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Mit
der effizienten thermischen Konditionierung von Räumen beschäftigen sich
eine Vielzahl von Veröffentlichungen
und Patenten.
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Grundsätzlich besteht
für ein
Raumkonditionierungssystem für
Daueraufenthaltsräume
o. Ä. die
Aufgabe, die physikalischen Größen Lufttemperatur,
mittlere Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit, Luftfeuchte
sowie die Belastung der Raumluft mit Geruchs- und Schadstoffen an
jedem Ort im Daueraufenthaltsbereich in einem behaglichen bzw. in
einem gesundheitlich unbedenklichen und geruchsneutralen Bereich
zu halten. Dieser Behaglichkeitsbereich und die Grenzen unbedenklicher
Luftzusammensetzung wurden in wissenschaftlichen Untersuchungen
ermittelt und sind als Funktion unterschiedlicher Parameter (Aktivitätsstufe des
Menschen, Raumnutzung usw.) in verschiedenen Normen, Richtlinien
und Verordnungen benannt.
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Die
Wirtschaftlichkeit eines Einsatzes von technischen Vorrichtungen
gegenüber
anderen Lösungen entscheidet
sich nach den üblichen
Kriterien: Investitionskosten, verbrauchsgebundene Kosten, betriebsgebundene
Kosten und sonstige Kosten, wobei sich die Gewichtung einzelner
Einflussgrößen entsprechend
den aktuellen Randbedingungen ändern
kann. Ein grundlegendes Entscheidungskriterium wird in naher Zukunft auch
für Klimatisierungsvarianten
der notwendige primärenergetische
Einsatz sein. Hierbei haben vor allem Systeme, die erneuerbare (regenerative)
Energien einsetzen, einen erheblichen Vorteil. Es geht aber auch
darum, durch die Optimierung von Schaltungen, Betriebsweisen und
Speichervorgängen
notwendige Umwandlungsprozesse und Auslegungsparameter effektiver
zu gestalten.
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Höhere Komfortansprüche, steigende
sommerliche Außentemperaturen
und gesetzliche Forderungen haben sowohl eine Vielzahl von fortschrittlichen
technischen Lösungen
zur sommerlichen Raumkonditionierung (aktive Maßnahmen) als auch eine Reihe
von Verbesserungen des sommerlichen Wärmeschutzes (passive Maßnahmen)
zur Folge. Bei den aktiven Lösungen
wird der notwendige Energieeinsatz ständig kritisch untersucht. Wege
zur Effizienzsteigerung sind unter anderem die Verringerung der
notwendigen Spitzenkühlleistung
oder der optimierte Einsatz von zeitlich begrenzt zur Verfügung stehenden
Umweltenergien durch die Integration von Speichern und hier insbesondere
von Latentspeichern. Dabei versteht man unter latentspeichernden
Materialien (eine oft verwendete Abkürzung für diese Materialien ist PCM – Phase
change material) Stoffe oder Stoffgemische, die bei einer bestimmten
Temperatur oder innerhalb eines gewünschten engen Temperaturbereichs
einen Phasenwechsel vollziehen – im
Allgemeinen zwischen flüssig
und fest, aber auch zwischen geordneten und ungeordneten Gitterstrukturen
(OD-Übergänge) – und dabei
Energie aufnehmen oder abgeben, wobei dieser Energiebetrag signifikant
größer ist
als der, der für
eine geringe Temperaturerhöhung
oder Abkühlung
außerhalb
des Phasenwechselbereiches notwendig ist. Neben Salzlösungen und
Salzhydraten rücken
Paraffine durch Fortschritte bei deren Handling in den Mittelpunkt
des Interesses. Durch die Vorzüge
- • nicht
korrosiv
- • nicht
toxisch
- • ökologisch
unbedenklich
- • recycelbar
- • thermisch
stabil, lange Lebensdauer
- • vergleichsweise
geringe Volumenänderung
- • Schmelzpunkt
einstellbar
- • nicht
wasserschädlich
- • keine
oder nur geringe Unterkühlungserscheinungen
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sind
sie gut für
die Verwendung in Daueraufenthaltsräumen geeignet. Die Probleme
der Volumenänderung
während
des Phasenwechsels und die Bewahrung der flüssigen Phase werden durch die
Auswahl geeigneter Verkapselungs- bzw. Bindungstechniken beherrschbar
(Stichworte Mikroverkapselung, Ausnutzung von Kapillarkräften, Verwendung
eines porösen
Trägermaterials
usw.). Die geringe Wärmeleitfähigkeit
ist eines der größten Hemmnisse
bei der Verwendung von Paraffinen und ist unbedingt beim Einsatz
dieser Stoffe zu berücksichtigen.
