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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klimatisierung von Räumen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und des Patentanspruches 8.
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Für eine derartige Klimatisierung werden beispielsweise thermisch aktivierbare Betonelemente verwendet, welche beispielsweise in der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden
DE 10 2009 005 577 A1 beschrieben sind.
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Kennzeichnend für die dort beschriebene thermoaktive Fertigteilplatte ist, dass im Bereich einer Klimadecke von Kühl- oder Wärmemedium durchströmte Rohre vorhanden sind, die in der Lage sind, eine bestimmte Wärmeenergie durch Wärmeleitung in den umgebenden Beton der Decke in den Raum abzugeben.
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Der Einfachheit wegen wird in der folgenden Beschreibung lediglich von der Kühlfunktion einer solchen thermoaktivierbaren Platte und einer dazugehörenden Klimadecke ausgegangen, obwohl sich die Erfindung in analoger Weise auch auf eine Heizdecke und auf eine Heizung von Räumen bezieht.
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Es wird deshalb lediglich der einfacheren Beschreibung wegen von einem Kühlmedium gesprochen, obwohl auch ein Heizmedium für die thermisch aktivierbaren Elemente verwendet werden kann.
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Nachteil der in der genannten Druckschrift beschriebenen klimatisierbaren Betonelemente ist die relative Trägheit bei der Energieabgabe in den zu klimatisierenden Raum und die fehlende Möglichkeit, in bestimmten Zeiträumen eine Aufladung eines Klimatisierungsaggregates zu ermöglichen.
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Es ist bekannt, dass bei einer Temperaturänderung im Wärmeträgermedium, z.B. im Kühlwasser, von beispielsweise 5°C eine Auswirkung auf das Raumklima erst Stunden später feststellbar ist.
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Nachteil bekannter Klimaanlagen zur Temperierung des Kühl- bzw. Wärmemediums ist auch der hohe elektrische Leistungsverbrauch, weil mindestens ein hochstromführender Elektroanschluss vorhanden sein muss. Um den Nachteil eines ständigen Stromanschlusses zu vermeiden, ist es bekannt, PCM-Pufferspeicher zu verwenden, um Klimaanlagen zu kühlen.
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Aus der
DE 10 2017 124 401 A1 ist eine Klimadecke bekannt, deren dort eingebauten klimatisierten Betonelementen ein Pufferspeicher zugeordnet ist, der als Latentwärmespeicher arbeitet. Der Latentwärmespeicher, auch bekannt als PCM (Phase Changing Material), zieht als zusätzliche Klimatisierung für den zu klimatisierenden Raum die Abluft aus dem Raum ab, lädt sich auf und gibt bei Bedarf seine gespeicherte Latentwärme-Energie in den Raum ab. In geeigneter Weise wird Raum-Abluft anschließend abgekühlt oder aufgeheizt und wieder als forcierter Luftstrom in den Raum eingeleitet.
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Solche Latentwärmespeicher haben hohe Schmelz-, Lösungs- oder Verdampfungsenthalpien und funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Sie sollten zudem auch eine große spezifische Wärmekapazität besitzen, da auch die sensible Wärme zur Speicherung verwendet wird.
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Es handelt sich dabei um ein Wärmespeichermaterial, welches den reversiblen Phasenübergang, beispielsweise von fest zu flüssig, zur Wärme- bzw. zur Kältespeicherung nutzt. Eine typische Eigenschaft von PCM ist die hohe Speicherdichte bei geringer Temperaturdifferenz. In Gebäuden lassen sich durch den Einsatz von PCM-Systemen:
- 1. Temperaturen puffern, z.B. in dynamisch wärmebelasteten Räumen
- 2. eine passive Kühlwirkung erzeugen
- 3. Wirkungsgrade von konventionellen Heiz-/ Kühlsystemen verbessern
- 4. Lastspitzen glätten bzw. verschieben
- 5. die Netzdienlichkeit von Heiz-/Kühlsystemen verbessern.
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Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latentwärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Wärmeenergie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat, Das Entladen findet als Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt.
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Nachteil dieser Anordnung ist die fehlende Flexibilität, denn die Umschaltung von der Klimadecke mit den eingebauten Wärmetauscherrohren auf den PCM-Speicher ist nicht möglich. Dieser ist nicht von dem wasserförmigen Wärmeträgermedium der Klimadecke direkt aufladbar. Bei der Klimadecke besteht der Nachteil, dass die Klimatisierung allein auf das flüssige Wärmeträgermedium gestützt ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Klimatisierung von Räumen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine wesentlich schnellere Wärme- oder Kälteübertragung vom klimatisierbaren Elementen in den zu klimatisierenden Raum gegeben ist und zudem die Vorrichtung nicht anfällig gegenüber Versorgungsschwankungen ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 8 gelöst.
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Vorteilhaftes Merkmal ist, dass das deckenseitige thermisch aktivierte Klimabauteil einen Vorlauf und einen Rücklauf aufweist, durch den der Kühl- oder Heizmittelstrom fließt, und dass wahlweise in jeder beliebigen Kombination über jeweils ein Ventil ein zentraler Wärmetauscher, eine Peltier-Einheit und/oder der PCM-Speicher mit dem Vorlauf oder Rücklauf des aktivierten Klimabauteils verbindbar ist.
