DE202009017449U1 - Controlled domestic ventilation with regenerative heat and mass transfer - Google Patents

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Abstract

Kontrollierte Wohnraumlüftung, bei der periodisch abwechselnd mittels Strömungsumkehr über einen ersten regenerativen Wärmeübertrager die Raumluft abgeleitet wird, während über einen zweiten regenerativen Wärmeübertrager die Außenluft dem Raum zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratormaterial Kies ist, die Kieskörner mehr oder weniger stark gebrochen sind und eine Korngröße (Definition siehe DIN 4022) im Bereich zwischen 1 und 20 Millimeter besitzen.Controlled domestic ventilation, in which periodically alternately by means of reverse flow through a first regenerative heat exchanger, the room air is discharged while the outside air is supplied to the room via a second regenerative heat exchanger, characterized in that the regenerator material is gravel, the gravel grains are more or less strongly broken and have a particle size (definition see DIN 4022) in the range between 1 and 20 millimeters.

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Figure 00000001

Description

ZusammenfassungSummary

Nach dem Stand der Technik werden kontrollierte Wohnraumlüftungen, bei der periodisch abwechselnd mittels Strömungsumkehr über einen erste regenerativen Wärmeübertrager die Raumluft abgeleitet wird, während über einen zweiten regenerativen Wärmeübertrager die Außenluft dem Raum zugeführt wird, vorgeschlagen. Üblich werden als Material für die Regeneratoren Metalle vorgeschlagen. Wird hingegen, wie in dieser Anmeldung beschrieben, als Regeneratormaterial Kies verwendet, kann ein deutlich kostengünstigeres System realisiert werden. Aufgrund der niedrigen Kosten kann das Regeneratormaterial regelmäßig, z. B. jährlich, gewechselt werden, eine aufwendige Filterung der Luft sowie eine Reinigung des Wärmeübertragers können somit entfallen.According to the state of the art, controlled ventilation in the living space, in which the room air is periodically discharged alternately by means of flow reversal via a first regenerative heat exchanger, is proposed, while the outside air is supplied to the room via a second regenerative heat exchanger. Usually metals are proposed as material for the regenerators. If, however, as described in this application, used as a regenerator gravel, a much cheaper system can be realized. Due to the low cost, the regenerator material can regularly, z. B. annually, be replaced, a complex filtering of the air and a cleaning of the heat exchanger can thus be omitted.

Beschreibungdescription

1 Hintergrund/Stand der Technik1 background / state of the art

Die kontrollierte Wohnraumlüftung ist ein bekanntes Verfahren, um bei weitgehend luftdichten Räumen einerseits die notwendige Raumluftqualität mit ausreichender Frischluftzufuhr sicherzustellen und andererseits Wärmeverluste zu reduzieren.Controlled home ventilation is a well-known method to ensure the necessary indoor air quality with sufficient supply of fresh air in largely airtight rooms, on the one hand, and to reduce heat losses on the other hand.

1.1 Rekuperativer Wärmübertrager1.1 Recuperative heat exchanger

Kernkomponente ist nach dem Stand der Technik ein Wärmeübertrager des Typs Rekuperator, in welchem die Raumabluft und die Raumzuluft mittels der Wärmeübertragerwände getrennt strömen. Hierbei kommt es zu einer Wärmeübertragung zwischen den beiden Luftströmen. So kann die warme Abluft die kühle Zuluft erwärmen, sodass die Wärmeverluste klein bleiben. Die kontrollierte Wohnraumlüftung ist in der Literatur ausführlich beschrieben1

1
Mürmann, H.: Wohnungslüftung: Kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung. 4. Aufl. Heidelberg: C. F. Müller Verlag, 1999.
, einschließlich möglicher Vor- und Nachteile.Core component is according to the prior art, a heat exchanger of the type recuperator, in which the room exhaust air and the room air to flow separately by means of the heat exchanger walls. This results in a heat transfer between the two air streams. Thus, the warm exhaust air can heat the cool supply air, so that the heat losses remain small. The controlled domestic ventilation is described in detail in the literature 1
1
Mürmann, H .: Domestic ventilation: Controlled ventilation with heat recovery. 4th ed. Heidelberg: CF Müller Verlag, 1999.
, including possible advantages and disadvantages.

