EP1654051A1 - Verfahren und vorrichtung zur klimatisierung eines raumes mit einem luftgemisch mit abgesenktem sauerstoffpartialdruck - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur klimatisierung eines raumes mit einem luftgemisch mit abgesenktem sauerstoffpartialdruck

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Publication number
EP1654051A1
EP1654051A1 EP04740877A EP04740877A EP1654051A1 EP 1654051 A1 EP1654051 A1 EP 1654051A1 EP 04740877 A EP04740877 A EP 04740877A EP 04740877 A EP04740877 A EP 04740877A EP 1654051 A1 EP1654051 A1 EP 1654051A1
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EP
European Patent Office
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air
oxygen
fuel
room
partial pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04740877A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Dr. Jahn
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JAHN, AXEL, DR.
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2213/00—Exercising combined with therapy
    • A63B2213/005—Exercising combined with therapy with respiratory gas delivering means, e.g. O2
    • A63B2213/006—Exercising combined with therapy with respiratory gas delivering means, e.g. O2 under hypoxy conditions, i.e. oxygen supply subnormal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/20—Capture or disposal of greenhouse gases of methane

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for air conditioning a room with an air mixture which has an oxygen partial pressure which is lower than that of ambient air.
  • the effect of altitude training or altitude therapy can also be achieved in an atmosphere at normal pressure, in which, however, the oxygen partial pressure is reduced so that it corresponds to the oxygen partial pressure of a certain height above sea level.
  • the partial pressure of other air components in particular nitrogen, must be increased accordingly.
  • Air conditions with an oxygen partial pressure corresponding to a certain height and at the same time normal total air pressure are also referred to as normobaric hypoxia.
  • normobaric hypoxia Air conditions with an oxygen partial pressure corresponding to a certain height and at the same time normal total air pressure.
  • normobaric hypoxia Air conditions with an oxygen partial pressure corresponding to a certain height and at the same time normal total air pressure.
  • normobaric hypoxia For example, air with an oxygen volume fraction of 14.3% corresponds to a height of approximately 3,000 m above sea level or 16.2% to a height of 2,000 m above sea level.
  • the air is mixed with an inert gas, usually nitrogen (for example WO 96/37176 A), or with CO 2 .
  • an inert gas usually nitrogen (for example WO 96/37176 A), or with CO 2 .
  • the method is technically simple to implement and also has the advantage that undesired components of the air, such as CO 2 , odorants or particles, are diluted to the same extent as oxygen, but the dilution medium may not contain any odorants or other undesirable components.
  • the process is expensive because the diluent media nitrogen or other inert gases are expensive and are required in large quantities.
  • An additional cost-increasing factor is that when the room to be air-conditioned is started up to the desired oxygen content, air that has already been diluted is displaced from the room by supplying the dilution medium. As a result, the expensive dilution media are increasingly discharged unused until the desired oxygen content is reached. This eliminates the dilution process for the production of larger quantities of air for large rooms, which are also in constant unwanted air exchange with the environment. In addition, some of the dilution media are foreign gases for humans. Since C0 2 is harmful to humans in higher concentrations, it is out of the question as a dilution medium for rooms intended for personal use and is only used for fire protection purposes and in specially protected areas Rooms, such as data centers. Recent developments in fire protection therefore use nitrogen as a dilution medium.
  • membrane technology In addition to the low air output in the range of one cubic meter per hour, membrane technology has the disadvantage of being expensive and energy-intensive in relation to the air output due to the high costs for the pumps and the membrane. Furthermore, the sound generated by the apparatus is' low frequency quenz (infrasound) disturbing the well-being. This means that membrane technology cannot currently be used to generate large amounts of air.
  • adsorption technology air is usually passed through a suitable porous material under high pressure, which adsorbs oxygen. Molecular sieves with a zeolitic structure are usually used here. Since the material used has to be regenerated from time to time when the storage capacity is exhausted (usually by air release), this is a discontinuous process. Its use for normobaric hypoxia for training or therapy purposes is known from WO 96/37176 A, WO 01/78843 A, WO 99/06115 A or WO 98/34683 A, where in some cases continuous operation by using two alternately operated adsorption units is described. However, only small amounts of air are made available through breathing masks. In addition, breathing mask training basically represents a severe impairment of the training conditions.