Dieser Nachteil kann durch die Wahl des Trägermaterials und die Art der
Verkapselung positiv beeinflusst werden, indem dafür Materialien
mit einer höheren
Wärmeleitfähigkeit
(Metalle, Kohlenstoff in Form von Graphit usw.) genutzt werden,
und dadurch ein höherer äquivalenter
Wärmeleitkoeffizient
erreicht wird. Ein Nebeneffekt dieser speziellen Trägermaterialien
kann außerdem
eine erhöhte
Stabilität
des Systems Trägermaterial/PCM
sein (vgl. auch Offenlegungsschrift
DE 103 32 162 A1 ).
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In
den Schriften
DE 197
49 764 A1 ,
DE
197 16 288 A1 und WO 99/24760 A1 wird dargelegt, wie durch die
Anordnung von Kammern gefüllt
mit Latentspeichermaterial die abzuführenden Lasten über den
Verlauf eines Tages und über
längere
Perioden minimiert werden können.
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Zusätzlich werden
verschiedene Systemkonzepte vorgestellt, zum Beispiel der Einsatz
von latentspeichernden Heiz- und Kühldecken bzw. Kühldecken
eingebettet in eine Isolierschicht und eine latentspeichernde Schicht
in Verbindung mit verschiedenen umweltschonenden Varianten der Energiebereitstellung.
Im Sommer wird beispielhaft der Einsatz von Kühltürmen in Verbindung mit Kältemaschinen
vorgeschlagen.
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In
der Ausarbeitung
DE
100 63 777 A1 werden unter anderem verschiedene Kombinationen
von Kühldeckenelementen
und thermospeichernden Bauelementen (auch unter der Berücksichtigung
von latentspeichernden Materialien) beschrieben, die eine Effektivitätssteigerung
bei der Beheizung und Klimatisierung bezwecken sollen.
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Die
Grundidee der Schrift
DE
103 21 646 A1 beruht darauf, speziell gestaltete Latentwärmespeicherkörper vorzugsweise
in Form einer Art Zwischendecke anzuordnen, konditionierte Zuluft
in einen Raum einzubringen und so die Raumluft wärme-, kälte- und/oder feuchtemäßig beeinflussen zu können. Der
Grundgedanke wird sehr komplex dargestellt. Das beschriebene Gesamtsystem
ist in der Lage, die Raumluft ganzjährig so zu konditionieren,
dass sich alle wesentlichen Behaglichkeitsparameter im zulässigen Bereich
bewegen. Dabei wird die durch innere und äußere Wärmequellen frei werdende Energie
gespeichert und zur Deckung von Wärmeverlusten in Zeiten eines
Heizenergiebedarfs genutzt (Winterfall). Negative, vorzugsweise
durch Umweltenergie in den Nachtstunden eingebrachte Wärmeenergie
kann auf die gleiche Art gespeichert und so für eine Kühlung der Raumluft am Tag (Sommerfall)
genutzt werden.
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Auch
die Gebrauchsmusterschrift
DE
203 14 018 U1 beinhaltet einen Systemvorschlag mit latentspeichernden
Materialien. Hier wird eine Raumtemperierungseinrichtung vorgeschlagen,
bei der das Phasenwechselmaterial innerhalb einer Art Lüftungsgerät angeordnet
ist und dort durch die zeitlich versetzten Vorgänge Speicherung und Entspeicherung
für eine
primärenergetisch
günstige
Raumkonditionierung sorgt.
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Die
Veröffentlichung
WO 2004/072557 A2 behandelt einen Systemvorschlag, bei dem latentspeichernde
Materialien in der oberflächennahen
Schicht von Rauminnenflächen
angeordnet sind und hier als Spitzenlastspeicher Flächenkühlsysteme
hervorragend ergänzen.
