DE10343342A1

DE10343342A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes mit einem Luftgemisch mit abgesenktem Sauerstoffpartialdruck

Info

Publication number: DE10343342A1
Application number: DE10343342A
Authority: DE
Inventors: Axel Jahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-09-13
Also published as: DE10343342B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vefahren sowie eine Vorrichtung (10) zur Klimatisierung mindestens eines Raumes (38) mit einem Luftgemisch, das einen gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartikeldruck bei im Wesentlichen einem Umgebungsluftdruck entsprechenden Gesamtdruck aufweist. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zumindest ein Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs (O¶2¶) chemisch zu einem Reaktionsprodukt reduziert wird, vorzugsweise das Reaktionsprodukt abgetrennt wird und das so behandelte, sauerstoffarme Luftgemisch als Zuluft dem zu klimatisierenden Raum zugeführt wird. DOLLAR A Kernelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein O¶2¶-Reduktor (16) zur Reduzierung zumindest eines Teils des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs in ein Reaktionsprodukt. Der O¶2¶-Reduktor (16) kann bevorzugt eine Brennstoffzelle, ein Verbrennungsmotor, eine Turbine oder eine Brennkammer sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes mit einem Luftgemisch, welches einen gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck aufweist.

Es ist seit langem bekannt, Sportler in großen geographischen Höhen, beispielsweise bei 2.000 bis 4.000 m über Meeresspiegelniveau (Normalnull, NN), zum Zwecke ihrer Leistungssteigerung zu trainieren. In Höhenlagen herrscht ein – verglichen mit NN – geringerer Gesamtdruck der Luft, wodurch auch der Teildruck von Sauerstoff, der so genannte Sauerstoffpartialdruck, abgesenkt ist. Dabei ist die prozentuale Zusammensetzung der Luft im Wesentlichen unverändert gegenüber Meeresspiegelniveau, das heißt, der Volumenanteil des Sauerstoffs beträgt in der Höhe wie auf NN etwa 21 %. Durch den geringen Sauerstoffpartialdruck in der Höhe findet eine verminderte Sauerstoffaufnahme des Blutes statt. Nach einiger Zeit und insbesondere bei Belastung reagiert der Körper mit einer Anpassung an den Sauerstoffmangel durch Anpassung beziehungsweise Akklimatisation, um die verminderte Sauerstoffaufnahme und Sauerstofftransport zu kompensieren. Bei Rückkehr auf Normaldruck und damit zu normalen Sauerstoffverhältnissen verfügt der Körper über eine verbesserte Sauerstoffversorgung, was zu einer Leistungssteigerung führt. Dieser Effekt hält einige Wochen nach der Rückkehr auf NN an.

Der Aufenthalt in der Höhe führt darüber hinaus auch zu einer erhöhten Pulsfrequenz, die zu einer Stärkung des Kreis laufs führt, ohne dass es einer körperlichen Anstrengung bedarf. Obwohl die zugrunde liegenden Effekte derzeit noch erforscht werden, werden sie im Bereich der Rehabilitation von erkrankt gewesenen Personen bereits therapeutisch ausgenutzt.

Nach sportwissenschaftlichen Erkenntnissen kann der Effekt des Höhentrainings oder der Höhentherapie auch in einer Atmosphäre bei Normaldruck erreicht werden, in welcher jedoch der Sauerstoffpartialdruck so abgesenkt wird, dass er dem Sauerstoffpartialdruck einer bestimmten Höhe über NN entspricht. Um ein Luftgemisch mit abgesenktem Sauerstoffpartialdruck bei normalem Gesamtluftdruck zu erhalten, muss der Partialdruck anderer Luftbestandteile, insbesondere von Stickstoff, entsprechend erhöht werden. Luftverhältnisse mit einem einer bestimmten Höhe entsprechenden Sauerstoffpartialdruck bei gleichzeitig normalem Gesamtluftdruck werden auch als normobare Hypoxie bezeichnet. Beispielsweise entspricht eine Luft mit einem Sauerstoffvolumenanteil von 14,3 % einer Höhe von etwa 3.000 m über NN oder mit 16,2 einer Höhe von 2.000 m über NN. Eine Übersicht der Grundlagen zum Höhentraining findet sich in U. Fuchs und M. Reiß: Höhentraining, Trainer Bibliothek 27, Philippka-Verlag, 1990, 12–27.

Bekannte Verfahren zur Erzeugung von Luftgemischen mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck beziehungsweise mit niedrigem Sauerstoffanteil bei Normalluftdruck verwenden Techniken der Verdünnung/Mischung, der Luftzerlegung an Membranen, der Adsorption von Sauerstoff sowie der Verwendung von Atemmasken mit Rückführung der ausgeatmeten und aufbereiteten Luft.

Bei dem letztgenannten Verfahren wird gezielt eine durch menschliche Atmung (Atemmaskentraining) ausgeatmete und da mit sauerstoffreduzierte Luft in aufbereiteter Form rückgeführt und über die Atemmaske erneut dem Trainierenden zugeführt. Die Aufbereitung erfordert hier die Entfernung von Kohlendioxid an Absorbern zur Senkung des erhöhten CO₂-Partialdrucks (U. Fuchs, M. Reiß: Höhentraining, Trainer Bibliothek 27, Philippka-Verlag, 1990, 26–27).

Bei der Verdünnung wird die Luft mit einem Inertgas, in der Regel Stickstoff (zum Beispiel WO 96/37176 A), oder mit CO₂ vermischt. Das Verfahren ist technisch einfach realisierbar und hat zudem den Vorteil, dass auch unerwünschte Bestandteile der Luft, wie CO₂, Geruchsstoffe oder Partikel, in gleichem Maße wie Sauerstoff verdünnt werden, wobei das Verdünnungsmedium jedoch seinerseits keine Geruchsstoffe oder andere unerwünschte Bestandteile enthalten darf. Das Verfahren ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da die Verdünnungsmedien Stickstoff oder andere Inertgase teuer sind und in großen Mengen benötigt werden. Um 1 m³ eines Luftgemisches mit 14 % Sauerstoff herzustellen, sind – ausgehend von einem Sauerstoffgehalt von 21 % – bereits etwa 330 l Verdünnungsmedium notwendig. Kostensteigernd kommt hinzu, dass beim Anfahren des zu klimatisierenden Raumes auf den gewünschten Sauerstoffgehalt durch Zufuhr des Verdünnungsmediums bereits verdünnte Luft aus dem Raum verdrängt wird. Dadurch werden die teuren Verdünnungsmedien in zunehmendem Maße ungenutzt abgeführt, bis der gewünschte Sauerstoffgehalt erreicht ist. Damit scheidet das Verdünnungsverfahren für die Herstellung größerer Luftmengen für große Räume, die zudem in einem ständigen ungewollten Luftaustausch mit der Umgebung stehen, aus. Zudem stellen manche der Verdünnungsmedien für den Menschen Fremdgase dar. Da CO₂ in höheren Konzentrationen für den Menschen schädlich ist, kommt es als Verdünnungsmedium für Räume, die zum Personenaufenthalt bestimmt sind, nicht in Frage und wird nur für Brandschutzzwecke sowie in speziell geschützten Räumen, wie Rechenzentren, eingesetzt. Neuere Entwicklungen im Brandschutz verwenden deshalb Stickstoff als Verdünnungsmedium.

