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Die Erfindung betrifft eine Wärmerückgewinnungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Einrichtungen bzw. Verfahren zur Wärmerückgewinnung bei raumlufttechnischen Anlagen sind bekannt. Eine vielfach eingesetzte Einrichtung zur Wärmerückgewinnung stellt das so genannte Wärmerad dar. Wärmeräder sind zwischen einem Zuluft- und einem Abluftkanal integriert. Die genannten Wärmeräder übertragen Wärme bzw. Kälte zwischen Abluftkanal und Zuluftkanal. Die Erwartung, dass die Materialien der Wärmeräder so beschaffen sind, dass sie im Sommer Feuchte mitübertragen, im Winter hingegen nicht, wird allerdings nicht immer erfüllt. Im Gegenteil, es besteht gerade im Winter eine erhebliche Gefahr des Vereisens, nämlich dass Feuchte aus dem Abluftkanal in den Zuluftkanal übertragen wird und es dort wegen der niedrigen Außenlufttemperaturen zur Vereisung kommt. Als Folge dessen blockiert das Wärmerad gerade dann, wenn eine Wärmeübertragung an den Zuluftkanal energetisch besonders wünschenswert wäre.
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Darüber hinaus kann es nicht immer ausgeschlossen werden, dass keine Schadstoffe, Gerüche etc. an die Zuluft übertragen werden. Eine weitere Einschränkung liegt darin begründet, dass zwischen dem Zuluftkanal und dem Abluftkanal keine Druckdifferenz bestehen darf, um keine zusätzlichen Leckageströme zu begründen. Das Wärmerad ist zusammenfassend daher mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, so dass alternative Lösungen erarbeitet wurden, bei denen Zuluftkanal und Abluftkanal hermetisch voneinander getrennt sind.
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Bei diesen Wärmerückgewinnungseinrichtungen wird ein Fluid in einem Kreislauf zwischen dem Abluftkanal und dem Zuluftkanal geführt. Das Fluid nimmt hierbei Wärme der Abluft auf und gibt die aufgenommene Wärme an die Zuluft ab. Alternativ ist es auch bekannt, mittels der Verdunstung von Wasser, das beispielsweise durch Sprühanlagen in die Abluft eingebracht wird, das Fluid in dem Abluftkanal abzukühlen und diese Kälte der Zuluft zuzuführen.
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Als Wärmetauschermedium wird im Stand der Technik oftmals Wasser verwendet. Wasser zeichnet sich durch geringe Anschaffungskosten und vergleichsweise gute Wärmetauschereigenschaften aus. Problematisch bei Wasser ist jedoch, dass es, beispielsweise im Winter oder bei Verwendung in einer Klimaanlage, gefrieren kann und einen Wärmetauscherkreislauf bzw. die Wärmerückgewinnungseinrichtung durch Frostsprengung zerstört. Aus diesem Grund wird dem Wasser üblicherweise ein Frostschutzmittel beigemengt, um den Gefrierpunkt des Wassers bzw. eigentlich Wasser-Frostschutzmittel-Gemisches herabzusenken. Dadurch steigen allerdings die Anschaffungskosten für das Wärmetauschermedium. Weiterhin sind übliche Frostschutzmittel (beispielsweise auf Grundlage von Alkoholen) vergleichsweise aggressiv gegenüber Wärmetauscherleitungen, sodass auch die Wärmetauscherleitungen aufwändiger hergerichtet werden müssen. Zuletzt sind gerade auch Alkohole hinsichtlich ihrer Wärmetauschereigenschaften gegenüber (reinem) Wasser nachteilhaft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmerückgewinnungseinrichtung aufzuzeigen, die einerseits (insbesondere auch bei Temperaturen unter 0°C) zuverlässig betrieben werden kann und andererseits die Verwendung von Wasser (ohne wesentliche Beimengung von Frostschutzmitteln) ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmerückgewinnungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Wärmerückgewinnungseinrichtung für eine raumlufttechnische Anlage gelöst, wobei die Wärmerückgewinnungseinrichtung eine Wärmeübertragungseinrichtung sowie mindestens einen Zuluftkanal und einen Abluftkanal umfasst, wobei die mindestens eine Wärmeübertragungseinrichtung zur Übertragung von Wärme und/oder Kälte aus dem Abluftkanal in den Zuluftkanal zwischen Abluftkanal und Zuluftkanal angeordnet ist, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung mindestens einen ersten Wärmetauscherkreislauf für ein erstes Wärmetauscherfluid und einen zweiten Wärmetauscherkreislauf für ein zweites Wärmetauscherfluid umfasst, wobei der erste Wärmetauscherkreislauf mit dem Zuluftkanal und Abluftkanal verbunden ist, und der zweite Wärmetauscherkreislauf mindestens mit dem Zuluftkanal verbunden ist. Die im ersten Wärmetauscherkreislauf sowie im zweiten Wärmetauscherkreislauf geführten Wärmetauscherfluide sind voneinander verschieden bzw. weisen voneinander unterschiedliche Gefrierpunkte auf.