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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur vorzugweise dezentralen Be- und Entlüftung von Arbeitsräumen und Wohnungen sowie einzelner Räume unter gleichzeitigem Austausch der thermischen Energie der Medienströme.
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Energieeinsparziele für den Gebäudebereich und die gestiegenen Anforderungen an die Dichtheit der äußeren Gebäudehülle führen zu dem vermehrten Einbau von Modulen, die der kontrollierten maschinellen Wohnungslüftung dienen. Hierbei wird ein Teil der Raumluft als sogenannte Abluft aus den Wohn- und Arbeitsräumen abgezogen und als Fortluft nach außen geblasen. Gleichzeitig strömt Außenluft als sogenannte Frischluft, ebenfalls von einem Gebläse getrieben, nach der Passage durch eine Kammer, in der Abluft und Frischluft durch eine Folie oder ein Blech voneinander getrennt sind und idealerweise im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt werden, in den oder die Wohn- oder Arbeitsräume. Die Folie stellt die Hauptwärmetauscherfläche dar über die die thermische Energie von dem einem auf den anderen Medienstrom übertragen wird. Diese Fläche, die zu- und abführenden Kanäle zum Heran- und Fortführen der Medien von den Modulein- und ausgängen bis unmittelbar an die Hauptwärmetauscherfläche und die Ventilatoren stellen das Wärmerückgewinnungslüftungsmodul, im folgenden verkürzt als Lüftungsmodul oder Lüftungseinheit bezeichnet, der hier besprochenen Art dar. Bestandteil des Wärmerückgewinnungslüftungsmoduls kann eine eigene Einhausung sein, im einfachsten Fall aus Blech, Folie oder geschäumten Kunststoff. Die Einhausung kann aber auch von einem Teil des Gebäudes dargestellt werden, in den das Modul eingebaut wird.
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Der Vorteil einer dezentralen Lüftungseinheit ist primär der Wegfall langer Lüftungskanäle, wie sie bei einer zentralen Lüftungsanlage unvermeidlich sind, Wegfall des erhöhten Raumbedarfs zur Unterbringung der Luftverteilungsnetze und der geringere Leistungsbedarf der Ventilatoren. Ihre Nachteile liegen in der Geräteanzahl, die für eine Wohnungseinheit benötigt wird und in den dadurch bedingten Kosten und in der optischen Beeinträchtigung durch wohnungs- oder gebäudefremde Bauteile.
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In der Patentanmeldung
DE 10 2009 042 273 A1 ist als Losung für dieses Problem eine Lüftungseinheit beschrieben, die so aufgebaut ist, dass sie in die Gebäudehülle integriert werden kann. Durch die spezielle Ausrichtung der Wärmetauscherfläche und falls erforderlich die Fertigung der Einhausung oder der thermischen Gebäudehülle am Einbauort unter Verwendung von Stoffen, die in ihren thermischen Isolationseigenschaften besser sind als die üblichen Isolationswerkstoffe von Gebäudehüllen wird eine nennenswerte Schwächung der Gebäudehülle hinsichtlich ihrer thermischen Schutzwirkung vermieden.
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Dieser hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Wärmetauschersysteme, für flachbauende Lüftungseinheiten, wie sie z. B. in
DE 10 2009 042 273 A1 beschrieben ist, weiterzuentwickeln.
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Stand der Technik sind zwei Wärmetauscherarten. Der Plattenwärmetauscher besteht, wie u. a. in
DE 197 37 158 A1 beschrieben, aus geschichteten Folien zwischen denen abwechselnd die Ab- und Zuluft geführt wird. Der Faltwärmetauscher dagegen besteht aus einem vielfach gefalteten Band, dem Faltflächenprofil, welches dazu dient zwischen zwei Kammern eine große Wärmeübertragungsfläche unterzubringen. Der Faltwärmetauscher wird häufig für die Kühlung von Schaltschränken, z. B.
DE 33 11 212 A1 sowie
DE 35 042 207 A1 , eingesetzt.