Bei der Luftzerlegung an Membranen wird Luft mittels Über- oder Unterdruck durch geeignete sauerstoffdurchlässige Membrane, insbesondere Hohlfasermembrane, gedrückt. Dabei diffundiert Sauerstoff durch die Membran, während Stickstoff zurückgehalten wird. Der so separierte Sauerstoff wird getrennt abgeführt und die erzeugte sauerstoffarme Luft dem zu klimatisierenden Raum zugeführt. Das Verfahren wird insbesondere im Brandschutz eingesetzt. Hier werden spezielle, vergleichsweise kleine Lagerräume für hochwertige Güter, wie Kunstgegenstände, Bücher oder Computerdaten, einmalig auf einen Sauerstoffanteil in der Luft unter etwa 15 % gebracht und gehalten. Da diese Räume mit in der Regel kleineren Raumvolumina und dichten Umschließungsflächen nicht zum Personenaufenthalt bestimmt sind und kaum einem Luftaustausch mit der Umgebung unterliegen, sind zum Anfahren (und zwar auch nur, sofern dieses im Umluftbetrieb geschieht) und zum Halten verhältnismäßig geringe Luftmengen und geringe Luftqualitäten erforderlich. Aus den Schriften WO 01/78843 A, EP 0 865 796 A oder WO 96/37176 A ist darüber hinaus die Anwendung der Membrantechnik zur Erzeugung von Luftgemischen für das normobare Hypoxietraining beziehungsweise die Hypoxietherapie bekannt, jedoch wird hier die Atemluft grundsätzlich über Atemmasken zur Verfügung gestellt, so dass hier vergleichsweise kleine Luftmengen notwendig sind. Die Versorgung von Schlafzelten mittels dieser Technik ist in WO 99/06115 A beschrieben. Neben der geringen Luftleistung im Bereich von einem Kubikmeter pro Stunde hat die Membrantechnik den Nachteil, auf Grund der hohen Kosten für die Pumpen und die Membrane bezogen auf die Luftleistung teuer und energieaufwendig zu sein. Ferner ist der durch die Apparate erzeugte Schall geringer Fre quenz (Infraschall) störend für das Wohlbefinden. Damit ist die Membrantechnik zur Erzeugung großer Luftmengen derzeit nicht verwendbar.

Bei der Adsorptionstechnik wird Luft in der Regel unter erhöhtem Druck durch ein geeignetes poröses Material geführt, welches Sauerstoff adsorbiert. Üblicherweise werden hier Molekularsiebe mit neolithischer Struktur verwendet. Da bei erschöpfter Speicherkapazität des verwendeten Materials dieses von Zeit zu Zeit regeneriert werden muss (in der Regel durch Luftentspannung), handelt es sich um ein diskontinuierliches Verfahren. Seine Anwendung für die normobare Hypoxie zu Trainings- oder Therapiezwecken ist aus der WO 96/37176 A, WO 01/78843 A, WO 99/06115 A oder WO 98/34683 A bekannt, wo zum Teil auch der kontinuierliche Betrieb durch Verwendung von zwei alternierend betriebenen Adsorptionseinheiten beschrieben ist. Jedoch werden auch hier nur geringe Luftmengen über Atemmasken zur Verfügung gestellt. Zudem stellt das Atemmaskentraining grundsätzlich eine starke Beeinträchtigung der Trainingsbedingungen dar.

Die Klimatisierung von zum Personenaufenthalt bestimmten Räumen unter den Bedingungen der normobaren Hypoxie betrifft den Bereich der Raumlufttechnik als Teilbereich der Raumklimatechnik. Im Gegensatz zur Prozesslufttechnik, welche technische Luftgemische für Maschinenanlagen oder als Druckluft betrifft, hat die Raumlufttechnik die Aufgabe, gewünschte klimatische Bedingungen in Räumen, Raumbereichen oder auch begrenzten Außenbereichen herzustellen. Eine typische Aufgabe der Raumlufttechnik ist die Einstellung einer thermischen Behaglichkeit mit den Parametern Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, empfundene Temperatur, relative und absolute Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, Turbulenzgrad und andere. Diese Anforderungen werden durch bekannte Maßnahmen wie Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten, Luftführung, Art der Lufteinbringung (mit oder ohne Induktion) und dergleichen bewältigt. Eine weitere Aufgabe der Raumlufttechnik betrifft den Partikelgehalt der Luft, wobei anorganische oder organische Teilchen, wie Staub, Pollen, Sporen oder Bakterien, durch Maßnahmen wie Luftfilterung, Luftwäsche oder Lufterneuerung entfernt werden. Insbesondere bei für den Personenaufenthalt bestimmten Räumen muss die Raumlufttechnik auch für eine ausreichende Luftqualität und Lufthygiene sorgen. Dabei sind Bestandteile wie CO₂, Geruchsstoffe, Abgase, Sporen, Zerfallsprodukte organischer Stoffe und dergleichen zu reduzieren oder zu entfernen. Andere bekannte Gebiete der Raumlufttechnik betreffen den Immissionsschutz, Brand- und Rauchschutz, Schutz von Bauteilen oder Rauminhalten, insbesondere vor Feuchtigkeit oder Temperaturschwankungen, und andere Gebiete. Die klassische Raumlufttechnik hat somit gleichzeitig eine Vielzahl von Parametern zu regulieren. Viele dieser Aufgaben werden in der Regel durch Zuführung von Außenluft gelöst (Lufterneuerung). Die übliche Zufuhr von Außenluft beträgt in Räumen mit geringer Belastung, wie Büroräumen, mindestens ein bis zwei Raumvolumina pro Stunde, um die Luftqualität in Aufenthaltsräumen sicherzustellen. In Sporträumen ist sogar eine deutliche höhere Außenluftzufuhr notwendig. Die Zufuhr von Außenluft in unbehandelter Form führt jedoch zu einem Sauerstoffeintrag in die Raumluft und schließt sich für auf normobare Hypoxiebedingungen klimatisierte Räume somit aus. Die Klimatisierung von Aufenthaltsräumen mit einem Luftgemisch entsprechend den Bedingungen für die normobare Hypoxie stellt somit ein neues Aufgabengebiet der Raumlufttechnik dar. Ebenfalls neu ist das Erfordernis des Immissionsschutzes für Räume der normobaren Hypoxie, um einem Eindringen von (guter) Außenluft entgegenzuwirken. Ebenso kann eine Abtrennung von Nebenprodukten der chemischen Reaktion erforderlich oder gewünscht sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Klimatisierung von Räumen einschließlich notwendiger Lufterneuerung, insbesondere von Aufenthaltsräumen für Personen, bereitzustellen, das die Einstellung normobarer Hypoxiebedingungen in effizienter Weise ermöglicht. Es soll ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 20. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zumindest einen Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs O₂ chemisch zu einem Reaktionsprodukt zu reduzieren und das so behandelte (sauerstoffreduzierte) Luftgemisch als Zuluft dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum zuzuführen. Dabei versteht es sich, dass die Zuluft weitestgehend Normalluftdruck aufweist, das heißt im Wesentlichen dem in der äußeren Luft (Umgebungsluft) herrschenden Luftdruck. Die Verwendung einer chemischen Reaktion zur Umsetzung des molekularen Sauerstoffs erlaubt ausreichend hohe Produktionsraten der sauerstoffreduzierten Zuluft, um auch größere Räume zu klimatisieren, die sich in einem gewissen unvermeidbaren oder gewollten Luftaustausch mit der Umgebung befinden. Zudem kann bei geeigneter Wahl der chemischen Reaktion die freigesetzte Reaktionsenergie dem Klimatisierungsprozess – in Form von elektrischer Energie und/oder mechanischer Energie und/oder Wärmeenergie – wieder zugeführt werden und somit einen Teil der für das Verfahren aufzuwendenden Energie aufbringen.