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, dass nicht nur ein, sondern zwei (oder mehr) Wärmetauscherkreisläufe vorgesehen sind. Dadurch, dass zwei unterschiedliche Kreisläufe zumindest mit dem Zuluftkanal zusammenwirken, kann der eine Wärmetauscherkreislauf für eine Vor-Erwärmung genutzt werden, der andere Wärmetauscherkreislauf für eine End-Erwärmung (oder Nach-Erwärmung). Bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen kann durch die Vor-Erwärmung eine Erhöhung der Temperatur auf einen vorbestimmten Wert (beispielsweise > 0°C) erfolgen. Der zweite Wärmetauscherkreislauf ist dann keinen Temperaturen unterhalb von 0°C ausgesetzt. Dadurch wird es ermöglicht, beispielsweise nur im ersten Wärmetauscherkreislauf ein mit Frostschutzmittel versetztes Wasser zu verwenden. Im zweiten Wärmetauscherkreislauf kann dann reines Wasser bzw. Leitungswasser verwendet werden (oder Wasser mit einem geringeren Anteil an Frostschutzmittel bzw. einem Fluid mit höherem Gefrierpunkt). Dadurch werden auf konstruktiv einfache Weise die jeweils oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich des zweiten Wärmetauscherkreislaufes genutzt. Die Nachteile, die mit einem Fluid mit geringerem Gefrierpunkt verbunden sind, werden auf den ersten Wärmetauscherkreislauf und somit nur einen vergleichsweise kleinen Bereich des Gesamt-Systems beschränkt. Wesentliche Anteile des Gesamt-Systems müssen ledliglich den Anforderungen von reinem Wasser bzw. Pumpenwarmwasser (PPW; entkalkt, aufbereitet) (oder einem Fluid mit vergleichsweise hohem Gefrierpunkt) genügen. Durch die damit verbundene Einsparung bei der Bereitstellung des Wärmetauscherfluids sowie den konstruktiven Einsparungen (beispielsweise aufgrund weniger aufwändiger Dichtungen etc.) können die Gesamtkosten erheblich reduziert werden. Auch die Entsorgungskosten bei einem Austausch des Wärmetauscherfluids sind reduziert (da insgesamt weniger gesondert zu entsorgendes Wärmetauscherfluid anfällt). Erfindungswesentlich ist es bereits, dass überhaupt die Möglichkeit bereitgestellt wird, verschiedene Wärmetauscherfluide einsetzen zu können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in mindestens einem Wärmetauscherkreislauf Wasser, vorzugsweise aufbereitetes Wasser (bzw. ein Fluid mit im Vergleich hohem Gefrierpunkt) zum Einsatz kommt (und im anderen mit Frostschutzmittel, z. B. Salz, versetztes Wasser bzw. ein Fluid mit im Vergleich niedrigem Gefrierpunkt).
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In einer konkreten Ausführungsform ist der zweite Wärmetauscherkreislauf (weiterhin) mit dem Abluftkanal verbunden oder verbindbar. Eine Verbindung zum Abluftkanal kann vorzugsweise unterbrochen werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Wärmetauscherkreislauf durch eine Kurzschlusseinrichtung derart kurzgeschlossen werden, dass eine Verbindung zum Abluftkanal unterbrochen wird (jedoch eine Verbindung zum Zuluftkanal weiterhin aufrechterhalten bleibt). In dieser bevorzugten Ausführungsform kann somit gewählt werden, ob der zweite Wärmetauscherkreislauf (nur) Wärme (bzw. Kälte) zwischen dem Abluftkanal und dem Zuluftkanal austauscht oder ein Wärmetausch mit einer externen Wärme-(oder Kälte-)quelle erfolgt (oder beides). Dadurch kann optional (externe) Wärme bzw. Kälte zugeführt werden (sodass eine zusätzlich Erwärmung bzw. Abkühlung, ggf. nach der Wärme- bzw. Kälterückgewinnung, möglich ist). Vorzugsweise weist der zuluftseitig letzte Wärmetauscherkreislauf eine Unterbrechungseinrichtung, insbesondere Kurzschlusseinrichtung, auf. Insgesamt kann durch die hier vorgeschlagenen Maßnahmen erreicht werden, dass effektiv Wärme rückgewonnen werden kann, wobei selbst bei niedrigen Temperaturen zum großen Teil auf Frostschutzmittel verzichtet werden kann. Durch die Unterbrechungseinrichtung, insbesondere Kurzschlusseinrichtung, wird die Variabilität der Wärmerückgewinnungseinrichtung weiter gesteigert (ohne, dass dazu aufwändige Umkonstruktionen notwendig wären).
