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Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Lüftungssystem zur Bereitstellung von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiesystem, das insbesondere mit einem solchen Lüftungssystem ausgestattet ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem.
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Energiesysteme der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik bereits auf vielfältige Weise bekannt. Mit derartigen Systemen wird üblicherweise Energie für verschiedenste Anwendungsgebiete erzeugt und bereitgestellt.
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Bei einer bekannten Art solcher Energiesysteme handelt es sich um ein Gebäudeenergiesystem, mittels dessen Energie in verschiedenen Formen für das Gebäude erzeugt und bereitgestellt wird. Bei einer aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Ausführungsform wird in einer ersten Energiequelle Energie erzeugt. Bei der erzeugten Energie kann es sich beispielsweise um Wasserstoff handeln. Der Wasserstoff wird beispielsweise in einer Elektrolyseeinrichtung erzeugt und anschließend in einer Speichereinrichtung gespeichert. Während des Betriebs des Energiesystems wird der Wasserstoff aus der Speichereinrichtung ausgespeichert und in einem Brennstoffzellensystem verbraucht. Üblicherweise sind die vorbeschriebenen Komponenten des Energiesystems räumlich voneinander getrennt und über eine Verbindungsleitungseinrichtung miteinander verbunden.
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Damit solche Energiesysteme möglichst umfassend, beispielsweise in Form von Gebäudeenergiesystemen, eingesetzt werden können, ist es im Stand der Technik bereits bekannt geworden, ein wie vorstehend beschriebenes Energiesystem um eine Lüftungseinrichtung zu erweitern. Die Lüftungseinrichtung hat insbesondere die Funktion, in einem Raum eines Gebäudes ein gewünschtes Raumklima zu erzeugen, beispielsweise indem der Raum entsprechend belüftet und/oder geheizt und/oder gekühlt wird und/oder die Luftfeuchtigkeit positiv beeinflusst wird. Die Lüftungseinrichtung kann im Betrieb auf Prozesse des Energiesystems zurückgreifen. Eine solche bekannte Lüftungseinrichtung ist beispielsweise in der
DE 10 2018 133 194 A1 der Anmelderin offenbart. Bei dieser bekannten Lösung tritt ein über eine Außenluftzufuhr bereitgestellter Zuluftstrom in die Lüftungseinrichtung ein. Über einen Wärmetauscher wird eine Zuluftzufuhr erzeugt und dem Raum als Zuluft bereitgestellt. Aus dem Raum abgeführte Abluft wird über eine Abluftabfuhr als Abluftstrom über den Wärmetauscher geführt und als Fortluftstrom über eine Fortluftabfuhr aus der Lüftungseinrichtung abgeführt.
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In jüngerer Zeit ist es ebenfalls bekannt geworden, Energiesysteme um geeignete Wärmepumpeneinrichtungen zu erweitern.
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Bei derartigen Energiesystemen und Lüftungseinrichtungen handelt es sich um kompakte Systeme, in denen die einzelnen Komponenten effizient genutzt werden. Durch eine Mehrfachnutzung einzelner Komponenten in verschiedenen Prozessen oder für verschiedene Prozesse können zudem Herstellungskosten des Systems reduziert werden. Auch können an einzelnen Stellen des Systems entstehende Prozessresultate, die ansonsten als „Abfallprodukte“ behandelt würden, in manchen Fällen noch für an anderen Stellen des Systems ablaufende Prozesse als „Ausgangsprodukte“ beziehungsweise „Prozessprodukte“ genutzt werden. Zu denken ist hier beispielsweise an entstehende Luftströme, Wärme und dergleichen.
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So kann beispielsweise die in der Lüftungseinrichtung entstehende Abluft auch als Zuluft für das Brennstoffzellensystem verwendet werden.
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Aus dem Stand der Technik ist es in allgemeiner Weise ebenfalls bereits bekannt, einzelne Komponenten eines Systems mittels eines Luftstroms zu kühlen oder aber einzelnen Komponenten einen als Reaktand dienenden Luftstrom zuzuführen. Nachfolgend werden hierzu einige allgemeine Beispiele vorgestellt.
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Die
DE 10 2012 001 120 A1 beispielsweise offenbart einen Schrank, in dem mehrere Leiterplatten untergebracht sind. Diese werden jeweils über ein Luftleitteil beströmt. Die Luft wird anschließend über einen Luftsammelkanal abgeführt.
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Eine ähnliche Lösung ist auch in der
EP 0 757 398 A1 offenbart. Hier sind verschiedene Brennstoffzellenmodule in einem Gehäuse angeordnet. Die Abluft wird über einen Sammelkanal abgeführt.
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Die
DE 10 2019 105 314 A21 beschreibt ein Lüftungssystem für einen Raum. Es existiert ein Strömungskanal mit einem Gebläse, über den Luft in den Raum eingeführt wird. Zusätzlich existiert ein zweiter Strömungskanal mit einem Gebläse, über den Luft aus dem Raum abgeführt wird.
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Bei gattungsgemäßen Energiesystemen, beispielsweise mit wasserstoffbasierten Energiespeicherlösungen, die auf eine nahezu autonome Energieversorgung ausgerichtet sind, stellen die individuellen Bedürfnisse aus zu bedienenden Stromsenken, wie beispielsweise Gebäudestromprofil, Wärmepumpenleistung und/oder Wärmepumpenenergiebedarf und/oder E-Mobilität sehr große Spannbreiten an notwendiger Leistung an die unterschiedlichen Wasserstoffkomponenten, wie beispielsweise Brennstoffzelle und Elektrolyseur dar. Gebäude mit nahezu identischen Wohnflächen und daraus ähnlich resultierender Dachflächen, die beispielsweise als Quelle einer notwendigen regenerativen Photovoltaikfläche dienen, haben somit unterschiedlichste Anforderungen an die notwendige Nennleistung. Des Weiteren werden insbesondere in Bestandsgebäude sukzessiv die energetischen Maßnahmen umgesetzt und demzufolge auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten diverse Unterschiede im Nennleistungsbedarf bei der Wasserstofferzeugung für Elektrolyseure. Dies gilt ebenso für die Rückverstromung durch die Brennstoffzelle für die verschiedenen Stromsenken.
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Um gattungsgemäße Energiesysteme an sich ändernde Anforderungen und Gegebenheiten leicht anpassen zu können, und um gattungsgemäße Energiesysteme bei Bedarf auch um weitere Komponenten, insbesondere solche, für die eine Luftzufuhr und/oder eine Wärmezufuhr vorteilhaft ist, erweitern zu können, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lüftungssystem sowie ein Energiesystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine solche Anpassung an sich ändernde Gegebenheiten und Voraussetzungen auf einfache Weise erfolgen kann und dass dabei gleichzeitig in Abwärme-generierenden Komponenten entstehende Abwärme und/oder generell Luft individuell für weitere Prozesse genutzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Lüftungssystem zur Bereitstellung von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, welches den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9, welches den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12, welches den dritten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Verfahren zum Bereitstellen von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18, welches den vierten Aspekt der Erfindung darstellt, sowie durch das Verfahren zum Bereitstellen von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 20, welches den fünften Aspekt der Erfindung darstellt.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Beschreibung sowie aus den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der Erfindungsaspekte offenbart sind, vollumfänglich auch im Zusammenhang mit allen anderen Erfindungsaspekten, und umgekehrt, so dass hinsichtlich der Offenbarung der einzelnen Erfindungsaspekte stets vollinhaltlich auch Bezug auf die jeweils anderen Erfindungsaspekte genommen wird. Insbesondere ergibt sich der Ablauf der erfindungsgemäßen Verfahren auch aus der Funktionsbeschreibung sowie der Beschreibung des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Lüftungssystems und der erfindungsgemäßen Energiesysteme, so dass hinsichtlich des Ablaufs und der Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Lüftungssystem sowie zu den erfindungsgemäßen Energiesystemen vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
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Allen Erfindungsaspekten liegt das gemeinsame erfinderische Konzept zugrunde, dass in Abwärme-generierenden Modulen entstehende Abwärme und/oder durch das Lüftungssystem bereitgestellte Luft individuell genutzt und weiteren Komponenten und Prozessen zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei kann das Lüftungssystem, ebenso wie das Energiesystem, aufgrund einer modulartigen Ausgestaltung auf einfache Weise an sich ändernde Voraussetzungen und Gegebenheiten angepasst werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht das Herstellen einer flexiblen, einfachen und nachhaltigen Lösung zur Nachrüstung und/oder Umrüstung und/oder Anpassung von Energiesystemen, insbesondere mit Wasserstoffbasierten Energiespeicherlösungen.
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Ein Kernmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Lüftungssystem und das erfindungsgemäße Energiesystem in Form eines modularen Konzepts ausgebildet sind, bestehend aus einzelnen Modulen, bei denen es sich um Abwärme-generierende Module, aber auch um Nicht-Abwärme-generierende Modulen handelt, die bedarfsgerecht mit einem Luftverteilungskanal am Eingang der Module und einem Luftsammelkanal am Ausgang der Module kombiniert sind. Das Energiesystem kann weitere, insbesondere modulartig ausgebildete Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Lüftungseinrichtung und/oder eine Wärmepumpeneinrichtung. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die explizit genannten Module beschränkt.
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Ein Modul im Lichte der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine austauschbare, meist komplexe Komponente innerhalb eines Gesamtsystems, welches eine geschlossene Funktionseinheit bildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Lüftungssystem, aber auch das Energiesystem modulartig aufgebaut werden oder sein, das heißt aus einzelnen Modulen bestehen. Ein modulartiger Aufbau bewirkt, dass die einzelnen Module, die jeweils Komponenten des Gesamtsystems bilden, zum Gesamtsystem zusammengesetzt werden, wobei das Zusammensetzen der einzelnen Module vorzugsweise mittels geeigneter Schnittstellen erfolgt. Eine Schnittstelle zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass darüber die einzelnen Komponenten in Verbindung stehen, zum Beispiel zu einem Kommunikationsaustausch oder aber auch zu einem Stoffaustausch. Eine Schnittstelle ist folglich insbesondere eine Einrichtung, über die ein Modul mit einem anderen Modul interagiert. Durch die Verwendung derartiger Module kann das Gesamtsystem leicht an sich ändernde Gegebenheiten und Voraussetzungen angepasst werden, indem beispielsweise die Anzahl einzelner Module vergrößert oder verkleinert wird. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lüftungssystems und des erfindungsgemäßen Energiesystems lässt, wie weiter unten im Detail beschrieben wird, eine solche Anpassung zu. Gleichzeitig kann in jeder Ausgestaltungsform die in Abwärme-generierenden Modulen erzeugte Abwärme für weitere Prozesse genutzt werden.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Lüftungssystem zur Bereitstellung von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Bei dem Lüftungssystem handelt es sich beispielsweise um eines oder mehrere Modul(e) eines erfindungsgemäßen Energiesystems gemäß dem zweiten und dritten Erfindungsaspekt.
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Als eine erste Komponente, bei der es sich ebenfalls um ein Modul handeln kann, weist das Lüftungssystem einen Luftverteilungskanal auf. Ein Kanal im Lichte der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein geführter Lauf zum Hindurchführen eines Mediums, beispielweise eines Gases, wie hier insbesondere von Luft. Der Kanal ist vorzugsweise über eine Kanalwandung begrenzt und insbesondere geschlossen, weist aber eine Anzahl von, insbesondere verschließbaren, Öffnungen in der Kanalwandung auf, über die das Medium in den Kanal eintreten und aus diesem austreten kann.
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Der Luftverteilungskanal weist wenigstens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Verteilungsöffnungen auf, wobei jeweils eine Verteilungsöffnung als strömungstechnische Schnittstelle zur Eingangsseite eines Abwärme-generierenden Moduls ausgebildet ist. Ein Abwärme-generierendes Modul ist beispielsweise ein Brennstoffzellenmodul oder ein Elektrolysemodul. In gleicher Weise kann jeweils eine Verteilungsöffnung als strömungstechnische Schnittstelle zur Eingangsseite eines Nicht-Abwärme-generierenden Moduls ausgebildet sein. Ein Nicht-Abwärme-generierendes Modul ist beispielsweise ein Modul zur Erzeugung von demineralisiertem Wasser sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit, welches insbesondere für die Elektrolyse benötigt wird, ein Modul zur Trocknung und/oder Reinigung von zu speicherndem Wasserstoff oder zur Verdünnung von wasserstoffhaltigen Spülgasen, oder dergleichen. Über den Luftverteilungskanal und die Verteilungsöffnungen wird in die mit dem Luftverteilungskanal verbunden Module, wie ebenfalls im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Energiesystemen sowie den erfindungsgemäßen Verfahren weiter unten näher erläutert wird, Luft eingebracht, wobei die eingebrachte Luft die Module anschließend durchströmt.
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Dazu weist der Luftverteilungskanal ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf, wobei die wenigstens eine Verteilungsöffnung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende im Luftverteilungskanal ausgebildet ist.
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Die Anzahl der Verteilungsöffnungen entscheidet darüber, wie viele Module an den Luftverteilungskanal angeschlossen werden können. Grundsätzlich ausreichend für die Ausführbarkeit der Erfindung ist eine einzige Verteilungsöffnung.
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Vorteilhaft sind jedoch zwei oder mehr Verteilungsöffnungen vorgesehen. Die Verteilungsöffnungen sind in einer bevorzugten Ausführungsform in dem Luftverteilungskanal angeordnet oder ausgebildet. Die Anzahl der Verteilungsöffnungen entspricht insbesondere der Anzahl der Module, die mit dem Luftverteilungskanal verbunden werden können. Vorzugsweise sind die Verteilungsöffnungen in dem Luftverteilungskanal in dessen Längserstreckung hintereinander beziehungsweise nebeneinander ausgebildet. Bei einer genügend großen Anzahl von Verteilungsöffnungen können solche Verteilungsöffnungen, die bei einer bestimmten modularen Ausgestaltung aktuell nicht benötigt werden, auf geeignete Weise verschlossen sein, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert wird. Wenn eine modulare Erweiterung durch Hinzufügen einzelner Module erfolgt, können diese Module dann mit entsprechenden „freien“ Verteilungsöffnungen verbunden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Luftverteilungskanal eine fixe Länge auf, mit einer Anzahl von Verteilungsöffnungen, die nicht unbedingt alle gleichzeitig in Benutzung sind. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist der Luftverteilungskanal längenveränderlich ausgebildet. Beispielsweise ist der Luftverteilungskanal aus einer Anzahl wahlweise miteinander verbindbarer Kanalelemente gebildet. Die einzelnen Kanalelemente werden in geeigneter Weise miteinander verbunden, beispielsweise ineinandergesteckt, über Verbindungsstücke miteinander verbunden, oder dergleichen. Jedes Kanalelement verfügt dabei vorzugsweise über wenigstens eine Verteilungsöffnung. In anderer Ausgestaltung ist der Luftverteilungskanal teleskopartig ausziehbar. Bei einer solchen längenveränderlichen Ausgestaltung wird die Länge des Kanals an die Anzahl der angeschlossenen Module angepasst. Bei einer modulartigen Erweiterung wird der Luftverteilungskanal entsprechend verlängert, bei einer Reduzierung von Modulen entsprechend verkürzt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist in dem Luftverteilungskanal selbst nur eine einzige Verteilungsöffnung vorgesehen. In diesem Fall ist die Verteilungsöffnung bevorzugt mit einem sich an die Verteilungsöffnung anschließenden Verteilungssystem verbunden, welches den aus der Verteilungsöffnung austretenden Luftstrom in zwei oder mehrere TeilLuftströme aufteilt. Das Verteilungssystem befindet sich dann strömungstechnisch gesehen zwischen dem Luftverteilungskanal und dem Abwärme-generierenden Modul. Dies kann beispielsweise mittels eines Ansatzstücks realisiert werden, welches mit einem Ende an der Verteilungsöffnung angeordnet ist. Am anderen, gegenüberliegenden Ende des Ansatzstücks befindet sich dann ein Verteilerelement, das mit zwei oder mehr Verteilerleitungen verbunden ist oder in zwei oder mehr Verteilerleitungen übergeht. Die durch das Ansatzstück bereitgestellte Leitung wird somit in eine Anzahl von Verteilerleitungen aufgefächert. Jede der Verteilerleitungen, die vorzugsweise individuell über eine geeignete Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Verteilerleitung verfügen, beispielsweise über ein geeignetes Ventil, eine Klappe, insbesondere eine Motor-getriebene Klappe, oder dergleichen, ist dann mit einem Modul verbunden oder kann mit einem Modul verbunden werden. Wenn eine genügende Anzahl von Verteilerleitungen, die beispielsweise aus einem flexiblen Material bestehen, bereitgestellt ist, kann auf diese Weise ebenfalls eine modulartige Anpassung erfolgen, indem die gewünschte oder erforderliche Anzahl von Modulen an entsprechende Verteilerleitungen angeschlossen wird. Nicht benötigte Verteilerleitungen sind verschlossen. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es für eine modulare Anpassung möglich, dass die einzelnen Module nicht nur hintereinander beziehungsweise nebeneinander, sondern auch übereinander angeordnet werden können.
