Wrmerckgewinnung im Kltekreislauf

Building Technologies

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Inhaltsverzeichnis1. Einleitung 1.1 Allgemeines 4

2. Wrmerckgewinnung

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3

Das Wrmeangebot des Verflssigers Die gasseitige Wrmerckgewinnung In Serie angeordnete Verflssiger Parallel geschaltete Verflssiger Kombinierte Schaltungen Die stetige Regelung von mehreren Verflssigern

5 5 6 6 7 7

3. Beispiele der Wrmerckgewinnung

3.1 3.1.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 3.5.1

Vorerwrmung der Aussenluft Regelung Nacherwrmung von entfeuchteter Zuluft Wrmerckgewinnung bei Trocknungsanlagen Lebensmittelgeschft mit integraler Wrmerckgewinnung Das WRG-System Regelung Niedertemperaturheizung durch Abwrmenutzung Funktionsweise

10 11 12 14 15 15 16 16 17

4. Zur Wirtschaftlichkeit

4.1

Grundstzliches

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1. Einleitung1.1 Allgemeines Wo gekhlt wird, fllt eine erhebliche Menge an Wrme an. Ungenutzt wird diese Energie zur blossen Abwrme. Building Automation hat stetige Ventile zur Regelung der direkten Abwrmenutzung entwickelt. Sie erlauben eine genaue, bedarfsabhngige Wrmerckgewinnung. Abwrmenutzung macht sich dort bezahlt, wo Wrme und Klte gleichzeitig gefragt sind oder wo Abwrme gespeichert werden kann: in Klimaanlagen zur Nacherwrmung entfeuchteter Luft in Metzgereien, Ksereien, Milchzentralen, Hotels usw., wo einerseits Khlrume betrieben werden und andererseits stndig ein grsserer Bedarf an warmem Brauchwasser vorhanden ist in Verkaufslden, wo bei der Khlung von Lebensmitteln gleichzeitig ein Heizbedarf, z.B. fr die Ladenstrasse, auftritt in Khllagern, zu Heizzwecken und zur Brauchwassererwrmung bei Verarbeitungsprozessen (z.B. Trocknungsverfahren)

Fig. 1-1 Stetige Magnetventile fr Halogen-Kltemittel Von links nach rechts: Saugdrossel-Regelventil (mit Handverstellung) Stetiges Regelventil fr Kondensatorregelungen Bypass-Verteilregelventil Elektronisches Einspritzventil fr Sicherheitskltemittel Pilotventil (auch fr Ammoniak)

Fig. 1-2 Die neue Ventilreihe MVL661stetige Magnetventile fr Halogen-Kltemittel Ein Ventiltyp fr drei Anwendungen: Stetiges Regelventil fr Kondensatorregelungen Bypass-Verteilregelventil Elektronisches Einspritzventil fr Sicherheitskltemittel

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2. Wrmerckgewinnung2.1 Das Wrmeangebot des Verflssigers Die im Verdampfer aufgenommene Wrme Qo und die Verdichterarbeit P in Form von Wrme muss im Verflssiger wieder abgegeben werden. Anstatt diese Wrmemenge Qc an die Umwelt abzugeben, kann durch geeignete Massnahmen dieser Wrmestrom aufgrund seiner Temperatur zu Heizzwecken sinnvolle Verwendung finden.