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In einer Weiterbildung sind der erste und zweite Wärmetauscherkreislauf für die Befüllung mit unterschiedlichen Wärmetauscherfluiden vorgesehen und ausgebildet, insbesondere mit unterschiedlichen Wärmetauscherfluiden befüllt. Die Wärmetauscherfluide unterscheiden sich vorzugsweise hinsichtlich ihres Gefrierpunktes. Alternativ oder zusätzlich können sich die Wärmetauscherfluide auch hinsichtlich ihrer Viskosität und/oder Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität unterscheiden (in Bezug auf eine Referenztemperatur von 20°C). In einer konkreten Ausführungsform hat ein Wärmetauscherfluid eines am Zuluftkanal stromaufwärts angeordneten Wärmetauscherkreislaufes einen niedrigeren Gefrierpunkt (beispielsweise einen um mindestens 2°C oder mindestens 5°C oder mindestens 8°C niedrigeren Gefrierpunkt) als ein Wärmetauscherfluid eines am Zuluftkanal stromabwärts angeordneten Wärmetauscherkreislaufes. Bei dieser Anordnung kann somit der stromaufwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf eine Vor-Erwärmung durchführen. Hat die Zuluft eine Temperatur oberhalb des vergleichsweise niedrigen Gefrierpunktes des Wärmetauscherfluides im stromaufwärts angeordneten Wärmetauscherkreislaufes, kann keine Gefahr durch „Frostsprengung” entstehen. Im stromabwärts angeordneten Wärmetauscherkreislauf (mit einem Wärmetauscherfluid mit höherem Gefrierpunkt, insbesondere Wasser) kann ein geeignetes Wärmetauscherfluid zur effektiven Übertragung von Wärme verwendet werden. Insbesondere besitzt das Wärmetauscherfluid des stromaufwärts angeordneten Wärmetauscherkreislaufes einen Gefrierpunkt von unter 0°C (beispielsweise von weniger als –5°C oder weniger als –10°C). Dabei wird auch bevorzugt, dass das Wärmetauscherfluid des stromaufwärts angeordneten Wärmetauscherkreislaufes ein glykolfreies Frostschutzmittel ist. Bevorzugt ist weiterhin, dass das Wärmetauschermedium des stromabwärts angeordneten Wärmetauscherkreislaufes einen Gefrierpunkt von ≥ 0°C hat, insbesondere Wasser (Leitungswasser) ist.
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In einer konkreten Ausführungsform läuft mindestens ein Wärmetauscherkreislauf mehrfach, insbesondere mäander- oder zickzackförmig, zwischen Zuluft- und Abluftkanal hin- und her und ragt sowohl in den Zuluftkanal als auch in den Abluftkanal hinein. Ein wesentlicher Punkt dieser Weiterbildung liegt darin, dass der Wärmetauscherkreislauf (beispielsweise ein Wärmeaustauschrohr), der zum Führen des Wärmetauscherfluids ausgelegt ist, geeignet ist, mehrfach zwischen Zuluftkanal und Abluftkanal hin- und her zu laufen. Ein Vorteil hiervon ist, dass der Temperaturunterschied des Fluids in dem Abluftkanal und dem Zuluftkanal deutlich verringert wird. Die Wärme- bzw. Kälteübertragung zwischen Zuluftkanal und Abluftkanal wird hierdurch jedoch nicht wesentlich verschlechtert, da das Fluid mehrfach innerhalb eines Durchlaufens des Wärmeaustauschrohres zwischen Zuluftkanal und Abluftkanal hin- und her läuft und hierdurch jedesmal ein kleiner Teil Wärme bzw. Kälte übertragen wird. Somit steht eine größere Anzahl verschiedener Fluide für die Auswahl des zu verwendenden Fluids bereit, da das Fluid in einem deutlich kleineren Temperaturbereich chemisch stabil bleiben muss und gleichbleibende Fluideigenschaften, insbesondere eine gleichbleibende Viskosität, aufweisen muss. Darüber hinaus muss auch das Wärmeaustauschrohr nur für geringere Temperaturunterschiede ausgelegt sein, da das Fluid geringere Temperaturunterschiede aufweist. Hierdurch sinken die Herstellungs- und die Betriebskosten der Wärmerückgewinnungseinrichtung. Zusammenfassend wird erreicht, dass der Temperaturunterschied des Fluids in dem Zuluftkanal und dem Abluftkanal verringert werden kann, ohne die Wärmeübertragungseigenschaften der Wärmerückgewinnungseinrichtung wesentlich zu verschlechtern. In dieser Ausgestaltung ist die Wärmerückgewinnungseinrichtung bevorzugtermaßen blockartig ausgebildet, das heißt ein Kanalabschnitt des Zuluftkanals, des Abluftkanals sowie der mehrfach, insbesondere mäander- oder zickzackförmig hin und her verlaufender Wärmetauscherkreisläufe sind in einem blockartigen Gebilde integriert. Besonders bevorzugt ist die gesamte Wärmeübertragungseinrichtung umfassend den ersten Wärmetauscherkreislauf für ein erstes Wärmetauscherfluid und mindestens einen zweiten Wärmetauscherkreislauf für ein hiervon verschiedenes zweites Wärmetauscherfluid zusammen mit den entsprechenden Abschnitten des Zuluftkanals sowie des Abluftkanals in einer gemeinsamen Baueinheit integriert.
