DE102021104762A1

DE102021104762A1 - Dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen und System zur Klimatisierung von Innenräumen

Info

Publication number: DE102021104762A1
Application number: DE102021104762.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2021-08-26
Also published as: DE102020105044B3

Abstract

Eine dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen umfasst ein erstes und ein zweites Gehäuse (161, 162); einen im ersten Gehäuse (161) untergebrachten Zuluftkanal (130) mit einem ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105); einen im zweiten Gehäuse (162) untergebrachten Abluftkanal (140) mit einem zweiten und einem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107, 111); und eine im ersten Gehäuse (161) untergebrachte Versorgungseinheit mit einem Kältemittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf umfasst ein Kältemittel, einen Verdichter (116), und ein Mehrwegeventil (118) zur Steuerung einer Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Heizungs- und Belüftungstechnik und betrifft eine dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen, insbesondere ein Klimagerät, welches an oder in Wänden, Decken oder Fußböden von Einzelräumen eingebaut und unabhängig von einer zentralen Wärme- und Kälteversorgung einen Einzelraum klimatisieren und Belüften kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur Klimatisierung von Innenräumen, insbesondere mit zwei separaten dezentralen Vorrichtungen und einer optionalen Brennstoffzell enei nheit.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Für die Klimatisierung von Innenräumen von Gebäuden werden häufig Vorrichtungen eingesetzt, welche einen Teil der zum Heizen benötigten Energie der Abluft, die aus dem Innenraum abgeführt wird, entnehmen und auf die dem Innenraum zugeführte Zuluft übertragen. Damit ist eine energieeffiziente Klimatisierung durch Teilrückgewinnung von thermischer Energie möglich. Die Wärmeübertragung zwischen der Abluft und der Zuluft erfolgt mittels eines Luft-Luft-Wärmeübertragers, der beispielsweise in Form eines Luft-Luft-Plattentauschers ausgeführt sein kann. Ein derartiger Luft-Luft-Wärmeübertrager dient der Übertragung von thermischer Energie von einem Stoffstrom (beispielsweise der Abluft) auf einen anderen Stoffstrom (beispielsweise der Zuluft) unter stofflicher Trennung der beiden Stoffströme.
Aus thermodynamischen und technischen Gründen reicht ein Luft-Luft-Wärmeübertrager jedoch allein nicht aus, um die in der Abluft noch enthaltende Nutzwärme vollständig auf die Zuluft zu übertragen. Daher wird oftmals zusätzlich eine Wärmepumpe verwendet, um die Nutzwärme der Abluft vollständig zu entziehen und auf die Zuluft zu übertragen. Durch Verwendung der Wärmepumpe ist es darüber hinaus möglich, die Innenräume nicht nur zu heizen, sondern auch zu kühlen.
Vorrichtungen zur Klimatisierung von Innenräumen mit Wärmepumpe und Luft-Luft-Wärmeübertrager sind beispielsweise in der US 6 915 655 B2 , US 6 945 065 B2 , FR 2 978 532 A1 , EP 0 055 000 A1 und DE 44 12 844 A1 beschrieben. Aus CN 106 196 380 A ist eine Klimatisierungsanlage mit einem Zuluftkanal mit drei Wärmetauschern und ein Abluftkanal mit einem Wärmetauscher bekannt, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sind. Aus DE 102 00 404 A1 ist eine Vorrichtung zur Erwärmung von Luft mittels einer luftatmenden Brennstoffzelle bekannt, bei der die Brennstoffzelle direkt im Lüftungskanal angeordnet ist.
Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist jedoch, dass diese relativ groß sind und sich daher nur bedingt für einen raumsparenden Einbau in Wände, beispielsweise unterhalb eines Fensters, Decken oder Fußböden eines Innenraums eignen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund wird eine dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von Innenräumen gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 21 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung (gemäß einem ersten Aspekt) ein Gehäuse, eine im Gehäuse untergebrachte Konvektoreinheit mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite und eine im Gehäuse untergebrachte Versorgungseinheit auf. Die Konvektoreinheit weist einen Zuluftkanal zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in den zu klimatisierenden Innenraum und einen zum Zuluftkanal separaten Abluftkanal zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen auf. Die Versorgungseinheit weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und ein Wegeventil (Mehrwegeventil) zur Steuerung einer Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf auf, um den Kältemittelkreislauf zwischen Heizbetrieb zum Heizen der Zuluft und Kühlbetrieb zum Kühlen der Zuluft umzuschalten. Weiterhin umfasst die dezentrale Vorrichtung einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Abluftkanal an der Außenluftseite des Abluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertagung zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht, einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertragung zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht, und einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und eine Vorwärmung der Zuluft ermöglicht. Der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager kann optional strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden sein und eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Zuluft ermöglichen. Er kann aber auch vom Kältemittelkreislauf getrennt und mit einem eigenen Abwärmekreislauf verbunden sein, um die Abwärme einer Brennstoffzelle oder einer anderen Energieerzeugungseinheit zur Erwärmung der Zuluft zu nutzen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung (gemäß einem zweiten Aspekt) ein erstes Gehäuse mit einem im ersten Gehäuse angeordneten Zuluftkanal mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in einen Innenraum, ein zum ersten Gehäuse separates zweites Gehäuse mit einem im zweiten Gehäuse angeordneten Abluftkanal mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen; und einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem im ersten Gehäuse untergebrachten Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und einem im ersten Gehäuse untergebrachten Mehrwegeventil, um den Kältemittelkreislauf zwischen verschiedenen Betriebsmodi, z.B. Heizbetrieb und Kühlbetrieb, umzuschalten, auf. Weiterhin umfasst die dezentrale Vorrichtung einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im zweiten Gehäuse im Abluftkanal angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht; einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im ersten Gehäuse im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht; und einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im ersten Gehäuse im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und der einen Wärmeaustausch zwischen Zuluft und Kältemittel ermöglicht. Der Kältemittelkreislauf weist eine Kältemittelleitung vom ersten Gehäuse zum ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im zweiten Gehäuse auf.
Die hier beschriebene dezentrale Vorrichtung kann gemäß erstem Aspekt entweder ein zusammenhängendes Gehäuse umfassen, in dem der Zuluftkanal, der Abluftkanal, der Kältemittelkreislauf und der erste, zweite und dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager untergebracht sind, oder kann gemäß zweitem Aspekt zwei separate und voneinander getrennte Gehäuse, d.h. ein erstes und ein zweites Gehäuse, umfassen, wobei im ersten Gehäuse der Zuluftkanal, der zweite und dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der Verdichter und das Mehrwegeventil (d.h. die Versorgungseinrichtung) untergebracht sind und im zweiten Gehäuse der Abluftkanal und der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager untergerbacht sind. Da der erste, zweite und dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager in unterschiedlichen Gehäusen gemäß zweitem Aspekt angeordnet sind, erstreckt sich der Kältemittelmittelkreis vom ersten zum zweiten Gehäuse. Das erste Gehäuse und zweite Gehäuse können frei zueinander und beabstandet voneinander im zu klimatisierenden Raum untergebracht werden. Beispielsweise kann das erste Gehäuse im Brüstungsbereich eines Fensters und das zweite Gehäuse im Deckenbereich oberhalb des Fensters angeordnet werden. Dadurch können Zuluftkanal und Abluftkanal räumlich weit voneinander entfernt werden, wodurch sich eine verbesserte Klimatisierung und ein vorteilhafter Luftaustausch erreichen lässt. Im Gegensatz dazu legt das hier als zusammenhängendes Gehäuse betrachtete Gehäuse gemäß erstem Aspekt den Abstand zwischen Zuluftkanal und Abluftkanal fest.
Abgesehen von der Aufteilung auf zwei Gehäuse kann die dezentrale Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt prinzipiell die gleichen Komponenten wie die dezentrale Vorrichtung gemäß erstem Aspekt umfassen und umgekehrt. Daher gilt die nachfolgende Beschreibung grundsätzlich für beide Aspekte. Auf besondere Unterschiede wird eingegangen. Da gemäß zweitem Aspekt der Zuluftkanal und der Abluftkanal in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht sind, wird in diesem Fall nicht von einer Konvektoreinheit gesprochen. Funktional gesehen erfüllen der Zuluftkanal und der Abluftkanal der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt jedoch die gleiche Funktion wie der Zuluftkanal und der Abluftkanal der dezentralen Vorrichtung gemäß erstem Aspekt.
Im Gegensatz zu vorbekannten Vorrichtungen zur Klimatisierung umfasst die hier beschriebene dezentrale Vorrichtung drei Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager. Im Weiteren werden diese Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager der Einfachheit halber als Wärmeübertrager bezeichnet. Auch diese Wärmeübertrager dienen dazu, thermische Energie von einem Stoffstrom (Luft oder Kältemittel bzw. Wasser) auf einen zweiten Stoffstrom (Kältemittel bzw. Wasser oder Luft) unter stofflicher Trennung der beiden Stoffströme (Luft getrennt vom Kältemittel, bzw. Luft getrennt von Wasser) zu übertragen.
Zwei dieser Wärmeübertrager, und zwar der zweite Wärmeübertrager (zweiter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) und der dritte Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) sind strömungstechnisch in den Zuluftkanal integriert, d. h. Luft kann durch diese beiden Wärmeübertrager strömen. Der dritte Wärmeübertrager ist dabei im Zuluftkanal strömungstechnisch dem zweiten Wärmeübertrager vorgelagert. Der erste Wärmeübertrager (erster Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) ist dagegen strömungstechnisch in den Abluftkanal integriert, d. h. Abluft kann durch diesen Wärmeübertrager strömen. Der erste und zweite Wärmeübertrager sind weiterhin Teil des Kältemittelkreislaufs und in diesen integriert. Der dritte Wärmeübertrager kann ebenfalls Teil des Kältemittelkreislaufs sein, oder mit einem eigenen Abwärmekreislauf verbunden sein. In diesem Fall weist die Versorgungseinheit zwei separate Kreisläufe auf, und zwar einen Kältemittelkreislauf und einen Abwärmekreislauf, oder alternativ wird der Abwärmekreislauf von außerhalb der dezentralen Vorrichtung (Gehäuse) zugeführt.
Bei beiden Aspekten der dezentralen Vorrichtung können alle drei Wärmeübertrager Teil des Kältemittelkreislaufs sein. Um zusätzlich die Abwärme beispielsweise einer Brennstoffzelleneinheit nutzbar zu machen, kann der Kältemittelkreislauf weiterhin mit einem Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager verbunden sein. Dies ist sowohl beim ersten als auch beim zweiten Aspekt möglich. Der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager wird der Einfachheit halber als vierter Wärmeübertrager bezeichnet. Mittels des vierten Wärmeübertragers kann einem Abwärmekreislauf, der mit dem vierten Wärmeübertrager gekoppelt ist, Wärme entzogen und auf das Kältemittel übertragen werden. Der vierte Wärmeübertrager dient dann als Nacherhitzer für das Kältemittel. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn mit der dezentralen Vorrichtung geheizt werden soll. Darüber hinaus kann damit gleichzeitig der Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit gekühlt werden. Ein Kühlen der Brennstoffzelleneinheit mit der dezentralen Vorrichtung ist auch möglich, wenn mittels der dezentralen Vorrichtung die Zuluft gekühlt werden soll. In diesem Fall wird die im vierten Wärmeübertrager zusätzlich aufgenommene Wärme an die Abluft abgegeben.
Gemäß einer Ausführungsform ist der dritte Wärmeübertrager Teil des Kältemittelkreislaufs und in Durchflussrichtung des Kältemittels im Heizmodus gesehen dem Verdichter strömungstechnisch nachgeschaltet, und der zweite Wärmeübertrager ist dem dritten Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kältemittelkreislauf weiterhin eine Ventileinheit auf, die so steuerbar ist, dass der dritte Wärmeübertrager im Heizmodus vom Kältemittel durchströmt wird, im Kühlmodus den Durchfluss von Kältemittel durch den dritten Wärmeübertrager aber unterbindet. In einigen hier beschriebenen Ausführungsformen wird der dritte Wärmeübertrager auch im Kühlmodus vom Kältemittel durchströmt; der dritte Wärmeübertrager bleibt mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Der dritte Wärmeübertrager kann gemäß einiger Ausführungsformen auch vom Kältemittelkreislauf entkoppelt und mit einem separaten Abwärmekreislauf verbunden sein.
Der dritte Wärmeübertrager hat die Funktion, von der Außenluftseite angesaugte Außenluft vorzuwärmen, damit die in der Konvektoreinheit strömende Luft immer eine Mindesttemperatur aufweist. Damit wird verhindert, dass durch Einströmen besonders kalter Außenluft die Konvektoreinheit übermäßig abgekühlt und damit Energie verloren geht. Der dritte Wärmeübertrager ist daher bevorzugt baulich sehr nah am Einlass des Zuluftkanals angeordnet, sodass die angesaugte Außenluft sofort auf eine Mindesttemperatur erwärmt wird und der Kälteeintrag in die Konvektoreinheit verringert wird. Dies ist insbesondere beim Ansaugen von sehr kalter Außenluft von Vorteil, da somit größere Temperaturunterscheide in der Konvektoreinheit vermieden und Wärmeverluste verringert werden. Dies gilt auch für die dezentrale Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt, da hier Zuluftkanal und Abluftkanal aufgrund der unterschiedlichen Gehäuse getrennt voneinander sind und eine direkte Wärmeübertragung von Abluftkanal auf Zuluftkanal (und umgekehrt) praktisch ausgeschlossen ist.
Der dritte Wärmeübertrager, der luftströmungstechnisch im Zuluftkanal an der Außenseite des Zuluftkanals angeordnet ist, kann als Teil des Kältemittelkreislaufs strömungstechnisch im Heizbetrieb gesehen dem Verdichter nachgeschaltet sein. Beim Verdichten des Kältemittels wird dieses teilweise überhitzt. Der dritte Wärmeübertrager ist so dimensioniert, dass er einen Teil der im verdichteten Kältemittel enthaltenen Wärme auf die in den Zuluftkanal einströmende Außenluft überträgt und dabei das Kältemittel etwas abkühlt. Das den dritten Wärmeübertrager verlassene Kältemittel, welches weiterhin verdichtet ist, bleibt jedoch weiterhin warm genug, um beim nachfolgenden Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers die Zuluft auf die gewünschte Zieltemperatur zu erwärmen.
Die für die Erwärmung der Zuluft erforderliche Energie wird mittels des ersten Wärmeübertragers der Abluft entnommen. Dabei wird das den ersten Wärmeübertrager durchströmende Kältemittel verdampft und dem Verdichter zugeführt. Durch die Kompression des gasförmigen Kältemittels wird dieses weiter aufgeheizt und soweit verdichtet, dass es als flüssiges, aber „heißes“ Kältemittel den Verdichter verlässt.
Der Kältemittelkreislauf bildet damit zusammen mit dem Verdichter und den drei Wärmeübertragern eine Wärmepumpe. Es ist damit möglich, Wärme aus dem zu klimatisierenden Innenraum eines Gebäudes zurückzugewinnen. Dieser Wärmegewinn wird in der Versorgungseinheit mittels des dritten Wärmeübertragers, der strömungstechnisch an der Außenluftseite des Zuluftkanals liegt, im Verdichter zusätzlich nutzbar gemacht, und zwar durch Vorwärmen der einströmenden Außenluft.
Im Kühlbetrieb wird dagegen der dritte Wärmeübertrager nicht benötigt. Er wird im Kühlbetrieb strömungstechnisch vom Kältemittelkreislauf durch die Ventileinheit getrennt, welchen einen Bypass für das Kältemittel zur Umgehung des dritten Wärmeübertragers bereitstellt. Gemäß einiger Ausführungsformen der dezentralen Vorrichtung gemäß erstem und zweitem Aspekt kann der dritte Wärmeübertrager dagegen strömungstechnische mit dem Kältemittelkreislauf verbunden bleiben, insbesondere wenn die dezentrale Vorrichtung in einem Umluftbetrieb arbeitet.
Gemäß einer Ausführungsform dient im Heizbetrieb der erste Wärmeübertrager als Verdampfer und entzieht der Abluft Wärme. Der dritte Wärmeübertrager dient als Heißgas-Wärmeübertrager und wärmt die von außen angesaugte Außenluft vor. Der zweite Wärmeübertrager, welcher im Zuluftkanal dem dritten Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet ist, dient als Kondensator und erwärmt die Zuluft auf eine Zieltemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform dient im Kühlbetrieb der erste Wärmeübertrager als Kondensator und überträgt Wärme auf die Abluft. Der dritte Wärmeübertrager ist vom Kältemittelkreislauf getrennt. Der zweite Wärmeübertrager dient als Verdampfer und kühlt die Zuluft auf eine Zieltemperatur.
Die Temperatur des verdichteten Kältemittels kann nach Verlassen des Verdichters mit T0, nach Durchströmen des dritten Wärmeübertragers mit T3, nach Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers mit T2 und nach Durchströmen des ersten Wärmeübertragers mit T1 bezeichnet werden. Im Heizbetrieb gilt folgende Beziehung:
T0 > T3 > T2 > T1
Dagegen gilt im Kühlbetrieb die folgende Beziehung:
T0 > T1 > T2
wobei T3 hier unbestimmt ist, da der dritte Wärmeübertrager im Kühlbetrieb nicht vom Kältemittel durchströmt wird.
Bei bisherigen Lösungen wird die einströmende Außenluft durch einen Luft-Luft-Wärmeübertrager vorgewärmt. Dieser Luft-Luft-Wärmeübertrager koppelt thermisch den Abluftkanal mit dem Zuluftkanal und dient dazu, der aus dem zu klimatisierenden Innenraum abgeführten Abluft Wärme zu entziehen und der Zuluft zuzuführen. Die so vorgewärmte Zuluft strömt dann noch durch einen Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, um auf die gewünschte Zieltemperatur erwärmt zu werden. Allerdings müssen Luft-Luft-Wärmeübertrager vergleichsweise groß ausgeführt werden, damit sie die Wärme effektiv von der Abluft auf die Zuluft übertragen können. Daher benötigen Luft-Luft-Wärmeübertrager viel Platz, sodass bisherige Konvektoreinheiten sehr voluminös sind.