Es ist bevorzugt vorgesehen, das Reaktionsprodukt der chemischen Umsetzung von dem restlichen Luftgemisch vor seiner Zuführung zu dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum zumindest teilweise abzutrennen. Dies kann etwa dadurch geschehen, dass der Sauerstoff zu einem flüssigen oder kon densierbaren, festen oder sublimierbaren Reaktionsprodukt umgesetzt wird, das durch eine entsprechende Phasentrennung aus dem Luftgemisch entfernt wird. Denkbar ist auch, das Reaktionsprodukt beispielsweise durch Adsorption oder katalytische Umsetzung zu entfernen.

Mehrere Möglichkeiten der chemischen Reduktion des Sauerstoffs sind denkbar. Nach einer besonders bevorzugten Ausführung erfolgt die Reduzierung des Sauerstoffs durch seine elektrochemische Umsetzung mit einem geeigneten Brennstoff in einer Brennstoffzelle. Dabei wird als Brennstoff insbesondere molekularer Wasserstoff H₂ verwendet, mit dem der Sauerstoff zu Wasser H₂O umgesetzt wird, das nach Kondensation leicht von dem restlichen Luftgemisch abgetrennt werden kann. Grundsätzlich ist jedoch auch Methanol CH₄ als Brennstoff des so genannten DMFC Zelltyps (direct methanol fuel cell) bekannt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Neben dem umweltfreundlichen Reaktionsprodukt Wasser hat die Verwendung der elektrochemischen Brennstoffzelle den Vorteil der Erzeugung elektrischer Energie, die dem Prozess wieder zugeführt werden kann.

Eine alternative Ausgestaltung sieht die Reduzierung des Sauerstoffs durch Zufuhr und offener Verbrennung eines der Luft zugeführten Brennstoffs in einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine vor, wobei auch hier molekularer Wasserstoff als bevorzugter Brennstoff vorgesehen ist. Vorteilhaft ist hier die Erzeugung exergetisch besonders wertvoller mechanischer Energie, welche im Verfahren genutzt werden kann, um den Energiebedarf zu senken.

Alternativ kann die Reduzierung des Sauerstoffs auch durch Verbrennung mit im Wesentlichen offener Flamme in einer Brennkammer erfolgen, wobei der Brennkammer Luft und ein geeigneter Brennstoff (gemischt oder separat) zugeführt wird und der Brennstoff mit dem Sauerstoff verbrannt wird. Dabei kann als Brennstoff jedes brennbare Gas, insbesondere Methan, Ethan, Propan, Buthan, vorzugsweise aber molekularer Wasserstoff verwendet werden. Ebenfalls kommen Gasmischungen wie Erdgas in Frage. Grundsätzlich kann aber auch ein flüssiger Brennstoff, wie Benzin oder dergleichen, in der Brennkammer verbrannt werden. Das bei Verwendung von Wasserstoff entstehende Wasser kann durch Kondensation leicht vom restlichen Luftgemisch abgetrennt werden. Im Falle der Verbrennung niederer Alkane entsteht als Verbrennungsprodukt hauptsächlich Kohlendioxid CO₂, das durch Adsorption oder durch Einleitung in geeignete wässrige Lösungen oder Luftwäsche abgetrennt werden kann. In jedem Fall ist die Einhaltung relativ niedriger Verbrennungstemperaturen vorteilhaft, um die Erzeugung von Stickoxiden NO_x möglichst weitgehend zu unterdrücken. Hier gibt es viel Erfahrung im Kesselbau oder bei Verbrennungsmotoren. Grundsätzlich können als Brennkammer alle im Heizungsanlagenbau bekannten Brennertypen (Heizkessel) Verwendung finden.

Nach einer weiteren Alternative erfolgt die Reduzierung des Sauerstoffs durch Umsetzung mit einem Brennstoff an einem geeigneten Katalysator. Ebenfalls ist denkbar, insbesondere bei Verwendung von Luft mit verhältnismäßig niedrigem Sauerstoffanteil (beispielsweise bei Umluftbetrieb), den Sauerstoff an elektrisch beheizten Drähten mit einem Brennstoff umzusetzen. Daneben ist prinzipiell auch eine chemische Umsetzung des Sauerstoffs mit geeigneten Reaktanden, beispielsweise Salzen, bekannt, die den Sauerstoff zu einem Feststoff umsetzen.

Bei allen Formen der chemischen Umsetzung wird bevorzugt molekularer Wasserstoff H₂ als Brennstoff eingesetzt, da somit Wasser als Verbrennungsprodukt erzeugt wird, das umweltfreundlich und gleichzeitig leicht vom Luftgemisch ab trennbar ist. Andere Brennstoffe als Wasserstoff, insbesondere brennbare Gase wie Methan, Ethan, Propan, Butan, oder Gemischen von diesen auch mit molekularem Wasserstoff (H₂), aber auch flüssigen fossilen Brennstoffen, können – abhängig von der Wahl der chemischen Umsetzung des Sauerstoffs – ebenfalls Verwendung finden. In diesen Fällen wird jedoch aufgrund der entstehenden Reaktionsprodukte, wie CO₂, CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, oder NO_x, die Nachbehandlung des behandelten Luftgemischs zwingend erforderlich.

Im Falle der bevorzugten Verwendung von molekularem Wasserstoff H₂ als Brennstoff und Reaktionspartner des Sauerstoffs kann dieser durch Elektrolyse von Wasser erzeugt werden. Die hierfür aufzubringende elektrische Energie kann beispielsweise photovoltaisch mittels Solarzellen aufgebracht werden. Bei Verwendung einer Brennstoffzelle zur Sauerstoffreduktion kann mit dem so erzeugten Strom ein Teil des erforderlichen Energieaufwands für die Elektrolyse gedeckt werden. Alternativ kann der Wasserstoff auch durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Brenngasen oder Benzin, erzeugt werden.

Das Verfahren ist prinzipiell in der Lage, den Sauerstoffpartialdruck im gesamten Bereich von sehr niedrigen Volumenanteilen, beispielsweise 5 %, bis zu dem natürlichen Anteil in der Luft von 21 % einzustellen. Sollen Räume für Trainings- oder Therapie-/Rehabilitationsmaßnahmen klimatisiert werden, wird der Sauerstoffpartialdruck insbesondere auf Volumenanteile von 12 bis 16 %, insbesondere auf etwa 14 % abgesenkt. Dabei kann das Verfahren vorteilhaft auch geregelt betrieben werden, wobei ein in dem zu klimatisierenden Raum (beispielsweise mit einer Lambdasonde) gemessener Sauerstoffpartialdruck mit einem gewünschten Sauerstoffpartialdruck verglichen wird und eine Umsatzrate der chemischen Reduzierung des Sauerstoffs und/oder eine Luftzufuhrrate in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum in Abhängigkeit von einer Abweichung des gemessenen von dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird.