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In einer alternativen Ausführungsform kann mindestens ein Wärmetauscherkreislauf je zwei mehrfach, insbesondere mäander- oder zickzackförmig, hin- und her laufende Wärmetauscherkreislaufabschnitte (Wärmetauscher) aufweisen, von denen der eine nur in den Zuluftkanal und der andere nur in den Abluftkanal hineinragt. Auch bei dieser Ausführungsform nach den Prinzipien des Kreisverbundsystems (KVS) kann aufgrund der Vielzahl von (separaten) Wärmetauscherkreisläufen insbesondere beim abluftseitig ersten bzw. zuluftseitig letzten Wärmetauscherkreislauf (bezogen auf den Zuluftkanal) ein (praktisch) beliebiges Wärmetauscherfluid zum Einsatz kommen.
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Vorzugsweise hat ein (der) am Zuluftkanal stromaufwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf ein geringeres Leitungsvolumen, als ein (der) am Zuluftkanal stromabwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf (z. B. um mindestens 20% oder mindestens 50%). Das Leitungsvolumen ist das Volumen sämtlicher Leitungen des Wärmetauscherkreislaufs, die von einem Wärmetauscherfluid durchströmt werden.
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Alternativ oder zusätzlich hat ein (der) am Zuluftkanal stromaufwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf eine geringere Ausdehnung in einer Strömungsrichtung des Zuluftkanals als ein (der) am Zuluftkanal stromabwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf (beispielsweise eine um mindestens 20% oder mindestens 50% geringere Ausdehnung). Insgesamt kann der weiter stromaufwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf kleiner dimensioniert sein als der stromabwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf. Bei den Begriffen „stromaufwärts” und „stromabwärts” soll (es sei denn, es wird auf anderes hingewiesen) stets Bezug genommen sein auf den Zuluftkanal (bezüglich des Abluftkanals sind dann die Verhältnisse grundsätzlich umgekehrt). Ein Kerngedanke dieser Weiterbildung liegt darin, nur einen vergleichsweise kleinen Wärmetauscherkreislauf mit einem frostschutzmäßig geeigneten, aber möglicherweise hinsichtlich weiterer Eigenschaften weniger günstigen, Fluid versorgen zu müssen. Ein größerer Anteil des Gesamt-Systems kann mit Wasser (Leitungswasser) versorgt werden. Dadurch können der konstruktive Aufwand und somit die Kosten weiter reduziert werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein (der) am Zuluftkanal stromaufwärts angeordneter Wärmetauscherkreislauf derart ausgebildet ist, dass ein Druckabfall innerhalb des Zuluftkanals und/oder Abluftkanals aufgrund der Wechselwirkung mit dem stromaufwärts angeordneten Wärmetauscherkreislauf geringer ist, beispielsweise um mindestens 20% oder mindestens 50%, als ein Druckabfall aufgrund der Wechselwirkung mit einem (dem) am Zuluftkanal stromabwärts angeordneten Wärmetauscherkreislauf. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass ein (der) am Zuluftkanal stromaufwärts angeordneter Wärmetauscherkreislauf gegenüber einem durch den Zuluftkanal und/oder Abluftkanal strömenden Fluid einen kleineren Strömungswiderstand hat, beispielsweise um mindestens 20% oder mindestens 50%, als ein (der) am Zuluftkanal stromabwärts angeordnete Wärmetauscherkreislauf. Ein zentraler Gedanke dieser Weiterbildungen liegt darin, durch den erhöhten Druckabfall bzw. den erhöhten Strömungswiderstand zu ermöglichen, dass der stromabwärts angeordnete Wärmekreislauf den größeren Anteil der Wärmerückgewinnung übernimmt. Aufgrund einer Vor-Erwärmung durch den stromaufwärts angeordneten Wärmetauscherkreislauf kann in dem stromabwärts angeordneten Wärmetauscherkreislauf (grundsätzlich) Wasser zum Einsatz kommen. Dadurch kann eine effektive Wärmerückgewinnung bei geringen Kosten ermöglicht werden.
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In einer Ausführungsform ist mindestens der erste und/oder zweite Wärmetauscherkreislauf (bzw. ein entsprechend zugeordnetes Wärmeaustauschrohr) derart ausgebildet, dass Kehren des Wärmetauscherkreislaufes im Zuluftkanal und/oder im Abluftkanal angeordnet sind. Hierdurch wird ein noch besserer Wärmeaustausch zwischen Fluid und Luft bzw. umgekehrt erreicht.
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Der mindestens eine erste und/oder zweite Wärmetauscherkreislauf (insbesondere ein zugeordnetes Wärmeaustauschrohr) kann derart ausgebildet sein, dass der Wärmetauscherkreislauf im Zuluftkanal und/oder im Abluftkanal (im Wesentlichen) senkrecht zum Zuluftkanal und/oder Abluftkanal verlaufend angeordnet ist. Unter „im Wesentlichen senkrecht” kann vorzugsweise eine maximale Abweichung von 10° verstanden werden. Gegebenenfalls vorgesehene Kehren können auch weiter von einem solchen Winkel abweichen (bzw. abschnittsweise sogar parallel zum Zuluftkanal bzw. Abluftkanal verlaufen).