Im Gegensatz zu diesen vorbekannten Lösungen erfolgt die Vorerwärmung der Zuluft mittels des dritten Wärmeübertragers (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager), sodass auf einen Luft-Luft-Wärmeübertrager verzichtet werden kann, oder ein volumenmäßig nur kleiner Luft-Luft-Wärmeübertrager nötig ist. Bevorzugt weist die Konvektoreinheit keinen Luft-Luft-Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme von der Abluft auf die Zuluft auf. Der sonst üblicherweise vorhandene Luft-Luft-Wärmeübertrager wird bei der hier beschriebenen dezentralen Vorrichtung durch den dritten Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) ersetzt. Die Konvektoreinheit kann damit erheblich kleiner ausgeführt werden, da Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager deutlich kleiner sind als Luft-Luft-Wärmeübertrager. Außerdem kann der dritte Wärmeübertrager strömungstechnisch, da er vergleichsweise wenig Bauraum benötigt, baulich direkt am Eingang des Zuluftkanals angeordnet werden, um so die einströmende Außenluft sofort vorzuwärmen und den Eintrag von kalter Außenluft zu minimieren. Bei der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt ist die Integration eines Luft-Luft Wärmeübertragers zwischen Zuluftkanal und Abluftkanal aufgrund der baulichen Trennung von Zuluftkanal (im ersten Gehäuse) und Abluftkanal (im zweiten Gehäuse) grundsätzlich nicht möglich.
Durch den Wegfall des sonst verwendeten Luft-Luft-Wärmeübertragers kann das Gehäuse sowohl die Konvektoreinheit als auch die Versorgungseinheit mit dem Kältemittelkreislauf und ggf. dem Abwärmekreislauf, sofern der dritte Wärmeübertrager über einen eigenen Kreislauf verfügt, aufnehmen. Dies gestattet die Bildung von relativ kompakten Klimageräten, die für eine dezentrale Klimatisierung von Einzelräumen eingesetzt werden können. Damit unterscheidet sich die hier vorgestellte Lösung, welche eine dezentrale und autarke Klimatisierung ermöglicht, von zentralen Lösungen. Bei zentralen Lösungen werden einzelne Konvektoreinheiten zwar auch in die zu klimatisierenden Einzelräume integriert, benötigen aber entsprechende Kühl- und Heizmedien, d. h. entsprechende Rohrleitungssysteme, um die Kühl- und Heizmedien den jeweiligen Konvektoreinheiten zuzuführen. Weiterhin benötigen derartige zentrale Lösungen eine zentrale Anlage zur Erzeugung von Wärme bzw. Kälte. Wird hierfür eine zentrale Wärmepumpe eingesetzt, muss eine zusätzliche Wärmequelle bzw. Wärmesenke vorhanden sein, zum Beispiel Solarthermie, Tiefenbohrung oder ein Erdreichspeicher, die jedoch alle mit entsprechenden Wärmeverlusten aufgrund der langen Medienleitungen behaftet sind. Außerdem sind diese zentralen Anlagen vergleichsweise teuer.
Die hier beschriebene dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von Einzelräumen erfordert keine externe Zufuhr von Kühl- und Heizmedien, um die Zuluft entsprechend zu temperierten. Es wird lediglich die Zufuhr von elektrischer Energie für den Verdichter, Ventilatoren und eine typischerweise vorhandene Steuerung der dezentralen Vorrichtung benötigt. Damit kann die hier beschriebene dezentrale Vorrichtung zum Nachrüsten von Gebäuden verwendet werden, bei denen keine zentralen Kühl- und Heizmedien anliegen. Durch den Wegfall der für die zentralen Lösungen erforderlichen Rohrleitungssysteme wird der Energieverlust verringert und damit insgesamt eine energieeffizientere Klimatisierung ermöglicht.
Es ist jedoch auch möglich, dass bei der dezentralen Vorrichtung gemäß erstem und zweitem Aspekt ein externes Medium, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit eines Abwärmekreislaufs, genutzt wird, um das Kältemittel zusätzlich zu erwärmen und damit die thermodynamische Effizienz der dezentralen Vorrichtung zu verbessern.
Da der sehr voluminöse Luft-Luft-Wärmeübertrager nicht benötigt wird und der dritte Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel Wärmeübertrager) vergleichsweise klein ist, kann gemäß erstem Aspekt ohne zusätzlichen Platzbedarf auch die Versorgungseinheit in einem gemeinsamen bzw. zusammenhängenden Gehäuse untergebracht werden, welches bei gleichen energetischen Parametern genauso groß ist wie eine konventionelle Konvektoreinheit mit Luft-Luft Wärmeübertrager. Beispielsweise kann die Versorgungseinheit, insbesondere der Verdichter, im Zuluftkanal angeordnet werden, um die Abwärme des Verdichters zu nutzen. Gleichzeitig wird damit der Verdichter gekühlt. Bei der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt kann die Versorgungseinheit im ersten Gehäuse untergebracht werden. Bezüglich des Kältemittelkreislaufs befindet sich lediglich der erste Wärmeübertrager im zweiten Gehäuse. Der Verdichter und das Mehrwegeventil sowie der zweite und dritte Wärmeübertrager sind im ersten Gehäuse angeordnet.
Darüber hinaus kann die dezentrale Vorrichtung gemäß erstem und zweitem Aspekt eine Steuereinrichtung aufweisen. Bei der dezentralen Vorrichtung gemäß erstem Aspekt ist diese typischerweise Teil der Versorgungseinheit und daher in dem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Bei der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt ist die Steuereinrichtung typischerweise im ersten Gehäuse angeordnet.
Zusätzlich ergibt sich eine Verminderung der Betriebsgeräusche der dezentralen Vorrichtung durch den Wegfall des voluminösen Luft-Luft-Wärmeübertragers. Der Luft-Luft-Wärmeübertrager stellt einen erheblichen Strömungswiderstand für die durch ihn strömende Luft dar, da der Luft-Luft-Wärmeübertrager häufig über viele kreuzweise geführte Strömungskanäle verfügt, die jeweils für sich nur einen geringen Querschnitt aufweisen. Damit die Luft durch diese Strömungskanäle strömen kann, werden ausreichend dimensionierte Lüfter benötigt, die entsprechende Betriebsgeräusche abgeben. Durch Wegfall des Luft-Luft-Wärmeübertragers sinkt der strömungstechnische Widerstand im Zuluft- und Abluftkanal. Es können daher kleinere Lüfter verwendet werden, oder die Lüfter können mit verringerter Drehzahl arbeiten, wodurch weniger Energie verbraucht und die Geräuschentwicklung verringert wird. Damit kann die hier beschriebene dezentrale Vorrichtung bevorzugt auch für solche Innenräume verwendet werden, bei denen eine Geräuschbelastung nachteilig ist. Beispiele hierfür sind Büros, Schulräume, aber auch Wohn- und Schlafräume.
Da sowohl die Konvektoreinheit als auch die Versorgungseinheit mit dem Kältemittelkreislauf in dem gemeinsamen Gehäuse gemäß erstem Aspekt untergebracht sind, ist die hier vorgestellte dezentrale Vorrichtung kein Split-Gerät. Auch die dezentrale Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt unterscheidet sich von einem klassischen Split-Gerät dahingehend, dass der Zuluft- und Abluftkanal einen Luftaustausch des zu klimatisierenden Innenraums mit der Außenluft ermöglicht. Ein solcher Luftaustausch wird auch durch die dezentrale Vorrichtung gemäß erstem Aspekt ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Versorgungseinheit weiterhin eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle entsteht, auf. Der dritte Wärmeübertrager ist mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt. Der dritte Wärmeübertrager ist dagegen nicht mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Bei dieser Ausführungsform verfügt die Versorgungseinheit über zwei Kreisläufe, den Kältemittelkreislauf und Abwärmekreislauf. Im Abwärmekreislauf kann Wasser als Kältemittel zirkulieren. Für den Kältemittelkreislauf wird dagegen typischerweise ein handelsübliches Kältemittel, z. B. CO₂ oder ein fluorhaltiges Kältemittel verwendet. Bevorzugt sind solche Kältemittel, die umweltverträglich sind oder nur eine bedingte Umweltschädigung aufweisen.
Der Abwärmekreislauf kann über den vierten Wärmeübertrager (Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager) mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt sein. Dies gilt für beide Aspekte der dezentralen Vorrichtung. Dabei kann eine lösbare Kopplung des Abwärmekreislaufs mit dem vierten Wärmeübertrager vorgesehen sein. Damit wird ein Austausch der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht. Außerdem kann die dezentrale Vorrichtung wahlweise mit und ohne Brennstoffzelleneinheit betrieben werden. Umfasst die dezentrale Vorrichtung gemäß erstem und zweitem Aspekt den vierten Wärmeübertrager, ist die dezentrale Vorrichtung bereits für die wahlweise Kopplung mit dem Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit vorbereitet.
Mittels der Brennstoffzelleeinheit wird elektrische Energie gewonnen, die beispielsweise dem Verdichter und anderen elektrischen Komponenten der dezentralen Vorrichtung, z. B. Ventilatoren und einer zentralen Steuerung, zugeführt wird. Beim Erzeugen von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle entsteht Abwärme, die mittels des Abwärmekreislaufs abgeführt und dem dritten Wärmeübertrager zum Vorwärmen der einströmenden Außenluft zugeführt wird. Durch die Nutzung der Abwärme für das Vorwärmen der zugeführten Außenluft wird für die Wärmepumpe umfassend den Verdichter und den ersten und zweiten Wärmeübertrager ein vergleichsweise hoher COP-Wert (coefficient of performance), auch Leistungszahl genannt, erreicht. Der durch den dritten Wärmeübertrager vorgewärmten Luft muss durch den zweiten Wärmeübertrager nicht mehr so viel Energie zugeführt werden. Dadurch kann die Leistungsaufnahme des Verdichters verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform dient der erste Wärmeübertrager im Kühlbetrieb als Kondensator und überträgt Wärme auf die Abluft, der dritte Wärmeübertrager ist vom Abwärmekreislauf getrennt oder der Abwärmekreislauf ist deaktiviert, und der zweite Wärmeübertrager dient als Verdampfer und kühlt die Zuluft auf eine Zieltemperatur. Der dritte Wärmeübertrager ist im Kühlbetrieb daher nicht aktiv.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse gemäß erstem Aspekt Befestigungsschnittstellen zum Befestigen an oder in Decken, Wänden oder Fußböden eines zu klimatisierenden Innenraums eines Gebäudes auf. Bei der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt kann sowohl das erste Gehäuse als auch das zweite Gehäuse jeweils über geeignete Befestigungsschnittstellen verfügen. Beispielsweise kann das zweite Gehäuse Befestigungsschnittstellen zum Befestigen an oder in Decken oder an Wänden oberhalb eines Fensters aufweisen. Das erste Gehäuse hat dagegen bevorzugt Befestigungsschnittstellen zum Befestigen im Brüstungsbereich unterhalb oder seitlich eines Fensters oder im Fußbodenbereich des Innenraums.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse gemäß erstem Aspekt mindestens einen Fortluftanschluss und einen Außenluftanschluss auf. Diese beiden Anschlüsse dienen dazu, das Gehäuse mit jeweiligen Luftkanälen strömungstechnisch zu verbinden, welche beispielsweise die Außenwand des Gebäudes durchdringen und so die Zufuhr von Außenluft bzw. die Abfuhr von Fortluft durch die Außenwand zu ermöglichen. Bei der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt kann das zweite Gehäuse einen Fortluftanschluss zum Verbinden des Abluftkanals mit einem Wandlüftungsstutzen zum Abführen der Fortluft nach Außen aufweisen. Entsprechend kann das erste Gehäuse einen Außenluftanschluss zum Verbinden des Zuluftkanals mit einem Wandlüftungsstutzen zum Zuführen von Außenluft aufweisen. Die Wandlüftungsstutzen müssen nicht notwendigerweise in der Wand vorgesehen sein. Diese können sich auch in der Decke oder dem Boden befinden, wenn die Außenluft bzw. Fortluft unterhalb des Bodens bzw. oberhalb der Decke geführt werden soll.
Gemäß einer Ausführungsform weist darüber hinaus das Gehäuse einen Abluftanschluss bzw. eine Abluftöffnung und einen Zuluftanschluss bzw. eine Zuluftöffnung auf. Entsprechend kann das erste Gehäuse einen Zuluftanschluss bzw. eine Zuluftöffnung und das zweite Gehäuse einen Abluftanschluss bzw. eine Abluftöffnung aufweisen. Diese beiden Anschlüsse bzw. Öffnungen sind mit dem zu klimatisierenden Innenraum strömungstechnisch verbunden und dienen dazu, Abluft aus dem Innenraum abzuführen bzw. dem Innenraum Zuluft zuzuführen.
Wird beispielsweise die dezentrale Vorrichtung als Klimagerät ausgeführt, welches im Innenraum an der Außenwand unterhalb eines Fensters angebracht und beispielsweise lediglich mit einer Blende verkleidet wird, so stellen die Zuluftöffnung und die Abluftöffnung den direkten Zugang zum Innenraum her. Wird dagegen die dezentrale Vorrichtung beispielsweise in die Decke oder den Fußboden integriert und sind die gewünschten Lufteinlässe bzw. Luftauslässe nicht direkt oberhalb bzw. unterhalb der dezentralen Vorrichtung sondern von dieser beabstandet, so werden der Abluftanschluss und/oder der Zuluftanschluss noch mit einem in der Decke oder den Fußboden integrierten Luftkanal verbunden, der den Abluftanschluss mit den boden- bzw. deckenseitigen Lufteinlässen und den Zuluftanschluss mit den boden- bzw. deckenseitigen Luftauslässen verbinden. Dies gilt analog für das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse, welche getrennt voneinander im zu klimatisierenden Innenraum angeordnet werden. Bevorzugt wird hier das erste Gehäuse an der Außenwand unterhalb eines Fensters angebracht und das zweite Gehäuse im Deckenbereich oberhalb des Fensters.
Mittels der Befestigungsschnittstellen kann das Gehäuse, bzw. das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse, beispielsweise direkt mit der Decke, dem Fußboden oder der Außenwand verbunden werden. Das Gehäuse trägt dabei die Konvektoreinheit und die Versorgungseinheit. Darüber hinaus können Teile des Gehäuses auch Teilbereiche des Zuluftkanals und/oder des Abluftkanals bilden, beispielsweise einzelne Seitenwände der jeweiligen Kanäle, um Material und Gewicht zu sparen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Gehäuse eine tragende Struktur aufweist, welches die einzelnen Luftkanäle (Zuluftkanal und Abluftkanal) und die Versorgungseinheit trägt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse (gemäß erstem Aspekt) einen gemeinsamen Innenraum zur Unterbringung der Konvektoreinheit und der Versorgungseinheit im gemeinsamen Innenraum auf. Das Gehäuse ist damit einteilig und die Konvektoreinheit und die Versorgungseinheit bilden eine Einheit.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse (gemäß erstem Aspekt) modular aufgebaut und weist ein erstes Gehäuseteil und ein mit dem ersten Gehäuseteil lösbar verbundenes zweites Gehäuseteil auf. Das erste Gehäuseteil weist einen Innenraum auf, in dem die Konvektoreinheit und der erste, zweite und dritte Wärmeübertrager untergebracht sind. Das zweite Gehäuseteil weist einen vom Innenraum des ersten Gehäuseteils baulich getrennten Innenraum auf, in dem die Versorgungseinheit untergebracht ist. Das erste Gehäuseteil und zweite Gehäuseteil sind zwar miteinander verbunden, können aber voneinander getrennt werden. In diesem Fall sind Schnittstellen vorhanden, um die drei Wärmeübertrager mit dem Kältemittelkreislauf zu koppeln, bzw. den ersten und zweiten Wärmeübertrager mit dem Kältemittelkreislauf und den dritten Wärmeübertrager mit dem Abwärmekreislauf zu koppeln. Diese modulare Lösung gestattet auch ein Nach- bzw. Umrüsten von dezentralen Vorrichtungen durch Austausch der Versorgungseinheit. Damit lassen sich die dezentralen Vorrichtungen im Fall einer größeren Reparatur auch leichter warten.
