DE102007013779A1

DE102007013779A1 - Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft

Info

Publication number: DE102007013779A1
Application number: DE102007013779A
Authority: DE
Inventors: Volkhard Dr. Nobis
Original assignee: GEA Happel Klimatechnik Produktions und Servicegesellschaft mbH
Current assignee: FlaektGroup Deutschland GmbH
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft, insbesondere zur Raumkühlung bzw. Raumheizung, aufweisend zumindest einen Latentwärmespeicher (2), der mit Luft (AUL, ABL) beaufschlagbar ist, wobei zumindest ein Peltierelement (8) angeordnet ist, wobei das Peltierelement (8) unmittelbar oder mittelbar wärmetechnisch mit dem Latentwärmespeicher (2) verbunden ist, insbesondere unmittelbar oder mittelbar in wärmeleitendem Kontakt zu dem Latentwärmespeicher (2) steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft, insbesondere zur Raumkühlung bzw. Raumheizung, aufweisend zumindest einen Latentwärmespeicher, der mit Luft beaufschlagbar ist.
Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Unter Ausnutzung der zum Beispiel zwischen Tag und Nacht herrschenden Unterschiede der Außenlufttemperaturen, werden Speichersysteme zur Kühlung von Räumen eingesetzt, die in den kühlen Nachtstunden abgekühlt werden und in den wärmeren Tagstunden Wärme aus der Raumluft aufnehmen können und somit zu einer Abkühlung des Raumes beitragen. In den Nachtstunden oder kühlen Tagstunden durchströmt die von außen zugeführte Luft eine Speichermasse und entzieht dieser dabei Wärmeenergie. Die sich dabei aufwärmende Luft wird anschließend wieder nach außen geführt.
Während der warmen Tageszeiten, in denen eine übermäßige Raumlufterwärmung stattfindet, erfolgt eine Aufheizung der Speichermasse respektive eine Abkühlung der Raumluft. Durch eine geeignete Umschaltung von Klappen wird dabei die Speichermasse von der Raumluft durchströmt, wobei diese sich dabei abkühlt indem sie ihre Wärmeenergie an die Speichermasse abgibt und als kühle Luft dem Raum wieder zugeführt wird. Als Speichermassen werden vorzugsweise Phasenwechselmaterialien (PCM) eingesetzt, bei denen während des Lade- und Entladevorgangs ein Phasenwechsel bei konstanter Temperatur stattfindet.
Die gleiche Technologie wird auch für den Heizbetrieb eingesetzt. Hierbei wird das Verfahren insofern umgekehrt, als dass sich der Ladevorgang, bei dem jetzt dem Speicher Energie in Form von Wärmeenergie zugeführt wird, sich in den Zeitraum höherer Außenlufttemperaturen verschiebt und der Entladevorgang, bei dem dem Speicher Energie in Form von Wärmeenergie entzogen wird, in die Zeiten niedriger Außenlufttemperaturen verschoben wird.
Nachteilig dabei ist, dass eine ausreichende Raumkühlung nur sichergestellt ist, wenn eine ausreichende Wärmeaufnahmekapazität bei den Speichermassen zur Verfügung steht, die mindestens der für die Raumkühlung erforderlichen abzuführenden Wärmeenergie entspricht. Dies ist zum Beispiel nicht gegeben, wenn der zeitliche Anteil ausreichend niedriger Außenlufttemperaturen sehr gering ist, beispielsweise in Sommermonaten, bei einer nicht mehr ausreichenden Nachtabkühlung und/oder wenn die Speichermasse aufgrund des verfügbaren Bauraumes klein gehalten werden muss und nicht mehr im ausreichenden Maße angeordnet werden kann.