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Die erfindungsgemäße Klimaanlage dient zur Klimatisierung eines Raumes über thermisch aktiviertes Klimabauteil, welches bevorzugt ein Wasser-Luft-Wärmetauscher Element ist, welches sich in der Decke des Raums befindet und nachfolgend als Deckensegel bezeichnet wird. In an sich bekannter Weise wird dieses Deckensegel dadurch klimatisiert, dass es von einer Vielzahl von Rohrleitungen durchgriffen ist, durch welche ein Wärmeträgermedium eingespeist wird und auf der gegenüberliegenden Seite wieder das Deckensegel verlässt.
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Die gesamte Klimaanlage ist von einer Vielzahl von Rohrleitungen durchzogen, in denen das Wärmeträgermedium - bevorzugt - Wasser - zirkuliert. Im Folgenden ist stets von Wasser die Rede, wobei die vorliegende Erfindung natürlich auch andere Wärmeträgermedien umfasst.
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Die Klimaanlage umfasst einen Wärmetauscher, dem optional eine adiabatische Kühlung zugeschaltet ist, eine Peltier-Einheit und einen PCM-Speicher. Dabei kann das die Klimadecke durchströmende Kühl- oder Heizmittelströme ventilgesteuert, wahlweise in jeder beliebigen Kombination, über jeweils einen Vorlauf und einen Rücklauf mit dem Wärmetauscher, der Peltier-Einheit und dem PCM-Speicher verbunden werden.
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Der zentrale Wärmetauscher ist wahlweise mit einer Adiabatischen Kühlung koppelbar und ist über eine Leitung und ein das Ventil mit dem Vorlauf des Deckensegels und über eine Leitung und ein Ventil mit dem Rücklauf des Deckensegels verbunden.
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Der zentrale Wärmetauscher ist über einen Vorlauf und einem Ventil, sowie einen Rücklauf und einem weiteren Ventil mit der Peltier-Einheit verbindbar, die wiederum über eine Leitung und ein weiteres Ventil mit dem Vorlauf des Deckensegels und über eine weitere Leitung und ein weiteres Ventil mit dem Rücklauf des Deckensegels verbunden.
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Der PCM-Speicher über eine Leitung und einem Ventil mit dem Vorlauf des Deckensegels und über eine weitere Leitung und ein weiteres Ventil mit dem Rücklauf des Deckensegels verbunden.
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Der zentrale Wärmetauscher kann über einen Vorlauf und einem Ventil, sowie einem Rücklauf und einem weiteren Ventil mit dem PCM-Speicher verbinden werden.
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Aufgrund der Vielzahl an Ventilsteuerung ist es zudem möglich, dass der zentrale Wärmetauscher über einen Vorlauf und einem Ventil, sowie einem Rücklauf und einem weiteren Ventil mit der Peltier-Einheit verbindbar ist, die über einen Vorlauf und einem Ventil, sowie einen Rücklauf und einem weiteren Ventil mit dem PCM-Speicher verbinden werden kann.
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Da es der erfindungsgemäßen Klimaanlage möglich ist, durch die verschiedenen Elemente Kälte oder Wärme zwischen zu speichern, benötigt sie weniger Energie und kann ihren Stromverbrauch teilweise in lastarme Zeiten verlegen.
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Da hierbei aus Strom Wärme oder Kälte erzeugt wird, können die thermischen Energiespeicher als indirekte Stromspeicher eingesetzt werden. Durch einen thermischen Speicher wird der gegebene Kälte- und Wärmebedarf der Klimaanlage zu einer zeitlich verschiebbaren Last im Stromnetz. Gerade bei Netzschwankungen oder durch die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energieträger steigt der Bedarf an positiver und auch negativer Regelleistung.
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Bei dem Wärmetauscher handelt es sich um einen Luft-Wasser-Wärmetauscher, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt, wobei jedoch die Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Der Strom pumpt somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Wärmetauscher-Platten. Der Wärmetauscher dient zur Lufterhitzung bzw. - kühlung, d.h. zur direkten thermischen Behandlung der Zuluft des Deckensegels der Klimaanlage. Dabei tauscht das Medium Luft seine Energie über einen Wärmetauscher mit dem Medium Wasser aus. Zusätzlich kann der Wärmetauscher auch als zur regenerativen Wärmerückgewinnung, d.h. zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft, verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die PCM-Einheit als Wasser-PCM-Materialwärmetauscher ausgebildet und das in dem Innenraum des PCM-Materials klimatisierte Wasser wird über einen weiteren Luft-Wasser-Wärmetauscher zur Klimatisierung der dort hindurchgeführten Luft verwendet.
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Der Wärmetauscher arbeitet mit einem Ventilator, um Frischluft anzusaugen und in forcierter Weise durch den Luft-Wasser-Wärmetauscher hindurch zu führen, um so die auf eine höhere Temperatur aufgeheizte Raumluft in eine Kühlluft mit niedrigerer Temperatur umzuwandeln, um diese wieder dem Deckensegel zuzuleiten.
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Je nach Anwendungsfall wird der Wärmetauscher mit einer adiabaten Kühlung kombiniert, welche je nach Bedarfsfall zugeschaltet werden kann. Hierbei handelt es sich um eine Verdunstungskühlung bei der einem Medium (z. B. Luft) durch die Verdunstung von Wasser Energie in Form von Wärme (Verdampfungsenthalpie) entzogen wird.