Da das Verfahren in erster Linie zur Klimatisierung von zum Personenaufenthalt bestimmten Räumen, aber auch kleineren Räumen oder zur Maskenbeatmung bestimmt ist, in jedem Fall also ein "atembares" Luftgemisch erzeugt werden soll, sollte die produzierte Zuluft mit abgesenktem Sauerstoffpartialdruck den gewohnten "Frischeeffekt" von guter Außenluft haben. Hierfür können die eingangs erläuterten üblichen Klimagrößen der Raumlufttechnik eingestellt werden. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, die sauerstoffreduzierte Zuluft vor ihrer Zuführung zu dem zu klimatisierenden Raum mindestens einer der folgenden Aufbereitungsmaßnahme zu unterwerfen:

– Filtration und/oder Luftwäsche (im direkten Kontakt mit Wasser) zur Entfernung von Partikeln,
– katalytische Nachbehandlung und/oder Luftwäsche zur Entfernung gasförmiger Komponenten,
– Temperierung zur Einstellung einer vorgegebenen Lufttemperatur,
– Befeuchten oder Entfeuchten zur Einstellung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit,
– Einstellung eines vorgegebenen CO₂-Gehalts,
– Ionisation zur Einstellung einer Luftqualität.

Weitere, in der Raulufttechnik bekannte Aufbereitungsmaßnahmen können hier selbstverständlich ebenfalls Anwendung finden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Klimatisierung mindestens eines Raumes mit einem Luftgemisch, das einen gegenüber der Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck aufweist, umfassend einen O₂-Reduktor zur Reduzierung zumindest eines Teils des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs zu einem Reaktionsprodukt und eine Zufuhreinrichtung zur Zuführung des behandelten Luftgemisches in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist kostengünstig in Anschaffung und Betrieb und geeignet, auch größere Räume auf Bedingungen der normobaren Hypoxie zu klimatisieren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Überblick über eine gesamte Klimatisierungsanlage und die zugehörigen Verfahrensstufen;
2 sechs verschiedene vorteilhafte Ausführungsvarianten des O₂-Reduktors;
3 Luft- und Wasseraufbereitung zur Abtrennung der Reaktionsprodukte und zur Wärmeabfuhr und
4 Klima- und Luftqualitätsnachbehandlung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines vorteilhaften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes unter normobarer Hypoxiebedingung. Gleichzeitig verdeutlicht 1 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sofern alternative Maßnahmen dar gestellt sind, sind diese durch kursive Schrift gekennzeichnet.
Beginnend auf der linken Seite, Mitte von 1 weist die insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung eine nicht weiter dargestellte Ansaugeinrichtung 11 auf, mit der Luft aus der Umgebung angesaugt und in das System 10 eingespeist wird. Die angesaugte Umgebungsluft kann in einem ersten optionalen Schritt in einer Reinigungseinrichtung 12, beispielsweise einem Partikelfilter oder Luftwäscher, gereinigt werden. Die Luftvorbehandlung ist insbesondere zur Entfernung von Luftbestandteilen wichtig, die im anschließenden Reduktionsprozess zu unerwünschten Produkten verbrennen können. Nachfolgend passiert sie eine Mischkammer 14, in der aus dem Prozess rückgeführte Umluft in beliebigen Anteilen zugemischt werden kann. Auch die Umluft kann in entsprechender Weise in einer zweiten Reinigungseinrichtung 42 gereinigt werden (s.u.).
Anschließend erfolgt in einem O₂-Reduktor 16 eine chemische Umsetzung eines Teils des in der Umgebungsluft und/oder der rückgeführten Umluft enthaltenen molekularen Sauerstoffs O₂, der mit einem geeigneten Reaktionspartner (Brennstoff) zu einem Reaktionsprodukt umgesetzt wird. Der O₂-Reduktor 16 kann in verschiedenen Ausführungsvarianten ausgestaltet sein, die an späterer Stelle anhand der 2A bis 2F näher erläutert werden.
Der für die Reduktion des Sauerstoffs erforderliche Brennstoff wird aus einem Brennstofftank 18 zugeführt. Da – abhängig von der Wahl des O₂-Reduktors 16 – der bevorzugte Brennstoff molekularer Wasserstoff H₂ ist, handelt es sich bei dem Brennstofftank 18 bevorzugt um einen H₂-Speicher. Alternativ kann der Brennstoff, insbesondere im Fall von Erdgas, auch ohne Speicherung direkt über Gasleitungen zugeliefert werden.
Zwei Alternativen zur Gewinnung von molekularem Wasserstoff H₂ sind im oberen Teil der 1 angedeutet, wobei mit 20 die elektrolytische H₂-Gewinnung und mit 22 die H₂-Gewinnung durch Reformierung bezeichnet ist. Beide Verfahren sind bekannt und sollen daher nur prinzipiell erläutert werden.
Bei der elektrolytischen H₂-Gewinnung 20 wird in einer Elektrolysezelle 24 Wasser, das meist als alkalische, wässrige Elektrolytlösung vorliegt, an Elektroden (Kathode und Anode) zersetzt. Dabei wird an der Kathode molekularer Wasserstoff H₂ und an der Anode molekularer Sauerstoff O₂ freigesetzt. Der für die Wasserzersetzung erforderliche elektrische Strom kann beispielsweise in einer Photovoltaikanlage 26 unter Ausnutzung von Sonnenenergie oder aus anderen Energiequellen gewonnen werden. Im Falle einer Stromerzeugung durch den O₂-Reduktor 16 kann auch dieser Strom hier eingespeist werden, um einen Teil des Strombedarfs zu decken.
Bei der H₂-Gewinnung durch Reformierung 22 werden fossile Brennstoffe, in der Regel Brenngase, wie Erdgas, Methangas, Stadtgas, in einem Reformer 28 beispielsweise unter Zuführung von Wasserdampf umgesetzt. Dabei entstehen neben molekularem Wasserstoff H₂ weitere Umsetzungsprodukte, wie CO₂ und niedermolekulare Kohlenwasserstoffe. Die bei einigen Reformierungsverfahren in Form von Heißdampf anfallende Wärmeenergie ist nutzbar.
Die notwendige Wasserstoffgewinnung kann extern oder – insbesondere bei elektrolytischer Gewinnung – auch vor Ort erfolgen. Die Speicherung des Wasserstoffs im Speicher 18 entkoppelt dabei den Bedarf von der verfügbaren Solarstrahlung oder von der Anlieferung per Tankwagen.
Nach Verlassen des O₂-Reduktors 16 weist das Luftgemisch beispielsweise einen Volumenanteil des Sauerstoffs von 14 auf, entsprechend einem Sauerstoffpartialdruck von ungefähr 140 mbar. Dieses Gasgemisch wird in einem Luftbereiter 30 von den Reaktionsprodukten des Sauerstoffs und gegebenenfalls anfallenden Nebenprodukten zumindest weitgehend befreit. Liegt das Reaktionsprodukt im Falle der Verwendung von Wasserstoff als gas- oder dampfförmiges Wasser vor, erfolgt die Abtrennung vorzugsweise durch Kondensation. Das so abgeschiedene Wasser kann mittels einer Wasserbehandlungseinrichtung 32 etwa zur Verhinderung von Verkeimung aufbereitet werden. Einzelheiten des Luftbereiters 30 und der Wasserbehandlungseinrichtung 32 sind weiter unten anhand von 3 näher erläutert.
Nach Abtrennung der Reaktionsprodukte durchläuft das sauerstoffreduzierte Luftgemisch eine Temperiereinrichtung 34, in der mittels Heizen und/oder Kühlen eine gewünschte Lufttemperatur eingestellt wird. Die Temperierung kann alternativ auch vor der Abtrennung der Reaktionsprodukte erfolgen.
Anschließend erfolgt in einer Nachbehandlungseinrichtung 36 die Einstellung einer gewünschten Luftqualität, wobei insbesondere anorganische oder organische Partikel, CO₂, Geruchsstoffe und dergleichen aus der Luft entfernt werden. Einzelheiten zu der Temperier- und der Nachbehandlungseinrichtung 34 und 36 sind weiter unten im Zusammenhang mit 4 dargestellt.
Die so aufbereitete Luft wird über eine Zufuhreinrichtung 37 als Zuluft (Raumluft) einem zu klimatisierenden Raum 38 (oder Räumen) zugeführt. Hierbei handelt es sich um Räume, die unter Bedingungen der normobaren Hypoxie betrieben werden, insbesondere Trainingsräume für Sportler oder Therapieräume zur Rehabilitation Genesender oder alter Menschen. Um den Raum 38 gegen Eindringen von unbehandelter Umgebungsluft, von draußen oder aus Nachbarräumen, zu schützen, wird vorzugsweise mit Zuluftüberschuss gefahren. Die Größe des Überschusses hängt von Undichtigkeiten der Umschließungsflächen ab sowie von der Häufigkeit der Nutzung von Zutrittsschleusen durch Personen. Denkbar ist auch, den Raum 38 in besonderen Fällen unter Regelung eines Überdrucks von beispielsweise 2 bis 3 Pa geregelt zu fahren.
Die den Raum 38 verlassende Luft kann entweder als Abluft in die Umwelt abgeführt werden oder vollständig oder teilweise im Umluftbetrieb über die Mischkammer 14 dem Aufbereitungsprozess zurückgeführt werden. Der Umluftbetrieb kann besonders im Falle der Verwendung eines O₂-Reduktors in Form einer Brennkammer, in der Sauerstoff mit offener Flamme mit einem Brennstoff verbrannt wird, sinnvoll sein, um die Verbrennungstemperatur zu senken und damit die NO_x-Bildung zu unterdrücken. Entsprechende Maßnahmen sind beispielsweise bei Verbrennungsmotoren in Form von innerer oder externer Abgasrückführung bekannt.
