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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Lüften und/oder Heizen von Räumen sowie
ein Verfahren zum Steuern eines Systems zum Heizen/Kühlen von
Räumen.
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In
Gebäuden,
welche zumindest zeitweise stark frequentiert sind, wie beispielsweise
Schulgebäude
bzw. Klassenzimmer, ist der Lüftungsbedarf während der
Nutzung sehr groß.
Eine Heizung/Kühlung
wird dabei nur für
eine begrenzte Zeitdauer, beispielsweise während des Unterrichts, benötigt. Während das
Gebäude
bzw. der Raum stark frequentiert wird, kann es dazu kommen, dass
die in dem Gebäude
bzw. in dem Raum befindlichen Personen eine hohe Wärmemenge
abgeben.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Lüften und/oder
Heizen von Räumen sowie
ein entsprechendes Verfahren vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren
gemäß Anspruch
7 gelöst.
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Somit
wird ein System zum Heizen und/oder Lüften von Räumen vorgesehen. Das System
weist einen Außenluftkanal,
einen Fortluftkanal, einen Abluftkanal und einen Zuluftkanal auf.
Das System weist ferner einen Gegenstrom-Wärmetauscher
auf, welcher mit dem Außenluftkanal,
dem Fortluftkanal, dem Abluftkanal und dem Zuluftkanal gekoppelt
ist. Ferner ist ein erster Wärmetauscher
in dem Fortluftkanal und/oder ein zweiter Wärmetauscher in dem Zuluftkanal
angeordnet. Das System weist ferner einen Speicher zum Speichern
von überschüssiger Wärme in dem
System und zum Abgeben der gespeicherten Wärme auf.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das System ferner eine Mischklappe
in dem Außenkanal
vor dem Gegenstrom-Wärmetauscher
auf. Das System weist ferner eine Bypassklappe und einen Bypass
zwischen der Bypassklappe und dem Zuluftkanal auf. Die Mischklappe
und die Bypassklappe sind miteinander verbunden, so dass ein Luftvolumenstrom
vom Außenluftkanal
durch die Mischklappe, durch die Bypassklappe und durch den Bypass
zu dem Zuluftkanal geführt
werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein erstes 4-2-Ventil vorgesehen
und derart eingestellt, dass der erste Wärmetauscher als Verdampfer
und ein dritter Wärmetauscher in
dem Speicher als Verflüssiger
arbeitet, so dass Wärme
aus dem Fortluftkanal in dem Speicher gespeichert wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein 4-2-Ventil derart
eingestellt, dass der erste Wärmetauscher
als Verflüssiger
und der dritte Wärmetauscher
in dem Speicher als Verdampfer arbeitet, so dass in dem Speicher
gespeicherte Wärme
auf die Fortluft übertragen
wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein zweites 4-2-Ventil vorgesehen
und derart eingestellt, dass der zweite Wärmetauscher als Verflüssiger und
der dritte Wärmetauscher
in dem Speicher als Verdampfer arbeitet, so dass die in dem Speicher
gespeicherte Wärme über den
zweiten Wärmetauscher
zum Erwärmen
der Zuluft in dem Zuluftkanal verwendet wird.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Systems zum Heizen
und/oder Lüften von
Räumen.
Das System weist einen Außenluftkanal,
einen Fortluftkanal, einen Abluftkanal, einen Zuluftkanal, einen
Gegenstromwärmetau scher,
einen ersten Wärmetauscher
in dem Fortluftkanal und/oder einen zweiten Wärmetauscher in dem Zuluftkanal auf.
Die in dem System vorhandene überschüssige Wärme wird
in dem Speicher gespeichert und kann anschließend wieder abgegeben werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die in dem Speicher gespeicherte
Wärme über den
Wärmetauscher
in dem Zuluftkanal oder über
den Wärmetauscher
in dem Fortluftkanal abgegeben werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner den Gedanken, die in einem Raum anfallende
Wärme z.
