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Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus wasserabsorbierendem Absorptionsmittelkreislauf und Wärmeübertrager mit semipermeabler Membran zur stillen Klimatisierung - Kühlung oder Heizung bei gleichzeitiger Luftfeuchteregulierung - eines Raumes. Die Anordnung bietet sich sowohl für die zentrale als auch für die dezentrale Klimatisierung von Räumen an.
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Es gibt derzeit eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Luft eines Raumes zu kühlen und zu entfeuchten, wobei die Vorgänge der Temperierung und der Entfeuchtung meist in voneinander getrennten Prozessen stattfinden.
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Das Kühlen von Räumen und das Entfeuchten der Raumluft erfolgt in modernen Anlagen energetisch wirtschaftlich dadurch, dass die sensible Wärme über Kühldecken mittels eines Kaltwassersystems und die latente Wärme über ein Lüftungssystem mit aufbereiteter getrockneter Luft abgeführt wird.
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Eine weit verbreitete Methode der Luftaufbereitung besteht darin, die Luft mit Kühlern, deren Oberflächentemperatur unterhalb des Taupunktes der Luft liegt, zu temperieren. Dies geht jedoch mit dem Nachteil einher, dass sich an den kalten Oberflächen des Wärmeübertragers stets Kondenswasser bildet, das abgeführt werden muss. Permanente Feuchtigkeit ist wiederum ein idealer Nährboden für Schimmel und Bakterien. Solche Vorrichtungen müssen daher regelmäßig gereinigt werden, um solchen Beeinträchtigungen vorzubeugen.
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Weitere Vorrichtungen zur Entfeuchtung und Temperierung von Luft mit übereinander gestapelten und jeweils um 90° gedrehten Strukturen, die aus Abstandselementen und wasserdampfdurchlässigen bzw. wasserdampfabsorbierend beschichteten Membranen bestehen, sind aus
JP 2006 -
097 958 A ,
US 2005/ 0 082 045 A1 ,
US 7 470 311 B2 ,
US 6 536 514 B1 und
US 6 019 170 A bekannt. Hierbei wird ein Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen zwei, durch die gestapelten Abstands- elemente orthogonal zueinander geführten, Luftströmen ermöglicht.
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Eine Möglichkeit zur Luftkühlung mit gleichzeitiger Entfeuchtung der Luft besteht darin, die Luft in LiCl-Absorptionsanlagen (direkte Absorption) aufzubereiten. Bei dieser Methode wird die warme und feuchte Luft in direkten Kontakt mit einem gekühlten Absorptionsmittel, das den in der Luft befindlichen Wasserdampf absorbiert, gebracht, wodurch die Luft abgekühlt und gleichzeitig entfeuchtet wird. Da die Luft im direkten Kontakt mit dem Absorptionsmittel steht, können sich jedoch gesundheitsschädliche Aerosole bilden, die zusammen mit der aufgearbeiteten Luft in die zu klimatisierenden Räume gelangt. Die Menge des Absorptionsmittels wird daher permanent geringer und muss regelmäßig ergänzt werden. Ein weiterer Nachteil der direkten Absorption besteht darin, dass das Absorptionsmittel in direkten Kontakt mit der Luft kommt und darin befindliche Schmutzpartikel von diesem aus der Luft gewaschen werden und sich im Absorptionsmittel ansammeln. Aufgrund der Verschmutzung des Absorptionsmittels muss dieses entweder regelmäßig gewechselt oder zumindest gereinigt werden. Nicht zu vernachlässigen ist auch der Aspekt, dass das Einatmen des Aerosols gesundheitsschädlich sein kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch das Mitreißen der hochkorrosiven Absorptionsmittel-Aerosole in die nachfolgenden Lüftungskanäle bzw. Luftbehandlungsgeräte diese in kurzer Zeit zerstört werden, wenn sie nicht durch den kostenintensiven Einsatz solebeständiger Materialien geschützt werden.
