DE19943494A1 - Dezentrales System zur Raumwärmerückgewinnung - Google Patents

Abstract

Technisches Problem DOLLAR A Anlagen zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft technischer Prozesse sind in der Literatur und in der Praxis hinlänglich bekannt (VDI-Wärmeatlas). DOLLAR A Um im Bereich der Raumwärmerückgewinnung bei Temperaturdifferenzen < 30 K Wirtschaftlichkeit zu erreichen, werden bei bisher bekannten Systemen alle Abluftströme zentral zusammengeführt, um ihre Wärme im direkten Luft/Luft-WT an die danach zu verteilenden Zuluftwärmeströme abzugeben. DOLLAR A Bei bisher bekannten dezentralen Lösungen liegen die Lüftungsöffnungen direkt beieinander, wodurch die lüftungstechnische Effizienz beeinträchtigt ist. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Die räumliche Trennung der Abluft- und Zuluftströmung wird ermöglicht durch die Benutzung von zwei einzelnen Luft/Wasser-Wärmetauschern (räumlich ausgedehntes Kreislaufverbundsystem). DOLLAR A Voraussetzung dafür sind gleich große Zu- und Abluftmassenströme, was dadurch erreicht wird, daß separate Ventilatoren in beiden Geräten einen Über- oder Unterdruck vermeiden. Der über dem bisher Bekannten liegende Wirkungsgrad wird durch spezielle Gegenstromwärmetauscher erreicht. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Das System ermöglicht eine wirtschaftliche Wärmerückgewinnung im Wohn- und Objektbereich, insbesondere, wenn aus architektonischen Gründen die Installation eines zentralen Wärmerückgewinnungsgerätes nicht möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem zur dezentralen Installation bei der Rückgewinnung von Wärme die bei der Raumlüftung verloren geht, bestehend aus einem Kreislaufverbundsystem mit zwei getrennten Wärmetauschern, zwei Ventilatoren, einem Kreislauf für das Wärmeträgermedium und der dazugehörigen Steuerung wobei ein abluftseitiger Luftkühler die der Abluft entzogenen Wärme auf ein flüssiges Wärmeträgermedium überträgt, welches mittels einer gesteuerten Pumpe die Wärme in einem zuluftseitigen Lufterhitzer der Zuluft wieder zuführt.

Die dafür benötigten rundbauenden Wärmetauscher sind aus der DE 196 16 034 bekannt. Dieser Druckschrift ist ein Wärmetauscher ganz anderer Dimensionen für einen stark abweichendes Anwendungsgebiet beschrieben. Hierbei wird eine große Wärmetauscheroberfläche und damit ein hoher Wirkungsgrad dadurch erzeugt, daß mehrere Wärmetauscherrohre mit jeweils gleicher Länge den horizontal um die Längsachse des Wärmetauschers verlaufender schraubenförmiger Wicklung angeordnete und am Ende jedes einzelnen Wärmetauscherrohres gleicher Länge mit den Anschlüssen zur Einleitung des Wärmeträgers bzw. zur Ableitung des Wärmeträgers verbunden sind. Bei dieser Erfindung entstehen durch die Luftströmung starke Verwirbelungen, die zwar einerseits den Wärmeübergang Luft/Wasser verbessern, andererseits aber zu einem sehr hohen Druckabfall führen. Dadurch entsteht das Problem, daß die benötigte Antriebsleitung der Ventilatoren so weit ansteigt, daß zum einem die dadurch bedingte Geräuschbelastung für Wohnräume nicht mehr zumutbar ist, und zum anderen die aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen niedrige übertragende Wärmeleistung, somit die rückgewonnene Energie, den benötigten elektrischen Energieaufwand zum Ventilatorantrieb nur unwesentlich übersteigt.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, durch Kombination von Wärmetauschern, welche einen minimalen Druckverlust zu erzeugen, mit einer Regelung, welche die Temperaturdifferenzen optimiert, ein Raumwärmerückgewinnungssystem zusammen zu stellen, welches eine besonders hohe Effizienz besitzt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus den Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.

Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, daß zwei im Gegenstrom betriebene, hocheffektive Luft-Wasser-Wärmetauscher durch einen Flüssigkeitskreislauf so gekoppelt und so gesteuert sind, daß die Temperaturdifferenzen, jeweils beim Eintritt und Austritt gemessen, zwischen dem Gas (Luft) und der Flüssigkeit (Wasser/Glykol) jeweils möglichst gleiche Werte haben.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß,

• 1. Wärmetauscher eingesetzt werden, in welchen die Wärme bzw. Kälte von dem schraubenförmig angeordneten Wärmeübertragerrohr zunächst auf zwecks Vergrößerung der Oberfläche auf längs angeordnete Lamellen übertragen wird, deren Form und Oberfläche exakt an das technische Problem angepaßt wird. Dadurch ist ein minimaler Druckabfall bei hinreichend großer Effektivität gewährleistet.
• 2. Jeweils gleiche Temperaturdifferenzen zwischen Luft und Wasser (bzw. Gas und Flüssigkeit), jeweils gemessen an den Ein- und Ausläufen der Wärmetauscher, somit ideale Voraussetzung für eine maximale Wärmeübertragung im Gegenstromprinzip erreicht werden, indem die Wärmekapazitätsströme der Medien exakt aufeinander angepaßt werden. Diese Anpassung erfolgt nicht durch Messung und Regelung der Massenströme, sondern durch Messung der Temperaturdifferenzen und die Änderung der entsprechenden Massenströme.

An eine Wärmerückgewinnungsanlage werden zwei sich widersprechende Anforderungen gestellt. Zum Einen soll der Wärmeaustausch zwischen der Fortluft und der Zuluft möglichst vollständig sein, was beispielsweise durch eine sehr enge Durchmischung beider Luftströme erreicht werden kann.

Zum anderen sollen die beiden Luftströme voneinander getrennt werden, um die in der Abluft enthaltenen Belastungen nicht auf die Zuluft zu übertragen.

Bei zentralen Anlagen werden die Luftströme aus den unterschiedlichen Räumen bzw. zu den unterschiedlichen Räumen zu einem Punkt zusammengeführt, dort findet die Übertragung im allgemeinen in einem Querstromwärmetauscher statt. Kostruktionsbedingt ist somit ein Wirkungsgrad von bestenfalls ca. 50% erreichbar. Um diesen zu verbessern wird gelegentlich ein wesentlich komplizierter aufgebauter Gegenstromwärmetauscher eingesetzt. Der Nachteil der aufwendigen Luftführung kann vermieden werden durch ein Kreislaufverbundsystem, bei dem dann das Wärmeträgermedium (Wasser) transportiert wird. Um den Wirkungsgrad zu optimieren, müssen auch hier Gegenstromwärmetauscher eingesetzt werden. Gegenstromwärmeübertragung für Medien mit so unterschiedlicher Wärmekapazitätsdichte (Wasser = ca. 4,2 MJ/m³; Luft = ca. 1,2 kJ/m³) sind jedoch nicht am Markt verfügbar.

Die Neuerung bezieht sich daher als wesentlichem Teil auf den Wärmeübertrager. Dieser erhält die Gegenstromeigenschaften dadurch, dass das eine Medium (Wasser) durch das schraubenförmig verlaufende Wärmetauschrohr dem Luftstrom entgegenströmt. Wegen der genannten großen Wärmekapazitätsunterschiede ist eine luftseitige Oberflächenvergrößerung in sehr großem Maßstab notwendig. Diese wird erreicht, indem Lamellen, vorzugsweise aus dem gleichen Material, in Längsrichtung auf die Wärmetauscherwände aufgesetzt bzw. in die Wände eingesetzt werden. Die Verbindung kann durch Löten, Kleben oder mechanische Pressung sicher gestellt werden. Dabei sind die innenliegenden Lamellen so geformt, daß sie sich durch ihre Eigenspannung von innen gegen das Wärmetauscherrohr pressen. Von außen müssen die Lamellen vorgespannt und fixiert werden. Diese Lamellen sollten daher in sich symmetrisch zur Längsrichtung aufgebaut sein.

Der Wärmetauscher wird so dimensioniert (z. B. Oberfläche (Luftseite) ca. 1,5 m² für ein stündliches Lüftungsvolumen von 30 m³), daß die eingangs- und ausgangsseitige Temperaturdifferenz Luft/Wasser etwa 10% der Gesamttemperaturdifferenz Innen/Außen beträgt. Damit summieren sich die Verluste auf 20%, womit ein Wirkungsgrad η = 0,8 erreicht wird.

