DE102016001403A1

DE102016001403A1 - Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes

Info

Publication number: DE102016001403A1
Application number: DE102016001403.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Kipp
Original assignee: Moehlenhoff GmbH
Current assignee: Moehlenhoff GmbH
Priority date: 2016-02-06
Filing date: 2016-02-06
Publication date: 2017-08-10

Abstract

Es wird eine Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes angegeben, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, dem einerseits erwärmte, in Räumen des Gebäudes vorhandene Abluft und andererseits außerhalb des Gebäudes vorhandene Frischluft im Gegenstrom zugeführt werden. Im Wärmetauscher ist mindestens ein plattenförmiges, nach Art einer semipermeablen Membran aufgebautes Bauteil eingesetzt, das zwei parallel zueinander verlaufende, großflächige Seitenflächen hat. Während des Betriebes der Anlage werden die Abluft auf einer Seitenfläche des Bauteils und die Frischluft auf der gegenüberliegenden Seitenfläche desselben entlang geführt. Auf einer Seitenfläche des Bauteils ist eine fest mit demselben verbundene Schicht aus einem mit Metall beschichteten, elektrisch aktivierbaren Polymer angebracht, die verschließbare Poren aufweist und die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Poren der Schicht aus dem Polymer sind in Abhängigkeit von der absoluten Luftfeuchtigkeit der Frischluft im Vergleich mit einer vorgegebenen unteren Grenze der absoluten Luftfeuchtigkeit geöffnet oder durch Einschalten der elektrischen Spannungsquelle geschlossen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, dem einerseits erwärmte, in Räumen des Gebäudes vorhandene Abluft und andererseits außerhalb des Gebäudes vorhandene Frischluft im Gegenstrom zugeführt werden, bei welcher mindestens ein plattenförmiges, nach Art einer semipermeablen Membran aufgebautes Bauteil eingesetzt ist, das zwei parallel zueinander verlaufende, großflächige Seitenflächen hat, und bei welcher während des Betriebes der Anlage die Abluft auf einer Seitenfläche des Bauteils und die Frischluft auf der gegenüberliegenden Seitenfläche desselben entlang geführt werden.
Eine solche Anlage kann beispielsweise in Gebäuden, insbesondere in Wohngebäuden und Bürogebäuden, eingesetzt werden, um für Personen, die sich in den Gebäuden aufhalten, eine angenehme Atmosphäre zu schaffen. Maßgebliche Größen für die Atmosphäre sind die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit. Untersuchungen haben ergeben, daß ein für Menschen angenehmes Behaglichkeitsfeld bei einer Lufttemperatur zwischen etwa 20°C und 26°C sowie einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 30% bis 65% gegeben ist. Zur Einstellung entsprechender Werte sind auf dem Markt Anlagen erhältlich, die gemäß der eingangs beschriebenen Anlage aufgebaut sind. Dem Wärmetauscher wird bei einer solchen Anlage Wärme mittels eines Gebläses zugeführt, die von unterschiedlichen Wärmequellen eines Gebäudes, beispielsweise einer Küche, stammt und „gesammelt” wird. Andererseits wird dem Wärmetauscher Frischluft zugeführt, die aus der Umgebung des Gebäudes angesaugt wird.
Von der Firma PAUL Wärmerückgewinnung GmbH wird im Internet eine als Feuchte-Wärmetauscher (Enthalpie) bezeichnete Anlage angeboten, die als Element eines Wärmetauschers eine Polymer-Membran aufweist, welche mit Poren ausgerüstet ist und nach dem physikalischen Grundprinzip der Osmose arbeitet. Sie läßt in einer Richtung Feuchtigkeit durch und ist aufgrund einer speziellen, antimikrobiellen Beschichtung undurchlässig für Mikroben aller Art. Mit dieser Anlage kann entsprechend den Angaben in der Internet-Veröffentlichung neben Wärme auch Feuchte zurückgewonnen werden. Wie geeignete Werte für die relative Luftfeuchtigkeit in den Räumen eines Gebäudes eingestellt werden können, ist in der Veröffentlichung nicht angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Anlage so weiterzubilden, daß neben der Temperatur auch die relative Luftfeuchtigkeit in den Räumen eines Gebäudes automatisch innerhalb vorgegebener Grenzen eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

– daß auf einer Seitenfläche des Bauteils eine fest mit demselben verbundene Schicht aus einem mit Metall beschichteten, elektrisch aktivierbaren Polymer angebracht ist, die verschließbare Poren aufweist und die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, und
– daß die Poren der Schicht aus dem Polymer in Abhängigkeit von der absoluten Luftfeuchtigkeit der Frischluft im Vergleich mit einer vorgegebenen unteren Grenze der absoluten Luftfeuchtigkeit geöffnet oder durch Einschalten der elektrischen Spannungsquelle geschlossen sind.

