DE202013100848U1

DE202013100848U1 - Vorrichtung zur Temperierung eines Raumes

Info

Publication number: DE202013100848U1
Application number: DE202013100848.6U
Authority: DE
Original assignee: Yit Germany GmbH
Current assignee: Makulla Detlef De
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-03-10
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: WO2014131681A1

Abstract

Vorrichtung zur Temperierung eines Raumes, mit lang gestreckten Wärmetauscherelementen die mit Phasenwechselmaterial (4) versehen sind und in einem konvektiven und/oder Strahlungsaustausch von Energie mit dem Raum stehen, wobei sich das Phasenwechselmaterial (4) in fluiddichten Behältnissen (3) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente Hohlprofile (2) sind, die jeweils mindestens einen diffusionsdicht abgeschlossenen Innenraum aufweisen, in dem die Phasenwechselmaterial (4) enthaltende Behältnisse (3) angeordnet sind.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines Raumes, mit lang gestreckten Wärmetauscherelementen, die mit Phasenwechselmaterial versehen sind und in einem konvektiven und/oder Strahlungsaustausch von Energie mit dem Raum stehen, wobei sich das Phasenwechselmaterial in fluiddichten Behältnissen befindet.
Stand der Technik
In der EP 0 333 032 A1 wird ein System zur Temperierung von Räumen eines Gebäudes mittels Wärmetauscherelementen beschrieben. Um einen hohen konvektiven Wärmetransport zu erreichen, soll die Oberfläche an der die Wärmeübertragung stattfinden soll, möglichst groß gestaltet werden. Dazu werden an einer mit Wärmetransportmedium (z. B. Wasser) durchströmten Rohrleitung in einer lamellenförmigen Anordnung Wärmeübertragungsprofile angebracht. Die Wärmeübertragungsprofile werden in Längsrichtung der Rohrleitung, hintereinander liegend und parallel zueinander, schräg unter der Decke befestigt. Die Wärmeübertragungsprofile sind so verstellbar, dass sie vertikal zur Decke oder horizontal zur Decke angeordnet werden können. Mit diesem System ist nicht nur ein konvektiver Wärmeaustausch möglich, sondern ein Teil des Austauschs findet durch Strahlung statt. Dabei ist die Konvektions- und Strahlungsfläche größer als die der abgedeckten Wand- und Deckenfläche.
Ein für den Einsatz in Wärmetauscherelementen bekanntes Material ist sogenanntes „Phasenwechselmaterial” bzw. „Phase Change Material (PCM)”, welches sich durch eine Latentwärmespeicherung auszeichnet. Während der Latentwärmespeicherung kommt es ohne Temperaturänderung zur Wärmeaufnahme bzw. -abgabe in dem Material, welches seine Phase von fest nach flüssig bzw. umgekehrt ändert. Wenn das Material Wärme aufnimmt, beginnt dieses bei Erreichen der Phasenübergangstemperatur zu schmelzen. Bis zum vollständigen Schmelzen des Materials findet kein Temperaturanstieg mehr statt, wobei immer mehr Wärme aufgenommen wird. Die Wärme die während des Schmelzvorganges eingespeichert wird, wird auch „versteckte Wärme” bzw. „latente Wärme” genannt. Diese gespeicherte Wärme wird beim Erstarren des Materials wieder freigesetzt. Die eingesetzten Phasenwechselmaterialien werden so ausgewählt, dass ihr Schmelzbereich für die zu lösende Aufgabe eine günstige Bandbreite aufweist. Bekannte Phasenwechselmaterialien bestehen z. B. aus Salzhydraten oder aus Paraffin.
Phasenwechselmaterial wird z. B. in der DE 203 03 514 U1 als latenter Wärmespeicher eingesetzt. Dabei befindet sich das Phasenwechselmaterial in einer wärmeleitenden Umhüllung, welche zylindrisch, oval oder polygonal geformt sein kann. Zur besseren Wärmeübertragung befindet sich in der Umhüllung ein zusätzliches Metallgeflecht, welches vorzugsweise aus einem Aluminium-Stangenpressprofil besteht. Die einzelnen Wärmetauscherelemente werden in einem Gehäuse in Reihen oder matrixförmig angeordnet. Die in dem Gehäuse vorliegende Luftströmung sorgt für einen Wärmeaustausch zwischen dieser Luft und dem Phasenwechselmaterial, dabei kann warme Luft die Energie an das Phasenwechselmaterial abgeben. Diese Art der Anordnung der Wärmetauscherelemente in einem Gehäuse führt zu einer ungünstigen Wärmeübertragung, da ein schlechtes Oberflächen-Volumen-Verhältnis vorliegt.