Zur Aufbereitung der Umluft kann optional eine thermische Umluftbehandlungseinrichtung 40 vorgesehen sein, welche die Funktionen Heizen, Kühlen, Befeuchten und/oder Entfeuchten umfasst. Diese ist insbesondere bei Räumen 38 der normobaren Hypoxie mit einer hohen, beispielsweise durch Schwimmbäder verursachten Feuchtigkeitslast zweckmäßig, wo eine Entfeuchtung der Umluft notwendig ist. Dies kann in bekannter Weise über Oberflächenkühler oder mittels einer Entfeuchtungs-Wärme-Pumpe erfolgen.
Ferner kann eine weitere Reinigungseinrichtung 42 in der Umluftleitung vorgesehen sein, um ungewollte Verbrennungsprodukte organischer oder anorganischer Verbindungen zu vermeiden. Hierfür können Partikelfilter, Aktivkohlefilter oder in Sonderfällen Luftwäscher eingesetzt werden. Denkbar ist auch, die Reinigungseinrichtungen 12 und 42 zu einer einzigen, der Mischkammer 14 nachgeschalteten Reinigungseinrichtung zusammenzufassen.
Selbstverständlich umfasst die Vorrichtung 10 auch notwendige, nicht dargestellte Luftfördereinrichtungen zum Transport der Luft durch die Luftleitungen und in die verschiedenen Einrichtungen.
Die 2A bis 2F zeigen sechs verschiedene Ausführungsformen des O₂-Reduktors 16. Die Strömungsrichtung des ein- beziehungsweise austretenden Gasgemisches ist jeweils durch die horizontalen Doppelpfeile gekennzeichnet.
Gemäß 2A ist der O₂-Reduktor 16 als Brennstoffzelle ausgestaltet. Dabei ist eine Vielzahl von Einzelzellen in Form eines Zellstapels 44 vorgesehen. Die Funktion der Brennstoffzelle ist allgemein bekannt. Prinzipiell wird hier molekularer Wasserstoff H₂ mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff O₂ elektrochemisch an Elektroden zu Wasser H₂O umgesetzt. Durch räumliche Trennung der beiden Teilreaktionen, Oxidation von Wasserstoff H₂ zu H⁺ sowie Reduktion von Sauerstoff O₂ zu O^2–, lassen sich die vom Wasserstoff abgegebenen Elektronen in Form eines elektrischen Stroms nutzbar machen. Da es sich hierbei um eine exotherme Reaktion handelt, kann auch die entstehende Wärmeenergie genutzt werden. Es sind verschiedene Typen der Brennstoffzelle bekannt, beispielsweise die alkalische Brennstoffzelle, die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die phosphorsaure Brennstoffzelle und andere. Auch ist die Direct-Methanol-Fuel-Gell bekannt, die statt Wasserstoff Methanol als Brennstoff verwendet. Alle bekannten oder noch zu entwickelnde Typen sind prinzipiell im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Das Luftgemisch verlässt die Brennstoffzelle mit einem reduzierten Sauerstoffgehalt und damit reduziertem Sauerstoffpartialdruck und enthält als Reaktionsprodukt des Sauerstoffs gas- oder dampfförmiges Wasser.
2B zeigt einen als Brennkammer ausgestalten O₂-Reduktor 16. Hier trifft das einströmende Luftgemisch zunächst auf einen Gleichrichter 46, der im Wesentlichen die Aufgabe hat, das Luftgemisch homogen in der Kammer zu verteilen. Das Luftgemisch tritt dann in einen Brennraum 48, in dem ein Gasbrenner 50 angeordnet ist. Der Gasbrenner 50 verfügt über eine Vielzahl von Düsen, aus denen ein zugeführter Brennstoff, hier Wasserstoff H₂, austritt und mit offener Flamme unter Verbrauch des Sauerstoffs verbrennt. Alternativ können auch andere Brenngase, beispielsweise Erdgas, eingesetzt werden. Die Verbrennungsreaktion wird vorzugsweise bei niedrigen Verbrennungstemperaturen durchgeführt, um die Entstehung von Stickoxiden weitgehend zu unterdrücken. Die entstehende Verbrennungswärme wird über einen nachgeschalteten, vorzugsweise trockenen Wärmeaustauscher 52 abgeführt, ehe die sauerstoffreduzierte Luft den O₂-Reduktor verlässt. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeabfuhr auch über die Wände des Brennraums 48 durch Strahlung und/oder Konvektion abgeführt werden. Abweichend von der dargestellten Ausführung sind hier auch weitere, insbesondere aus dem Kesselbau bekannte Brennerarten einsetzbar, beispielsweise Vormischbrenner, bei denen eine Gemischaufbereitung außerhalb der Brennkammer erfolgt; Matrixstrahlungsbrenner, bei denen das Luft-/Gas-Gemisch an der Oberfläche eines Edelstahlgewebes praktisch flammenlos verbrannt wird; atmosphärische oder Überdruck-Brenner; Bren ner, die eine die Verbrennung unterstützende katalytische Beschichtung aufweisen oder auch Kombinationen der genannten Prinzipien.
2C zeigt einen O₂-Reduktor 16 in Gestalt einer katalytischen Verbrennungseinrichtung. Das Luftgemisch tritt zunächst in eine Vorkammer 54, in der es mit Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff, der über eine Gasverteilerlanze 56 zugeführt wird, vermischt wird. Nachfolgend durchströmt das Gasgemisch einen porösen Katalysatorblock 58, der eine Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die auf ihrer Oberfläche ein katalytisch wirksames Material aufweisen. An dem Katalysatorblock 58 findet die katalytische Reduktion des Luftsauerstoffs mit dem zugeführten Brennstoff statt. Gleichzeitig funktioniert der Katalysatorblock 58 als Gleichrichter. Über den nachgeschalteten trockenen Wärmeaustauscher 52 erfolgt die Abfuhr der entstandenen Wärmeenergie, ehe das Gasgemisch den Reduktor 16 verlässt.
2D zeigt einen O₂-Reduktor 16 in Form einer mit Heizdrähten betriebenen Brennkammer. Nach Durchströmen des Gleichrichters 46 tritt das Luftgemisch in den Brennraum 48, wo es mit einem über die Gasverteilerlanze 56 zugeführten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, vermischt wird. Ebenfalls in dem Brennraum 48 angeordnet sind elektrisch beheizte Heizdrähte 60, beispielsweise in Form eines Drahtnetzes. Die Heizdrähte 60 bewirken die stetige Verbrennung des Brennstoffs. Auch hier erfolgt eine trockene Wärmeabfuhr über den Wärmeaustauscher 52, ehe das sauerstoffreduzierte Luftgemisch den O₂-Reduktor 16 verlässt. Das in 2D dargestellte Prinzip zur Sauerstoffreduktion an elektrisch beheizten Drähten eignet sich besonders für Luftgemische mit verhältnismäßig niedrigem Sauerstoffgehalt. Somit kann auch rückgeführte Umluft oder Mischluft aus Umluft und Umgebungsluft mit bereits reduziertem Sauerstoffgehalt verwendet werden.
2E zeigt einen O₂-Reduktor 16 in Form eines Verbrennungsmotors, insbesondere in Form einer Gasturbine 62 (Verbrennungsturbine). In der Gasturbine wird in bekannter Weise ein Brennstoff, vorzugsweise H₂, mit Luft in einem Brennraum verbrannt, wodurch ein Großteil der freigesetzten Energie zum Antrieb einer nicht dargestellten Turbine genutzt wird. Die so erzeugte mechanische Energie ist eine besonders gut im Prozess nutzbare Energieform. Bei Ausgestaltung der Turbine als Generator kann die mechanische Energie in ebenfalls nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Die gleichzeitig freigesetzte Wärmeenergie wird aus dem im Prozess entstehenden Hochdruckdampf über den Wärmeaustauscher 52 abgeführt.
2F zeigt einen O₂-Reduktor 16 in Form eines Verbrennungsmotors, insbesondere in Form eines Kolbenmotors 64. In einem Brennraum des Motors 64 wird in bekannter Weise ein geeigneter Brennstoff, wiederum bevorzugt H₂, mit Luft verbrannt, wobei die Reaktionsenergie genutzt wird, um einen nicht dargestellten beweglichen Kolben anzutreiben. Somit entsteht auch bei diesem Prozess nutzbare mechanische Energie. Die erforderliche Kühlung des Motors 64 erfolgt üblicherweise über die Motorwände. Zusätzlich kann eine Kühlung des Abgases und damit Wärmeabführung über den Wärmeaustauscher 52 stattfinden.
Insbesondere bei Verwendung von Verbrennungsmotoren gemäß den 2E und 2F ist es vorteilhaft, die Verbrennungstemperaturen möglichst niedrig zu halten, um der Bildung von Stickoxiden NO_x entgegenzuwirken. Dies erfolgt einerseits durch Kühlung der Motorgehäuse und andererseits durch Zumischung von sauerstoffarmer Umluft zu der Außenluft.
Diese Verfahrensweise ist in der Motortechnik als Abgasrückführung bekannt.
Grundsätzlich gilt für alle O₂-Reduktoren 16, dass frei werdende Wärmeenergie bereits im Reduktor, dem Ort des höchsten Temperaturniveaus, abgeführt werden kann oder sogar abgeführt werden muss.
Eine weitere (nicht dargestellte) Ausgestaltungsmöglichkeit des O₂-Reduktors 16 nutzt ein anderes Verfahren. Dabei wird eine Lösung eines geeigneten Reduktionsmittels unter Zufuhr des Luftgemisches versprüht oder verrieselt, wobei das gelöste Reduktionsmittel mit dem Luftsauerstoff zu einem Feststoff reagiert, der ausgefiltert werden kann. Beispielsweise ist aus der Trinkwasseraufbereitung bekannt, im Wasser gelöstes Eisen auf diese Weise mit Luftsauerstoff zu Eisenoxid zu oxidieren.