B. mittels einer Wärmepumpe
in einem Speicher zu speichern und diese gespeicherte Wärme anschließend zur
Beheizung bzw. zur Warmwasseraufbereitung zu verwenden. Um einen
Lüftungsbedarf
decken zu können,
kann eine Lüftungseinheit
vorgesehen werden, wobei ein Wärmetransport
vorzugsweise mittels der Raumluft erfolgt, während eine Wärmespeicherung vorzugsweise
durch Wasser erfolgt. Somit wird ein System zum Lüften, zur
Wärmerückgewinnung,
Wärmespeicherung
und zum Heizen/Kühlen
vorgesehen.
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Die
bei der Lüftung
nicht benötigte
Wärme bzw.
die überschüssige Wärme (beispielsweise
während
der Nutzungsphase anfallende Personenwärme) wird gespeichert, um anschließend zum
Erwärmen
der Raumluft oder für
die Warmwasseraufbereitung verwendet zu werden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ausführungsbeispiele
und Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Heiz-/Lüftungssystems gemäß der Erfindung.
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Das
Heiz-/Lüftungssystem
gemäß der Erfindung
eignet sich insbesondere für
Räume,
welche zeitweilig stark frequentiert werden, wobei während der
stark frequentierten Nutzungsphase die durch das Vorhandensein der
Personen erzeugte Wärme
in einem Speicher zwischengespeichert werden kann, um anschließend verwendet
zu werden. Somit eignet sich das System gemäß der Erfindung insbesondere für Unterrichts-
und Versammlungsräume.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Heiz-/Lüftungssystems gemäß der Erfindung. Zentraler
Bestandteil ist eine reversierbare Wärmepumpe mit dem Kompressor 23 und
dem Expansionsventil 26. Das System verfügt über einen
Außenluftanschluss,
einen Fortluftanschluss, einen Abluftanschluss 8 und einen
Zuluftanschluss 9. Ferner ist ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher
X-WT 1 vorgesehen. In dem Außenluftkanal kann eine Mischklappe 2 vorgesehen
werden, welche über
eine Bypassklappe 3 mit einem Bypass gekoppelt ist, so dass
der Gegenstrom-Wärmetauscher 1 umgangen werden
kann, d. h. der Luftstrom von dem Außenluftkanal kann zumindest
teilweise an dem Gegenstrom-Wärmetauscher 1 vorbei
zu dem Fortluftkanal oder zu dem Zuluftkanal 9 geführt werden.
Das System weist ferner einen Speicher 11 zum Zwischenspeichern
von überschüssiger Wärme auf.
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In
dem Außenluftkanal
kann ein Filter 6 sowie ein Ventilator 4 vorgesehen
werden, wobei der Ventilator 4 durch den Filter 6 frische
Außenluft
ansaugt und mittels der Mischklappe 2 zu dem Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 1 zuführt. In dem
Zuluftkanal 9 kann ein Schalldämpfer 7 vorgesehen
werden. In dem Abluftkanal 8 kann ein Ventilator 5,
ein Schalldämpfer 7 und
ein Filter 6 vorgesehen werden. Zwischen der Mischklappe 2 und
dem Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 1 kann
optional ein Luftvorerwärmer 25 vorgesehen
werden. In dem Zuluftkanal 9 kann optional ein Wärmetauscher 14 als
Nachheizregister vorgesehen werden. In dem Fortluftkanal kann ein
weiterer Wärmetauscher 24 vorgesehen
werden. Die nicht für
die Lüftung
benötigte
Wärme kann
mittels eines Wärmetauschers
in dem Speicher 11 gespeichert werden, wobei dieser Speicher
beispielsweise Wasser als Speichermedium enthält.
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Optional
kann in dem Zuluftkanal 9 unmittelbar am Austritt des Zuluftkanales
durch die Düse 16 Wasser
zerstäubt
werden. Dazu kann eine Förder- /Dosiereinheit 17 mit
einem Wasserbehälter 18 gekoppelt
werden und das Wasser am Austritt des Luftkanals zerstäuben. Die
hierfür
benötigte
Wassermenge hängt
von dem Luftvolumenstrom ab. Die Menge des zerstäubten Wassers kann in Abhängigkeit
von einer durch einen Sensor 20 gemessenen Luftfeuchtigkeit
geregelt werden.