Fig. 2-1

Kltekreislauf im h, log p -Diagramm

Die Leistung des Verflssigers Qc ist hauptschlich abhngig von der . pro Zeiteinheit umgewlzten Kltemittelmenge m und der Enthalpiedifferenz h3 hl bei einem bestimmten Druck pc. Die Verflssigung des heissen Kltemittelgases erfolgt in mehreren Etappen. In einer ersten Phase (I) wird das heisse Druckgas (z.B. 90 C) aus dem Verdichter enthitzt. Der Anteil der Enthitzungswrme an der gesamten Verflssigerleistung betrgt 10 ... 20 %. Diese Wrme hat, verglichen mit der eigentlichen Verflssigungstemperatur, ein wesentlich hheres Niveau (bis 60 C). Sie eignet sich zur Rckgewinnung besonders dann, wenn die erforderliche Heizmitteltemperatur hher als die Verflssigertemperatur ist und die Enthitzungswrme den Heizbedarf allein zu decken vermag. In einer zweiten Phase (II) tritt schliesslich die eigentliche Verflssigung ein. Die Temperatur der rckgewinnbaren Wrme entspricht hier der Verflssigungstemperatur tc. Die letzte Phase (III) im Verflssiger bewirkt die Unterkhlung des nun bereits kondensierten Kltemittels. Dieser Bereich ist aufgrund der niedrigen Temperatur und des geringen Energieinhalts fr die Wrmerckgewinnung kaum relevant. Die Verflssigungstemperatur und der Verflssigungsdruck ndern sich mit wechselnden Umgebungsbedingungen, besonders bei luftgekhlten Verflssigern. Es ist deshalb empfehlenswert, den Verflssigerdruck auf einen minimalen Wert zu begrenzen. berdies ist prfenswert, ob sich eine Anhebung der Verflssigungstemperatur whrend der Heizperiode lohnt. 2.2 Die gasseitige Wrmerckgewinnung Die Nutzung der Verflssigerwrme kann auf mehrere Arten erfolgen. Besprochen werden hier die gasseitigen Wrmerckgewinnungsverfahren. Sie haben gegenber anderen Lsungen einige bedeutende Vorteile. So bietet die direkte Nutzung der Verflssigungswrme meist eine hhere Temperatur- und Wrmeausbeute als herkmmliche, indirekte Wrmeaustauschverfahren. Zudem erlaubt das Dreiwegventil fr gasseitige Regulierung verbraucherseitig eine Vereinfachung der hydraulischen Schaltung, insbesondere bei Nacherwrmung des Heizmittels ber die Verflssigungstemperatur hinaus (z.B. Elektroboiler Warmwasser-Heizungen).

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Dreiwegventile verhindern die bei hohen Rcklauftemperaturen zu befrchtenden Drcke im Verflssiger und steigern so die Betriebssicherheit bei geringerem Aufwand. Die gasseitige Wrmerckgewinnung erfolgt in Zusatzverflssigern. Sie knnen durch verschiedene Schaltungen mit dem Hauptverflssiger verbunden sein. Nachfolgend werden drei prinzipielle Anordnungen erlutert. 2.2.1 In Serie angeordnete Verflssiger Wird dem Hauptverflssiger ein Zusatzkondensator fr die Wrmerckgewinnung vorgeschaltet, spricht man von serie-geschalteten Verflssigern. Diese Anordnung wird besonders dann gewhlt, wenn der Zusatzverflssiger zur Aufbereitung von Warmwasser dient, dessen Temperatur hher als die Verflssigertemperatur ist. Erreicht wird dies durch die Ausnutzung der Enthitzungswrme. Die erreichbare Wassertemperatur hngt von der Grsse des Zusatzverflssigers und dem am nachgeschalteten Verflssiger herrschenden Druck ab: wenn der Zusatzverflssiger fr die Nacherwrmung der Luft in einer Klimaanlage mit Luftentfeuchtung verwendet wird wenn durch eine zustzliche Druckregelung der Wrmerckgewinnungskondensator im Unterschied zum Hauptverflssiger eine hhere Verflssigungstemperatur haben soll wenn eine bestehende, EIN-AUS geregelte Anlage mit einem stetig geregelten Nachwrmer als Zusatzverflssiger ausgerstet wird, um den Temperaturverlauf im Zuluftkanal stetig zu regeln. Bei Serieschaltungen summieren sich die Druckverluste in den Verflssigern und in Kltemittel-Leitungen. Der Druckverlust zwischen Verdichter und Kltemittelsammler darf daher nicht zu gross sein, weil sonst die Wirtschaftlichkeit der Anlage leidet. 2.2.2 Parallel geschaltete Verflssiger Ist der Zusatzverflssiger neben den Hauptverflssiger angeordnet und wird gleichzeitig mit demselben Gas gespeist, liegt eine Parallelschaltung der Verflssigung vor. Sie findet dort Anwendung, wo: beide Verflssiger einen relativ hohen Druckabfall aufweisen, sei es wegen langer Rohrleitungen, oder infolge hohen Druckabfalls im Verflssiger selbst mehrere Verflssiger zur Wrmerckgewinnung eingesetzt werden, z.B. fr eine Warmwasseraufbereitung, Lufterwrmung im Verkaufsladen und in der Metzgerei.