  • room air technology has the task of creating the desired climatic conditions in rooms, room areas or also limited outdoor areas.
  • a typical task of ventilation technology is the setting of a thermal comfort with the parameters air temperature, radiation temperature, perceived temperature, relative and absolute air humidity, air speed, degree of turbulence and others.
  • a further task of indoor air technology concerns the particle content of the air, with inorganic or organic particles such as dust, pollen, spores or bacteria being removed by measures such as air filtering, air washing or air renewal.
  • room ventilation technology must also ensure adequate air quality and air hygiene. Components such as C0 2f odorous substances, exhaust gases, spores, decomposition products of organic substances and the like are to be reduced or removed.
  • Other known areas of ventilation technology relate to pollution control, fire and smoke protection, protection of components or room contents, in particular against moisture or temperature fluctuations, and other areas.
  • Classic ventilation technology therefore has to regulate a large number of parameters at the same time. Many of these tasks are usually solved by supplying outside air (air renewal).
  • the supply of outside air in untreated form leads to an oxygen entry in the room air and is therefore excluded for rooms conditioned by normobaric hypoxic conditions.
  • the air conditioning of common rooms with an air mixture in accordance with the conditions for normobaric hypoxia thus represents a new area of responsibility for indoor air technology. Also new is the requirement for pollution control for rooms of normobaric hypoxia in order to counteract the penetration of (good) outside air. Separation of by-products of the chemical reaction may also be necessary or desired.
  • the object of the present invention is to provide a method for the air conditioning of rooms, including necessary air renewal, in particular of common rooms for people, which enables the setting of normobaric hypoxia conditions in an economically efficient manner.
  • a device for carrying out the method is also to be made available.
  • the released reaction energy can be fed back into the air conditioning process - in the form of electrical energy and / or mechanical energy and / or thermal energy - and thus can apply part of the energy to be used for the process.
  • Other uses of the energy are of course also possible.
  • This energetic advantage makes the process particularly economical compared to all known processes discussed above.
  • the chemical reduction of oxygen is preferably carried out by reaction with at least one fuel, in particular a combustible gas such as methane, ethane, propane, butane, natural gas, molecular hydrogen (H 2 ) or mixtures thereof. Natural gas, which has proven to be particularly economical, is preferably used.
  • Natural gas typically consists of approximately 90% by volume methane and also contains minor amounts of ethane, propane, butane, nitrogen and carbon dioxide.
  • liquid fossil fuels can also be used.
  • the aftertreatment of the treated air mixture is required before being fed into the room to be air-conditioned due to the combustion products of the fuel and / or oxygen that are produced.
  • CO 2 , CO, unburned hydrocarbons, and / or NO x , but also vaporous water must be at least partially separated off or converted catalytically.
  • the chemical conversion of oxygen with molecular hydrogen H 2 as a fuel is advantageous, since water is produced as a combustion product, which is environmentally friendly and at the same time easily separable from the air mixture.
  • hydrogen can be generated by electrolysis of water.
  • the electrical energy to be applied for this can, for example, be applied photovoltaically by means of solar cells.
  • the electricity generated in this way can cover part of the energy required for electrolysis.
  • the hydrogen can also be generated by reforming hydrocarbons, in particular fuel gases or gasoline.
  • reaction products of the oxygen and / or of the at least one fuel are at least partially separated off or catalytically converted from the remaining air mixture before it is supplied to the at least one space to be air-conditioned.
  • This can be done, for example, by reducing the oxygen to a liquid or condensable, solid or sublimable reaction product which is removed from the air mixture by a corresponding phase separation. It is also conceivable to remove the reaction or combustion product, for example by air washing, adsorption or catalytic conversion.
  • the oxygen is reduced by its electrochemical conversion with a suitable fuel in a fuel cell.