Gemäß einer Ausführungsform beherbergt das Gehäuse die Konvektoreinheit mit dem ersten, zweiten und dritten Wärmeübertrager und die Versorgungseinheit mit dem Kältemittelkreislauf, der mit dem ersten und zweiten Wärmeübertrager strömungstechnisch verbunden ist. Das Gehäuse kann modular mit separaten Teilgehäusen für Konvektoreinheit und Teilen der Versorgungseinheit oder einheitlich (ein gemeinsames Gehäuse bildend) zum Beherbergen von Konvektoreinheit und Versorgungseinheit aufgebaut sein. Die Versorgungseinheit kann beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses im Bereich des Zuluftkanals angeordnet sein oder innerhalb des gemeinsamen Gehäuses durch Wandabschnitte teilweise oder vollständig vom Zuluftkanal und/oder Abluftkanal getrennt angeordnet sein. Der dritte Wärmeübertrager ist mit einem zum Kältemittelkreislauf separaten Abwärmekreislauf gekoppelt, der von außerhalb des Gehäuses zugeführt wird. Dazu kann die Brennstoffzelleneinheit in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Die Brennstoffzelleneinheit ist daher nicht in die Versorgungseinheit integriert. Dieses separate Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit kann mit dem Gehäuse der dezentralen Vorrichtung (umfassend die Konvektoreinheit und die Versorgungseinheit) lösbar verbunden sein oder getrennt von diesem abgeordnet sein. Beispielsweise ist es gemäß einer Ausführungsform möglich, dass eine separate Brennstoffzelleneinheit den dritten Wärmeübertrager von zwei oder mehrere dezentralen Vorrichtungen mit Abwärme versorgt. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn der zu klimatisierende Innenraum sehr groß ist, beispielsweise ein Klassenraum einer Schule oder ein größeres Büro, und mehrere dezentrale Vorrichtungen zum Klimatisieren erforderlich sind. Dann kann aus Effizienzgründen eine größer dimensionierte Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt werden, welche die dezentralen Vorrichtungen dieses größeren Einzelraums versorgt. Ggf. kann diese separate Brennstoffzelleneinheit auch dezentrale Vorrichtungen von mehreren Räumen, z.B. auf einer gemeinsamen Etage, versorgen. Auch diese Lösung wird als dezentrale Lösung angesehen, da pro Etage jeweils mindestens eine Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Abwärmekreislauf einer Brennstoffzelleneinheit jeweils mit dem dritten Wärmeübertrager von zwei oder mehreren dezentralen Vorrichtungen zur Klimatisierung verbunden. Damit wird ein System zur Klimatisierung von Innenräumen geschaffen, das mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen (Klimageräte) zur Klimatisierung, die jeweils eine Konvektoreinheit und eine Versorgungseinheit mit Kältemittekreislauf, der mit dem jeweils ersten und zweiten Wärmeübertrager gekoppelt ist, und eine dazu separate Brennstoffzelleneinheit aufweist, die jeweils mit dem dritten Wärmeübertrager der beiden dezentralen Vorrichtungen verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Konvektoreinheit im Zuluftkanal einen Zuluftventilator zum Ansaugen von Außenluft auf, der im Zuluftkanal strömungstechnisch zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem dritten Wärmeübertrager angeordnet ist. Der Zuluftventilator ist damit dem dritten Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet. Damit wird ein Abkühlen des Zuluftventilators durch Einströmen von kalter Außenluft und damit Energieverluste vermieden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Konvektoreinheit im Abluftkanal einen Abluftventilator zum Ansaugen von Abluft aufweist, der im Abluftkanal strömungstechnisch vor dem ersten Wärmeübertrager angeordnet ist. Dies ist von Vorteil, da ein dem ersten Wärmeübertrager nachgeschalteter Abluftventilator thermisch auf Fortluftniveau wäre und damit zu einem Energieverlust führen würde, da der Abluftventilator Teil des Abluftkanals ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Wegeventil, d. h. das Mehrwegeventil, ein 4-Wege Umkehrventil. Dies stellt eine zuverlässige Möglichkeit zur Steuerung der Durchflussrichtung des Kältemittels dar. Das Mehrwegeventil kann auch durch eine anders aufgebaute Ventileinheit realisiert sein. Allerdings ist ein 4-Wege Umkehrventil bevorzugt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Konvektoreinheit weiterhin einen auf der Innenluftseite angeordneten und steuerbaren ersten Umluftbypass zum strömungstechnischen Verbinden des Abluftkanals mit dem Zuluftkanal auf, um bedarfsweise Abluft der Zuluft zuzuführen.
Weiterhin weist die Konvektoreinheit gemäß einer Ausführungsform einen auf der Außenluftseite angeordneten und steuerbaren zweiten Umluftbypass zum strömungstechnischen Verbinden des Abluftkanals mit dem Zuluftkanal auf, um bedarfsweise Außenluft der Fortluft zuzuführen.
Die jeweiligen Bypässe können den Zuluftkanal und den Abluftkanal vollständig unter Sperrung der jeweiligen Kanäle verbinden. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste Bypass die Abluft vollständig dem Zuluftkanal zuführt und dadurch als Zuluft wieder in den Innenraum eingeleitet wird. In diesem Fall wird typischerweise mittels des zweiten Bypasses die zugeführte Außenluft vollständig in den Abluftkanal eingeleitet und als Fortluft abgeführt. Damit sind sowohl der Zuluftkanal als auch der Abluftkanal gesperrt, d. h. die aus dem Innenraum angesaugte Abluft wird nicht als Fortluft nach Außen geführt, und die angesaugte Außenluft wird nicht als Zuluft in den Innenraum geführt. Die Bypässe dienen also dazu, einen Umluftbetrieb zu ermöglichen. Der außenseitige Umluftbetrieb (Außenluft wird durch den dritten Wärmeübertrager, den zweiten Bypass und den ersten Wärmeübertrager geführt) dient dazu, einen ausreichenden Luftvolumenstrom bereitzustellen, damit der erste Wärmeübertrager als Verdampfer oder Kondensator arbeiten kann. Der dritte Wärmeübertrager kann im Umluftbetrieb durch die Ventileinheit vom Kältemittelkreislauf getrennt werden und ist damit inaktiv. Der raumseitige Umluftbetrieb (Abluft wird über den ersten Bypass durch den zweiten Wärmeübertrager geführt) ermöglicht, die abgeführte Innenraumluft direkt zu erwärmen und wieder in den Innenraum zurückzuführen. Der Umluftbetrieb gestattet insbesondere eine vergleichsweise rasche Klimatisierung, da keine Energieverluste durch Abführen von Abluft aus dem Innenraum, oder Zuführen von Außenluft in den Innenraum erfolgt. Weiterhin ist der Umluftbetrieb bei besonders hohen Temperaturunterschieden zwischen dem Innenraum und der Außenluft von Vorteil.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Verdichter so ausgelegt, dass er mit einer Kleinspannung arbeitet. Die Versorgungseinheit weist dazu einen Gleichstromanschluss zum Versorgen des Verdichters mit einer Kleinspannung auf. Unter einer Kleinspannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Gleichspannung von kleiner gleich 120 V verstanden. Bevorzugt wird als Kleinspannung eine Gleichspannung von kleiner als 60 V, insbesondere von 48 V angesehen. Damit ist es möglich, die dezentrale Vorrichtung mit einer alternativen Energiequelle, beispielsweise eine Photovoltaikanlage direkt zu koppeln. Die benötigte elektrische Energie kann in Teilen oder vollständig durch regenerative Energiequellen bereitgestellt werden, wodurch die Energieeffizienz weiter verbessert wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung weiterhin eine Batterie zum Speichern von elektrischer Energie und zum Versorgen des Verdichters mit elektrischer Energie auf. Bevorzugt dient die Batterie zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie, die von eine Photovoltaikanlage bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung weiterhin einen Stromwandler zum Wandeln von Wechselstrom in eine Kleinspannung auf. Dies dient dazu, dass bei Ausfall der Energieversorgung durch die alternative Energiequelle elektrische Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnommen und genutzt werden kann.
Verfügt die Versorgungseinheit über eine Brennstoffzelleneinheit, kann die Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit mit einer beispielsweise im Gehäuse untergebrachten Batterie zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie verbunden sein. Weiterhin ist es möglich, dass die dezentrale Vorrichtung einen externen Anschluss zur Zuführung der Kleinspannung, z. B. aus Photovoltaik, zur Brennstoffzelleneinheit aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Brennstoffzelleneinheit weiterhin einen Elektrolyseur aufweisen, der mittels der zugeführten Kleinspannung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Wasserstoff kann zwischengespeichert und nachfolgend zum Betreiben der Brennstoffzelle genutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung eine Kondenswasserleitung vom ersten und/oder zweiten Wärmeübertrager zum Verdichter auf. Dienen der erste oder zweite Wärmeübertrager als Verdampfer, wird die jeweils durch den ersten bzw. zweiten Wärmeübertrager strömende warme Luft abgekühlt. Dabei kann in der Luft befindlicher Wasserdampf im jeweiligen Wärmeübertrager kondensieren. Das Kondenswasser kann dann mittels der jeweiligen Kondenswasserleitung zum warmen Verdichter geleitet und dort abdampfen.
Die vorliegende Erfindung macht sich daher insgesamt die Erkenntnis zunutze, dass eine Luft-Luft-Wärmeübertragung mittels eines Luft-Luft-Wärmeübertragers vergleichsweise viel Platz benötigt. Daher wird der typischerweise verwendete Luft-Luft-Wärmeübertrager durch einen dritten Wärmeübertrager ersetzt. Zwei Wärmeübertrager sind im Kältemittelkreislauf zur Bildung einer Wärmepumpe eingebunden. Der dritte Wärmeübertrager kann mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt sein und dient in diesem Fall als Heißgas-Wärmeübertrager. Er kann alternativ aber auch über einen eigenen Abwärmekreislauf verfügen und nutzt die Abwärme beispielsweise eine Brennstoffzelle. Der dritte Wärmeübertrager in der Außenluftseite des Zuluftkanals dient zur Vortemperierung der zugeführten Außenluft und ersetzt so den großvolumigen Luft-Luft-Wärmeübertrager (Kreuzstromübertrager). Das ist platz- und kostenmindernd.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die hier vorgestellte dezentrale Vorrichtung die Abwärmenutzung des jeweiligen Einzelraumes in Verbindung mit der zuzuführenden Außenluft, im Gegensatz zu zentralen Anlagen, die auf die zentrale Zuführung von Wärme und Kälte durch geeignete Rohrsysteme angewiesen sind. Zentrale Rohrleitungssysteme außerhalb des Gehäuses der dezentralen Vorrichtung sind daher nicht nötig.
Die dezentrale Vorrichtung kann mit einer Kleinspannung, insbesondere mit einer Gleichspannung kleiner als 120 V, insbesondere mit 48 V DC betrieben werden, um photovoltaischen Strom in einer in der dezentralen Vorrichtung integrierten Batterie zu speichern oder direkt zu nutzen. Strom aus dem öffentlichen Netz kann über den Inverter genutzt werden. Die Stromkosten sind gegenüber konventioneller Anlagentechnik ca. 60-70% geringer.
Die dezentrale Vorrichtung ist für die dezentrale Klimatisierung eines Raumes vorgesehen. Hierdurch kann eine zentrale RLT-Anlage oder zentrale Wohnraumlüftung ersetzt werden. Die dezentrale Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von Gebäuden, die über keine Kühl- und/oder Heizmedien verfügen. Die dezentrale Vorrichtung kann im Raum vor der Außenfassade angeordnet werden. Der Außen- und Fortluftanschluss kann beispielsweise direkt im Fenster-Brüstungsbereich der Außenfassade integriert werden.
Die dezentrale Vorrichtung kann modular aufgebaut sein und verfügt über eine interne Versorgungseinheit mit einem Verdichter zur Wärme- und Kälteerzeugung. Aufgrund des Wegfalls des Luft-Luft-Wärmeübertragers steht ausreichend Bauraum für die Aufnahme der Versorgungseinheit zur Verfügung. Die Konvektoreinheit kann im Vergleich zu einer Konvektoreinheit mit Luft-Luft-Wärmeübertrager unter Beibehaltung der lüftungstechnischen Parameter insgesamt kompakter ausgeführt werden. Der Kältemittelkreislauf kann durch die so ermöglichte Anordnung von Konvektoreinheit und Versorgungseinheit kleiner ausgeführt werden. Aufgrund der dezentralen Ausführung sind die Wärmeübertrager räumlich dicht zur Versorgungseinheit, d. h. es werden nur kurze Rohleitungen innerhalb der Versorgungseinheit benötigt.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst:
Inbetriebnehmen einer dezentralen Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen, wobei die dezentrale Vorrichtung ein Gehäuse; eine im Gehäuse untergebrachte Konvektoreinheit mit einem Zuluftkanal zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in einen Innenraum, und einen zum Zuluftkanal separaten Abluftkanal zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen; und eine im Gehäuse untergebrachte Versorgungseinheit aufweist, die einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und einem Wegeventil (Mehrwegeventil) zur Steuerung einer Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf, um den Kältemittelkreislauf zwischen Heizbetrieb zum Heizen der Zuluft und Kühlbetrieb zum Kühlen der Zuluft umzuschalten, aufweist, wobei ein erster Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Abluftkanal an der Außenluftseite des Abluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertagung zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht, ein zweiter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertragung zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht, und ein dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und eine Vorwärmung der Zuluft ermöglicht. Das Verfahren umfasst die Schritte, Vorwärmen der im Zuluftkanal zugeführten Außenluft durch den dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, und Erwärmen der vorgewärmten Außenluft durch den zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager auf eine Zieltemperatur und Abgabe der so erwärmten Außenluft als Zuluft in den zu klimatisierenden Innenraum.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Kühlbetrieb strömungstechnisch vom Kältemittelkreislauf getrennt, bevorzugt durch ein schaltbares Mehrwegeventil.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager strömungstechnisch mit einem Abwärmekreislauf verbunden, der separat zum Kältemittelkreislauf ist, wobei der Abwärmekreislauf mit einer Brennstoffzelle verbunden ist. Das Verfahren umfasst daher den Schritt: Vorwärmen der im Zuluftkanal zugeführten Außenluft durch den dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der von der Abwärme einer Brennstoffzelle gespeist wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) zum Vorwärmen von in einem Zuluftkanal strömender Außenluft verwendet und ein anderer Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) wird zum Erwärmen der vorgewärmten Außenluft auf eine Zieltemperatur verwendet.
Darüber hinaus ist die dezentrale Vorrichtung mit einer Frischluftzufuhr und Luftaufbereitung ausgerüstet. Beispielsweise kann die dezentrale Vorrichtung über geeignete Filter verfügen, die im Zuluftkanal und/oder im Abluftkanal integriert sind.
Vor diesem Hintergrund sind unter anderem folgende Ausführungsformen offenbart:
AUSFÜHRUNGSFORM 1: Dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen, aufweisend: ein Gehäuse; eine im Gehäuse untergebrachte Konvektoreinheit mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite, umfassend: einen Zuluftkanal zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in einen Innenraum, und einen zum Zuluftkanal separaten Abluftkanal zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen; und eine im Gehäuse untergebrachte Versorgungseinheit, umfassend: einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und einem Wegeventil (Mehrwegeventil) zur Steuerung einer Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf, um den Kältemittelkreislauf zwischen Heizbetrieb zum Heizen der Zuluft und Kühlbetrieb zum Kühlen der Zuluft umzuschalten; einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Abluftkanal an der Außenluftseite des Abluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertagung (einen Wärmeaustausch) zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht, einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertragung (einen Wärmeaustausch) zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht, einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und eine Vorwärmung der Zuluft ermöglicht bzw. einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Zuluft ermöglicht.
AUSFÜHRUNGSFORM 2: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei die Konvektoreinheit keinen Luft-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Abluft auf die Zuluft aufweist.
AUSFÜHRUNGSFORM 3: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 1 oder 2, wobei der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager mit dem Kältemittelkreislauf verbunden und in Durchflussrichtung des Kältemittels im Heizmodus gesehen dem Verdichter strömungstechnisch nachgeschaltet ist, und der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 4: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 3, wobei der Kältemittelkreislauf weiterhin eine Ventileinheit aufweist, die so steuerbar ist, dass der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Heizmodus vom Kältemittel durchströmt wird, im Kühlmodus den Durchfluss von Kältemittel durch den dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager aber unterbindet.
AUSFÜHRUNGSFORM 5: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 3 oder 4, wobei im Heizbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdampfer dient und der Abluft Wärme entzieht, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Heißgas-Wärmeübertrager dient und die von außen angesaugte Außenluft vorwärmt, und der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, welcher im Zuluftkanal dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet ist, als Kondensator dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur erwärmt.
AUSFÜHRUNGSFORM 6: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 3 bis 5, wobei im Kühlbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Kondensator dient und Wärme auf die Abluft überträgt, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager vom Kältemittelkreislauf getrennt ist, und der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdampfer dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur kühlt.
AUSFÜHRUNGSFORM 7: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 1 oder 2, wobei die Versorgungseinheit weiterhin eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle entsteht, aufweist, wobei der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 8: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 7, wobei im Kühlbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Kondensator dient und Wärme auf die Abluft überträgt, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager vom Abwärmekreislauf getrennt ist oder der Abwärmekreislauf deaktiviert ist, und der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager als Verdampfer dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur kühlt.
AUSFÜHRUNGSFORM 9: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei das Gehäuse Befestigungsschnittstellen zum Befestigen an oder in Decken, Wänden oder Fußböden eines zu klimatisierenden Innenraums eines Gebäudes aufweist.
AUSFÜHRUNGSFORM 10: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9, wobei das Gehäuse einen Fortluftanschluss und einen Außenluftanschluss aufweist.
AUSFÜHRUNGSFORM 11: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, wobei das Gehäuse einen gemeinsamen Innenraum zur Unterbringung der Konvektoreinheit und der Versorgungseinheit im gemeinsamen Innenraum aufweist.
AUSFÜHRUNGSFORM 12: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, wobei das Gehäuse modular aufgebaut ist und ein erstes Gehäuseteil und ein mit dem ersten Gehäuseteil lösbar verbundenes zweites Gehäuseteil aufweist, wobei das erste Gehäuseteil einen Innenraum aufweist, in dem die Konvektoreinheit und der erste, zweite und dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager untergebracht sind, und das zweite Gehäuseteil einen vom Innenraum des ersten Gehäuseteils baulich getrennten Innenraum aufweist, in dem die Versorgungseinheit untergebracht ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 13: Dezentrale Vorrichtung nach einem der Ausführungsformen 1 bis 12, wobei die Konvektoreinheit im Zuluftkanal einen Zuluftventilator zum Ansaugen von Außenluft aufweist, der im Zuluftkanal strömungstechnisch zwischen dem zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager und dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager angeordnet ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 14: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 13, wobei die Konvektoreinheit im Abluftkanal einen Abluftventilator zum Ansaugen von Abluft aufweist, der im Abluftkanal strömungstechnisch vor dem ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager angeordnet ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 15: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 14, wobei die Konvektoreinheit weiterhin aufweist: einen auf der Innenluftseite angeordneten und steuerbaren ersten Umluftbypass zum strömungstechnischen Verbinden des Abluftkanals mit den Zuluftkanal, um bedarfsweise Abluft der Zuluft zuzuführen, und einen auf der Außenluftseite angeordneten und steuerbaren zweiten Umluftbypass zum strömungstechnischen Verbinden des Abluftkanals mit den Zuluftkanal, um bedarfsweise Außenluft der Fortluft zuzuführen.