In allen dargestellten Ausführungen des O₂-Reduktors 16 erfolgt eine Freisetzung der Reaktionsenergie bei der Reduzierung von Sauerstoff beziehungsweise der Verbrennung eines Brennstoffs, insbesondere H₂. Abhängig von der Wahl des Reduktors 16 wird diese Energie in Form von Wärmeenergie, bevorzugt auch als elektrische oder mechanische Energie, erzeugt. Alle Energieformen werden bevorzugt dem Klimatisierungsverfahren wieder zugeführt, um den Energiebedarf teilweise abzudecken. Beispielsweise kann die Energie für die Erzeugung des Brennstoffs H₂ genutzt werden oder zur Erzeugung von Kälte, welche für die Kühlung, Entfeuchtung oder Reinigung des Reaktionsluftgemisches erforderlich ist. Andere Nutzungsformen in- und/oder außerhalb des Verfahrens sind ebenfalls denkbar.
Einzelheiten des Luftbereiters 30 und der Wasserbehandlungseinrichtung 32 aus 1 sind in 3 darge stellt. Der Luftbereiter 30 hat die Aufgabe, die Verbrennungsprodukte des O₂-Reduktors 16 und gegebenenfalls anfallende Nebenprodukte aus dem Luftgemisch zu entfernen. Vorliegend wird von der Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel und damit gas- oder dampfförmiges Wasser als abzutrennendes Reaktionsprodukt ausgegangen. Das mit dem gas- oder dampfförmigen Wasser beladene Gasgemisch tritt in den Luftbereiter 30 ein und trifft dort auf einen Oberflächenkühler 66, der unter nasser Kühlung eine teilweise Kondensation des Wassers und damit eine Kühlung und Entfeuchtung des restlichen Luftgemischs bewirkt. Durch die abgeführte Wärme wird das verwendete Kühlmedium auf zirka 40 bis 50 °C erwärmt, so dass die Wärmeenergie inner- oder außerhalb des Systems genutzt werden kann. Das am Kühler 66 kondensierte Wasser fließt in eine Wäscherwanne 68, die am Boden einer Entfeuchtungskammer 70 angeordnet ist. In der Entfeuchtungskammer 70 wird das Luftgemisch mit Wasser, das über einen Düsenstock 72 in Form eines Sprüh- oder Rieselbefeuchters versprüht beziehungsweise verrieselt wird, behandelt, wodurch eine weitere Kondensation des in der Luft enthaltenen Wassers stattfindet. Um hier den gewünschten Entfeuchtungseffekt zu erzielen, weist das versprühte oder verrieselte Wasser eine dem Sollwert des Taupunkts des Luftgemischs entsprechende Temperatur auf. (Soll an dieser Stelle im Gegenteil eine Befeuchtung der Luft erzielt werden, muss die Wassertemperatur den Taupunkt übersteigen.) Neben der Trocknung des Luftgemisches auf den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt erfolgt eine Entfernung von Reststoffen (Luftwäsche) und eine Bindung von CO₂. Letztere ist in Fällen zwingend erforderlich, in denen im O₂-Reduktor 16 statt H₂ fossile Brennstoffe eingesetzt werden. Das zur CO₂-Bindung verwendete Umlauf- oder Durchlaufwasser kann zu diesem Zweck auch in bekannter Weise konditioniert werden. Nach Passage eines Tropfabscheiders 74 verlässt das Luftgemisch den Luftbereiter 30 und ist somit von dem Reaktionsprodukt des Sauerstoffs befreit, weist die gewünschte Luftfeuchtigkeit auf und ist bereits weitgehend frei von Partikeln.
In der Anordnung 30 kann der nasse Oberflächenkühler 66 entfallen, ist jedoch für die Nutzung der Wärmeenergie sinnvoll. Ebenso ist denkbar, das am Kühler 66 kondensierte Wasser nicht der Wasserbehandlungseinrichtung 32 zuzuführen, sondern getrennt abzuleiten. Ferner können der Oberflächenkühler 62 und der aus Entfeuchtungskammer 70 und Düsenstock 72 bestehende Luftwäscher auch in getrennten Geräteeinheiten untergebracht sein.
Das in der Wäscherwanne 68 gesammelte Wasser wird zumindest teilweise der Wasserbehandlungseinrichtung 32 zugeführt, wo es zunächst über eine Heizeinrichtung 76, beispielsweise einem Wärmeaustauscher, auf eine Entgasungstemperatur erwärmt wird. Das erwärmte Wasser gelangt dann in eine mit einem Unterdruckventilator ausgestattete Entgasungskammer 78, von wo die unter dem Unterdruck vergasenden Bestandteile, beispielsweise CO₂, abgeführt werden. Da beim Einsatz von Wasserstoff als Brenngas kein CO₂ entsteht, kann in diesem Fall die thermische Entgasung (76, 78) entfallen. In einem nachgeschalteten Wasserfilter 80 erfolgt eine Entfernung und Abschlämmung von Feststoffen aus dem Wasser. Anschließend wird in einem Wasserkühler 82 das Wasser auf oder unter den Taupunkt der Zuluft des Luftbereiters 30 gekühlt. Dann erfolgt in Block 84 eine Einstellung des pH-Wertes des Wassers. Optional kann die Wasserbehandlungseinrichtung 32 auch eine nicht dargestellte Desinfektionseinrichtung aufweisen, in der beispielsweise durch UV-Strahlung Bakterien, insbesondere auch Legionellen, abgetötet werden. Das behandelte Wasser wird über eine Pumpe 86 der Entfeuchtungs-/Wäscherkammer 70 des Luftbereiters 30 zugeführt. Überschüssiges Wasser wird über ein Auslassventil 88 abgeführt.
Optional kann der trockene Kühler 52 des O₂-Reduktors 16 aus den 2A bis 2F und der Oberflächenkühler 66 aus 3 in einer Einheit zusammengefasst werden.
Einzelheiten der Temperier- und der Nachbehandlungseinrichtung 34 und 36 zeigt 4. In der Temperiereinrichtung 34 erfolgt über einen Luftkühler 90 und einen Luftheizer 92 eine Einstellung auf eine gewünschte Lufttemperatur. In der Regel kann der Luftkühler 90 entfallen. In der Nachbehandlungseinrichtung 36 erfolgt eine Einstellung einer gewünschten Luftqualität, wobei in einem Partikelfilter 94 Feststoffe, wie Staub oder Bakterien, aus der Luft entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Aktivkohlefilter 96 vorgesehen sein, der insbesondere Geruchsstoffe aus der Luft bindet. Ebenfalls zusätzlich oder alternativ kann eine Ionisationskammer 98 vorgesehen sein, mit der durch erzeugte Sauerstoffradikale beispielsweise Sporen oder Zerfallsprodukte organischer Stoffe entfernt werden können und die insbesondere den gewünschten "Frischeeffekt" der Luft bewirkt. Die dargestellte Reihenfolge ist zwar bevorzugt, jedoch kann in bestimmten Fällen auch die umgekehrte Reihenfolge der Einrichtungen 34 und 36 vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung 10 kann grundsätzlich in zwei Betriebszuständen betrieben werden. Zu Beginn der Klimatisierung des Raumes 38 mit einer Luftatmosphäre der normobaren Hypoxie erfolgt ein reiner Umluftbetrieb, wobei die den Raum 38 verlassende Abluft vollständig über den Umluftstrang und die Mischkammer 14 zurückgeführt wird. Dieses Anfahren erfolgt so lange, bis der zu klimatisierende Raum 38 den gewünschten Sauerstoffgehalt aufweist.
Sobald der gewünschte Sauerstoffgehalt erreicht ist, wird die Anlage auf einen geregelten oder gesteuerten Haltebetrieb umgeschaltet, bei dem der über die Mischkammer 14 zugeführte Umgebungsluftanteil auf ein notwendiges Maß begrenzt wird. Bei der Bemessung des Umgebungsluftanteils sind vorliegend mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Einerseits muss eine ausreichende Abfuhr von Lasten aus dem Raum 38, beispielsweise von Geruchsstoffen, CO₂, Staub, Fasern etc., gewährleistet werden. Andererseits muss der Raum 38 gegen Eindringen von sauerstoffreicher Außenluft geschützt (Immissionsschutz) und der nicht zu vermeidende Luftaustausch mit der Umgebung kompensiert werden. Schließlich kann – wie bereits erwähnt – ein bestimmter Umgebungsluftanteil zur Absenkung der Verbrennungstemperatur und damit der NO_x-Bildung im O₂-Reduktor 16 gefordert werden. Grundsätzlich wird der Umgebungsluftanteil anhand des stärksten der zu berücksichtigenden Faktoren bemessen, womit die anderen Forderungen automatisch erfüllt sind. Dieser Luftüberschuss wird dann beispielsweise als so genannte Schutzluft (im Falle des Immissionsschutzes als stärksten Faktor), beispielsweise mit einem Anteil von 0 bis 20 % der aus dem Raum 38 abgeführten Luftmasse, in die Umgebung freigesetzt. Der angesaugte Umgebungsluftanteil wird entsprechend dem abgeführten Schutzluftanteil eingestellt und ist somit an diesen gekoppelt. Abhängig von der Art des eingesetzten O₂-Reduktors 16 kann auch ein höherer Umgebungsluftanteil als der sich aus der Schutzfunktion oder den anderen Faktoren ergebende notwendig sein, um eine für die Oxidation des Brenngases notwendige Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft sicherzustellen. Alternativ kann auch zu Emissionsschutzzwecken mit Abluftüberschuss gearbeitet werden, wenn Nachbarräume oder -bereiche vor der sauerstoffarmen Raumluft geschützt werden sollen.