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Fig. 2-2 Klteanlage mit Heissgasverteilung (Parallelschaltung der Verflssiger) 1 Verdichter 4 Verdampfer 2 Hauptverflssiger 5 Heissgas-Verteilventil 3 Expansionsventil 6 Zusatzverflssiger

Bei Parallelschaltung verteilen sich Druckverluste auf die Verflssiger, analog parallelgeschalteten elektrischen Widerstnden. Solche Anlagen arbeiten daher besonders wirtschaftlich. Der Serie- und Parallelschaltung ist gemeinsam, dass der jeweils stillgelegte Verflssiger, unabhngig von seiner Speiseregelung, durch Kltemittel teilweise oder ganz geflutet wird. Dies geschieht, bis der in niedrigerer Umgebungstemperatur stehende Verflssiger soweit geflutet ist, dass zwischen den Verflssigern gleicher Druck herrscht. Beim Bau oder Umbau der Klteanlage muss dies unbedingt berkksichtigt werden. Es ist deshalb die zum Fluten des WRG-Verflssigers erforderliche Kltemittelmenge in einem entsprechend grsseren Kltemittelsammler bereitzuhalten. 2.2.3 Kombinierte Schaltungen Steht gengend Verflssigerleistung zentral zur Verfgung, so sind auch Kombinationen aus serie- und parallelgeschalteten Verflssigern denkbar. Sie finden vor allem dort Anwendung, wo mehrere, oft verschiedene Wrmeverbraucher die Verflssigerwrme nutzen. Die Anordnung des stetigen Ventils kann unabhngig von der Schaltung der Verflssiger auf zwei prinzipiell verschiedene Arten erfolgen: a) Heissgasseitige Verteilregelung oder b) Kondensatseitige Mischregelung Bei der Heissgasverteilung (Fig. 2-2) befindet sich das Regelventil im Heissgasstrom. Es verteilt den Gasstrom stetig, in Abhngigkeit des Wrmebedarfs am Zusatzverflssiger. Der Wrmebedarf am WRGZusatzverflssiger wird von der Regelung dort erfasst, wo er entsteht (Rume, Klimazentrale etc.) und in die Stellgrsse fr das Regelventil umgewandelt. Die Leistung der Verflssiger wird durch die bei der jeweiligen Ventilstellung durchstrmende Gasmenge bestimmt. Der Vorteil der Heissgasverteilung liegt regelungsseitig darin, dass diese Anordnung des Stellglieds eine rasche Reaktion auf Regelbefehle bewirkt. Heissgasverteilung empfiehlt sich deshalb dort, wo eine rasche und besonders genaue Regelung erforderlich ist. Prozessregelung einer Trocknungsanlage Regelung von luftseitigen Nachwrmern Genaue und rasche Temperaturregelung von Warmwasseraufbereitungsanlagen Das heissgasseitig eingebaute Ventil verursacht einen bleibenden Druckverlust pv in einer Druckleitung. Dies muss mit einer etwas grsseren Verdichterleistung ausgeglichen werden. Bei pv = 0,5 bar betrgt er etwa 1,7 %. Die stetigen Regelventile regeln heissgasseitig Leistungen bis 80 kW ( 2-Weg Ventile bis130 kW ).

2.3 Die stetige Regelung von mehreren Verflssigern

Heissgasseitige Verteilregelung

Beispiele:

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Kondensatseitige Mischregelung

Das kondensatseitige Regelventil mischt bei parallelgeschalteten Verflssigern die Kondensatstrme in Abhngigkeit des Wrmebedarfs.

Fig. 2-3 Klteanlage mit kondensatseitigem Regelventil (Parallelschaltung der Verflssiger) 1 Verdichter 4 Verdampfer 2 Hauptverflssiger 5 Zusatzverflssiger 3 Expansionsventil 6 Kondensatventil

Wird Wrme verlangt, ffnet das Dreiweg-Mischventil die Kondensatleitung des WRG- Verflssigers und schliesst gleichzeitig jene des Hauptverflssigers. Der WRG-Verflssiger wird von Kondensat entleert und seine Leistung steigt entsprechend der frei werdenden Wrmeaustauschflche.

Fig. 2-4 Klteanlage mit kondensatseitigem Regelventil (Serieschaltung der Verflssiger) 1 Verdichter 4 Verdampfer 2 Hauptverflssiger 5 Zusatzverflssiger 3 Expansionsventil 6 Kondensatventil

hnlich funktionieren die stetig geregelten Zusatzverflssiger, welche zum Hauptverflssiger in Serie geschaltet sind (Fig. 2-4). Hier wird Kondensat aus dem Zusatzverflssiger geregelt und das restliche Heissgas mit einer Umgehungsleitung direkt auf das Ventil gefhrt.

