbar ist, um wenigstens ein Bauelement einer luft- und/oder klimatechnischen Anlage zu kühlen.

Bei diesem Bauelement kann es sich z.B. um wenigstens einen Wärmetauscher im Zuluftstrom der Gebäudelüftungs- bzw. Gebäudeklimaanlage handeln. Der Kondensator kann erfindungsgemäß nach einer Umschaltung mit wenigstens einem zweiten Verdampfer in einem internen Kältekreislauf desselben vorgenannten Kältemittels angeordnet sein, wobei mittels des wenigstens einen zweiten Verdampfers ein Wärmeträgermedium in einem zweiten externen Kältekreislauf kühlbar ist, um wenigstens ein Bauelement eines weiteren Kältenutzen, z.B. einer Wintersport- und/oder Winterfreizeitanlage und/oder im Gesundheitswesen zu kühlen.

Hierbei weisen somit beide externe Kältekreisläufe jeweils einen eigenen Verdampfer auf und können anforderungsgemäß unterschiedliche Wärmeträgermedien beinhalten.

Es kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium im zweiten externen Kältekreislauf ein frostsicheres Wärmeträgermedium ist, insbesondere eine Sole und/oder ein Glykol-Wasser-Gemisch, um beim Betrieb in Verbindung mit einer Winterfreizeit- oder Wintersportanlage oder einer Anlage im Gesundheitswesen ein Einfrieren des Wärmeträgermediums zu verhindern. Das Wärmeträgermedium im ersten externen Kältekreislauf muss hingegen nicht zwingend frostsicher sein.

In einer anderen alternativen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass der interne Kältekreislauf nicht wie vorbeschrieben zwischen zwei Verdampfern umschaltbar ist, sondern nur einen Verdampfer umfasst. Es kann hier vorgesehen sein, dass eine Umschaltung im externen Kältekreislauf vorgenommen wird, so dass das Wärmeträgermedium des externen Kältekreislaufes von einem ersten Teilkreislauf durch die gebäudetechnische Anlage umgeschaltet wird, z.B. auf einen zweiten Teilkreislauf durch eine Wintersport- bzw, Winterfreizeitanlage oder eine Anlage im Gesundheitswesen (z.B. therapeutische Kälteanwendungen).

In beiden Teilkreisläufen ist sodann derselbe einzige Verdampfer angeordnet, um das Wärmeträgermedium dieses externen Kältekreislaufes zu kühlen. Das Wärmeträgermedium muss dann die Anforderungen an beiden Betriebsarten erfüllen und ist somit frostsicher zu wählen.

Im Folgenden wird der Begriff des zweiten externen Kältekreislaufs synonym verwendet sowohl für den abgeschlossenen zweiten externen Kältekreislauf der ersten Ausführungsvariante als auch für den externen zweiten Teilkreislauf der zweiten Ausführungsvariante mit einem gemeinsamen Verdampfer.

In bevorzugter Ausführung kann der Kreislauf des Wärmeträgermediums im zweiten externen Kältekreislauf, zwischen mehreren zu kühlenden Bauelementen z.B. einer Wintersport- und/oder Winterfreizeitanlage und/oder Anlage im Gesundheitswesen zumindest teilweise umschaltbar sein. Beispielsweise kann das Wärmeträgermedium durch wenigstens eine Kühlschlange einer Eisbahn und/oder einen Wärmetauscher einer Beschneiungsanlage oder einer Kühlschlange einer Kältekammer etc. zirkulieren.

Bei allen Ausführungen kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass in der ersten Betriebsart interne Verdampfer-Prozesstemperaturen in den jeweiligen Verdampfern von größer gleich Null Grad Celsius erzeugt werden und in der zweiten Betriebsart von kleiner als Null Grad Celsius, insbesondere -10°C erzeugt werden. So kann in der zweiten Betriebsart beispielsweise automatisch mittels einer Kühlschlange auf einer gekühlten Fläche eine Eisfläche durch ein Auskondensieren und Festfrieren von Luftfeuchtigkeit erzeugt werden, insbesondere wobei in der ersten Betriebsart ein Einfrieren der lüftungstechnischen Anlage verhindert wird.

Um unterschiedliche Temperaturen des jeweiligen Wärmeträgermediums im ersten und zweiten externen Kältekreislauf in der ersten und zweiten Betriebsart zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass der kältemaschineninterne Prozessdruck des Kältemittels im internen Kältekreislauf zwischen Kondensator und einem (der ggfs. mehreren) Verdampfer bei einer Umschaltung in die zweite Betriebsart änderbar, insbesondere erhöhbar ist, insbesondere um das Wärmeträgermedium im zweiten externen Kältekreislauf auf eine niedrigere Temperatur zu kühlen als die Temperatur des ersten externen Kältekreislaufs in der ersten Betriebsart.

Hierdurch kann gleichzeitig erreicht werden, dass in der zweiten Betriebsart die kondensatorseitige Abwärme ein höheres Wärmepotential erreicht als in der ersten Betriebsart und diese Abwärme bevorzugt in umschaltbarer Weise auf einen anderen Wärmeverbraucher, insbesondere als Gebäude-Heizwärme oder insbesondere nachrangig auf ein Rückkühlwerk aufschaltbar ist.

Die Kombination einer zusätzlichen Nutzung der Kältemaschine in Verbindung mit der Wärmepumpenfunktion wird besonders wirtschaftlich, da das Wärme- und Kälteprodukt der Kältemaschine gleichzeitig genutzt wird und ggfs. im Idealfall auf eine übliche Heizungsanlage verzichtet werden kann.