Auch in der DE 203 05 942 U1 wird Phasenwechselmaterial zum Wärmeaustausch bereitgestellt. Die Hohlräume in einem Stützelement, welches zur Stabilisierung des Bauteils dient, werden mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt. Dieses Phasenwechselmaterial kann sowohl in einfacher Form in den luftdichten Hohlräumen eingefüllt werden, als auch in einem mit Phasenwechselmaterial gefüllten Behältnis. Des Weiteren ist in dem System eine Kühlvorrichtung, insbesondere in der Form von Wasserschläuchen, vorhanden. Diese sehr kompakte Anordnung ist wegen eines schlechten Oberflächen-Volumen-Verhältnissen nicht gut zur konvektiven Wärmeübertragung geeignet. Durch die geschlossene Bauart des Systems ist eine Durchströmung in vertikale Richtung, d. h. senkrecht zu der Ebene der Rohrleitungssysteme nicht möglich.
Eine lamellenförmige Anordnung der Wärmetauscherelemente mit Phasenwechselmaterial wird in der DE 20 2006 007 617 U1 beschrieben. In dieser Vorrichtung ist das Phasenwechselmaterial von einer flüssigkeitsdichten Aluminium- und/oder Kunststoffumhüllung umgeben. Diese Umhüllung kann sowohl formstabil als auch in einem nicht-formstabilen Zustand vorhanden sein. Die Umhüllung kann dann in Form einer Schicht oder Beschichtung auf die insbesondere aus Aluminium bestehenden, vorzugsweise plattenförmigen Wärmetauscherlamellen angebracht werden. Somit ist ein großflächiger Wärmeaustausch zwischen dem Phasenwechselmaterial und dem Wärmetauscherelement möglich. In einer weiteren Ausgestaltung befindet sich das Phasenwechselmaterial in einem U-förmigen Profil. Auch ist es möglich, dass das Wärmetauscherelement aus mehreren Bauteilen, welche einen Hohlraum zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials bilden, besteht.
Die lamellenförmige Anordnung der Phasenwechselmaterial beinhaltenden Wärmetauscherelemente hat sich für den Austausch von Wärme als gut einsetzbar erwiesen. Jedoch ist die Anordnung des Phasenwechselmaterials mit den Hohlprofilen noch nicht zufrieden stellend, z. B. erweist sich die Anbringung des Phasenwechselmaterials an einem plattenförmigen Bauteil, gerade bei langen Wärmetauscherelementen, als problematisch. Die Anordnung des Phasenwechselmaterials in einem Hohlprofil eignet sich in diesem Falle besser, jedoch ist die in der DE 20 2006 007 617 U1 beschriebenen Ausführungsform praktisch und wirtschaftlich gesehen noch nicht zufrieden stellend.
Aufgabe
Die Vorrichtung liegt der Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauschelement so zu konstruieren, dass eine einfache Anbringung und ein Austausch des Phasenwechselmaterials möglich sind, ohne dieses dabei zu beschädigen. Ein Austrocknen des Phasenwechselmaterials sollte möglichst verhindert werden. Die neu gestaltete Vorrichtung sollte dabei jedoch keinen wirtschaftlichen Nachteil haben.