Bei dieser Dimensionierung läßt sich im Allgemeinen (üblicher Aufbau einer Außenwand in Massivbauweise) ein solcher Wärmetauscher in die Außenwand einbauen, so daß an der Innenwand lediglich als Betriebsgerät ein etwa 20 × 30 cm großer und 8 cm hohes Gehäuse in Erscheinung tritt. Außen ist nur eine etwa 16 × 16 cm große Lamelle sichtbar. Dieses System tritt zwei mal auf und wird durch einen Kabelkanal verbunden, in welchem sowohl Meß- und Steuerleitungen als auch die Betriebsspannung und zumindest ein Wärmeträgerrohr verlaufen. Das zweite Wärmeträgerrohr, welches das gekühlte Medium transportiert, kann entweder auf der Außenseite verlaufen und dort gegebenenfalls auch unter Putz oder in eine Fuge gelegt oder ebenfalls raumseitig verlegt werden. In diesem Fall ist dieses gekühlte Rohr zur Vermeidung von Kondensat diffusionsdicht gegen Wärmeübergang zu isolieren. Das innere Rohr (warme Seite) kann maximal Raumtemperatur erreichen, weshalb auch hier ein Kunststoffrohr oder Schlauch (PE oder PVC) geeignet ist.

Ein weiterer wesentlicher Teil der Neuerung besteht in der Form der Regelung, welche nicht eine bestimmte Temperaturdifferenz einstellt, sondern durch Messung von Temperaturdifferenzen an verschiedenen Stellen den Unterschied dieser Differenzen minimiert. Dadurch wird eine Vielzahl von Sensoren benötigt, die inzwischen in hoher Qualität sehr preisgünstig verfügbar sind und nicht kostenintensiv abgeglichen werden müssen, da keine absoluten Temperaturen gemessen werden. Die einzelnen Sensoren werden in einer Messbrücke linearisiert und jeweils zu zweit aufeinander abgeglichen. Die Differenz wird mit einem Operationsverstärker gemessen. Die Ausgangssignale, welche in einem weiteren Differenzverstärker verglichen werden, erzeugen eine positive oder negative Spannung, je nachdem, ob der Luft- oder der Wassermassenstrom zu hoch ist. Wenn dieses Signal zu null wird, ist ein Idealzustand erreicht, so daß die Antriebssteuerung in dem jeweiligen Zustand verharrt. Bei Abweichungen der Spannungen von null wird die Steuerung (Antriebsspannung des Motors) entsprechend aufwärts oder abwärts verändert. Dies kann durch analoge Integration mit einer entsprechend hohen Zeitkonstante oder durch digitale (getaktete) Integration erfolgen. Die weitere Form der Steuerung ist abhängig von der Art des Pumpenantriebs. Bei einem Gleichstrommotor wird durch die Integratorspannung ein Längstransistor angesteuert, bei einem Wechselstrommotor eine Phasenanschnittsteuerung.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild des Gesamtsystems mit elektrischen und hydraulischen Verbindungen, sowie Steuerung,

Fig. 2 Schnitt und Frontsicht eines einzelnen Wärmetauschers.

Wie in Fig. 1 dargestellt, strömt Abluft des Raumes, gekennzeichnet mit (AB) mittels des Ventilators (2) durch den Wärmetauscher (1) und Fortluft, gekennzeichnet durch (FO) nach außen. Gleichzeitig bewirkt die Umwälzpumpe (6), daß durch die Kaltwasserleitung (8) kühles Wasser in den Wärmetauscher eintritt, welches durch die Warmwasserleitung (7) raumseitig den Wärmetauscher wieder verläßt, um dann nach Passieren der Pumpe (6), in den Zuluftwärmetauscher (3) einzutreten. Hier wird der Wärmeträger durch die mit Außentemperatur einströmende Frischluft (FR) abgekühlt um durch die Kaltwasserleitung (8) wieder zum Abluftwärmetauscher zu gelangen.