AUSFÜHRUNGSFORM 16: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, wobei der Verdichter mit einer Kleinspannung arbeitet und die Versorgungseinheit einen Stromanschluss bzw. Gleichstromanschluss zum Versorgen des Verdichters mit einer Kleinspannung aufweist.
AUSFÜHRUNGSFORM 17: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 16, weiterhin aufweisend eine Batterie zum Speichern von elektrischer Energie und zum Versorgen des Verdichters mit elektrischer Energie.
AUSFÜHRUNGSFORM 18: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei, sofern die Versorgungseinheit die Brennstoffzelleneinheit aufweist, die Brennstoffzelleneinheit zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den Verdichter dient.
AUSFÜHRUNGSFORM 19: Dezentrale Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 18, wobei die Versorgungseinheit weiterhin einen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager aufweist, der strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der eine Wärmeübertragung zwischen einer Kühlflüssigkeit und dem Kältemittel ermöglicht.
AUSFÜHRUNGSFORM 20: Dezentrale Vorrichtung nach Ausführungsform 19, weiterhin aufweisend eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle entsteht, wobei der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 21: System zum Klimatisieren von Innenräumen, aufweisend: mindestens zwei dezentrale Vorrichtungen nach einer der Ausführungsformen 1 bis 20; und eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen der Abwärme von der Brennstoffzelle, wobei der Abwärmekreislauf jeweils mit dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen strömungstechnisch verbunden ist.
Bei der hier beschriebenen dezentrale Vorrichtung gemäß obigem Aspekt sind der Zuluftkanal und der Abluftkanal, die zusammen die Konvektoreinheit bilden, und die Versorgungseinheit in einem einteiligen oder modular aufgebauten zusammenhängenden Gehäuse untergebracht. Diese dezentrale Vorrichtung ist daher in einem zusammenhängenden Gehäuse untergebracht.
Gemäß zweitem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen bereitgestellt. Die dezentrale Vorrichtung umfasst ein erstes Gehäuse mit einem im ersten Gehäuse angeordneten Zuluftkanal mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in einen Innenraum; ein zum ersten Gehäuse separates zweites Gehäuse mit einem im zweiten Gehäuse angeordneten Abluftkanal mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen; ein Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem im ersten Gehäuse untergebrachten Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und einem im ersten Gehäuse untergebrachten Mehrwegeventil, um den Kältemittelkreislauf zwischen verschiedenen Betriebsmodi, z.B. Heizbetrieb, Kühlbetrieb oder Umluftbetrieb, umzuschalten; einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (erster Wärmeübertrager), der im zweiten Gehäuse im Abluftkanal angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht; einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager), der im ersten Gehäuse im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht; einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Wärmeübertrager), der im ersten Gehäuse im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und dem Kältemittel, insbesondere eine Vorwärmung der Zuluft, ermöglicht; wobei der Kältemittelkreislauf eine Kältemittelleitung vom ersten Gehäuse zum ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im zweiten Gehäuse aufweist.
Der wesentliche Unterschied zwischen den Vorrichtungen gemäß erstem und zweitem Aspekt ist daher die Anordnung der dezentralen Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse (erster Aspekt) bzw. aufgeteilt in zwei Gehäusen. Gedanklich wird der Abluftkanal mit den darin befindlichen Elementen, insbesondere dem ersten Wärmeübertrager, in ein eigenes Gehäuse (zweites Gehäuse) überführt, welches räumlich getrennt von den verbliebenen Elementen (Zuluftkanal und Versorgungseinheit), die im ersten Gehäuse untergebracht sind, im Innenraum angebracht werden kann. Damit wird ein größerer Freiraum bei der Ausgestaltung der Klimatisierung und des Luftaustausches ermöglicht. Beispielsweise kann durch die voneinander getrennte Installation von erstem und zweitem Gehäuse die Raumluft im Deckenbereich aus dem Innenraum abgesaugt werden und Außenluft im Bodenbereich über Lufteinlässe in den Innenraum eingeleitet werden. Durch diese Anordnung kann sich eine Mischströmung einstellen, die eine gute Schadstoffverdünnung der Raumluft zulässt. Dies ist ein Vorteil gegenüber kombinierten Zu- und Abluftgeräte als Brüstungs-, Unterflur- oder Unterdeckengeräte, da die Zu- und Ablufteinheiten dieser Geräte in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und deren Zuluftauslass und Ablufteinlass nur einen geringen Abstand zueinander aufweisen. Bedingt durch diese Bauweise kann sich eine Raumluftströmung einstellen, die eine gleichmäßige Durchmischung der Raumluft kaum zulässt. Eine Schadstoffverdünnung der Raumluft wird nur mangelhaft erreicht.
Darüber hinaus kann sowohl das erste als auch das zweite Gehäuse jeweils kleiner ausgeführt werden als das gemeinsame Gehäuse, was die bauliche Integrierbarkeit verbessert und größere gestalterische Spielräume bei der Ausgestaltung des Innenraums zulässt.
Weiterhin ist eine ungewollte Übertragung von Abluft auf Zuluft, wie dies z.B. in Luft/Luft Wärmerückgewinnern vorkommen kann, bei der getrennten Bauweise der dezentralen Vorrichtung ausgeschossen.
Aufgrund der Aufteilung auf zwei Gehäuse können der Zuluftkanal und der Abluftkanal nicht mehr über geeignete Umluftklappen miteinander gekoppelt werden. Um hier trotzdem auch einen Umluftbetrieb zu ermöglichen, können sowohl der Zuluftkanal als auch der Abluftkanal mit geeigneten eigenen Umluftklappen ausgestattet werden.
Abgesehen von diesen Unterschieden können die dezentralen Vorrichtungen gemäß erstem und zweitem Aspekt gleich aufgebaut sein. Die im Zusammenhang mit dem ersten oder zweiten Aspekt erfolgte Beschreibung gilt daher auch für den jeweils anderen Aspekt.
Die Versorgungseinheit der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt ist bevorzugt im ersten Gehäuse angeordnet und kann die gleichen Elemente wie bei der dezentralen Vorrichtung gemäß erstem Aspekt umfassen. Dazu zählen insbesondere der Verdichter sowie das Mehrwegeventil.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung weiterhin einen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) auf, der im ersten Gehäuse untergebracht und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen einer Kühlflüssigkeit und dem Kältemittel ermöglicht. Der vierte Wärmeübertrager dient insbesondere zum Zuführen von Abwärme zum Kältemittekreislauf, um die Effizienz der dezentralen Vorrichtung zu verbessern. Zum lösbaren strömungstechnischen Koppeln des vierten Wärmeübertragers mit einem Abwärmekreislauf können entsprechende Anschlussstutzen (z.B. Umkehr- bzw. Regelventile) vorgesehen sein.
Der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) kann als Teil der Versorgungseinheit betrachtet werden, da dieser als Wärmequelle zum zusätzlichen Erwärmen des Kältemittels dient.
Es ist möglich, die dezentrale Vorrichtung grundsätzlich mit dem vierte Wärmeübertrager auszustatten, auch wenn dieser nicht mit einem Abwärmekreislauf verbunden ist. Die dezentrale Vorrichtung ist dann bereits für die Kopplung mit einem Abwärmekreislauf vorbereitet. Diese gilt sowohl für den ersten als auch den zweiten Aspekt. In diesem Fall kann der vierte Wärmeübertrager zwar vom Kältemittel durchflossen werden; es findet jedoch kein nennenswerter Wärmeaustausch statt, da der vierte Wärmetauscher nicht mit einem Abwärmekreislauf verbunden ist. Ist der vierte Wärmeübertrager mit einem Abwärmekreislauf verbunden, hängt die Funktion des vierten Wärmeübertragers davon ab, ob der Abwärmekreislauf aktiv ist oder nicht. D.h., der vierte Wärmeübertrager muss nicht in jedem Betriebsmodus einen effektiven Wärmeaustausch bewirken.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung weiterhin eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle entsteht, auf, wobei der vierte Wärmeübertrager mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt ist. Es kann sich hier um eine lösbare Kopplung handeln, um bedarfsweise den Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit mit dem vierten Wärmeübertrager zu koppeln.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit zumindest teilweise im ersten Gehäuse untergebracht. Der zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit erforderliche Wasserstoff kann beispielsweise in einer Wasserstoffflasche gespeichert sein, die außerhalb des ersten Gehäuses oder auch innerhalb des ersten Gehäuses untergebracht sein kann. Alternativ kann die Brennstoffzelleneinheit in einem zum ersten Gehäuse separaten Gehäuse untergebracht sein. In dem separaten Gehäuse kann dann auch die Wasserstoffflasche angeordnet sein. Es ist auch möglich, die Wasserstoffflasche außerhalb des separaten Gehäuses vorzusehen. Die Anordnung der Wasserstoffflasche kann insbesondere unter dem Gesichtspunkt der erleichterten Austauschbarkeit ausgewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Brennstoffzelleneinheit weiterhin einen Elektrolyseur und/oder eine Batterie und/oder einen Wasserstoffspeicher auf. Der Elektrolyseur ist typischerweise zusammen mit der Brennstoffzelle entweder im ersten Gehäuse oder in dem separaten Gehäuse untergebracht. Die Batterie dient der Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, die von der Brennstoffzelle generiert wurde. Die Batterie ist typischerweise ebenfalls zusammen mit der Brennstoffzelle untergebracht. Im Wasserstoffspeicher (bspw. Wasserstoffflasche oder Zwischenspeicher) ist der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff gespeichert.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Brennstoffzelleneinheit weiterhin einen Stromanschluss zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den Verdichter auf. Der von der Brennstoffzelleneinheit, d. h. der Brennstoffzelle, generierte Strom kann insbesondere zum Betreiben des Verdichters, der vorhandenen Lüfter, eventuell vorhandener Umluftklappen und zur Steuerung der dezentralen Vorrichtung verwendet werden. Damit kann die dezentrale Vorrichtung autark betrieben werden. Die in der Batterie zwischengespeicherte Energie kann beispielsweise bei Ausfall der Brennstoffzelle, oder Austausch des Wasserstoffspeichers, für das Betreiben des Verdichters genutzt werden. Bei bestimmten Betriebsmodi, z.B. bei einem Umluftbetrieb, kann die Brennstoffzelle außer Betrieb genommen werden. In diesem Fall kann auch der Verdichter außer Betrieb genommen werden, sodass der Kältemittelkreislauf außer Betrieb ist. Die damit gebildete Wärmepumpe ist inaktiv. Lediglich der oder die Lüfter müssen dann bei Umluftbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden. Dazu genügt die in der Batterie gespeicherte Energie.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Brennstoffzelleneinheit weiterhin einen Stromanschluss zum Verbinden mit einer Photovoltaikanlage auf. Mit dem von einer Photovoltaikanlage zugeführten elektrischen Strom kann insbesondere der Elektrolyseur zum Generieren von Wasserstoff betrieben werden. Der gewonnene Wasserstoff kann dann in dem Wasserstoffspeicher für die spätere Nutzung gespeichert werden. Darüber hinaus kann der von der Photovoltaikanlage bereitgestellte Strom für das Betreiben der dezentralen Vorrichtung verwendet werden. Zusätzlich kann die von der Photovoltaikanlage gelieferte Energie in der Batterie zwischengespeichert werden.
Auch beim Betreiben des Elektrolyseurs fällt Abwärme an, die durch den Abwärmekreislauf zum Kältemittelkreislauf abgeführt werden kann.
Der Aufbau der Brennstoffzelleneinheit kann analog zum Aufbau der Brennstoffzelleneinheit sein, wie im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Kältemittelkreislauf einen Betriebsmodus-abhängigen Hochdruckzweig und einen Betriebsmodus-abhängigen Niederdruckzweig auf, wobei der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) strömungstechnisch mit dem Niederdruckzweig gekoppelt ist. Der Kältemittelkreislauf kann als fluidische Schaltung betrachtet werden, welche durch entsprechende Einstellung von Ventileinheiten unterschiedliche Betriebsmodi aufweisen kann. Dabei wird der Strömungszweig, der sich in Strömungsrichtung hinter dem Verdichter bis zum entsprechenden Expansionsventil erstreckt, als Hochdruckzweig betrachtet und der Strömungszweig, der sich in Strömungsrichtung hinter dem Expansionsventil bis zum Verdichter erstreckt, als Niederdruckzweig angesehen. Der Kältemittelkreislauf ist dabei so ausgestaltet und wird so gesteuert, dass sich der vierte Wärmeübertrager, sofern vorhanden, immer im Niederdruckzweig befindet, da der vierte Wärmeübertrager immer nur als Wärmequelle für das Kältemittel dient, d.h. über den vierten Wärmeübertrager soll dem Abwärmekreislauf Wärme entzogen werden.
Gemäß einer Ausführungsform dient im Heizbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (erster Wärmeübertrager) als Verdampfer und entzieht der Abluft Wärme. Der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Wärmeübertrager) dient als Heißgas-Wärmeübertrager und wärmt die von außen angesaugte Außenluft vor. Der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager), welcher im Zuluftkanal dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritten Wärmeübertrager) strömungstechnisch nachgeschaltet ist, dient als Kondensator und erwärmt die Zuluft auf eine Zieltemperatur. Sofern vorhanden, dient der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) fallweise als Nacherhitzer für das Kältemittel und entzieht der Kühlflüssigkeit Wärme.
Der Heizbetrieb ist mit und ohne vorhandenem oder „aktivem“ viertem Wärmeübertrager möglich. Ist der vierte Wärmeübertrager nicht vorhanden, dient die dezentrale Vorrichtung als Wärmepumpe, welche Wärme aus der Abluft in die Zuluft „pumpt“. Dies gilt auch, sofern der vierte Wärmeübertrager vorhanden aber inaktiv ist, d.h. wenn der entweder der vierte Wärmeübertrager nicht mit einem Abwärmekreislauf verbunden ist oder aber der Abwärmekreislauf inaktiv ist. Ist der vierte Wärmeübertrager vorhanden und der Abwärmekreislauf aktiv, wird im Heizmodus zusätzlich Wärme aus dem Abwärmekreislauf gepumpt. Dies ist aus thermodynamischer Sicht besonders effizient und erhöht den COP der dezentralen Vorrichtung. Der vierte Wärmeübertrager dient daher „fallweise“ als Nacherhitzer für das Kältemittel bzw. als Entwärmer für die Kühlflüssigkeit des Abwärmekreislaufs.
Gemäß einer Ausführungsform dient im Kühlbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (erster Wärmeübertrager) als Kondensator und entzieht Kälte der Abluft bzw. überträgt Wärme auf die Abluft. Der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Wärmeübertrager) ist vom Kältemittelkreislauf getrennt. Der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager) dient als Verdampfer und kühlt die Zuluft auf eine Zieltemperatur. Sofern vorhanden, dient der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) fallweise als Nacherhitzer für das Kältemittel und entzieht der Kühlflüssigkeit Wärme.
Auch der Kühlbetrieb kann mit oder ohne viertem Wärmeübertrager betrieben werden. Die Funktion des vierten Wärmeübertragers hängt auch hier davon ab, ob dieser mit einem aktiven Abwärmekreislauf verbunden ist. Daher dient der vierte Wärmeübertrager auch im Kühlbetrieb „fallweise“ als Nacherhitzer für das Kältemittel bzw. als Entwärmer für die Kühlflüssigkeit des Abwärmekreislaufs. Da thermodynamisch gesehen ein Nacherhitzen des Kältemittels im Kühlbetrieb nicht erforderlich ist, wird der Abwärmekreislauf, d.h. die Brennstoffzelle, im Kühlbetrieb bevorzugt außer Betrieb genommen.
Gemäß einer Ausführungsform sind in einem Umluft-Heizmodus der dezentralen Vorrichtung der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (erster Wärmeübertrager) und der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Wärmeübertrager) vom Kältemittelkreislauf getrennt. Der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager) dient als Kondensator und erwärmt die Zuluft auf eine Zieltemperatur. Der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) dient als Verdampfer und entzieht der Kühlflüssigkeit Wärme.
In einem Umluft-Heizmodus ohne Luftaustausch des Innenraums mit der Außenluft ist der Abluftkanal inaktiv. Daher kann auch keine Wärme aus der Abluft gewonnen werden. In diesem Fall dient der vierte Wärmeübertrager als Wärmequelle.
Gemäß einer Ausführungsform ist in einem Umluft-Heizmodus der dezentralen Vorrichtung der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager vom Kältemittelkreislauf getrennt ist, der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager dient als Kondensator und erwärmt die Zuluft auf eine Zieltemperatur, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager dient als Verdampfer und entzieht der Außenluft Wärme, und, sofern vorhanden, dient der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager fallweise als Nacherhitzer und entzieht der Kühlflüssigkeit Wärme.
Bei diesem Umluft-Heizmodus wird Wärme aus der Außenluft gepumpt, zusätzlich, sofern vorhanden, aus dem Abwärmekreislauf. Dieser Umluft-Heizmodus kann daher auch ohne aktivem oder angeschlossenen Abwärmekreislauf arbeiten.
Gemäß einer Ausführungsform ist in einem Umluft-Kühlmodus der dezentralen Vorrichtung der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (erste Wärmeübertrager) vom Kältemittelkreislauf getrennt. Der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager) dient als Verdampfer und kühlt die Zuluft auf eine Zieltemperatur. Der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Wärmeübertrager) dient als Kondensator. Sofern vorhanden dient der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) fallweise als Nacherhitzer für das Kältemittel und entzieht der Kühlflüssigkeit Wärme.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Zuluftkanal eine Zuluftklappe zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem dritten Wärmeübertrager auf, um den Zuluftkanal bedarfsweise in einen Innenkanal und einen Außenkanal zu unterteilen. Der Innenkanal und der Außenkanal können durch die Zuluftklappe strömungstechnisch vollständig voneinander getrennt sein. Bedarfsweise kann die Zuluftklappe auch teilweise oder zeitweise geöffnet werden, um eine Zumischung von Außenluft zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform, ist im ersten Gehäuse weiterhin ein mit dem Außenkanal des Zuluftkanals strömungstechnisch verbundener Fortluftkanal angeordnet, welcher zusammen mit dem Außenkanal einen Außenumluftkanal bildet, wobei optional der Fortluftkanal einen Fortluftventilator aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist im ersten Gehäuse weiterhin ein mit dem Innenkanal des Zuluftkanals strömungstechnisch verbundener sekundärer Abluftkanal angeordnet, welcher zusammen mit dem Innenkanal einen Innenumluftkanal bildet.