Lösung
Die zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wärmetauscherelemente Hohlprofile sind, die jeweils mindestens einen diffusionsdicht abgeschlossenen Innenraum aufweisen, in dem die Phasenwechselmaterial enthaltenden Behältnisse angeordnet sind. Die Phasenwechselmaterial enthaltenden Behältnisse, also die innere Ummantlung des Phasenwechselmaterials, können z. B. als fluiddichter Beutel oder in einer Form, wie sie von sogenannten Kühl-Akkus bekannt ist, ausgestaltet sein. Die Wärmetauscherelemente unterscheiden sich in der Hinsicht von der DE 20 2006 007 617 U1 , dass das Hohlprofil vollständig geschlossen ist. Dies gilt insbesondere auch für die stirnseitigen Enden, die nach dem Stand der Technik stets offen waren. Trotz des geschlossenen Hohlprofils muss bei dieser Vorrichtung nicht auf die lamellenförmige Anordnung verzichtet werden. Die lamellenförmige Anordnung der lang gestreckten Wärmetauschelemente bewirkt eine gute Wärmeübertragung von Luft auf das Phasenwechselmaterial und umgekehrt. Das geschlossene Hohlprofil erweist sich in verschiedenen Punkten als sehr vorteilhaft. So verhindert eine zweite Umkapslung z. B. ein Auslaufen des Phasenwechselmaterials, wenn die innere Umhüllung Schäden aufweist. Eine diffusionsdichte Schicht kann in der äußeren Ummantlung angebracht oder von dieser gebildet werden und ein einfacher Austausch des Phasenwechselmaterials ist möglich, ohne dabei die innere Umhüllung zu beschädigen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung liegt darin, dass die Hohlprofile aus einem diffusionsdichten Material bestehen, vorzugsweise aus Metall, weiter vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung. Es wird ein diffusionsdichter Verschluss des Phasenwechselmaterials benötigt, damit ein Austrocknen verhindert werden kann. Um die Wärmeaustauschelemente kostengünstiger zu gestalten, wäre es von Vorteil das Hohlprofil diffusionsdicht zu verschließen und somit auf eine diffusionsdichte innere Ummantlung des Phasenwechselmaterials zu verzichten. Ein Hohlprofil aus Metall, also einem nicht-brennbaren Material, würde zudem noch einen verbesserten Schutz vor Brand gewähren. Dieses ist vor allem bei dem Einsatz von Paraffin als Phasenwechselmaterial von Vorteil, da dieses brennbar ist.
Hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn die Hohlprofile Aluminium-Strangpressprofile sind. Aluminium-Strangpressprofile haben den Vorteil, dass sie besonders leicht sind und somit die Montagearbeiten erleichtern, sowie Lasten auf die Rohrleitungen verringern. Hinzu kommt, das Aluminium eine gute Steifigkeit, also die Nachgiebigkeit unter Belastung, besitzt. Damit wird eine mögliche Verformung des Profils minimiert. Ein weiterer Vorteil des Aluminiums liegt darin, dass eine Verbindung zwischen den einzelnen Teilen gut durch Klebstoff ermöglicht werden kann und somit eine diffusionsdichte Verbindung auch ohne Schweißen möglich ist. Darüber hinaus lassen sich Strangpressprofile in größeren Mengen kostengünstig herstellen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass mindestens ein stirnseitiges Ende eines Hohlprofils mit einem Deckel verschlossen ist, wobei vorzugsweise gegenüber liegende stirnseitige Enden jeweils mit einem Deckel verschlossen sind. Mit Deckeln an den beiden Stirnseiten wird ein vollständig geschlossenes Hohlprofil erschaffen. Durch diese Anordnung kann ein Austreten des Phasenwechselmaterials bei Beschädigung der inneren Ummantlung verhindert werden. Hinzu kommt, dass keine fest Verbindung, z. B. Verkleben, des Phasenwechselmaterials und des Wärmetauscherprofils, wie dieses in dem DE 20 2006 007 617 U1 der Fall ist, notwendig ist. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch des in Behältnissen befindlichen Phasenwechselmaterials durch z. B. Einschieben, ohne dabei Beschädigungen der Ummantlung und somit eine Freisetzung des Phasenwechselmaterials zu verursachen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Hohlprofil aus mindestens zwei Profilteilen zusammengesetzt. Durch die Kombination mindestens zweier Profilteile besteht die Möglichkeit, dass das Behältnis nicht nur an den Stirnseiten eingeschoben werden kann, sondern auch in Längsrichtung der Hohlprofile eingelegt werden kann. Anschließend sind die Profilteile diffusionsdicht zu verbinden, z. B. unter Verwendung einer auch als Klebstoff wirkenden dauerelastischen Dichtungsmasse.
Vorzugsweise verläuft eine Trennungsfuge zwischen zwei Profilteilen in Längsrichtung des zugeordneten Hohlprofils. An dieser Trennfuge können zweiteilige Hohlprofile, z. B. durch Verklebung und gleichzeitige Abdichtung miteinander verbunden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Bereich einer Trennungsfuge zwischen zwei Profilteilen Dichtungsmaterial, vorzugsweise in Form eines Dichtungsprofils, angeordnet. Durch das Dichtungsmaterial soll die äußere Ummantlung im verschlossenen Zustand diffusionsdicht sein und infolgedessen die Austrocknung des Phasenwechselmaterials auch bei Verwendung eines weniger diffusionsdichten Materials für das innere Behältnis verhindert werden.