Folgende Probleme der bekannten Ausführungen der kontrollierten Wohnraumlüftung können genannt werden:

  • • Der Wärmeübertrager bedarf aufgrund der gewünschten Effizienz große wärmeübertragende Flächen. Damit ist dieses Bauteil teuer und besitzt große Abmessungen.
  • • Der Einbau eines Wärmeübertragers des Typs Rekuperator verlangt, dass Zu- und Abluft unmittelbar nebeneinander strömen. Entsprechend ergeben sich Vorgaben für die Zu- und Abströmöffnungen in den Räumen, zumeist müssen aufwendig lange Luftkanäle gelegt werden.
  • • Es kommt vor, dass sich Feuchtigkeit in dem Wärmeübertrager niederschlägt, so dass sich ungewünschte Gerüche ergeben. Die Reinigung ist aufwendig.
  • • Zur Vermeidung der Ablagerung von Staub und anderen Stoffe sind Luftfilter zumeist notwendig. Diese sind teuer und bewirken einen Strömungsdruckabfall, sodass der elektrische Leistungsbedarf für die Lüfter groß ist. Ferner ist eine Wartung der Filter notwendig. Trotzdem ist nicht auszuschließen, dass sich mit der Zeit Ablagerungen bilden, die zu Gerüchen führen, evtl. auch brandfördernd sein können.
  • • Die erforderliche Luftströmung erfolgt über freie Luftkanäle, sodass sich Ventilatorgeräusche bis in den Wohnraum fortpflanzen können. Häufig werden daher aufwendige Schalldämpfer eingesetzt.
  • • Insbesondere bei kalter Witterung kann deutlich mehr Feuchtigkeit aus dem Raum abgeführt werden, wie Feuchtigkeit aus der Außenluft wieder zugeführt wird. Die Folge ist ein trockenes und unbehagliches Klima. Um diesem Problem zu begegnen, muss dem Raum aufwendig Wasserdampf zugeführt werden.
The following problems of the known designs of controlled domestic ventilation can be mentioned:
  • • The heat exchanger requires large heat transfer surfaces due to the desired efficiency. Thus, this component is expensive and has large dimensions.
  • • The installation of a heat exchanger of the type recuperator requires that supply air and exhaust air flow directly next to each other. Accordingly, there are specifications for the inlet and outlet openings in the rooms, usually long consuming air ducts must be laid.
  • • It can happen that moisture is deposited in the heat exchanger, resulting in undesirable odors. The cleaning is expensive.
  • • Air filters are usually necessary to prevent the build-up of dust and other substances. These are expensive and cause a flow pressure drop, so that the electrical power requirement for the fan is large. Furthermore, a maintenance of the filter is necessary. Nevertheless, it can not be ruled out that, over time, deposits form, which can lead to odors and possibly also be fire-promoting.
  • • The required airflow takes place via free air ducts, so that fan noise can propagate into the living space. Frequently expensive mufflers are therefore used.
  • • Especially in cold weather significantly more moisture can be removed from the room, as moisture is recirculated from the outside air. The result is a dry and uncomfortable climate. In order to counteract this problem, water vapor has to be added to the room.

1.2 Regenerativer Wärmübertrager1.2 Regenerative heat exchanger

Die genannten Probleme können zum Teil nach dem Stand der Technik mit zwei Wärmeübertragern des Typs Regenerator vermieden werden. Das Prinzip der kontrollierten Wohnraumlüftung mit regenerativer Wärme- und Stoffübertragung ist in 1 dargestellt und wird nachfolgend kurz erläutert.The problems mentioned can be partly avoided according to the state of the art with two regenerator type heat exchangers. The principle of controlled domestic ventilation with regenerative heat and mass transfer is in 1 and is briefly explained below.

