DE10010022A1 - Sorptionsgestützte Klimatisierung - Google Patents

Abstract

Es wird ein neues Klimatisierungsverfahren sowie eine neue Klimaanlage vorgeschlagen, worin ein getrockneter sowie vorgekühlter Außenluftstrom (Au) in zwei Teilluftströme (Zu) und (By) zerlegt wird, wovon der erste Teilluftstrom (Zu) dem zu klimatisierenden Bereich zugeführt wird. Aus dem zu klimatisierenden Bereich wird ein Abluftstrom (Ab) abgeführt, welcher mit dem zweiten Teilluftstrom (By) vereinigt wird, so daß ein Fortluftstrom (Fo) resultiert. Der Fortluftstrom (Fo) wird in einem indirekten Verdunstungskühler (V1) befeuchtet, wodurch eine Kühlung eines ersten flüssigen Kühlmediums (M1) bewirkt wird, welches über einen Wärmetauscher (W2) den zu klimatisierenden Bereich zusätzlich kühlt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimatisierungs­ verfahren sowie eine Klimaanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Klimatisierung von Gebäuden spielen wärmege­ triebene Kühlprozesse eine immer stärkere Rolle. Dies gilt vor allem für südliche Klimazonen mit relativ hohem In­ dustralisierungsgrad, da dort durch den hohen Klimatisie­ rungsbedarf im Sommer zur Mittagszeit sehr hohe Strom­ spitzen erzeugt werden. Dies gilt insbesondere für U.S.A., Japan, Korea und Länder im Mittelmeerraum.

Standardmäßig werden hierfür Absorptionskältemaschinen mit Arbeitsstoffen wie z. B. LiBr/Wasser eingesetzt. Diese sind als sogenannte "Single-Effect"- und "Double-Effect"- Maschinen erhältlich. Das Wärmeverhältnis von eingesetzter Antriebswärme zu erzeugter Nutzkälte d. h. der COP beträgt ca. 0,7 bis 0,75 für Single-Effect-Anlagen und 1,2 bis 1,25 für Double-Effect-Anlagen. Es werden auch seit geraumer Zeit "Triple-Effect"-Maschinen entwickelt, die jedoch noch nicht über das Versuchsstadium hinausgelangt sind.

Anlagen zur Entfeuchtung und Kühlung, d. h. zum Klimati­ sieren von Luft mit offenen Sorptionskreisläufen, soge­ nannte DCS (Desiccant Cooling Systems) sind in verschiede­ nen Ausführungen bekannt. Obwohl die grundlegenden Prozesse schon seit langem bekannt sind, z. B. der Pennington-Prozeß aus dem US-Patent 2,700,537 aus 1955, verfügen nach diesem Prinzip arbeitende Klimaanlagen über vernachlässigbare Marktanteile.

Das aus dem US-Patent 2,700,537 bekannte Pennington- DCS, welches einen sogenannten Ventilation Cycle verwendet, ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die warme und feuch­ te Außenluft wird zunächst in einem Sorptionsrad 1 mit ak­ tiviertem Sorptionsmittel in Kontakt gebracht und dadurch entfeuchtet, wobei sie sich erwärmt. Die entfeuchtete und erwärmte Luft wird dann in einem Wärmetauscher 2, z. B. in Form eines Regenerationsrades, abgekühlt. Die abgekühlte und trockene Luft wird dann in einem Verdunstungskühler 3 weiter abgekühlt und befeuchtet. Die so klimatisierte Luft wird dem zu klimatisierenden Raum 4 als Zuluft zugeführt. Die Abluft aus dem klimatisierten Raum 4 wird in einem zweiten Verdunstungskühler 5 befeuchtet und abgekühlt. Die feuchte und abgekühlte Luft aus dem zweiten Verdunstungs­ kühler 5 wird in dem Wärmetauscher 2 im Gegenstrom zur Küh­ lung der in den Raum 4 strömenden Luft genutzt. Die aus dem Wärmetauscher 2 ausströmende erwärmte Luft wird mittels einer externen Wärmequelle 6 weiter erwärmt und durchströmt dann das Sorptionsrad 1 und aktiviert dort wieder das Sorp­ tionsmittel, bevor sie gekühlt und befeuchtet in die At­ mosphäre entlassen wird.

Es sind auch Varianten dieses Systems bekannt, in de­ nen das Sorptionsrad 1 als zwei diskrete Einheiten, nämlich als Sorptionsentfeuchter und Regenerator, und der Ver­ dunstungskühler 5 zusammen mit dem abluftseitigen Teil des Wärmetauschers 2 als ein indirekter Verdunstungskühler aus­ geführt sind. Anstelle des Ventilation Cycle kann auch ein sogenannter Recycling Cycle realisiert werden, bei welchem ein überwiegender Teil der Abluft zur zugeführten Außenluft zurückgeführt wird. Mit solchen Anlagen kann bei geeigneter Wärme- bzw. Kälterückgewinnung ein COP von beispielsweise 1,0 erreicht werden.