Maßgeblich für den Einsatz dieser Anlage ist die in den Räumen des Gebäudes gewünschte Behaglichkeit, welche innerhalb eines Behaglichkeitsfeldes liegt, das in Abhängigkeit von der Ablufttemperatur und der Frischlufttemperatur sowie der relativen Luftfeuchtigkeit von Abluft und Frischluft eingestellt werden kann. Eine der Seitenflächen des Bauteils ist mit einer Poren aufweisenden, fest am Bauteil angebrachten Schicht aus einem mit Metall beschichteten und dadurch elektrisch aktivierbaren Polymer – im Folgenden kurz „Polymerschicht” genannt – bedeckt, deren Poren durch elektrischen Strom beeinflußt werden können. Sie ist dazu an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen, die dann eingeschaltet bzw. aktiviert wird, wenn die im Ausgangszustand der Polymerschicht offenen Poren geschlossen werden sollen. Solange die Poren der Polymerschicht offen sind, können die Wärme und die Feuchtigkeit der am Bauteil entlang geführten Abluft des Gebäudes ungehindert durch das Bauteil und auch durch die Polymerschicht hindurchtreten. Die Feuchtigkeit der Abluft kann damit in die am Bauteil ebenfalls entlang geführte Frischluft gelangen. Sie wird durch dieselbe mitgenommen und dadurch gegebenenfalls für die Räume des Gebäudes „zurückgewonnen”.
Das gilt beispielsweise solange, wie die absolute Luftfeuchtigkeit der Frischluft niedriger oder als Grenzfall gleich der einer absoluten Luftfeuchtigkeit ist, welche als untere Grenze der relativen Luftfeuchtigkeit für die in den Räumen des Gebäudes gewünschte Behaglichkeit vorgegeben ist. Wenn die absolute Luftfeuchtigkeit der Frischluft höher ist als die der Abluft, werden die Poren der Polymerschicht durch Einschalten bzw. Aktivieren der elektrischen Spannungsquelle geschlossen, und zwar durch im Metall der Polymerschicht fließenden elektrischen Strom. Die Feuchtigkeit der Abluft kann dann nicht mehr durch das Bauteil hindurchtreten, das in diesem Fall als reiner Wärmetauscher arbeitet. Die Abluft wird dann vollständig in die Umgebung des Gebäudes abgeleitet.
Maßgeblich für die Betätigung der elektrischen Spannungsquelle sind die Werte der absoluten Luftfeuchtigkeit der Abluft einerseits und der Frischluft andererseits sowie die Temperatur von Abluft und Frischluft. Diese Werte werden beim Betrieb der Anlage ständig gemessen und einem Regler bzw. einem Steuergerät aufgegeben, durch welchen die elektrische Spannungsquelle eingeschaltet und wieder ausgeschaltet wird.
Das plattenförmige Bauteil kann zwei ebene, glatte Seitenflächen haben. Die Seitenflächen können aber auch strukturiert sein, beispielsweise wellenförmig. Die Polymerschicht ist in allen Fällen fest mit dem Bauteil verbunden, beispielsweise durch eine rahmenförmige Halterung oder durch Verkleben in den Randbereichen. Die Poren der Polymerschicht werden durch die Befestigung nicht beeinflußt. Sie kann wahlweise auf der einen oder der anderen Seitenfläche des Bauteils angebracht sein. Das Bauteil kann beispielsweise rechteckig, insbesondere quadratisch ausgeführt sein. Es kann aber auch eine andere, sinnvolle geometrische Form haben.
Mit Vorteil besteht der Wärmetauscher der Anlage aus zwei oder mehr jeweils mit einer Polymerschicht ausgerüsteten Bauteilen, die parallel und mit Abstand zueinander in einer Anlage angeordnet sein können.
Die Polymerschicht besteht beispielsweise aus einem mit Metall beschichteten Ionomer. Dabei kann es sich beispielsweise um ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer handeln. Das Metall, mit dem das Polymer beschichtet ist, kann beispielsweise Kupfer oder Gold oder ein anderes elektrisch gut leitendes Metall sein. Mit Vorteil ist das Polymer beidseitig mit einer flexiblen Metallschicht ausgerüstet. Die beiden Metallschichten wirken als Elektroden, an welche die Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Polymerschicht besteht beispielsweise aus Röhren, die gitterartig miteinander verwoben sind. Jede Röhre besteht dann aus dem geschilderten Polymer-Metall-Verbundwerkstoff. Durch die als Poren bezeichneten Zwischenräume zwischen den Röhren kann Feuchtigkeit hindurchtreten. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Polymerschicht vergrößern die Röhren ihren Durchmesser, so daß die Poren geschlossen werden. Die Feuchtigkeit kann dann nicht mehr durch die Polymerschicht hindurchtreten. Nach Abschalten der Spannungsquelle gehen die Röhren auf ihre Ausgangsabmessungen zurück, so daß die Poren wieder offen sind.
Für den Betrieb der Anlage und die Beeinflussung der Polymerschicht wird ein „Behaglichkeitsfeld” angenommen, für das Temperaturen von Abluft und Frischluft sowie Werte für die relative Luftfeuchtigkeit von Abluft und Frischluft maßgeblich sind und vorgegeben werden können. Das Behaglichkeitsfeld kann beispielsweise in einem Bereich mit einer Temperatur zwischen 20°C und 26°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 30% bis 65% liegen.
Unter Berücksichtigung dieser Parameter kann die Anlage beispielsweise wie im Folgenden beschrieben betrieben werden. Dabei werden der Einfachheit halber und der Kürze wegen die absolute Luftfeuchtigkeit der Abluft mit „F1” und die absolute Luftfeuchtigkeit der Frischluft mit „F2” bezeichnet:
Beispiel 1. F1 liegt innerhalb des Behaglichkeitsfeldes.