Da eine direkte Kopplung von Zuluftkanal und Abluftkanal aufgrund der baulichen Trennung auf zwei Gehäuse nicht möglich ist, kann das erste Gehäuse über eine Zuluftklappe verfügen, mit welcher der Zuluftkanal in einen Außenkanal und einen Innenkanal unterteilbar ist. Mittels eines im ersten Gehäuse angeordneten zusätzlichen Fortluftkanals, der zusammen mit dem Außenkanal des Zuluftkanals einen Außenumluftkanal bildet, kann beispielsweise der dritte Wärmeübertrager gekühlt werden. Zu diesem Zweck kann dieser Außenumluftkanal über einen eigenen Ventilator verfügen, der beispielsweise im Fortluftkanal angeordnet ist. Der Innenkanal des Zuluftkanals kann mit dem sekundären Abluftkanal gekoppelt werden, um einen Innenumluftkanal zu bilden und um Luft aus dem Innenraum durch den Zuluftkanal und den zweiten Wärmeübertrager wieder dem Innenraum zuzuführen. Mittels des zweiten Wärmeübertragers kann dabei die Umluft gekühlt werden. Der so unterteilte Zuluftkanal bildet dann, zusammen mit dem Fortluftkanal und den sekundären Abluftkanal, zwei voneinander getrennte Umluftkanäle (Außenumluftkanal und Innenumluftkanal).
Gemäß einer Ausführungsform ist im Zuluftkanal ein Zuluftventilator zum Ansaugen von Außenluft angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform ist im Abluftkanal einen Abluftventilator vorgesehen.
Mit der dezentralen Vorrichtung sind daher sowohl ein Heizbetrieb und Kühlbetrieb sowie ein Umluftbetrieb (Heizen und Kühlen) und Außenumluftbetrieb möglich.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein System zum Klimatisieren von Innenräumen vorgeschlagen. Das System umfasst mindestens zwei dezentrale Vorrichtungen, wie vorstehend beschrieben, wobei eine der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen ein Mastergerät und das andere der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen ein Slavegerät ist und das Mastergerät das Slavegerät steuert. Die Verwendung von zwei oder mehreren dezentralen Vorrichtungen ist insbesondere bei größeren Innenräumen, wie beispielsweise Schulräumen, von Vorteil. Dabei übernimmt eine der dezentralen Vorrichtung die Steuerung für das Gesamtsystem. Sowohl das Mastergerät als auch das Slavegerät können jeweils über eine Steuereinrichtung verfügen. Diese Steuereinrichtungen können auch identisch sein. Allerdings wird dann die Steuereinrichtung des Mastergeräts in einem Master-Betrieb und die Steuereinrichtung des Slavegeräts in einem Slave-Betrieb betrieben. Beide Steuereinrichtungen sind gekoppelt. Dies gilt sowohl für die dezentrale Vorrichtung gemäß erstem als auch gemäß zweitem Aspekt.
Gemäß einer Ausführungsform weist jede der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen einen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (vierter Wärmeübertrager) auf. Alle vierten Wärmeübertrager sind miteinander zum Durchfluss von Kühlmittel verbunden. Damit können die mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen mit einer gemeinsamen Wärmequelle, beispielsweise einer Abwärmequelle, verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das System weiterhin eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle entsteht, auf, wobei der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager jeder der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt ist. Zum Betreiben von zwei oder mehreren dezentralen Vorrichtungen genügt oftmals eine einzelne Brennstoffzelleneinheit. Sind die einzelnen dezentralen Vorrichtungen größer dimensioniert oder sind mehrere dezentrale Vorrichtungen zu einem System verbunden, dann kann auch eine entsprechend größere Brennstoffzelleneinheit als zentrale Abwärmequelle und gegebenenfalls Stromquelle dienen. Die Brennstoffzelleneinheit muss dabei nicht notwendigerweise im Innenraum, welche durch die dezentralen Vorrichtungen klimatisiert werden soll, angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit in dem Gehäuse des Mastergeräts untergebracht ist. Alternativ kann die Brennstoffzelleneinheit in einem zum Gehäuse des Mastergeräts separaten Gehäuse untergebracht sein.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Verweis auf die Figuren erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.

1 zeigt eine strömungstechnische Darstellung einer dezentralen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Einzelraums im Kühlmodus gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt eine strömungstechnische Darstellung der dezentralen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Einzelraums im Heizmodus.
3 zeigt die räumliche Ausgestaltung der dezentralen Vorrichtung.
4 zeigt eine Ansicht gemäß des in 3 angedeuteten Schnitts AA.
5 zeigt eine Ansicht gemäß des in 3 angedeuteten Schnitts BB.
6 zeigt eine Sicht von oben auf die dezentrale Vorrichtung der 3.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform unter Verwendung einer Brennstoffzelleinheit, wobei der dritte Wärmeübertrager mit einem Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist.
8A und 8B zeigen eine weitere dezentrale Vorrichtung als Mastergerät und Slavegerät, welche jeweils über ein erstes und zweites Gehäuse verfügen, wobei die dezentrale Vorrichtung in einem Heizbetrieb arbeitet.
9A und 9B zeigen die dezentrale Vorrichtung der 8A und 8B in einem Umluft-Heizbetrieb.
10A und 10B zeigen die dezentrale Vorrichtung der 8A und 8B in einem Kühlbetrieb.
11A und 11B zeigen die dezentrale Vorrichtung der 8A und 8B in einem Umluft-Kühlbetrieb.
12A und 12B zeigen verschiedene Ansichten der dezentralen Vorrichtung mit einem ersten und zweiten Gehäuse.
13 zeigt ein System mit einer dezentralen Vorrichtung als Mastergerät und zwei weiteren dezentralen Vorrichtungen jeweils als Slavegerät.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Verweis auf die 1 bis 6 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform der Vorrichtung gemäß erstem Aspekt beschrieben. Diese Ausführungen gelten analog für die weiter unten beschriebene Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt.
Die Vorrichtung kann beispielsweise in Form einer dezentralen Klimatisierungsvorrichtung (Klimagerät) 100 realisiert werden, welche keine externen Medien mit Ausnahme eines Stromanschlusses benötigt. Nachfolgend wird die Vorrichtung als Klimagerät bezeichnet.
Das Klimagerät 100 weist grundsätzlich zwei Einheiten auf, und zwar eine Konvektoreinheit 151 und eine Versorgungseinheit 152, die beide in einem gemeinsamen Gehäuse 150 untergebracht sind. Das Gehäuse 150 ist in den 3 bis 6 erkennbar.
Die Konvektoreinheit 151 umfasst einen Zuluftkanal 130 und einen Abluftkanal 140. Die Außenluftseite das Klimagerät 100 ist mit 202 und die Innenluftseite des Klimageräts 100 ist mit 201 bezeichnet. Der Zuluftkanal 130 führt Außenluft von außen als Zuluft in den zu klimatisierenden Innenraum. Dagegen führt der Abluftkanal 140 Abluft aus dem Innenraum als Fortluft nach außen. Die von außen in den Zuluftkanal 130 einströmende Luft passiert zunächst eine Außenluftklappe 113, ein Außenluftfilter 112, einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 111, der im weiteren als dritter Wärmeübertrager bezeichnet wird, eine außenseitige Umluftklappe 110, eine raumseitige Umluftklappe 109, einen Zuluftventilator 108, und einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 107, der im weiteren als zweiter Wärmeübertrager bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu passiert die vom Innenraum durch den Abluftkanal 140 abgeführte Luft zunächst ein Abluftfilter 101, eine raumseitige Umluftklappe 102, eine außenseitige Umluftklappe 103, 103a, einen Abluftventilator 104, einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 105, der im weiteren als erster Wärmeübertrager bezeichnet wird, und eine Fortluftklappe 106.
Der Zuluftkanal 130 und der Abluftkanal 140 sind über zwei separate Umluftbypässe wahlweise miteinander verbunden. Der erste Umluftbypass 114 bildet einen raumseitigen Umluftbypass und wird durch die raumseitigen Umluftklappen 102 und 109 gesteuert. Der zweite Umluftbypass 115 bildet dagegen einen außenseitigen Umluftbypass und wird durch die außenseitigen Umluftklappen 103, 103a und 110 gesteuert. Der erste und der zweite Umluftbypass 114, 115 können voneinander unabhängig mittels der jeweiligen Umluftklappen gesteuert werden. Es ist möglich, die Umluftklappen so einzustellen, dass der erste Umluftbypass 114 und der zweite Umluftbypass 115 vollständig geschlossen sind. Dann wird die vom Innenraum abgeführte Abluft vollständig nach draußen geführt und die Außenluft vollständig in den Innenraum abgegeben. Alternativ ist es möglich, die Umluftklappen so einzustellen, dass der Zuluftkanal 130 und der Abluftkanal 140 vollständig geschlossen sind. Dann befindet sich das Klimagerät 100 im Umluftbetrieb. Die aus dem Innenraum abgeführte Abluft wird über den ersten Umluftbypass 114 vollständig wieder als Zuluft in den Innenraum eingeleitet. Dagegen wird die von außen kommende Außenluft über den zweiten Umluftbypass 115 wieder vollständig nach außen abgegeben. Es sind in Abhängigkeit der Stellung der Umluftklappen auch Mischzustände möglich, bei denen ein Teil der Abluft nach außen geführt, ein anderer Teil der Abluft dagegen über den ersten Umluftbypass 114 der von außen angesaugte Außenluft zugemischt wird.
Die Konvektoreinheit 151 dient daher der gesteuerten Luftzufuhr von außen in den zu klimatisierenden Innenraum. Dieser befindet sich an der Innenluftseite 201 des Klimageräts 100.
Die Versorgungseinheit 152 umfasst einen Kältemittelkreislauf, der ein Kältemittel, einen Verdichter 116, den ersten Wärmeübertrager 105, ein Expansionsventil 124, 127, ein 4-Wege Umkehrventil 118, sowie den zweite Wärmeübertrager 107 aufweist. Diese bilden zusammen eine Wärmepumpe. Mittels des 4-Wege Umkehrventils 118 kann die Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf gesteuert werden. Zusätzlich sind in der hier gezeigten Ausführungsform auch der dritte Wärmeübertrager 111 sowie eine Ventileinheit 125 in den Kältemittelkreislauf integriert. Mittels der Ventileinheit 125 kann der dritte Wärmeübertrager 111 selektiv vom Kältemittelkreislauf getrennt werden. Dies soll nachfolgend mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert werden.
In 1 ist der Kältemittelkreislauf im Kühlbetrieb gezeigt. Im Kühlbetrieb ist der dritte Wärmeübertrager 111 durch die Ventileinheit 125 vom Kältemittelkreislauf strömungstechnisch getrennt. Die Ventileinheit 125 stellt einen Bypass zur Umgehung des dritten Wärmeübertragers 111 bereit. Das 4-Wege Umkehrventil 118 wird für den Kühlbetrieb so eingestellt, dass strömungstechnisch das durch den Verdichter 116 verdichtete Kältemittel zuerst den ersten Wärmeübertrager 105 durchströmt und sich dabei abkühlt („Kälte der kühlen Abluft entzieht“), dann am Expansionsventil 124 entspannt und sich dabei weiter abkühlt, und anschließend durch den zweiten Wärmeübertrager 107 strömt, bevor es zum Verdichter 116 zurückgeführt wird. Im zweiten Wärmeübertrager 107 wird die durch den Zuluftkanal strömende Luft auf eine Zieltemperatur abgekühlt und dann in den Innenraum geleitet.
Im Heizbetrieb, der in 2 dargestellt ist, hat das 4-Wege Umkehrventil 118 eine andere Ventilstellung, um einen entgegengesetzten Fluss des Kältemittels zu ermöglichen. Dadurch werden die Funktionen des ersten und zweiten Wärmeübertragers getauscht. Diente der erste Wärmeübertrager 105 im Kühlbetrieb als Kondensator, um das Kältemittel abzukühlen, dient der erste Wärmeübertrager 105 im Heizbetrieb als Verdampfer, um der warmen Abluft Wärmeenergie zu entziehen und auf das Kältemittel zu übertragen. Dementsprechend dient der zweite Wärmeübertrager 107 im Kühlbetrieb als Verdampfer und im Heizbetrieb als Kondensator.
Darüber hinaus wird im Heizbetrieb der dritte Wärmeübertrager 111 über die Ventileinheit 125 mit dem Kältemittelkreislauf verbunden, sodass vom Verdichter kommend das aufgeheizte und verdichtete Kältemittel zunächst durch den dritten Wärmeübertrager 111 strömt, bevor es zum zweiten Wärmeübertrager 107 geführt wird. Im dritten Wärmeübertrager 111 wird das überhitze Kältemittel auf die gewünschte Arbeitstemperatur gekühlt. Gleichzeitig wird die bei der Überhitzung anfallende Wärme zum Vorwärmen der Außenluft genutzt.
Nach Durchfluss durch den zweiten Wärmeübertrager 107 wird das immer noch verdichtete Kältemittel am Expansionsventil 127 entspannt und kühlt sich dabei ab. Das Kältemittel fließt im Heizbetrieb dann weiter durch den ersten Wärmeübertrager 105 und von dort wieder zum Verdichter 116.
Das selektive Zuschalten des dritten Wärmeübertragers 111 im Heizbetrieb ermöglicht ein energieeffizientes Vorwärmen der Außenluft. Die einströmende, bzw. durch den Zuluftventilator 108 angesaugte Außenluft wird unmittelbar beim Eintritt in den Zuluftkanal 130 vorgewärmt. Damit soll erreicht werden, dass der überwiegende Teil des Zuluftkanals 130 auf einer Mindesttemperatur liegt und dadurch die gesamte Konvektoreinheit 151 nur unwesentlich abgekühlt wird. Aus gleichem Grund wird bevorzugt der erste Wärmeübertrager 105 auch kurz vor der Fortluftklappe 106 angeordnet, sodass auch der Abluftkanal 140 überwiegend auf einer mittleren bis hohen Temperatur liegt. Damit befindet sich insgesamt die Konvektoreinheit 151, die sich innerhalb des Gebäudes (des zu klimatisierenden Innenraums) befindet, auf einer Temperatur oberhalb der Außenlufttemperatur.
Insbesondere bei sehr geringen Außenlufttemperaturen unterhalb von 0°C ist das Vorwärmen der Außenluft durch den dritten Wärmeübertrager 111 von Vorteil, da die einströmende Außenluft auf Temperaturen oberhalb von 0°C erwärmt wird und so ein eventuelles Verreisen einzelner Elemente unterbunden wird.
Aus dem Vergleich der 1 und 2 ist erkennbar, dass der Kältemittelkreislauf zwei Expansionsventile 124 und 127 aufweist. Jedoch wird immer nur eines der beiden Expansionsventile 124, 127 vom Kältemittel durchströmt. Im Heizbetrieb ist dazu das Rückschlagventil 126 geöffnet und die Rückschlagventile 119 und 128 geschlossen. Durch das geöffnete Rückschlagventil 126 wird ein Bypass zur Umgehung des Expansionsventils 124 über den Sammler 120, den Filtertrockner 121, dass Schauglas 122 sowie das Magnetventil 123 zum Expansionsventil 124 gebildet. Im Kühlbetrieb sind dagegen das Rückschlagventil 126 und das Magnetventil 123 geschlossen, dagegen das Rückschlagventil 128 geöffnet. Das geöffnete Rückschlagventil 128 bildet somit einen Bypass zur Umgehung des Expansionsventils 127. Das verdichtete Kältemittel kann somit nur am Expansionsventil 124 entspannen. Gleichzeitig wird durch das geöffnete Expansionsventil 124 ein Zugang über den Sammler 120, Filtertrockner 121 und Schauglas 122 zum Expansionsventil 124 ermöglicht.
Der Kältemittelkreislauf verfügt weiterhin über einen Flüssigkeitsabscheidung 117, welcher dem Verdichter 116 strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Damit soll sichergestellt werden, dass nur gasförmiges Kältemittel durch den Verdichter 116 verdichtet wird. Der Eingang und der Ausgang des Flüssigkeitsabscheider sind in den 1 und 2 mit IN und OUT bezeichnet.
Die 3 bis 6 zeigen den Aufbau des Klimageräts 100. 3 zeigt dabei eine Ansicht von vorn, jedoch ohne Abdeckungen und Blenden. Darüber hinaus ist in 3 der Kältemittelkreislauf für den Heizbetrieb angedeutet. Die Außenluftseite ist bei dem Klimagerät der 3 im unteren Bereich des Gehäuses 150 angeordnet. Die Einlässe für die Abluft und die Außenluft liegen jedoch auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 150, wobei die zur Innenluftseite weisende Seite als Vorderseite und die zur Außenluftseite weisende Seite als Rückseite des Gehäuses 150 bezeichnet wird. Die Abluftöffnung liegt daher auf der Vorderseite des Gehäuses 150, während die Außenluftöffnung bzw. ein Stutzen zum Anschließen einer Zuführung von Außenluft zum Klimagerät 100 auf der Rückseite des Gehäuses 150 angeordnet ist.
Die Zuluftöffnung befindet sich an der Oberseite des Klimageräts 100, während die Fortluftöffnung bzw. ein Stutzen zum Anschließen einer Abführung der Fortluft nach außen im oberen Bereich an der Rückseite des Gehäuses 150 vorgesehen ist.