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Eine Lösung zur stillen Klimatisierung von Räumen, bei der die Luft mit Hilfe eines Absorptionsmittels gleichzeitig entfeuchtet und gekühlt wird, ohne dass die Luft in direkten Kontakt mit dem Absorptionsmittel kommt, ist in
DE 198 16 185 C1 beschrieben. Mittels eines flächenförmigen Bauelementes, in dem ein System aus Hohlelementen integriert ist, das von einem Kühl- oder Heizmittel durchflossen wird, wird die Luft aufbereitet. Die Hohlelemente sind im Wesentlichen Kapillarmembranen, in denen ein gekühltes Absorptionsmittel fließt. Durch die Poren der Membranen kann Wasserdampf in das Absorptionsmittel diffundieren; dabei wird der Luft gleichzeitig sensible und latente Wärme entzogen, ohne den negativen Effekt, dass sich Aerosole bilden oder dass das Absorptionsmittel durch die Luft verschmutzt wird.
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Der Transfer von sensibler Wärme ist bei alleiniger Anwendung von Kapillarmembranen jedoch verhältnismäßig gering, daher sind Ausführungsvarianten des Kapillar-Wärmeübertragers mit zusätzlichen Leitungen aus üblichen, nicht wasserdampfpermeablen Kunststoffen vorgesehen, die mit Kalt- bzw. Warmwasser durchflossen werden. Diese Leitungen verlaufen entweder parallel oder orthogonal zu den Kapillarmembranen. Werden die Kunststoffrohre von stark abgekühltem Wasser durchflossen (Temperatur der Rohre liegt unterhalb des Taupunktes der Luft) bildet sich an den kalten, wasserdampfundurchlässigen Kunststoffrohren Kondenswasser, das abgeführt werden muss, um Schimmel- und Geruchsbildung zu verhindern. Die sichere Abfuhr von Kondenswasser ist in dem vorliegenden Fall jedoch nicht möglich, da die Kapillarmembranen und die Kunststoffrohre nicht flächendeckend aneinander liegen.
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Die Befestigung des Kapillarrohrsystems auf dem flächenförmigen Raumelement wird vorschlagsgemäß durch Einpressen in Sicken, mit Klipsen oder Andrücken mit einer Platte bewerkstelligt. Diese Methoden sind technisch aufwendig und kostenintensiv. Ein weiter Nachteil besteht darin, dass aufgrund der aufwendigen Befestigung wenig Kühl- bzw. Heizfläche pro Flächenelement untergebracht werden kann. Dies geht mit dem Nachteil einher, dass die Kühl- bzw. Heizelemente flächenmäßig sehr groß gebaut werden müssen, um eine akzeptable Kühl- bzw. Heizleistung zu erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung aus wasserabsorbierendem Absorptionsmittelkreislauf und Wärmeübertrager mit wasserdampfpermeabler Membran bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Insbesondere soll ein Wärmeübertrager zur Verfügung gestellt werden, der sich durch eine kompakte Bauform auszeichnet und die Bildung von Kondenswasser an seinen Oberflächen gänzlich ausschließt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.
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Nach Maßgabe der Erfindung weist die Anordnung zur Kühlung oder Heizung eines Raumes bei gleichzeitiger Entfeuchtung der im Raum befindlichen Raumluft zumindest einen wasserabsorbierenden Absorptionsmittelkreislauf und einen als ein flächenförmiges Bauelement, auf dessen einer Seite eine flache, wasserdampfpermeable Membran angeordnet ist, ausgebildeten Wärmeübertrager auf. Eine Membranoberfläche dieser wasserdampfpermeablen Membran ist der Raumluft ausgesetzt, die zweite Membranoberfläche wird zumindest teilweise von dem zirkulierenden wasserabsorbierenden Absorptionsmittel hinterflossen. Der Wärmeübertrager zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen zumindest einer der Oberflächen der wasserdampfpermeablen Membran und einem flächenförmigen wasserdampfundurchlässigen Element, im Folgenden Trägerplatte genannt, ein durchströmbares Abstandselement angeordnet ist. Dieses Abstandselement ist dabei sowohl mit der wasserdampfpermeablen Membran als auch mit der flächenförmigen Trägerplatte des Bauelements verbunden. Des Weiteren ist das Abstandselement in der Art gestaltet, dass mindestens zwei, räumlich voneinander getrennte Kanalsysteme gebildet werden.