Die gleichen Nachteile treten auch beim Heizbetrieb auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile überwunden werden und die verfügbare Kapazität zur Speicherung von Wärmeenergie auch bei kleinem verfügbaren Bauraum verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass zumindest ein Peltierelement angeordnet ist, wobei das Peltierelement unmittelbar oder mittelbar wärmetechnisch mit dem Latentwärmespeicher verbunden ist, insbesondere unmittelbar oder mittelbar im wärmeleitenden Kontakt zu dem Latentwärmespeicher steht, ist es möglich, den Latentwärmespeicher unabhängig von der verfügbaren einleitbaren Luft abzukühlen oder zu beheizen durch entsprechende Bestromung des Peltierelementes, welches bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt.
Durch entsprechende Schaltung des Peltierelementes ist es somit möglich, dem Latentwärmespeicher, mit dem das Peltierelement wärmetechnisch verbunden ist, Wärmeenergie zuzuführen oder diesem Wärmeenergie zu entziehen. Hierdurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Kapazität des Latentwärmespeichers auch zu Zeiten auszunutzen, in denen die benötigte Luft nicht zur Verfügung steht, aufgrund der Umgebungsbedingungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bevorzugt ist das Peltierelement schaltbar, insbesondere mit einer umpolbaren Gleichspannung beaufschlagbar.
Hierdurch ist es möglich, unter ein und derselben Anordnung unterschiedliche Betriebsarten und Betriebszeiten zu schalten. Durch eine Umpolung der Gleichspannung ist dabei eine Umschaltung des Peltierelementes möglich, mit der Folge einer Umschaltung der Wärmestromrichtung der Peltierelemente.
Vorzugsweise ist der Latentwärmespeicher durch ein Phasenwechselmaterial gebildet. Bei Phasenwechselmaterialien findet während des Lade- und Entladevorgangs ein Phasenwechsel bei konstanter Temperatur statt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Peltierelement zumindest teilweise in den Latentwärmespeicher eingebettet, insbesondere derart, dass eine Seite des Peltierelementes in den Latentwärmespeicher eingebettet ist.
Je nach Schaltung des Peltierelementes kann es sich hierbei um die warme Seite oder die kalte Seite des Peltierelementes handeln, welches durch die Einbettung in den Latentwärmespeicher optimal mit diesem wärmetechnisch verbunden ist.
Alternativ oder kumulativ kann ein Peltierelement an der Außenfläche eines den Latentwärmespeicher aufnehmenden Gehäuses wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Anordnungen von Latentwärmespeichern und damit wärmetechnisch verbundenem Peltierelement oder Peltierelemente parallel geschaltet. Durch die Parallelschaltung mehrerer Anordnungen wird die Gesamtkapazität der Anlage erhöht und kann dem Bedarf entsprechend ausgestaltet werden.
Vorzugsweise ist der Latentwärmespeicher innerhalb einer luftdurchströmten Struktur angeordnet. Hierdurch ist es möglich, den Latentwärmespeicher alternativ oder kumulativ insbesondere in zeitlicher Hinsicht bezüglich der Schaltung der Peltierelemente mit Umgebungs- und Raumluft zu beaufschlagen. Vorzugsweise sind Klappen zur strömungstechnischen Zu- bzw. Abschaltung von Latentwärmespeichern und/oder Peltierelementen angeordnet, d. h. dass die Klappen derart angeordnet sind, dass Luftströme, insbesondere Raumluftströme und/oder Umgebungsluftströme, schaltbar sind hinsichtlich der strömungstechnischen Beaufschlagung von Latentwärmespeicher und/oder Peltierelement.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ein oder mehrere Temperatursensoren angeordnet, insbesondere zur Messung der Lufttemperatur an einem Eintritt und/oder Austritt der Vorrichtung.
Es können mehrere Peltierelemente angeordnet sein, insbesondere können diese unabhängig voneinander schaltbar sein.