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In dem Luftverteilungskanal, vorzugsweise im Bereich von dessen erstem Ende, ist vorzugsweise wenigstens ein Gebläse angeordnet, oder dem Luftverteilungskanal ist ein solches Gebläse zugeordnet. Im erstgenannten Fall befindet sich das Gebläse innerhalb des Luftverteilungskanals. Im zweiten Fall kann sich das Gebläse auch außerhalb des Luftverteilungskanals befinden, steht aber mit diesem strömungstechnisch in Verbindung. Durch das Gebläse wird im Luftverteilungskanal eine ausreichend starke und gerichtete Luftströmung erzeugt, so dass die Luft in ausreichender Weise gleichzeitig über alle benutzten Verteilungsöffnungen in daran angeschlossene Module eingebracht werden kann. Bei dem Gebläse handelt es sich vorzugsweise um ein zentrales Gebläse. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen von Gebläsen beschränkt. Beispielsweise kann das Gebläse als Radialgebläse und in druckverlustarmen Situationen auch als Axialgebläse ausgeführt sein. In einer anderen Ausgestaltung können auch zwei oder mehr solcher Gebläse in entsprechender Weise bereitgestellt sein.
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Als eine zweite Komponente, bei der es sich ebenfalls um ein Modul handeln kann, weist das Lüftungssystem einen Luftsammelkanal auf. Luft, die die einzelnen Module durchströmt, tritt auf der Ausgangsseite der Module aus und in den Luftsammelkanal ein. Dazu weist der Luftsammelkanal wenigstens eine, vorzugsweise zwei oder mehr Sammelöffnungen auf, wobei jeweils eine Sammelöffnung als strömungstechnische Schnittstelle zur Ausgangsseite eines Abwärme-generierenden Moduls ausgebildet ist Der Luftsammelkanal weist ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf, wobei die wenigstens eine Sammelöffnung zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende im Luftsammelkanal ausgebildet ist.
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Die Anzahl der Sammelöffnungen entscheidet darüber, wie viele Module an den Sammelkanal angeschlossen werden können. Grundsätzlich ausreichend für die Ausführbarkeit der Erfindung ist eine einzige Sammelöffnung. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Anzahl der Sammelöffnungen im Luftsammelkanal der Anzahl der Verteilungsöffnungen im Luftverteilungskanal. Luft, die über die Verteilungsöffnungen aus dem Luftverteilungskanal in die Module einströmt, durchströmt die Module und tritt an den Modulen ausgangseitig aus und über die Sammelöffnungen in den Luftsammelkanal ein. Dabei wird, je nach Modultyp, gegebenenfalls auch in dem Modul generierte Abwärme mit in den Luftsammelkanal ausgetragen.
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Vorteilhaft weist der Luftsammelkanal zwei oder mehr Sammelöffnungen auf. Die Sammelöffnungen sind in einer bevorzugten Ausführungsform in dem Luftsammelkanal angeordnet oder ausgebildet. Die Anzahl der Sammelöffnungen entspricht insbesondere der Anzahl der Module, die mit dem Luftsammelkanal verbunden werden können. Vorzugsweise sind die Sammelöffnungen in dem Luftsammelkanal in dessen Längserstreckung hintereinander beziehungsweise nebeneinander ausgebildet. Bei einer genügend großen Anzahl von Sammelöffnungen können solche Sammelöffnungen, die bei einer bestimmten modularen Ausgestaltung aktuell nicht benötigt werden, auf geeignete Weise verschlossen sein. Auch dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Wenn eine modulare Erweiterung durch Hinzufügen einzelner Module erfolgt, können diese Module dann mit entsprechenden „freien“ Sammelöffnungen verbunden werden. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Sammelöffnungen der Anzahl der Verteilungsöffnungen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Luftsammelkanal eine fixe Länge auf, mit einer Anzahl von Sammelöffnungen, die nicht unbedingt alle gleichzeitig in Benutzung sind. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist auch der Luftsammelkanal lägenveränderlich ausgebildet. Beispielsweise ist der Luftsammelkanal, so wie der Luftverteilungskanal auch, aus einer Anzahl wahlweise miteinander verbindbarer Kanalelemente gebildet. Die einzelnen Kanalelemente werden in geeigneter Weise miteinander verbunden, beispielsweise ineinandergesteckt, über Verbindungsstücke miteinander verbunden, oder dergleichen. Jedes Kanalelement verfügt dabei vorzugsweise über wenigstens eine Sammelöffnung. In anderer Ausgestaltung ist der Luftsammelkanal teleskopartig ausziehbar. Bei einer solchen längenveränderlichen Ausgestaltung wird die Länge des Kanals auf die Anzahl der angeschlossenen Module angepasst. Bei einer modulartigen Erweiterung wird der Luftsammelkanal entsprechend verlängert, bei einer Reduzierung von Modulen entsprechend verkürzt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist in dem Luftsammelkanal selbst nur eine einzige Sammelöffnung vorgesehen. In diesem Fall ist die Sammelöffnung bevorzugt mit einem Verteilungssystem verbunden, welches den aus die aus den Modulen austretenden Luftströme bündelt und über die eine Sammelöffnung in den Luftsammelkanal einführt. Das Verteilungssystem befindet sich strömungstechnisch gesehen zwischen dem Modul und dem Luftsammelkanal. Dies kann beispielsweise mittels eines Ansatzstücks realisiert werden, welches mit einem Ende an der Sammelöffnung angeordnet ist. Am anderen, gegenüberliegenden Ende des Ansatzstücks befindet sich dann ein Bündelelement, das mit zwei oder mehr Bündelleitungen verbunden ist, oder in dem zwei oder mehr Bündelleitungen zusammengeführt sind. Jede Bündelleitung ist mit einem der Bündelleitung zugeordneten Modul verbunden. In der durch das Ansatzstück bereitgestellten Leitung wird somit die aus den einzelnen Modulen austretende Luft gebündelt. Jede der Bündelleitungen, die vorzugsweise individuell über eine geeignete Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Bündelleitung verfügen, beispielsweise über ein geeignetes Ventil, eine Klappe, insbesondere eine Motor-getriebene Klappe, oder dergleichen, ist dann mit einem Modul verbunden oder kann mit einem Modul verbunden werden. Wenn eine genügende Anzahl von Bündelleitungen, die beispielsweise aus einem flexiblen Material bestehen, bereitgestellt ist, kann auf diese Weise ebenfalls eine modulartige Anpassung erfolgen, indem die gewünschte oder erforderliche Anzahl von Modulen an entsprechende Bündelleitungen angeschlossen wird. Nicht benötigte Bündelleitungen sind verschlossen. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es für eine modulare Anpassung möglich, dass die einzelnen Module nicht nur hintereinander beziehungsweise nebeneinander, sondern auch übereinander angeordnet werden können. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Bündelleitungen der Anzahl der im Zusammenhang mit dem Luftverteilungskanal beschriebenen Verteilerleitungen.
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In dem Luftsammelkanal, vorzugsweise im Bereich von dessen zweitem Ende, oder alternativ hinter dem zweiten Ende, ist vorzugsweise wenigstens ein Gebläse angeordnet, oder dem Luftsammelkanal ist ein solches Gebläse zugeordnet. Im erstgenannten Fall befindet sich das Gebläse innerhalb des Luftsammelkanals. Im zweiten Fall kann sich das Gebläse auch außerhalb des Luftsammelkanals befinden, steht aber mit diesem strömungstechnisch in Verbindung. Durch das Gebläse wird im Luftsammelkanal eine ausreichend starke und gerichtete Luftströmung erzeugt, so dass die Luft in ausreichender Weise gleichzeitig über alle benutzten Sammelöffnungen aus den daran angeschlossenen Modulen abgesaugt werden kann. Die Luft kann dann, vorzugsweise über das Gebläse oder durch Unterstützung des Gebläses, anderen Komponenten zur Verfügung gestellt werden. Bei dem Gebläse handelt es sich vorzugsweise um ein zentrales Gebläse. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen von Gebläsen beschränkt. Beispielsweise kann das Gebläse als Radialgebläse und in druckverlustarmen Situationen auch als Axialgebläse ausgeführt sein. In einer anderen Ausgestaltung können auch zwei oder mehr solcher Gebläse in entsprechender Weise bereitgestellt sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können mehrere Ausgestaltungsvarianten realisiert sein. Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante befindet sich wenigstens ein Gebläse im Luftverteilungskanal oder wirkt mit dem Luftverteilungskanal zusammen. Gemäß einer zweiten Ausgestaltungsvariante befindet sich wenigstens ein Gebläse im Luftsammelkanal oder wirkt mit dem Luftsammelkanal zusammen. Gemäß einer dritten Ausgestaltungsvariante befindet sich wenigstens ein Gebläse sowohl im Luftverteilungskanal, als auch im Luftsammelkanal, oder wirkt mit dem Luftverteilungskanal und dem Luftsammelkanal zusammen.
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Das erfindungsgemäße Lüftungssystem ist vorzugsweise ein modulares Konzept für einzelne Module, die bedarfsgerecht mit einem Luftverteilungskanal am Eingang und einem Sammelkanal am Ausgang kombiniert sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Luftverteilungskanal als Hohlprofilelement ausgebildet, wobei die wenigstens eine Verteilungsöffnung in der Seitenwandung des Luftverteilungskanals ausgebildet ist. Ein Hohlprofileelement ist insbesondere ein langgestrecktes innen hohles Element, wobei der Innenraum des Hohlprofilelements von einer Profil-Seitenwandung umgeben und begrenzt ist. Das Hohlprofilelement ist insbesondere rohrförmig ausgebildet und kann einen runden, rechteckigen, ovalen oder dergleichen Querschnitt aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann in entsprechender Weise der Luftsammelkanal als Hohlprofilelement ausgebildet sein, wobei die wenigstens eine Sammelöffnung in der Seitenwandung des Luftsammelkanals ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist das Gebläse im Luftverteilungskanal und/oder im Luftsammelkanal mit einer Steuereinrichtung und/oder mit einer Druckmesseinrichtung, beispielsweise einem Drucksensorelement, welche(s) zur Druckmessung, vorzugsweise im Luftsammelkanal, bereitgestellt ist, verbunden. Auf diese Weise kann über eine Steuerung des Gebläses sichergestellt werden, dass ausreichend Luft und damit gegebenenfalls auch Abwärme in den Luftsammelkanal gelangt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Luftsammelkanal an seinem zweiten Ende eine zweite Luftausgangsöffnung auf. Der Luftsammelkanal kann, wie im Folgenden näher beschrieben wird, über eine Anzahl von Luftausgangsöffnungen verfügen. Da der Luftsammelkanal, wie im Folgenden beschrieben ist, mehrere Luftausgangsöffnungen aufweisen kann, werden zur Vereinfachung der Zuordnung und zur Unterscheidung diese Luftausgangsöffnungen nummeriert. Gleiches gilt für entsprechende Vorrichtungen zum Öffnen und/oder Schießen der Luftausgangsöffnungen.
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Die zweite Luftausgangsöffnung ist zur Abfuhr von Luft und/oder Abwärme aus dem Luftsammelkanal bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Luftausgangsöffnung als Schnittstelle zu einer Lüftungseinrichtung und/oder zu einer Wärmepumpeneinrichtung und/oder zu einem Raum in einem Gebäude und/oder zu einer Fortluftabfuhr ausgebildet, oder mit einer solchen Schnittstelle verbunden. Um den aus dem Luftsammelkanal abgeführten Luftstrom, der zuvor aus den einzelnen Modulen austrat, und gegebenenfalls auch aus den Modulen ausgetragene Abwärme beinhaltet, mengenmäßig steuern zu können, weist der Luftsammelkanal, vorzugsweise an seinem zweiten Ende, insbesondere an oder im Bereich der zweiten Luftausgangsöffnung eine zweite Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der zweiten Luftausgangsöffnung, insbesondere eine Klappe, ein Drosselelement, ein Ventil, oder dergleichen auf. Bei der Klappe handelt es sich vorzugsweise um eine Motor-getriebene Klappe, das heißt um eine Klappe, die mittels eines Motors angetrieben, sprich geöffnet oder teilgeöffnet, und geschlossen wird. Vorzugsweise befindet sich auf diese Weise im Ausgang dieses Luftsammelkanals eine Vorrichtung zur Regulierung eines Überdruckes zur Sicherung der für den permanenten Dichtigkeits- und störungsfreien Abfuhr der Abluft notwendigen Betriebsweise, insbesondere für Wasserstoff produzierende und emittierenden Komponenten beziehungsweise Module. Diese Abluft kann wahlweise einer Lüftungseinrichtung, beispielsweise mit kombiniertem Wärmetauscher., etwa einem Kreuzstromwärmetauscher, und/oder einer Wärmepumpeneinrichtung, insbesondere einer Luft-Wärmepumpe, als Energiequelle, und/oder einem Aufstellungsraum zugeführt, oder als Fortluft abgeführt werden.
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Vorzugsweise weist der Luftverteilungskanal an seinem zweiten Ende eine Luftausgangsöffnung auf, welche zur Abfuhr von Luft aus dem Luftverteilungskanal bereitgestellt ist. In bevorzugter Ausführung ist die Luftausgangsöffnung als Schnittstelle zu einer Lüftungseinrichtung und/oder zu einer Luft-Wärmepumpe und/oder zu einem Raum und/oder zu einer Fortluftabfuhr ausgebildet, oder mit einer solchen Schnittstelle verbunden. Um den aus dem Luftverteilungskanal über die Luftausgangsöffnung austretenden Luftstrom mengenmäßig einstellen und regulieren zu können, weist der Luftverteilungskanal, vorzugsweise an seinem zweiten Ende, insbesondere an oder im Bereich der Luftausgangsöffnung, eine Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Luftausgangsöffnung auf, die insbesondere eine Klappe, etwa als Motor-getriebene Klappe, als Ventil, als Drosselelement oder dergleichen ausgebildet ist.