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Der Vorteil eines derart aufgebauten Wärmeübertragers besteht darin, dass ein verhältnismäßig hoher Volumenstrom hinter der Membran zirkulieren kann. Durch vorheriges Abkühlen bzw. Erwärmen des Absorptionsmittels kann eine hohe Menge an sensibler Wärme über die Membran an das Absorptionsmittel bzw. an die Raumluft übertragen werden. Gleichzeitig wird durch die Diffusion von Wasserdampf durch die Membran ein hoher Betrag an latenter Wärme übertragen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager überträgt auf die Membranoberfläche bezogen einen wesentlich höheren Anteil an Wärme als ein Wärmetauscher mit Kapillarmembranen, wie er aus dem o. g. Stand der Technik bekannt ist. Somit können kompakte und leistungsfähige Wärmeübertrager zur Raumklimatisierung zur Verfügung gestellt werden.
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In einer ersten Ausgestaltungsvariante besteht der in der Anordnung eingesetzte Wärmeübertrager aus einer Trägerplatte, einer wasserdampfpermeablen Membran und einem Abstandselement, das zwischen der Membran und der Trägerplatte angeordnet ist. Dabei wird das Abstandselement, welches mit der Membran und der Trägerplatte dauerhaft verbunden ist, zumindest teilweise von einer wasserabsor- bierenden Sole durchflossen, sodass die eine Oberfläche der Membran mit der Sole und die andere Membranoberfläche mit der zu klimatisierenden Raumluft in Kontakt steht. Das Abstandselement ist bevorzugt eine einseitig offene Stegplatte, die industriell sehr preisgünstig hergestellt werden kann. Die Öffnungen der Stegplatte weisen bei dieser Variante Richtung Membran, mit der die Stegplatte gleichfalls fest verbunden ist. Die Trägerplatte ist eine thermisch isolierende, solebeständige Kunststoff- oder Keramikplatte. Die Sole wird zentral heruntergekühlt, entfeuchtet und anschließend dem Wärmeübertrager zugeführt. Über die Membran wird der Raumluft somit sensible Wärme entzogen, wodurch sich diese abkühlt. Gleichzeitig wird eine Bildung von Kondenswasser an der mit der Raumluft in Kontakt stehenden Membranoberfläche verhindert, auch wenn die Membranoberfläche die Taupunkttemperatur der Raumluft unterschreitet. Aufgrund der Wasserdampf-Partialdruck-Differenz zwischen entfeuchteter Sole und der Raumluft diffundiert sich bildendes Kondenswasser sofort durch die Membran hindurch in die Sole. Folglich entsteht dadurch an der der Raumluft ausgesetzten Membranoberfläche kein Schwitzwasser. Der Bildung von Bakterien- und Schimmelwachstum, welches durch Kondens- bzw. Schwitzwasserbildung begünstigt wird, wird somit entgegengewirkt. Gleichzeitig wird durch den Entzug von Wasser aus der Raumluft dieser zusätzlich Wärme entzogen; es findet parallel zum sensiblen Wärmeentzug auch ein latenter Wärmeentzug statt. Diese Form des Wärmeübertragers eignet sich besonders zur flächigen Montage an der Decke eines zu klimatisierenden Raumes.