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Weiterhin
sind eine Reihe von Veröffentlichungen
bekannt, die den Einsatz von Latentspeichern als eine selbstständige Schicht
innerhalb einer Wand- oder Bauelementkonstruktion, als Beimengung
innerhalb einer Putzschicht und/oder als Bestandteil von Bauplatten
vorschlagen. Dabei wird für
den Sommerfall häufig der
Nutzungszusammenhang – Speicherung
von Wärme
am Tag und Entspeicherung nachts durch kühlere Außenluft (Fensterlüftung, unter
Umständen
vorgekühlt
durch einen Erdkanal) – hergestellt.
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Die
Wirksamkeit dieser Vorschläge
ist oftmals durch folgende Sachverhalte eingeschränkt:
- • Eine
Fensterlüftung
ist unter sommerlichen Bedingungen nur in den seltensten Fällen in
der Lage, den für eine
Entspeicherung notwendigen Luftwechsel und die damit zusammenhängenden
Bedingungen wie Luftgeschwindigkeit und Effektivität der Lüftung zu
sichern. Auch die Gebäudedurchströmung ist
zu beachten (Zu- und Abluftzonen).
- • Eine
Vielzahl von offenen Fenstern und Lüftungsöffnungen bei der freien Lüftung ist
aus der Sicht des Gebäude-
und Objektschutzes als kritisch anzusehen.
- • Ein
großer
Außenluftwechsel
kann ohne vorgeschaltete Filterstufen zu einer erhöhten Verschmutzung
der Räume
führen.
- • Das
Temperaturniveau der Außenluft
ist gerade in der Hochsommerphase auch in den Nachtstunden so hoch,
dass eine Auskühlung
nicht mehr möglich
ist.
- • Ein
Erdkanal erfordert zur dauerhaften Sicherung von angestrebten Zulufttemperaturen
verhältnismäßig hohe
finanzielle Aufwendungen.
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Problembeschreibung
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Bei
vielen Wohn- und Geschäftshausbauten
wird der hygienisch notwendige Luftwechsel über eine Lüftungsanlage abgesichert. Diese
Systeme werden auf Grund einer zunehmenden Luftdichtigkeit der Gebäude verstärkt eingesetzt.
Gründe
können
aber auch im Bereich des Schallschutzes oder in einem unzuträglichen
hygienischen Zustand der Außenluft
(und die damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Raumluft)
bei einer Fensterlüftung
liegen. Oftmals wird die Zuluft dabei im Sommerfall gekühlt und
mit Untertemperatur zur Raumtemperatur in den Raum eingeblasen.
Korrekterweise ist die Lüftungsanlage
dann als Teilklimaanlage zu bezeichnen. Dabei wird die Kühlleistung
durch den Volumenstrom (hygienisch notwendiger Luftwechsel oder
gewählt
auf Grundlage eines notwendigen Verdünnungseffektes bei auftretenden
Schadstoffkonzentrationen) und einer aus Behaglichkeits- und Wirtschaftlichkeitsgründen begrenzten
minimalen Zulufttemperatur bestimmt. Diese reicht unter üblichen
Bedingungen nicht aus, die durchschnittlichen Kühllasten für Büroräume zwischen ca. 40 und ca.
60 W/m2 abzuführen. Es kann oftmals nur eine
sogenannte Grundkühlung gesichert
werden, deren Kühlleistung
auf Grund der gewählten
Parameter im Bereich von ca. 5 ... 30 W/m2 liegt.
Die Wirkung des Teilklimaanlagenbetriebes kann gesteigert werden,
indem die Betriebszeit der Teilklimaanlage ausgedehnt und der Raum
außerhalb
der Nutzungszeiten ausgekühlt
wird. Damit wird die Speicherfähigkeit
der Raumumschließungskonstruktion
und der im Raum enthaltenen Einrichtungsgegenstände ausgenutzt. Diese beruht
im Allgemeinen auf der sensiblen Speicherung von negativer Wärmeenergie,
die sich letztendlich in der Temperaturabsenkung der Raumumschließungskonstruktion
und der Raumluft äußert. Die
Grenzen dieser Raumtemperaturabsenkung sind hier nur durch eine
zulässige
minimale Raumtemperatur zu Beginn der nächsten Nutzungsperiode gegeben.