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Dies ist eine hufige Anwendung, besonders bei Klimaanlagen mit Entfeuchtung und Nacherwrmung. Mit beiden kondensatseitigen Regelverfahren (Fig. 2-3, Fig. 2-4) lassen sich genaue, stetige und bedarfsabhngige Wrmerckgewinnungsanlagen ausfhren. Die kondensatseitige Regelung ist gegenber der direkten Heissgasregelung etwas trger und eignet sich daher besonders fr Warmwasseraufbereitung und zu Heizzwecken. Sie schneidet in der Energiebilanz einer Kltemaschine als die etwas wirtschaftlichere Lsung ab, zumal keine abtrglichen Druckverluste (pv) die Leistungsziffer reduzieren, weil das Ventil zwischen Verflssiger und Expansionsventil eingebaut ist. Kondensatseitig regeln unsere Ventile Verflssigerleistungen bis 1000 kW.

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3. Beispiele der Wrmerckgewinnung3.1 Vorerwrmung der Aussenluft Die Klimaanlage eines Einkaufszentrums arbeitet mit den vier Grundfunktionen: Heizen, Khlen, Entfeuchten und Befeuchten. Bevor die kalte Aussenluft auf die Mischkammer gefhrt wird, wird sie auf einen bestimmten, bedarfsabhngigen Wert vorerwrmt. Fr die Speisung des Vorerwrmers werden statt l, Gas oder Elektrizitt die Verflssiger der Kltemaschine genutzt, welche die Khl- und Gefrierrume versorgen.

Fig. 3-1 WRG-Anlage zur Vorwrmung von Aussenluft 1 Regelventil 5 Zusatzverflssiger 2 Expansionsventil 6 Hauptverflssiger 3 Verdampfer 7 berstrmventil 4 Verdichter

Anlagedaten Standort Auslegung Winter Betriebszeit

Berlin -15 C werktags 7.00-19.00

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Klimaanlage Leistung Vorwrmer Lftungsgradstunden

37 kW 48 168 K.h/a bei 22 C Zulufttemperatur

Jahresnutzwrmebedarf Vorwrmer min. Luftvolumen min. Luftmasse Klteanlagen Ganzjhrige Betriebszeit Verdampferleistung Luftgekhlter Verflssiger Zusatzverflssiger Kltemittel

ca. 55000 kW/a 0,9 m3/s 4050 kg/h

2 x 27 kW 72 kW 37 kW R 22

Die Parallelschaltung der Verflssiger wurde wegen der Druckverluste in den Leitungen zwischen Kltemaschine und Klimaanlage gewhlt. Die erforderliche Wrmeleistung ergibt sich aus den rtlichen Lftungsgradstunden. Man versteht darunter das Produkt aus der Zahl der Betriebsstunden und dem Unterschied zwischen der Zuluft- und der jeweiligen mittleren Aussenlufttemperatur. Fr Berlin betrgt die Zahl der Lftungsgradstunden fr eine werktags von 7:00 bis 19:00 in Betrieb befindliche Anlage mit einer Zulufttemperatur von 22 C 48'168 K.h/a (Gradstunden pro Jahr). Bei einer stndlichen Luftmenge von 4050 kg/h ergibt sich ein Ganzjahres-Wrmebedarf von 55000 kWh/a. Die Klteanlage muss folgende Kriterien erfllen: Die Betriebszeit der Kltemaschine muss mit derjenigen des Wrmeverbrauchers zusammenfallen Der Khlbedarf ist annhernd stetig und wenig von der Aussentemperatur abhngig Die Heizleistung des Zusatzverflssigers deckt den erforderlichen Wrmebedarf Der Vorwrmer wirkt als Zusatzverflssiger parallel zum luftgekhlten Hauptverflssiger. Die Kondensatstrme werden durch ein DreiwegMischventil zusammengefhrt und weitergeleitet. Die Verflssiger werden somit auf der Kondensatseite stetig geregelt. Im WRG-Betrieb ffnet das Regelventil die Kondensatleitung des Zusatzverflssigers in Abhngigkeit des Fhlersignals im Aussenluftkanal oder einem Regelsignal, z.B. aus dem Raum. Gleichzeitig wird die Kondensatleitung des Hauptverflssigers geschlossen. Der geflutete Zusatzverflssiger entleert sich, seine Austauschflche wird frei fr Heissgas, das vom Verdichter nachstrmt. Andererseits wird der Hauptverflssiger mit Kondensat gefllt und dadurch unwirksam. 3.1.1 Regelung Der WRG-Verflssiger muss so geregelt werden, dass er einerseits den Nachwrmer der Zuluft entlastet, andererseits kein unntiges Inbetriebsetzen des Khlers bewirkt. Die Regelsequenzen der betreffenden Apparate mssen aufeinander abgestimmt sein. Die Vorerwrmung der Aussenluft muss stabil arbeiten, andernfalls beeinflusst sie das Verhalten der nachfolgenden Regelkreise negativ. Dies erfordert ein stetiges, genaues Regelventil.11