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Mittels
der Mischluftklappe 2 kann – wie oben beschrieben – ein Luftvolumenstrom
an dem Wärmetauscher 1 vorbeigeführt werden.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Räumlichkeiten mittels der Außenluft
abgekühlt
werden sollen. Die Mischluftklappe 2 ist mit der Bypassklappe 3 gekoppelt, welche
mit dem Fortluftkanal und dem Zuluftkanal 9 gekoppelt ist.
Entsprechend der Stellung der Klappe 3 kann die Außenluft über die
Mischklappe 2 und die Klappe 3 durch den Bypass
zu dem Zuluftkanal 9 oder zu dem Fortluftkanal geführt werden.
Die Verwendung des Bypasses wird in Abhängigkeit der in dem Abluftkanal 8 gemessenen
Raumtemperatur bestimmt. Während
die Bypassklappe 3 entweder geöffnet oder geschlossen sein
kann, kann die Mischluftklappe 2 zwischen 0 und 100% geöffnet bzw.
geschlossen sein, so dass ein Teil der Außenluft an dem Wärmetauscher 1 vorbei
zu dem Zuluftkanal 9 geführt werden kann.
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Um
ein Einfrieren des Wärmetauschers 1 zu verhindern,
kann der Luftvorerwärmer 25 mittels
eines Dreiwegeventils 27 aktiviert werden. Mittels des Dreiwegeventils 27 ist
der Luftvorerwärmer 25 mit dem
Speicher 11 gekoppelt. Somit kann die in dem Speicher vorhandene
Wärme in
dem Vorerwärmer 25 aufsteigen,
d. h. eine Heat-Pipe wird vorgesehen. Alternativ zu der Luftvorerwärmung mittels
des Wärmetauschers 25 kann
der Luftvolumenstrom über
die Bypassklappe 3 geführt
werden, und der Luftvolumenstrom kann in dem Wärmetauscher 14 nacherhitzt
werden, um ein Einfrieren des Wärmetauschers zu
vermeiden.
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Durch
den Abluftkanal 8 wird Raumluft mittels des Ventilators 5 optional
durch den Schalldämpfer 7 und
den Filter 6 abgesaugt. In dem Abluftkanal 8 kann
ein Sensor 20 zur Messung der Luftqualität vorgesehen
werden. Die durch den Ventilator 5 geförderte Luftmenge kann in Abhängigkeit
von dem Luftqualitätssensor 20 gesteuert
werden. Die angesaugte Raumluft durchquert den Kreuzge genstromwärmetauscher 1,
fließt
an einer Rückschlagklappe 10 vorbei
und fließt
durch den Fortluftkanal beispielsweise über eine Mauerdurchführung nach
außen.
Der in dem Fortluftkanal angeordnete Wärmetauscher 24 kann
dazu verwendet werden, die in der Fortluft vorhandene Wärme zu extrahieren.
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Die
Wärmetauscher 1, 14 und 24 können jeweils
mit einer Auffangschale 15 sowie einem Auffangbehälter 19 versehen
werden, um in dem Wärmetauscher
entstandenes Kondensat abführen
zu können.
Alternativ dazu kann ein fest installierter Kondensatablauf vorgesehen
werden.
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Nachfolgend
wird der Heizbetrieb des Systems beschrieben.