10: Vorrichtung
11: Ansaugeinrichtung
12: Reinigungseinrichtung
14: Mischkammer
16: O₂-Reduktor
18: Brennstofftank/H₂-Speicher
20: elektrolytische H₂-Gewinnung
22: H₂-Gewinnung durch Reformierung
24: elektrolytische Zelle
26: Photovoltaikanlage
28: Reformer
30: Luftbereiter
32: Wasserbehandlungseinrichtung
34: Temperiereinrichtung
36: Nachbehandlungseinrichtung
37: Zufuhreinrichtung
38: zu klimatisierender Raum
40: thermische Umluftbehandlungseinrichtung
42: Reinigungseinrichtung
44: Zellstapel
46: Gleichrichter
48: Brennraum
50: Gasbrenner
52: trockener Wärmeaustauscher
54: Vorkammer
56: Gasverteilerlanze
58: Katalysatorblock
60: Heizdrähte
62: Gasturbine
64: Kolbenmotor
66: Oberflächenkühler
68: Wäscherwanne
70: Entfeuchtungs-/Wäscherkammer
72: Düsenstock
74: Tropfabscheider
76: Heizeinrichtung
78: Entgasungskammer
80: Wasserfilter
82: Wasserkühler
84: pH-Werteinstellung
86: Pumpe
88: Auslassventil
90: Luftkühler
92: Luftheizer
94: Partikelfilter
96: Aktivkohlefilter
98: Ionisationskammer