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Eine solche Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Luftausgangsöffnung des Luftverteilungskanals hat insbesondere die folgende Funktion. Für nachgeschaltete Lüftungseinrichtungen und/oder Wärmepumpeneinrichtungen kann es unter Umständen erforderlich sein, dass auch ohne Betrieb des Gebläses im Luftverteilungskanal Luft zur Versorgung autonom durch ein weiteres Gebläse, welches Bestandteil der dem Lüftungssystem nachgeordneten Lüftungseinrichtung ist, gesaugt wird. Dieser Betrieb liegt dann vor, wenn beispielsweise keine Wasserstoffmodule in Betrieb sind und/oder in besonders energiesparende Betriebsweisen durch Vermeidung eines Doppelbetriebs von Gebläsen erreicht werden sollen. Diese angesaugte Luft, kann wie im Normalbetrieb des Lüftungssystem, wenn Luft aus dem Luftverteilungskanal in die angeschlossenen Module eingeführt wird, wahlweise Raumluft, Abluft oder Außenluft darstellen, welche als Quelle dient. Eine weitere Notwendigkeit dieser Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Luftausgangsöffnung des Luftverteilungskanals ist für kombinierte Lüftungsgeräte mit Kreuzstromwärmetauscher und Außenluft-Wärmetauscher, die vorzugsweise von einer umschaltbaren Abluftwärmepumpe eine Kühlung oder eine Vorerwärmung der Außenluft bereitstellen. Im Sommer gibt es gelegentlich Momente, wenn die Hauptaufgabe der Luft-/Wasserwärmepumpe die Kältebereitstellung ist und eine Abwärme auf der Quellseite der Wärmepumpe kontraproduktiv ist, vor allem hierzu ist die Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Luftausgangsöffnung des Luftverteilungskanals eine technische Lösung.
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Vorzugsweise weist der Luftverteilungskanal an seinem ersten Ende eine Lufteingangsöffnung auf, die zur Zufuhr von Luft, insbesondere von Außenluft und/oder von Abluft und/oder von Fortluft in den Luftverteilungskanal bereitgestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lufteingangsöffnung des Luftverteilungskanals mit einem Luftzufuhrkanal verbunden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Lüftungssystem einen Luftrezirkulationskanal auf, wobei der Luftsammelkanal, vorzugsweise an seinem ersten Ende, eine erste Luftausgangsöffnung aufweist, über die der Luftrezirkulationskanal mit dem Luftsammelkanal verbunden ist. Weiterhin weist der Luftsammelkanal, vorzugsweise an seinem ersten Ende, oder aber der Luftrezirkulationskanal im Übergang zum Luftsammelkanal, eine erste Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der ersten Luftausgangsöffnung, insbesondere eine Klappe, etwa eine Motor-getriebene Klappe, ein Ventil, ein Drosselelement, oder dergleichen, auf. In besonderen Ausführungssituationen, die beispielsweise die Verwendung von Außenluft für den Luftverteilungskanal und dessen Gebläse als Quelle vorsieht, und in klimatisch anspruchsvollen Regionen, können zumindest zeitweilig negative Außentemperaturen vorliegen. Durch einen, insbesondere parallelen, Luftrezirkulationskanal ist es möglich, die Abwärme der Abwärme-generierenden Module, etwa der Wasserstoffmodule, zur Anhebung der gemischten Außenluft auf einen frostschutzfreien Betrieb zu vollziehen. Mithilfe der Rezirkulation von Abwärme aus den Abwärme-generierenden Modulen kann ein nahezu frostfreier Betrieb sichergestellt werden: Dabei wird die warme Luft hinter den Abwärme-generierenden Modulen rezirkuliert und so die Eintrittstemperatur vor den Modulen, beispielsweise auf mindestens 4 Grad, angehoben. Vorzugsweise ist der Luftrezirkulationskanal als der Luftzufuhrkanal ausgebildet ist oder parallel oder außerhalb zum Luftzufuhrkanal geführt.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung weist das Lüftungssystem einen Zweitluftkanal auf. Der Luftsammelkanal, vorzugsweise im Bereich seines ersten Endes, weist insbesondere eine dritte Luftausgangsöffnung auf, über die der Zweitluftkanal eingangsseitig mit dem Luftsammelkanal verbunden ist. Der Luftsammelkanal oder der Zusatzkanal weisen optional eine dritte Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der dritten Luftausgangsöffnung, insbesondere eine Klappe, etwa eine Motor-getriebene Klappe, ein Ventil, ein Drosselelement, oder dergleichen, auf. Ausgangsseitig ist der Zweitluftkanal mit dem Luftverteilungskanal verbunden. Dieser Zweitluftkanal hat insbesondere folgende Funktion. Bei Verwendung nachgeschalter Lüftungseinrichtungen und/oder Wärmepumpeneinrichtungen, die vorzugsweise ein eigenes Gebläse haben, kann über eine Volumenstromdifferenz über einen Zweitluftkanal mit Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der dritten Luftausgangsöffnung ein notwendiger Ausgleich für den synchronen Volumenstrom geschaffen werden. Dies ermöglicht einen reibungsfreien Betrieb für Lüftungseinrichtungen und Wärmepumpeneinrichtungen, die aufgrund ihrer Funktionsbetriebes einen ausgeglichenen Volumenstrom benötigen und so nur ein Teilvolumenstrom der gesamten Abwärme der Abwärme-generierenden Module erhalten und den Rest über den Zweitluftkanal. Der Zweitluftkanal kann auch zur künstlichen Temperaturreduzierung oder Zusatzlüftung von etwaigen Schadgasen verwendet werden.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Energiesystem, insbesondere ein Gebäudeenergiesystem, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 9 aufweist.
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Das Energiesystem weist wenigstens ein, vorzugsweise zwei oder mehr Abwärme-generierende(s) ModulE auf. Beispielsweise weist das Energiesystem wenigstens ein Elektrolysemodul, wenigstens ein Brennstoffzellenmodul, optional wenigstens eine Hochdruckspeichereinrichtung sowie eine Verbindungsleitungseinrichtung auf, über die die einzelnen Komponenten miteinander verbunden sind. Weiterhin weist das Energiesystem ein Lüftungssystem zur Bereitstellung von Luft und/oder Abwärme für das Energiesystem auf, welches gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle deshalb vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen. Die Abwärme-generierenden Module sind eingangsseitig mit dem Luftverteilungskanal und ausgangsseitig mit dem Luftsammelkanal verbunden.
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Für jede Verteilungsöffnung des Luftverteilungskanals ist bevorzugt jeweils eine Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Verteilungsöffnung, insbesondere eine Klappe, etwa eine Motor-getriebene Klappe, bereitgestellt. Je nach Ausgestaltung kann die Vorrichtung entweder Bestandteil des Luftverteilungskanals, oder aber Bestandteil eines entsprechenden Abwärme-generierenden Moduls oder Nicht-Abwärme-generierenden Moduls, sein, welches eingangsseitig mit dem Luftverteilungskanal verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist für jede Sammelöffnung des Luftsammelkanals jeweils eine Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Sammelöffnung, insbesondere eine Klappe, etwa eine Motor-getriebene Klappe, ein Rückschlagklappe, oder dergleichen, bereitgestellt. Je nach Ausgestaltung kann die Vorrichtung entweder Bestandteil des Luftsammelkanals, oder Bestandteil eines entsprechenden Abwärme-generierenden Moduls oder Nicht-Abwärme-generierenden Moduls, sein, welches ausgangsseitig mit dem Luftsammelkanal verbunden ist. Für den notwendigen Individualbetrieb einzelner oder mehrerer Module mit nur einem zentralen Gebläse im Luftverteilungskanal ist zur Volumenstromregulierung hier jeweils eine entsprechende Vorrichtung am Eingang jedes Moduls vorgesehen, welches vorzugsweise einen variablen Betrieb benötigt. Erfordernisse für einen solchen variablen Betrieb können dabei aus den unterschiedlichsten Gründen entstehen, wie beispielsweise unterschiedliche Arbeitspunkte oder Nennleistungen und damit Sauerstoffbedarf oder Kühlmitteltemperaturregulierungen für den obligatorischen Betrieb.
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Zudem kann das Energiesystem weitere Komponenten umfassen, bei denen es sich ebenfalls bevorzugt um Module handelt. Beispielsweise kann das Lüftungssystem, insbesondere der Luftverteilungskanal und/oder der Luftsammelkanal, mit einer Lüftungseinrichtung und/oder mit einer Wärmepumpeneinrichtung, etwa einer Luft-Wärmepumpe, insbesondere einer Abluft-Wärmepumpe und/oder einer Wasser-Wärmepumpe, verbunden sein, oder eine Schnittstelle zu einer Lüftungseinrichtung und/oder zu einer Wärmepumpeneinrichtung aufweisen. Eine Wärmepumpe kann beispielsweise im Parallelbetrieb mit den Abwärme-generierenden Modulen, etwa den Wasserstoffmodulen, die auftretende Abwärme in einem Pufferspeicher, etwa einem Warmwasserpufferspeicher oder einem Heizungspufferspeicher, zwischenspeichern und/oder die darin gespeicherte Wärme beispielsweise auch in Unterkreise individuell, etwa durch einen internen Rohrwendelwärmetauscher, weiterverteilen oder extern bei Bedarf zur Warmwasserbereitung beheizt werden, je nach Auslegungsfall. Alternativ ist auch ein reiner Raumluftbetrieb möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Energiesystem eine Kombination aus Lüftungseinrichtung, beispielsweise mit Kreuzstromwärmetauscher, und Wärmepumpe, insbesondere Abluftwärmepumpe, auf. Durch diese Ausführung benötigt ein Gebäude nicht mehr für jedes Gerät jeweils zwei Rohrdurchbrüche durch die Außenwand, einen Durchbruch für Außenluft und einen Durchbruch für Fortluft. Normalerweise hat eine Lüftungsanlage ihre beiden eigenen Wanddurchbrüche, sowie die beiden eigenen Anschlüsse für die Abluft-Warmwasserwärmepumpe und/oder der innen aufgestellten Heizungswärmepumpe, also bis zu sechs Wanddurchbrüche. Diese können durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Energiesystem auf das Minimum Außenluft und Fortluft reduziert werden. Das erfindungsgemäße Energiesystem ermöglicht auch eine Zuluftbeimischung. Neben der Abwärme des Brennstoffzellenmoduls kann auch die Feuchtigkeit aus dem Produktwasser der Brennstoffzelle der Zuluft vor allem im Winter hocheffizient und direkt zugeführt werden. In einer anderen Ausgestaltung einer Lüftungseinrichtung mit Außenluftkonditionierung und einem Wärmetauscher in der Außenluft kann im Sommer die Außenluft der Lüftungseinrichtung gekühlt werden und gleichzeitig die Abwärme, beispielsweise des Elektrolysemoduls, als Quelle zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Im Winter kann hingegen beispielsweise das Brennstoffzellenmodul die Außenluft problemlos über die Frostgrenze anheben und/oder parallel für Warmwasserbereitung mitgenutzt werden. In Bestandsgebäuden kann manchmal auch aus ganzjährigen frostfreien Bereichen, wie beispielsweise Garagen, die Außenluft verwendet werden. Eine Rezirkulation zum Frostschutz entfällt dabei.
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Das Brennstoffzellenmodul weist, neben anderen erforderlichen Komponenten, eine oder mehrere Brennstoffzellen, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, auf. Bei den Brennstoffzellen handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform um luftgekühlte Brennstoffzellen, vorzugsweise mit offener Kathode. Der Einsatz anderer Brennstoffzellenausführungen ist ebenfalls realisierbar und in der Erfindung explizit mit eingeschlossen.
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Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Energiesystem, insbesondere ein Gebäudeenergiesystem, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 12 aufweist. Das Energiesystem weist wenigstens ein, vorzugsweise zwei oder mehr Abwärme-generierende(s) Modul(e) auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Energiesystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgestaltet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb auch auf die Ausführungen zum zweiten Aspekt der Erfindung sowie auf die allgemeine Beschreibung vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Ein solches Energiesystem stellt dann eine Kombination aus dem zweiten und dritten Aspekt der Erfindung dar.
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Weiterhin weist das Energiesystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung eine Wärmepumpeneinrichtung auf. Diese Wärmepumpeneinrichtung ist bevorzugt als eine Luft-Wärmepumpe, insbesondere eine Abluft-Wärmepumpe, oder als eine Wasser-Wärmepumpe oder als eine Luft/Wasser-Wärmepumpe ausgebildet. Die Luft/Wasser-Wärmepumpe nutzt die thermische Energie der Luft. Hier wird die Wärme über die Luft transportiert. Wärmepumpen an sich sind im Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig.
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Die Wärmepumpeneinrichtung steht über eine Übertragungseinrichtung zumindest zeitweilig mit wenigstens einem der Abwärme-generierenden Module in Verbindung. Erfindungsgemäß ist die Übertragungseinrichtung derart bereitgestellt, dass sie in der Lage ist, Abwärme von dem Abwärme-generierenden Modul, insbesondere über Abluft aus dem Abwärme-generierenden Modul, in die Wärmepumpeneinrichtung zu übertragen. Diesbezüglich wird an dieser Stelle zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf das Verfahren gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung Bezug genommen und verwiesen, wo die Funktionsweise einer solchen Wärmepumpeneinrichtung beschrieben ist.
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Vorzugsweise weist die Übertragungseinrichtung eine Übertragungsleitung und/oder eine Mischeinrichtung für Luft aufweist. Im erstgenannten Fall wird die gesamte Abwärme direkt übertragen. Im zweiten Fall wird die Abwärme gemischt, beispielsweise in dem die Abluft, welche die Abwärme beinhaltet, mit anderer Luft gemischt wird, beispielsweise mit Außenluft, mit Abluft oder mit Fortluft. Die Erfindung ist nicht auf die genannten Beispiele beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass die Abwärme, gegebenenfalls auch Feuchtigkeit, aus dem Abwärme-generierenden Modul zu der Wärmepumpeneinrichtung übertragen werden kann, beispielsweise mittels der aus dem Modul abgeführten Abluft, die entsprechend wann und/oder feucht sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmepumpeneinrichtung einen Wärmekreislauf auf, Der Wärmekreislauf weist wenigstens einen Verdampfer auf, beispielsweise einen ersten Wärmetauscher in Form eines Fortluftwärmetauschers und/oder einen zweiten Wärmetauscher in Form eines Außenluftwärmetauschers. Weiterhin wiest der Wärmekreislauf wenigstens einen Kondensator, insbesondere in Form eines Wärmetauschers, etwa für einen Warmwasser- oder Heizkreislauf, sowie optional einen Kompressor und/oder eine Expandiervorrichtung auf.