  • a suitable fuel in a fuel cell.
  • molecular hydrogen H 2 is used as fuel, with which the oxygen is converted to water H 2 0, which can be easily separated from the remaining air mixture after condensation.
  • methanol CH 3 0H is also known as a fuel of the so-called DMFC cell type (direct methanol fuel cell) and can be used in the context of the present invention.
  • the use of the electrochemical fuel cell has the advantage of generating electrical energy that can be fed back into the process or used externally.
  • the oxygen can also be reduced by combustion with a substantially open flame in a combustion chamber, air and a suitable fuel (mixed or separate) being fed to the combustion chamber and the fuel being burned with the oxygen.
  • a suitable fuel mixed or separate
  • Any combustible gas in particular natural gas, methane, ethane, propane, butane, hydrogen, preferably natural gas, can be used as fuel.
  • a liquid fuel such as gasoline or the like can also be burned in the combustion chamber.
  • the water generated when using hydrogen can easily be separated from the remaining air mixture by condensation.
  • the main combustion product is carbon dioxide C0 2 , for example by adsorption or by introduction into suitable aqueous solutions or. Air wash can be separated.
  • the oxygen is reduced by reaction with a fuel on a suitable catalyst. It is also conceivable, especially when using air with a relatively low oxygen content (for example in recirculation mode), that the oxygen on electrically heated wires with a burner implement material.
  • suitable reactants for example salts, which convert the oxygen to a solid is known in principle.
  • the method is able to adjust the partial oxygen pressure in the entire range from very low volume fractions, for example 5%, to the natural fraction in the air of 21%. If rooms for training or therapy / rehabilitation measures are to be air-conditioned, the oxygen partial pressure is reduced in particular to volume fractions of 12 to 16%, in particular to about 14%.
  • the method can advantageously also be operated in a controlled manner, an oxygen partial pressure measured in the room to be air-conditioned (for example with a lambda probe) being compared with a desired oxygen partial pressure and a conversion rate of the chemical reduction of oxygen and / or an air supply rate in the at least one room to be air-conditioned is set as a function of a deviation of the measured from the desired oxygen partial pressure.
  • the supply air produced with reduced oxygen partial pressure has the usual "freshness effect" of good outside air.
  • the usual climatic parameters of ventilation technology explained at the beginning can be set. It is therefore preferably provided to subject the oxygen-reduced supply air to at least one of the following treatment measures before it is supplied to the room to be air-conditioned:
  • the invention further relates to a device for air conditioning at least one room with an air mixture which has an oxygen partial pressure which is lower than that of the ambient air, comprising a 0 2 reducer for reducing at least part of the oxygen contained in the ambient air to a reaction product and a feed device for Feeding the treated air mixture into the at least one room to be air-conditioned.
  • the device according to the invention is inexpensive to create and operate, and is also suitable for larger rooms Air conditioning conditions of normobaric hypoxia. Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the remaining subclaims.
  • FIG. 1 schematically shows an overview of an entire air conditioning system and the associated process stages
  • FIG. 2 shows six different advantageous design variants of the 0 2 reducer
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an advantageous structure of an inventive device for air conditioning a room under normobaric hypoxia.
  • FIG. 1 illustrates the course of the method according to the invention. If alternative measures are shown, these are identified by italics.
  • the device designated overall by 10 has a suction device 11, not shown, with which air is sucked in from the environment and fed into the system 10.
  • the ambient air drawn in passes through a mixing chamber 12, in which recirculated air recirculated from the process can be admixed in any proportion.
  • the air can be cleaned in an optional step in a cleaning device 14, for example a particle filter or air washer.
  • Air pretreatment can be particularly important for removing air components that can burn to undesired products in the subsequent reduction process.
  • the circulating air can also be cleaned in a corresponding manner in a second cleaning device 42 (see below).
  • a 0 2 reducer 16 there is a chemical conversion of part of the molecular oxygen 0 2 contained in the ambient air and / or the recirculated air, which is converted into a reaction product with a suitable reaction partner (fuel).