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In einer konkreten Ausführungsform ist mindestens ein erster und/oder zweiter Wärmetauscherkreislauf (jeweils) als (modulartige) Baueinheit ausgebildet. Die entsprechende Baueinheit kann bereits eine (separate) Pumpe umfassen. Insgesamt wird der Aufbau und insbesondere die Nachrüstmöglichkeit bestehender Wärmerückgewinnungseinrichtungen vereinfacht.
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Grundsätzlich kann jeder Wärmetauscherkreislauf durch eine (separate) Wärmepumpe versorgt werden. Es ist jedoch auch denkbar, zwei oder mehr Wärmetauscherkreisläufe durch dieselbe Pumpe zu versorgen.
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Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß unabhängig gelöst durch ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung für Raumluft, wobei zwischen mindestens einem Zuluftkanal und mindestens einem Abluftkanal Wärme und/oder Kälte übertragen wird, wobei in einem ersten Wärmetauscherkreislauf mindestens ein Teil der Wärme bzw. Kälte zwischen Zuluftkanal und Abluftkanal übertragen wird und in einem zweiten (separaten) Wärmekreislauf dem Zuluftkanal Wärme bzw. Kälte zugeführt wird. Vorzugsweise wird in dem zweiten Wärmetauscherkreislauf Wärme oder Kälte vom Abluftkanal zum Zuluftkanal zugeführt. In einer konkreten Ausführungsform des Verfahrens zirkulieren im ersten und zweiten Wärmetauscherkreislauf verschiedene Wärmetauscherfluide. Weitere Verfahrensmerkmale ergeben sich aus der oben beschriebenen Vorrichtung.
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Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß unabhängig gelöst durch die Verwendung von zwei verschiedenen Wärmetauscherfluiden für die Wärmerückgewinnung in einer Wärmerückgewinnungseinrichtung.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungseinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungseinrichtung;
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3 eine schematische Darstellung eines ersten Wärmetauscher-Moduls in Schrägansicht; und
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4 eine schematische Schrägansicht eines zweiten Wärmetauscher-Moduls.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmerückgewinnungseinrichtung für eine raumlufttechnische Anlage. Die raumlufttechnische Anlage kann beispielsweise eine Klimaanlage oder (vorzugsweise) Heizanlage sein. Die Wärmerückgewinnungseinrichtung umfasst einen ersten Wärmetauscherkreislauf 10 und einen zweiten Wärmetauscherkreislauf 11. Die Wärmetauscherkreisläufe 10, 11 wechselwirken mit einem Zuluftkanal 12 und einem Abluftkanal 13. Bezogen auf den Zuluftkanal 12 ist der erste Wärmetauscherkreislauf 10 gegenüber dem Wärmetauscherkreislauf 11 zuluftseitig bzw. stromaufwärts angeordnet. Bezogen auf den Abluftkanal 13 ist der erste Wärmetauscherkreislauf 10 gegenüber dem zweiten Wärmetauscherkreislauf 11 abluftseitig bzw. stromabwärts angeordnet.
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Der erste Wärmetauscherkreislauf 10 umfasst einen ersten Zuluftkanalwärmetauscher 14 sowie einen ersten Abluftkanalwärmetauscher 15. Entsprechend umfasst der zweite Wärmetauscherkreislauf 11 einen zweiten Zuluftkanalwärmetauscher 16 sowie einen zweiten Abluftkanalwärmetauscher 17. Über die Zuluftkanalwärmetauscher 14, 16 kann Wärme mit dem Zuluftkanal getauscht werden. Über die Abluftkanalwärmetauscher 15, 17 kann Wärme mit dem Abluftkanal getauscht werden. Der erste Zuluftkanalwärmetauscher 14 und der zweite Zuluftkanalwärmetauscher 16 sind über erste Wärmetauscherleitungen 18 miteinander fluidtechnisch verbunden, sodass Wärme zwischen Abluftkanal 13 und Zuluftkanal 12 getauscht werden kann. Entsprechend sind auch der zweite Zuluftkanalwärmetauscher 15 und der zweite Abluftkanalwärmetauscher 17 über zweite Wärmetauscherleitungen 19 miteinander fluidtechnisch verbunden, sodass über den zweiten Wärmetauscherkreislauf Wärme zwischen Zuluftkanal 12 und Abluftkanal 13 getauscht werden kann.
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Innerhalb der ersten Wärmetauscherleitungen 18 sowie innerhalb der zweiten Wärmetauscherleitungen 19 ist eine erste Pumpe 20 bzw. eine zweite Pumpe 21 angeordnet, sodass ein Wärmetauscherfluid innerhalb der Wärmetauscherkreisläufe 10, 11 gefördert werden kann. Innerhalb des zweiten Wärmetauscherkreislaufes 11 ist ein Drei-Wege-(Motor-)Ventil 22 vorgesehen, über das ein Fluid (insbesondere Wasser) über Anschlussleitungen 23 zugeführt werden kann. Über eine Leitung 24, die an den zweiten Wärmetauscherkreislauf 11 angeschlossen ist, kann das Wärmetauscherfluid abgeführt werden.