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Das
in dem Speicher 11 befindliche Medium wird dazu verwendet,
Wärme zu
speichern und anschließend
die gespeicherte Wärme
abzugeben. Zum Speichern von Wärme
in dem Medium in dem Speicher 11 wird der Ventilator 4 in
dem Außenluftkanal
aktiviert und treibt einen Außenluftstrom über die Mischklappe 2 und
die Bypassklappe 3 durch den Wärmetauscher 24 in
den Fortluftkanal. Während dieser
Zeit ist der Ventilator 5 in dem Abluftkanal 8 vorzugsweise
abgeschaltet. Der Kältekreis
wird durch das 4-2-Ventil 22 derart ausgestaltet, dass
der Wärmetauscher 24 als
Verdampfer und ein Wärmetauscher
in dem Speicher 11 als Verflüssiger wirkt. Um eine optimale
Leistungszahl des Kältekreises
zu erreichen, kann die Lüfterdrehzahl
des Ventilators 4 und die Kompressorleistung aufeinander
abgestimmt werden. Wenn sich die Außentemperaturen auf einem niedrigen
Niveau befinden, kann es notwendig sein, den als Verdampfer arbeitenden
Wärmetauscher 24 mittels
in dem Speicher 11 gespeicherten Wärme zu enteisen.
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Nachdem
der Speicher 11 zumindest teilweise mit Wärme aufgeladen
worden ist, kann die in dem Speicher gespeicherte Wärme vorzugsweise
während
einer Entladungsphase zum Erhitzen der Zuluft verwendet werden.
Dazu wird eine Pumpe 13 und der als Heizregister ausgestaltete
Wärmetauscher 14 in
dem Zuluftkanal 9 verwendet. Somit wird die Zuluft mittels
des Heizregisters 14 er wärmt, wobei die dazu benötigte Wärme dem
Speicher 11 mittels des darin befindlichen Wärmetauschers
entzogen wird.
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Nachfolgend
wird die Funktion der Wärme- bzw.
Kältespeicherung
näher erläutert. Das Heiz-/Lüftungssystem
gemäß der Erfindung
kann als eine Abluftwärmepumpe
verwendet werden, wobei der Ventilator 5 in dem Abluftkanal 8 einen
Abluftstrom durch den Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 1 leitet.
Der Zuluftstrom kann dabei über
den Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 1 und/oder über den
Bypass 3 geführt
werden. Die in der Abluft am Ausgang des Wärmetauschers enthaltene Wärme kann
bis unter die Frostgrenze abgekühlt
werden. Eine Vereisung des Wärmetauschers 24 kann
durch die in dem Speicher 11 gespeicherte Wärme vermieden
werden, indem der Wärmetauscher 24 damit
abgetaut werden kann. Somit kann eine überschüssige innere Wärme, welche
beispielsweise durch Personen in den Räumlichkeiten erzeugt wird,
in dem Wärmespeicher 11 gespeichert
werden.
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Wie
bereits oben beschrieben, kann ein Raum durch kühlere Außenluft gekühlt werden, indem die Außenluft
ganz oder teilweise mittels der Mischklappe 2 und der Bypassklappe 3 an
dem Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 1 vorbei
zu dem Zuluftkanal 9 geführt wird. Wenn die damit erreichte Kühlung nicht
ausreicht, so kann die Luft/Wasser-Wärmepumpe in dem System reversiert
werden. Hierbei entspricht der Luftstrom dem Luftstrom beim Heizbetrieb,
wobei das 4-2 Ventil 12 den Kältekreis derart schaltet, dass
der Wärmetauscher 24 in
dem Fortluftkanal zum Verflüssiger
und der in dem Speicher 11 angeordnete Wärmetauscher
zum Verdampfer wird. Somit wird die sich in dem Speicher befindliche
Wärme abgeführt und
mit der Fortluft abtransportiert.
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Das
Heiz/Lüftungssystem
kann in verschiedenen Betriebsarten bzw. Betriebsphasen operieren. Die
Nutzungsphase entspricht der Phase, während der die Räumlichkeiten
benutzt werden. Die Trockenphase entspricht der Phase nach der Nutzungsphase und
dauert so lange, bis im Wesentlichen alle Feuchtigkeit in den Luftwärmetauschern,
Filtermatten und Lüftungskanälen getrocknet
ist. Die Nichtnutzungsphase schließt sich an die Trockenphase
an. Während
eines opti onalen Schutzbetriebes kann die Lufttemperatur und/oder
die Luftfeuchtigkeit gesteuert bzw. geregelt werden. Während einer
Nutzungsvorbereitungsphase kann eine Intensivlüftung der Räume mit einer Konditionierung
der Temperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit erfolgen.