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Die adiabatische Kühlung wird für die folgenden Funktionen aktiviert: Raumkühlung, Peltier Einheit, PCM-Speicher, jedoch nicht für die Entfeuchtung des Deckensegels.
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Die verwendete PCM-Einheit ist als Pufferspeicher ausgebildet, der als Latentwärmespeicher arbeitet, wobei ein sehr geringer Regelungsaufwand für die zu regelnden Luft- und Wasserströme notwendig ist.
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Aus diesem Grund wird der Klimaanlage der PCM-Speicher zugeschaltet, der in der Lage ist, über eine geeignete Rohrleitung erwärmtes Wasser aufzunehmen, herunter zu kühlen und wieder zurückzuführen.
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Merkmal der Erfindung ist, dass die Klimaanlage nunmehr mit einer PCM-Einheit arbeitet, der ein Luft-Wasser-Wärmetauscher vorgeschaltet ist, wodurch ein verbesserter Energieübertragungsgrad im PCM-Pufferspeicher zur Verfügung gestellt wird.
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Das Be- und Entladen des PCM-Speichers erfolgt mit dem Medium Wasser, das seine Wärmeenergie über ein dichtes Netz an Leitungen inklusive der aufgesetzten Lamellen (analog der Bauweise eines Kühlers) abgibt. PCM ist ein direkt ansprechbarer und kontrollierbarer Energiespeicher, der über das Medium Wasser Be- und Entladen wird.
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Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass nun die günstigen physikalischen Eigenschaften eines Latentwärmespeichers für die Klimatisierung von Räumen verwendet werden kann, ohne dass ein hochstromführender Elektroanschluss und dergleichen notwendig ist und ohne dass großvolumige, die erzeugte Wärme abführende Rohre nach draußen geführt werden müssen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist deshalb in der Klimaanlage ein von Wasser durchströmter PCM-Speicher vorhanden, dem ein Luft-Wasser-Wärmetauscher vorgeschaltet ist, wobei die zu kühlende oder klimatisierende Luft durch den Luft-Wasser-Wärmetauscher geleitet wird und der von dem PCM-Speicher erzeugte, abgekühlte Wasserstrom in den Wärmetauscher eingeführt wird, so dass es in diesem zu einer Abkühlung der zugeführten Luft führt.
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Je nach Steuerung der Ventile und Betriebsmodi des PCM-Speichers kann der gekühlte Wasserstrom auch direkt dem Deckensegel zugeleitet werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden also die Vorteile eines Latentwärmespeichers genutzt, wobei der vereinfachten Beschreibung wegen in der folgenden Beschreibung nur von dem Kühlvorgang die Rede ist, d. h. eine Raumlufttemperatur mit erhöhter Temperatur wird auf eine niedrigere Temperatur führende Klimaluft heruntergekühlt.
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Selbstverständlich umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Aufheizung der das Deckensegel umgebenden Luft, die dann durch die Energiezufuhr zu einer höheren Temperatur führenden Klimaluft umgewandelt wird.
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Der in der PCM-Einheit stattgefundene Wärmeentzug wird nun für die Kühlung des Mediums verwendet, das durch verschiedene Pumpen angesaugt wird, das dann durch den Latentwärmespeicher hindurchfließt, wird in den Luft-Wasser-Wärmetauscher eingespeist und führt dort zur Abkühlung der Raumluft, die als klimatisierte Luft später dem Deckensegel zugeleitet wird.
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Zusätzlich wird eine Peltier-Einheit verbaut, die sich dadurch auszeichnet, dass sie überall dort eingesetzt werden kann, wo Kühlung mit geringer Temperaturdifferenz oder ohne Anforderungen an die Effizienz erforderlich ist.
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Die Peltier-Einheit nimmt nur wenig Bauraum ein und kann hier sowohl zur Kühlung als auch - bei Stromrichtungsumkehr - zum Heizen verwendet werden. Die Einheit wird über die Stromversorgung mit dem erforderlichen Strom versorgt und ist ventilgesteuert, wahlweise in jeder beliebigen Kombination, über jeweils einen Vorlauf und einen Rücklauf mit dem Wärmetausche, dem PCM-Speicher und dem Deckensegel verbunden.
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Die Peltier-Einheit ist elektrisch regelbar, wodurch Regelgenauigkeiten erreicht werden können, die beispielsweise mittels Kompressorkühlung nicht möglich sind. Die Einheit ist zudem leicht umkehrbar. Durch einfaches Umpolen der Gleichspannung kann dort Wärme erzeugt werden, wo zuerst Kälte entstanden ist und umgekehrt. Die Peltier-Einheit kann zudem in widrigsten Umgebungsbedingungen arbeiten. z.B. bei hohen Umgebungstemperaturen oder stark verschmutzter Umgebungsluft.