Peltierelemente und/oder Temperatursensoren können mit einer programmierbaren Steuereinrichtung verbunden sein, sodass eine automatische Steuerung der Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft, insbesondere zur Raumkühlung oder Raumheizung, erfolgen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1a ein Systemschema eines Kühlsystems beim Ladevorgang,
1b ein Systemschema des Kühlsystems beim Entladevorgang,
2 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit identischen Bezugsziffern versehen. Die 1a und 1b zeigen ein Systemschema, bei dem die kalte Seite 8a eines Peltierelementes 8 in die Speichermasse 2 eingebracht ist und wobei sich die warme Seite 8b des Peltierelementes 8 in Kontakt mit der Außenluft befindet. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass bei erschöpfender Speicherkühlenergie die Kühlung durch das Peltierelement 8 durch ein Schalten der Gleichstromquelle 9 erfolgen kann.
Zusätzlich kann das Peltierelement 8 genutzt werden, wenn vorhersehbar ist, dass die zum Laden verfügbare Energie aufgrund der herrschenden Außenlufttemperaturen unzureichend sein wird. In diesem Fall kann die Ladung des Speichers energetisch und wirtschaftlich optimiert unter Ausnutzung der Temperaturbedingungen und der gegebenenfalls zeitlich unterschiedlichen Stromtarife (Nachstrom) erfolgen.
Der Begriff „Laden" ist dabei so zu verstehen, dass die Speichermasse 2 abgekühlt wird durch die Schaltung des Peltierelementes 8, in dem die kalte Seite 8a des Peltierelementes 8 in die Speichermasse 2 eingebettet ist, d. h. dass der Speichermasse 2 thermische Energie entzogen wird und somit die Speichermasse 2 in der Lage ist, einem Luftstrom beim Entladen, in 1b schematisch dargestellt, thermische Energie zu entziehen.
Zur Förderung des Außenluftstromes AUL beim Laden gemäß 1a bzw. des Abluftstromes ABL aus dem zu klimatisierenden Raum gemäß 1b ist ein Ventilator 1 angeordnet, der die Luft durch die luftdurchströmbare Speichermasse 2 fördert.
Zur Umschaltung von Ladebetrieb gemäß 1a auf Entladebetrieb gemäß 1b, sind Klappen 3a, 3b angeordnet, mittels derer die Einlässe 4, 6 bzw. Auslässe 5, 7 der Anordnung geschaltet werden können.
In den Nachstunden durchströmt die von außen zugeführte Luft AUL die Speichermasse 2 und entzieht dieser dabei Wärmeenergie. Die sich dabei aufwärmende Luft wird anschließend wieder nach außen geführt FOL und an die Umgebung abgegeben. Hierzu ist die Vorrichtung über die Klappen 3a, 3b derart geschaltet, dass über den Einlass 4 und den Auslass 5 eine strömungstechnische Verbindung zur Umgebung hergestellt ist.
Beim Entladevorgang gemäß 1b, d. h. den Tagstunden beim Kühlbetrieb, in denen durch das System geleitete Raumluft abgekühlt wird, in dem dieser thermische Energie entzogen wird, sind die Klappen 3a, 3b, wie in 1b dargestellt, geschaltet, d. h. die Vorrichtung ist über den Einlass 6 und den Auslass 7 mit dem Raum verbunden. Über den Einlass 6 wird Abluft ABL mittels des Ventilators 1 durch die luftdurchströmbare Speichermasse 2 geleitet. Hierdurch wird der Raumluft ABL Wärmeenergie entzogen und an die Speichermasse 2 abgegeben. Anschließend wird nach der Abkühlung in der Speichermasse 2 die Luft als Zuluft ZUL über den Austritt 7 wieder an den Raum abgegeben.
Die Speichermasse 2 befindet sich in einer Struktur, welche luftdurchströmt, sowohl durch eine größstmögliche Oberfläche, als auch durch optimierte Wärmeleitung, Wärme aufnehmen bzw. abgeben kann und die im periodischen Wechsel von der Raum- und Außenluft durchströmt wird.
In den 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung in Schnittansichten dargestellt.