Sorptionsgestützte Klimaanlagen eignen sich besonders zur Abfuhr latenter Kühllasten. Aufgrund der geringen Wär­ mekapazität der Luft sind sie zur Abfuhr sensibler Kühl­ lasten nur eingeschränkt geeignet, d. h. die Abfuhr großer sensibler Kühllasten erfordert die Zu- und Abfuhr bzw. Um­ wälzung großer Luftmengen und/oder die übermäßige Herabset­ zung der Zulufttemperatur. Dies erfordert einen erhöhten Aufwand für die luftführenden Leitungen, die zur Kältever­ teilung im Gebäude benötigte elektrische Energie und/oder die Isolierung dieser Leitungen.

Kühllasten können aus Gebäuden nicht nur mit Hilfe kal­ ter Luft, sondern auch mit flüssigen Kühlmedien abgeführt werden. In zunehmendem Maße werden wasserführende Systeme eingesetzt. So wird es möglich, den Räumen nur die aus hygienischen Gründen erforderliche Luftmenge gekühlt zuzu­ führen. Die aus den Räumen abzuführenden Kühllasten, insbe­ sondere die sensiblen Kühllasten, werden von Systemen auf­ genommen, die durch das flüssige Kühlmedium gekühlt werden (wie Konvektoren, Kühldecken oder Bauteilkühlungen).

Systeme, die mit sorptionsgestützter Kühlung arbeiten (Desiccant Cooling Systems), können zwar thermisch ange­ trieben werden und erlauben durch Nutzung von z. B. Abwärme, Kraft-Wärme-Kopplung oder Sonnenenergie, die Verwendung fossiler Energie einzusparen. Die aufgezählten Systeme er­ zeugen aber nur kühle Luft und können damit den Trend zu kühlmediumführenden Systemen, insbesondere zu wasserführen­ den Systemen, nicht unterstützen.

Es ist auch bekannt, Desiccant Cooling Systems (DCS) mit Kompressionskältemaschinen (KKM) zu kombinieren, d. h. die im Kondensator der KKM frei werdende Wärme als Wärme­ quelle für das DCS zu nutzen.

Derartige Systeme sind aus den US-Patenten 2 186 844, 4 887 438, 5 325 676, 5 448 895 und 5 517 828 bekannt. Bei diesen aus den genannten US-Patentschriften bekannten Systemen wird die Entfeuchtung nur bis zur gewünschten Luftfeuchtigkeit vollzogen und Kühlung der zu klimatisie­ renden Luft durch die KKM nachfolgend getrennt durchge­ führt. Dieses Konzept der Trennung von Entfeuchtung und Kühlung läßt sich entsprechend auch durch Einsatz der oben­ genannten Flächenkühlung anstelle der Luftkühlung verwirk­ lichen, wodurch die Frischluftzufuhr auf das durch hygieni­ sche Anforderungen bestimmte Maß reduziert werden kann, wo­ durch der oben angestrebte Vorteil derartiger Systeme er­ reicht werden kann. Ein Nachteil dieser Systeme ist jedoch im zusätzlichen Aufwand für die KKM zu sehen, die aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchung zudem störanfälliger als ein reines sorptionsgestütztes System ist.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die im Kon­ densator einer Absorptionskältemaschine frei werdende Ab­ wärme zum Antrieb des DCS zu nutzen (siehe DE-A-196 37 156 und den darin zitierten einschlägigen Stand der Technik). Auch hier ist ein Nachteil im zusätzlichen Aufwand für die Absorptionskältemaschine zu sehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Be­ reitstellung eines Klimatisierungsverfahrens sowie einer Klimaanlage, welche die oben beschriebenen Nachteile im we­ sentlichen nicht aufweisen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher insbesondere darin, ein sorptionsgestütztes Kühlsystem so auszugestalten, daß ohne die Verwendung zusätzlicher Kälte­ maschinen ein gekühltes flüssiges Medium bereitgestellt werden kann, mit welchem zusätzlich sensible Kühllasten aus dem Gebäude abgeführt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In seiner Gesamtkonzeption ähnelt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Klimaanlage dem Venti­ lation Cycle des Standes der Technik. Allerdings bewirkt die Abzweigung eines (vorzugsweise überwiegenden) Teilluft­ stroms (By) vom getrockneten und vorgekühlten Außenluft­ strom (Au) und dessen Mischen mit dem Abluftstrom (Ab) eine erhebliche Wirkungssteigerung des indirekten Verdunstungs­ kühlers (V1). Hierdurch wird es möglich, dem ersten flüssi­ gen Kühlmedium (M1) eine größere Wärmemenge als im Stand der Technik zu entziehen, so daß über einen zweiten Wärme­ austauscher (W2) sensible Kühllasten aus dem zu kühlenden Bereich abgeführt werden können. Dies bewirkt eine Reihe von Vorteilen:

Lediglich die aus hygienischen Gründen notwendige Luft­ menge muß den klimatisierten Räumen zugeführt werden, so daß die Luftleitungen innerhalb des Gebäudes relativ klein ausgelegt werden können. Dieser Luftstrom bewirkt die Ent­ feuchtung des Gebäudes. Die sensible Kühllast, welche den Hauptteil der Gesamtkühllast darstellen kann, wird mittels dezentraler Kühleinheiten über eine Kühlmittelleitung, vor­ zugsweise eine Wasserleitung, mit im Vergleich zu den Luft­ leitungen erheblich geringerem Durchmesser und deutlich niedrigeren Kosten aus dem Gebäude abgeführt und verbraucht weniger elektrische Hilfsenergie.

Die Temperatur der den klimatisierten Räumen zugeführ­ ten Luft liegt näher bei Raumtemperatur, so daß sie an be­ liebiger Stelle zugeführt werden kann, ohne daß spezielle Maßnahmen getroffen werden müssen, wie z. B. zusätzliche Luftzirkulationsströme, welche bei Systemen des Standes der Technik erforderlich waren.

Im Luftzufuhrstrom befindet sich kein direkter Verdun­ stungskühler, welcher bei schlechter Wartung zu hygenischen Problemen führen könnte.

Die gesamte benötigte Kühlleistung kann bei einem hohen COP-Wert von deutlich über 1,0 bereitgestellt werden.

Das Verhältnis der Kühlkapazität, welche über das Kühlmedium bereitgestellt wird, zur Kühlkapazität, welche über den gekühlten Zuluftstrom bereitgestellt wird, kann leicht an unterschiedlichen Anforderungen angepaßt werden. Somit eignet sich die erfindungsgemäße sorptionsgestützte Klimatisierung für die meisten Klimatisierungsanwendungen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung anhand der Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine DSC nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein grundlegendes Diagramm einer erfindungs­ gemäßen Klimaanlage,

Fig. 3 ein Diagramm wie in Fig. 2, wobei zusätzlich der Sorptionsentfeuchter und ein weiterer indirekter Ver­ dunstungskühler dargestellt sind,

Fig. 4 ein Diagramm wie in Fig. 3 mit zusätzlicher vorgeschalteter Vorkühlung,

Fig. 5 ein Diagramm wie in Fig. 3, mit verstärkter Rückkühlung für hohe Außenfeuchten,

Fig. 6 ein Diagramm wie in Fig. 3, mit reduzierter Zuluftentfeuchtung für große Kühllasten im Gebäude. Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungformen der Erfindung genauer beschrieben.

Der mittels Sorptionsentfeuchtung getrocknete sowie vorgekühlte Außenluftstrom (Au) wird gemäß Fig. 2 durch einen ersten Wärmeaustauscher (W1) geleitet und in zwei Teilluftströme zerlegt. Der erste Teilluftstrom, der Zu­ luftstrom (Zu) wird dem zu klimatisierenden Bereich, z. B. ein Gebäude oder ein Teil eines Gebäudes, zugeführt. Mit diesem Zuluftstrom (Zu) werden aus dem zu klimatisierenden Bereich Kühllasten, insbesondere latente Kühllasten, abge­ führt. Dieser Luftstrom wird - nach Aufnahme der besagten Kühllasten - als Abluftstrom (Ab) abgeführt. Der zweite, aus dem Außenluftstrom (Au) resultierende Teilluftstrom (By) ("Bypass"), wird mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt. Der daraus resultierende gemeinsame Strom, der Fortluft­ strom (Fo) durchströmt den indirekten Verdunstungskühler (V1). In diesem Verdunstungskühler wird eine Verdunstung des Kühlwassers bewirkt. Gleichzeitig wird der Fortluft­ strom (Fo) befeuchtet und durch die Verdunstungskälte abge­ kühlt. Somit wird eine Abkühlung des ersten flüssigen Kühl­ mediums (M1), welches sich im geschlossenen Kreislauf be­ findet, bewirkt. Dieses Medium (M1) durchströmt zunächst den zweiten Wärmetauscher (W2), der sich in dem zu klimati­ sierenden Bereich befindet. Dieser Wärmetauscher (W2) kann in Form von Kühldecken, Konvektoren oder Bauteilkühlung realisiert sein. Auch Ventilator/Kühlschlangen-Systeme kommen in Frage. Dieser zweite Wärmetauscher (W2) führt aus dem zu klimatisierenden Bereich sensible Kühllasten ab. Das erste flüssige Kühlmedium (M1) wird anschließend zum ersten Wärmetauscher (W1) geführt, in welchem es die bereits be­ schriebene Kühlung des Außenluftstroms (Au) bewirkt, und wird anschließend zum indirekten Verdunstungskühler (V1) im geschlossenen Kreislauf zurückgeführt.