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In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung des in der Anordnung eingesetzten Wärmetauschers verfügt dieser über eine Stegplatte, bei der nur jeder zweite durch die Stege gebildete Kanal geöffnet (ausgeklinkt) ist. An der Seite der Stegplatte, auf der jeder zweite Kanal geöffnet ist, wird die Membran befestigt. Durch die geöffneten Kanäle fließt die wasserabsorbierende Sole, die mit der Membran in direktem Kontakt steht. Durch die ungeöffneten Kanäle der Stegplatte fließt gekühltes Wasser. Bevorzugt strömen Sole und gekühltes Wasser in entgegengesetzte Richtungen.
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Man erhält somit zwei getrennte Kreisläufe von Sole und Kaltwasser, mit denen man die Temperierung und Entfeuchtung der Luft getrennt voneinander regulieren kann.
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Alternativ zu den ausgeklinkten Stegplatten ist vorgesehen, die Abstandselemente aus Kunststoffplatten herzustellen, die mit Kanalstrukturen versehen sind. Durch das Befestigen der Membran auf der Kunststoffplatte werden räumlich voneinander getrennte Kanalsysteme gebildet, durch die das Wasser und das Absorptionsmittel geführt werden.
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Basierend auf dem Grundgedanken der getrennten Regulierung von Temperatur und Entfeuchtung der Raumluft ist ein in der Anordnung eingesetzter Wärmeübertrager der folgenden Form vorgesehen.
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Auf einem flächenförmigen, wasserdampfundurchlässigen und isolierendem Trägerelement wird eines der schon zuvor beschriebenen Abstandselemente befestigt, das von gekühltem Wasser durchflossen wird. Auf diesem Abstandselement wird eine ebenfalls wasserundurchlässige und solebeständige Folie befestigt. Auf dieser wird ein weiteres Abstandselement befestigt, das von entfeuchteter Sole durchströmt wird. Auf diesem Abstandselement wird schließlich die wasserdampfpermeable Membran angebracht. Auf diese Weise steht die gesamte Membranoberfläche mit der Sole in Kontakt. So wird eine Kondenswasserbildung auf der gesamten mit der Luft in Kontakt stehenden Membranoberfläche verhindert. Über die getrennten Kreisläufe des temperierten Wassers und der entfeuchteten Sole lässt sich wiederum eine variable Variation der Raumluftparameter realisieren. Bevorzugt durchströmen auch hier Wasser und Sole den Wärmeübertrager nach dem Gegenstromprinzip.
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Alle Ausgestaltungsvarianten des Wärmeübertragers, die den Einsatz einer prozess- kühlenden Flüssigkeit (z.B. Kaltwasser) vorsehen, sind durch den besonderen Vorteil gekennzeichnet, dass sich die Menge des im Prozess benötigten Absorptionsmittels auf ein Minimum reduzieren lässt, welche notwendig ist, um ausschließlich den latenten Anteil der Wärmeübertragung (Wasserdampftransport) zu gewährleisten. Die prozesskühlende Flüssigkeit führt die durch den Entfeuchtungsprozess freiwerdende Sorptionswärme ab und übernimmt den sensiblen Anteil der Wärmeübertragung.
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Zudem sind Formen der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung aus wasserabsorbierendem Absorptionsmittelkreislauf und Wärmeübertrager denkbar, bei denen die Anordnung nicht ausschließlich zur Kühlung und Entfeuchtung von Raumluft verwendet wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch zum Heizen und Befeuchten von Räumen geeignet. Besteht ein Wasserdampf-Partialdruckgefälle von der Sole zur Luft hin, so diffundiert Wasser aus der Sole durch die Membran in die Luft. Dies erweist sich besonders im Winter, wenn die Raumluft durch verstärktes Heizen trocken wird, als sehr vorteilhaft.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen und den 1 bis 3 noch näher erläutert. Hierbei zeigt, in jeweils schematischer Darstellung:
- 1 einen Wärmeübertrager mit teilweise ausgeklinkter Stegplatte als Abstandselement für getrennte Kreisläufe für Wasser und Sole;
- 2 einen Wärmeübertrager mit einer gegossenen Kunststoffplatte mit Kanälen;
- 3 einen weiteren Wärmeübertrager mit in eine Kunststoffplatte gefrästen Kanälen.