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Im Betrieb der Wärmerückgewinnungseinrichtung wird Außenluft 25 über ein Gebläse 26 dem ersten Zuluftkanalwärmetauscher 14 zugeführt und gelangt von dort über den zweiten Zuluftkanalwärmetauscher 16 als Zuluft 27 in einen nicht näher dargestellten Raum. Über ein Gebläse 28 im Abluftkanal 13 wird Abluft 29 aus dem Raum zu einer Sprüheinrichtung 30 gefördert. Von der Sprüheinrichtung 30 wird die Abluft über den zweiten Abluftkanalwärmetauscher 15 (in dieser Reihenfolge) als Fortluft 31 abgeführt. Durch die Sprüheinrichtung 30 kann die Abluft 29 vor dem Durchlaufen durch die Wärmetauscher 17, 15 abgekühlt werden. Die abgekühlte Abluft kann über die Wärmetauscherkreisläufe 10, 11 die Zuluft 25 noch weiter abkühlen. Dabei wird Wasser der Sprüheinrichtung 30 verdunstet, wobei die Verdunstungskälte zur Abkühlung ausgenutzt wird. Dadurch wird den Wärmetauscherfluiden in den Wärmetauscherkreisläufen 10, 11 Wärme entzogen. In alternativen Ausführungsformen kann die Sprüheinrichtung 30 auch entfallen oder durch andere Kühl- bzw. Heizeinrichtungen ersetzt werden. Zur Erzeugung eines Sprühnebels (Aerosolnebels) kann eine Pumpe 32 zum Einsatz kommen.
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Es kann, beispielsweise mittels der Sprüheinrichtung 30, die im Abluftkanal 13 vor den Wärmetauschern 17, 15 angeordnet ist, soviel Wasser in Form feiner Wasserpartikel in den Luftstrom eingesprüht werden, dass die Abluft (an dieser Stelle) nicht das gesamte Wasser aufnehmen kann, da der Sättigungsgrad der Abluft (100% Luftfeuchtigkeit) erreicht wird. Die (verbliebenen) feinen Wasserpartikel werden vom Abluftstrom mitbefördert und setzen sich (teilweise) auf Wärmeübertragungselementen der Wärmetauscher 17, 15 (beispielsweise Wärmeaustauschrohren) ab. Die Abluft erwärmt sich bei Kontakt mit den Wärmeaustauschelementen (Wärmeaustauschrohren) und kühlt das Fluid in den Wärmeaustauschelementen (Wärmeaustauschrohren) ab. Die erwärmte Abluft (im Falle einer Klimaanlage) kann nun zusätzliches Wasser aufnehmen. Somit verdunstet zusätzlich Wasser in Form der feinen Wasserpartikel im Bereich der Wärmeaustauschelemente (Wärmeaustauschrohre) und die Abluft bzw. das Fluid kühlt weiter ab. Folglich wird das Fluid in den Wärmeaustauschelementen (Wärmeaustauschrohren) stärker abgekühlt und kann mehr Kälte von dem Abluftkanal 13 auf den Zuluftkanal 12 übertragen. Alternativ oder zusätzlich kann auch von einer (zweiten) Wassersprüheinrichtung Wasser direkt auf die Wärmeaustauschelemente (Wärmeaustauschrohre) aufgetragen werden.
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Die Sprüheinrichtung ist nur optional und kann bei den hier beschriebenen Ausführungsformen weggelassen werden.
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Wie 1 darstellt, verlaufen Zuluftkanal 12 und Abluftkanal 13 parallel (bzw. fluidtechnisch antiparallel). Alternative Anordnungen der Kanäle zueinander sind jedoch denkbar (beispielsweise auch nicht-parallele).
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Im Betrieb wird als Wärmetauscherfluid im zweiten Wärmetauscherkreislauf 11 vorzugsweise Wasser (z. B. Leitungswasser) eingesetzt, wobei dem Wasser keine gefrierpunktherabsetzenden Zusatzstoffe beigemengt sind. Im ersten Wärmetauscherkreislauf 10 kommt vorzugsweise eine Salzlösung und/oder ein Wasser-Alkohol-Gemisch zum Einsatz. Dadurch wird der Gefrierpunkt des Wärmetauscherfluids in dem ersten Wärmetauscherkreislauf unter 0°C gesenkt (beispielsweise unter mindestens –5°C oder –10°C oder –15°C oder –20°C herabgesenkt).
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Grundsätzlich kann als Wärmetauscherfluid beispielsweise Wasser, HFA-134a, ein Alkanegemisch aus Propan und Butan, Ammoniak, Stickstofftrifluorid oder ein anderes flüssiges oder gasförmiges Kältemittel eingesetzt werden.