In Fig. 3 wird die mittels Sorptionsentfeuchtung be­ wirkte Trocknung sowie die Vorkühlung des Außenluftstroms (Au) im Sorptionsentfeuchter (A) dargestellt. Der Außen­ luftstrom (Au) durchströmt den Sorptionsentfeuchter (A), in welchem er in direktem Kontakt Feuchtigkeit an eine konzen­ trierte wässrige hygroskopische Lösung abgibt. Bei dieser Lösung kann es sich beispielsweise um eine wässrige Lösung von LiCl, LiBr, LiI, Calciumchlorid, Calciumnitrat, Calci­ umchlorid/Calciumnitrat-Mischungen oder Triethylenglykol handeln. Die durch die Sorptionsentfeuchtung verdünnte wässrige hygroskopische Lösung kann anschließend einer hier nicht dargestellten Regenerationseinheit zugeführt werden, in welcher ihre ursprüngliche Konzentration durch eine mittels thermischer Energie bewirkten Aufkonzentrierung wiederhergestellt wird. Diese thermische Energie kann bei­ spielsweise aus Solaranlagen, wie z. B. Solarkollektoren, oder auch aus Abwärme oder Kraft-Wärme-Kopplung etc. stammen. Die so aufkonzentrierte wässrige hygroskopische Lösung kann anschließend erneut dem Sorptionsentfeuchter (A) zugeführt werden. Die in in diesem Sorptionsentfeuchter (A) bewirkte Kondensation von Luftfeuchtigkeit bewirkt eine Freisetzung von Wärme. Um ein Ansteigen der Temperatur des Außenluftstroms (Au) zu vermeiden, wird dieser Sorpti­ onsentfeuchter (A) mittels eines zweiten flüssigen Kühlme­ diums (M2) gekühlt. Dieses wird zu diesem Zweck im ge­ schlossenen Kreislauf durch den indirekten Verdunstungsküh­ ler (V2) geführt, in welchem der Fortluftstrom (Fo) durch Kühlwasser befeuchtet und somit weiter abgekühlt wird; diese Abkühlung bewirkt somit die notwendig Kühlung des im geschlossenen Kreislauf geführten zweiten flüssigen Kühlme­ diums (M2).

Eine Variante der vorstehend beschriebenen Klimaanlage für Klimate mit hohen Außentemperaturen ist in Fig. 4 dar­ gestellt. Hier wird der Außenluftstrom (Au) zunächst in einem zusätzlichen Wärmetauscher (W3) unter Verwendung des zweiten flüssigen Kühlmediums (M2) gekühlt, bevor er im Sorptionsentfeuchter (A) entfeuchtet wird. Mit Klimaanlagen dieser Bauart können COP-Werte von typischerweise ca. 1,3 erreicht werden.

Fig. 5 beschreibt eine Variante der oben beschriebenen Klimaanlage, welches sich besonders für feuchte Klimate eignet. In dieser Variante wird eine verstärkte Rückkühlung im indirekten Verdunstungskühler (V2) dadurch realisiert, daß der Fortluftstrom (Fo) durch einen weiteren Außenluft­ strom (Au2) verstärkt wird und somit eine verstärkte Küh­ lung des zweiten flüssigen Kühlmediums (M2) bewirkt.

Gerade dann, wenn große Kühllasten aus dem Gebäude ab­ geführt werden sollen, kann es vorkommen, daß der getrock­ nete und gekühlte Zuluftstrom (Zu) eine zu geringe, für eine Komfortkühlung nicht mehr akzeptable Luftfeuchtigkeit aufweist. In diesem Falle kann, wie in Fig. 6 dargestellt, eine reduzierte Zuluftentfeuchtung dadurch erreicht werden, daß dem getrockneten und gekühlten Zuluftstrom (Zu) ein weiterer nicht getrockneter Zuluftstrom (Zu2) beigemischt wird, welcher im zusätzlichen Wärmetauscher (W4), welcher mit dem ersten flüssigen Kühlmedium (M1) betrieben wird, gekühlt wird.