Ein berstrmventil zwischen dem Hauptverflssiger und dem Kltemittelsammler sorgt fr eine sichere Kltemittelzirkulation in jedem Lastfall. Ein solches Ventil ist vor allem bei grossen Verflssigern vorzusehen. Im Falle eines grossen Wrmebedarfs am WRG-Verflssiger schliesst das Regelventil die Flssigkeitsleitung des Hauptverflssigers. Dadurch strmen immer grssere Gasanteile in den WRGVerflssiger. Werden sie dort nicht vollstndig verflssigt, steigt der Druck und bertrgt sich auf den Hauptverflssiger. Wird in diesem der einstellbare ffnungsdruck des berstrmventils erreicht, fliesst Kltemittel aus dem Hauptverflssiger ab. Es bernimmt dann die Restkondensation. Je nher der ffnungsdruck dem maximal zulssigen Betriebsdruck liegt, desto hher wird die Wrmeausbeute auf Grund der hheren Verflssigungstemperatur. Ohne WRG arbeitet die Kltemaschine wieder auf dem ursprnglichen, tieferen Druckniveau. Damit lassen sich die Betriebskosten fr Khlung und Wrmeaufbereitung auf ideale Weise minimieren. 3.2 Nacherwrmung von entfeuchteter Zuluft Entfeuchtung von Luft ist immer mit Abkhlung verbunden, so dass zumeist eine Nacherwrmung erforderlich wird. Dafr kann die im Verflssiger anfallende Wrme genutzt werden. Nacherwrmungen unter Verwendung von Brennstoffen oder Elektrizitt sind demgegenber kostspielig.

Fig. 3-2 Vereinfachtes Prinzipschema fr die Nacherwrmung von entfeuchteter Zuluft 1 Verdichter 5 Expansionsventil 2 Zusatzverflssiger (Nachwrmer) 6 Verdampfer 3 WRG-Regelventil 7 Saugdrosselventil 4 Hauptverflssiger 8 Folgegeber

Fig. 3-2 zeigt eine Anlage mit Direktverdampfer und WRGZusatzverflssiger als Nachwrmer. Der Verdampfer (6) khlt die Luft ab. Der Zusatzverflssiger (2) bernimmt die Nacherwrmung der Luft nach dem Entfeuchten. Zusatzverflssiger und Hauptverflssiger sind in Serie geschaltet.

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Fig. 3-3

Entfeuchtungsprozess im h, x-Diagramm

Der Entfeuchtungsprozess spielt sich zwischen den Punkten A und C (siehe h, x-Diagramm, Fig. 3-3) ab: Luft von tAU = 18 C und = 75 %rF (Punkt A) wird auf tZU = 20 C und = 50 % rF (Punkt C) entfeuchtet und nacherwrmt. Solche Aussenluft-Verhltnisse herrschen in der gemssigten Zone hufig, z.B. an regnerischen Tagen in den bergangszeiten. Der Prozess fhrt ber den Punkt B. Dort hat die Luft den gewnschten Wassergehalt (x = 7,5 g/kg), aber nur eine Temperatur von 10 C. Sie muss also noch um 10 K erwrmt werden. Diese Funktion bernimmt der Zusatzverflssiger, in welchem ein Teil des Heissgases kondensiert. Das Dreiweg-Ventil regelt den Anteil, der durch den Zusatzverflssiger strmt. Es mischt das Kondensat mit Heissgas. Das restliche Gas kondensiert im Hauptverflssiger. Verlangt der Zusatzverflssiger keine Wrme, fliesst alles Heissgas ber den Hauptverflssiger, whrend sich der Zusatzverflssiger mit Kondensat anfllt und inaktiv wird. Die Saugdrossel (7) nach dem Verdampfer regelt die Klteleistung in Abhngigkeit der Reglersignale fr Temperatur oder Entfeuchtung. Wird durch die Entfeuchtung die Minimalbegrenzung der Zulufttemperatur unterschritten, ffnet das WRG-Regelventil (3) die Kondensatabflussleitung und setzt den Nachwrmer bedarfsabhngig in Betrieb. Ein Folgegeber (8) fr die Sommer- und Winterkompensation beeinflusst den Sollwert der geregelten Temperatur.