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Der Plattenwärmetauscher wird fast immer mit begrenzter flächenmäßiger Ausdehnung gebaut, hat aber in der Höhe kaum Beschränkungen, da sich beliebig viele Platten übereinander schichten lassen. Die Integration des Wärmerückgewinnungslüftungsmodul in die Gebäudehülle verlangt einen flach bauenden Wärmetauscher. Eigene Experiments zur flächenmäßigen Vergrößerung eines Plattenwärmetauscher haben gezeigt, dass sich die Platten ab einer bestimmten Größe sehr schnell verziehen und eine ebene Ausrichtung nur mit aufwendiger Profilierung oder Abstandshaltern, wie in
DE 197 37 158 A1 beschrieben, möglich wird. Ganz im Gegenteil dazu der Faltwärmetauscher, der sich auch bei großer Ausdehnung in der Ebene durch die Stablität der Faltungen der Faltfläche auszeichnet.
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Zum Bau von flachen Wärmetauschereinheiten ist der Faltwärmetauscher die richtige Ausführungsform. Diese Ausführung wurde weiterentwickelt und die gefundene Lösung wird im nachfolgenden beschrieben.
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Das Kernstück eines Faltwärmetauschers ist das Faltflächenprofil. 1 zeigt die schematisierte Darstellung eines Falflächenprofils in der Einbaulage wie sie bei einer Integration in eine Wand vorkommt. Das Faltflächenprofil besteht aus einem beliebig langen Band, mit (1) ist der Bandanfang bezeichnet, aus einem relativ frei wählbaren Werkstoff von in der Regel 0,1 mm Wandstärke, welches in Falten gelegt wurde und bei dem die Falten in der Hauptrichtung des Faltflächenprofils mehr oder weniger stark auseinander gezogen wurden. Die Hauptrichtung des Faltflächenprofils ist die Richtung in der sich Falte an Falte aneinanderreiht. In 1 ist die Hauptrichtung als x-Richtung definiert. Die Ausdehnung des Faltflächenprofils in dieser Richtung wird als Länge des Faltflächenprofils bezeichnet. Bei der Bezeichnung der Komponenten des Faltflächenprofils stellt man sich das Faltflächenprofil flach auf einem Arbeitstisch liegend vor. Entsprechend wurden die Achsen im eingezeichneten Koordinatenkreuz bemannt.
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Unter einer einzelnen Faltung versteht man zwei nebeneinander liegende, auf einer Längsseite miteinander verbundene Folienstreifen, die mehr oder weniger parallel zueinander senkrecht zur Hauptrichtung und damit mehr oder weniger parallel zur z- und y-Richtung ausgerichtet sind. 1a zeigt vergrößert einen Abschnitt der sichtbaren Längsseite des in 1 dargestellten Faltflächenpofils. Die Punkte (2), (3), (4) gehören zu einer hervorgehobenen einzelnen Faltung. (3) bezeichnet den Beginn der geschlossenen Längsseite, die sich in der angedeuteten Pfeilrichtung weiter erstreckt. Die offene Seite liegt zwischen den Punkten (2) und (4) und erstreckt sich ebenfalls in Richtung des eingezeichneten Pfeils. Die Faltenbreite wird in y-Richtung gemessen und ist im wesentlichen durch die Breite des Bandes, welches zum Faltflächenprofil gefaltet wurde, bestimmt. Die Falten laufen in dieser Richtung nach beiden Seiten in die Stirnflächen aus. Eine Stirnfläche der hervorgehobenen Falte ist die Linie (2), (3), (4) und die von dieser Linie umschriebene Fläche. Das in 1 skizzierte Faltflächenprofil steht auf den Stirnflächen der Faltungen der einen (linken) Längsseite des Faltflächenprofils. Die Faltenhöhe ist gleich der Höhe der zwei Folienstreifen aus dem eine Faltung aufgebaut ist und gleich, in z-Richtung gemessen, dem Abstand vom geschlossenen Grund einer Faltung, hier ändert sich die Ausrichtung der Folie um annähernd 180°, bis zur Öffnung auf der gegenüberliegenden Seite oder anders ausgedrückt bis einer Fläche die auf der gegenüberliegenden Seite auf den dort geschlossenen Längseiten aufliegt und umgekehrt. Der Raum, der von einer Faltung umfasst wird, ist immer nur von der offenen Längsseite und von den Stirnseiten, sofern diese nicht abgedeckt oder verschlossen sind, aus zugänglich. Die miteinander verbundenen Folienstreifen einer Faltung können in die geschlossene Längsseite spitz einlaufen, aber auch in Form eines Radiusses oder die geschlossenen Längsseiten können eine Erstreckung in x-Richtung aufweisen. Im letzteren Fall kann man erreichen, dass der Abstand der Flächen einer Faltung immer gleich bleibt und ein im Querschnitt quaderförmiger Raum umschlossen wird.