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Lösung
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Die
Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit deren
Hilfe die Leistungsfähigkeit
einer Nur-Luft- oder Luft-Wasser-Klimaanlage signifikant gesteigert
werden kann, ohne das Nachteile bezüglich der erreichten Behaglichkeit
entstehen und ohne das Veränderungen
an den Parametern Zulufttemperatw oder Zuluftvolumenstrom notwendig
sind.
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1 stellt
die Gesamtlösung
dar. Es besteht aus den nachstehend näher bezeichneten Systembestandteilen
mit den beschriebenen wesentlichen Eigenschaften
- • Bezugszeichen 1 – Vorrichtung
zur Aufbereitung und Förderung
des notwendigen Außenluftvolumenstroms
Wesentliches
Merkmal dieser Vorrichtung ist die Möglichkeit der sensiblen Kühlung der
Außenluft.
Vorteilhaft ist die Verwendung eines sogenannten Lüftungszentralgerätes zur
Versorgung eines Raumes oder von Raumgruppen. Dieses besteht vorzugsweise
aus einzelnen Kammerabschnitten, getrennt für Außen- und Zuluft bzw. Ab- und
Fortluft, in denen funktionelle Baugruppen untergebracht sind. Diese
können
beispielhaft sein (einzeln, mehrere oder alle zusammen): Jalousieklappen,
Filter, Schalldämpfer,
Ventilatoren, Erhitzer, Kühler,
Befeuchter und Einrichtungen zur sensiblen und latenten Wärmerückgewinnung
wie Regeneratoren, Rekuperatoren und Kreislaufverbundsysteme usw.
Der Kühler
(Bezugszeichen 2) besteht üblicherweise
aus Lamellenrohrreihen. In diesen Rohrreihen fließt ein Wärmeträgermedium,
beispielhaft Kaltwasser, Kältemittel
oder andere spezielle Flüssigkeiten
oder Gase. Die außen
an den Lamellenrohren vorbeiströmende
Außenluft
gibt Wärmeenergie
auf Grund eines bestehenden Temperaturgefälles an das Wärmeträgermedium
ab. Dabei erhöht
sich dessen Temperatur bzw. ein Kältemittel verdampft oder es
findet ein anderer Phasenwechselvorgang statt. Kaltwasser kann direkt
oder indirekt durch Kältemaschinen
erzeugt oder aus Brunnen, Oberflächenwasser
sowie über
Erdwärmesonden,
Erdwärmekollektoren
oder technologische Prozesse im Rahmen industrieller Fertigungs-
oder Verwertungabläufe
bereitgestellt werden. Erdwärmesonden
und Erdwärmekollektoren
stehen hierbei für
Vorrichtungen, die einen Energieaustausch zwischen einem Wärmeträgermedium
(Wasser, Sole, Kältemittel
usw.) und dem Erdreich ermöglichen.
Das Wärmeträgermedium
kann direkt durch den Kühler
fließen
und so ein Energiefluss von der Außenluft zum Erdreich sichern
oder indirekt über
Wärmetauscher
oder andere Prozesse und Vorrichtungen den Energiefluss herstellen/absichern.
Flüssigkeiten
oder Gase, die in technologischen Prozessen eingesetzt werden, können aufgrund
ihrer Betriebsparameter u. U. ebenfalls als Wärmeträgermedium dienen und werden
zur Kühlung
der Außen-
oder Prozessluft direkt oder indirekt durch die Rohrreihen des Wärmeübertragers
geleitet.
Vorteilhaft ist es auch, die Kühlung der Außenluft über die
sogenannte adiabatische Abluftkühlung
mit anschließender
Kühlung
der Außenluft über ein
Wärmerückgewinnungssystem
zu bewerkstelligen.
Zur Luftaufbereitung eignen sich vorteilhaft
auch im Raum/Raumgruppe selbst angeordnete (dezentrale) Lüftungs-
bzw. Teilklimageräte
oder Lösungen,
bei denen einzelne Luftbehandlungskomponenten (funktionelle Baugruppe
wie Kühler,
Erhitzer, Induktionsgeräte,
Kühlbalken
usw.) im Zuluftkanalnetz oder im Raum/Raumgruppe untergebracht sind.