Die Außenluft kann als Wärmequelle für einen Kältemaschinenbetrieb mit gleichzeitiger Wärmepumpenfunktion eingesetzt werden. Der ansonsten problematische Kondensatausfall aus der Luft und die damit einhergehende Vereisung können positiv zur Eisbildung genutzt werden.

Eine erfindungsgemäße Kälteerzeugungsanlage kann so einen doppelten Nutzen haben, nämlich z.B. im Sommer für die Kühlung von Zuluft eines Gebäudes und z.B. im Winter die Kühlung z.B. einer Winterattraktion (Wintersport-/-freizeitanlage) oder einer Kälteanwendung im Gesundheitswesen und insbesondere gleichzeitig die Beheizung eines Gebäudes. Der doppelte Nutzen kann sich analog bei einer Umschaltung z.B. zwischen Tag- und Nachtbetrieb ergeben oder auch bei Umschaltungen zu anderen festgelegten Zeiten, insbesondere die der Nutzer einer solchen Anlage festlegen kann.

Zwei Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

Figur 1:

Eine Ausführung gemäß der ersten beschriebenen Alternative mit zwei Verdampfern und zwei externen getrennten Kreisläufen;

Figur 2:

Eine Ausführung gemäß der zweiten beschriebenen Alternative mit einem gemeinsamen Verdampfer und zwei externen verbundenen Teilkreisläufen.

Die Figur 1 zeigt in schematischer Übersicht eine Kälteerzeugungsanlage mit einem Kondensator 5 der unter Verwendung eines Kältemittels einen internen Kältekreislauf bildet mit einem ersten Verdampfer 7 oder nach Umschaltung mittels der Ventile 19 mit einem zweiten Verdampfer 9.

So kann in einer ersten Betriebsart mittels des ersten Verdampfers 7 über den nachgeschalteten externen Kältekreislauf K1 mit einem Wärmeträgermedium durch den Wärmetauscher 14 in der Lüftungsanlage 16 die Zuluft eines Gebäudes gekühlt werden.

Nach einer Umschaltung kann mittels des zweiten Verdampfers 9 ein zweiter externer Kältekreislauf K2 mit einem Wasser-/Sole-Glykol-Gemisch als Wärmeträgermedium gekühlt werden, welches in dieser Ausführung durch eine Kühlschlange 11 einer Eisfläche und/oder durch einen Wärmetauscher einer Beschneiungsanlage 12 zirkuliert, mittels der Luft gekühlt wird, um sodann versprühtes Wasser zu Schnee gefrieren zu lassen.

In dem zweiten Verdampfer 9 ist hier bevorzugt ein frostsicherer, z.B. solebetriebener Wärmeaustauscher eingebunden, wobei die Kälteprozesstemperatur des internen Kältemittels im Verdampfer 9 auf z.B. -10°C z.B. durch Prozessdruckänderung umschaltbar absenkbar ist, um damit eine Temperatur des Wärmeträgermediums von ca. -5°C zur Nutzung im Bereich von Eissport oder Fan-Attraktion zu ermöglichen. Die Prozessdrücke können z.B. an den Druckanzeigen 20 angezeigt werden.

Durch Abkühlung der Eissportflächen unter 0°C kann so aus der Luft Kondensat ausgefällt und direkt als Eis- und Reifschicht an der Oberfläche abgelagert werden. Im Einzelfall können auch wasserbesprühte Flächen abgekühlt werden. Eine weitere Nutzung der Kältepotentiale kann durch Auskühlung von Wasser und ggf. zur Schneeerzeugung genutzt werden,

Zweckmäßigerweise wird hier weiter vorgeschlagen, die interne Kältemaschinen / Wärmepumpen - Prozesstemperatur auch auf der Rückkühlseite im Kondensator 5 durch entsprechende, insbesondere höhere Prozessdrücke des internen Kältemittels in der Kälteerzeugungsanlage anzuheben, so dass Temperaturen (z.B. zwischen 40°C und 80°C) entstehen, welche für Heizzwecke nutzbar sind.

Hierfür wird die Abwärme des Kondensators 5 durch das Wärmeträgermedium des Rückkühlkreislaufs RK vorrangig zu einem Wärmetauscher 17 geführt, um die Abwärme wahlweise in einen Vorlauf 2 oder Rücklauf 3 einer Heizungsanlage mit einem Heizkessel 1 zu übertragen oder durch Umschaltung direkt zum Rückkühlwerk 4 (üblicherweise im Sommerbetrieb) zu transportieren. So kann die Abwärme im Winter zum Heizen des Gebäudes genutzt werden.

Die Figur 2 zeigt im Wesentlichen die gleiche Ausführung wie in Figur 1, insbesondere mit denselben Möglichkeiten zur Beeinflussung der Prozessdrücke und Temperaturen im internen Kältemittelkreislauf,

In dieser alternativen Ausführung ist jedoch nur ein einziger Verdampfer 7 vorgesehen und es erfolgt eine Umschaltung zwischen den beiden Betriebsweisen durch Umschaltung der beiden Teilkreisläufe TK1 und TK2 über die Ventile 19. Beide Teilkreisläufe TK1 und TK2 sind über den gemeinsamen Verdampfer 7 verbunden. Bei dieser Ausführung erfolgt die Umschaltung somit nur auf der externen Seite, wobei zusätzlich die Umschaltung der internen Prozessdrücke bzw, Temperaturen vorgesehen sein kann. Das gemeinsame Wärmeträgermedium ist hier frostsicher ausgewählt, um den Winterbetrieb mit geringeren Temperaturen zu garantieren ohne dass es einfriert. Die sonstige Betriebsweise kann die gleiche sein, wie zu Figur 1 beschrieben.

Die beschriebenen Funktionen gelten äquivalent auch für andere Kälteerzeugungsarten wie z.B. Turboverdichteranlagen, Absorptionskälteanlagen etc.