  • the 0 2 reducer 16 can be designed in various design variants, which will be explained in more detail later with reference to FIGS. 2A to 2F.
  • the fuel required for the reduction of the oxygen is supplied from a fuel tank 18.
  • the fuel used is, for example, molecular hydrogen H 2 .
  • the fuel tank 18 is an H 2 storage.
  • the fuel can also be supplied directly via gas lines, which are also indicated, without being stored.
  • H 2 is obtained by reforming 22
  • fossil fuels usually fuel gases, such as natural gas, methane gas, town gas, are converted in a reformer 28, for example with the addition of water vapor.
  • fuel gases such as natural gas, methane gas, town gas
  • molecular hydrogen H 2 further reaction products such as CO 2 and low molecular weight hydrocarbons are formed.
  • the heat energy generated by some reforming processes in the form of superheated steam can be used.
  • the necessary hydrogen production can take place externally or - especially in the case of electrolytic production - also on site.
  • the storage of the hydrogen in the storage 18 decouples the need from the available solar radiation or from the delivery by tanker.
  • the air mixture After leaving the 0 2 reducer 16, the air mixture has, for example, a volume fraction of oxygen of 14%, corresponding to an oxygen partial pressure of approximately 140 mbar.
  • This gas mixture is at least largely freed from the reaction products of the oxygen and the fuel and any by-products that may be produced in an air maker 30.
  • the separation is preferably carried out by condensation.
  • the water separated in this way can be treated by means of a water treatment device 32, for example in order to prevent contamination. Details of the air heater 30 and the water treatment device 32 are explained in more detail below with reference to FIG. 3.
  • the oxygen-reduced air mixture passes through a temperature control device 34 in which a desired air temperature is set by means of heating and / or cooling.
  • a desired air temperature is set by means of heating and / or cooling.
  • the temperature control can also take place before the reaction products are separated off.
  • the desired air quality is then set in a post-treatment device 36, in particular inorganic or organic particles, CO 2 , odorants and the like being removed from the air. Details of the temperature control and aftertreatment device 34 and 36 are shown below in connection with FIG. 4.
  • the air treated in this way is fed via a supply device 37 as supply air (room air) to a room 38 (or rooms) to be air-conditioned.
  • a supply device 37 as supply air (room air) to a room 38 (or rooms) to be air-conditioned.
  • rooms that are operated under conditions of normobaric hypoxia, in particular training rooms for athletes or therapy rooms for the rehabilitation of convalescents or the elderly.
  • an excess of supply air is preferably used.
  • the size of the surplus depends on leaks in the containment areas and the frequency with which access gates are used by people. It is also conceivable that To drive room 38 in special cases under control of an excess pressure of, for example, 2 to 3 Pa.
  • the air leaving space 38 can either be discharged into the environment as exhaust air or can be returned to the treatment process completely or partially in recirculation mode via mixing chamber 12.
  • Recirculation mode can be particularly useful in the case of using a 0 2 reducer in the form of a combustion chamber in which oxygen is burned with an open flame with a fuel in order to lower the combustion temperature and thus suppress the NO. Formation.
  • Corresponding measures are known, for example, in internal combustion engines in the form of internal or external exhaust gas recirculation.
  • a thermal circulating air treatment device 40 can optionally be provided, which comprises the functions heating, cooling, humidifying and / or dehumidifying. This is particularly useful in rooms 38 of normobaric hypoxia with a high moisture load, for example caused by swimming pools, where dehumidification of the circulating air is necessary. This can be done in a known manner via surface coolers or by means of a dehumidification heat pump.
  • a further cleaning device 42 can be provided in the circulating air line in order to avoid unwanted combustion products of organic or inorganic compounds. Particulate filters, activated carbon filters or, in special cases, air washers can be used for this. It is also conceivable to combine the cleaning devices 14 and 42 into a single cleaning device downstream of the mixing chamber 12.
  • the device 10 also includes necessary air delivery devices (fans), not shown, for transporting the air through the air lines and into the various devices.
  • FIGS. 2A to 2F show six different embodiments of the 0 2 reducer 16.