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Aufgrund der geringen Dicke des Bandes können auch schlecht wärmeleitende Werkstoffe, z. B. gebräuchliche Kunststoffe in Form von Bändern, Folien oder als vakuumgeformte bzw. spritzgegossene Formteile, versteifte Gewebe und Papier zum Einsatz kommen. Je geringer der Abstand der Folienabschnitte in den Faltungen ist, umso effektiver ist der Wärmeaustausch, allerdings nimmt dabei der Strömungswiderstand zu. Wird für den Abstand der Folien einer Faltung ein in y- und z-Richtung konstanter Wert von 4 mm gewählt und liegt die Höhe des so gebildeten quaderförmigen Raumes, also die Faltenhöhe zwischen 40 und 50 mm, und die Faltenbreite, d. h. der Abstand der Stirnflächen einer Faltung zueinander bei rund 500 mm so ergibt sich ein Strömungswiderstand von noch unter 10 Pascal. Bei 2 mm Faltenabstand ist der Widerstand schon so hoch, dass Axialventilatoren nicht mehr ausreichend Druck liefern und Radialventilatoren eingesetzt werden müssen.
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Die Belüftung eines Faltwärmetauschers erfolgt, in 1b schematisch mit den dunklen und hellen Pfeilen angedeutet, in der Regel durch Einblasen des Mediums zwischen die Falten nah an den Enden der Falten von der offene Längsseite her und Austritt in der Nähe der gegenüberliegenden Stirnflächen zur gleichen Seite hin, Das zweite Medium tritt in gleicher Weise auf der Gegenseite ein, in 1b ist das von unten und fließt in entgegengesetzten Richtung, im Gegenstrom, verglichen mit dem Medium der anderen Seite. Der Bereich zwischen dem Ein- und Austrittsstreifen, die Fläche ist mit (5) bezeichnet, wird abgedeckt, um das Medium in den Falten zu halten. Ebenfalls abgedeckt (6) sind die Stirnflächen der Faltungen selbst.
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Eine andere Variante der Belüftung ist in 1a angedeutet. Hierbei ist jeweils ein Teil einer Stirnfläche einer Faltung alternierend ober- bzw. unterhalb einer Linie oder eines Bandes, hier mit TR bezeichnet, abgedeckt (7) d. h. dicht verschlossen, hier durch die Schwärzung angedeutet, und zwar der Teil, der an die geschlossene Längsseite angrenzt. Werden jetzt die Faltenlängsseiten vollständig abgedeckt strömt das Medium durch den frei gebliebenen Teil der Stirnflächen in den Raum zwischen den Falten ein. Es bleibt immer der Teil der Stirnfläche offen, der in die offene Längsseite der Faltung übergeht. Diese Ausführungsform hat für die hier vorliegende Aufgabenstellung der Realisierung eines möglichst flachen Wärmetauschers den entscheidenden Vorteil, dass die Räume zum Heranführen und zum Abtransport der beiden Medienströme, vor die Stirnflächen des Faltflächenprofils gelegt werden können. Die Einhausung selbst kann praktischerweise auf dem Faltflächenprofil aufliegen und in erweiterter Form die in 1b mit (5) bezeichnete Abdeckung bilden. Die Wandstärke der Behausung benötigt grundsätzlich keine zusätzliche Reduktion im Bereich vor den Stirnflächen. Natürlich können auch Varianten eingesetzt werden bei, denen die Längsseiten nicht vollständig abgedeckt sind, sodass nur ein Teil des Mediums von der Stirnfläche her zwischen die Faltungen strömt.