Ferner ist ein fluiddichtes Behältnis für das Phasenwechselmaterial von einem Beutel aus einer Folie aus Kunststoff oder einem Metall oder einem Verbundmaterial aus Kunststoff und Metall gebildet. Aus wirtschaftlichen Zwecken bietet es sich an, das Behältnis, die innere Ummantlung des Phasenwechselmaterials, fluiddicht und nicht diffusionsdicht herzustellen. Die diffusionsdichte Ummantlung soll dann in der äußeren Ummantlung angebracht werden.
Alternativ besteht das fluiddichte Behältnis aus zwei spritzgusstechnisch hergestellten und diffusionsdicht miteinander verbundenen Halbschalen, wobei das Behältnis vorzugsweise quaderförmig oder zylinderförmig ist. Durch eine formstabile innere Ummantlung werden der Transport und die Anbringung des Phasenwechselmaterials in das Hohlprofil vereinfacht. Eine quaderförmige oder zylinderförmige Ausgestaltung ermöglicht einen guten Wärmetransport zwischen dem Phasenwechselmaterial und den Wärmetauscherelementen.
Schließlich soll das fluiddichte Behältnis großflächig mit dem Hohlprofil in Kontakt stehen, damit eine gute Wärmeübertragung stattfinden kann. Wenn sich zwischen dem Hohlprofil und dem mit Phasenwechselmaterial gefüllten Behältnis zu viele Lufträume befänden, wäre ein effizienter Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft und dem Phasenwechselmaterial erschwert.
Ausführungsbeispiele
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigt:
1: Querschnitt einer Phasenwechselmaterial-Kühllamelle mit doppelter Ummantlung
2: Längsschnitt einer Phasenwechselmaterial-Kühllamelle mit doppelter Ummantlung
In 1 wird ein Wärmetauschelement 1 in Form einer Kühllamelle dargestellt, die zur Raumklimatisierung verwendet werden kann. Die äußere Ummantlung der Kühllamelle besteht aus einem oder mehreren Hohlprofilen 2, z. B. aus Aluminium-Strangpressprofilen. Das Hohlprofil 2 soll aus einem diffusionsdichten und wärmeleitfähigen Material, z. B. Metall, insbesondere Aluminium bestehen. In dieses Hohlprofil 2 ist ein Behältnis 3, welches Phasenwechselmaterial 4 enthält, eingeführt. Das Behältnis 3 kann in Form eines Beutels oder einer formstabilen Ummantlung ausgebildet sein. Dabei soll das Behältnis 3 zumindest fluiddicht sein, um somit ein Auslaufen des Phasenwechselmaterials 4 zu verhindern. Ein diffusionsdichtes Behältnis 3 wird an dieser Stelle nicht unbedingt benötigt, da das äußere Hohlprofil 2 bereits diffusionsdicht ist und somit ein Austrocknen des Phasenwechselmaterials 4 verhindert werden kann. Das äußere Hohlprofil 2 steht in Verbindung mit der Raumluft. Die Wärme der Raumluft wird über das Hohlprofil 2 und das innere Behältnis 3 an das Phasenwechselmaterial 4 abgeben. Dabei steigt die Temperatur des Phasenwechselmaterials 4 an, bis eine Verflüssigung des Phasenwechselmaterials 4 beginnt. Ein weiterer Temperaturanstieg findet erst dann wieder statt, wenn das gesamte Phasenwechselmaterial 4 verflüssigt ist. Während der Verflüssigung wird auch ohne weiteren Temperaturanstieg des Phasenwechselmaterials 4 der Umgebungstemperatur Wärme entzogen. Um das Phasenwechselmaterial 4 z. B. in der Nacht wieder zu kühlen, wird kaltes Wasser durch eine Rohrleitung 5, welche mit dem Hohlprofil 2 verbunden ist, geleitet. Hierbei wird die Wärme von dem Phasenwechselmaterial 4 über das innere Behältnis 3 und das Hohlprofil 2 an das Wasser in einer Rohrleitung 5 übertragen. Die sich in einem oberen, in Querschnitt ungefähr halbschalenförmigen Verbindungsabschnitt 6 des Hohlprofils 2 befindet. Die Rohrleitung 5 ist Teil eines Zirkulationssystems, in das eine Einrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme integriert ist. Normalerweise ist die Temperatur von Leitungswasser ausreichend, um das Phasenwechselmaterial 4 wieder zu kühlen und zum Erstarren zu bringen. Nach dem Prozess des Kühlens kann das Phasenwechselmaterial 4 am nächsten Tag wieder zur Raumkühlung eingesetzt werden.