Wenn F2 kleiner als die untere Grenze von F1 ist, dann bleiben die Poren der Polymerschicht offen. Die Feuchtigkeit der Abluft kann also durch die Polymerschicht hindurch treten. Wenn F2 größer als die untere Grenze und kleiner als die obere Grenze von F1 ist, werden die Poren der Polymerschicht geschlossen. Die Feuchtigkeit der Abluft kann also nicht mehr durch die Polymerschicht hindurchtreten. Das gilt auch dann, wenn F2 größer als F1 ist.
Beispiel 2. F1 liegt unterhalb der unteren Grenze der absoluten Luftfeuchtigkeit des Behaglichkeitsfeldes.
Wenn F1 größer als oder gleich F2 ist, dann sind die Poren der Polymerschicht offen. Ist sie kleiner als F2, dann werden die Poren geschlossen.
Beispiel 3. F1 liegt oberhalb der oberen Grenze der absoluten Luftfeuchtigkeit des Behaglichkeitsfeldes.
Wenn F1 größer als oder gleich F2 ist, dann sind die Poren der Polymerschicht geschlossen. Ist sie kleiner als F2, dann sind die Poren offen.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
1 und 2 zwei unterschiedliche Zustände einer Anlage nach der Erfindung in schematischer Darstellung.
3 und 4 zwei unterschiedlich ausgeführte, in einer Anlage nach der Erfindung verwendbare Wärmetauscher.
5 schematisch eine für den Betrieb einer Anlage nach der Erfindung verwendbare Schaltungsanordnung.
In den 1 und 2 ist zur grundsätzlichen Erläuterung der Anlage nach der Erfindung jeweils nur ein Bauteil eines Wärmetauschers schematisch dargestellt.
Ein in einem Wärmetauscher einsetzbares, plattenförmiges Bauteil 1, das nach Art einer semipermeablen Membran aufgebaut ist, trägt auf einer seiner Seitenflächen eine Schicht 2, die aus einem elektrisch aktivierbaren Polymer besteht. Sie wird im Folgenden als „Polymerschicht 2” bezeichnet. Die Polymerschicht 2 hat auf ihrer ganzen Fläche verschließbare Poren, die im Ausgangszustand offen und durch Anlegen einer elektrischen Spannung verschließbar sind. Die Poren sind in 1 durch Unterbrechungen der der Polymerschicht 2 entsprechenden Linie angedeutet. Sie sind im Zustand der Anlage nach 2 geschlossen. Das Bauteil 1 und die Polymerschicht 2 sind fest miteinander verbunden. Dafür kann beispielsweise eine rahmenförmige Halterung eingesetzt werden. Es ist auch möglich, beide Teile miteinander zu verkleben, aber nur in den Randbereichen, damit die Poren der Polymerschicht 2 frei bleiben.
Das Bauteil 1 hat beispielsweise eine Dicke von etwa 0,1 mm. Die Polymerschicht 2 ist beispielsweise etwa 1,0 mm dick.
Beim Betrieb der Anlage wird aus einem Gebäude, in welchem dieselbe angeordnet ist, vorhandene Abluft entsprechend dem Pfeil P1 mittels eines Gebläses am Bauteil 1 entlang geführt. Sie gelangt einerseits durch eine nicht mit dargestellte Öffnung des Gebäudes in die Umgebung desselben. Die Wärme und die Feuchtigkeit der Abluft können aber andererseits auch durch das semipermeable Bauteil 1 und die Polymerschicht 2 hindurchtreten, so wie es durch die Pfeile P2 und P3 angedeutet ist. Dabei sollen der Pfeil P2 für die Wärme der Abluft und der Pfeil P3 für die in derselben enthaltene Feuchtigkeit gelten. Die Feuchtigkeit der Abluft trifft auf der Seite des Bauteils 1, auf welcher sich im dargestellten Ausführungsbeispiel die Polymerschicht 2 befindet, auf Frischluft, die aus der Umgebung des Gebäudes angesaugt und entsprechend dem Pfeil P4 in das Gebäude geleitet wird.
Die Anlage nach der Erfindung arbeitet mit Vorteil entsprechend den im Vorangehenden angeführten Beispielen 1 bis 3 mit den beiden aus den 1 und 2 hervorgehenden unterschiedlichen Zuständen der Polymerschicht 2.
Der Wärmetauscher der Anlage kann entsprechend den 3 und 4 aus mehreren, jeweils mit einer Polymerschicht 2 ausgerüsteten plattenförmigen Bauteilen 1 bestehen, die parallel und mit Abstand zueinander angebracht sein können. Sie können gemäß 3 ebene bzw. glatte Seitenflächen haben. Es ist aber auch möglich, die Seitenflächen zur Vergrößerung der Oberflächen zu strukturieren, beispielsweise durch einen wellenförmigen Verlauf gemäß 4.
Beim Betrieb der Anlage werden die Polymerschichten 2 aller Bauteile 1 des Wärmetauschers an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Das geht für nur ein Bauteil 1 beispielsweise aus 5 hervor:
An die Polymerschicht 2 ist eine elektrische Spannungsquelle 3 angeschlossen, die durch ein Steuergerät 4 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden kann. Ein Kanal 5, durch welchen die Abluft einerseits und die Frischluft andererseits am Bauteil 1 bzw. an der Polymerschicht 2 entlang geleitet werden, ist durch strichpunktierte Linien begrenzt. In dem Kanal 5 ist das mit der Polymerschicht 2 versehene Bauteil 1 quasi als Trennelement angebracht. Der Kanal 5 ist dadurch in zwei Teilkanäle 6 und 7 unterteilt. Dabei soll der Teilkanal 6 für die Führung der Abluft (Pfeil P1) und der Teilkanal 7 für die Führung der Frischluft (Pfeil P4) gelten. In beiden Teilkanälen 6 und 7 sind Meßgeräte zum Messen der absoluten Feuchtigkeit und der Temperatur beider Luftströme angebracht. Es sind ein Meßgerät 8 für die absolute Luftfeuchtigkeit und ein Meßgerät 9 für die Temperatur der Abluft im Teilkanal 6 sowie ein Meßgerät 10 für die absolute Luftfeuchtigkeit und ein Meßgerät 11 für die Temperatur der Frischluft im Teilkanal 7. Alle Meßgeräte 8 bis 11 sind mit dem Steuergerät 4 verbunden. Ihre Meßwerte werden dem Steuergerät 4 zugeführt und von demselben ausgewertet. Das Steuergerät 4 betätigt dann die elektrische Spannungsquelle 3 in dem im Vorangehenden beschriebenen Sinne.