Der Zuluftkanal 130 wird in 3 vom linken Gehäuseteil gebildet, während der Abluftkanal 140 vom rechten Gehäuseteil gebildet wird. Wird das Klimagerät 100 vollständig nicht im Umluftbetrieb betrieben, sind die raumseitige Umluftklappe 102 und die außenseitige Umluftklappe 110 geschlossen. Dadurch wird der Zugang zum jeweiligen ersten und zweiten Umluftbypass 114, 115 versperrt. Dagegen sind die raumseitige Umluftklappe 109 und die außenseitige Umluftklappe 103 geöffnet. Außerdem ist die Umluftklappe 103a geöffnet. Diese ist in 6 gezeigt. Die Luft kann daher nur im jeweiligen Kanal (Zuluftkanal oder Abluftkanal) verbleiben und strömt senkrecht von unten nach oben.
Im Umluftbetrieb werden dagegen die raumseitige Umluftklappe 102 und die außenseitige Umluftklappe 110 geöffnet. Gleichzeitig werden die außenseitige Umluftklappe 103, die raumseitige Umluftklappe 109 und die Umluftklappe 103a geschlossen. Durch das Öffnen der Umluftklappe 110 gelangt nun Außenluft in den zweiten Umluftbypass 115, der sich an der Rückseite des Klimageräts 100 horizontal erstreckt und vom linken zum rechten Gehäuseteil führt. Da die Umluftklappe 109 geschlossen ist, kann die Außenluft im Zuluftkanal 130 nicht mehr zum Zuluftventilator 108 strömen. Aus dem zweiten Umluftbypass 115 strömt dann die Außenluft zum Abluftventilator 104 und wird von diesem als Fortluft nach draußen transportiert. Da die Umluftklappe 103a geschlossen ist, gelangt im Abluftkanal keine Abluft mehr zum Abluftventilator 104. Die Abluft strömt dagegen durch die geöffnete Umluftklappe 102 zum Zuluftventilator 108, und wird von diesem als Zuluft an den Innenraum abgegeben. Die geschlossene Umluftklappe 109 verhindert, dass Außenluft zum Zuluftventilator 108 gelangen kann.
Der Luftstrom des raumseitigen Umluftbetriebs ist in 3 mit einem Pfeil mit gestrichelter Linie dargestellt. Dagegen ist der außenseitige Umluftbetrieb in 3 mit einem Pfeil mit gepunkteter Linie dargestellt.
Die 4 zeigt eine Ansicht aus Sicht des in 3 angedeuteten Schnitts AA, die 5 dagegen eine Ansicht aus Sicht des Schnitts BB, jeweils in Richtung zur Mitte des Klimageräts.
In 4 und 5 ist der Luftstrom im Zuluftkanal 130 und Abluftkanal 140 bei geschlossenem ersten und zweiten Umluftbypass 114, 115 gezeigt.
Wie in 3 erkennbar, ist im Gehäuse 150 kein Luft-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Der Zuluftkanal 130 und der Abluftkanal 140 kreuzen sich daher nicht, wie bei Konvektoreinheiten, die einen Luft-Luft Wärmeübertrager aufweisen. Durch Weglassen des Luft-Luft-Wärmeübertragers wird zusätzlicher Bauraum bereitgestellt, der für die Aufnahme des dritten Wärmeübertragers 111 sowie der Versorgungseinheit 152 genutzt werden kann, ohne dass die Außendimensionen des Gehäuses 150 vergrößert werden müssen.
Das Gehäuse 150 kann einteilig aufgebaut sein und einen gemeinsamen Innenraum für die Unterbringung der Konvektoreinheit 151 und der Versorgungseinheit 152 bilden. Der Innenraum ist typischerweise unterteilt, um den Zuluftkanal 130 und den Abluftkanal 140 sowie den ersten Umluftbypass 114 und den zweiten Umluftbypass 115 räumlich voneinander zu trennen.
Alternativ ist es möglich, dass das Gehäuse 150 ein erstes Gehäuseteil für die Konvektoreinheit 151 und ein dazu separates zweites Gehäuseteil für die Versorgungseinheit 152 aufweist. Das zweite Gehäuseteil kann beispielsweise an einer Seite des ersten und typischerweise deutlich größeren Gehäuseteils angeordnet und mit diesem verbunden sein. In diesem Fall sind die von der Versorgungeinheit 152 zu den Wärmeübertragern 105, 107 und 111 führenden Leitungen für das Kältemittel an geeigneten Schnittstellen miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, dass das zweite Gehäuseteil, das die Versorgungseinheit 152 beherbergt, vom ersten Gehäuseteil entfernt werden kann.
Das Klimagerät 100 lässt sich beispielsweise im zu klimatisierenden Innenraum an der Außenwand unterhalb eines Fensters montieren, wobei lediglich durch die Außenwand Öffnungen für die Fortluft und die Außenluft geschaffen werden müssen. An der Außenseite der Außenwand muss dagegen kein weiteres Gerät installiert werden. Die Luftein- und Luftauslässe lassen sich architektonisch geeignet verbergen.
Weiterhin wird lediglich ein Stromanschluss, bevorzugt ein Kleinspannungsanschluss (≤ 120 V DC), und insbesondere bevorzugt von 48 V DC, benötigt.
Alternativ kann das Klimagerät 100 unter den Fußboden des Innenraums montiert werden, sofern dort ausreichend Platz für die Unterbringung des Klimageräts 100 ist. Ebenfalls ist es möglich, dass Klimagerät 100 zwischen der Zimmerdecke und der Geschossdecke des Gebäudes zu befestigen. Für die verschiedenen Anbringungsorte verfügt das Gehäuse über geeignete Befestigungsschnittstellen.
Unter Bezugnahme auf 7 wird eine weitere Ausführungsform erläutert. Diese unterscheidet sich von der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform dahingehend, dass der Kältemittelkreislauf nur mit dem ersten Wärmeübertrager 105 und dem zweiten Wärmeübertrager 107 strömungstechnisch verbunden ist. Der dritte Wärmeübertrager 111 ist dagegen mit einem zum Kältemittelkreislauf separaten Abwärmekreislauf verbunden. Die Konvektoreinheit der 7 entspricht allerdings der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform, weswegen deren erneute Beschreibung hier weggelassen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente.
Da der dritte Wärmeübertrager 111 nicht mehr mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist, verfügt der Kältemittelkreislauf auch nicht mehr über die Ventileinheit 125.
Der dritte Wärmeübertrager 111 ist mit einer Brennstoffzelleneinheit 170 verbunden, insbesondere mit einem Wasseranschluss 175 der Brennstoffzelleneinheit 170. Die Brennstoffzelleneinheit 170 weist eine Brennstoffzelle 171, bevorzugt eine PEM-Brennstoffzelle (Polymerelektrolytmembran), einen Wasserstoffspeicher 172, einen optionalen Elektrolyseur 173, bevorzugt einen PEM-Elektrolyseur, sowie einen vierte Wärmeübertrager 174 auf. Bei dem vierten Wärmeübertrager 174 kann es sich um einen Wasser-Wasser-Wärmeübertrager handeln. Der innenseitige Wasserkreislauf des vierten Wärmeübertragers 174 ist insbesondere mit der Brennstoffzelle 171 und dem optionalen Elektrolyseur 173 verbunden und dient dazu, die beim Betrieb der Brennstoffzelle 171 und des Elektrolyseurs 173 anfallende Abwärme abzutransportieren. Diese Abwärme wird im vierten Wärmeübertrager 174 auf einen außenseitigen Wasserkreislauf übertragen, der über den Wasseranschluss 175 mit dem dritten Wärmeübertrager 111 gekoppelt ist. Alternativ kann der vierte Wärmeübertrager 174 auch mit dem Kältemittelkreislauf, wie weiter unten beschrieben, gekoppelt sein.
Damit kann im Heizbetrieb mittels der durch die Brennstoffzelle 171 erzeugten Abwärme die in den Zuluftkanal 130 einströmende Außenluft vorgewärmt werden. Die 7 zeigt den Heizbetrieb. Im Kühlbetrieb kann der dritte Wärmeübertrager 111 beispielsweise von der Brennstoffzelleneinheit 170 durch geeignete Ventile getrennt werden.
Die Brennstoffzelleneinheit 170 weist weiterhin einen externen Stromanschluss 177 für eine dezentrale Photovoltaikanlage auf. Der externe Stromanschluss 177 ist sowohl mit der Brennstoffzelle 171 als auch mit dem Elektrolyseur 173 elektrisch verbunden. Wird der Brennstoffzelleneinheit 170 Strom von der dezentralen Photovoltaikanlage zugeführt, so kann dieser Strom entweder vom Elektrolyseur 173 zum Spalten von Wasser, aber auch zum Betreiben des Verdichters 116, des Abluftventilators 104 und des Zuluftventilators 108 verwendet werden. Dazu weist die Brennstoffzelleneinheit 170 einen weiteren Stromanschluss 176 auf, der mit dem Verdichter 116 gekoppelt ist. Erzeugt die Brennstoffzelle 171 Strom, kann dieser über den Stromanschluss 176 ebenfalls an den Verdichter 116 sowie den Abluftventilator 104 und den Zuluftventilator 108 abgegeben werden.
Darüber hinaus kann der Stromanschluss 176 mit einer hier nicht dargestellten Batterie zum Zwischenspeichern der elektrischen Energie verbunden sein.
Die Brennstoffzelleneinheit 170 kann ebenfalls in das Gehäuse 150 integriert werden, insbesondere zusammen mit der Versorgungseinheit 152. Es ist jedoch auch möglich, die Brennstoffzelleneinheit 170 als modulare Einheit auszubilden, die über ein eigenes Gehäuse verfügt, das mit dem Gehäuse 150 geeignet lösbar verbunden werden kann. Alternativ ist die Brennstoffzelleneinheit 170 separat und getrennt von Klimagerät 100 vorgesehen. Beispielsweise kann die Brennstoffzelleneinheit 170 jeweils mit dem dritten Wärmeübertrager von zwei oder mehreren separaten Klimageräten 100 verbunden sein, die beispielsweise einen gemeinsamen Innenraum klimatisieren.
Der dritte Wärmeübertrager 111 nutzt bei der in 7 gezeigten Ausführungsform die Abwärme der Brennstoffzelle 171 und/oder des Elektrolyseurs 173, sofern dieser vorhanden ist. Die Brennstoffzelle 171 erzeugt somit sowohl Strom als auch Wärme. Der Strom wird für den Verdichter 116 und die Ventilatoren der Konvektoreinheit verwendet, die Abwärme der Brennstoffzelle wärmt dagegen die Außenluft. Dies hat den Vorteil, dass auch bei sehr tiefen Außentemperaturen eine sichere Versorgung gewährleistet ist. Es gibt daher keine Abhängigkeit von der Außentemperatur.
Für die Speicherung des benötigten Wasserstoffs kann als Wasserstoffspeicher 172 eine Stahlflasche vorgesehen sein, die beispielsweise unterhalb der Konvektoreinheit und der Versorgungseinheit angeordnet sein kann. Die Brennstoffzelle 171 ist typischerweise so dimensioniert, dass sie die für das Betreiben der Versorgungseinheit 152 und der Konvektoreinheit 151 erforderliche elektrische Leistung bereitstellen kann. Aufgrund der Vorerwärmung der Außenluft durch die Abwärme der Brennstoffzelle 171 kann die die erforderliche Leistung der Wärmepumpe kleiner ausgelegt werden und dadurch die Leistungsaufnahme des Verdichters 116 verringert werden.
Unter Verweis auf die 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, 11A, 11B und 12 wird eine dezentrale Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt beschrieben. Der grundsätzliche Aufbau der dezentralen Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt entspricht typischerweise dem Aufbau der dezentralen Vorrichtung gemäß erstem Aspekt. Daher wird lediglich auf die Unterschiede und Besonderheiten eingegangen. Gleiche Bezugszeichen beschreiben korrespondierende Elemente. Der im Zusammenhang mit dem zweiten Aspekt beschriebene Aufbau, bis auf die Aufteilung auf zwei Gehäuse, gilt auch für die dezentrale Vorrichtung nach erstem Aspekt, d. h. diese kann vom Kältemittelkreislauf her betrachtet genauso aufgebaut sein wie die dezentrale Vorrichtung gemäß zweitem Aspekt.
Die dezentrale Vorrichtung umfasst zwei getrennte Gehäuse 161, 162. Das erste Gehäuse 161 enthält die Zulufteinrichtung (Brüstungsmodul). Es kann analog zur dezentralen Vorrichtung gemäß erstem Aspekt eine Versorgungseinheit, den zweiten und dritten Wärmeübertrager 107, 111, und den Zuluftkanal 130 mit Zuluftventilator 108, optionalem Außenluftfilter 112 und optionaler Außenluftklappe 113 aufweisen. Die Versorgungseinheit umfasst auch hier insbesondere den Verdichter 116 sowie das Mehrwegeventil 118. Darüber hinaus sind auch das bzw. die Expansionsventile 124, 127 und die entsprechenden Leitungen im ersten Gehäuse 161 untergebracht.
Das zweite Gehäuse 162 ist separat und getrennt vom ersten Gehäuse 161 und kann unabhängig vom ersten Gehäuse 161 im zu klimatisierenden Innenraum angeordnet werden. Im zweiten Gehäuse 162 ist der Abluftkanal 140 angeordnet, der insbesondere den ersten Wärmeübertrager 105 sowie den Abluftventilator 104, ein optionales Abluftfilter 101 und eine optionale Fortluftklappe 106 enthält. Um den ersten Wärmeübertrager 105 in den Kältemittelkreis einzubinden, erstreckt sich eine Kältemittelleitung 153 vom ersten Gehäuse 161 zum zweiten Gehäuse 162. Das zweite Gehäuse bildet typischerweise ein Deckenmodul der dezentralen Vorrichtung.
Zusätzlich kann das erste Gehäuse 161 einen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager 174 aufweisen, welcher als vierter Wärmeübertrager 174 bezeichnet wird. Der vierte Wärmeübertrager 174 ist mit dem Kältemittelkreislauf verbunden und dient dazu, den Kältemittelkreislauf mit einem Abwärmekreislauf zu koppeln. Ist der vierte Wärmeübertrager 174 nicht mit einem Abwärmekreislauf gekoppelt, so hat der vierte Wärmeübertrager 174 im Betrieb der dezentralen Vorrichtung keine weitere Funktion, kann aber strömungstechnische mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt bleiben.
Um die dezentrale Vorrichtung in verschiedenen Betriebsmodi zu betreiben, ist der Kältemittelkreislauf als fluidische Schaltung oder fluidisches Netzwerk mit einer Vielzahl von Umschaltventilen, insbesondere Drei-Wege-Ventilen, 125a, 125b, 182-185, 400-407, Rückschlagventilen 119, 126, 128, und Expansionsventilen 124, 127 aufgebaut. Darüber hinaus umfasst der Kältemittelkreislauf auch Flüssigkeitsabscheider 117, einen Sammler 120, einen Filtertrockner 121, ein Schauglas 122 sowie ein Magnetventil 123 wie bereits weiter oben beschrieben. Der konkrete Aufbau des Kältemittelkreislaufs ist nicht auf die hier gezeigte fluidische Schaltung beschränkt, sondern kann auch anders realisiert werden, um die weiter unten beschriebenen Betriebsmodi zu ermöglichen.
Wie aus dem Vergleich der 8A und 8B erkennbar, kann die dezentrale Vorrichtung, sofern sie als Mastergerät betrieben wird, mit einer Brennstoffzelleneinheit 170 gekoppelt sein. Jedoch ist dies nicht notwendigerweise erforderlich. Die dezentrale Vorrichtung kann auch als Mastergerät ohne Brennstoffzelleneinheit 170 betrieben werden. Die Brennstoffzelleneinheit 170 ist typischerweise dem Mastergerät direkt zugeordnet. Dabei kann die Brennstoffzelleneinheit 170 im ersten Gehäuse 161 untergebracht sein, oder in einem dazu separaten Gehäuse neben dem ersten Gehäuse 161, oder auch beabstandet zu diesem beispielsweise in einem Nachbarraum, angeordnet werden. Es kann sich auch um eine zentrale Brennstoffzelleneinheit 170 handeln, die sowohl mit dem Mastergerät als auch mit dem Slavegerät verbunden ist.
Wird die dezentrale Vorrichtung als Slavegerät betrieben, so ist dem Slavegerät typischerweise keine eigenständige Brennstoffzelleneinheit zugeordnet, sondern das Slavegerät ist mit der Brennstoffzelleneinheit 170 des Mastergeräts oder mit einer zentralen Brennstoffzelleneinheit 170 verbunden.
Die Brennstoffzelleneinheit 170 kann, wie bereits weiter oben beschrieben, eine Brennstoffzelle 171, einen Wasserstoffspeicher 172 und einen Elektrolyseur 173 aufweisen. Darüber hinaus kann die Brennstoffzelleneinheit 170 über einen Stromanschluss 176 verfügen, der mit dem Verdichter 116, aber auch anderen Bauteilen, die elektrisch betrieben werden, wie zum Beispiel die Ventilatoren, verbunden ist. Zusätzlich kann auch ein Stromanschluss 177 zum Koppeln mit einer Photovoltaikanlage vorgesehen sein.
Um einen Umluftbetrieb zu ermöglichen, kann im ersten Gehäuse 161 eine Zuluftklappe 113c vorgesehen sein, mit welcher der Zuluftkanal zwischen dem dritten Wärmeübertrager 111 und dem Zuluftventilator 108 gesperrt werden kann. Damit wird der Zuluftkanal 130 in einen Innenkanal 130a und einen Außenkanal 130b unterteilt. Der Außenkanal 130b kann mit einem Fortluftkanal 131 in Verbindung stehen, um so einen Außenumluftkanal zu bilden. Dieser Außenumluftkanal erstreckt sich im Außenkanal 130b beispielsweise von der Außenluftklappe 113 über das Außenluftfilter 112 und den dritten Wärmeübertrager 111 bis zum Fortluftkanal 131, der weiterhin eine Umluftklappen 113a aufweisen kann. Im Fortluftkanal 131 kann weiterhin ein Fortluftventilator 133 angeordnet sein. Mit diesem wird die Luft in dem so gebildeten Außenumluftkanal über die geöffnete Außenluftklappe 113 angesaugt und über die geöffnete Umluftklappe 113a nach außen abgegeben.