In 2 wird ein Längsschnitt des Wärmetauscherelements 1 dargestellt. In dem Hohlprofil 2 des Wärmetauscherelements 1 können z. B. vier Behältnisse 3 eingesetzt werden. Im Inneren der Behältnisse 3 befindet sich Phasenwechselmaterial 4, z. B. Parraffin. Um ein Auslaufen des Phasenwechselmateriales 4 zu verhindern sind die Behältnisse 3 fluiddicht verschlossen. Anschließend soll das Hohlprofil 2 an einer offenen Stirnseite 9 mit einem spritzgusstechnisch gefertigten Deckel 7 aus z. B. einem Kunststoffmaterial an der Stirnseite 9 verschlossen werden. In einer hier nicht dargestellten Ausführung werden die Deckel 7 an beiden zunächst hier offenen Stirnseiten 9 angebracht. Der Deckel 7 kann sowohl gesteckt bzw. geklemmt, als auch mit dem Hohlprofil 2 verklebt werden. Dabei ist die Abdichtung diffusionsdicht, damit das Phasenwechselmaterial 4 nicht austrocknet oder ausläuft. Um eine diffusionsdichte Abdichtung herzustellen, kann eine Dichtung 8 aus einem pastös-fließfähigen Material mit klebenden Eigenschaften verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass eine elastomere Dichtung 8 in Form einer Dichtschnur oder eines geschlossenen Dichtungsrings zwischen dem festgesteckten Deckel 7 und dem Hohlprofil 2 angebracht wird. Die Rohrleitung 5 verläuft in Längsrichtung des Wärmetauscherelement 1 im oberen Verbindungsabschnitt 6 des Hohlprofils 2.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauschelement
2: Hohlprofil
3: Behältnis
4: Phasenwechselmaterial
5: Rohrleitung
6: Verbindungsabschnitt
7: Deckel
8: Dichtung
9: Stirnseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0333032 A1 [0002]
DE 20303514 U1 [0004]
DE 20305942 U1 [0005]
DE 202006007617 U1 [0006, 0007, 0009, 0012]

Claims

Vorrichtung zur Temperierung eines Raumes, mit lang gestreckten Wärmetauscherelementen die mit Phasenwechselmaterial (4) versehen sind und in einem konvektiven und/oder Strahlungsaustausch von Energie mit dem Raum stehen, wobei sich das Phasenwechselmaterial (4) in fluiddichten Behältnissen (3) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente Hohlprofile (2) sind, die jeweils mindestens einen diffusionsdicht abgeschlossenen Innenraum aufweisen, in dem die Phasenwechselmaterial (4) enthaltende Behältnisse (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofile (2) aus einem diffusionsdichten Material bestehen, vorzugsweise aus Metall, weiter vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofile (2) Aluminium-Strangpressprofile sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein stirnseitiges Ende eines Hohlprofils (2) mit einem Deckel (7) verschlossen ist, wobei vorzugsweise gegenüber liegende stirnseitige Enden (9) jeweils mit einem Deckel (7) verschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlprofil (2) aus mindestens zwei Profilteilen zusammengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennungsfuge zwischen zwei Profilteilen in Längsrichtung des zugeordneten Hohlprofils (2) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Trennungsfuge zwischen zwei Profilteilen Dichtungsmaterial, vorzugsweise in Form eines Dichtungsprofil angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluiddichtes Behältnis (3) für das Phasenwechselmaterial (4) von einem Beutel aus einer Folie aus einem Kunststoff oder einem Metall oder einem Verbundmaterial aus Kunststoff und Metall gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluiddichtes Behältnis (3) aus zwei spritzgusstechnisch hergestellten und diffusionsdicht miteinander verbundenen Halbschalen zusammengesetzt ist, wobei das Behältnis (3) vorzugsweise Quaderförmig oder Zylinderförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddichte Behältnis (3) großflächig mit dem Hohlprofil (2) in Kontakt steht.