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Bei einer derart ausgebildeten Wärmepumpeneinrichtung durchströmt den Wärmepumpenkreislauf eine Flüssigkeit mit sehr tiefem Siedepunkt, die in einem geschlossenen Kreislauf immer denselben Kälteprozess durchläuft. Diese Flüssigkeit wird auch als Kältemittel bezeichnet. Im Verdampfer wird die Umgebungswärme, die beispielsweise über Luft bereitgestellt wird, mittels eines Wärmtauschers an das Kältemittel übertragen, wodurch sich dieses erwärmt und sofort verdampft. Im Kompressor wird das verdampfte Kältemittel verdichtet. Dadurch erwärmt sich das immer noch gasförmige Kältemittel stark. Im Kondensator wird dem gasförmigen Kältemittel Wärme entzogen, die weiteren Prozessen zur Verfügung gestellt werden kann, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung, insbesondere der Figurenbeschreibung, anhand verschiedener Beispiele erläutert wird. Dadurch kühlt das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. In der Expandiervorrichtung wird bei dem wieder flüssigen Kältemittel der Druck reduziert, wodurch das Kältemittel auf seine ursprüngliche Temperatur abkühlt, bevor es wieder in den Verdampfer eintritt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise des Energiesystems gemäß dem zweiten und dritten Aspekt der Erfindung anhand eines Beispiels exemplarisch erläutert. Bei diesem Beispiel ist das Abwärme-generierende Modul als ein Brennstoffzellenmodul ausgebildet. In der vorliegenden Erfindung wird die Abwärme der Brennstoffzelle, wenn beispielsweise kein direkter Bedarf vorliegt, einer nachgeschalteten Wärmepumpeneinrichtung beispielsweise einer Luft/Wasserwärmepumpe der Primärseite, das heißt einer Energiequelle, zugeführt. Die Aufgabe einer Wärmepumpe besteht im Wesentlichen darin, die Außenluft, die Abluft eines Raumes und/oder die Fortluft einer Lüftungseinrichtung als Energiequelle als Primärquelle für den Kältemittelprozess zu nutzen, um daraus die Wärme auf ein höheres Temperaturniveau zu heben. Diese Wärme wird über einen entsprechenden Wärmetauscher vorzugsweise einem Warmwasserpufferspeicher und/oder einem Heizungspufferspeicher zugeführt und für einen späteren Nutzungszeitpunkt zwischengespeichert. Dabei kann dies wahlweise über zwei oder mehrere Wasserspeicher und/oder einen Speicher mit integriertem Wärmetauscher geschehen. Über diesen Wärmetauscher ist dann eine Zufuhr oder Abfuhr der Wärme in eine Senke, beispielsweise dem Heizungssystem, im Zeitpunkt des Auftretens der Abwärme parallel oder zu einem späteren Zeitpunkt möglich. Im Brennstoffzellenbetrieb kann neben der sensiblen Wärme auch die latente Kondensationswärme des Reaktionsproduktwassers in der Abluft der Brennstoffzelle bei unterschreiten der Taupunkttemperatur auf der Oberfläche des Abluftwärmetauschers der Wärmepumpe mit genutzt werden.
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Bevorzugt können die Abwärme-generierenden Module als wasserstoffproduzierende und/oder wasserstoffverbrauchende und/oder wasserstoffemittierende und/oder wärmeproduzierende Module ausgebildet sein. Dabei kann wenigstens ein Modul als Brennstoffzellenmodul, vorzugsweise mit wenigstens einer luftgekühlten Brennstoffzelle mit offener Kathode, und/oder wenigstens ein Modul als Elektrolysemodul ausgebildet sein. Bei einer luftgekühlten Brennstoffzelle mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchte kann auch die Kondensationswärme bei der Wärmenutzung mitberücksichtigt werden.
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Ein zentrales Merkmal des erfindungsgemäßen Energiesystem ist, beispielsweise aufgrund der Verwendung eines entsprechend ausgestalteten Lüftungssystems, oder durch Nutzung der Abwärme aus dem wenigstes einen Abwärme-generierenden Modul, dass die Abwärme aus Abwärme-generierenden Modulen, wie beispielsweise einem Elektrolysemodul und/oder einem Brennstoffzellenmodul, individuell für weitere Prozesse genutzt werden kann. Durch das flexible, modulare Design können auch externe Geräte, wie Lüftungseinrichtungen und/oder Wärmepumpen als aktiv und passive Abwärmenutzer verwendet werden.
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Vorzugsweise weist das Energiesystem eine Steuereinrichtung zur Steuerung der einzelnen Komponenten auf. Insbesondere werden über die Steuereinrichtung die einzelnen Vorrichtungen zum Öffnen und/oder Schließen von Öffnungen, etwa Motor-getriebene Klappen, gesteuert, damit je nach Bedarf die zuvor beschriebenen sowie die im Rahmen der Figurenschreibung nachfolgend beschriebenen Betriebszustände, insbesondere die Verläufe von Luftströmungen, individuell eingestellt werden können.
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Bevorzugt ist das Energiesystem modular aufgebaut und durch Veränderung der Anzahl an Abwärme-generierenden Modulen, aber auch von Nicht-Abwärme-generierenden Modulen veränderbar. Je nach Bedarf können die benötigten Module individuell mit dem Luftverteilungskanal und dem Luftsammelkanal über die jeweiligen Verteilungsöffnungen und Sammelöffnungen verbunden werden. Dabei ist insbesondere die Länge des Luftverteilungskanals und/oder der Luftsammelkanals des Lüftungssystems an die Anzahl der verwendeten Module anpassbar. Zusätzliche Komponenten, wie Lüftungseinrichtungen, Wärmepumpen und dergleichen können je nach Bedarf in das Energiesystem integriert und, sofern erforderlich, mit dem Lüftungssystem in Verbindung gebracht werden.
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Bei dem Energiesystem handelt es sich insbesondere um ein aus mehreren Komponenten bestehendes Ganzes, wobei die Komponenten miteinander zu einer zweckgebundenen Einheit verbunden sind. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Energiesystem um ein System zum Erzeugen beziehungsweise Bereitstellen von Energie, vorzugsweise von elektrischer Energie. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von Energiesystemen beschränkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Energiesystem um ein Gebäudeenergiesystem. Gebäudeenergiesysteme sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Versorgung von Gebäuden, beispielsweise von Niedrigenergiehäusern, Passivhäusern oder Nullenergiehäusern, mit Energie in Form von Wärme und insbesondere in Form von Strom, beispielsweise Strom aus regenerativen Energiequellen wie beispielsweise Photovoltaik (PV)-Generatoren oder Kleinwindkraftanlagen. Ein solches Gebäudeenergiesystem schafft die Grundlage dafür, dass der Energiebedarf eines Gebäudes, insbesondere eines Niedrigenergiehauses, eines Passivhauses oder eines Nullenergiehauses, sowohl hinsichtlich des Strom- als auch des Wärmebedarfs vollständig aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden kann und somit vollständige CO2-Freiheit im Betrieb besteht. Wenigstens aber kann der Strombedarf eines Gebäudes im Sinne einer anzustrebenden Eigenverbrauchserhöhung nahezu vollständig aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere mittels eines PV-Generators und/oder einer Kleinwindenergieanlage, gedeckt werden.
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Ein solches Gebäudeenergiesystem ist beispielsweise in den Patentanmeldungen
WO 2017/089468 A1 und
WO 2017/089469 A1 der Anmelderin offenbart und beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in die Beschreibung der vorliegenden Patentanmeldung mit einbezogen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Gebäudeenergiesystem der genannten Art die folgenden Grundmerkmale auf:
- - einen DC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Nenn-Spannung von 48 Volt oder für eine Nennspannung zwischen 200 und 1000 Volt und/oder einem AC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Spannung von 230 Volt oder 110 Volt oder einer 3-phasigen Einspeisung bei pro Phase 230 Volt oder 110 Volt, wobei der DC-Einspeisepunkt und/oder der AC-Einspeisepunkt im Betrieb zumindest zeitweise mit einem elektrischen Verbraucher, der eine Verbrauchs-Leistung aufweist, verbunden ist,
- - einen elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundenen PV-Generator zum Erzeugen einer elektrischen PV-Leistung,
- - eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt oder mit dem AC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundene Brennstoffzelleneinheit zum Erzeugen einer elektrischen Brennstoffzellen-Leistung,
- - eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt oder mit dem AC-Einspeisepunkt verbundene Elektrolyseeinheit zum Erzeugen von durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff, wobei die Elektrolyseeinheit im Betrieb mit einer elektrischen Elektrolyse-Eingangsleistung gespeist wird,
- - einen Wasserstofftank, insbesondere als Langzeitenergiespeicher, der mit der Brennstoffzelleneinheit und der Elektrolyseeinheit wenigstens zeitweise fluidverbunden ist und zum Speichern von mittels der Elektrolyseeinheit zu erzeugendem und durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff ausgebildet ist,
- - eine Speicher-Batterieeinheit, insbesondere als Kurzzeitenergiespeicher, die elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbunden oder zu verbinden ist, so dass eine elektrische PV-Leistung und eine elektrische Brennstoffzellen-Leistung in die Speicher-Batterieeinheit eingespeichert werden kann und eine elektrische Elektrolyse-Eingangsleistung und eine Verbrauchs-Leistung aus der Speicher-Batterieeinheit entnommen werden können; und
- - ein Steuermodul zum Steuern der Hausenergieanlage.
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Das Energiesystem kann als reines Innensystem aufgestellt werden und saugt die Luft im Aufstellraum an und gibt diese auch wieder in den selbigen ab. Das Energiesystem kann vorzugsweise auch mit einer zentralen Gebäuderaumlüftung verbunden sein, oder Bestandteil einer zentralen Gebäuderaumlüftung sein oder eine zentrale Gebäuderaumlüftung aufweisen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem wurde die Möglichkeit geschaffen, die Abwärmen und eventuellen Wasseranteile entweder in die Abluft, die Zuluft, die Außenluft oder ungenutzt der Fortluft beizumischen. In der Abluftvariante besteht demzufolge die Möglichkeit auf einen separaten Abluftventilator zu verzichten. Diese Form des Energiesystems ist eine sogenannte Direktwärmenutzung, also beim Auftreten der Abwärme wird diese bedarfsgerecht direkt genutzt oder in die Fortluft geleitet.
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Eine Erweiterung des Energiesystems stellt hierbei die Verwendung einer Wärmepumpe, insbesondere einer Luft-Wärmepumpe, dar. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Kältemaschine, mit umschaltbaren Wärmetauschern bei Dualbetrieb von Energiequellen aus gezielter Temperierung der Außenluft des Lüftungsgerätes oder der Verwendung von Außenluft und/oder Fortluft des Lüftungsgerätes. Dadurch besteht die zeitliche Entkopplung aus regenerativer Energiebereitstellung aus den Abwärmen der wirkungsgradbehafteten Elektrolyse oder der Brennstoffzelle, um diese Energiequellen zur Anhebung der Arbeitszahl der Kältemaschine sinnvoll zu nutzen und in einem Warmwasserspeicher und/oder Heizungspufferspeicher zwischen zu speichern. Dies wird als thermische, regenerative Kurzzeitspeicherung bezeichnet.
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Bei einer Aussenluftverschaltung ist die Vorerwärmung der Außenluft zur Reduzierung der Auftaufunktion des Lüftungsgerätes ein Vorteil, bei Überwärme durch die Wasserstoffmodule können so auch bivalent die Abwärmen aus der gemischten Außenluft und parallel aus der gemischten Fortluft des Lüftungsgerätes in Warmwasserspeichern/Heizungspufferspeichern bedarfsgerecht gespeichert werden.
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In dem Luftverteilungskanal des Lüftungssystems kann vorzugsweise ein Kabelkanal ausgebildet oder angeordnet sein.
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Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem, insbesondere für ein Gebäudeenergiesystem, unter Verwendung eines Lüftungssystem zur Bereitstellung von Luft und/oder Abwärme, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 18 aufweist. Das Verfahren wird insbesondere in einem Energiesystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder unter Verwendung eines Lüftungssystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt. Hinsichtlich des Ablaufs des Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt, zum zweiten Erfindungsaspekt, und auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen.
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Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a) Über einen Luftverteilungskanal des Lüftungssystems wird Luft an der Eingangsseite wenigstens eines Abwärme-generierenden Moduls des Energiesystems und/oder wenigstens eines Nicht-Abwärme-generierenden Moduls über eine korrespondierende Verteilungsöffnung im Luftverteilungskanal, vorzugsweise unter Verwendung eines im Luftverteilungskanal angeordneten oder dem Luftverteilungskanal zugeordneten Gebläses, in das Modul eingeströmt. Die Luft durchströmt das Modul in Richtung einer Ausgangsseite des Moduls.
- b) An der Ausgangsseite des Moduls tritt Luft, die gegebenenfalls beim Durchströmen des Moduls Abwärme aufgenommen hat, aus dem Modul aus und über eine korrespondierende Sammelöffnung in einem Luftsammelkanal in den Luftsammelkanal ein.
- c) Über eine Luftausgangsöffnung zur Abfuhr von Luft und/oder Abwärme aus dem Luftsammelkanal wird die Luft, vorzugsweise unter Verwendung eines im Luftsammelkanal angeordneten oder dem Luftsammelkanal zugeordneten Gebläses, einer nachgeschalteten Komponente des Energiesystem, beispielsweise einer Lüftungseinrichtung und/oder einer Wärmepumpe und/oder einem Raum und/oder einer Fortluftabfuhr, bereitgestellt.
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Hinsichtlich der zu verwendenden Gebläse wird an dieser Stelle auch auf die entsprechenden Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen. Demnach kann wenigstens ein Gebläse, je nach Ausgestaltung, in dem Luftverteilungskanal und/oder im Luftsammelkanal angeordnet sein oder mit diesem zusammenwirken.
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Wie die Schritte a), b) und c) im Einzelnen realisiert und umgesetzt sind, lässt sich auch der Beschreibung zum ersten Erfindungsaspekt, der Beschreibung zum zweiten Erfindungsaspekt, der allgemeinen Beschreibung sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmen, so dass die genannten Beschreibungspassagen auch zum Gegenstand der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemacht werden.
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Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung wird Verfahren zum Bereitstellen von Luft und/oder Abwärme für ein Energiesystem, insbesondere für ein Gebäudeenergiesystem, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 20ß aufweist. Das Energiesystem weist dabei wenigstens ein Abwärme-generierendes Modul sowie eine Wärmepumpeneinrichtung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist dieses Verfahren auch die Merkmale des Verfahrens gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung auf. In diesem Fall stellt das Verfahren eine Kombination des vierten und fünften Erfindungsaspekts dar. Hinsichtlich des Ablaufs des Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt, zum zweiten Erfindungsaspekt, zum vierten Erfindungsaspekt und auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen.
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Das Verfahren gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- Die Arbeitszahl der Wärmepumpeneinrichtung, die auch als COP (Coefficient of Performance) bezeichnet wird, wird beeinflusst, insbesondere angehoben, indem über eine Übertragungseinrichtung, mit der die Wärmepumpeneinrichtung, zumindest zeitweilig, mit wenigstens einem Abwärme-generierenden Modul in Verbindung steht, Abwärme und/oder Feuchtigkeit enthaltende Abluft von dem Abwärme-generierenden Modul in die Wärmepumpeneinrichtung übertragen wird. Die Arbeitszahl einer Wärmepumpe sagt aus, wie viele Teile an Wärme entstehen aus einem eingebrachten Anteil an elektrischer Energie.