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3.3 Wrmerckgewinnung bei Trocknungsanlagen

Als Beispiel sei eine Getreidetrocknungsanlage (Fig. 3-4) gewhlt. Der Luftkhler (1) wird durch einen indirekten Kltekreis gespeist. Seine Aufgabe liegt primr in der Entfeuchtung der Luft. Anschliessend wird die entfeuchtete Luft auf eine bestimmte, dem Getreide zutrgliche Temperatur erwrmt. Dies geschieht durch den Nachwrmer (2) unter Ausnutzung der Abwrme von der Kltemaschine. ber einen Zwischenkreislauf wird die Wrme vom Zusatzverflssiger (3) zum Nachwrmer gefhrt. Der Zusatzverflssiger ist mit dem Hauptverflssiger (4) in Serie geschaltet und heissgasseitig geregelt. Die Nebenschlussleitung (5) des Zusatzverflssigers ist druckgeregelt und dient bei geschlossenem Regelventil als berstrmleitung. Die Nutzung der Abwrme ist deshalb sinnvoll, weil die im Zusatzverflssiger zur Verfgung stehende Wrme zeitlich, temperatur- und mengenmssig mit dem Wrmebedarf zusammenfllt.

Fig. 3-4 Getreidetrocknungsanlage (vereinfachtes Prinzipschema) 1 Luftkhler 6 Verdichter 2 Nachwrmer 7 Verdampfer 3 Zusatzverflssiger 8 P-Regler 4 Hauptverflssiger 9 PID-Regler 5 Nebenschlussleitung

Weil Getreide bei ungnstigen Klima-Bedingungen rasch verdirbt, muss die Temperatur- und Feuchteregelung sehr exakt arbeiten. Insbesondere ist das berheizen der Zuluft durch regelseitiges berschwingen zu vermeiden. Bei dieser Anlage bewirken die drei Verdichter, die je nach Kltebedarf zu- und weggeschaltet werden, starke Lastschwankungen im Zusatzverflssiger und damit im Nachwrmer. Die Kaskadenregelung (8,9) dmpft diese Schwankungen und hlt die Zulufttemperatur nach dem Erwrmer konstant. Der Hauptregler (F) misst durch den Fhler die Lufttemperatur nach dem Heizregister. Er bildet aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert das Eingangssignal fr den Hilfsregler (PID). Erst der Hilfsregler wirkt auf das Regelventil und zwar in Abhngigkeit der Differenz aus dem gemessenen Wert im wasserseitigen Vorlauf und seinem jeweils vom Hauptregler vorgegebenen Sollwert. Da das Regelventil heissgasseitig eingebaut ist, wirkt der Hilfsregelkreis entsprechend rasch.

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3.4 Lebensmittelgeschft mit integraler Wrmerckgewinnung

In einem grsseren Lebensmittelgeschft stehen sich gleichzeitig ganz verschiedene Wrmequellen und Wrmeverluste gegenber. In der Metzgerei sind die Schauregale gekhlt und stehen unter relativ hoher Feuchte, whrend der Verkaufsraum meist gleichzeitig beheizt werden muss. Dasselbe gilt fr Verkaufsflchen, wo gekhlte und tiefgekhlte Waren angeboten werden. Im Lager, wie in den Verkaufsrumen ndern ussere Last (Transmission, Lftungsverluste etc.) und innere Lasten (Personen, Beleuchtung etc.) ber den Zeitraum erheblich. Zudem fllt stndig ein betrchtlicher Verbrauch an Warmwasser an. Im Laden, in der Metzgerei und im Lager deckt die Lftung die Hauptheizlast. Die Erfahrung zeigt, dass WRG-Anlagen dieser Art bis zu 90 % der gesamten Heizlast bernehmen knnen.

