DE102020004524A1

DE102020004524A1 - Kältemittelfreie Raumklimatisierung mit Wärmerückgewinnung

Info

Publication number: DE102020004524A1
Application number: DE102020004524.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zur Raumklimatisierung durch die Kompression der angesaugten Raum- oder Frischluft, ihrer Rückkühlung auf Umgebungsniveau mit anschließender Entspannung und Abkühlung unter Umgebungsniveau in einer rotationssymetrischen konvergenten Düse.KurzfassungDas in Kälteerzeugungsanlagen wie Klimageräten am weitesten eingesetzte Kältemittel R 134a ist umweltproblematisch. Es wirkt 1430-mal stärker als CO2. Es gelangt beim Befüllen, Entsorgen der Anlagen und durch Leckagen gasförmig in die Umwelt. In dieser Erfindung wird eine gänzlich andere Methode beschrieben, um Räume zu klimatisieren. Hier wird Luft durch einen Kompressor angesaugt und komprimiert und dadurch erhitzt, in einem Brauchwassererwärmer zur Wärmenutzung auf Umgebungszustand abgekühlt und in einer konvergenten Düse durch Entspannung zur Raumkühlung unter Umgebungsniveau abgekühlt. Dieses Verfahren ist technisch weniger aufwendig gegenüber den Kältemittelverfahren. Es werden kein Verdampfer, kein Kondensator und kein umweltproblematisches Kältemittel benötigt, wie auch in der Zeichnung Fig. 1 dargestellt ist.

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Die Jahre 2010 bis 2019 waren die wärmsten seit Beginn weltweiter Aufzeichnungen vor 170 Jahren. Der Klimawandel lässt nach Prognosen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) die Temperaturen bundesweit ansteigen. 2020 könnte laut DWD um 1,0 bis 1,5 Grad wärmer werden als das Mittel des Bezugszeitraums von 1981 bis 2010. Im Mittel der Jahre 2025 bis 2029 könnten es bis zu zwei Grad mehr sein. Wetter und Klima würden extremer, in Europa und auch weltweit. 2019 war sowohl in Deutschland als auch global das zweitwärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen.
Das Klimageschehen hat auch Auswirkungen auf die Temperaturen in den Wohnräumen der Menschen in vielen Teilen der Welt während der Sommermonate, insbesondere in ausgebauten Dachgeschosswohnungen, die nicht selten die 40°C-Marke erreichen. Ein Aufenthalt in solchen Räumen ist der Gesundheit abträglich und führt in Schlafräumen zu keinem erholsamen Schlaf, wenn überhaupt. Der Wunsch nach einer Klimatisierung von Wohnungen dürfte in Zukunft immer stärker werden, wenn die üblichen Hausmittel nicht mehr ausreichen, erträgliche Temperaturen in den Wohn und Schlafräumen zu erreichen. Die hohen Außentemperaturen heben das Temperaturprofil in den Außenwänden der Häuser deutlich an und damit auch die Wandinnentemperaturen, was einen erhöhten Wärmeeintrag in die Wohnräume bedeutet.
Mit Hilfe von Klimageräten soll die Wärme nach außen transportiert werden, um auf diese Weise angenehme Raumtemperaturen zu erhalten. Erreicht wird das damit, dass durch das Verdampfen eines Kältemittels im Verdampfer des Gerätes Wärme aufgenommen wird und durch Kondensation des Dampfes im Kondensator diese Wärme wieder abgegeben wird. Dieser Kreislauf, Verdampfen und Kondensieren, findet in einem geschlossenen System statt. Bei einer sogenannten Splitanlage befindet sich der Verdampfer im zu kühlenden Raum und der Kondensator außerhalb des Raumes. Beide sind durch Schläuche für den Dampf und das wieder rückgeführte Kondensat miteinander verbunden. Bei einem mobilen Klimagerät sind beide Aggregate in einem Gerät untergebracht, wobei die vom Kondensator abgegebene Wärme als warme Raumluft in einem entsprechenden Kanal oder Schlauch nach außen geführt wird Das mobile Gerät ist insofern ineffektiv, als ständig warme Luft aus dem zu kühlenden Raum transportiert wird. Der dadurch im Wohnraum erzeugte Unterdruck lässt durch Ritzen und andere Undichtigkeiten zum Druckausgleich wieder warme Außenluft in den Wohnraum nachströmen, was der Raumkühlung entgegenwirkt. In beiden Fällen wird Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben und geht damit für eine weitere Nutzung verloren.
Ziel der Erfindung
Die Erfindung hat das Ziel, die Raumklimatisierung umweltfreundlich durch den Verzicht auf umweltproblematische Kältemittel zu gestalten und die anfallende Wärmeenergie zu nutzen. Darüber hinaus sollen der materielle Aufwand von Teilen der Kälteanlagen eingespart und dadurch die Installation von Außenanlagen, die zu architektonischen Beeinträchtigungen führen können, vermieden werden.
Wesen der Erfindung
Die Erfindung zur kältemittelfreien Raumklimatisierung besteht darin, dass ein Kompressor Luft komprimiert und die entstehende Kompressionswärme abgegeben wird, z.B. in einem Warmwasserspeicher an Brauchwasser, um die Temperatur der komprimierten Luft auf Umgebungsniveau abzukühlen. Durch eine anschließende Entspannung in einer Düse auf Umgebungsdruck, kommt es in der Folge zur Absenkung der Lufttemperatur unter Umgebungsniveau. Die entspannte Luft kann dann dem zu kühlenden Raum zugeführt werden und die warme Luft verdrängen. Durch den leichten Überdruck im Raum kann keine warme Außenluft mehr einströmen. Wenn allerdings die Luft aus dem zu kühlenden Raum durch den Kompressor angesaugt wird, was energetisch sinnvoll ist, verhält sich die Anlage druckneutral.
Dieser Prozess benötigt kein umweltschädigendes Kältemittel. Das am weitesten verbreitete Kältemittel R134a hat immerhin ein GWP (Global Warming Potential), das 1.430-mal stärker wirkt als CO2. Es liegt bei üblichen Umgebungsbedingungen gasförmig vor und ist damit flüchtig. Verluste bei der Befüllung und beim Entsorgen der Anlage sowie durch Leckagen im kontinuierlichen Betrieb sind daher unvermeidbar, insbesondere bei der üblich langen Lebensdauer der Anlagen. Die beschriebene kältemittelfreie Raumklimatisierung mit Wärmerückgewinnung bietet den Vorteil der Brauchwassererwärmung.
Auch die unschöne Installation der Kondensatoren bei Splitanlagen an den Außenwänden der Wohnungen oder Häuser entfällt, was unter anderem bei denkmalgeschützten Gebäuden wichtig ist. Ebenso entfallen die optisch nicht besonders attraktiven Rauminstallationen. So kann der Kompressor an zentraler Stelle, z.B. im Heizungskeller, innerhalb des Hauses installiert werden und einzelne Räume oder Wohnungen mit Druckluft zur Kühlung versorgen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die dazugehörige Abbildung wird in 2 gezeigt.
Der Verdichter saugt die Raumluft an und verdichtet sie auf den vorgesehenen Druck. Im nachgeschalteten Luft/Luft-Kühler wird sie dann vorgekühlt, um dann im Wasserspeicher für die Brauchwassererwärmung zur Verfügung zu stehen. Heruntergekühlt auf Umgebungsniveau wird sie zur Expansion der konvergenten Düse zugeführt, wo sie sich weiter unter Umgebungsniveau abkühlt. In diesem Zustand gelangt sie in den zu kühlenden Raum, um dort die warme Luft zu verdrängen. Die Raumluft wird dabei im Kreis geführt. Der Luft/Luft-Kühler ist beim vorliegenden Versuchsaufbau im Kompressor integriert. Er lässt sich aber auch umfahren, ebenso wie der separate Warmwasserspeicher. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Betriebsweisen einstellen, je nach den vorherrschenden Randbedingungen. Verglichen mit der Apparatetechnik der Splitanlage, handelt es sich bei der Erfindung um eine Anlage mit deutlich verringertem technischem Aufwand.
Meß- und Rechenergebnisse der Laboranlage

