DE3325231A1 - Verfahren zur ganzjaehrigen rueckgewinnung sensibler und latenter waerme aus dem fortluftstrom im schwimmbadbereich oder auch sinngemaess fuer andere bereiche - Google Patents

Verfahren zur ganzjaehrigen rueckgewinnung sensibler und latenter waerme aus dem fortluftstrom im schwimmbadbereich oder auch sinngemaess fuer andere bereiche

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Description

Einleitung
Die Fortluftströme aus Schwimmhallen oder Räumen ähnlicher Art haben aufgrund des Feuchtegehaltes und der damit zusätzlichen latenten Wärme einen vergleichsweise hohen Energiegehalt. So beträgt die Energiedifferenz zwischen einer Außenluft von -10°C bei 1,3 gr Feuchte und einer Fortluft von 29°C und 14,3 gr Feuchte = 72,4 kJ. Bei gleichbleibendem Feuchtegehalt würde die Energiedifferenz z. b. nur 42,57 kJ betragen.
Setzt man voraus, dass eine qualitativ hochwertige Wärmerückgewinnung z. B. ein Gegenstrom-Plattenwärmetauscher oder eine rekuperative, kreislaufverbundene Wärmerückgewinnung nach besonderer Gegenstrom-System-Schaltung mit einem Temperaturaustauschgrad von max. 80% installiert ist, so kann damit gemäß Auflistung Tabelle Anlage 3 nur ein Jahres-Enthalpie-Wirkungsgrad n[tief]ha von ca. 34,77% gemäß Beispiel erwirkt werden. Dieser Wirkungsgrad berücksichtigt noch nicht den fallenden Temperaturaustauschgrad bei geringer werdender Temperaturdifferenz durch abnehmende Kondensation und damit vermindertem Wärmeübergang.
Eine herkömmliche Wärmerückgewinnung kann - wie vor gezeigt - nicht den Wärmeinhalt der Fortluft (gleiche Massenströme vorausgesetzt) befriedigend zurückgewinnen.
Alternativ dazu steht die Wärmepumpe. Es wäre jedoch falsch, ohnehin übertragbare Wärme mit einer Wärmepumpe nutzbar zu machen, da für übertragene Wärme mittels Wärmerückgewinnung nur ein Primärenergieaufwand von ca. 5% - für den Massentransport - gegenüber bei einer Wärmepumpe für den Massentransport und die Kompressionsarbeit von ca. 25% erforderlich wird. Eine Wärmepumpe ist somit nur nachgeschaltet volkswirtschaftlich von Vorteil.
Verfahren zur Rückgewinnung aus dem Fortluftstrom
Die erfindungsgemäße Idee zur wirtschaftlichen Wärmerückgewinnung liegt nun darin, einer rekuperativen Wärmerückgewinnung Außenluft-Fortluft einen Kühler in besonderer Bauart (Gegenstrombauweise) vorzuschalten, welcher von dem ohnehin benötigten Gebrauchswasser für die Warmduschen und dem Beckenfrischwasser durchströmt wird. Siehe dazu Figur 1. Hier wird das vorhandene niedrige Temperaturpotential des Wassers von ca. 10°C auf einfacher Wärmerückgewinnungsbasis genutzt, - ganzjährig aus der Fortluft sensible und latente Wärme rückzugewinnen und das Wasser auf etwa 25°C vorzuwärmen. Die dabei mögliche vorerwärmte Wassermenge ist, wie Beispiel Anlage 3 zeigt, abhängig von der notwendigen Außenluft-Fortluftmenge für die Schwimmhallenentfeuchtung. Der normale tägliche Frischwasserbedarf liegt gemäß Tab. 1 bei etwa 55 m[hoch]3/Tag. Zeitweise höhere vorerwärmte Wassermengen können für die Verbesserung der Wasserqualität oder für ein Außenbecken benutzt werden.