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Während der
Winterzeit sollte der Raum zu Beginn der Nutzungsphase sich auf
Solltemperatur, Sollluftfeuchtigkeit und Sollluftqualität befinden. Während der
Nutzung entstehen beispielsweise durch die Körperwärme der Personen Wärmegewinne,
welche durch die Abluft abtransportiert werden können oder beispielsweise in
dem Speicher 11 (mittels des Wärmetauschers 24 und
des Wärmetauschers
in dem Speicher 11) gespeichert werden können. Falls
eine Kühlung
des Raumes notwendig ist, so kann dies durch die Mischklappe 2 und
die Bypassklappe 3 gesteuert werden, wobei Außenluft
an dem Gegenstrom-Wärmetauscher 1 vorbei
zu dem Zuluftkanal 9 geführt wird. Während der Trockenphase in der
Winterzeit werden diejenigen hygienischen Zustände in der Anlage vorgesehen,
welche es erlauben, das Lüftungssystem
nach der Trockenphase abzuschalten, d. h. die überschüssige Luftfeuchtigkeit wird
reduziert. Hierzu können
beispielsweise alle Luftkanäle
ohne Aktivierung der Wärmepumpe durchspült und somit
getrocknet werden. Während der
Nichtnutzungsphase im Winter wird die Anlage völlig abgeschaltet. Falls ein
Stützbetrieb
beispielsweise aufgrund kalter Außentemperaturen oder aufgrund
einer längeren
Nichtnutzungsphase benötigt wird,
so kann die in dem Speicher 11 gespeicherte Wärme mittels
der Luft-/Wasserwärmepumpe
geladen und anschließend über die
Lüftungsanlage
und das Heizregister entladen werden. Während einer anschließenden Nutzungsvorbereitungsphase
(etwa eine Stunde vor dem nächsten
Nutzungsbeginn) wird die während
der Nichtnutzung entstandene Luft mit schlechter Qualität gegen
erwärmte
frische Luft ausgetauscht. Dazu kann der Wärmeinhalt des Speichers komplett
entladen werden und über
die Zuluft an den Raum abgegeben werden. Falls die Außentemperaturen
sich auf einem niedrigen Niveau befinden, so kann die Zuluft ggf.
befeuchtet werden.
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In
einer Übergangszeit
zwischen der Winter- und der Sommerzeit kann die Raumluft durch
kalte Außenluft
während
der Nutzungszeit gekühlt
werden. Der Speicher kann über
die Abluftwärmepumpe
zumindest teilweise aufgeladen werden. Die Trockenphase während der Übergangszeit
entspricht der Trockenphase während
der Winterzeit, die Nichtnutzungsphase während der Übergangszeit entspricht der
Nichtnutzungsphase während
der Winterzeit. Ein Stützbetrieb
kann entfallen. Wenn ein Nutzungsvorbereitungsbetrieb notwendig
ist, so kann dieser wie während
der Winterzeit erfolgen.
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In
der Sommerzeit kann es aufgrund der hohen Raumtemperaturen zu hohen
inneren Wärmegewinnen
kommen. Zu Beginn der Nutzungszeitphase kann der Raum angenehm temperiert
werden. In dem Speicher 11 kann eine ausreichende Menge
an Kälte
gespeichert werden, d. h. die Temperatur in dem Speicher 11 kann
sich auf einem niedrigen Niveau befinden. Über die Lüftungsanlage kann ausreichender
Luftwechsel mittels der Mischklappe 2 und der Bypassklappe 3 vorgesehen
werden. Der Bypass wird jedoch erst dann geschlossen, wenn der Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 1 Kälte zurückgewinnen
kann. Mittels der in dem Speicher 11 gespeicherten Kälte kann
die Zuluft durch den Wärmetauscher 14 gekühlt werden
und ggf. entfeuchtet werden. Die Trockenphase während der Sommerzeit entspricht
der Trockenphase während
der Winterzeit. Während
der Nichtnutzungsphase erfolgt eine freie Nachtkühlung mittels der Lüftungsanlage,
soweit die Temperatur der nächtlichen
Außenluft
dies zulässt. Während des
Stützbetriebes
kann die Luft-/Wasserwärmepumpe
im Reversierbetrieb aktiviert werden, so dass Kälte im Speicher erzeugt wird.