Die Luft des Wohnraums wird über den rechts in 1a dargestellten Regenerator aus dem Wohnraum gefördert. Ist der Raum weitgehend dicht, wird Außenluft über den links dargestellten Regenerator dem Wohnraum zugeführt. Es muss nicht die gesamte Luft des Wohnraums ausgetauscht werden, beispielsweise werden nur 10% ausgetauscht. Danach wird die Strömungsrichtung der Luft umgekehrt und die Luft strömt über den links dargestellten Regenerator aus dem Raum ab und Außenluft strömt über den rechts dargestellten Regenerator wieder zu. Die gewünschte Durchströmung wird zweckmäßig mittels Gebläse sichergestellt.The air of the living space is over the right in 1a promoted regenerator from the living room promoted. If the room is largely dense, outside air is supplied to the living space via the regenerator shown on the left. Not all the air in the living space needs to be exchanged, for example, only 10% are exchanged. Thereafter, the flow direction of the air is reversed and the air flows through the regenerator shown on the left from the room and outside air flows through the regenerator shown on the right again. The desired flow is expediently ensured by means of a fan.

Je nach Strömungsgeschwindigkeit gelingt es die gewünschte Luftwechselrate zu erhalten. Der Regenerator besitzt eine Speicherwirkung für thermische Energie. In Strömungsrichtung ist die Wärmeleitfähigkeit des Regenerators vorzugsweise gering. Falls die Raumtemperatur höher als die Außenlufttemperatur ist, erwärmt die Luft beim Ausströmen den Regenerator etwas, hingegen wird sie beim Einströmen wieder durch den Regenerator, der etwas abkühlt, erwärmt. Die Menge der über den Regenerator strömenden Luft lässt sich mittels der Zeit, d. h. wie lange die Luft in einer Richtung strömt, festlegen. Zu dieser Luftmenge muss auch passend die Regeneratormasse festgelegt werden. Im Idealfall soll sich ein näherungsweise lineares Temperaturprofil im Regenerator zwischen der Außentemperatur und der Innentemperatur ergeben. Bei einer perfekten Wärmeübertragung würde die zuströmende Raumluft sich wieder bis auf Raumtemperatur vorwärmen.Depending on the flow rate, it is possible to obtain the desired air exchange rate. The regenerator has a storage effect for thermal energy. In the flow direction, the thermal conductivity of the regenerator is preferably low. If the room temperature is higher than the outside air temperature, the air will slightly heat the regenerator as it flows out, whereas when it flows in it will be heated again by the regenerator, which cools down a bit. The amount of over the Regenerator flowing air can be determined by means of time, ie how long the air flows in one direction. The regenerator mass must also be determined appropriately for this air volume. Ideally, an approximately linear temperature profile in the regenerator should result between the outside temperature and the inside temperature. With a perfect heat transfer, the incoming room air would warm up to room temperature again.

Bei den bekannt gewordenen System für die kontrollierte Raumlüftung wird als Regeneratormaterial ein Metall, beispielsweise Aluminium, vorgesehen. Damit die notwendige Wärmeübertragung sichergestellt ist, muss der Regenerator eine große Oberfläche besitzen. Als Ausführung wird vorgeschlagen, dass feine Metallspäne oder ein Metallgestrick oder Metallsiebgewebe verwendet werden soll. Bisher werden soweit bekannt solche regenerativen Systeme noch nicht im größerem Umfang serienmäßig zur kontrollierten Raumlüftung eingesetzt, was unter anderen an folgenden Problemen liegt:

  • • Die vorgeschlagenen metallischen Regeneratoren sind teuer.
  • • Bei der Herstellung der metallischen Regeneratoren werden unter Umständen in der Fertigung Kühl- bzw. Schmiermittel eingesetzt, die nur schwer von den Oberflächen wieder zu entfernen sind. Damit können Geruchsprobleme nicht ausgeschlossen werden.
  • • Bekanntlich entwickeln Metalle einen „Eigengeruch”, wie dies z. B. von Münzgeld bekannt ist, der störend sein kann.
  • • Es besteht die Gefahr, dass sich Ablagerungen auf der Regeneratoroberfläche bilden, z. B. Staub und organische Stoffe, wie z. B. Fett. Diese Ablagerungen lassen sich nur sehr schwer wieder entfernen. Neben der hygienischen Problematik können solche Ablagerungen auch brandfördernd sein, insbesondere auch in Hinsicht auf die große Metalloberfläche. Aufgrund dieser Problematik sind wirkungsvolle Luftfilter erforderlich, deren Strömungsdruckabfall zu einem nennenswerten zusätzlichen elektrischen Leistungsbedarf für die Lüfter führen. Ferner sind Wartungen (z. B. Filterwechsel) erforderlich.
  • • Aufgrund der Temperaturverteilung im Regenerator besteht die Gefahr, dass es zu einer Kondensation des Wasserdampfes der Raumluft an der Regeneratoroberfläche kommt. Damit besteht die Gefahr von Schimmelbildung und deren bekannte Folgen.
In the case of the known system for controlled room ventilation, a metal, for example aluminum, is provided as the regenerator material. To ensure the necessary heat transfer, the regenerator must have a large surface area. As an embodiment, it is proposed that fine metal chips or a metal mesh or metal mesh fabric should be used. So far, as far as known such regenerative systems are not yet used to a greater extent as standard for controlled ventilation, which, among other problems:
  • • The proposed metallic regenerators are expensive.
  • • In the manufacture of metallic regenerators, coolants or lubricants that are difficult to remove from the surfaces may be used in the manufacturing process. This can not exclude odor problems.
  • • As is well known, metals develop a "smell", as z. B. of coinage is known, which can be disturbing.
  • • There is a risk that deposits will form on the regenerator surface, eg. As dust and organic substances such. B. fat. These deposits are very difficult to remove. In addition to the hygienic problem, such deposits can also be fire-promoting, especially with regard to the large metal surface. Because of this problem, effective air filters are required, the flow pressure drop lead to a significant additional electrical power requirement for the fan. Furthermore, maintenance (eg filter replacement) is required.
  • • Due to the temperature distribution in the regenerator, there is a risk of condensation of the water vapor of the room air at the regenerator surface. There is thus the danger of mold growth and its known consequences.

2 Problemlösung2 problem solving

Die Problemlösung basiert auf dem oben beschriebenen regenerativen Prinzip. Es wird vorgeschlagen ein mineralisches Regeneratormaterial und zwar vorzugsweise eine Schüttung aus Kies oder Schotter (= gebrochene Kieskörner) zu verwenden. Damit ergeben sich folgende Vorteile:

  • • Der Regenerator lässt sich als Kiesschüttung sehr billig hergestellen.
  • • Die Schüttung kann einfach ersetzt werden, beispielsweise einmal jährlich, sodass keine hygienischen Nachteile auftreten können.
  • • Die benutzte Schüttung kann einfach entsorgt werden und beispielsweise als Baustoff weiter verwendet werden.
  • • Es sind keine weiteren kostspieligen Luftfilter erforderlich, da die Schüttung ohnehin regelmäßig gewechselt wird. Die Kosten für diesen Wechsel sind in aller Regel sogar geringer als die Kosten für neue Filter bei den Systemen mit Rekuperatoren.
  • • Aufgrund des Strömungsdruckabfalls kann auf Lüftungsklappen in dem System verzichtet werden. Auch wenn die Lüftung außer Betrieb ist, kann nur wenig Wärme aus dem Innenraum aufgrund natürlicher Konvektion an die Umgebung abgeführt werden.
  • • Da die Regeneratoren im Gegensatz zu massiven Bauteilen nur eine geringe Leitfähigkeit durch das Bauteil besitzen, muss nicht mit großen Wärmeleitverlusten gerechnet werden.
  • • Die Lüfter können im Außenbereich platziert werden, so dass keine Lärmbelästigung durch Lüftergeräusche zu erwarten ist. Schalldämpfer sind nicht erforderlich.
  • • Anstatt wie in 1a und 1b dargestellt kann auch nur ein drehrichtungsumkehrbarer Lüfter verwendet werden.
  • • Es sind außer den beiden Öffnungen zum Raum keine Luftkanäle erforderlich. Dies ist auch hinsichtlich des Brandschutzes von großer Bedeutung.
  • • Mineralische Regeneratormaterialien sind nicht brennbar und behindern eine Flammenausbreitung.
  • • Falls hygienische Probleme zu befürchten sind, kann in die Schüttung auch zusätzlich bakteriostatisches Material (z. B. Metalle, Tenside) zugegeben werden.
  • • Als Speichermaterial können auch die bekannten feuchtigkeitssorbierende Mineralien (z. B. poröser Stein, Zeolith, Ziegelstein etc.) verwendet werden. Aufgrund des Temperaturprofils im Regenerator wird bei kühler Witterung die ausströmende Luft entfeuchtet und die zuströmende Luft beim nächsten Zyklus wieder befeuchtet. Somit ergibt sich in Innenräumen insbesondere bei kühler Witterung ein angenehmes, nicht zu trockenes Raumklima.
  • • Das Verfahren ist auch für Räume mit hohem Feuchtigkeitsgehalt (z. B. Bad) geeignet. Hier kommen vorzugsweise Mineralien mit niedriger Neigung zur Feuchtigkeitsaufnahme, z. B. Granit, Quarz, Glas etc., zum Einsatz. Aufgrund des Temperaturprofils kommt es hier zu einem Feuchtigkeitsniederschlag an der Oberfläche des Regeneratormaterials, der abgeleitet werden kann. Damit wird die im nächsten Zyklus über diesen Regenerator wieder in den Raum strömende Luft weniger stark befeuchtet, als die ausströmende Luft entfeuchtet wurde. Bei (zeitweise) sehr großen Raumluftfeuchten kann es auch zweckmäßig sein, mit einer zusätzlichen Lüftung z. B. mittels geöffnetem fenster oder Lüftungskanal in der Wand für einen hinreichenden Abtransport der Raumluftfeuchte zu sorgen.
  • • Natürlich kann anstatt der in 1 dargestellten Ausführung mit zwei räumlich getrennten Regeneratoren auch eine zentrale Einheit, s. 2, konzipiert werden.
  • • Der regenerative Wärmeübertrager lässt sich auch in die Raumwand (4) integrieren, s. 3.
  • • Aufgrund der großen spezifischen Wärmespeicherfähigkeit von mineralische Stoffen, ergibt sich ein kleines kompaktes Bauteil, das z. B. direkt in die Wand integriert werden kann. Abschätzungen zeigen, dass bei einem Raum mit der Grundfläche von 4 Meter × 5 Meter und der Höhe von 2,5 Meter (Raumvolumen = 50 m3) ein Luftwechselzyklus von 1/10, d. h. 5 m3 ausreichend sein kann. Die zugehörige Masse an Regeneratormaterial beträgt für den Regeneratorstoff Kies (oder vergleichbares Gestein) dann etwa 7 kg.
  • • Das System ist insbesondere für den Altbaubereich interessant, wo häufig nur mit großem Aufwand zentrale Lüftungssysteme integriert werden können.
The problem solution is based on the regenerative principle described above. It is proposed to use a mineral regenerator material, preferably a bed of gravel or crushed stone (= broken gravel grains). This results in the following advantages:
  • • The regenerator can be produced very cheaply as a gravel filling.
  • • The filling can be easily replaced, for example once a year, so that no hygienic disadvantages can occur.
  • • The used bed can be easily disposed of and, for example, used as building material.
  • • There are no other costly air filters required as the bed is changed regularly anyway. The cost of this change are usually even lower than the cost of new filters in the systems with recuperators.
  • • Due to the drop in flow pressure, it is possible to dispense with ventilation flaps in the system. Even if the ventilation is out of operation, only a little heat from the interior can be dissipated to the environment due to natural convection.
  • • Since, in contrast to solid components, the regenerators only have a low conductivity through the component, it is not necessary to expect large thermal losses.
  • • The fans can be placed outdoors, so no noise from fan noise is expected. Mufflers are not required.
  • • Instead of as in 1a and 1b shown only one reversible fan can be used.
  • • No air ducts are required except the two openings to the room. This is also of great importance in terms of fire safety.
  • • Mineral regenerator materials are non-flammable and impede flame propagation.
  • • If hygienic problems are to be feared, bacteriostatic material (eg metals, surfactants) may also be added to the bed.
  • • As storage material, the known moisture-sorbing minerals (eg porous stone, zeolite, brick, etc.) can also be used. Due to the temperature profile in the regenerator, the outflowing air is dehumidified in cool weather and the inflowing air is moistened again during the next cycle. This results in indoor spaces, especially in cool weather, a pleasant, not too dry room climate.
  • • The method is also suitable for rooms with high moisture content (eg bath). Here come preferably minerals with low tendency to absorb moisture, z. As granite, quartz, glass, etc., are used. Due to the temperature profile, this results in a moisture precipitate on the surface of the regenerator material, which can be derived. Thus, the air flowing back into the room via this regenerator in the next cycle is less moistened when the outflowing air was dehumidified. In (temporarily) very large room humidity, it may also be appropriate to provide additional ventilation z. B. by means of an open window or ventilation duct in the wall to ensure adequate removal of indoor air humidity.
  • • Of course, instead of in 1 illustrated embodiment with two spatially separated regenerators and a central unit, s. 2 to be designed.
  • • The regenerative heat exchanger can also be installed in the room wall ( 4 ), s. 3 ,
  • • Due to the large specific heat storage capacity of mineral substances, results in a small compact component, the z. B. can be integrated directly into the wall. Estimates show that for a room with a floor area of 4 meters × 5 meters and a height of 2.5 meters (room volume = 50 m 3 ) an air change cycle of 1/10, ie 5 m 3, may be sufficient. The corresponding mass of regenerator material is then about 7 kg for the regenerator material gravel (or comparable rock).
  • • The system is particularly interesting for the old building sector, where central ventilation systems can often only be integrated with great effort.