Claims (10)

1. Klimatisierungsverfahren, welches die Schritte umfaßt,
daß in einem ersten Wärmetauscher (W1) ein mittels Sorptionsentfeuchtung getrockneter sowie vorgekühlter Außenluftstrom (Au) mit einem ersten flüssigen Kühl­ medium (M1) gekühlt wird,
daß der Außenluftstrom (Au) stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) in zwei Teilluftströme (Zu) und (By) zerlegt wird,
daß der erste Teilluftstrom (Zu) dem zu klimatisieren­ den Bereich zugeführt wird,
daß aus dem zu klimatisierenden Bereich ein Abluftstrom (Ab) abgeführt wird,
daß der zweite Teilluftstrom (By) mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt wird, so daß ein Fortluftstrom (Fo) re­ sultiert,
daß der Fortluftstrom (Fo) in einem indirekten Ver­ dunstungskühler (V1) befeuchtet wird und so eine Küh­ lung des ersten flüssigen Kühlmediums (M1) bewirkt, und
daß das gekühlte erste flüssige Kühlmedium (M1) über einen zweiten Wärmetauscher (W2) zusätzlich den zu kli­ matisierenden Bereich kühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung und Vorkühlung des Außenluftstroms (Au) in einem stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) angeordneten Sorptionsentfeuchter (A) erfolgt, der durch ein zweites flüssiges Kühlmedium (M2) gekühlt wird, welches seinerseits in einem weiteren, stromab­ wärts vom indirekten Verdunstungskühler (V1) angeordne­ ten weiteren indirekten Verdunstungskühler (V2) gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenluftstrom (Au) in einem stromaufwärts vom Sorptionsentfeuchter (A) angeordneten weiteren Wärme­ tauscher (W3) mit dem zweiten flüssigen Kühlmedium (M2) gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zusätzlicher Außenluftstrom (Au2) zwischen den beiden indirekten Verdunstungskühlern (V1) und (V2) zum Fortluftstrom (Fo) zugemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) ein nicht getrockneter, in einem weiteren Wärme­ tauscher (W4) gekühlter zusätzlicher Zuluftstrom (Zu2) zum Teilluftstrom (Zu) gemischt wird.

6. Klimaanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
in einem ersten Wärmetauscher (W1) ein mittels Sorp­ tionsentfeuchtung getrockneter sowie vorgekühlter Außenluftstrom (Au) mit einem ersten flüssigen Kühlme­ dium (M1) gekühlt wird,
der Außenluftstrom (Au) stromabwärts vom ersten Wärme­ tauscher (W1) in zwei Teilluftströme (Zu) und (By) zer­ legt wird,
der erste Teilluftstrom (Zu) dem zu klimatisierenden Bereich zugeführt wird,
aus dem zu klimatisierenden Bereich ein Abluftstrom (Ab) abgeführt wird,
der zweite Teilluftstrom (By) mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt wird, so daß ein Fortluftstrom (Fo) resul­ tiert,
der Fortluftstrom (Fo) in einem indirekten Ver­ dunstungskühler (V1) befeuchtet wird und so eine Küh­ lung des ersten flüssigen Kühlmediums (M1) bewirkt, und
das gekühlte erste flüssige Kühlmedium (M1) über einen zweiten Wärmetauscher (W2) zusätzlich den zu klimati­ sierenden Bereich kühlt.

7. Klimaanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung und Vorkühlung des Außenluftstroms (Au) in einem stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) angeordneten Sorptionsentfeuchter (A) erfolgt, der durch ein zweites flüssiges Kühlmedium (M2) gekühlt wird, welches seinerseits in einem weiteren, stromab­ wärts vom indirekten Verdunstungskühler (V1) angeordne­ ten weiteren indirekten Verdunstungskühler (V2) gekühlt wird.

8. Klimaanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenluftstrom (Au) in einem stromaufwärts vom Sorptionsentfeuchter (A) angeordneten weiteren Wärme­ tauscher (W3) mit dem zweiten flüssigen Kühlmedium (M2) gekühlt wird.

9. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Außenluftstrom (Au2) zwischen den beiden indirekten Verdunstungs­ kühlern (V1) und (V2) zum Fortluftstrom (Fo) zugemischt wird.

10. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts vom ersten Wärme­ tauscher (W1) ein nicht getrockneter, in einem weiteren Wärmetauscher (W4) gekühlter zusätzlicher Zuluftstrom (Zu2) zum Teilluftstrom (Zu) gemischt wird.