Zur optimalen Ausnutzung der jeweiligen Stoffeigenschaften der Speichermasse 2 und der unterschiedlichen schaltbaren Betriebsarten ist eine Seite 8a der Peltierelemente in die Speichermasse 2 eingebettet, wie in 2 dargestellt, oder an der Außenfläche des die Speichermasse 2 einschließenden Gehäuses 10 angebracht, gemäß 3.
4 zeigt eine Anordnung der kalten Seite 8a des Peltierelements, bei dem die Vorzüge der Ausführungen gemäß 2 und 3 kombiniert sind. Die kalten Seiten 8a der Peltierelemente befinden sich sowohl in der Speichermasse 2 als auch an den luftberührten Außenseiten des die Speichermassen 2 aufnehmenden Gehäuses 10. Die Peltierelemente 8 können unabhängig voneinander durch Zuschalten der Stromquelle 9 aktiviert werden.
Die außenliegenden Elemente werden vorzugsweise geschaltet, wenn die Speichermasse, d. h. das Phasenwechselmaterial, erschöpft ist und eine direkte Kühlung der Luft über das Peltiersystem erfolgen soll.
Die innenliegenden Elemente werden geschaltet, wenn das Speichersystem über das Peltiersystem geladen werden soll.
Hierbei werden Peltiersysteme berücksichtigt, bei denen die kalte Seite 8a und die warme Seite 8b lokal getrennt sind, wobei die kalte Seite 8a des Peltierelementes 8 unmittelbar mit der Speichermasse 2 kombiniert wird und die warme Seite 8b sich im Bereich der Außenluft befindet, durch die die erforderliche Wärmeabfuhr aus dem System realisiert wird.
Da Peltiersysteme auch als kompakte Baueinheiten verfügbar sind, ist in 5 eine weitere Ausführungsvariante dargestellt. Die kalte Seite 8a und die warme Seite 8b des Peltiersystems befinden sich schichtartig unmittelbar nebeneinander und sind auf das plattenartig ausgeführte, das Speichermedium beinhaltende Gehäuse aufgebracht. Mehrere dieser Einheiten sind nebeneinander angeordnet, wobei jede zweite Einheit spiegelbildlich gedreht ist, so dass wechselweise Strömungskanäle gebildet werden, durch die einerseits die zu kühlende Raumluft ABL und andererseits die sich aufwärmende Außenluft AUL strömt. Funktionstechnisch entspricht dieser Aufbau der in 3 dargestellten Ausführungsform.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft, insbesondere zur Raumkühlung bzw. Raumheizung, aufweisend zumindest einen Latentwärmespeicher (2), der mit Luft (AUL, ABL) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Peltierelement (8) angeordnet ist, wobei das Peltierelement (8) unmittelbar oder mittelbar wärmetechnisch mit dem Latentwärmespeicher (2) verbunden ist, insbesondere unmittelbar oder mittelbar in wärmeleitendem Kontakt zu dem Latentwärmespeicher (2) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (8) schaltbar ist, insbesondere mit einer umpolbaren Gleichspannung beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (2) durch ein Phasenwechselmaterial gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (2) zumindest teilweise in den Latentwärmespeicher (8) eingebettet ist, insbesondere derart, dass eine Seite (8a, 8b) des Peltierelementes (8) in den Latentwärmespeicher (2) eingebettet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Peltierelement (8) an der Außenfläche eines den Latentwärmespeicher (2) aufnehmenden Gehäuses (10) wärmeleitend mit dem Gehäuse (10) verbunden angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anordnungen von Latentwärmespeichern (2) und damit wärmetechnisch verbundenem Peltierelement/en (8) parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (2) innerhalb einer luftdurchströmten Struktur angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Klappen (3a, 3b) zur strömungstechnischen Zu- bzw. Abschaltung von Latentwärmespeichern (2) und/oder Peltierelementen (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Temperatursensoren angeordnet sind, insbesondere zur Messung der Lufttemperatur an einem Eintritt (4, 6) und/oder an einem Austritt (5, 7) der Vorrichtung
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Peltierelemente (8) angeordnet sind, die unabhängig voneinander schaltbar sind.