Der Innenkanal 130a des Zuluftkanals 130 erstreckt sich von der Zuluftklappe 113c durch den Zuluftventilator 108 und den zweiten Wärmeübertrager 107. Um Luft aus dem Innenraum ansaugen zu können, steht der Innenkanal 130a in Verbindung mit einem sekundären Abluftkanal 132, der über eine Absperrklappe 113b zum Innenraum hin verschlossen werden kann. Bei geschlossener Zuluftklappe 113c und geöffneter Absperrklappe 113b kann der Zuluftventilator 108 Luft aus dem Innenraum ansaugen und durch den zweiten Wärmeübertrager 107 wieder an den Innenraum abgegeben.
Nachfolgend wird der Heizbetrieb unter Verweis auf die 8A und 8B beschrieben. Mittels einer Strich-Punkt-Linie 301 ist dabei der Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit 170 dargestellt. Eine gestrichelte Linie 302 mit längeren Strichen stellt den Hochdruckzweig und eine gestrichelte Linie 303 mit kürzeren Strichen stellt den Niederdruckzweig des Kältemittelkreislaufs dar. Eine gepunktete Linie 304 stellt Abschnitte des Kältemittelkreislaufs (oder auch des Zuluftkanals) dar, die in dem entsprechenden Betriebsmodus außer Betrieb sind.
Der Zuluftventilator 108 saugt Außenluft über die Außenluftklappe 113, Außenluftfilter 112, drittem Wärmeübertrager 111 und fördert diese über den zweiten Wärmeübertrager 107 durch einen Luftauslass in den zu klimatisierenden Innenraum. Gleichzeitig saugt der Abluftventilator 104 im zweiten Gehäuse 162 Raumluft über das Abluftfilter 101 und fördert diese durch den ersten Wärmeübertrager 105 und die Fortluftklappe 106 nach Außen.
Beim Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 105 wird der Abluft Wärme entzogen und mittels des Kältemittelkreislaufs über den Verdichter 116 und den dritten Wärmeübertrager 111 an die Außenluft übertragen. Hierbei wird das gasförmige Kältemittel enthitzt, die Außenluft wird vorgewärmt. Das Kältemittel nimmt zusätzlich Wärme der Brennstoffzelleneinheit 170 über den vierten Wärmeübertrager 174 auf. Im zweiten Wärmeübertrager 107 erfolgt die Nacherwärmung der Zuluft bis zur gewünschten Zulufttemperatur.
Das Master-Gerät versorgt alle angeschlossenen Slavegeräte mit Strom und Abwärme in Form von gewärmter Kühlflüssigkeit als Wärmequelle aus der Brennstoffzelle 171. Bei der Kühlflüssigkeit kann es sich typischerweise Wasser handeln. Die Wärmequelle wird über den vierten Wärmeübertrager 174 und Umschaltventile 403 und 404 zur Verfügung gestellt.
Im Heizbetrieb erstreckt sich der Hochdruckzweig vom Verdichter 116 zum dritten Wärmeübertrager 111, von dort über das Mehrwegeventil 118 zum zweiten Wärmeübertrager 107, und von dort bis zum Expansionsventil 127. Der Niederdruckzweig erstreckt sich dann nach dem Expansionsventil 127 zum ersten Wärmeübertrager 105, von dort zum vierten Wärmeübertrager 174, und von diesem über das Mehrwegeventil 118 zurück zum Verdichter 116. Dies gilt sowohl für das in 8A gezeigte Mastergerät als auch für das in 8B gezeigtes Slavegerät.
Wird die dezentrale Vorrichtung ohne Brennstoffzelleneinheit als Einzelgerät betrieben, so entspricht diese dem in 8B gezeigten Slavegerät, wobei dann jedoch der vierte Wärmeübertrager 174 nicht mit einem Abwärmekreislauf verbunden ist.
Wird die dezentrale Vorrichtung als Slavegerät in Kombination mit einem Mastergerät betrieben, das mit einer Brennstoffzelleneinheit gekoppelt ist, dann wird bevorzugt auch das Slavegerät mit dem Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit gekoppelt, wie in 8B angedeutet.
Auch das Mastergerät kann ohne Brennstoffzelleneinheit 170 betrieben werden und ein oder mehrere Slavegeräte steuern. Zur Verbesserung der Effizienz ist es jedoch bevorzugt, wenn die einzelnen dezentralen Vorrichtungen, als Einzelgerät oder als System aus Mastergerät und einem oder mehreren Slavegeräten, mit einem Abwärmekreislauf einer Brennstoffzelleneinheit 170 gekoppelt sind.
Nachfolgend wird mit Bezug auf die 9A und 9B der Umluft-Heizbetrieb erläutert. Dabei zeigt 9A wieder ein Mastergerät mit angeschlossener Brennstoffzelleneinheit 170 und 9B ein Slavegerät, welches ebenfalls mit dem Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit 170 gekoppelt ist. Alternativ kann die dezentrale Vorrichtung der 9B auch als Einzelgerät ohne gekoppeltem Abwärmekreislauf betrachtet werden.
Der Umluft-Heizbetrieb ist zur Temperaturhaltung außerhalb der Raumnutzung nachts oder am Wochenende vorgesehen. Beim reinem Umluftbetrieb ohne zusätzliches Heizen (reine Luftumwälzung) sind die Fortluftklappe 106 und Außenluftklappe 113 geschlossen. Der Abluftkanal 140 im zweiten Gehäuse 162 ist inaktiv und der Abluftventilator 104 außer Betrieb. Die Zuluftklappe 113c ist geschlossen und die Absperrklappe 113b geöffnet. Der Zuluftventilator 108 im ersten Gehäuse 161 saugt Raumluft über die geöffnete Absperrklappe 113b an und führt diese durch den zweiten Wärmeübertrager 107 zurück in den Innenraum. Der Verdichter 116 kann außer Betrieb sein und die die Brennstoffzellenanlage 170 ist typischerweise in Betrieb und überträgt über den vierten Wärmeübertrager 174 Wärme auf den Kältemittelkreislaufs. Da aufgrund der geschlossenen Zuluftklappe 113c keine Luft durch den dritten Wärmeübertrager 111 gelangt, ist dieser außer Betrieb.
Erfordert der Raumluftzustand eine Heizung (Umluft-Heizbetrieb), saugt der Zuluftventilator 108 Abluft an und führt diese über die Absperrklappe 113b und zweitem Wärmeübertrager 107 in den Innenraum. Im zweiten Wärmeübertrager 107 erfolgt die Nacherwärmung der Abluft zur erwünschten Raumtemperatur. Der Verdichter 116, d.h. der Kältemittelkreislauf, und die Brennstoffzelleneinheit 170 sind in Betrieb. Der vierte Wärmeübertrager 174 dient in diesem Fall als Verdampfer.
Der Hochdruckzweig erstreckt sich bei Umluft-Heizbetrieb vom Verdichter 116 über das Mehrwegeventil 118 zum zweiten Wärmeübertrager 107 und von dort bis zum Expansionsventil 127. Hinter dem Expansionsventil 127 schließt sich der Niederdruckzweig an, der sich über den vierten Wärmeübertrager 174 und das Mehrwegeventil 180 zurück zum Verdichter 116 erstreckt.
Zusätzlich kann je nach Raumluftzustand der Umluft Außenluft über die Außenluftklappe 113 beigemischt werden. Dazu wird die Zuluftklappe 113c leicht geöffnet. Damit Außenluft einströmen kann, muss ein Teil der Raumluft aus dem Innenraum nach außen geleitet werden. Dies erfolgt über die regelbare Fortluftklappe 106, ohne dass dazu der Abluftventilator 104 in Betrieb genommen werden muss. Da es sich nur um einen teilweisen Luftaustausch handelt, kann bedarfsweise der Abluftventilator 104 mit nur geringer Drehzahl betrieben werden. Damit ist es möglich, dass periodisch Außenluft zugeführt werden kann.
Wird ein Teilumluft-Heizbetrieb angestrebt, so kann der erste Wärmeübertrager 105 in den Niederdruckzweig des Kältemittelkreislaufs eingebunden werden, sodass beispielsweise der Niederdruckzweig vom Expansionsventil 127 über den ersten Wärmeübertrager 105 zum vierten Wärmeübertrager 174 und von dort über das Mehrwegeventil 118 zurück zum Verdichter 116 verläuft.
Fällt die Brennstoffzelle 171 aus oder ist sie aus anderen Gründen inaktiv oder ist der vierte Wärmeübertrager 174 nicht mit einem Abwärmekreislauf verbunden, dann kann auch im Umluft-Heizbetrieb die Zuluft erwärmt werden. Dazu wird der Kältemittelkreislauf in Betrieb genommen und so gesteuert, dass sich hinter dem Expansionsventil 127 der Niederdruckzweig (über 3-WegeVentil 407) über den dritten Wärmeübertrager 111 und das Mehrwegeventil 180 zurück zum Verdichter 116 erstreckt. Im Vergleich zu der in 9A gezeigten Ventilstellung müssen lediglich die 3-Wege-Ventile 407 und 405 umgestellt werden. Der vierte Wärmeübertrager ist dann vom Kältemittelkreislauf entkoppelt. Der dritte Wärmeübertrager 111 dient dann als Verdampfer. Dazu wird zusätzlich der Außenumluftkanal aktiviert, d.h. die Außenumluftklappe 113 und die Umluftklappe 113a geöffnet und der Fortluftventilator 133 in Betrieb genommen. Die Zuluftklappe 113c ist geschlossen. Für eine Außenluftbeimischung kann die Zuluftklappe 113c leicht oder temporär geöffnet werden.
Erfolgt eine reine Luftumwälzung ohne Temperierung, kann die notwendige elektrische Energie zum Betreiben der entsprechenden Ventilatoren der Batterie der Brennstoffzelleneinheit 170 entnommen werden. Da der Verdichter 116 außer Betrieb ist, ist der Strombedarf vergleichsweise gering.
Mittels einer Steuereinrichtung 190, siehe beispielsweise 12A, 12B und 13, werden der Zuluftventilator 108 und der Abluftventilator 104 sowie die Fortluftklappe 106, Außenluftklappe 113, Zuluftklappe 113c und Absperrklappe 113b geeignet angesteuert. Beispielsweise kann der Umluftanteil mit der Absperrklappe 113b geregelt werden.
Mit Bezug zu den 10A und 10B wird der Kühlbetrieb erläutert. Auch hier stellt 10A ein Mastergerät und 10B ein Slavegerät dar. Alternativ können beide Geräte auch als Einzelgeräte betrachtet werden, wobei sie dann nicht miteinander gekoppelt sind.
Der Zuluftventilator 108 saugt Außenluft über die Außenluftklappe 113, das Außenluftfilter 112, den dritten Wärmeübertrager 111 und den zweiten Wärmeübertrager 107 und fördert diese durch den Luftauslass in den Innenraum. Gleichzeitig saugt der Abluftventilator 104 im zweiten Gehäuse 162 Raumluft über das Abluftfilter 101 und fördert diese durch den ersten Wärmeübertrager 105 und die Fortluftklappe 106 nach Außen.
Liegt die Außentemperatur im Sommer oberhalb der Raumtemperatur, kann zur Energieeinsparung der Außenluftvolumenstrom vorgekühlt werden. Beim Durchströmen des ersten Wärmeübertragers 105 wird der Abluft Kälte entzogen und mittels des Kältemittelkreislaufs und des dritten Wärmeübertragers 111 an die Außenluft übertragen. Die Außenluft wird vorgekühlt. Das Kältemittel nimmt zusätzlich Abwärme der Brennstoffzelleneinheit 170 über den vierten Wärmeübertrager 174 auf. Dabei wird der Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit abgekühlt. Im zweiten Wärmeübertrager 107 erfolgt die Kühlung der Zuluft bis zur gewünschten Zulufttemperatur.
Die Brennstoffzelle 171 versorgt den Verdichter 116, Ventilatoren 104, 108 und die Steuereinrichtung mit Strom. Das im vierten Wärmeübertrager 174 zusätzlich erwärmte Kältemittel wird entsprechend überhitzt dem Verdichter 116 zugeführt.
Im Kühlbetrieb führt der Hochdruckzweig vom Verdichter 116 über das Mehrwegeventil 118 zum ersten Wärmeübertrager 105 und von dort bis zum Expansionsventil 124. Nach dem Expansionsventil schließt sich der Niederdruckzweig an, der über den zweiten Wärmeübertrager 107, den vierten Wärmeübertrager 174 und das Mehrwegeventil 118 bis zum Verdichter 116 verläuft.
Mit Bezug auf die 11A und 11B wird der Umluft-Kühlbetrieb erläutert. Auch hier stellt 11A ein Mastergerät und 11B ein Slavegerät dar. Alternativ können beide Geräte auch als Einzelgeräte betrachtet werden, wobei sie dann nicht miteinander gekoppelt sind.
Diese Betriebsart ist zur Temperaturhaltung außerhalb der Raumnutzung nachts oder Wochenende vorgesehen. Bei reinem Umluftbetrieb sind die Fortluftklappe 106 und Außenluftklappe 113 geschlossen. Weiterhin ist die Zuluftklappe 113c geschlossen. Der Zuluftventilator 108 saugt über den sekundären Abluftkanal 132 Raumluft an und führt diese über den zweiten Wärmeübertrager 107 dem Innenraum zu. Soll damit lediglich die Luft im Innenraum ohne Temperierung umgewälzt werden, wird der Kältemittelkreislauf außer Betrieb genommen.
Erfordert der Raumluftzustand eine Kühlung, bleibt die Zuluftklappe 113c geschlossen. Die Außenluftklappe 113 und die Umluftklappen 113a werden geöffnet. Mittels des Fortluftventilator 133 wird Außenluft über die geöffnete Außenluftklappe 113 angesaugt, durch den dritten Wärmeübertrager 111 geführt und über die geöffnete Umluftklappen 113a wieder nach außen geführt. Dadurch kann dem dritten Wärmeübertrager 111 Wärme entzogen werden. Dieser dient dann als Kondensator. Der zweite Wärmeübertrager 107 dient als Verdampfer. Der Kältemittelkreislauf wird wieder in Betrieb genommen.
Der Hochdruckzweig des Kältemittelkreislaufs verläuft vom Verdichter 116 über das Mehrwegeventil 118 zum dritten Wärmeübertrager 111, und von dort bis zum Expansionsventil 124. Nach dem Expansionsventil 124 schließt sich der Niederdruckzweig an, der über den zweiten Wärmeübertrager 107 und den vierten Wärmeübertrager 174 zurück zum Mehrwegeventil 118 und dem Verdichter 116 reicht.
Zusätzlich kann je nach Raumluftzustand der Umluft ein Teil Außenluft über die Zuluftklappe 113c beigemischt werden. Für den Luftausgleich verlässt ein entsprechender Teil der Innenluft den Innenraum über die regelbare Fortluftklappe 106 im zweiten Gehäuse 162, ohne dass der Abluftventilator 104 in Betrieb genommen werden muss. Der Umluftanteil wird mit der Umluftklappe 113b geregelt und mit dem Zuluftventilator 108 über den zweiten Wärmeübertrager 107 dem Innenraum zugeführt.
Für die Außenluftbeimischung ist der Fortluftventilator 133 im zusätzlichen Fortluftkanal 131 außer Betrieb. Die Umluftklappen 113a ist geschlossen, die Außenluftklappe 113, die Absperrklappe 113b und die Zuluftklappe 113c sind geöffnet. Die Kühlung erfolgt über den zweiten Wärmeübertrager 107, der als Verdampfer arbeitet.
Der Hochdruckzweig verläuft vom Verdichter 116 über das Mehrwegeventil 118 und den dritten Wärmeübertrager 111 bis zum Expansionsventil 124. Daran schließt sich der Niederdruckzweig an, der vom Expansionsventil 124 über den zweiten Wärmeübertrager 107, den vierten Wärmeübertrager 174 zurück zum Mehrwegeventil 118 und Verdichter 116 verläuft. Ist die Brennstoffzelleneinheit 170 außer Betrieb, kann der vierte Wärmeübertrager 174 mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt sein. Er dient dann aber nicht mehr als Wärmequelle.
Es ist auch möglich, dass der reine Umluft-Kühlbetrieb lediglich zum Entwärmen des Abwärmekreislaufs genutzt wird. Dann verläuft der Hochdruckzweig vom Verdichter 116 über das Mehrwegeventil 118 zum dritten Wärmeübertrager 111 und von dort bis zum Expansionsventil 124. Der Niederdruckzweig erstreckt sich vom Expansionsventil 124 über das Umschaltventil 183 zum vierten Wärmeübertrager 174, und von dort zurück zum Mehrwegeventil 118 bis zum Verdichter 116.
Bei einem reinen Umluftbetrieb ohne zusätzliche Temperierung saugt der Zuluftventilator 108 Außenluft über die Außenluftklappe 113, das Außenluftfilter 112, den dritten Wärmeübertrager 111 und zweiten Wärmeübertrager 107, und fördert diese durch den Luftauslass in den Innenraum. Gleichzeitig kann über die regelbare Fortluftklappe 106 ein Teil der Raumluft durch den Abluftkanal 140 nach außen entweichen, ohne dass der Abluftventilator 104 in Betrieb genommen werden muss. In diesem Fall kann der Kältemittelkreislauf außer Betrieb genommen werden. Ist die Brennstoffzelleneinheit 170 in Betrieb und erfordert eine Entwärmung, kann der Kältemittelkreislaufs jedoch auch bei reinem Umluftbetrieb wieder in Betrieb genommen werden, wobei dann der zweite Wärmeübertrager 107 als Kondensator und der vierte Wärmeübertrager 174 als Verdampfer dient.
