DE102008018501A1

DE102008018501A1 - Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft

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Publication number: DE102008018501A1
Application number: DE102008018501A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft aus einem Raum mittels eines Wärmetauschers, der aus von einem flüssigen Medium durchströmten und von der Abluft umströmten Rohren besteht, wobei die Temperatur des flüssigen Mediums geringer als die Temperatur der Abluft ist, wobei das flüssige Medium eine Sole ist, und die Differenztemperatur zwischen Sole und Abluft mindestens 8°C beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft aus einem Raum mittels eines Wärmetauschers, der aus von einem flüssigen Medium durchströmten und von der Abluft umströmten Rohren besteht, wobei die Temperatur des flüssigen Mediums geringer als die Temperatur der Abluft ist.
Zur Einhaltung einer gewissen Luftqualität ist es erforderlich, in Räumen bzw. Gebäuden einen Luftaustausch vorzusehen. Bei kleinen Räumen kann dies in einfacher Weise durch Öffnen der Fenster oder Türen erfolgen. Bei großen Gebäuden, wie beispielsweise Kaufhäusern, Banken, Industriegebäuden oder auch Stallungen in der Landwirtschaft reicht das Öffnen der Fenster und Türen jedoch nicht aus, um den erforderlichen Luftaustausch zu gewährleisten. Für eine Vielzahl von Gebäuden sind sogar Mindest-Luft-Wechselraten vorgeschrieben, die lediglich durch Vorsehen von Anlagen zum Absaugen der Luft und Zuführen frischer Luft einzuhalten sind. Hinzu kommt, dass insbesondere bei neueren Gebäuden oftmals Klimaanlagen vorgesehen sind, deren Wirkungsgrad erheblich abnimmt, wenn Frischluft durch Öffnen der Fenster oder Türen dem Raum zugeführt wird.
Um den erforderlichen Luftaustausch zu gewährleisten finden Anlagen Anwendung, die Abluft aus den Räumen absaugen und in die Umgebung führen. Da die Abluft Raumtemperatur hat, wird die darin enthaltene Energie ungenutzt in die Umgebung entlassen. Zur Vermeidung dieses Problems ist es bekannt, Wärmetauscher in den Abluftstrom einzubauen. Durch das Vorsehen eines Wärmetauschers wird der Abluft Wärme entzogen, die dann anderweitig genutzt werden kann, was insgesamt zu einer Energieeinsparung führt.
Bei der Energiegewinnung aus Abluft mithilfe von Wärmetauschern tritt jedoch das Problem auf, dass die Wärmetauscher stark verschmutzen, da die Abluft Staubpartikel enthält. Dies gilt insbesondere für die Abluft aus Stallungen; aber auch die Abluft von Büros oder Kaufhäusern ist stark mit Staubpartikeln kontaminiert. Durch die Verschmutzung ist die Effizienz der Wärmetauscher stark reduziert.
Zur Vermeidung dieser Probleme ist es bekannt, die den Räumen entzogene Abluft zu filtern. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass die Filteranlagen ebenfalls sehr schnell stark verschmutzen, so dass ein relativ hoher Wartungsaufwand erforderlich ist, um eine Reinigung und damit fehlerfreie Funktion zu gewährleisten. Zudem erhöhen die vorgeschalteten Filter den Staudruck in der Abluft, was zu einer weiteren Reduzierung des Wirkungsgrads führt. Darüber hinaus ist bei der Verwendung von Filteranlagen in der Regel eine größere Gebläseeinheit erforderlich, die mehr Energie verbraucht, so dass die Energiebilanz der Anlage schlecht ist.
Zur Verhinderung der Verschmutzung der Wärmetauscher ist es bekannt, Wasserzerstäuber vorzusehen, die den Tauscher gleichmäßig umspülen. Das Vorsehen einer Sprühanlage bedeutet jedoch auch einen höheren Energieeinsatz, wodurch die Energiebilanz der Anlagen verschlechtert ist. Gleiches gilt für die ebenfalls bekannte Einbringung von Druckluft zur Reinigung der Wärmetauscher. Die mit Wasser betriebenen Sprühanlagen benötigen zudem einen erhöhten apparativen Aufwand für die Zu- und Abfuhr des Wassers.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft aus einem Raum zu schaffen, bei der auf die zusätzliche Anordnung von Filtern oder Sprühanlagen verzichtet werden kann und die dennoch einer Verschmutzung vorbeugen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das flüssige Medium eine Sole ist und die Differenztemperatur zwischen Sole und Abluft mindestens 8°C beträgt.
Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft aus einem Raum geschaffen, bei der auf die Anordnung von Filtern oder Sprühanlagen verzichtet werden kann, ohne die Verschmutzung des Wärmetauschers zu befürchten. Dies ist darin begründet, dass auf Grund der Temperaturdifferenz zwischen Sole und Abluft eine Kondensation an den Rohren, durch die die Sole fließt, erfolgt. Die Kondensation des Wassers aus der Abluft bewirkt, dass die Rohre des Wärmetauschers ständig feucht sind und dass das auf den Rohren niederschlagende Wasser nach unten abtropft. Hierdurch ist eine ständige Reinigung mit Hilfe von Wasser erzielt, so dass eine dauerhafte Verschmutzung durch Staubpartikel nicht eintreten kann. Das auf den Rohren auskondensierende Wasser hat zudem den Vorteil, dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers durch die so genannte Kondensationskälte erhöht ist.
In Weiterbildung der Erfindung bestehen die Rohre aus Polyethylen. Die Verwendung von Polyethylen hat einerseits den Vorteil, dass das es sich bei die sem Material um ein nicht rostendes Material handelt, andererseits die Herstellung beliebiger Formen der Rohre mithilfe dieses Materials problemlos möglich ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher ein Plattentauscher. Diese Art der Wärmetauscher haben einen sehr guten Wirkungsgrad. Zudem besteht auf Grund der in der Regel miteinander verschraubten Platten die Möglichkeit, den Wärmetauscher problemlos zu erweitern.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher ein Rohrbündeltauscher. Die Verwendung eines Rohrbündelwärmetauschers bietet neben einem guten Wirkungsgrad auch die Möglichkeit, den Wärmetauscher auf engstem Raum durch Verwendung von Rohren mit kleinem Durchmesser und engem Verlauf der zueinander benachbarten Rohre bereitzustellen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung steht der Wärmetauscher mit einer Wärmepumpe in Verbindung. Dabei handelt es sich um eine Gerätschaft, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Durch die Verbindung des Wärmetauschers mit einer Wärmepumpe besteht die Möglichkeit, die aus der Abluft gewonnene Wärme zum Heizen beispielsweise des Gebäudes, dem die Abluft entzogen wurde, zu verwenden. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad der gesamten Anlage weiter erhöhen.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
1 die prinzipielle Darstellung eines Schnitts durch einen Rohrbündelwärmetauscher;
2 die prinzipielle Darstellung der Seitenansicht der Vorrichtung;
3 die prinzipielle Darstellung der stirnseitigen Ansicht der in 2 dargestellten Vorrichtung.
Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft aus einem Raum umfasst einen Wärmetauscher 1, der in einem Abluftschacht 2 angeordnet ist. Durch den Abluftschacht 2 führt in Richtung der mit „3” gekennzeichneten Strömungsrichtung die Abluft, die beispielsweise eine Temperatur von 20°C aufweist, wenn sie den Räumen eines Kaufhauses entnommen ist. Soweit die Abluft Stallungen entzogen ist, kann die Temperatur auch höher als 20°C sein.
Bei dem Wärmetauscher 1 kann es sich um einen Plattentauscher oder auch um einen Rohrbündeltauscher handeln, wie er prinzipiell in 3 dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel sind in dem Wärmetauscher 1 Rohre 4 angeordnet. Die Rohre 4 des Wärmetauschers 1 sind geschwungen angeordnet. In der Draufsicht haben die Rohre 4 den Verlauf einer Acht. Die Rohre 4 sind zwischen einem Zulauf 5 und einem Ablauf 6 vorgesehen. Sie bestehen aus Polyethylen. Die Rohrwandung beträgt im Ausführungsbeispiel 2 mm.
Die Rohre 4 des Wärmetauschers 1 werden von einem flüssigen Medium durchströmt, bei dem es sich um Sole handelt, also eine Salz-Wasser-Lösung. Die Sole durchströmt die Rohre mit einer geringen Temperatur, beispielsweise 0°C. Die Zirkulation wird durch eine in dem Solekreislauf angeordneten Pump; erzeugt.
Die Abluft 3 ist dem jeweiligen Raum entzogen, was durch – nicht dargestellte – Ventilatoren erfolgen kann. Die Luft hat die jeweils in dem Raum befindliche Raumtemperatur, die für den Fall, dass es sich um die Entlüftung eines Kaufhauses handelt, beispielsweise bei 20°C liegt. Mit dieser Temperatur durchströmt die Abluft 3 den Abluftschacht 2. Da es sich bei der Abluft 2 nicht um trockene, sondern feuchte Luft handelt, kondensiert die Feuchtigkeit in der Abluft beim Auftreffen auf die Rohre 4 des Wärmetauschers 1 aus. Sie schlägt sich auf den Rohren 4 nieder. Das auskondensierte Wasser tropft von dem Wärmetauscher ab und wird von einem Kondensatsammler 7 aufgefangen, der einen Auslauf 8 aufweist.