Es
ist nicht zwingend eine Abluftstrecke im Lüftungszentralgerät nötig. Diese
ist wegen einer Wärmerückgewinnung
im Zentralgerät üblich, für das vorgeschlagene
Verfahren aber nicht Vorraussetzung.
- • Bezugszeichen 3 – Kanalsystem
zum Lufttransport der aufbereiteten Zuluft bis zum Lufteintritt
in den Raum
Das Kanalsystem ist bei dezentralen Geräten nicht
oder nur rudimentär
vorhanden.
- • Bezugszeichen 4 – Lufteintritt
in den Raum
Dieser kann über
einen Zuluftauslass im Decken-, Wand- oder Fußbodenbereich erfolgen. Bei
der Verwendung von dezentralen Lösungen
ist der Lufteintritt oftmals direkt mit dem Gerät verbunden. Besonders vorteilhaft
ist hierbei eine Anordnung des Luftauslasses und/oder eine Auswahl
des Luftauslasses, bei dem ein besonders guter konvektiver Wärmeaustausch
zwischen der Zuluft und den Flächen
mit latentspeichernden Materialien erreicht wird. Das können beispielhaft
Düsenformen
sein, die parallel und sehr nahe zur Fläche mit latentspeichernden
Materialien einen aufgefächerten
Zuluftvolumenstrom erzeugen, den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten dadurch
positiv beeinflussen und die Entspeicherung in den Nachtstunden
optimal unterstützten.
- • Bezugszeichen 5 – Luftaustritt
aus dem Raum über
einen Abluftdurchlass o. Ä.
- • Bezugszeichen 6 – Abluftkanalsystem
bis zum Lüftungszentralgerät
Das
Abluftkanalnetz kann auch entfallen, wenn die Abluft aus dem Raum
direkt nach außen
oder in andere große
Geometrien übertritt
oder bei dezentralen Geräten.
- • Bezugszeichen 7 – Raumumschließungskonstruktion
mit integriertem latentspeichernden Material in der oberflächennahen
Innenwandfläche
und/oder Fuß-
und/oder Deckenfläche
Idealerweise bilden die latentspeichernden Schichten die innere
Raumbegrenzung aus. Aus technischen oder technologischen Gründen ist
es u.U. notwendig, mit einer anderen Schicht/Systemplatte den inneren
Wandabschluss zu bilden. Gründe
können
zum Beispiel die Verhinderung von Diffusion und Verdunstung der
flüssigen
Phase der PCMs oder die Erlangung einer Brandschutzklassifikation
sein. Die in der oberflächennahen
Wandschicht integrierten PCMs bewirken folgende Verbesserungen der
Gesamtkühlleistung.
Die Effektivität
der Nachtauskühlung
des Raumes (und damit eine Entspeicherung der PCMs) kann gesteigert
werden. Das ist dadurch begründet,
dass die Temperatur der Wandumschließungskonstruktion infolge der
Phasenwechselvorgänge längere Zeit
signifikant höher
ist, als ohne latentspeichernde Materialien. Die wirksame Temperaturdifferenz zur
eintretenden Zuluft ist dadurch größer. Es wird mehr negative
Wärmeenergie
durch konvektive Wärmeübertragungsvorgänge gespeichert.
Am Tag ist die einspeicherbare Energiemenge (abzuführende Kühllast infolge
innerer Wärmequellen
wie zum Beispiel Personen, Beleuchtung usw. und äußerer Wärmequellen, wie solare Belastungen)
in die Wandkonstruktion und somit die Kühlleistung in Verbindung mit
der vorhandenen Teilklimatisierungsanlage größer. Die Einspeicherung der
Kühllasten
erfolgt dabei durch die physikalischen Vorgänge Strahlung und Konvektion.
Dabei verharrt die innere Wandoberflächentemperatur infolge der
Phasenumwandlungsvorgänge
längere
Zeit auf einem niedrigerem Niveau als ohne integrierte PCMs in den
Wandoberflächen.