Raumtemperatur	ta	°C	20,1
Feuchte	φ	%	36
Luftdruck	p_a	mbar	1022
Gaskonstante	R	Nm/kgK	287
Isentropenexpenent	æ	-	1,4
Druck	p₁	mbar	1922
Temperatur	t₁	°C	20,8
Temperatur	t₂	°C	12,7
Temperatur theoret.	t_2theo	°C	-27,9
Druck Austr.Düse	p_E	mbar	1022
Temp.sprung i.d.Düse	t₂-t₁	°C	-8,1
Temp.sprung theor.	t_2th-t₁	°C	-48,7
Geschw. Austr.Düse	W2	m/s	312,2
Massenstrom Luft	m	kg/s	0,0057

Es zeigt sich, dass der Temperatursprung in der Düse weit über dem theoretischen Wert liegt. Dies liegt vor allen Dingen an der Irreversibilität des Strömungsprozesses, den Reibungsverlusten. Hier könnten etwa längere Einlaufstrecken vor der Düse und/oder Strömungsgleichrichter die Ergebnisse verbessern. Trotzdem lässt sich mit den erzielten Ergebnissen und mit dem erhöhten Luftmassenstrom einer realen Anlage eine gute Raumklimatisierung erreichen.

Claims

Verfahren zur kältemittelfreien Raumklimatisierung durch Verdichtung der angesaugten Raum- oder Frischluft und der Rückkühlung auf Umgebungsniveau mit anschließender Entspannung und Abkühlung in einer rotationssymetrischen konvergenten Düse, dadurch gekennzeichnet, dass Raumluft aus einem Wirkungsbereich (1) in einem Verdichter (2) komprimiert wird und unter Nutzung ihres Wärmeinhaltes in einem Wärmetauscher (3) zur Brauchwassererwärmung auf Umgebungsniveau rückgekühlt und anschließend in einer rotationssymetrischen konvergenten Düse (4) auf Umgebungsniveau entspannt und gleichzeitig abgekühlt und dem Wirkungsbereich (1) wieder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Raumluft bei Bedarf zur Gewährleistung der Rückkühlung auf Umgebungsniveau über den Luft/Luft-Wärmetauscher (5) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf ein Druckspeicher (6) hinter dem Verdichter (2) zur Reservehaltung von Druckluft eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf statt der rotationssymetrischen konvergenten Düse (4) eine rechteckige konvergente Schlitzdüse eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf statt der rotationssymetrischen konvergenten Düse (4) eine rotationssymetrische Lavaldüse (Überschalldüse) eingesetzt wird.