  • the direction of flow of the entering or exiting gas mixture is identified by the horizontal double arrows.
  • the 0 reductor 16 is designed as a fuel cell.
  • a large number of individual cells are provided in the form of a cell stack 44.
  • the function of the fuel cell is generally known.
  • molecular hydrogen H 2 is electrochemically converted to water H 2 0 with the oxygen 0 2 present in the air.
  • the spatial separation of the two partial reactions, oxidation of hydrogen H 2 to H + and reduction of oxygen 0 2 to 0 ' ⁇ make it possible to use the electrons emitted by the hydrogen in the form of an electrical current. Since this is an exothermic reaction, the heat energy generated can also be used.
  • the air mixture leaves the fuel cell with a reduced oxygen content and thus reduced oxygen partial pressure and contains gaseous or vaporous water as the reaction product of the oxygen.
  • FIG. 2B shows a 0 2 reducer 16 designed as a combustion chamber.
  • the inflowing air mixture first meets a rectifier 46, which essentially has the task of distributing the air mixture homogeneously in the chamber.
  • the air mixture then enters a combustion chamber 48 in which a gas burner 50 is arranged.
  • the gas burner 50 has a large number of nozzles from which a supplied fuel, here hydrogen H 2 , emerges and burns with an open flame using oxygen.
  • a supplied fuel here hydrogen H 2
  • other fuel gases such as natural gas
  • the combustion reaction is preferably carried out at low combustion temperatures in order to largely suppress the formation of nitrogen oxides.
  • the resulting heat of combustion is removed via a downstream, preferably dry, heat exchanger 52 before the oxygen-reduced air leaves the 0 2 reactor.
  • the heat dissipation can also be dissipated via the walls of the combustion chamber 48 by radiation and / or convection.
  • burners known in particular from boiler construction can also be used here, for example premix burners in which mixture preparation takes place outside the combustion chamber; Matrix radiant burners in which the air / gas mixture is burned practically flameless on the surface of a stainless steel mesh; atmospheric or overpressure burners; Burners that have a catalytic coating that supports combustion or combinations of the principles mentioned.
  • FIG. 2C shows a 0 2 reducer 16 in the form of a catalytic combustion device.
  • the air mixture first enters a prechamber 54, in which it is mixed with hydrogen, natural gas or another fuel which is supplied via a gas distributor lance 56.
  • a porous catalyst block 58 which comprises a plurality of flow channels which have a catalytically active material on their surface.
  • the catalytic reduction of the atmospheric oxygen with the supplied fuel takes place at the catalyst block 58.
  • the catalyst block 58 functions as a rectifier.
  • the resulting heat energy is removed via the downstream dry heat exchanger 52 before the gas mixture leaves the reductor 16.
  • FIG. 2D shows a 0 2 reducer 16 in the form of a combustion chamber operated with heating wires.
  • the air mixture After flowing through the rectifier 46, the air mixture enters the combustion chamber 48, where it is mixed with a fuel, in particular hydrogen or natural gas, which is supplied via the gas distributor lance 56.
  • a fuel in particular hydrogen or natural gas
  • the heating wires 60 cause the fuel to burn continuously. Dry heat is also removed here via the heat exchanger 52 before the oxygen-reduced air mixture leaves the 0 2 reducer 16.
  • the principle shown in FIG. 2D for oxygen reduction on electrically heated wires is particularly suitable for air mixtures with a relatively low oxygen content. This means that recirculated air or mixed air from recirculated air and ambient air with an already reduced oxygen content can also be used.
  • FIG. 2E shows a 0 2 reducer 16 in the form of an internal combustion engine, in particular in the form of a gas turbine 62 (combustion turbine).
  • gas turbine In the gas turbine is known in
  • a fuel preferably natural gas or H 2
  • H 2 a fuel that is burned with air in a combustion chamber, as a result of which a large part of the energy released is used to drive a turbine (not shown).
  • the mechanical energy generated in this way is a form of energy that can be used particularly well in the process. If the turbine is designed as a generator, the mechanical energy can be converted into usable electrical energy.