Ist die max. Wärmeaufnahme des vorgeschalteten Kühlers erreicht oder begrenzt, so wird das dann noch vorh. Temperaturpotential mittels einer nachgeschalteten kreislaufverbundenen Wärmerückgewinnungsanlage an den Außenluft-Zuluftstrom übertragen. Volle Wärmeabnahme durch den Gebrauchswasser-Kühler vorausgesetzt, würde in vorliegendem Beispiel noch bis zu einer Außentemperatur von ca. + 14°C (etwa 60% der Betriebsstunden) Fortluftwärme auf WRG's-Basis genutzt. Die Wärmetauscher der rekuperativen WRG sind dabei nach besonderer Bauart (Gegenstrombauweise) auszuführen, und so auszulegen, dass die Außenluft noch von -10°C auf + 10°C aufwärmt und die Fortluft weiter von + 14°C auf ca. + 4°C ausgekühlt wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Idee liegt nun darin, die ohnehin für eine max. Auskühlung der Fortluft ausgelegten Wärmetauscher und den ohnehin vorhandenen Sohle-Massenstrom des kreislaufverbundenen Systems gleichzeitig zum Einsatz von Wärmepumpen zu nutzen. Damit wird in sinnvoller und wirtschaftlicher Weise der primärenergiesparende Betrieb der WRG mit dem Vorteil der Wärmepumpe kombiniert.
Gemäß Tabelle Anlage 4 können dabei Wirkungsgrade n[tief]ha von 47,4 bis 120,8%, im Jahresmittel bis 73,3% erreicht werden. Der Wirkungsgrad über 100% ist möglich, da ab einer bestimmten Außentemperatur der Wärmeinhalt der Fortluft niedriger ist, als der der Außenluft und somit Umweltwärme mitgenutzt wird.
Für die kreislaufverbundene WRG können gemäß Tabelle Anlage 5 weitere 43.893 kW rückgewonnen werden. Dies entspricht einem Enthalpie-Wirkungsgrad von n[tief]h = 27,2% im mittel und auf die Gesamtenthalpiedifferenz bezogen weitere 7,9%.
Die Gesamtrückgewinnung beträgt dann jedoch bereits 408.925 kW + 43.893 kW = 452.818 kW von 557.456 kW (Anlage Tabelle 4/3). Dies entspricht einem Enthalpiewirkungsgrad von über 81%.
Bei Einsatz von Wärmepumpen ist es nun möglich, nochmals folgende Wärmemengen dem Fortluftstrom zu entziehen:
a) gesamter FO-Massenstrom/Jahr = m/a = 55,8 mal 10[hoch]6 [kg]
b) Enthalpiedifferenz FO 14°C/100% r.F. zu FO 4°C/100% r.F. = 22,6 [kJ]
c) Jahresrückgewinn = 55,8 mal 10[hoch]6 mal 22,61/3600 = 350.455 kW
Zusammen mit den Leistungen der WRG'sanlagen ergeben sich gemäß Beispiel folgende Werte:
1) WRG-FO-Gebrauchswasser 408.925 kW
2) WRG-kreislaufverbundene Anlagen 43.893 kW
3) Wärmepumpe 350.455 kW
__________
insgesamt 803.273 kW
Der ohnehin vorhandene Fortluftmassenstrom dient also gleichzeitig noch als Wärmequelle für den rentablen Betrieb einer Wärmepumpe.
Beschreibung der Systemschaltung nach Figur 1:
Das System benötigt zunächst einen Behälter als Pufferspeicher (1), damit die zeitlich und mengenmäßig stark differierenden Massenströme für die Duschen und Beckeneinspeisung einerseits und Wärmerückgewinnung andererseits in Einklang gebracht werden können. Ist die Fortluft-Anlage (2) in Betrieb zieht die Pumpe (3) im Speicher befindliches kaltes Wasser durch den Wärmetauscher (4), erwärmt dieses auf ca. 25°C, speichert dieses ein oder strömt direkt zu einer Verbrauchsstelle (5), (6), (8) oder (9) je nach momentanem Bedarf. Das vorerwärmte Kaltwasser fließt so entweder direkt (5) oder über den Wasserbereiter (6) zur Mischbatterie Duschen (7). Die Verbrauchsstelle Innenbecken (8) oder Außenbecken (9) wird trotz Anforderung über eine Niveauregelung (10) zeitverzögert bedient, d.h. nur wenn der Pufferspeicher genügend vorerwärmtes Wasser eingespeichert hat. Damit erfolgt ein kontinuierlicher Betrieb über die gesamte Tageszeit. Der als Kühler eingesetzte Wärmetauscher (4) ist zudem in besonderer Bauart in Gegenstrombauweise einzusetzen.