Fig. 3-5 Integrale WRG-Anlage: grosses Lebensmittelgeschft (vereinfachtes Prinzipschema) 1 Verdichter 6 Hauptverflssiger 2 Speicher 7 Verdampfer 3-5 Zusatzverflssiger 8 WRG-Regelventil

3.4.1 Das WRG-System

Die Kltemaschine betreibt Khlinseln und -vitrinen. Sie ist ununterbrochen im Betrieb. Es fllt damit stndig Wrme an. Dem luftgekhlten Hauptverflssiger sind die unter sich parallel geschalteten und heissgasseitig geregelten Zusatzverflssiger als Lufterhitzer vorgeschaltet. Sie sind individuell durch stetige Dreiweg-Ventile regelbar. Das jeweils berschssige Gas wird ber eine Sammelleitung dem Hauptverflssiger zugefhrt. Um die Enthitzung des Heissgases auszuntzen, ist in Serie ein Brauchwasserwrmetauscher vorgeschaltet. Ist das Regelventil fr die Warmwasseraufbereitung geschlossen, strmt das Heissgas ber die Nebenschlussleitung direkt zu den WRG-Verflssigern. Wird an keinem Verbraucher Wrme entzogen, strmt das Gas durch die Verteilregelventile und die Sammelleitung zum Hauptverflssiger. Kondensatdruckregler sorgen fr einen minimalen Kondensationsdruck und eine minimale Kondensationstemperatur. Sie vermeiden zudem gegenseitige Beeinflussung des Kondensatflusses. Die Bypass-Leitung zwischen Verdichter und Sammler sorgt beim Startvorgang fr den minimal erforderlichen Druck im Kltemittelbehlter.

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3.4.2 Regelung

Da jeder Verbraucher einen wechselnden Bedarf an Wrme hat, bernehmen individuelle Regelkreise fr jede WRG-Einheit die Abstimmung des Angebots an Wrme auf diesen Bedarf. Diese Lsung hat den Vorteil, dass die Wrmeverbraucher im Zusammenspiel mit der Kltemaschine komfortgerecht und wirtschaftlich betrieben werden knnen. In der nachfolgend beschriebenen Khlanlage wird das durch den Khlprozess erhitzte Kltemittel fr die Aufbereitung von Warmwasser und die Speisung der Niedertemperaturheizung genutzt. Es handelt sich um eine Metzgerei mit Laden und einer darberliegenden Wohnung.

3.5 Niedertemperaturheizung durch Abwrmenutzung

Fig. 3-6 WRG fr die Niedertemperaturheizung 1 Verdichter 6 Hauptverflssiger 2 Wrmeaustauscher 7 Zusatzverflssiger 3 Umgehungsleitung 8 Regelventil 4 Mischventil 9 berstrmventil 5 Temperaturregler 10 Heizungsregler

Daten der Anlage Klteanlage 2 Verdichter Leistungsaufnahme Klteleistung Verflssigerleistung Heizung Niedertemperaturheizung bei tA = 11 C Heizleistung des Zusatzverflssigers tc = 47 C Jhrliche VollbetriebsStunden mit tA = 5 C Warmwasseraufbereitung Bedarf 2700 l/Tag Heizleistung des Zusatzverflssigers Wrmebedarf pro Arbeitstag Jahresenergiebedarf fr die WW-Aufbereitung

4,4 kW 8,8 kW 17,6 kW 26,4 kW

tVL = 55 C tRL = 45 C 16,0 kW 1630 h/a

+60 C 10 kW 125 kWh 30 025 kWh/a

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3.5.1 Funktionsweise

Das von den Verdichtern gefrderte Heissgas strmt bei Bedarf direkt in einen speziellen Austauscher fr die Warmwasseraufbereitung. Die erreichbare Brauchwassertemperatur kann bis zu 60 C betragen, je nach Kapazitt des Zusatzverflssigers, Grad der Enthitzung und Kondensation und Kondensationsdruck. Wird Brauchwasser mit Temperaturen hher als die Verflssigungstemperatur bentigt, z.B. fr Reinigungszwecke, Abwaschwasser etc. wird in einem Zusatzspeicher das Wasser nacherwrmt. Die vom Austauscher abgegebene Wrmemenge wird vom Mischventil (4) geregelt, das hier als Kondensatrckstau-Ventil eingesetzt ist. Bei Teillast oder hoher Rcklauftemperatur im Brauchwasser-Kreislauf strmt Heissgas direkt ber die Umgehungsleitung (3) und das Mischventil zum Haupt- und Zusatzverflssiger. Es kann damit auch bei hohen brauchwasserseitigen Rcklauftemperaturen keine hochdruckseitige Strung an der Kltemaschine auftreten. Das Kltemittel strmt weiter zum Hauptverflssiger (6) und zum Zusatzverflssiger (7), proportional der Stellung des Mischventils (8). Dieses wird durch den Regler (10) bettigt, welcher die Vorlauftemperatur der Heizung in Abhngigkeit der Aussentemperatur regelt. Der Regeleingriff erfolgt also durch Kondensatstau. Wird kein Heizbedarf festgestellt, ist das Mischventil fr den Heizverflssiger geschlossen. Das Kltemittel kondensiert und flutet den Zusatzverflssiger vollstndig. Das Kondensat nimmt die Temperatur des Heizmittels an. Gleichzeitig wird das heisse Restgas aus der Sammelleitung in den luftgekhlten Hauptverflssiger geleitet. Hier wird die Wrme an die Umwelt abgegeben.