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Strömt beispielsweise eine Außenluft von –5°C in Richtung des ersten Zuluftkanalwärmetauschers 14, durch den ein Wärmetauscherfluid mit einem Gefrierpunkt von unter 5°C strömt, kann die Außenluft bereits vorgewärmt werden auf vorzugsweise mindestens 0°C. Strömt nun in dem zweiten Wärmetauscherkreislauf 11 Wasser (also ein Fluid mit einem Gefrierpunkt von (etwa) 0°C), kann das Wasser dort nicht mehr gefrieren. Beschädigungen durch Frostsprengung oder dergleichen können vermieden werden. Gleichzeitig können jedoch die günstigen Eigenschaften von Wasser als Wärmetauscherfluid genutzt werden. Diese Anordnung ist somit insbesondere vorteilhaft bei einer Anwendung der Wärmerückgewinnungseinrichtung innerhalb einer Heizanlage.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Wärmerückgewinnungseinrichtung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 durch die Ausbildung des ersten Wärmetauscherkreislaufes 10 und zweiten Wärmetauscherkreislaufes 11. Die Wärmetauscherkreisläufe 10, 11 unterscheiden sich untereinander dadurch, dass der zweite Wärmetauscherkreislauf größer dimensioniert ist als der erste Wärmetauscherkreislauf 10. Konkret erstreckt sich der zweite Wärmetauscherkreislauf 11 über einen größeren Abschnitt des Zuluftkanals 12 bzw. Abluftkanals 13 als der erste Wärmetauscherkreislauf 10 (beispielsweise ist die Erstreckung in Strömungsrichtung mindestens 1,5-mal oder 2-mal so groß). Durch diese Dimensionierung wird vom zweiten Wärmetauscherkreislauf 11 auch insgesamt mehr Wärme übertragen als vom ersten Wärmetauscherkreislauf 10. Strömt in den ersten Wärmetauscherkreislauf 10 ein Wärmetauscherfluid, das insbesondere mit Salz und/oder Alkohol versetzt ist, kann auf große Mengen dieses Wärmetauscherfluids verzichtet werden. Dadurch entfallen Kosten bei Anschaffung und Entsorgung des Wärmetauscherfluids. Weiterhin kann auch bei der Bereitstellung des ersten Wärmetauscherkreislaufes 10, der gegenüber den vergleichsweise „aggressiven” gefrierpunktmindernden Mitteln Widerstand leisten muss, durch eine vergleichsweise geringe Dimensionierung kostengünstig erfolgen. Grundsätzlich ist es vorstellbar, dass auch die Wärmetauscherkreisläufe 10, 11 in der ersten Ausführungsform (wie nicht in 1 dargestellt) analog der Ausführungsform gemäß 2 dimensioniert sind.
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Die Wärmetauscherkreisläufe 10, 11 gemäß 2 unterscheiden sich weiterhin von den Wärmetauscherkreisläufen gemäß 1 dadurch, dass sich einzelne Wärmetauscherrohre 33 (in 2 nur schematisch dargestellt) über sowohl den Zuluftkanal 12 als auch den Abluftkanal 13 erstrecken. Dadurch wird ein erstes Wärmetauschermodul 34, das dem ersten Wärmetauscherkreislauf 10 zugeordnet ist, und ein zweites Wärmetauschermodul 35, das dem zweiten Wärmetauscherkreislauf 11 zugeordnet ist, vorgeschlagen. Die Wärmetauschermodule 34, 35 Wechselwirken jeweils sowohl mit dem Zuluftkanal 12 als auch dem Abluftkanal 13.
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In 3 ist das erste Wärmetauschermodul 34 in einer schematischen Schrägansicht dargestellt. In 4 ist das zweite Wärmetauschermodul 35 in einer schematischen Schrägansicht dargestellt.
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Zuluftkanalseitige Enden 36 der Wärmetauschermodule 34, 35 weisen je zwei Sammelrohre 37 auf. Entsprechende Sammelrohre (nicht in 3 und 4 zu sehen) sind auch an einem abluftkanalseitigen Ende 38 der Wärmetauschermodule 34, 35 vorgesehen. Zwischen dem zuluftkanalseitigen Ende 36 und dem abluftkanalseitigen Ende 38 erstrecken sich die Wärmetauscherrohre 33. Die Wärmetauscherrohre 33 können mäandrierende Rohrabschnitte eines Gesamtrohres oder mehrere Gesamtrohre ausbilden (nicht im Detail in den 3 und 4 dargestellt).