  • the heat energy released at the same time is removed from the high-pressure steam generated in the process via the heat exchanger 52.
  • FIG. 2F shows a 0 2 reducer 16 in the form of an internal combustion engine, in particular in the form of a piston engine 64.
  • a suitable fuel again preferably natural gas or H 2
  • H 2 is burned with air in a known manner, using the reaction energy to drive a movable piston, not shown.
  • the required cooling of the motor 64 usually takes place via the motor walls.
  • cooling of the exhaust gas and thus heat dissipation can take place via the heat exchanger 52.
  • heat energy released can already be dissipated in the reductor, the location of the highest temperature level, or even must be dissipated. It is economically interesting to decouple the heat of reaction in the 0 2 reducer, especially at temperatures> 110 ° C.
  • This heat can be used on site and / or centrally in the field, for example Absorption chillers generate refrigeration, which can be used to cool and dehumidify the oxygen-reduced air to the required supply air condition, that is, in the air heater 30, in the temperature post-treatment 34 and / or the air quality post-treatment 34.
  • Another design option (not shown) of the 0 2 reducer 16 uses a different method.
  • a solution of a suitable reducing agent is sprayed or trickled while the air mixture is supplied, the dissolved reducing agent reacting with the atmospheric oxygen to form a solid which can be filtered out.
  • a suitable reducing agent for example, it is known from drinking water treatment to oxidize iron dissolved in water in this way with atmospheric oxygen to iron oxide.
  • the reaction energy is released when oxygen is reduced or a fuel, in particular natural gas or H 2, is burned.
  • this energy is generated in the form of thermal energy, preferably also as electrical or mechanical energy. All forms of energy are preferably returned to the air conditioning process in order to partially cover the energy requirements.
  • the energy can be used to generate the fuel H 2 or to generate cold, which is required for cooling, dehumidifying or cleaning the reaction air mixture.
  • Other forms of use inside and / or outside the process are also conceivable. Details of the air heater 30 and the water treatment device 32 from FIG. 1 are shown in FIG. 3.
  • the air maker 30 has the task of removing the combustion products of the 0 2 reducer 16 and any by-products that may arise from the air mixture.
  • the use of hydrogen as a reducing agent and thus gaseous or vaporous water as the reaction product to be separated is assumed.
  • the gas mixture loaded with the gaseous or vaporous water enters the air maker 30 and meets there a surface cooler 66 which, under wet cooling, causes a partial condensation of the water and thus cooling and dehumidification of the remaining air mixture. Due to the dissipated heat, the cooling medium used is heated to approximately 40 to 50 ° C, so that the thermal energy can be used inside or outside the system.
  • the water condensed on the cooler 66 flows into a washer trough 68, which is arranged at the bottom of a dehumidification chamber 70.
  • the air mixture is treated with water, which is sprayed or sprinkled via a nozzle block 72 in the form of a spray or trickle humidifier, as a result of which the water contained in the air is further condensed.
  • the sprayed or trickled water has a temperature corresponding to the target value of the dew point of the air mixture. (On the contrary, if the air is to be humidified at this point, the water temperature must exceed the dew point.)
  • residues are removed
  • the wet surface cooler 66 can be omitted, but is useful for the use of the thermal energy. It is also conceivable not to supply the water condensed on the cooler 66 to the water treatment device 32, but to discharge it separately. Furthermore, the surface cooler 62 and the air washer consisting of the dehumidification chamber 70 and the nozzle assembly 72 can also be accommodated in separate device units. ,
  • the water collected in the scrubber pan 68 is at least partially fed to the water treatment device 32, where it is first heated to a degassing temperature via a heating device 76, for example a heat exchanger.
  • the heated water then passes into a degassing chamber 78 equipped with a vacuum fan, from where the components gasifying under the vacuum, for example CO 2 , are removed. Since there is no C0 2 when using hydrogen as fuel gas, thermal degassing (76, 78) can be omitted in this case.
  • thermal degassing 76, 78
  • solids are removed and drained from the water.