Claims

Verfahren zur Klimatisierung mindestens eines Raumes mit einem Luftgemisch, das einen gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck aufweist, wobei zumindest ein Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs (O₂) chemisch zu einem Reaktionsprodukt reduziert wird und das so behandelte Luftgemisch als Zuluft dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt des Sauerstoffs vor der Zuführung in den mindestens einen Raum von dem behandelten Luftgemisch zumindest teilweise abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch elektrochemische Umsetzung mit einem Brennstoff in einer Brennstoffzelle durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Zufuhr und Verbrennung eines der Luft zugeführten Brennstoffs in einem Verbrennungsmotor oder einer Verbrennungsturbine durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Zufuhr und Verbrennung eines der Luft zugeführten Brennstoffs in einer Brennkammer durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Umsetzung mit einem Brennstoff an einem Katalysator durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Umsetzung mit einem Brennstoff an elektrisch beheizten Drähten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein brennbares Gas, insbesondere Methan, Ethan, Propan, Butan, molekularer Wasserstoff (H₂) oder ein Gemisch von diesen, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff molekularer Wasserstoff (H₂) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der molekulare Wasserstoff (H₂) durch Elektrolyse von Wasser erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (H₂) durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Brenngasen oder Benzin, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei der chemischen Reduktion des Sauerstoffs entstehende Energie, insbesondere elektrische Energie und/oder mechanische Energie und/oder Wärmeenergie, für das Verfahren genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffpartialdruck auf einen Wert entsprechend einem Volumenanteil von 5 bis ≤ 21 %, insbesondere auf 12 bis 16 %, abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren geregelt durchgeführt wird, wobei ein in dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum gemessener Sauerstoffpartialdruck mit einem gewünschten Sauerstoffpartialdruck verglichen wird und eine Umsatzrate der chemischen Reduzierung des Sauerstoffs und/oder eine Luftzufuhrrate in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum in Abhängigkeit von einer Abweichung des gemessenen von dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Zuluft mindestens einem zum Personenaufenthalt bestimmten Raum zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zum Personenaufenthalt bestimmte Raum ein Trainingsraum zum Sporttraining unter normobaren Hypoxiebedingungen oder ein Therapieraum unter normobaren Hypoxiebedingungen für Rehabilitationszwecke ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluft vor ihrer Zuführung in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum mindestens einer der folgenden Aufbereitungsmaßnahmen unterworfen wird: – Filtration und/oder Luftwäsche zur Entfernung von Partikeln, – katalytische Nachbehandlung und/oder Luftwäsche zur Entfernung gasförmiger Komponenten, – Temperierung zur Einstellung einer vorgegebenen Lufttemperatur, – Befeuchten oder Entfeuchten zur Einstellung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit, – Einstellung eines vorgegebenen CO₂-Gehalts, – Ionisation zur Einstellung einer Luftqualität.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der chemischen Reduzierung des Sauerstoffs der Umgebungsluft eine aus dem mindestens einen Raum rückgeführte Umluft in beliebigen Anteilen zugemischt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluft und/oder die Umluft vor ihrer Zuführung zu der chemischen Reaktion gefiltert und/oder gereinigt wird.
Vorrichtung (10) zur Klimatisierung mindestens eines Raumes (38) mit einem Luftgemisch mit einem gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck, umfassend einen O₂-Reduktor (16) zur Reduzierung zumindest eines Teils des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs (O₂) zu einem Reaktionsprodukt und eine Zufuhreinrichtung (37) zur Zuführung des so behandelten Luftgemisches in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum (38).
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der O₂-Reduktor (16) eine Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der O₂-Reduktor (16) einen Verbrennungsmotor oder eine Verbrennungsturbine zur Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der O₂-Reduktor (16) eine Brennkammer zur Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der O₂-Reduktor (16) einen Katalysator zur Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der O₂-Reduktor (16) eine Kammer mit elektrisch beheizten Drähten umfasst, an denen der Sauerstoff mit einem Brennstoff umgesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff, insbesondere ein brennbaren Gas, speziell Methan, Ethan, Propan, Butan, molekularer Wasserstoff (H₂) oder Mischungen von diesen ist, insbesondere molekularer Wasserstoff (H₂).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem O₂-Reduktor (16) und der Zufuhreinrichtung (37) ein Luftbereiter (30) zur Abtrennung des Reaktionsproduktes von dem behandelten Luftgemisch vorgesehen ist.