Die hierbei entstandene Wärme
kann über
die Fortluft abgegeben werden. Während
der Nutzungsvorbereitungsphase kann der Raum mittels der Lüftungsanlage
gelüftet
werden und ggf. mit trockener kalter Luft abgekühlt werden.
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Optional
kann das System ebenfalls mit mindestens einem Waschbecken vorgesehen
werden, wobei das in dem Speicher 11 gespeicherte Wasser als
Trinkwasser verwendet werden kann. Während der Sommerzeit kann es
notwendig sein, das Wasser aus dem Speicher mittels eines Kleindurchlauferhitzers
zu erwärmen.
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Das
Heiz-/Lüftungssystem
gemäß der Erfindung
betrifft den Gedanken, überschüssige Wärme aus
den Räumen
in einem Speicher zu speichern und die gespeicherte Wärme anschließend zum
Heizen/Lüften
zu verwenden.
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Das
Heiz-/Lüftungssystem
gemäß der Erfindung
weist vorzugsweise ein übersichtliches
Bedienfeld zur Bedienung der Grundfunktionen auf. Das System weist
ferner optional eine Datenkommunikationsschnittstelle zur Datenkommunikation
mit weiteren Systemen und/oder einer Zentrale, wie beispielsweise
eine PC-Zentrale
auf. Mittels dieser Datenkommunikation kann eine vollständige Bedienung des
Systems erfolgen. Die Datenkommunikation kann dabei ebenfalls für eine Vernetzung
der elektronischen Datenverarbeitung in dem Gebäude verwendet werden. Das System
kann optional eine WLAN-Bridge in dem Raum vorsehen, so dass mittels
einer WLAN-Verbindung auf das Schulnetz oder das Internet zugegriffen
werden kann. Das System kann ferner eine Zentraleinheit zum Verwalten
eines Zeitprogramms aufweisen. Das Zeitprogramm kann dazu dienen,
die Nutzungszeiten der Räumlichkeiten beispielsweise
innerhalb der nächsten
Woche zu speichern.
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Das
Heiz-/Lüftungssystem
dient dazu, komfortable Nutzungsbedingungen hinsichtlich der Temperatur
und der Luftfeuchtigkeit während
der Nutzungszeiten der Räumlichkeiten
vorzusehen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Koordination
des hygienischen Luftaustausches, der Erwärmung, Entfeuchtung, des Kühlens und
Befeuchtens von Luft erfolgen. Basierend auf der Messung der Luftqualität kann der
benötigte
Luftwechsel gesteuert bzw. geregelt werden. Die Hygiene der Anlagenteile des
Systems, die einer Feuchtigkeit ausgesetzt werden, muss entsprechend
sichergestellt werden. Das System kann ferner dazu verwendet werden,
die erforderlichen Wärme-/Kältemengen,
welche während der
Nichtnutzungsphase gespeichert werden müssen, festzulegen. Durch das
System können
die verschiedenen Funktionsgruppen, wie beispielsweise der Lüftungswärmetauscher
und die Abluftwärmepumpe,
miteinander koordiniert werden. Ferner können Daten der Wettervorhersage
mit in die Steuerung des Systems einbezogen werden. Das System muss ausreichend
gegen eine Vereisung des Wärmetauschers
im Fortluftkanal insbesondere während
des Winterbetrie bes gesichert werden. Dies kann beispielsweise durch
eine zyklische Enteisung durch eine Umkehrung des Kältekreises
erfolgen. Die Speicherladepumpe kann hinsichtlich ihrer Drehzahl
gesteuert werden. Das System kann ferner eine ggf. notwendige Verschattung
der Fenster mit steuern.
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Das
System kann ferner eine Überwachungseinheit
zur Überwachung
der Anlage und zum Melden von Störungen
bzw. Wartungseinsätzen
aufweisen.