Die nachgeschaltete kreislaufverbundene WRG'sanlage besteht aus den Wärmetauschern in besonderer Bauart (11 + 12), einem Rohrsystem (13), drehzahlgeregelter Umwälzpumpe (14), Sommerbypass (15) sowie einem Rohranschluß (16 + 17) für die Wärmepumpen (18). Ist nur eine Wärmepumpe vorgesehen, ist ein Pufferspeicher zu verwenden (nicht gezeichnet). Bei einem Einsatz mehrerer Wärmepumpen sind diese über Dreiwegeventile (19 + 20 + 21) in Reihe geschaltet und kühlen den Sohle-Massenstrom nach Bedarf stufenweise ab.
- Anlage 1 -
Berechnungsbeispiel - Ausgangsdaten
1) Allgemeine Daten
Richtlinien für den Bäderbau
Auslegung für ein Schwimmbad mit Becken 25 x 10 = 250 m[hoch]2
Raumtemperatur 29°C
Beckentemperatur 26°C
Kaltwassertemperatur 10°C
max. zulässige Luftfeuchte x[tief]max = 14,3 gr/kg Luft
Außenluft-Zustand im Sommer 9 gr/kg Luft
Abluft Schwimmhalle - Wärmeinhalt 29°C/65,59 kJ/kg
2) Wasserverdunstung
W = kleines Epsilon x f x (P[tief]s - P[tief]d)
kleines Epsilon = lt. Richtlinien für Bäderbau 37 g/m[hoch]2 h Torr
f = Beckenwasserfläche m[hoch]2
P[tief]s = Dampfdruck bei Beckenwassertemperatur in Torr
gemäß Zahlentafel 21.06, 26°C = 24.988 Torr
P[tief]d = Teildruck des Wasserdampfes in der Raumluft in Torr
gemäß i/x Diagramm 14.3 gr/kg bei 29°C = 17.00 Torr
W = 37 250 x (24.988 - 17) = 73.889 gr/Std.
Erforderliche Luftmenge zum Entfeuchten:
G[tief]L erforderlich bei x = 14,3 gr/kg max. und Außenluft 9,0 gr max.
Großes Lambda x = 5,3 gr/kg
G[tief]L = 73.889/5.3 = 13.941 kg/Std entspricht 11.600 m
<NichtLesbar>
/h
3) Frischwasserbedarf
lt. Bäderrichtlinie min. 30 ltr/Person
min. bei 500 Pers. = 500 x 30 = 15.000 ltr/Tag
4) Warmwasserbedarf
Annahme 500 Pers./Tag
Warmwassermenge/Person gemäß Bäderrichtlinien = 80 ltr
Warmwasserbedarf/Tag = 500 x 80 = 40.000 ltr/Tag
5) Mindestaußenluft
lt. Bäderrichtlinien 10 m
<NichtLesbar>
/m Beckenfläche
bei 250 m
<NichtLesbar>
x 10 = 2.500 m
<NichtLesbar>
/Std
- Anlage 2 -
Klimadaten gemäß VDI 2071 Zone 1
- Anlage 3 -
Jährlicher Wärmerückgewinn mit WRG-System großes Phi 0,8
- Anlage 4 -
Jährlicher Wärmerückgewinn mit Systemtechnik Fortluft/Gebrauchswasser
- Anlage 5 -
Jährlicher Wärmerückgewinn mit nachgeschaltetem kreislaufverbundenem WRG-System großes Phi = 0,8

Claims (2)

1. Wärmerückgewinnungsanlagen im Schwimmbadbereich oder gleichwertigen Gebäuden oder Bauteilen dadurch gekennzeichnet, dass das ohnehin benötigte und zu erwärmende Kaltwasser mit in den Wärmerückgewinnungs-Prozeß, aus dem Fortluftstrom, einbezogen wird und so ganzjährig sensible und latente Wärme zurückgewonnen wird.
2. WRG'sanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kreislaufverbundene WRG'sanlage nachgeschaltet ist, Wärmetauscher in besonderer Bauart (Gegenstrombauweise) installiert sind und diese in Auslegung und Konstruktion so ausgeführt sind, dass zur Restwärmenutzung Wärmepumpen unmittelbar in den Wasser/Sohlekreislauf eingeschaltet werden können.
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