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Der gewünschte Effekt der Peltier-Einheit in der Klimaanlage ist, dass aufgrund des Stromflusses durch die Peltier-Einheit Wärme von der einen Wärmetauscher-Platte auf die andere Wärmetauscher-Platte transportiert wird (also dass eine Seite kalt wird und die andere Seite dafür warm). Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlen sich die Wärmetauscher-Platte auf der einen Seite ab, während die Wärmetauscher-Platte auf der anderen Seite erwärmt. Aufgrund des Wirkungsgrades erzeugt die Peltier-Einheit aber auch selbst zusätzliche Wärme. Auf der warmen Seite der Peltier-Einheit muss also nicht nur die Wärme des von dem Deckensegel erwärmten Wassers, sondern auch die Abwärme der Peltier-Einheit abtransportiert werden. Dies geschieht über einen weiteren Wasserkreislauf, der die Wärmemenge von der heißen Seite der Peltier-Einheit abtransportiert. Dazu werden der Wärmetauscher und die adiabatische Kühlung verwendet, die das erwärmte Wasser kühlen und aus dem Gebäude in die Umgebung abführt.
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Somit ist eine Lösung mit zwei getrennten Wasserkreisläufen gegeben: Der eine kühlt das Deckensegel oder die PCM-Einheit (und wird von der Peltier-Einheit gekühlt), der andere dient nur dazu, die Peltier-Einheit zu kühlen.
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Die Peltier-Einheit kühlt in einer bevorzugten Ausführungsform über eine erste Peltier-Platte den Kühlmittelstrom und leitet diesen in eine Leitung ein, wobei die Peltier-Einheit über eine zweite Peltier-Platte die bei der Kühlung anfallende Abwärme über einen Rücklauf dem Wärmetauscher zuführt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kühlt die Peltier-Einheit über eine erste Peltier-Platte einen Kühlmittelstrom und leitet diesen über einen Vorlauf dem PCM-Speicher zu, um dieses aufzuladen, wobei die Peltier-Einheit über eine zweite Peltier-Platte die bei der Kühlung anfallende Abwärme über einen Rücklauf dem Wärmetauscher zuführt.
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Die Stromversorgung setzt sich zusammen aus einer oder mehreren PV-Platten sowie einer Netzspannung, wobei jede Quelle so eingesetzt und kombiniert wird, dass eine geforderte Leistung der Klimaanlage bei minimalem Energieverbrauch erreicht wird. Es handelt sich hierbei um eine batteriegepufferte Photovoltaik-Anlage die die elektrischen Verbraucher Klimaanlage speist. Diese Verbraucher sind beispielsweise die unterschiedlichen Pumpen in dem Rohrleitungssystem oder die Peltier-Einheit.
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Zusätzlich kann ein Photovoltaik-Batteriespeicher-System verwendet werden, um plötzliche Schwankungen der Netzspannung in der Nacht auszugleichen.
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Mit der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird nur noch 20% der Energiemenge einer klassischen Klimaanlage benötigt. Die erfindungsgemäße Klimaanlage kommt zudem mit lediglich 17 Liter Wasser pro Tag aus und die gesamte Anlage ist kleiner als 0,5 m3.
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Die in einem Raum herrschende Wärmelast kann, gerade wenn sich mehrere Personen im Raum aufhalten oder durch Sonneneinstrahlung durch Fenders, stark schwanken und rasch anwachsen kann. Es bedarf also einer schnellen Regelung der Temperatur im Raum und ein schneller Ausgleich der im Raum bestehenden Wärmelasten, was durch die Kombination der einzelnen Elemente der Klimaanlage bewerkstelligt werden kann.
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Von besonderem Vorteil ist, dass nun eine schnelle Temperaturregelung und eine schnelle Klimatisierung möglich sind, weil die erfindungsgemäße Verwendung des Pufferspeicher (PCM-Einheit) die Klimatisierung durch das Deckensegel puffert und harmonisiert.
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Vorteil der Vorrichtung ist demzufolge auch die geringe Geräuschentwicklung und der geringe Energieverbrauch.
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Gleiches gilt für die Pufferwirkung der erfindungsgemäßen PCM-Einheit in mit verschiedenen Wärmelasten belasteten Räumen, wo z.B. eine Sonneneinstrahlung und eine Vielzahl von Besuchern zusätzliche Wärmelasten in den Raum eintragen, die dann durch den Betrieb der erfindungsgemäßen PCM-Einheit aufgenommen werden.
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Daraus ergibt sich, dass die erfindungsgemäße PCM-Einheit lediglich zur Abpufferung von Wärmelastspitzen in zu klimatisierenden Räumen verwendet wird, während die Grundlast von dem Wärmetauscher und der Peltier-Einheit übernommen wird.
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Wichtig ist demnach, dass der PCM-Speicher Wasser gekühlt ist (oder in analoger Weise wassergeheizt ist) und in der Lage ist, die aufgenommene Wärmemenge in konstanter Form über einen langen Zeitraum von beispielsweise 8 Stunden wieder abzugeben.
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Das durch eines der drei Elemente geleitete und temperierte Medium wird dann dem Deckensegel zugeleitet.
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Für den Transport der Luft werden Niedrigenergie verbrauchende Ventilatoren verwendet. Ein solcher Ventilator verbraucht maximal eine Energie von 30 Watt.
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Energieabgabe und Energiequelle
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Zur Energieabgabe und als Energiequelle dienen das Deckensegel, der Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung, die Peltier-Einheit und der PCM-Speicher.
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Das warme Wasser aus dem Deckensegel wird über einen Rücklauf dem Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung zugeleitet, wo das Wasser gekühlt und die dabei anfallende feuchte Luft aus der Klimaanlage in die Umgebung außerhalb des Raumes abgegeben wird. Das gekühlte Wasser wird über einen Vorlauf, unterstützt durch eine elektrische Pumpe, dem Deckensegel zugeführt, wodurch das Deckensegel wieder gekühlt wird.