Insgesamt ist dadurch der Effekt zu beobachten, dass die Raumtemperatur (bestimmt
in erster Näherung
aus der Raumlufttemperatur und der mittleren Strahlungstemperatur
aller Rauminnenflächen)
im 24h-Rhythmus in einem kleineren Temperaturbereich schwankt als
ohne PCMs und die Kühlleistung
des Gesamtsystems steigt. Die mittlere Phasenwechseltemperatur der
latentspeichernden Materialien bzw. der Bereich des Phasenwechsels
wird dabei so gewählt,
dass diese/dieser im oberen Bereich des angestrebten Behaglichkeitsfeldes
liegt und somit dem Grundgedanken, eine Leistungsreserve für Spitzenlasten
zu sein, optimal Rechnung trägt.
Bei üblichen
Nutzungsprofilen für
Daueraufenthaltsräume
und auf Basis der in z.Zt. geltenden Gesetzen, Normen und Richtlinien
festgelegten Grenzwerte für
die thermische Behaglichkeit im Kühlfall liegt der Temperaturbereich
zwischen ca. 23°C
und ca. 26°C.
Die Parameter Schichtdicke, Wärmeleitkoeffizient
und Schmelzenthalpie müssen,
soweit sie jeweils frei wählbar sind,
mit dem Ziel einer optimalen Speicherausnutzung aufeinander abgestimmt
werden. Weiterhin können sie
im Raum auf Grund der örtlich
variierenden Kühllasten
unterschiedlich ausgebildet sein – zum Beispiel in Fensternähe eine
größere Schichtdicke.
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Die
hier beschriebenen Teilklimaanlagen werden als Nur-Luft- bzw. Luft-Wasser-Anlagen
bezeichnet. Die Bezeichnung Nur-Luft-Anlage bezieht sich dabei auf
solche Systeme, bei denen keine thermodynamische Nachbehandlung
der Zuluft außerhalb
einer Zentrale mehr stattfindet. Im Gegensatz dazu wird bei Luft-Wasser-Anlagen
eine Nachkonditionierung der Zuluft im Zuluftkanalnetz oder im Raum/Raumgruppe
selbst über eine
Wasser beaufschlagte Vorrichtung (Kühler, Induktionsgerät, Kühlbalken
u. A.) durchgeführt.
Bei dezentralen Geräten
(d.h. angeordnet im Raum/Raumgruppe) erübrigt sich diese Unterteilung.
Die Durchführung
von mehreren Luftbehandlungsstufen (d.h. außer Kühlen) hat keinen Einfluss auf
die wesentlichen Wirkmechanismen der zur Problemlösung vorgeschlagenen
Vorrichtungen und Verfahren.
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2 zeigt
eine Schaltung zur Kühlung
der Außenluft
(Bezugszeichen 8) mittels einer adiabaten Abluftbefeuchtung.
Dabei wird in der Abluft (Bezugszeichen 9) in einer Befeuchtereinheit
(Bezugszeichen 10) Wasser zum Beispiel zerstäubt bzw.
verrieselt, und es verdunstet. Es verringert sich die Temperatur
der aus der Befeuchtereinheit austretenden Abluft (Bezugszeichen 11),
die Luftfeuchtigkeit steigt und die spezifische Enthalpie der Abluft
erhöht
sich nur um den Betrag des zugeführten
Wassers. Über
eine vorhandene, nachfolgende regenerative oder rekuperative Wärmerückgewinnungseinheit
(Bezugszeichen 12) kann dann die Außenluft gekühlt werden. Die Zuluft (Bezugszeichen 13)
hat somit eine geringere Temperatur als die Außenluft (Bezugszeichen 8).
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Verschiedene
Schaltungsarten können
dabei angewendet werden, um die Wirksamkeit der adiabaten Abluftkühlung zu
verstärken.
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3 zeigt
eine Schaltung, bei der zusätzlich
zu einer vorgeschalteten Befeuchtereinrichtung (Bezugszeichen 10)
Wasser innerhalb der Wärmerückgewinnungseinheit
(Bezugszeichen 14) im Abluftvolumenstrom verdunstet. Die
erzielbare Temperaturabsenkung der Zuluft (Bezugszeichen 13)
gegenüber
der Außenluft
(Bezugszeichen 8) kann dadurch signifikant erhöht werden.
Die vorgeschaltete Befeuchtereinrichtung (Bezugszeichen 10)
kann auch fehlen. Die Abluftbefeuchtung ist dann vollständig in
der WRG-Einheit (Bezugszeichen 14) auf der Abluftseite
integriert.