In den 12A und 12B sind Geräteansichten dargestellt. Mit 175 ist dort der Anschluss für den Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit 170 angedeutet. Wie insbesondere in 12B zu erkennen ist, weist das erste Gehäuse 161 einen Außenluftanschluss 164 zum Verbinden mit einem Wandlüftungsstutzen auf, um dem Zuluftkanal 130 Außenluft zuführen zu können. Entsprechend weist das zweite Gehäuse 162 einen Fortluftanschluss 163 zum Verbinden mit einem anderen Wandlüftungsstutzen auf, damit der Abluftkanal 140 die Abluft nach Außen abgeben kann.
Weiterhin ist in den 12A und 12B eine Steuereinrichtung 190 dargestellt. Bevorzugt kann der Verdichter 116 im Bereich des Zuluftkanals 130 angeordnet sein, damit dessen Abwärme genutzt werden kann.

Mit den dezentralen Vorrichtungen sind insbesondere die folgenden Betriebsarten möglich: Heizbetrieb, Kühlbetrieb, Umluftbetrieb, Außenluftbetrieb. Diese Betriebsarten sind in der nachfolgenden Tabelle noch einmal kurz zusammengefasst.

Modus	Erster Wärmeübertrager (105)	Zweiter Wärmeübertrager (107)	Dritter Wärmeübertrager (111)	Vierter Wärmeübertrager (174)
Heizen	Entzieht der Abluft Wärme (Verdampfer)	Erwärmt Zuluft auf Zieltemperatur (Kondensator)	Vorwärmen der Außenluft (Heißgaswärmeübertrager)	Entzieht dem Abwärmekreislauf Wärme und überträgt diese auf das Kältemittel (Nacherhitzer)
Umluft Heizen		Erwärmt Zuluft auf Zieltemperatur (Kondensator)		Entzieht dem Abwärmekreislauf Wärme und überträgt diese auf das Kältemittel (Nacherhitzer)
Kühlen	Überträgt Wärme auf Abluft (Kondensator)	Kühlt Zuluft auf Zieltemperatur (Verdampfer)		Entzieht dem Abwärmekreislauf Wärme und überträgt diese auf das Kältemittel (Nacherhitzer)
Umluft Kühlen		Kühlt Zuluft auf Zieltemperatur (Verdampfer)	Überträgt Wärme auf Fortluft (Kondensator)	Entzieht dem Abwärmekreislauf Wärme und überträgt diese auf das Kältemittel (Nacherhitzer)

In einem zu klimatisierenden Einzelraum können aufgrund der Raumgröße mehrere dezentrale Klimageräte im Außenwand- und Deckenbereich untergebracht werden. Diese Anordnung umfasst dann bevorzugt ein Master-Gerät und mehrere Slave-Geräten, die zusammen ein System zum Klimatisieren von Innenräumen bilden. Eine Ausführungsform eines solchen Systems 500 ist in 13 dargestellt.
Das Mastergerät 510 ist zusätzlich mit einer Brennstoffzelleneinheit 570 für die elektrische Versorgung des Mastergerätes 510 und der Slavegeräte 520, 530 ausgerüstet. Außerdem sind die vierten Wärmeübertrager 515, 525, 535 von Mastergerät 510 und den Slavegeräten 520, 530 zur Versorgung mit Abwärme mit dem Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit 570 verbunden. Sowohl das Mastergerät 510 als auch die Slavegeräte 520, 530 stellen für sich genommen jeweils eine dezentrale Vorrichtung, wie weiter oben beschrieben, dar. D. h. sowohl das Mastergerät 510 als auch die Slavegeräte 520, 530 verfügen über ein erstes Gehäuse 511, 521, 531 und ein zweites Gehäuse 512, 522, 532. Das jeweilige zweite Gehäuse 512, 522, 532 enthält den Abluftkanal mit dem ersten Wärmeübertrager, wie weiter oben beschrieben. Das jeweilige erste Gehäuse 511, 521, 531 enthält dagegen den Zuluftkanal und die Versorgungseinrichtung mit dem Kältemittelkreislauf, wobei dieser über jeweilige Kältemittelleitungen mit dem ersten Wärmeübertrager im jeweiligen zweiten Gehäuse 512, 522, 532 verbunden ist.
Die Brennstoffzelleneinheit 570 kann, wie in 13 gezeigt, im ersten Gehäuse 511 des Mastergeräts 510 untergebracht sein. Alternativ kann die Brennstoffzelleneinheit 570 separat zum Mastergerät 510 sein.
Die Kältemittelleitungen können rechts oder links vom jeweiligen ersten Gehäuse 511, 521, 531 im seitlichen Fensterbereich zur Decke verlegt sein.
Die Brennstoffzelleneinheit 570 soll in den Kältemittelkreislauf der Versorgungseinheit eingebunden werden. Die Brennstoffzelleneinheit 570 ist bevorzugt Bestandteil des Mastergeräts 510. Sie ist dann im ersten Gehäuse 511 des Mastergeräts 510 untergebracht, oder gegebenenfalls außerhalb des Mastergerätes 510 untergebracht. Das Mastergerät 510 und die Slavegeräte 520, 530 sind hydraulisch miteinander verbunden. Hierzu wird nur zwischen den Geräten eine Versorgungsleitung 550 als Teil des Abwärmekreislaufs verlegt. Innerhalb der jeweiligen Master- und Slavegeräts 510, 520, 530 ist eine Versorgungsleitung mit Abgängen installiert, die am Eingang und Ausgang der Geräte mit der außenliegenden Versorgungsleitung 550 verbunden wird.
Als Schnittstelle zum Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit 570 dient der jeweilige vierte Wärmeübertrager 515, 525, 535. Die Brennstoffzelleneinheit 570 ist die Wärmequelle für die jeweilige Wärmepumpe von Mastergerät 510 und Slavegeräten 520, 530. Die Umschaltventile (Absperr- und Regelventile) 403 und 404 jedes Geräts (siehe beispielsweise 8A und 8B) sind als Trennstelle vorgesehen.
Die Slavegeräte 520, 530 besitzen keine Brennstoffzellenanlage. Ansonsten sind sie baugleich zum Mastergerät 510. Das Mastergerät und die Slavegeräte können bei Ausfall der Brennstoffzelleneinheit 570 weiterhin betrieben werden. Die fehlende Wärmequelle aus der Brennstoffzelleneinheit 570 wird dann durch die Wärme der Abluft oder der Außenluft ersetzt. Die elektrische Versorgung von Mastergerät 510 und Slavegeräten 520, 530 sowie der Brennstoffzelleneinheit 570 kann durch eine Photovoltaikanlage erfolgen, deren Strom zur Wasserstofferzeugung im Elektrolyseur der Brennstoffzelleneinheit 570 genutzt wird. Der gespeicherte Wasserstoff steht zur Rückverstromung in der Brennstoffzelle zur Verfügung.
Die Steuereinrichtungen 513, 523, 533 von Mastergerät 510 und Slavegeräten 520, 530 sind miteinander über eine Inter-Steuerleitung 540 verbunden. Die Steuereinrichtungen 513, 523, 533 können an sich identisch aufgebaut sein, jedoch über verschiedene Betriebsmodi verfügen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 513 des Mastergeräts 510 in einem Mastermodus betrieben werden, die Steuereinrichtungen 523, 533 der Slavegeräte 520, 530 dagegen in einem Slavemodus. Zwischen jeder Steuereinrichtung 513, 523, 533 und dem jeweiligen zweiten Gehäuse 512, 522, 532 verläuft eine Inter-Steuerleitung 514, 524, 534, um den jeweiligen Zuluftventilator und die Fortluftklappe anzusteuern und mit Strom zu versorgen.
Es ist auch möglich, eine dezentrale Vorrichtung nach erstem Aspekt, d. h. eine eingehäusige dezentrale Vorrichtung, und eine dezentrale Vorrichtung nach zweitem Aspekt, d. h. eine zweigehäusige dezentrale Vorrichtung, in einem System aus Mastergerät und Slavegerät zu kombinieren.
Bezugszeichenliste

100: Klimagerät
101: Abluftfilter
102: Umluftklappe Raumseite
103, 103a: Umluftklappe Außenseite
104: Abluftventilator
105: erster Wärmeübertrager (Verdampfer/Kondensator)
106: Fortluftklappe
107: zweiter Wärmeübertrager (Kondensator/Verdampfer)
108: Zuluftventilator
109: Umluftklappe (Raumseite)
110: Umluftklappe (Außenseite)
111: dritter Wärmeübertrager (Heißgas)
112: Außenluftfilter
113: Außenluftklappe
113a: Umluftklappe
113b: Absperrklappe
113c: Zuluftklappe
114: erster Umluftbypass (Raumseite / Innenluftseite)
115: zweiter Umluftbypass (Außenluftseite)
116: Verdichter
117: Flüssigkeitsabscheider
118: 4-Wege Umkehrventil (Mehrwegeventil)
119, 126, 128: Rückschlagventil
120: Sammler
121: Filtertrockner
122: Schauglas
123: Magnetventil
124, 127: Expansionsventil
125, 125a, 125b: Ventileinheit
130: Zuluftkanal
130a: Innenkanal
130b: Außenkanal
131: Fortluftkanal
132: sekundärer Abluftkanal
133: Fortluftventilator
140: Abluftkanal
150: Gehäuse
151: Konvektoreinheit
152: Versorgungseinheit
153: Kältemittelleitung
161: erstes Gehäuse (Zuluft)
162: zweites Gehäuse (Abluft)
163: Fortluftanschluss
164: Außenluftanschluss
170: Brennstoffzelleneinheit
171: PEM Brennstoffzelle
172: Wasserstoffspeicher
173: PEM Elektrolyseur
174: vierter Wärmeübertrager (Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager
175: Wasseranschluss Konvektoreinheit
176: Stromanschluss zum Verdichter
177: Stromanschluss an dezentrale Photovoltaikanlage
182, 183: Umschaltventil zweiter Wärmeübertrager
184, 185: Umschaltventil vierter Wärmeübertrager
186, 187: Anschluss Wasserkreislauf187
190: Steuereinrichtung
201: Innenluftseite
202: Außenluftseite
301: Abwärmekreislauf
302: Kältemittelkreislauf Hochdruckzweig
303: Kältemittelkreislauf Niederdruckzweig
304: Außerbetrieb
400: Umschaltventil erster Wärmeübertrager
401, 402: Umschaltventil dritter Wärmeübertrager
403, 404: Umschaltventil Abwärmekreislauf
405, 406, 407: Umschaltventil
500: System
510: Mastergerät
520, 530: Slavegerät
511, 521, 531: erstes Gehäuse
512, 522, 532: zweites Gehäuse
513, 523, 533: Steuereinrichtung
514, 524, 534: Intra-Steuerleitung zum zweiten Gehäuse
515, 525, 535: vierter Wärmeübertrager
540: Inter-Steuerleitung
550: Versorgungsleitung
570: Brennstoffzelleneinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6915655 B2 [0004]
US 6945065 B2 [0004]
FR 2978532 A1 [0004]
EP 0055000 A1 [0004]
DE 4412844 A1 [0004]
CN 106196380 A [0004]
DE 10200404 A1 [0004]

Claims

Dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen, aufweisend: • ein erstes Gehäuse (161) mit einem im ersten Gehäuse (161) angeordneten Zuluftkanal (130) mit einer Innenluftseite (201) und einer Außenluftseite (202) zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in einen Innenraum; • ein zum ersten Gehäuse (161) separates zweites Gehäuse (162) mit einem im zweiten Gehäuse (162) angeordneten Abluftkanal (140) mit einer Innenluftseite (201) und einer Außenluftseite (202) zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen; • ein Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem im ersten Gehäuse (161) untergebrachten Verdichter (116) zum Verdichten des Kältemittels, und einem im ersten Gehäuse (161) untergebrachten Mehrwegeventil (118), um den Kältemittelkreislauf zwischen verschiedenen Betriebsmodi umzuschalten; • einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105), der im zweiten Gehäuse (162) im Abluftkanal (140) angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht; • einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107), der im ersten Gehäuse (161) im Zuluftkanal (130) an der Innenluftseite (201) des Zuluftkanals (130) angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht; • einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111), der im ersten Gehäuse (161) im Zuluftkanal (130) an der Außenluftseite (202) des Zuluftkanals (130) angeordnet ist und der einen Wärmeaustausch zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht; • wobei der Kältemittelkreislauf eine Kältemittelleitung (153) vom ersten Gehäuse (161) zum ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105) im zweiten Gehäuse (162) aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174), der im ersten Gehäuse (161) untergebracht und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und der einen Wärmeaustausch zwischen einer Kühlflüssigkeit und dem Kältemittel ermöglicht.
Dezentrale Vorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend eine Brennstoffzelleneinheit (170) mit einer Brennstoffzelle (171) und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle (171) entsteht, wobei der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt ist.
Dezentrale Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) zumindest teilweise im ersten Gehäuse (161) untergebracht ist, oder wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) in einem zum ersten Gehäuse (161) separaten Gehäuse untergebracht ist.
Dezentrale Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) weiterhin einen Elektrolyseur (173) und/oder eine Batterie und/oder einen Wasserstoffspeicher aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) weiterhin einen Stromanschluss (176) zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den Verdichter (116) aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) weiterhin einen Stromanschluss (176) zum Verbinden mit einer Photovoltaikanlage aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Kältemittelkreislauf einen Betriebsmodus-abhängigen Hochdruckzweig und einen Betriebsmodus-abhängigen Niederdruckzweig aufweist, wobei der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) strömungstechnisch mit dem Niederdruckzweig gekoppelt ist.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Heizbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105) als Verdampfer dient und der Abluft Wärme entzieht, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) als Heißgas-Wärmeübertrager dient und die von außen angesaugte Außenluft vorwärmt, der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107), welcher im Zuluftkanal (130) dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) strömungstechnisch nachgeschaltet ist, als Kondensator dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur erwärmt, und, sofern vorhanden, der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) fallweise als Nacherhitzer für das Kältemittel dient und der Kühlflüssigkeit Wärme entzieht.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Kühlbetrieb der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105) als Kondensator dient und Kälte der Abluft entzieht, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) vom Kältemittelkreislauf getrennt ist, und der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107) als Verdampfer dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur kühlt, und, sofern vorhanden, der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) fallweise als Nacherhitzer für das Kältemittel dient und der Kühlflüssigkeit Wärme entzieht.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem Umluft-Heizmodus der dezentralen Vorrichtung der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105) und der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) vom Kältemittelkreislauf getrennt sind, der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107) als Kondensator dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur erwärmt, und der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) als Verdampfer dient und der Kühlflüssigkeit Wärme entzieht.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in einem Umluft-Heizmodus der dezentralen Vorrichtung der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105) vom Kältemittelkreislauf getrennt ist, der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107) als Kondensator dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur erwärmt, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) als Verdampfer dient und der Außenluft Wärme entzieht, und, sofern vorhanden, der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) fallweise als Nacherhitzer dient und der Kühlflüssigkeit Wärme entzieht.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem Umluft-Kühlmodus der dezentralen Vorrichtung der erste Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (105) vom Kältemittelkreislauf getrennt ist, der zweite Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107) als Verdampfer dient und die Zuluft auf eine Zieltemperatur kühlt, der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) als Kondensator dient und, sofern vorhanden, der optionale Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) fallweise als Nacherhitzer für das Kältemittel dient und der Kühlflüssigkeit Wärme entzieht.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Zuluftkanal (130) eine Zuluftklappe (113c) zwischen dem zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (107) und dem dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (111) aufweist, um den Zuluftkanal (130) bedarfsweise in einen Innenkanal und einen Außenkanal zu unterteilen.
Dezentrale Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei im ersten Gehäuse (161) weiterhin ein mit dem Außenkanal strömungstechnisch verbundener Fortluftkanal (131) angeordnet ist, welcher zusammen mit dem Außenkanal einen Außenumluftkanal bildet, wobei optional der Fortluftkanal (131) einen Fortluftventilator (133) aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei im ersten Gehäuse (161) weiterhin ein mit dem Innenkanal strömungstechnisch verbundener sekundärer Abluftkanal (132) angeordnet ist, welcher zusammen mit dem Innenkanal einen Innenumluftkanal bildet.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend einen Zuluftventilator (108) zum Ansaugen von Außenluft.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Gehäuse (162) einen Fortluftanschluss (163) zum Verbinden des Abluftkanals (140) mit einem Wandlüftungsstutzen zum Abführen der Fortluft nach Außen aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Gehäuse (161) einen Außenluftanschluss (164) zum Verbinden des Zuluftkanals (130) mit einem Wandlüftungsstutzen zum Zuführen von Außenluft aufweist.
Dezentrale Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Steuereinrichtung (190), die im ersten Gehäuse (161) angeordnet ist und zur Steuerung der dezentralen Vorrichtung dient.
System (500) zum Klimatisieren von Innenräumen, aufweisend: • mindestens zwei dezentrale Vorrichtungen (510, 520, 530) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen (510, 520, 530) ein Mastergerät (510) und das andere der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen (510, 520, 530) ein Slavegerät (520, 530) ist, und das Mastergerät (510) zum Steuern des Slavegerät (510) dient.
System (500) nach Anspruch 21, wobei jede der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen (510, 520, 530) einen Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) aufweist, die alle miteinander zum Durchfluss von Kühlmittel verbunden sind.
System (500) nach Anspruch 22, weiterhin aufweisend eine Brennstoffzelleneinheit (170) mit einer Brennstoffzelle (171) und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle (171) entsteht, wobei der Kühlflüssigkeit-Kältemittel-Wärmeübertrager (174) jeder der mindestens zwei dezentralen Vorrichtungen (510, 520, 530) mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt ist.
System (500) nach Anspruch 22, wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) in dem Gehäuse des Mastergeräts (510) untergebracht ist, oder wobei die Brennstoffzelleneinheit (170) in einem zum Gehäuse des Mastergeräts (510) separaten Gehäuse untergebracht ist.