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In einem anderen Betriebsmodus wird warmes Wasser aus der Peltier-Einheit (d.h. der warmen Wärmetauscherplatte der Peltier-Einheit) dem Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung zugeleitet, wobei die Wärmeenergie anhand von feuchter, warmer Luft aus der Klimaanlage in die Umgebung außerhalb des Raumes abgegeben wird. Die andere Wärmetauscherplatte der Peltier-Einheit kühlt das Wasser im Vorlauf zum Deckensegel, welches durch eine Pumpe durch den Vorlauf befördert wird. Dadurch wird das Deckensegel gekühlt.
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In einem anderen Betriebsmodus wird kaltes Wasser aus dem PCM-Speicher über einen Vorlauf dem Deckelsegel befördert, unterstützt durch eine Pumpe. Dadurch wird das Deckensegel gekühlt.
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Energiespeicher
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Als Energiespeicher dienen der PCM-Speicher, der Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung sowie die Peltier-Einheit.
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So kann beispielsweise der Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung verwendet werden, um den PCM-Speicher aufzuladen, wobei die von dem Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung anfallende feuchte Luft und die anfallende feuchte Luft aus der Klimaanlage in die Umgebung außerhalb des Raumes abgegeben wird.
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In einem anderen Betriebsmodus kann der PCM-Speicher über die Peltier-Einheit aufgeladen werden, wobei das Peltier-Element Kälte erzeugt. Die bei dieser Erzeugung angefallene Wärme gibt die Peltier-Einheit an den Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung weiter, die die dabei anfallende feuchte Luft aus der Klimaanlage in die Umgebung außerhalb des Raumes abgibt.
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Optimierung der Luftfeuchtigkeit
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Zur Optimierung der Luftfeuchtigkeit dienen das Deckensegel und die Kombination aus dem Wärmetauscher und der Peltier-Einheit als Luftentfeuchter.
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Optimierung COP Wert der Peltier-Einheit
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Zur Optimierung des COP Werts der Peltier-Einheit dient der Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung.
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Mit der erfindungsgemäßen Lehre ist es möglich, bei der Temperierung von Räumen eine große Versorgungssicherheit, auch im Falle eines Stromausfalls oder bei Netzschwankungen, zu gewährleisten. Als effizientes Konzept wird diese Versorgungssicherheit mittels thermischen Speichern in Form von PCM-Speichern in Verbindung mit einem Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung, sowie einer Reihenschaltung eines PCM-Speichers mit einer Peltier-Einheit in Verbindung mit einem Wärmetauscher mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung gewährleistet. Somit ist kein kontinuierlich hoher Energieverbrauch für einen Kälteerzeuger notwendig, sondern nur noch für die Stromversorgung kleinere Entladepumpen und weniger Ventile.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Soweit einzelne Gegenstände als „erfindungswesentlich“ oder „wichtig“ bezeichnet sind, bedeutet dies nicht, dass diese Gegenstände notwendigerweise den Gegenstand eines unabhängigen Anspruches bilden müssen. Dies wird allein durch die jeweils geltende Fassung des unabhängigen Patentanspruches bestimmt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: Blockdiagramm der gesamten Klimaanlage
- 2: Blockdiagramm Energieabgabe und Energiequelle (Wärmetauscher und adiabatische Kühlung)
- 3: Blockdiagramm Energieabgabe und Energiequelle (Peltier-Einheit)
- 4: Blockdiagramm Energiespeicher (PCC-Speicher)
- 5: Blockdiagramm (Wärmetauscher und adiabatische Kühlung sowie PCM-Speicher)
- 6: Blockdiagramm (Wärmetauscher und adiabatische Kühlung sowie PCM-Speicher und PCM-Speicher)
- 7: Funktionen der einzelnen Blöcke
- 8: Funktionen des Deckensegels
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Die Klimaanlage 1 besteht u.a. aus einem Wärmetauscher 3, welcher in dem hier gezeigten Funktionsschema mit einer adiabatischen Kühlung 4 kombiniert ist. Im Folgenden wird die Kombination aus Wärmetauscher 3 und adiabatischer Kühlung 4 zur Einheit 24 zusammengefasst, wobei unter Einheit 24 immer beide Elemente gemeint sind.
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Zusätzlich besteht die Klimaanlage 1 aus einem Peltier-Element 5 und dem PCM-Speicher 6.
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Mit diesen drei Elementen ist es möglich, das Deckensegel 7 thermisch zu verändern. Das Deckensegel 7 besteht aus der oberen Platte 8 und der unteren Platte 9, wobei beide Platten von den Rohrleitungen 67 durchzogen sind.
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Zusätzlich weist die Klimaanlage 1 eine PV-Platte 10 auf, welche sich außerhalb des Raumes 2 bzw. außerhalb des Gebäudes befindet.
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Die Klimaanlage 1 wird von außerhalb über die Luftzuführung 11 mit Luft gespeist. Nach Durchführung und Behandlung der Luft durch die einzelnen Bausteine des Blockdiagrammes tritt die Luft wieder durch die Luftabführung 12 und/ oder 13 aus dem Raum aus.