Fig. 3-7

Heizkurve und Heizleistung

Sobald sich ein Heizbedarf einstellt, reduziert das Mischventil den Kltemittelfluss vom Hauptverflssiger. Dieser wird geflutet und seine Leistung stetig reduziert. Andererseits ffnet das Ventil den Abfluss des Heizverflssigers. Der geflutete Heizverflssiger wird entsprechend dem Heizbedarf leergepresst.

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Das berstrmventil (9) regelt den Verflssigungsdruck. Im Beispiel wurde die Auslegungstemperatur fr die Heizung mit tA -11 C angenommen. Die Heizkrper wurden so bemessen, dass die Vor- und Rcklauftemperatur dann +55 C bzw. 45 C betrgt, (Fig. 3-7). Bei einer Verflssigungstemperatur von tc = 47 C wrde die Abwrme der Kltemaschine den Heizbedarf Qc bis ca. tA = -6 C decken. Fr Aussentemperaturen < -6 C wre fr die gewhlten Daten eine bescheidene Zusatzheizung mit der Leistung ZL = 17,5 % von Qc vorzusehen.

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4. Zur Wirtschaftlichkeit4.1 Grundstzliches Grundstzlich wird Wrmerckgewinnung um so wirtschaftlicher, je hher die tgliche Betriebszeit einer WRG-Anlage ist. Ob es sich lohnt, einen Nachwrmer fr die Aufbereitung entfeuchteter Luft vorzusehen, hngt nicht nur von den Energiepreisen der jeweiligen alternativen Energietrger ab, sondern: Die Betriebszeit der l- oder Gasheizung, insbesondere deren hohe Stillstandsverluste im Sommer sind ebenfalls zu bercksichtigen Die Anlagegrsse spielt eine entscheidende Rolle: Bei ungefhr gleichen WRG-Investitionskosten steigen die Einsparungen mit zunehmender Anlagegrsse erheblich.

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QuellennachweisQuellenangabe Der Inhalt der Broschre ist ein Auszug aus dem Trainingsmodul BO8RF-Kltetechnik, erstellt bei Siemens Building Technologies Building Automation Sales and Application Training Gubelstrasse 22 CH-6301 Zug

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Titel Das h, x-Diagramm The psychrometric chart Gebudeautomation Begriffe, Abkrzungen und Definitionen Building automation Messtechnik Measuring technology Regeln und Steuern von Heizungsanlagen Control of heating plants Regeln und Steuern von Lftungs-/Klimaanlagen Control of ventilation and air conditioning plants Regeltechnik Control technology Kltetechnik Refrigeration technology Wrmerckgewinnung im Kltekreislauf Heat recovery in the refrigeration Einfhrung in die HLK- und Gebudetechnik Introduction to building technology Hydraulik in der Gebudetechnik Hydraulics in building systems Stetige Leistungsregelung im Kltekreislauf Modulating capacity control in the refrigeration cycle

Siemens Schweiz AG Building Technologies Group International Headquarters Gubelstrae 22 CH-6301 Zug Tel. +41 41 724 24 24 Fax +41 41 724 35 22 Siemens Building Technologies GmbH & Co. oHG Friesstrae 20 DE-60388 Frankfurt/Main Tel. +49 69 797 81 00 0 Fax +49 69 797 81 59 0 Siemens Schweiz AG Building Technologies Sennweidstrae 47 CH-6312 Steinhausen Tel. +41 585 579 200 Fax +41 585 579 230 Siemens AG sterreich Building Technologies Breitenfurter Strae 148 AT-1231 Wien Tel. +43 517 073 2383 Fax +43 517 073 2323 Siemens SA Building Technologies 20, rue des Peupliers LU-2328 Luxembourg/Hamm Tl. +352 43 843 900 Fax +352 43 843 901

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