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Der Verschluss der Stirnflächen ist auf den ersten Blick aufwendiger als eine einfache Abdeckung (
6) über die gesamte Stirnflächen. In
DE 10 2010 008 396 A1 erfolgt der Verschluss z. B. durch ein zusätzliches abdeckendes Bauteil. Eigene Versuche haben gezeigt, dass ein Verschluss auch gut durch eine plastische Verformung der Stirnflächen, im wesentlichen handelt es sich um ein Stauchen, ein Zusammenschieben der Folie, erfolgen kann. In die Faltung wird z. B. ein geeignet geformtes Gegenstück eingesetzt, auf das von außen von der Stirnseite her ein Formstück aufgeschoben und gepresst wird. Ein Verformen unter Temperaturerhöhung ist besonders bei Kunststoffen und Metallen als Folienwerkstoff hilfreich. Ebenso ergibt ein Verkleben von zwei nebeneinander liegenden Folienbereichen der Stirnflächen, ein Um- oder Vergiessen mit flüssigen Kunstoff oder Kunststoffschaum oder ein Falten der Endbereiche einer Faltung oder eine Kombination all dieser Massnahmen ein sicheres kostengünstiges Verschließen der Stirnflächen. Dieser Verfahrensschritt wird idealerweise an den Prozessschritt Herstellen der Falten der Folie angeschlossen. Eigene Versuche haben gezeigt, dass es wichtig ist, dass die geschlossene Längseite einer Faltung (
2) immer über einen Radius (
8), oder irgendeine andere Art von mehr oder weniger stetigem Übergang (
9) in die verformte Stirnfläche übergeht. Anderfalls kann es zu Rissen und überstarker Reduktion der Folienwandstärke in diesem Bereich kommen. Ein Schrägstellen der Stirnflächen (
10) ist ebenfalls hilfreich. Wird die Breite des Bandes aus dem das Faltflächenprofil hergestellt wird ausreichend gross gewählt, kann ein Überstand vor den Stirnseiten zu einem Band (
11) zusammengeschoben werden mit dessen Hilfe das Faltflächenprofil gut an weitere Bauteile des Lüftungsmoduls angeschlossen werden kann.
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Die Wahl des Unterbringungsortes in der Gebäudehülle muss zwei Bedingungen genügen. Zum einen soll der optische Eindruck des Gebäudes wenig gestört werden, zum anderen soll zumindest das Faltflächenprofil und die Einhausung, soweit eine eigenständige Einhausung gewählt wurde, zur Revision und Reinigung leicht entnommen werden können.
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Die gefundene Lösung macht u. a. von der Erstreckung des Faltflächenprofils in der Hauptrichtung Gebrauch. Wenn vorzugsweise eine der Seitenflächen der Einhausung, auf die die Hauptrichtung mehr oder weniger senkrecht steht, zugänglich ist lässt sich das Faltflächenprofil mit und ohne Einhausung über diese Seite „ziehen”. Bei einem Gebäude sind geeignete Stellen das Ende eines Wandstücks auf welche auch eine mehr oder weniger senkrecht stehende zweite Wand eine Gebäudeecke bildend treffen kann. Auch eine Wandunterbrechung durch Fenster oder Tür erfüllt diese Bedingung und natürlich ein Wandsprung. Der Abstand des Wärmetauschermoduls von dieser Wandecke etc. sollte nicht zu gross sein, weil sonst das Ziehen und das Reinigen der nicht gezogenen Teile des Moduls zu schwierig werden. 3 zeigt die Ecke eines Gebäudeabschnitts (12). Das in die vordere Wand integrierte Lüftungsmodul (13) ist gestrichelt eingezeichnet. Mit (14) ist eine entfernbare Abdeckung, die Teil der Wand sein kann, bezeichnet über die eine Schmalseite des Lüftungsmodul zugänglich ist. (15) und (16) sind die Zu- und Abluftöffnungen. In die Oberfläche dieses Wandabschnittes kann u. a. auch ein Solarkollektormodul zu Energieversorgung der Lüfter integriert sein. Das Lüftungsmodul muss nicht unmittelbar an die Abdeckung anschliessen. Dazwischen kann ein Freiraum (17) liegen, der eventuell mit entnehmbarem Material, z. B. Styropor, gefüllt sein darf.