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Alternativ oder zusätzlich gibt die in der warmen Abluft enthaltene Feuchtigkeit bei der Abkühlung durch Kondensation zumindest einen Teil, vorzugsweise einen Großteil, ihrer latenten Wärme an die Wärmepumpeneinrichtung ab, beispielsweise an den Verdampfer der Wärmepumpeneinrichtung, wodurch sich die Arbeitszahl der Wärmepumpeneinrichtung weiter erhöht.
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Vorzugsweise wird das Verfahren in einem Energiesystem gemäß dem zweiten und dritten Aspekt der Erfindung durchgeführt. Hinsichtlich des Ablaufs des Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum dritten Erfindungsaspekt Bezug genommen und verwiesen.
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Ein Kernaspekt des Verfahrens besteht darin, die Abwärme der Abwärme-generierenden Module, beispielsweise der Wandlungseinheiten Brennstoffzelle und Elektrolyseur, über den Kältemittelprozess der Wärmepumpeneinrichtung auf ein höheres Temperaturniveau zu heben. Positive Effekte sind dabei, dass die Solltemperatur durch die Wärmepumpe nach Bedarf vorgegeben wird und nicht mehr durch die Betriebsweise der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs. Des Weiteren ist es eher selten, dass zu einem Zeitpunkt die Leistung an regenerativen Energien pari sind, mit dem vorherrschenden Bedarf an Warmwassermenge und Warmwassertemperatur. Dies wird durch die Wärmepumpeneinrichtung und den Wasserspeicher entkoppelt. Bei Unterversorgung an regenerativen Energien, also vorherrschender negativer Residualleistung, kann die Brennstoffzelle diesen Fehlbetrag ausgleichen. Dieser Fehlbetrag umfasst in vielen Fällen entweder den Strombedarf der Wärmepumpeneinrichtung und/oder des gesamten Strombedarfs. Ist die produzierte Strommenge der Brennstoffzelle genauso groß wie der elektrische Bedarf der Wärmepumpeneinrichtung, dann kann, bei 100 % Nutzung der Abwärme der Brennstoffzelle, die Arbeitszahl der Wärmepumpeneinrichtung um ungefähr 1 angehoben werden. Kommt es an der Oberfläche des Wärmetauschers des Kältemittels zur Kondensation, dann steigt die Arbeitszahl um bis zu 1.4 Punkte nach oben. Wenn also vorher beispielsweise eine Arbeitszahl von 3 vorlag, dann beträgt dieses nu 4.4.
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Dieser Effekt der Abwärmenutzung einer Brennstoffzelle mit Kondensation durch die Wärmepumpeneinrichtung reduziert den elektrischen Gesamtbedarf für die Wärmepumpe und reduziert auch die Benutzungsstunden der Wärmepumpe bei gleichem Output an Nutzwärme, beispielsweise Warmwasser und Heizungswärme.
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Bevorzugt ist/sind das Energiesystem und/oder das Lüftungssystem modular aufgebaut, wobei die Kapazität des Energiesystems durch Hinzufügen oder Entfernen von Abwärme-generierenden Modulen und gegebenenfalls von Nicht-Abwärme-generierenden Modulen individuell verändert und angepasst wird beziehungsweise werden kann. Die Module werden über die entsprechenden Verteilungsöffnungen und Sammelöffnungen mit dem Luftverteilungskanal und dem Luftsammelkanal verbunden. Dem Luftsystem nachgeschaltete Module können mit dem Lüftungssystem über entsprechende Luftausgangsöffnungen verbunden werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist/sind der Luftverteilungskanal und/oder der Luftsammelkanal des Lüftungssystems lägenveränderlich ausgebildet, wobei die Länge des Luftverteilungskanals und/oder des Luftsammelkanals an die Anzahl der verwendeten Module angepasst wird.
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Die vorliegende Erfindung gemäß ihrer verschiedenen Aspekte gestattet insbesondere das Herstellen einer flexiblen und einfachen Lösung zur Effizienzsteigerung durch Abwärmenutzung einer Brennstoffzelle mit Hilfe einer oder mehrerer Luft/Wasserwärmepumpe(n).
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Zusätzlich zu den bisherigen Ausführungen zu den verschiedenen Erfindungsaspekten wird noch folgendes ergänzt.
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Da Brennstoffzellen und Elektrolyseure Wirkungsgrad-behaftete Wandlungseinheiten sind, ist es zweckmäßig, die dabei anfallenden Abwärmen bedarfsgerecht zu nutzen. Diese Abwärmen können direkt über eine Lüftungseinrichtung nutzbar gemacht werden und entweder der Zuluft einer Lüftungseinrichtung beigemischt oder über die Abluft einem Wärmetauscher, beispielsweise einem Kreuzstromwärmetauscher, der Lüftungseinrichtung zugemischt werden. Ein Kernproblem bei regenerativen Energien ist, dass diese nicht immer direkt genutzt werden können, weil beispielsweise der Bedarf gerade erschöpft ist. Hier kommen Elektrolyseure in Frage und können die Überschussenergie in Wasserstoff umwandeln. Auch dabei wird Abwärme durch die elektrochemische Wandlung frei. Diese Abwärme kann über Wasserkreisläufe direkt oder mit Hilfe von Wärmetauschern in Wasserspeichern gespeichert werden. Oder aber, die entstehenden Abwärmen werden einer Wärmepumpeneinrichtung zur Verfügung gestellt.
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Bei der vorliegenden Erfindung geht es unter anderem um die Steigerung des Gesamtnutzungsgrades von Wärmepumpeneinrichtungen, beispielsweise Luft/Wasserwärmepumpen, In Kombination mit Brennstoffzellen, insbesondere in Kombination mit luftgekühlten Brennstoffzellen und offener Kathode.
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Wärmepumpen werden in Einfamilienhäusern in unterschiedlichsten technischen Ausführungen eingesetzt. Maßgeblich werden dabei bislang Sole-Wärmepumpen eingesetzt, die das Erdreich, Grundwasser oder fließendes Wasser als Energiequelle verwenden. Für derartige Wärmepumpen müssen häufig tiefe Bohrungen vorgenommen werden. Auch eignen sich derartige Wärmepumpen nicht für sämtliche Anwendungen. Ein weiterer Typ von Wärmepumpen, der besonders einfach in der Realisierung bei Neubau und Bestandsbau ist, ist die Luft/Wasserwärmepumpe. Diese benutzt die Außenluft als Energiequelle oder in einigen Fällen, oft zur reinen Warmwasserbereitung, die Abluft oder Raumluft des Gebäudes als Energiequelle. Durch die Einfachheit und dem daraus resultierenden geringeren Anschaffungspreis haben die Luft Wasserwärmepumpen eine größere Dominanz erlangt.
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Das technische Problem von Luft/Wasserwärmepumpen stellen dabei hauptsächlich die geringen Außentemperaturen dar, die gelegentlich in einigen Regionen mal mehr oder weniger auftreten. Die Vorlauftemperatur der verbauten Heizungsanlage bei witterungsgeführten Heizungsanlagen wird durch die Außentemperatur vorgegeben. Diese ist bei der kältesten Außentemperatur am größten, damit auch die notwendige Wärmeleistung zur Beheizung des Gebäudes. Man kann diese dann als Nenn-Heizlast bezeichnen. Auf diese Nenn-Heizlast unter den Norm-Auslegungsbedingungen muss dann die Wärmepumpe ausgelegt werden.
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Die Arbeitszahl der Wärmepumpe, auch COP genannt, ist der Quotient aus abgeführter Wärmeleistung/ zugeführter elektrischen Leistung. Diese Arbeitszahl ist eine Variable bei Kältemaschinen, wie sie Wärmepumpen darstellen. Grundsätzlich kann man folgendes sagen: Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto kleiner ist die Arbeitszahl.
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Grundsätzlich kann man sagen, dass bei Luft/Wasserwärmepumpen durch die Verwendung der Außenlufttemperatur am kältesten Tag die Arbeitslast am größten ist und der COP am kleinsten. Für dieses Problem wird daher entweder die Wärmepumpe so überdimensioniert, dass auch am kältesten Tag, trotz schlechten, das heißt kleinen, COP die abgegebene Wärmeleistung ausreicht. Auch der Einsatz von Pufferspeichern zur temporären Zwischenspeicherung ist gängig. Des Weiteren wird auf eine bivalente Lösung am kältesten Tag gesetzt, die am häufigsten verwendete Lösung ist dabei ein elektrischer Heizstab, wenn der thermische Bedarf größer ist, als die durch die Wärmepumpe abgegebene thermische Leistung. Diese Lösung ist jedoch nachteilig. Alternativ werden auch bivalenten Heizungen aller Art als Spitzenlast verbaut, beispielsweise eine Gastherme. All diese bivalenten Heizsysteme haben eins gemeinsam: die erbrachte Zusatzwärme wird auf der Sekundärseite dem Heizsystem direkt zugeführt, also zur direkten Anhebung der jeweiligen Heizmitteltemperatur zur notwendigen Warmwasser- oder Vorlauftemperaturanpassung/anhebung.
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Erfindungsgemäß wurde nun ein anderer Ansatz entwickelt, nämlich das direkte Entgegenwirken zur Vermeidung von schlechten, das heißt kleinen, COP bei Wärmepumpen, insbesondere bei Luft/Wasserwärmepumpen. Mithilfe der Abwärme einer Brennstoffzelle, insbesondere einer luftgekühlten Brennstoffzelle mit offener Kathode, wird die Abluft der Brennstoffzelle direkt der Luft für die Wärmepumpe, beispielsweise der Außenluft, beigemischt und so eine Anhebung des COP und damit eine Steigerung der thermischen Heizleistung der Wärmepumpe erzielt.
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Durch die vorliegende Erfindung kann für die Wärmepumpe eine durchschnittliche JAZ (JAZ - Jahresarbeitszahl = Mittelwert aller COP des Jahres) erreicht werden, wie Sie sonst nur Sole-Wärmepumpen aufweisen. So kann teilweise auf Heizstabbetrieb und ein zusätzliches bivalentes Heizsystem oder Überdimensionierung verzichtet werden
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Die Erfindung wird nun anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 in schematischer Ansicht ein Energiesystem, in dem ein erfindungsgemäßen Lüftungssystem implementiert werden kann;
- 2 in schematischer Ansicht eine Lüftungseinrichtung, um die das Energiesystem erweitert werden kann;
- 3 in schematischer Ansicht den Grundaufbau des erfindungsgemäßen Lüftungssystem;
- 4 in schematischer Ansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist;
- 5 in schematischer Ansicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist;
- 6 in schematischer Ansicht die in 5 dargestellte Wärmepumpeneinrichtung ohne Abwärmenutzung;
- 7 in schematischer Ansicht im Vergleich dazu die in 5 dargestellte Wärmepumpeneinrichtung mit Abwärmenutzung;
- 8 und 9 „log (p),h“- Diagramme" zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Zusammenhänge
- 10 in schematischer Ansicht eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist;
- 11 in schematischer Ansicht eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist;
- 12 in schematischer Ansicht eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist;
- 13 in schematischer Ansicht eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist; und
- 14 in schematischer Ansicht eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das in einem Energiesystem integriert ist.
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In den 1 und 2 wird zur Verdeutlichung des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung und zur Einbettung der Erfindung in einem Energiesystem zunächst ganz allgemein ein Energiesystem 10 vorgestellt und beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist. In 1 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau eines solchen Energiesystems 10 beschrieben, wobei das Energiesystem als Gebäudeenergiesystem eingesetzt wird. In 2 ist zudem dargestellt, wie das Energiesystem 10 um eine geeignete Lüftungseinrichtung 42 ergänzt wird.
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Gemäß 1 weist das Energiesystem 10 zunächst ein erstes Untersystem 20 auf, welches als Innensystem ausgebildet ist. Das bedeutet, dass sich das erste Untersystem 20 innerhalb des Gebäudes befindet. Zusätzlich weist das Energiesystem 10 ein zweites Untersystem 30 in Form eines Außensystems auf. Das bedeutet, dass sich das zweite Untersystem 30 außerhalb des Gebäudes befindet.
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Das erste Untersystem 20 weist ein Elektrolysemodul 21 zur Herstellung von Wasserstoff auf. Zudem weist das erste Untersystem 20 ein Brennstoffzellenmodul 22 auf.
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Das zweite Untersystem 30 weist eine Hochdruckspeichereinrichtung 31 auf. In der Hochdruckspeichereinrichtung 31 wird der erzeugte Wasserstoff bei bis zu 700 bar gespeichert. Zusätzlich verfügt das zweite Untersystem 30 über eine Mitteldruckspeichereinrichtung 32, in der der erzeugte Wasserstoff bei Drücken zwischen 20 und 30 bar zwischengespeichert wird, bevor er von dort endgültig in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 gespeichert wird.
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Die einzelnen Komponenten des Energiesystems 10 sind über eine Verbindungsleitungseinrichtung 40 miteinander verbunden, die aus einer Anzahl unterschiedlicher Leitungsabschnitte 40a bis 40k besteht.
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Zum Spülen des Elektrolysemoduls 21 und/oder des Brennstoffzellenmoduls 22 ist eine Spüleinrichtung 23 mit einer Spülkammer vorgesehen, die über einen Leitungsabschnitt 40g mit den beiden vorgenannten Komponenten verbunden ist.
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Der in dem Elektrolysemodul 21 mittels Elektrolyse hergestellte Wasserstoff verlässt das Elektrolysemodul 21 über einen Leitungsabschnitt 40f, welcher in den Leitungsabschnitt 40e übergeht. In den beiden Leitungsabschnitten 40f und 40e befinden sich in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstoffs eine Rückschlagventileinrichtung 24 sowie nachfolgend eine Filtereinrichtung 25 und eine Trocknereinrichtung 26, in denen der erzeugte Wasserstoff gefiltert und getrocknet wird. Die Filtereinrichtung 25 und die Trocknereinrichtung 26 können sich alternativ auch im zweiten Untersystem 30 befinden.
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Von der Trocknereinrichtung 26 strömt der erzeugte Wasserstoff über die Leitungsabschnitte 40a und 40c zu einer weiteren Rückschlagventileinrichtung 35, welche ein Ende des Leitungsabschnitts 40c markiert. Von dort strömt der erzeugte Wasserstoff über einen Leitungsabschnitt 40h sowie 40i in den Mitteldruckspeicher 32, welcher über eine Ventileinrichtung 33, die insbesondere als Sperrventil, beispielsweise in Form eines Magnetventils, ausgebildet ist, an einem weiteren Leitungsabschnitt 40j angebunden ist. In dem Leitungsabschnitt 40j, der in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 endet, befindet sich vor der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eine Kompressoreinrichtung 34, insbesondere in Form eines Kolbenkompressors. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der erzeugte Wasserstoff in die Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert. Der in der Mitteldruckspeichereinrichtung 32 zwischengespeicherte Wasserstoff wird unter Betätigung der Kompressoreinrichtung 34 in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert.
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Dieser Herstellungsvorgang des Wasserstoffs bis hin zu dessen Einspeicherung in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 stellt eine erste Betriebsweise des Energiesystems 10 dar. Bei dieser ersten Betriebsweise des Energiesystems 10 herrscht in den Leitungsabschnitten 40a bis 40e der Verbindungsleitungseinrichtung 40 ein Druck von 20 bis 60 bar. Ein solcher Druck herrscht auch im Mitteldruckspeicher 32. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der aus der Mitteldruckspeichereinrichtung 32, bei der es sich um einen Zwischenspeicher handelt, entnommene Wasserstoff so weit komprimiert, dass er mit Drücken von bis zu 700 bar in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert werden kann.