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Über das PV-Element 10 kann eine Batterie 14 tagsüber geladen werden. Zusätzlich steht eine Netzspannung 15 zur Verfügung, um über einen intelligenten Regelkreis, zusätzlich zur Spannung der Batterie 14, die Klimaanlage 1 zu betreiben.
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Die Luft, welche über die Luftzuführung 11 in den Raum 2 zugeführt wird, wird zunächst von einem Ventilator 16 angesaugt bzw. beschleunigt und setzt sich als Luftstrom 20 fort, welcher durch den Wärmetauscher 3 bzw. die adiabatische Kühlung 4 geführt wird.
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Nach Durchführung durch die Einheit 24 setzt sich der Luftstrom als getrockneter Luftstrom 21 fort und wird dem Deckensegel 7 zugeführt.
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Gleichzeitig wird aus der Einheit 24 der feuchte Luftstrom 22 abgeführt, welcher durch die Luftabführung 12 aus dem Raum in die Umgebung austritt.
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Der Raum 2 weist eine gewisse Temperatur auf, wobei die warme Luft in Pfeilrichtung 18 in Richtung des Deckensegels 7 nach oben steigt. Zusätzlich wird die warme Luft von einem Ventilator 19 beaufschlagt und in Pfeilrichtung 28 über die obere Platte 8 des Deckensegels 7 transportiert.
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Das Deckensegel 7 wird über den Vorlauf 30 mit Wasser gespeist, unterstützt durch die Pumpe 56. An diesem Vorlauf 30 liegt die Leitung 31 der Einheit 23 an, wobei die Zuführung über das Ventil 44 gesteuert wird.
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Zusätzlich liegt an dem Vorlauf 30 die Leitung 32 des Peltier-Elementes 5 an, wobei der Zulauf der Leitung 32 über das Ventil 45 gesteuert wird.
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Zusätzlich liegt an dem Vorlauf 30 die Leitung 33 des PCM-Speichers an, wobei auch hier der Zulauf der Leitung 32 in den Vorlauf 30 über das Ventil 26 gesteuert wird.
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Ausgehend von dem Deckensegel 7 wird das von der Raumluft erwärmte Wasser über den Rücklauf 34 abgeleitet.
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In dem Rücklauf 34 ist das Ventil 47 angeordnet, über das das Wasser dem PCM-Speicher zugeführt werden kann.
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In dem Rücklauf 34 der Rohrleitungen 67 ist zudem das Ventil 48 angeordnet, über das das Wasser dem Peltier-Element 5 zugeführt werden kann.
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Des Weiteren ist es möglich, über das in der Rückleitung 34 angeordnete Ventil 49 das erwärmte Wasser der Einheit 24 zuzuführen.
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Somit sind drei Ventile 47, 48, 49 hintereinander in der Rückleitung 34 angeordnet, wobei jedoch nur die Ansteuerung jeweils eines einzelnen Ventils möglich ist.
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Zwischen der Einheit 24 und dem PCM-Speicher 6 befindet sich der Vorlauf 38, mit der Pumpe 57, sowie der Rücklauf 39, der die Elemente in entgegengesetzter Richtung verbindet.
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Zwischen der Einheit 24 und dem Peltier-Element 5 befindet sich der Vorlauf 40, mit der Pumpe 54, sowie der Rücklauf 41, der die Elemente in entgegengesetzter Richtung verbindet.
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Zwischen dem Peltier-Element 5 und dem PCM-Speicher 6 befindet sich der Vorlauf 42, sowie der Rücklauf 43, der die Elemente in entgegengesetzter Richtung verbindet.
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Das Peltier-Element 5 wird gebildet aus den beiden Wärmetauscher-Platten 51 und 52, wobei zwischen den Wärmetauscher-Platten 51, 52 die Peltiers 53 angeordnet sind.
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Im Folgenden werden noch einzelne Funktionsweisen der einzelnen Bauteile zueinander beschrieben:
- Warme Luft aus dem Raum 2 wird in Pfeilrichtung 18 dem Deckensegel 7 zugeführt, wodurch sich die Lehmplatten (obere und untere Platte 8 und 9) des Deckensegel 7 durch die Feuchtigkeit der Raumluft mit Feuchtigkeit anreichen.
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Um diese Feuchtigkeit wieder aus den Lehmplatten abzutransportieren, wird über den Wärmetauscher 3 der Luftstrom 21 erwärmt, welcher durch das Deckensegel 7 hindurchgeführt wird und dadurch die Lehmplatte entfeuchtet.
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Anschließend wird der mit Feuchtigkeit angereicherte Luftstrom 21' über die Luftabführung 13 abgegeben. Die somit entfeuchtete Lehmplatte ist nun in der Lage, wiederholt Feuchtigkeit aufzunehmen, um dadurch die Luftfeuchtigkeit im Raum 2 zu reduzierten.
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Ein Teil des von der Einheit aufbereiteten Luftstroms 21, welcher nicht für das Deckensegel gebraucht wird, wird als Luftstrom 22 der Luftabführung 12 zugeführt. Hierfür ist der Luftstrom 21 bzw. der Luftstrom 22 über nicht gezeigte Ventile regelbar.