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Die Wärmetauschermodule 34, 35 sind insgesamt quaderförmig ausgebildet. Das erste Wärmetauschermodul 34 umfasst 10 × 4 Wärmetauscherrohre 33. Das zweite Wärmetauschermodul 35 umfasst 10 × 11 Wärmetauscherrohre 33, also fast dreimal so viele Wärmetauscherrohre. Dadurch kann das zweite Wärmetauschermodul 35 wesentlich mehr Wärme übertragen als das erste Wärmetauschermodul 34. In Trennungsbereichen 41 zwischen einer zuluftkanalseitigen Untereinheit 39 und einer abluftkanalseitigen Untereinheit 40 kann ein Flansch für einen Kanalanschluss vorgesehen sein (nicht in den 3 und 4 im Detail zu sehen). Vorzugsweise kann die Untereinheit 39 des ersten Wärmetauscherkreislaufes 10 und/oder des zweiten Wärmetauscherkreislaufes 11 kurzgeschlossen werden, sodass innerhalb des ersten Wärmetauscherkreislaufes 10 und des zweiten Wärmetauscherkreislaufes 11 (im kurzgeschlossenen Zustand) nur noch Wärmetauscherfluid innerhalb der Untereinheit 39 zirkuliert. Bei einem derartigen Kurzschluss kann dann beispielsweise extern Wärme oder Kälte zugeführt werden.
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Die Wärmetauscherrohre 33 verlaufen (abgesehen von ggf. vorgesehenen, jedoch nicht dargestellten Kehren) parallel zueinander. Weiterhin sind die Wärmetauscherrohre 33 senkrecht zu dem Zuluftkanal 12 bzw. Abluftkanal 13 angeordnet und verlaufen bevorzugtermaßen in Betriebsposition rein horizontal.
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Hierdurch wird erreicht, dass sich die Wärmetauscherrohre 33 über den Großteil des Querschnitts des jeweiligen Kanals 12, 13 erstrecken. Vorstellbar ist jedoch auch, dass die Wärmetauscherrohre 33 einen nicht-senkrechten Winkel zu dem Zuluftkanal 12 bzw. dem Abluftkanal 13 bilden.
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Die Wärmetauscherrohre 33 können aus Metall oder Kunststoff bestehen, insbesondere aus Aluminium (einer Aluminiumlegierung). Andere Materialien sind vorstellbar.
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Insbesondere die Teile der Wärmetauscherrohre 33, die mit Wassertropfen im Abluftkanal 13 in Kontakt kommen, sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Aluminium ist kostengünstig und weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Um ein Oxidieren bzw. Rosten der Wärmetauscherrohre 33 aus Aluminium, beschichtetem Aluminium bzw. Aluminiumlegierung, z. B. AMG 3 weitgehend zu verhindern, kann Wasser mit einem entsprechenden pH-Wert (6,5 bis 7,5) und einer entsprechend geringen elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen werden.
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Insbesondere, wenn der Wärmetauscher zumindest teilweise aus Aluminium, beschichtetem Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung, z. B. AMG 3 besteht, kann ein Aufbereiten von Wärmetauscher-Wasser derart erfolgen, dass der pH-Wert des Wassers zwischen (ca.) 6,5 und (ca.) 8,5 liegt und die elektrische Leitfähigkeit des Wassers einen Wert kleiner als 100 mS/m, insbesondere kleiner als 30 mS/m aufweist, und ein Aufbringen des Wassers, insbesondere Aufsprühen auf die insbesondere aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Teile des Wärmetauschers in dem Luftkanal zum Abkühlen des Fluids erfolgen.
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Falls im Abluftkanal 13 Lamellen (nicht gezeigt) ausgebildet sind, die mit den Wärmetauscherrohren 33 in Wärmekontakt stehen, um eine bessere Übertragung der Wärme bzw. Kälte von der Luft an das Wärmetauscherfluid bzw. umgekehrt zu ermöglichen, können diese anstelle des oder zusätzlich zu dem Wärmetauscherrohr 33 aus Aluminium (oder einer Aluminiumlegierung) ausgebildet sein.
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Die Wärmerückgewinnungseinrichtung kann ein Reservoir für ein Wärmetauscherfluid aufweisen (nicht gezeigt). Die Abluft bzw. Zuluft kann Gas bzw. Gasgemische enthalten oder kann auch aus einem Gas bzw. Gasgemisch bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erster Wärmetauscherkreislauf
- 11
- zweiter Wärmetauscherkreislauf
- 12
- Zuluftkanal
- 13
- Abluftkanal
- 14
- erster Zuluftkanalwärmetauscher
- 15
- erster Abluftkanalwärmetauscher
- 16
- zweiter Zuluftkanalwärmetauscher
- 17
- zweiter Abluftkanalwärmetauscher
- 18
- erste Wärmetauscherleitungen
- 19
- zweite Wärmetauscherleitungen
- 20
- erste Pumpe
- 21
- zweite Pumpe
- 22
- Drei-Wege-Ventil
- 23
- Anschlussleitung
- 24
- Anschlussleitung
- 25
- Außenluft
- 26
- Gebläse
- 27
- Zuluft
- 28
- Gebläse
- 29
- Abluft
- 30
- Sprüheinrichtung
- 31
- Fortluft
- 32
- Pumpe
- 33
- Wärmetauscherrohr
- 34
- erstes Wärmetauschermodul
- 35
- zweites Wärmetauschermodul
- 36
- zuluftkanalseitiges Ende
- 37
- Sammelrohr
- 38
- abluftkanalseitiges Ende
- 39
- Untereinheit
- 40
- Untereinheit
- 41
- Trennungsbereich