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Der Wärmeübertrager gemäß 1 weist zwischen der Membran 1 und einer auf der Trägerplatte 4 angeordneten Kunststoffplatte /-folie eine Stegplatte 5 aus Kunststoff auf, die das erfindungsgemäße Abstandselement 2 darstellt. Von den zwei Deckschichten und den Stegen 6 werden in der Stegplatte 5 zwei voneinander getrennte Kanalsysteme gebildet, wobei die Endlinien der Stege 6 mit der Kunststoff- platte /-folie hermetisch dicht verbunden sind. Jeder Kanal des ersten Kanalsystems wird mit Sole 10 und die Kanäle des anderen Kanalsystems mit Wasser 13 durchströmt. Bei den Kanälen, durch die die Sole 10 fließt, wurde die Deckschicht der Stegplatte 5, die mit der Membran 1 verbunden ist, entfernt, damit die Sole 10 mit der - in Bezug auf das Bauelement - inneren Fläche der Membran 1 in Kontakt kommt. Bei dieser Ausgestaltungsvariante des Wärmeübertragers wird eine getrennte Regelung von Kühl- bzw. Heiz- und Entfeuchtungsleistung sichergestellt. Die zu klimatisierende Raumluft 7 strömt entweder aufgrund einer vorhandenen Konvektionsströmung an der - in Bezug auf das Bauelement - äußeren Fläche der Membran 1 entlang oder sie wird mit Hilfe von Lüftern an der Membran 1 entlang geführt.
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2 zeigt einen Wärmeübertrager mit einer Kunststoffplatte aus Spritz- oder Anguss als Abstandselement 2, die mit parallelen Kanälen versehen ist. Die Membran 1 wird auf der einen Seite der Kunststoffplatte an den, an den Endlinien der Trennwände 6 angeordneten, Querstegen befestigt, eine isolierende Trägerplatte 4 auf der anderen Seite des Abstandselements 2. Durch die Kanäle, die der inneren Membranoberfläche der Membran 1 zugewandt sind, wird wasserabsorbierende Sole 10 geleitet; durch die Kanäle, die der Trägerplatte 4 zugewandt sind, wird gekühltes bzw. erwärmtes Wasser 13 geleitet. Dieser Wärmeübertrager besitzt folglich zumindest zwei voneinander getrennte Kreisläufe, über die sich die Entfeuchtungs- und Kühl- bzw. Heizleistung des Wärmeübertrager getrennt einstellen lassen. Die Durchströmung des Wärmeübertragers mit Sole 10 und Wasser 13 erfolgt nach dem Gegenstromprinzip.
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In 3 ist ein Wärmeübertrager mit einem Abstandselement 2 dargestellt, in das eine Kanalstruktur eingefräst wurde. Membran 1 und Trägerplatte 4 auch dieses Wärmeübertragers sind kraftschlüssig miteinander verbunden. Dieser Wärmeübertrager wird sehr großflächig von einer wasserabsorbierenden Sole 10 hinterflossen, wodurch er eine hohe Entfeuchtungsleistung besitzt. Über die Kanäle, in denen Wasser 10 strömt und die räumlich durch die Trennwände 6 und den zwischen diesen Trennwänden 6 angeordneten Trennstegen von den Sole 10 durchströmten Kanälen getrennt sind, wird die Kühl- bzw. Heizleistung des Wärmeübertragers reguliert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserdampfpermeable Membran
- 2
- Abstandselement
- 4
- Trägerplatte
- 5
- Stegplatte
- 6
- Steg/Trennwand
- 7
- Raumluft
- 10
- Absorptionsm ittel/Sole
- 13
- Wasser