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Die adiabatische Kühlung 4 der Einheit 24 dient zur Kühlung des Luftstromes, wobei dieser, angetrieben von einem Ventilator 25 durch ein Kühlmedium geleitet wird, welches beispielsweise Wasser ist. Das Wasser dient zur Absenkung der Temperatur des Luftstroms und wird entweder als Sprühnebel einer von dem Luftstrom 20 durchströmten Kammer zugeführt und/oder dient zur Befeuchtung eines saugbaren Mediums, welches von dem Luftstrom durchströmt wird. Damit ist eine Absenkung der Temperatur von 5 bis 10 Grad möglich. Neben der Senkung der Temperatur ist auch eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit des Luftstroms möglich. Diese mit Feuchtigkeit beaufschlagte Kammer ist in 1 mit dem Bezugszeichen 4a dargestellt. Je nach Anwendungsfall kann auch keine Befeuchtung und/oder Abkühlung des Luftstroms gewünscht sein, was in der Einheit 24 durch das Bezugszeichen 4b dargestellt ist. In Wirklichkeit handelt es sich um dieselbe Kammer der adiabatischen Kühlung 4, welche nur zu Veranschaulichkeitszwecken in den Kammern 4a und 4b getrennt wurde.
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Hinter der adiabatischen Kühlung befindet sich der Wärmetauscher 3, der das durch die adiabatische Kühlung 4 hindurch geführte erwärmte Wasser abkühlt.
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Ist nur eine Trocknung des Deckensegels 7 über die den Luftstrom 21 erforderlich, wird die adiabatische Kühlung 4 ausgeschaltet und die durch 4b und den Wärmetauscher 3 geleitete warme Luft dem Luftstrom 21 zugeführt, welcher das Deckensegel trocknet bzw. erwärmt, wobei der durch die Feuchtigkeit des Deckensegels angereichte Luftstrom über die Luftabführung 13 ausgegeben wird.
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Das Wasser aus dem Wärmetauscher 3 kann auch der Peltier-Einheit 5 zugeleitet werden, welches je nach Fließ- und Funktionsrichtung des Wassers in der Lage ist, das Wasser des daran anliegenden Wasserkreislaufes zu kühlen bzw. zu erwärmen.
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Um den Wasserkreislauf zu gewährleisten sind die Pumpen 54-57 in den Vorläufen 30, 38, 40 und 42 vorhanden.
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2 zeigt noch einmal die Verbindung der Einheit 24 mit dem Deckensegel 7 über den Vorlauf 30 bzw. den Rücklauf 34 und den Luftstrom 21.
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Das warme Wasser aus dem Deckensegel 7 wird über einen Rücklauf 34 dem Wärmetauscher 3 mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung 4 zugeleitet, wo das Wasser gekühlt und die dabei anfallende feuchte Luft aus der Klimaanlage 1 in die Umgebung außerhalb des Raumes 2 abgegeben wird. Das gekühlte Wasser wird über einen Vorlauf 30, unterstützt durch eine elektrische Pumpe 56, dem Deckensegel 7 zugeführt, wodurch das Deckensegel 7 wieder gekühlt wird.
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3 zeigt die Verbindung der Peltier-Einheit 5 mit dem Deckensegel 7 über den Vorlauf 30 bzw. den Rücklauf 34. Durch die Steuerung der Ventile 45, 48 ist der Durchfluss des Wassers zum Element 24 unterbrochen, sodass nur ein Durchfluss zwischen der Peltier-Einheit 5 und dem Deckensegel 7 möglich ist.
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Das warme Wasser aus der Peltier-Einheit 5 (d.h. der warmen Wärmetauscher-Platte 51 der Peltier-Einheit) wird dem Wärmetauscher 3 mit zugeschalteter adiabatischer Kühlung 4 zugeleitet, welches die Wärmeenergie anhand von feuchter, warmer Luft in die Umgebung außerhalb des Raumes 2 abgibt. Die andere Wärmetauscher-Platte 52 der Peltier-Einheit 5 kühlt das Wasser im Vorlauf 30 zum Deckensegel 7, welches durch eine Pumpe 56 durch den Vorlauf 30 befördert wird. Dadurch wird das Deckensegel 7 gekühlt.
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4 zeigt die Verbindung des PCM-Speichers 6 mit dem Deckensegel 7 über den Vorlauf 30 bzw. den Rücklauf 34. Durch die Steuerung der Ventile 46, 47 ist der Durchfluss des Wassers zum Element 24 oder der Peltier-Einheit 5 unterbrochen, sodass nur ein Durchfluss zwischen dem PCM-Speicher 6 und dem Deckensegel 7 möglich ist.
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Durch ein Entladen des PCM-Speichers 6 wird kaltes Wasser über die Leitung 33 in den Vorlauf 30 ermöglicht. Dadurch wird das Deckensegel 7 gekühlt.
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5 zeigt das Beladen des PCM-Speichers 6 mit Kälte bzw. kaltem Wasser aus der Einheit 24 über den Vorlauf 38. Zusätzlich befindet sich der Rücklauf 39 zwischen dem Speicher 6 und der Einheit 24. Vorlauf 38 und Rücklauf 39 können über die Ventile 58, 59 gesteuert werden. Somit dient der PCM-Speicher als Energiespeicher.
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So kann beispielsweise die Einheit 24 verwendet werden, um den PCM-Speicher 6 aufzuladen, wobei die von der Einheit 24 anfallende Feuchte und die dabei anfallende feuchte Luft 22 aus der Klimaanlage 1 in die Umgebung außerhalb des Raumes 2 abgegeben wird.