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Der in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 gespeicherte Wasserstoff wird für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 22 verwendet. Der Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 22 erfolgt in der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10. Das Brennstoffzellenmodul 22 kann aber nur bei Drücken kleiner 20 bar arbeiten. In der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10 wird der Wassersoff über einen Leitungsabschnitt 40k aus der Hochdruckspeichereinrichtung 31 entnommen, über eine Entspannungseinrichtung 36 in Form eines Druckminderers auf den erforderlichen Druck entspannt und über einen Leitungsabschnitt 40d in den bidirektionalen Leitungsabschnitt 40a transportiert, von wo aus er über den Leitungsabschnitt 40b in das Brennstoffzellenmodul 22, und dort zunächst in die Filtereinrichtung 22b, eintritt. Zur Messung des Drucks ist wenigstes eine Druckmesseinrichtung 41, beispielsweise in Form eines Drucksensors vorgesehen.
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Der Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 22 erfordert zudem die Zufuhr von Luft. Diese dient zum einen als Reaktand, vorzugsweise gleichzeitig auch zur Kühlung. Ähnliches gilt auch für das Elektrolysemodul 21. Denn beim Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 22 und des Elektrolysemoduls 21 entsteht Wärme, die in Form von Abwärme abgeführt und für weitere Prozesse genutzt werden kann. Dies wird später anhand der 3 bis 14 verdeutlicht.
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Das in 1 dargestellte Energiesystem 10 stellt einen Teilbereich eines Gesamt-Gebäudeenergiesystems dar, bei dem es sich um ein elektrisch autarkes und vollständig auf erneuerbaren Energien beruhendes multihybrides Gebäudeenergiespeichersystem handelt.
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Das multihybride Gebäudeenergiespeichersystem ermöglicht es, die von einer Photovoltaik (PV)-Anlage, einer Kleinwindkraftanlage oder dergleichen erzeugte elektrische Energie bedarfsgesteuert auf das gesamte Jahr zu verteilen. Dabei kann das System als Inselsystem unabhängig vom elektrischen Netz oder aber bei Netzausfällen als Ersatzstromversorgung betrieben werden. Die Anlage kann auch die elektrische Autarkie des Gebäudes gewährleisten, sodass über das ganze Jahr hinweg keine elektrische Energie aus dem Stromnetz bezogen werden muss.
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Die primäre Aufgabe des Gebäudeenergiesystems ist es, die gewonnene elektrische Energie aus Photovoltaik (PV)-Modulen oder dergleichen dem Verbraucher im Gebäude verfügbar zu machen. Sekundär können bei Zeiten niedriger Last oder hoher Einstrahlung elektrische Energieüberschüsse in einem Batterie-Kurzzeit-Speicher zwischengespeichert werden. Tertiär kann im Wasserstoff-Langzeit-Speicher die elektrische Energie als gasförmiger Wasserstoff für Zeiten niedriger Einstrahlung wie Nacht, Winter oder dergleichen mittel- bis langfristig gespeichert und mittels Brennstoffzelle wieder jederzeit bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt werden.
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Neben energietechnischen Aufgaben fungiert das System auch als kontrollierte Raumlüftung durch eine verbaute Lüftungseinrichtung 42, die in 2 dargestellt ist. Bei Brennstoffzellenbetrieb kann die Abwärme des Brennstoffzellenmoduls über die kontrollierte Raumlüftung direkt als Wärme an die Frischluft und damit an die Räume abgegeben werden.
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Der im Elektrolysemodul produzierte Wasserstoff fließt über die Wasserstoffleitung in die außenaufgestellte Druckspeicheranlage.
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Bei fehlender oder nicht ausreichender PV-Energie wird Energie aus der Batterie zur Deckung der Verbraucherlast entnommen. Reicht die im Kurzzeitspeicher vorrätige Energie nicht aus, kann das Brennstoffzellenmodul den zusätzlichen elektrischen Energiebedarf decken. Im Brennstoffzellenbetrieb fließt der Wasserstoff über die Wasserstoffleitung aus der Druckspeicheranlage zum Brennstoffzellenmodul.
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Ein zeitgleicher Betrieb von Brennstoffzellenmodul und Elektrolysemodul ist ausgeschlossen. Das gesamte System wird über ein zentrales elektronisches Steuergerät, den „Energy Manager“ mit einem prädiktiven Energiemanagement derart gesteuert, dass übers Jahr gesehen der Nutzungsgrad der regenerativen Energie, z.B. PV-Energie und/oder Windenergie, bei minimaler Größe der installierten Energiewandler und Energiespeicher optimiert wird.
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Das zweite Untersystem ist prinzipiell für den Betrieb im Außenbereich vorgesehen, kann aber unter bestimmten Bedingungen auch innerhalb eines speziellen Bereichs des Gebäudes errichtet und betrieben werden.
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Das Energiesystem 10 kann zur effektiven Nutzung einzelner Komponenten oder zur Weiterverwertung einzelner Prozessprodukte mit anderen Systemen oder Teilsystemen verbunden sein. Bei einem dieser weiteren Systeme handelt es sich, wie in 1 schematisch dargestellt ist, um eine Lüftungseinrichtung 42, welche nachfolgend anhand von 2 erläutert wird. Oder aber es handelt sich um eine Lüftungssystem 100 und/oder eine Wärmepumpeneinrichtung 200, wie im Zusammenhang mit den 3 bis 14 erläutert wird. Die Lüftungseinrichtung 42 wirkt dabei mit dem Brennstoffzellenmodul 22 zusammen, kann aber auch mit dem Elektrolysemodul 21 zusammenwirken, wie später anhand der 3 bis 14 verdeutlicht wird.
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In der 2 ist in stark vereinfachter Weise eine Lüftungseinrichtung 42 dargestellt, welche ein Bestandteil des Energiesystems 10 ist. Die Lüftungseinrichtung 42 dient zum Einstellen eines gewünschten Raumklimas in wenigstens einem Raum, beispielsweise einem Aufenthaltsraum in einem Gebäude. Neben der Darstellung in den 1 und 2 können die Lüftungseinrichtung 42 und das Energiesystem 10, bei denen es sich jeweils um komplexe Systeme handelt, natürlich noch weitere Systemkomponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Wärmepumpe, die aber der Übersichtlichkeit halber in den 1 und 2 nicht explizit dargestellt sind.
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Die Lüftungseinrichtung 42 befindet sich innerhalb des Gebäudes, von dem schematisch nur eine Gebäudewand 43 dargestellt ist.
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Ein Bauteil der Lüftungseinrichtung 42 wird durch eine Lüftungskomponente 47 gebildet, in der sich ein Wärmetauscher 48 befindet, der beispielsweise als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet ist. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Lüftungskomponente 47 ebenfalls in dem in 1 dargestellten ersten Untersystem 20. Das ist aber nicht zwingend erforderlich. Außenluft von außerhalb des Gebäudes wird über eine Außenluftzufuhr 44 in Form eines Zuluftstroms 46 in die Lüftungskomponente 47 eingeführt und über den Wärmetauscher 48 geführt. In dem Zuluftstrom 46 ist in Strömungsrichtung hinter der Außenluftzufuhr 44 eine Außenluft-Filtereinrichtung 45 angeordnet. Mit einer der Außenluft-Filtereinrichtung 45 zugeordneten Druckmesseinrichtung können Druckwerte der Außenluft-Filtereinrichtung 45, insbesondere definierte Druckverlustwerte, bestimmt werden.
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Nach Verlassen des Wärmetauschers 48 wird der Zuluftstrom 46 über eine Einrichtung 49 zur Einstellung des Zuluftstroms, welche als Zuluftklappe oder als Zuluft-Ventileinrichtung ausgebildet sein kann, über eine Zuluftzufuhr 50 in eine in einem Raum befindliche Lüftungsanlage 51 eingebracht. Über eine Einrichtung zur Einstellung des Zuluftstroms (nicht dargestellt) kann die in die Lüftungsanlage 51 eintretende Zuluft mengenmäßig eingestellt werden. Ist die Einrichtung zur Einstellung des Zuluftstroms komplett geschlossen, kann keine Zuluft in die Lüftungsanlage 51 und damit in den Raum eintreten. Ist die Einrichtung hingegen vollständig geöffnet, tritt ein Maximum an Zuluft über die Zuluftzufuhr 50 in die Lüftungsanlage 51 ein. Um eine für den Nutzer der Lüftungseinrichtung 42 geeignete Regelungsmöglichkeit der Zuluft zu schaffen, ist weiterhin eine Bypasseinrichtung 56 vorgesehen, welche als Bypassklappe oder Bypass-Ventileinrichtung ausgebildet sein kann. Über diese Bypasseinrichtung 56 kann wahlweise zumindest ein gewisser Mengenanteil der Zuluft aus der Zuluftzufuhr 50 abgezweigt und in Form eines Bypassstroms 57 an der Lüftungsanlage 51 vorbeigeführt werden.
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Aus dem Raum über die Lüftungsanlage 51 austretende Abluft wird über eine Abluftabfuhr 52 in Form eines Abluftstroms 53 abgeführt. Hinter der Abluftabfuhr 52 ist im Abluftstrom 53 eine Abluft-Filtereinrichtung 54 angeordnet. Mit einer der Abluft-Filtereinrichtung 54 zugeordneten Druckmesseinrichtung können Druckwerte der Abluft-Filtereinrichtung 54 bestimmt werden.
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Um den Abluftstrom 53 zurück in Richtung des Wärmetauschers 48 befördern zu können, und um den Abluftstrom mengenmäßig zu regulieren, ist im Abluftstrom 53 ein Gebläse 55 vorgesehen.
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Danach kann der Abluftstrom 53, über die entsprechenden Leitungsabschnitte 40b und 40f, die auch aus 1 ersichtlich sind, sowie über entsprechende Klappen 62, 63 oder Ventileinrichtungen gesteuert, wahlweise durch das Elektrolysemodul 21 und/oder das Brennstoffzellenmodul 22 geführt werden, und anschließend über den Leitungsabschnitt 40g aus 1 noch über eine Spüleinrichtung 23 für das Elektrolysemodul 21 und/oder das Brennstoffzellenmodul 22, wie auch aus 1 ersichtlich ist, sowie noch über eine Kühleinrichtung oder einen Luft/Wasserübertrager 58, bevor der Abluftstrom 53 wieder in die Lüftungskomponente 47 eintritt.
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In der Lüftungskomponente 47 wird der Abluftstrom 53 wieder über den Wärmetauscher 48 geführt, wo er seine gespeicherte Wärme an den Zuluftstrom 46 übertragen kann. Je nach Betriebsweise und Ausgangslage kann der Abluftstrom 53 aber auch am Wärmetauscher 48 vorbei geleitet werden. Dies geschieht mittels einer Bypasseinrichtung 59, die beispielsweise als Bypassklappe oder Bypass-Ventileinrichtung ausgebildet ist. Bei einer entsprechenden Betätigung der Bypasseinrichtung 59 kann der Abluftstrom 53 über einen Abluftbypassstrom 60 an dem Wärmetauscher 48 vorbei geleitet werden.
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Der Abluftstrom 53 verlässt die Lüftungskomponente 47 über eine Fortluftabfuhr 61, über die der Abluftvolumenstrom 53 in Form eines Fortluftstroms das Gebäude wieder verlässt.
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Um die einzelnen Komponenten und Abläufe im Energiesystem 10 so effizient wie möglich nutzen zu können, ist an verschiedenen Stellen eine Mehrfachnutzung von Vorteil. So kann beispielsweise die Abluft 53 aus der Lüftungseinrichtung 42 auch als Zuluft für das Brennstoffzellenmodul 22 verwendet werden. Ebenso kann die im Brennstoffzellenmodul 22 und im Elektrolysemodul 21 entstehende Abwärme weiteren Komponenten und Prozessen des Energiesystems zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise der Lüftungseinrichtung 42, einer Wärmepumpeneinrichtung 200, etwa einer (Ab-)Luft-Wärmepumpe oder einer Wasser-Wärmepumpe, oder dergleichen. Dies wird nun anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die 3 bis 14 im Detail erläutert.
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Im Zusammenhang mit 3 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems 100 beschrieben, welches zum Zwecke eines modularen Aufbaus mit anderen Komponenten beziehungsweise Modulen des Energiesystems in Verbindung steht und/oder aus einzelnen Modulen besteht. In 3 sind zwei Abwärme-generierende Module 131 dargestellt, wobei es sich bei einem Modul um das Brennstoffzellenmodul 22, und bei dem zweiten Modul um das Elektrolysemodul 21 handelt, wie auch aus den 1 und 2 ersichtlich. Weiterhin ist ein Nicht-Wärmegenerierendes Modul 132 angedeutet, bei dem es sich beispielsweise um ein Modul zur Aufbereitung und Bereitstellung von demineralisiertem Wasser sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit handelt.
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Das Lüftungssystem 100 weist zunächst einen Luftverteilungskanal 101 auf, bei dem es sich ebenfalls um ein Modul handeln kann, in dem im Bereich eines ersten Endes 103 ein zentrales Gebläse 105 angeordnet ist. In der Seitenwandung 110 des Luftverteilungskanals 101 sind Verteilungsöffnungen 102 ausgebildet, wobei jeweils eine Verteilungsöffnung 102 mit dem Eingang eines Abwärme-generierenden Moduls 131 korrespondiert. Gegebenenfalls gilt dies auch für das Nicht-Abwärme-generierendes Modul 132, aber nur, wenn dieses, beispielsweise zu Kühlzwecken, von Luft durchströmt werden soll. Verschließbar sind die Verteilungsöffnungen 102 über entsprechende Vorrichtungen 133 zum Öffnen und/oder Schließen der Verteilungsöffnungen 102, die im gezeigten Beispiel als Motor-getriebene Klappen ausgebildet sind. Am zweiten Ende 104 des Luftverteilungskanals 101 befindet sich eine Luftausgangsöffnung 117, die zur direkten Abfuhr 118 von Luft aus dem Luftverteilungskanal 101 dient, und die mittels einer Vorrichtung 119 zum Öffnen und/oder Schließen der Luftaustrittsöffnung, beispielsweise in Form einer Motor-getriebenen Klappe, versehen ist.
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Im Bereich des ersten Endes 103 des Luftverteilungskanals 101 ist dieser über eine Lufteingangsöffnung 120 mit einem Luftzufuhrkanal 122 verbunden. Für das Lüftungssystem 100 bereitgestellte Luft, bei der es sich beispielsweise um Außenluft, Abluft aus anderen Prozessen oder dergleichen handelt, wird als Zufuhr 121 von Luft in den Luftzufuhrkanal 122 eingeführt und tritt über die Lufteingangsöffnung 120 in den Luftverteilungskanal101 ein. Bei entsprechend geöffneten Vorrichtungen 133 zum Öffnen und/oder Schließen der Verteilungsöffnungen 102 strömt die Luft, unterstützt durch das Gebläse 105, anschließend über die Verteilungsöffnungen 102 in die Abwärme-generierenden Module 131, 21, 22.