Die Frischluft passiert einen Filter (5) bevor sie in den Wärmetauscher tritt aus dem sie mit dem Zuluftventilator (4) herausgesaugt wird, um als Zuluft (ZO) zugeführt zu werden. Die Steuerungseinheit (12) mißt durch die Temperatursensoren (9) die Temperaturdifferenzen und steuert den Pumpen- bzw. Ventilatorantrieb in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur. Ein raumseitiger Hygrostat (10) regelt die relative Raumluftfeuchte, indem der Betrieb des Gerätes unterhalb einer eingestellten Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wird.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Wärmetauschers zu erkennen. Innerhalb und außerhalb einer Wendel (1) aus oval-gepresstem Kupferrohr (2) befinden sich die Lamellen (3), die so angeordnet sind, daß die einzelnen entstehenden Kanäle annähernd gleich große hydraulische Durchmesse haben. Das fertig montierte Gerät wird mit einer Isolierung (4) umhüllt und in ein Schutzrohr (5) geschoben, an dem später Filter, Ventilator etc. befestigt werden. Die Rohrenden (6) der Wendel sind kreisrund ausgebildet, um gelötete Rohre oder Schläuche anschließen zu können.

Claims (12)

1. System zur Rückgewinnung von Wärmeenergie, die beim Austausch von Raumluft mit kälterer Außenluft verlorengeht, bestehend aus zwei durch einen Rohrkreislauf verbundene Luft/Wasser-Wärmetauscher, wobei diese Tauscher im Gegenstrom laufen und so ausgeführt sind, daß ein minimaler Druckverlust abluft- und zuluftseitig entsteht, gekennzeichnet dadurch, daß in beiden Wärmetauschern (1, 3) ein etwa identischer Massenstrom an Raumluft herrscht und der Wärmekapazitätsstrom des Wassers als Medium (II) in der Kreislaufleitung (7) bewegt durch die: Umwälzpumpe (6) aufgrund der Steuerung (12) an den Wärmekapazitätsstrom der Raumluft als Medium (I) angepaßt ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (II) in einer einlagigen Rohrwendel geführt wird und der Wärmeübergang zum gasförmigen Medium (I) dadurch optimiert wird, daß Metallprofile in Strömungsrichtung längs eingebaut sind und in engen Kontakt zu der Wendel stehen.

3. Eine Steuerung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Steuerung, mit dem die Umwälzpumpe (6) angesteuert wird, durch Integration über ein Differenzsignal erzeugt wird, welches sich wiederum aus zwei Differenzsignalen ergibt, nämlich den Temperaturdifferenzen zwischen Fortluft und Kaltwasserzulauf im Abluftwärmetauscher und Abluft- und Warmwasserauslauf am Fortluftwärmetauscher, wobei die Luftmenge der regelbaren Ventilatoren (2) (4) über einen Außentemperatur­ fühler (9) gesteuert werden kann.

4. Eine Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuluftseitig Pollenfilter (Mikrofilter) eingesetzt werden können.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Lamellen aus einem Bündel einzelner gekanteter Kupferlamellen bestehen.

6. Ein System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei den Ventilatoren um regelbare Gleichstromventilatoren handelt.

7. Eine Steuerung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein Außentemperaturfühler (9) in die Steuerung eingreift, derart daß bei niedrigen Außentemperaturen die Geschwindigkeit der Lüfter (2) (4) und damit die umgesetzte Luftmenge reduziert wird.

8. Eine Steuerung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß ein Luftfeuchtigkeitssensor (10) die Steuerung beeinflußt dahingehend, daß das ganze System nur oberhalb bestimmter Luftfeuchtigkeitswerte überhaupt läuft.

9. Eine Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die in dezentralen Abluftgeräten wiedergewonnene Energie einem zentralen Zuluftgerät zugeführt wird.

10. Eine Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Kreislaufverbundsysteme vernetzt werden dahingehend, daß jeweils ein Abluftsystem jeweils einem beliebigen anderen Zuluftsystem zugeordnet werden kann.

11. Eine Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß statt der unter Anspruch 2 beschriebenen Wärmetauscher beliebige Kreuz- oder Gegenstromwärmetauscher eingesetzt werden.

12. Eine Anlage nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerung durch fest eingestellte Werte für die Betriebsspannung der Ventilatoren (2) (4) sowie der Umwälzpumpe (6) ersetzt wird.