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6 zeigt die Verbindung zwischen der Einheit 24, der Peltier-Einheit 5 und dem PCM-Speicher 6. Zwischen der Einheit 24 verläuft der Vorlauf 40, gesteuert von dem Ventil 60 und der Rücklauf 41, gesteuert von dem Ventil 61.
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Zwischen der Peltier-Einheit 5 verläuft der Vorlauf 42, gesteuert von dem Ventil 62 und der Rücklauf 43, gesteuert von dem Ventil 63.
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Der PCM-Speicher 6 kann über das Peltier-Element 5 mit Kälte beladen werden. Für die Funktionsweise des Peltier-Elementes 5 ist es stets erforderlich, dass über den Rücklauf 41 Wärme an die adiabatische Kühlung 4 abgeführt wird.
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Somit kann der PCM-Speicher 6 über die Peltier-Einheit 5 aufgeladen werden, wobei die Peltier-Einheit 5 Kälte erzeugt. Die bei dieser Erzeugung angefallene Wärme gibt die Peltier-Einheit 5 an die Einheit 24 weiter, wobei die dabei anfallende feuchte Luft 22 aus der Klimaanlage 1 in die Umgebung außerhalb des Raumes 2 abgegeben wird.
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7 zeigt nochmals die einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Klimaanlage nach Funktionen aufgegliedert. Dabei zeigt 7a die Energie erzeugenden Elemente, nämlich die Einheit 24, einmal der Wärmetauscher 3 ohne adiabatische Kühlung, einmal der Wärmetauscher 3 mit adiabatischer Kühlung und die Peltier-Einheit 5.
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7b zeigt das energiespeichernde Element, nämlich den PCM-Speicher 6.
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7c zeigt das energieverteilende Element, nämlich das Deckensegel 7, welches bevorzug Lehm beinhaltet und für Erzeugung von Kälte zuständig ist.
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8 verbildlicht die einzelnen Anwendungen des Deckensegels 7, wobei 8a zeigt, wie über die obere Platte 8 und die untere Platte 9 Kälte abgegeben wird. Dies wird verdeutlicht durch die Wärmestrahlung 27, welche ausgehend von den Platten 8, 9 in den Raum 2 ausstrahlt. Gleichzeit herrscht außerhalb des Deckensegels 7 die Konvektion 29 der Luftströme, welche im Bereich der oberen und der unteren Platte 8, 9 vorherrschen.
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8b zeigt, wie warme und feuchte Luft, gezeigt durch die Wärmestrahlung 27' und Feuchtigkeit 50, auf die Platten 8, 9 treffen und von diesen aufgenommen werden.
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Diese Feuchtigkeit wird gemäß 8c über die Platten 8, 9 an den Luftstrom 21 abgegeben und von diesem aus dem Deckensegel herausbefördert, wobei die mit Feuchtigkeit und Wärme angereicherte Luft als Luftstrom 21' aus dem Deckensegel 7 austritt. Dadurch wird das Deckensegel wieder getrocknet. Außerhalb des Deckensegels 7 herrsch die Konvektion 29'.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Klimaanlage
- 2.
- Raum
- 3.
- Wärmetauscher
- 4.
- Adiabatische Kühlung 4a, 4b
- 5.
- Peltier-Einheit
- 6.
- PCM-Speicher
- 7.
- Deckensegel
- 8.
- Obere Platte
- 9.
- Unter Platte
- 10.
- PV-Platte
- 11.
- Luftzuführung
- 12.
- Luftabführung
- 13.
- Luftabführung
- 14.
- Batterie
- 15.
- Netzspannung
- 16.
- Ventilator
- 17.
- Strahlung
- 18.
- Pfeilrichtung
- 19.
- Ventilator
- 20.
- Luftstrom
- 21.
- Luftstrom 21'
- 22.
- Luftstrom
- 23.
- Luftstrom
- 24.
- Einheit (aus 3+4)
- 25.
- Ventilator
- 26.
- Raum
- 27.
- Wärmestrahlung 27'
- 28.
- Pfeilrichtung
- 29.
- Konvektion 29'
- 30.
- Vorlauf
- 31.
- Leitung
- 32.
- Leitung
- 33.
- Leitung
- 34.
- Rücklauf
- 35.
- Leitung
- 36.
- Leitung
- 37.
- Leitung
- 38.
- Vorlauf
- 39.
- Rücklauf
- 40.
- Vorlauf
- 41.
- Rücklauf
- 42.
- Vorlauf
- 43.
- Rücklauf
- 44.
- Ventil
- 45.
- Ventil
- 46.
- Ventil
- 47.
- Ventil
- 48.
- Ventil
- 49.
- Ventil
- 50.
- Feuchtigkeit
- 51.
- Wärmetauscher-Platte
- 52.
- Wärmetauscher-Platte
- 53.
- Peltiers
- 54.
- Pumpe
- 55.
- Pumpe
- 56.
- Pumpe
- 57.
- Pumpe
- 58.
- Ventil
- 59.
- Ventil
- 60.
- Ventil
- 61.
- Ventil
- 62.
- Ventil
- 63.
- Ventil
- 64..
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- 65.
-
- 66.
- Stromversorgung
- 67.
- Rohrleitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005577 A1 [0002]
- DE 102017124401 A1 [0009]