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Ausgangsseitig sind die Abwärme-generierenden Module 131, 21, 22, und gegebenenfalls das Nicht-Abwärme-generierende Modul 132, mit einem Luftsammelkanal 106 verbunden. In dessen Seitenwandung 111 befinden sich zu den Modulen 131, 21, 22 korrespondierende Sammelöffnungen 107. Die die Module 131, 21, 22 durchströmende Luft nimmt in den Modulen entstehende Abwärme auf und transportiert diese Modul-ausgangsseitig über die Sammelöffnungen 107 in den Luftsammelkanal 106 ab. Verschließbar sind die Sammelöffnungen 107 über entsprechende Vorrichtungen 134 zum Öffnen und/oder Schließen der Sammelöffnungen, die im gezeigten Beispiel als Rückschlagklappen ausgebildet sind.
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Der Luftsammelkanal 106 weist ein erstes Ende 108 und ein zweites Ende 109 auf. Am zweiten Ende 109 befindet sich eine zweite Luftausgansöffnung 114, über die eine Abfuhr 115 von Luft und/oder Abwärme aus dem Sammelkanal 106 erfolgt, hin zu anderen Komponenten des Energiesystems zur dortigen weiteren Verwendung. Verschlossen werden kann die zweite Luftausgangsöffnung 114 über eine zweite Vorrichtung 116 zum Öffnen und/oder Schließen der zweiten Luftausgangsöffnung 114, die beispielsweise als Motor-getriebene Klappe ausgebildet ist.
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Am ersten Ende 108 des Luftsammelkanals 106 befindet sich eine erste Luftausgangsöffnung 124, über die der Luftsammelkanal 106 mit einem Luftrezirkulationskanal 123 verbunden ist. Über diesen Luftrezirkulationskanal 123 kann Luft und Abwärme aus dem Luftsammelkanal 106 zur Vorwärmung der für den Luftverteilungskanal 101 vorgesehenen Zufuhr 121 von Luft genutzt werden. Verschließbar ist die erste Luftausgangsöffnung 124 des Luftsammelkanals 106 über eine erste Vorrichtung 125 zum Öffnen und/oder Schließen der ersten Luftausgangsöffnung 124, die beispielsweise als Motor-getriebene Klappe ausgebildet ist. Der Luftrezirkulationskanal 123 kann entweder durch den Luftzufuhrkanal 122 bereitgestellt werden, oder unabhängig von diesem ausgebildet sein und beispielsweise parallel zu diesem geführt sein. Mithilfe der Rezirkulation der aus den Modulen 131, 21, 22 in den Sammelkanal 106 transportierten Abwärme kann ein nahezu frostfreier Betrieb sichergestellt werden. Dabei wird die warme Luft hinter den Abwärme-generierenden Modulen 131, 21, 22 rezirkuliert und so die Eintrittstemperatur vor den Modulen, beispielsweise auf mindestens vier Grad, angehoben.
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Weiterhin ist im Bereich des ersten Endes 108 des Luftsammelkanals 106 ein Zweitluftkanal 126 realisiert, der über eine dritte Luftausgangsöffnung 124 mit dem Luftsammelkanal 106 verbunden ist. Verschlossen werden kann die dritte Luftausgangsöffnung 127 an der Eingangsseite 128 des Zweitluftkanals 126 mit einer dritten Vorrichtung 129 zum Öffnen und/oder Schließen der dritten Luftausgangsöffnung 127, die beispielsweise als Motor-getriebene Klappe ausgebildet ist. An der Ausgangsseite 130 des Zweitluftkanals 126 mündet dieser in den Luftverteilungskanal 101.
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Um das Gebläse 105 in geeigneter Weise steuern zu können, damit genügend Luft den Sammelkanal 106 erreicht, ist eine Steuereinrichtung 112 vorgesehen, die zum einen mit dem Gebläse 105, und zum anderen mit einer dem Sammelkanal 106 zugeordneten Druckmesseinrichtung 113, beispielsweise in Form eines Drucksensorelements, verbunden ist.
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Die Anzahl der Verteilungsöffnungen 102 und der Sammelöffnungen 107 entspricht der Anzahl der Module 131, 21, 22, 132, die mit dem Luftverteilungskanal 101 und dem Luftsammelkanal 106 verbunden werden können. Um eine modulare Erweiterung durch Hinzufügen einzelner Module zu ermöglichen, sind der Luftverteilungskanal 101 und der Luftsammelkanal 106 lägenveränderlich ausgebildet. Beispielsweise sind der Luftverteilungskanal 101 und der Luftsammelkanal 106 aus einer Anzahl wahlweise miteinander verbindbarer Kanalelemente gebildet. Die einzelnen Kanalelemente werden in geeigneter Weise miteinander verbunden, beispielsweise ineinandergesteckt, über Verbindungsstücke miteinander verbunden, oder dergleichen. Jedes Kanalelement verfügt dabei vorzugsweise über wenigstens eine Verteilungsöffnung 102 beziehungsweise Sammelöffnung 107 In anderer Ausgestaltung sind der Luftverteilungskanal 101 und der Luftsammelkanal 106 teleskopartig ausziehbar. Bei einer solchen längenveränderlichen Ausgestaltung wird die Länge der Kanäle auf die Anzahl der angeschlossenen Module angepasst. Bei einer modulartigen Erweiterung werden die Kanäle entsprechend verlängert, bei einer Reduzierung von Modulen entsprechend verkürzt.
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Anhand der 4 bis 14 werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert, bei denen das Lüftungssystem 100 Bestandteil des Energiesystem 10 ist und mit weiteren Komponenten beziehungsweise Modulen, beispielsweise einer Lüftungseinrichtung 42 und/oder einer Wärmepumpeneinrichtung 200, etwa einer (Ab-)Luft-Wärmepumpe oder einer Wasser-Wärmepumpe, verbunden ist. Der Aufbau des Lüftungssystems 100 entspricht dabei dem in 3 gezeigten und beschriebenen Aufbau, so dass an dieser Stelle auf die entsprechenden Ausführungen zu 3 verwiesen wird. Die Beschreibung zu 3 wird somit, zur Vermeidung von Wiederholungen, vollinhaltlich jeweils auch zum Gegenstand der Beschreibung zu den einzelnen 4 bis 14 gemacht. Im Folgenden wird nur noch die für das konkrete Ausführungsbeispiel essentiellen Komponenten des Lüftungssystems 100 im Einzelnen eingegangen.
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4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem das Lüftungssystem 100 mit einer Wärmepumpeneinrichtung 200 verbunden ist, die in Form einer (Ab-)Luft-Wärmepumpe ausgebildet ist. Außenluft, AUL, wird in der wie in 3 beschrieben Weise durch das Lüftungssystem 100 geleitet und wird anschließend über eine Leitung 135 einem ersten Wärmetauscher 202a zugeführt, der als Fortluftwärmetauscher ausgebildet ist, und der die Funktion eines Verdampfers 202 in einem Kreislauf 201 der Wärmepumpeneinrichtung 200 übernimmt. Ein Kompressor 203 übernimmt die Funktion einer Kältemaschine, und ein dritter Wärmetauscher 204a fungiert als Kondensator 204, der beispielsweise mit einem Warmwasserspeicher zusammenwirkt. Nach dem dritten Wärmetauscher 204a wird das den Kreislauf 201 durchströmende Medium, das zuvor mittels des Kompressors 203 verdichtet wurde, mittels einer Expandiervorrichtung 205, die ebenfalls einen Bestandteil der Kältemaschine darstellt, wieder expandiert, bevor das Medium erneut dem ersten Wärmetauscher 202a zugeführt wird.
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In einem Betriebszustand kann der erste Wärmetauscher 202a beispielsweise mittels Fortluft, FOL, beströmt werden, um die Wärmepumpenfunktion zu aktivieren. Die Fortluft kann anschließend über ein Gebläse 136 einer Fortluftabfuhr 137 zugeführt werden. Zusätzlich kann dieser Fortluft, FOL, bei Bedarf nunmehr auch noch Luft mit Abwärme aus den Modulen 131, 21, 22 aus dem Sammelkanal 106 zugemischt werden, und zwar vor dem ersten Wärmetauscher 202a.
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Die in 4 gezeigte Wärmepumpeneinrichtung 200 kann im Parallelbetrieb mit den Abwärme-generierenden Modulen 131, 21, 22 die auftretende Abwärme in einer dem dritten Wärmetauscher 204a zugeordneten Wärmesenke in Form eines Warmwasserpufferspeichers zwischenspeichern und/oder die darin gespeicherte Wärme beispielsweise auch in Unterkreise individuell, beispielsweise durch einen internen Rohrwendelwärmetauscher weiterverteilen oder extern bei Bedarf zur Warmwasserbereitung beheizt werden, je nach Auslegungsfall. Alternativ ist auch ein reiner Raumluftbetrieb möglich.
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5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel in Form einer leicht modifizierten Variante des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels, so dass zunächst auf die entsprechenden Ausführungen zu 4 verwiesen wird. In Ergänzung weist der Kreislauf 201 der Wärmepumpeneinrichtung 200 einen vierten Wärmetauscher 204b in Form eines Kondensators 204 auf, der mit einem Heizungswärmepufferspeicher als weitere Wärmesenke zusammenwirkt. Ob der dritte Wärmetauscher 204a und/oder der vierte Wärmetauscher 204b bedient wird, kann über eine Ventileinrichtung 206 gesteuert werden. Ein zweiter Wärmetauscher 202b des Kreislaufs 201 der Wärmepumpeneinrichtung 200, bei dem es sich um einen Außenluftwärmetauscher handelt, und der die Funktion eines Verdampfers 202 im Kreislauf 201 der Wärmepumpeneinrichtung 200 übernimmt, wirkt mit einem Wärmetauscher 48 einer Lüftungseinrichtung 42 zusammen, die im Zusammenhang mit 2 beschrieben ist. Der Wärmetauscher 48 ist als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet. Der Wärmetauscher 48 steht mit einer Zuluftzufuhr 50 der Lüftungseinrichtung 42 in Verbindung, über die Zuluft, ZUL, einem Raum zur Verfügung gestellt werden kann. Ebenso steht der Wärmetauscher 48 mit einer Abluftabfuhr 52 der Lüftungseinrichtung 42 in Verbindung, über die Abluft, ABL, abgeführt werden kann. Bezüglich der Lüftungseinrichtung 42 wird auch auf die Ausführungen zu 2 weiter oben verwiesen.
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Bei dem in 5 dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Lüftungseinrichtung 42 mit Konditionierung von Außenluft, AUL, mittels des Lüftungssystems 100. Über den Wärmetauscher 202b in der Außenluft, AUL, kann im Sommer die Außenluft der Lüftungseinrichtung 42 gekühlt werden und gleichzeitig die Abwärme des Abwärme-generierenden Moduls 131, beispielsweise des Elektrolysemoduls 21 oder des Brennstoffzellenmoduls 22, als Quelle zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Im Winter kann hingegen das Abwärme-generierende Modul 131, beispielsweise in Form des Brennstoffzellenmoduls 22, die Außenluft problemlos über die Frostgrenze anheben und/oder parallel für die Warmwasserbereitung mitgenutzt werden.
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Die Funktionsweise der in 5 dargestellten Wärmepumpe wird nun anhand zweier konkreter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben.
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In 6 ist zunächst eine Wärmepumpeneinrichtung 200 dargestellt, bei der die Abwärme der Brennstoffzelle nicht verwendet wird. Deren erster Wärmetauscher 202b stellt den Verdampfer 202 des Wärmepumpenkreislaufs 201 dar. Im Wärmepumpenkreislauf 201 befindet sich ein Kältemittel. Der Wärmetauscher 202b wird mit Außenluft AUL von -10°C beschickt. Im Verdampfer 202, 202b wird die Umgebungswärme, die über die Außenluft AUL bereitgestellt wird, an das Kältemittel übertragen, wodurch sich dieses erwärmt und sofort verdampft. Am Verdampferaustritt VA hat das im Wärmetauscher 202b verdampfte Kältemittel eine Temperatur von -13.4°C. Im Kompressor K, 203 wird das verdampfte Kältemittel auf 23.5 bar verdichtet. In den Kondensatoren 204, bei denen es sich um den dritten Wärmetauscher 204a und den vierten Wärmetauscher 204b handelt, und die Wärmesenken S1 und S2 darstellen, wird dem gasförmigen Kältemittel Wärme entzogen. Über den dritten Wärmetausche 204a kann die Wärme beispielsweise in einem Warmwasserpuffer zwischengespeichert werden. Über den vierten Wärmetauscher 204b kann die Wärme beispielsweise in einem Heizwärmepuffer zwischengespeichert werden. Dadurch kühlt das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. In der Expandiervorrichtung 205 wird bei dem wieder flüssigen Kältemittel der Druck reduziert, wodurch das Kältemittel abkühlt, bevor es am Verdampfereintritt VE wieder in den Verdampfer 202, 202b eintritt. Beim Eintritt hat das Kältemittel beispielsweise eine Temperatur von -17°C. Mit dieser Temperatur kann es beispielsweise als Fortluft FOL aus der Lüftungseinrichtung 42 abgeführt werden, wie in 5 gezeigt ist. Der COP der Wärmepumpeneinrichtung 200 liegt bei diesem Beispiel bei 2.6. Bei besonders niedrigen Temperaturen entsteht hier die Gefahr des Einfrierens.
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Dies kann man beispielsweise vermeiden, wenn man, wie in 7 dargestellt ist, der Außenluft AUL die Abluft des Brennstoffzellenmoduls 22 zumischt, die beispielsweise 40°C beträgt. Dies kann beispielsweise mittels einer Übertragungseinrichtung 138 erfolgen, die in 7 lediglich schematisch dargestellt ist, und die eine Mischeinrichtung aufweisen kann. Am kältesten Tag wird die kalte Außenluft (AUL: -10°C) kurz vor dem Verdampfer 202, 202b mit der warmen Abluft der Brennstoffzelle mit offener Kathode (FC: 40°C) gemischt und beispielsweise auf 10°C vor dem Eintritt in den Verdampfer 202, 202b angehoben. Dadurch wird der COP der Wärmepumpeneinrichtung 200 angehoben, da der Druck im Verdampfer 202, 202b steigt. Der COP der Wärmepumpeneinrichtung 200 wird im gezeigten Beispiel um eins, das heißt auf 3.6, angehoben.
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Die im Beispiel dargestellte Situation am kältesten Tag ermöglicht die Nutzung der Kondensationswärme der in der Brennstoffzellenabluft mit dem Wasserdampf aus dem Reaktionsprodukte der elektrochemischen Reaktion. Die -10°C kalte Außenluft wird mit der feuchten Abluft der Brennstoffzelle gemischt und hat dann ungefähr 10°C. Diese gemischte Außenluft gemAUL wird nun als Energiequelle durch die Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Dabei wird diese 10°C warme gemischte Außenluft auf bis zu 1.4°C (VE : Verdichtereintrittstemperatur) herunter gekühlt. Dabei wird der Taupunkt der gemischten Außenluft unterschritten und es entsteht Kondensationswärme, die neben der reinen Temperaturabgabe on top kommt. Dieser Effekt wird als Brennwerteffekt bezeichnet und ist standardmäßig bei Gas-Brennwertthermen für die Kondensation des Abgases an kalten Oberflächen, also der Unterschreitung des Taupunktes verantwortlich.