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4 zeigt
eine Variante, bei der ein Teil (Bezugszeichen 15) der
gekühlten
Zuluft (Bezugszeichen 13) verwendet wird, um die Grenzkühltemperatur
der Abluft (Bezugszeichen 9) durch Beimischung zu verringern. Dabei
ist es auch möglich,
ganz auf die Abluft (Bezugszeichen 9) zu verzichten und
die adiabate Befeuchtung nur mit dem Teil der gekühlten Zuluft
(Bezugszeichen 15) durchzuführen. Üblicherweise wird dieser Teil
dann als Prozessluftvolumenstrom bezeichnet. Die Befeuchtung kann
wiederum in einer vorgeschalteten Befeuchtereinrichtung (Bezugszeichen 10)
oder integriert in der WRG-Einheit
(Bezugszeichen 14) oder in der Befeuchtereinrichtung (Bezugszeichen 10)
und integriert in der WRG-Einheit (Bezugszeichen 14) geschehen.
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Denkbar
sind aber auch andere Verfahren, bei denen die Grenzkühltemperatur
der Abluft (Bezugszeichen 9) vor der Befeuchtung verringert
werden kann.
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Beispiel
-
Die
Funktionsweise der Erfindung soll an einem Beispiel demonstriert
werden.
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Untersucht
wird eine repräsentative
Bürosituation
kombiniert mit typischen Außenwetterbedingungen für einen
heißen
Sommertag. Der Raum soll an ein zentrales Teilklimatisierungsgerät angeschlossen
sein, dass über
eine adiabate Abluftbefeuchtung und ein Wärmerückgewinnungssystem verfügt (entsprechend 2)
und dadurch die eintretende Außenluft
kühlen
kann.
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5 zeigt
die Raumgeometrie und Tabelle 1 den gewählten Wandaufbau.
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6 zeigt
den festgelegten Außenlufttemperaturverlauf
für die
gewählte
sommerliche Situation sowie den Verlauf der angenommenen inneren
Lasten. Die Außenluftfeuchte
schwankt zwischen 8,7 und 10,5 g/kg entsprechend einem Tagesverlauf,
der dem Testreferenzjahr TRY 13 aus [DIN 4710/Januar 2003 und dem dazugehörigem Beiblatt] entnommen
wurde. Die inneren Lasten ergeben sich aus einer durchschnittlichen
Büronutzung
mit 2 Personen einschließlich
Computertechnik und Beleuchtung. Es wird eine Betriebszeit des Büros von
8 bis 18 Uhr angenommen.
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Die
latentspeichernden Materialien werden ab einer Raumhöhe von 0,8
m und mit Ausnahme der Tür auf
den Wandoberflächen
der Innenwände
und Decke verteilt. Für
die Schichtdicke wird ein Wert von 1,5 cm gewählt. Die Schmelzenthalpie beträgt 40.000
J/kg und wird in einem Temperaturbereich von ± 1,2 K um die mittlere Schmelztemperatur
von 24,5°C
entsprechend der in 7 gezeigten idealisierten Verteilung
frei. Der Verlauf weist keine Hysterese zwischen dem Schmelz- und
Erstarrungsprozess auf, was vorteilhaft aber nicht Bedingung ist.
-
8 zeigt
Ergebnisse von Simulationsrechnungen. Diese wurden mit einer modifizierten
Variante des in [V. Fischer: Gekoppelte numerische Simulation von
Raumluftströmung,
Raumumschließungskonstruktion
und Heizungsanlage; Dissertation; TU Dresden 1997] beschriebenen
Programms berechnet. Die Wärmeleitung
innerhalb der Umschließungskonstruktion
wird mit Hilfe eines expliziten Finite-Differenzen-Verfahrens berechnet.
Der Phasenwechselvorgang der PCMs kann dadurch thermodynamisch exakt
nachgebildet werden.
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Es
wird insgesamt ein Zeitraum von 14 Tagen simuliert. Die Auswertung
der Berechnungen erfolgt jeweils ab dem dritten Tag (ab der 48.
Stunde). Die Stunden 0...24 werden nicht betrachtet, da sich das
System in dieser Zeit ausgehend von den vorgegebenen Startbedingungen
einschwingt.