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Die Formstabiltät des Faltflächenprofils nimmt mit abnehmender Folienstärke ab. Eine Reduktion der Wandstärke wird möglich, wenn dem Profil stabilisierende Formen zugeordnet werden. Umschreibt die Faltung einen P- oder T-förmigen, bzw. Doppel P- oder Doppel T-förmigen Querschnitt, 4a und 4b, auch Kombinationen miteinander und anderen geeigneten Formen sind möglich, kann sich eine Falte bei geeigneter Dimensionierung gegen die nächste abstützen. Mit den gestrichelten Linien (18) soll beispielhaft angedeutet werden, dass sich die Faltungen noch außerhalb des bezeichneten Querschnitts für eine gewisse Strecke in z-Richtung fortsetzen können. Die eingezeichneten Pfeile zeigen die Flussrichtung des Bandes. Ebenso können in das Profil eingeprägte Noppen den Folienabstand in einer Faltung absichern. Die Noppen müssen alternierend auf mindestens zwei zur x-Achse parallelen Linien angeordnet werden, wenn sie hintereinander liegen und mit ihrer Vertiefung in die gleiche Richtung weisen. Für Noppenpaare, die gegeneinander gestellt werden, gilt diese Regel je Paar. Eine weitere Alternative zur Stabilisierung der Falten ist das Aufkleben von Folienabschnitten oder Formstücken auf die geschlossenen Längsseiten der Falten.
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5 gibt in einer Prinzipskizze die Draufsicht auf das Lüftungsmodul nach Wegnahme der oberen Einhausungsfläche wieder. In der Mitte liegt das Faltflächenprofil (19). Die Zu- und Abführung der Medien an die offenen Teilbereiche der Stirnflächen erfolgt durch von den Belüftungsöffnungen des Lüftungsmoduls her sich konisch verjüngende Räume (20) und (21). Diese Räume sind in z-Richtung gesehen durch Folien, welche die Zu- von der Abluft trennen, (22) und (23), nochmals unterteilt. Wie im Schnitt A-A angedeutet fließt das Medium von der durch die Folie (23) abgetrennten unteren Kammer der rechten Seite auf die gegenüberliegende unter der Folie (22) liegende Kammer. Das Medium oberhalb der Folie (22) fließt in Gegenrichtung durch die benachbarte Faltung in die zweite oberhalb der Folie (23) liegende rechte Kammer. Dieses Muster gilt analog für alle Faltungen. Die Trennfolien (22) und (23) können, wie in der Auschnittsvergrößerung 5a wiedergegeben, sehr gut an einen überstehenden Rand des Faltflächenprofils (2, (11)) angeklebt oder angeheftet werden. Den Trennfolien werden üblicherweise zur Vergrößerung ihrer Flächen und damit ihres Anteils am Wärmeaustausch zwischen den Medien Sicken und Noppen eingeprägt oder sie werden ähnlich dem Faltflächenprofil gefaltet. Daneben ist grundsätzlich auch ihre ((22), (23)) Einbindung in das Faltflächenprofil konstruktiv möglich.
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Das Wärmerückgewinnungslüftungsmodul mit Faltflächenprofil in der hier beschriebenen Art erlaubt den Bau eines sehr flachen Lüftungmoduls geeignet z. B. für den Einbau in eine Gebäudehülle. Durch die beschriebene erfindungsgemäße Lösung z. B. das Verschließen der Stirnseiten der Falten durch plastische Verformung derselben ergibt sich ein kostengünstiges Modul, welches durch die erfindungsgmäße Einbaulage in der Nähe einer Gebäudekante den optischen Anforderungen und der technischen Notwendigkeit des Ausbaus zum Zwecke der Reinigung etc. Rechnung trägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009042273 A1 [0004, 0005]
- DE 19737158 A1 [0006, 0007]
- DE 3311212 A1 [0006]
- DE 35042207 A1 [0006]
- DE 102010008396 A1 [0014]