Die Untersuchungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben zu sehr guten Ergebnissen geführt. So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass sich bei einer Temperatur von 20°C des einströmenden Abluftstroms in den Abluftschacht und einer gleichzeitigen Sole-Temperatur von 0°C eine Austrittstemperatur der Abluft von 17°C einstellt. Zugleich nimmt die Temperatur der Sole auf ca. 8°C zu. Beim Auftreffen der Abluft auf den Wärmetauscher kondensiert ein Teil des in der Abluft enthaltenen Wassers aus. Durch das auf dem Wärmetauscher auskondensierende Wasser wird dieser kontinuierlich feucht gehalten. Das Abtropfen des Kondensats führt gleichzeitig zu einer Reinigung des Wärmetauschers, so dass die in der Abluft enthaltenen Partikel keine Möglichkeit haben, sich auf dem Wärmetauscher dauerhaft abzulagern und diesen zu verschmutzen. In Folge dessen ist der Wärmetauscher ständig sauber, so dass keine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades durch Verschmutzung hervorgerufen ist. Dies bietet beispielsweise bei der Entlüftung von Kaufhäusern erhebliche Vorteile, da der bisher ungenutzt in die Umgebung entlassenen Abluft Restwärme entzogen werden kann, die wie nachfolgend beschrieben nutzbar ist; gleichzeitig ist kein zusätzlicher Wartungsaufwand für die Reinhaltung des Wärmetauschers erforderlich. Noch größere Vorteile bietet die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Entlüftungsanlagen von Stallungen, da hier einerseits die Raumtemperatur hoch ist, andererseits eine hohe Kontamination mit Partikeln in der Abluft vorhanden ist. Gerade hier stellt sich die selbstständige Reinhaltung des Wärmetauschers als vorteilhaft heraus.
Der Wärmetauscher 1 steht mit einer Wärmepumpe in Verbindung. Dabei handelt es sich um eine Apparatur, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau anhebt. Die Wärmepumpe hat einen Verdichter, der elektrisch durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Der Verdichter komprimiert die Sole. Die beim Verflüssigen der Sole freigesetzte Energie wird in einem Wärmeüberträgen auf das Wärmeträgermedium des Heizkreises übertragen. Die Sole entzieht nach der Entspannung beim Verdampfen der Umgebung Wärme. Die eingesetzte Antriebsenergie des Verdichters sowie die der Umgebung entzogene Wärme bilden die nutzbare Wärmeenergie. Diese Energie wird beim Vorsehen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Kaufhaus-Entlüftungsanlagen beispielsweise dazu genutzt, die Luftschleier an den Eingangstüren der Kaufhäuser mit warmer Luft zu versorgen. Hierdurch ist eine außerordentliche hohe Energieeinsparung möglich, da bisher bei den Kaufhäusern die Luftschleieranlagen mit zusätzlicher Energie betrieben werden. Selbstverständlich sind auch andere Nutzungsmöglichkeiten der gewonnenen Energie möglich. Beispielsweise ist ein Beheizen von Gebäuden oder auch des Kaufhauses selbst möglich.
Durch die Verwendung der Wärmepumpe in dem beschriebenen Kreislauf besteht die Möglichkeit, die Leistungszahl des Kreislaufes (so genannte COP „Coefficient of performance”) deutlich zu verbessern. Bei der COP handelt es sich um den Quotient aus der Wärme, die in den Heizkreis abgegeben wird, im Verhältnis zu elektrischen Arbeit, die für den Verdichter aufgewendet wird. Durch die Verwendung der Wärmepumpe in dem beschriebenen Kreislauf wird der COP-Wert um den Faktor 3 verbessert.

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus Abluft aus einem Raum mittels eines Wärmetauschers, der aus von einem flüssigen Medium durchströmten und von der Abluft umströmten Rohren besteht, wobei die Temperatur des flüssigen Mediums geringer als die Temperatur der Abluft ist, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium eine Sole ist, und die Differenztemperatur zwischen Sole und Abluft mindestens 8°C beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (4) aus Polyethylen bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Plattentauscher ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Rohrbündeltauscher ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) mit einer Wärmepumpe in Verbindung steht.