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Für einen besonders effizienten Betrieb ist die Nutzung der Brennstoffzellenabwärme von Vorteil, bei hohen Heizmitteltemperaturen, wie beispielsweise Warmwasserbereitung am kältesten Tag, oder bei kleinen Außentemperaturen beispielsweise kleiner 5°C. Dabei sollte die gemischte Außentemperatur aus Brennstoffzellenabluft und reiner Außenluft, größer sein als die Taupunkttemperatur, zur Vermeidung einer Kondensation vor Eintritt in den Verdampferwärmetauscher 202b. Des Weiteren sollte die Verdampfereintrittstemperatur über dem Gefrierpunkt liegen, also VE >= 0°C sein. Dies ermöglicht den maximalen Nutzen am Brennwerteffekt durch Kondensation und der Verdampferwärmetauscher kann nicht einfrieren und muss auch nicht, wie es bei Luft/Wasserwärmepumpen sonst üblich, regelmäßig wieder aufgetaut werden.
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Durch das Prinzip der innovativen Abwärmenutzung bei, insbesondere luftgekühlten, Brennstoffzellen mit offener Kathode, kann eine Anhebung der Arbeitszahl (COP) der Wärmepumpeneinrichtung 200, beispielsweise einer Luft/Wasserwärmepumpe, durch gezielte Nutzung des Brennwerteffektes erreicht werden. Dadurch kann die JAZ (Jahresarbeitszahl) der Wärmepumpeneinrichtung 200 auf dem Niveau einer Sole-/Wärmepumpe betrieben werden. Dadurch kann auf Betrieb mit Zusatzheizstäben, Überdimensionierung der Wärmepumpe und auf eine normalerweise notwendige und regelmäßige Verdampferauftauung (Frostschutz) verzichtet werden.
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8 zeigt ein „log (p),h“- Diagramm" für eine Wärmepumpe bei 0°C Außentemperatur und 30°C Vorlauftemperatur. Ist die Temperaturdifferenz (dT=30K) zwischen Senke (z.B. T_Hzg= 30°C) und Quelle (AUL: 0°C) klein, dann ist die Arbeitszahl groß, beispielsweise COP = 6 und damit ein effizienter Betrieb gegeben, da aus aufgebrachten 1 kW Strom = 6 kW thermische Wärme entsteht. Dies ist in dem in 8 gezeigten „log (p),h“- Diagramm" dargestellt. Der COP kann in dieser Darstellung unter Verwendung der messbaren Größen wie dem Druck im Verdampfer vor dem Verdichter und dem Druck nach dem Verdichter (hier 11 bar), sowie den resultierenden Temperaturen aus den daraus gegeben spezifischen Enthalpien berechnet werden. Dabei ist die Länge der oberen waagerechte Linie hier 6,01 mal so lang, wie die aufgebrachte spezifische Verdichterleistung (schräge Linie)
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9 zeigt ein „log (p),h“- Diagramm" für Wärmepumpen bei -10°C und 60°C Warmwassertemperatur mit Brennstoffzellenabwärmenutzung und Kondensation In der hier dargestellten Situation wird, wie oben beschrieben die Außenluft mit der Brennstoffzellenabluft gemischt. Dadurch erhöht sich der Verdampferdruck von vormals 2,8 bar auf 5,5bar. Dies reduziert 2fach die notwendige Kompressorleistung der Wärmepumpe, wenn der Ausgangsdruck konstant bei 23,5 bar bleibt. Wenn der Kältemittelkompressor einen konstanten Wirkungsgrad von 70% besitzt, dann verringert sich die Verdichteraustrittstemperatur infolge der isentropen Zustandsänderung von vormals 96,2°C auf 83,0°C, aufgrund des geringeren Druckverhältnisses des Kompressors. Der COP der Wärmepumpe steigt dabei von vormals 2,6 auf 3,6. Für diesen effizienteren Betrieb muss die Wärmepumpe vorzugsweise einen Inverter zur Drehzahlregulierung besitzen und/oder eine steuerbares Expansionsventil.
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10 zeigt ein drittes Ausführungsbespiel in Form einer leicht modifizierten Variante des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels, so dass zunächst auf die entsprechenden Ausführungen zu 4 verwiesen wird. In Bestandsgebäuden kann manchmal auch aus ganzjährigen frostfreien Bereichen, wie beispielsweise Garagen, die Außenluft, AUL, verwendet werden. Eine Rezirkulation zum Frostschutz, wie sie bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel möglich ist, entfällt dabei und es kann auf eine wie in 4 dargestellte Vorrichtung 119 zum Öffnen und/oder Schließen der Luftausgangsöffnung des Luftverteilungskanals 101 verzichtet werden.
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11 zeigt ein viertes Ausführungsbespiel in Form einer modifizierten Variante der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele, die Merkmale beider Ausführungsbeispiele kombiniert, so dass zunächst auf die entsprechenden Ausführungen zu den 4 und 5 verwiesen wird. Der Kreislauf 201 der Wärmepumpeneinrichtung 200 weist sowohl einen ersten Wärmetauscher 202a, der als Fortluftwärmetauscher ausgebildet ist und einen Verdampfer 202 im Kreislauf 202 der Wärmepumpeneinrichtung 200 darstellt, als auch einen zweiten Wärmetauscher 202b in Form eines Außenluftwärmetauschers auf, der ebenfalls einen Verdampfer 202 im Kreislauf 201 der Wärmepumpeneinrichtung darstellt. Welcher Wärmetauchscher zum Einsatz kommt, kann über eine Ventileinrichtung 207 gesteuert werden. Bei dem Gebläse 136 handelt es sich um einen Ventilator der Wärmepumpeneinrichtung 200. Bei der Außenluftverschaltung ist die Vorerwärmung der Außenluft, AUL zur Reduzierung der Auftaufunktion der Lüftungseinrichtung 42 ein Vorteil. Bei Überwärme durch die Abwärme-generierenden Module 131, 21, 22, können so auch bivalent die Abwärmen aus dem zweiten Wärmetauscher 202b der gemischten Außenluft und parallel aus dem ersten Wärmetauscher 202a der gemischten Fortluft der Lüftungseinrichtung 42 über die Wärmetauscher 204a und 204b in ersten Wärmesenken in Form von Warmwasserspeichern / in zweiten Wärmesenken in Form von Heizungspufferspeichern bedarfsgerecht gespeichert werden.
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12 zeigt ein fünftes Ausführungsbespiel in Form einer modifizierten Variante des in 11 dargestellten Ausführungsbeispiels, so dass zunächst auf die entsprechenden Ausführungen zu 11 verwiesen wird. Das in 12 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine Energiesystem mit einem Lüftungssystem 100 mit einer kombinierten Wärmepumpeneinrichtung 200 in Form einer (Ab-)Luftwärmepumpe und einer Lüftungseinrichtung 42 mit Nutzung der Wärme der Abluft, ABL Die hier dargestellte Variante zeigt die Kombination aus Lüftungseinrichtung 42 mit Wärmetauscher 48 in Form eines Kreuzstromwärmetauschers, und Wärmepumpeneinrichtung 200 in Form einer (Ab-)-Luftwärmepumpe. Durch diese Ausführung benötigt das Gebäude nicht mehr für jedes Gerät jeweils zwei Rohrdurchbrüche durch die Außenwand. (AUL und FOL). Normalerweise hat eine Lüftungsanlage ihre beiden eigenen Wanddurchbrüche, sowie die beiden eigenen Anschlüsse für die Abluft-Warmwasserwärmepumpe und/oder der innen aufgestellten Heizungswärmepumpe, also bis zu sechs Wanddurchbrüche. Diese werden im Ausführungsbeispiel gemäß 12 auf das Minimum reduziert, nämlich auf AUL & FOL.
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13 zeigt ein sechstes Ausführungsbespiel in Form einer modifizierten Variante der in den 11 und 12 dargestellten Ausführungsbeispiele, so dass zunächst auf die entsprechenden Ausführungen zu den 11 und 12 verwiesen wird. Das in 13 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine Energiesystem mit einem Lüftungssystem 100 mit einer kombinierten Wärmepumpeneinrichtung 200 in Form einer (Ab-)Luftwärmepumpe und einer Lüftungseinrichtung 42. Die in 13 dargestellte Variante der Zuluftbeimischung hat den höchsten energetischen Direktnutzen, da neben der Abwärme des Abwärme-generierenden Moduls 131 in Form des Brennstoffzellenmoduls 22 auch die Feuchtigkeit aus dem Produktwasser des Brennstoffzellenmoduls 22 der Zuluft, ZUL vor allem im Winter hocheffizient und direkt zugeführt wird. Der zweite Wärmetauscher 202b in Form eines Außenluftwärmetauschers ist dann lediglich zur Temperierung der Außenluft im Sommer oder mit verbauter Ventileinrichtung 207, beispielsweise eines 4-Wege Umschaltventils des Kreislaufs 201 der Wärmepumpeneinrichtung 200 für die Beheizung im Winter vorhanden.
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14 zeigt siebtes Ausführungsbespiel in Form einer modifizierten Variante der in den 11 bis 13 dargestellten Ausführungsbeispiele, so dass zunächst auf die entsprechenden Ausführungen zu den 11 bis 13 verwiesen wird. Das in 14 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine Energiesystem mit einem Lüftungssystem 100 mit einer kombinierten Wärmepumpeneinrichtung 200 in Form einer (Ab-)Luftwärmepumpe und einer Lüftungseinrichtung 42. Bei dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel werden alle in den 11 bis 13 gezeigten Varianten zur Abwärmenutzung der Abwärme-generierenden Module in cumulo dargestellt. Durch das flexible, modulare Design können auch externe Geräte, wie Lüftungseinrichtungen, Wärmepumpen (Indoor oder Outdoor) als aktiv und passive Abwärmenutzer verwendet werden. Neben der bekannten direkten Nutzung der Wärme über eine Lüftungseinrichtung, kommt hier die variable Zwischenspeicherung über eine Luftl-Wasserwärmepumpe ebenso vor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiesystem (Gebäudeenergiesystem)
- 20
- Erstes Untersystem (Innensystem)
- 21
- Elektrolysemodul
- 22
- Brennstoffzellenmodul
- 23
- Spüleinrichtung (Spülkammer)
- 24
- Rückschlagventileinrichtung
- 25
- Filtereinrichtung
- 26
- Trocknereinrichtung
- 30
- Zweites Untersystem (Außensystem)
- 31
- Hochdruckspeichereinrichtung
- 32
- Mitteldruckspeichereinrichtung
- 33
- Ventileinrichtung
- 34
- Kompressoreinrichtung
- 35
- Rückschlagventileinrichtung
- 36
- Entspannungsvorrichtung (Druckminderer)
- 40
- Verbindungsleitungseinrichtung
- 40a bis 40k
- Leitungsabschnitt
- 41
- Druckmessvorrichtung
- 42
- Lüftungseinrichtung
- 43
- Gebäudewand
- 44
- Außenluft-Zufuhr
- 45
- Außenluft-Filtereinrichtung
- 46
- Zuluftstrom
- 47
- Lüftungskomponente
- 48
- Wärmetauscher (Kreuzstromwärmetauscher)
- 49
- Einrichtung zur Einstellung des Zuluftstroms (Zuluftklappe)
- 50
- Zuluftzufuhr
- 51
- Lüftungsanlage
- 52
- Abluftabfuhr
- 53
- Abluftstrom
- 54
- Abluft-Filtereinrichtung
- 55
- Gebläse
- 56
- Bypasseinrichtung
- 57
- Bypassstrom
- 58
- Luft/Wasserübertrager
- 59
- Bypasseinrichtung
- 60
- Abluftbypassstrom
- 61
- Fortluftabfuhr
- 62
- Brennstoffzellenmodulklappe
- 63
- Elektrolysemodulklappe
- 100
- Lüftungssystem
- 101
- Luftverteilungskanal
- 102
- Verteilungsöffnung
- 103
- Erstes Ende des Luftverteilungskanals
- 104
- Zweites Ende des Luftverteilungskanals
- 105
- Gebläse
- 106
- Luftsammelkanal
- 107
- Sammelöffnung
- 108
- Erstes Ende des Luftsammelkanals
- 109
- Zweites Ende des Luftsammelkanals
- 110
- Seitenwandung des Luftverteilungskanals
- 111
- Seitenwandung des Luftsammelkanals
- 112
- Steuereinrichtung
- 113
- Druckmesseinrichtung
- 114
- Zweite Luftausgangsöffnung des Luftsammelkanals
- 115
- Abfuhr von Luft und/oder Abwärme
- 116
- Zweite Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der zweiten Luftausgangsöffnung des Luftsammelkanals
- 117
- Luftausgangsöffnung des Luftverteilungskanals
- 118
- Abfuhr von Luft
- 119
- Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Luftausgangsöffnung des Luftverteilungskanals
- 120
- Lufteingangsöffnung des Luftverteilungskanals
- 121
- Zufuhr von Luft
- 122
- Luftzufuhrkanal
- 123
- Luftrezirkulationskanal
- 124
- Erste Luftausgangsöffnung des Luftsammelkanals
- 125
- Erste Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der ersten Luftausgangsöffnung des Luftsammelkanals
- 126
- Zweitluftkanal
- 127
- Dritte Luftausgangsöffnung des Luftsammelkanals
- 128
- Eingangsseite des Zweitluftkanals
- 129
- Dritte Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der dritten Luftausgangsöffnung des Luftsammelkanals
- 130
- Ausgangsseite des Zweitluftkanals
- 131
- Abwärme-generierendes Modul
- 132
- Keine Abwärme-generierendes Modul
- 133
- Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Verteilungsöffnung (Motorgetriebe Klappe)
- 134
- Vorrichtung zum Öffnen und/oder Schließen der Sammelöffnung (Rückschlagklappe)
- 135
- Leitung
- 136
- Gebläse
- 137
- Fortluftabfuhr
- 138
- Übertragungseinrichtung
- 200
- Wärmepumpeneinrichtung
- 101
- Kreislauf der Wärmepumpeneinrichtung
- 202
- Verdampfer
- 202a
- Erster Wärmetauscher (Fortluftwärmetauscher)
- 202b
- Zweiter Wärmetauscher (Außenluftwärmetauscher)
- 203
- Kompressor
- 204
- Kondensator
- 204a
- Dritter Wärmetauscher (Heizung und/oder Warmwasser)
- 204b
- Vierter Wärmetauscher (Heizung und/oder Warmwasser)
- 205
- Expandiervorrichtung
- 206
- Ventileinrichtung
- 207
- Ventileinrichtung
- AUL
- Außenluft
- FOL
- Fortluft
- ABL
- Abluft
- ZUL
- Zuluft
- VE
- Verdampfereintritt
- VA
- Verdampferaustritt
- K
- Kompressor (Kältemaschine)
- E
- Expansionsventil
- Q1
- Verdampfer = Quelle
- S1/S2
- Kondensator = Wärmetauscher (Heizung und/oder Warmwasser)
- FC
- Abluft der Brennstoffzelle
- gem AUL
- Außenluft und Abluft der Brennstoffzelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018133194 A1 [0004]
- DE 102012001120 A1 [0009]
- EP 0757398 A1 [0010]
- DE 102019105314 [0011]
- WO 2017089468 A1 [0065]
- WO 2017089469 A1 [0065]