Abbildungenpictures

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
WohnraumLiving room
22
Regenerativer Wärmeübertrager (kurz: Regenerator)Regenerative heat exchanger (short: regenerator)
33
LüfterFan
44
Raumwandroom wall
55
Außenraumouter space

Claims (5)

Kontrollierte Wohnraumlüftung, bei der periodisch abwechselnd mittels Strömungsumkehr über einen ersten regenerativen Wärmeübertrager die Raumluft abgeleitet wird, während über einen zweiten regenerativen Wärmeübertrager die Außenluft dem Raum zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratormaterial Kies ist, die Kieskörner mehr oder weniger stark gebrochen sind und eine Korngröße (Definition siehe DIN 4022) im Bereich zwischen 1 und 20 Millimeter besitzen.Controlled domestic ventilation, in which periodically alternately by means of flow reversal through a first regenerative heat exchanger, the room air is discharged while the outside air is supplied to the room via a second regenerative heat exchanger, characterized in that the regenerator material is gravel, the gravel grains are more or less strongly broken and have a particle size (definition see DIN 4022) in the range between 1 and 20 millimeters. Kontrollierte Wohnraumlüftung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kies aus Quarz, Granit, Schwerspat, Sandstein und/oder Marmor besteht.Controlled domestic ventilation according to claim 1, characterized in that the gravel consists of quartz, granite, barite, sandstone and / or marble. Kontrollierte Wohnraumlüftung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratormaterial Glas, Zeolith und/oder Keramik enthält.Controlled domestic ventilation according to claim 1 and 2, characterized in that the regenerator material glass, zeolite and / or ceramic contains. Kontrollierte Wohnraumlüftung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerator (2) bzw. das luftführende System ein Bakteriostatikum und/oder ein Bakterizid und/oder einen sonstigen antimikrobiellen Zusatz, wie z. B. Silber, enthält.Controlled domestic ventilation according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the regenerator ( 2 ) or the air-conducting system a bacteriostat and / or a bactericide and / or other antimicrobial additive, such. As silver contains. Kontrollierte Wohnraumlüftung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System, insbesondere das Regeneratormaterial, in eine Aussparung der Raumwand (4), Ausführungsbeispiel 3, integriert ist.Controlled domestic ventilation according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that the system, in particular the regenerator material, in a recess of the room wall ( 4 ), Embodiment 3 , is integrated.
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