Claims

Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, dem einerseits erwärmte, in Räumen des Gebäudes vorhandene Abluft und andererseits außerhalb des Gebäudes vorhandene Frischluft im Gegenstrom zugeführt werden, bei welcher mindestens ein plattenförmiges, nach Art einer semipermeablen Membran aufgebautes Bauteil (1) eingesetzt ist, das zwei parallel zueinander verlaufende, großflächige Seitenflächen hat, und bei welcher während des Betriebes der Anlage die Abluft auf einer Seitenfläche des Bauteils (1) und die Frischluft auf der gegenüberliegenden Seitenfläche desselben entlang geführt werden, dadurch gekennzeichnet, – daß auf einer Seitenfläche des Bauteils (1) eine fest mit demselben verbundene Schicht (2) aus einem mit Metall beschichteten, elektrisch aktivierbaren Polymer angebracht ist, die verschließbare Poren aufweist und die an eine elektrische Spannungsquelle (3) angeschlossen ist, und – daß die Poren der Schicht (2) aus dem Polymer in Abhängigkeit von der absoluten Luftfeuchtigkeit der Frischluft im Vergleich mit einer vorgegebenen unteren Grenze der absoluten Luftfeuchtigkeit geöffnet oder durch Einschalten der elektrischen Spannungsquelle (3) geschlossen sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus dem elektrisch aktivierbaren Polymer aus einem Ionomer besteht.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionomer ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) und die Schicht (2) aus dem elektrisch aktivierbaren Polymer in ihren Randbereichen miteinander verklebt sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) und die Schicht (2) aus dem elektrisch aktivierbaren Polymer mittels einer rahmenförmigen Halterung miteinander verbunden sind.