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Die
Bezeichnungen in den Legenden der Auswertungsdiagramme stehen dabei
für folgende
Berechnungsfälle
-
Rechnung 1
-
- • Raum
mit latentspeichernden Materialien in der Raumumschließungskonstruktion
entsprechend 5 und Tabelle 1
- • konstanter
3facher Außenluftwechsel
durch ein Zentrallüftungsgerät mit adiabater
Abluftbefeuchtung (vgl. 2); Rückwärmezahl Φ = 0,8; keine weitere Kühlung der
Außenluft
-
Rechnung 2
-
- • Raum
ohne latentspeichernde Materialien in der Raumumschließungskonstruktion
entsprechend 5 und Tabelle 1
- • konstanter
3facher Außenluftwechsel
durch ein Zentrallüftungsgerät mit adiabater
Abluftbefeuchtung (vgl. 2); Rückwärmezahl Φ = 0,8; keine weitere Kühlung der
Außenluft
-
Rechnung 3
-
- • Raum
ohne latentspeichernde Materialien in der Raumumschließungskonstruktion
- • entsprechend 5 und
Tabelle 1
- • hygienischer
Außenluftwechsel
durch ein Zentrallüftungsgerät innerhalb
der Büronutzung
von 8 bis 18 Uhr (ein einfacher Außenluftwechsel am Vormittag,
ein 0,5facher am Nachmittag und ein 0,2facher infolge Undichtigkeiten
außerhalb
dieser Zeiten), keine Kühlung
der Außenluft
- • 3facher
Außenluftwechsel
durch ein Zentrallüftungsgerät zwischen
22 und 6 Uhr („normale" Nachtlüftung), keine
Kühlung
der Außenluft
-
Auswertung
-
8 zeigt
den Verlauf der berechneten Raumtemperaturen. Deutlich sind folgende
Effekte zu sehen
- • nur eine Nachtlüftung sichert
keine zulässigen
Raumtemperaturen im Tagesverlauf (Rechnung 3)
- • PCMs
in der Raumumschließungskonstruktion
verbessern den Kühleffekt
einer Nur-Luft-Teilklimaanlage (in
diesem Fall Kühlung
der Außenluft
durch eine adiabate Abluftbefeuchtung) signifikant (Vergleich zwischen
Rechnung 2 und 3). Die notwendige Spitzenkühlleistung einer Nur-Luft-Teilklimaanlage
kann verringert werden bzw. die Kühlleistung des Gesamtsystems
ist größer.
-
Formelzeichen und Indizes
-
Deutsches
Alphabet
| Formelzeichen | Bedeutung |
| cp | massespezifische
Wärmekapazität bei konstantem |
| Druck | |
| d | Dicke
einer Schicht |
| Fc | Abminderungsfaktor
von Sonnenschutzvorrichtungen |
| U | Wärmedurchgangskoeffizient |
-
Griechisches
Alphabet
| Formelzeichen | Bedeutung |
| λ | Wärmeleitkoeffizient |
| ρ | Dichte |
| F | Rückwärmezahl |
-
Tiefgestellte
Indizes
| Index | Bedeutung |
| f | Fenster |
-
- 1
- Vorrichtung
zur Aufbereitung und Förderung
des notwendigen
-
- Außenluftvolumenstroms
- 2
- Kühler
- 3
- Kanalsystem
zum Lufttransport der aufbereiteten Zuluft bis zum Lufteintritt
in den
-
- Raum
- 4
- Lufteintritt
in den Raum
- 5
- Luftaustritt
aus dem Raum
- 6
- Abluftkanalsystem
- 7
- Raumumschließungskonstruktion
mit integriertem latentspeicherndem Material in der
-
- oberflächennahen
Innenwandflächen
und/oder Fuß-
und/oder Deckenfläche
- 8
- Außenluftstrom
- 9
- Abluftstrom
- 10
- Befeuchtereinheit
- 11
- aus
der Befeuchtereinheit austretender Abluftstrom
- 12
- Vorrichtung
zur regenerativen oder rekuperativen Wärmerückgewinnung
- 13
- Zuluftstrom
- 14
- Vorrichtung
zur Wärmerückgewinnung
mit integrierter Vorrichtung zur
-
- Verrieselung/Verdunstung
von Wasser
- 15
- Teilluftstrom
des gekühlten
Zuluftstroms