  • the water is then cooled in a water cooler 82 to or below the dew point of the supply air to the air heater 30.
  • the pH of the water is then adjusted in block 84.
  • the water treatment device 32 can also use a disinfection device (not shown). have a device in which bacteria, in particular Legionella, are killed, for example, by UN radiation.
  • the treated water is fed to the dehumidifying / washing chamber 70 of the air heater 30 via a pump 86. Excess water is discharged via an outlet valve 88.
  • the dry cooler 52 of the 0 2 reducer 16 from FIGS. 2A to 2F and the surface cooler 66 from FIG. 3 can be combined in one unit.
  • FIG. 4 shows details of the temperature control and post-treatment devices 34 and 36.
  • an air cooler 90 and an air heater 92 are used to set the desired air temperature.
  • the air cooler 90 can be omitted.
  • a desired air quality is set in the aftertreatment device 36, with solids, such as dust or bacteria, being removed from the air in a particle filter 94.
  • an activated carbon filter 96 can be provided, which in particular binds odorous substances from the air.
  • an ionization chamber 98 can be provided, with which, for example, spores or decay products of organic substances can be removed by means of generated oxygen radicals and which in particular brings about the desired “freshness effect” of the air.
  • the reverse order of the devices 34 and 36 can also be provided in certain cases.
  • the air conditioning device 10 can basically be operated in two operating states. At the beginning of the air conditioning of the room 38 with an air atmosphere of normobaric hypoxia, a pure or partial circulating air operation takes place, the one leaving the room 38 Exhaust air is completely or partially returned via the recirculation air line and the mixing chamber 12. This start-up continues until the space 38 to be air-conditioned has the desired oxygen content.
  • the system is switched to a regulated or controlled holding mode, in which the ambient air portion supplied via the mixing chamber 14 is limited to a necessary level.
  • the ambient air portion supplied via the mixing chamber 14 is limited to a necessary level.
  • Several factors have to be taken into account when measuring the ambient air content. On the one hand, sufficient removal of loads from room 38, for example odorous substances, C0 2 , dust, fibers, etc., must be ensured. On the other hand, room 38 must be protected against the ingress of oxygen-rich outside air (pollution control) and the unavoidable air exchange with the surroundings must be compensated.
  • a certain circulating air / ambient air ratio or a reduced oxygen content to lower the combustion temperature and thus the N0 X formation in the 0 2 reducer 16 can be required.
  • the proportion of ambient air is measured based on the strongest of the factors to be taken into account, which automatically fulfills the other requirements.
  • This excess air is then released into the environment, for example, as so-called protective air (the strongest factor in the case of immission protection), for example with a proportion of 0 to 20% of the air mass discharged from the room 38.
  • the intake of ambient air is adjusted in accordance with the removed protective air and is therefore coupled to it.
  • a higher proportion of ambient air than that resulting from the protective function or the other factors may also be necessary in order to achieve an oxygen concentration in the combustion gas necessary for the oxidation of the fuel gas. ensure combustion air.
  • an excess of exhaust air can be used for emission protection purposes if neighboring rooms or areas are to be protected from the low-oxygen room air.
  • regulation of the circulating air portion can be provided such that the oxygen content of the combustion air of the 0 2 reducer 16 is kept high enough to maintain the combustion process.
  • direct recirculation mode can also be provided, in which the exhaust air from room 38 - if necessary after separate recirculation air treatment for setting the temperature, air. quality etc. - is fed directly to the room 38 again without passing through the 0 2 reducer 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (10) zur Klimatisierung mindestens eines Raumes (38) mit einem Luftgemisch, das einen gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck bei im Wesentlichen einem Umgebungsluftdruck entsprechenden Gesamtdruck aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zumindest ein Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs (O2) chemisch zu einem Reaktionsprodukt reduziert wird, vorzugsweise das Reaktionsprodukt abgetrennt wird und das so behandelte, sauerstoffarme Luftgemisch als Zuluft dem zu klimatisierenden Raum zugeführt wird. Kernelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein O2 Reduktor (16) zur Reduzierung zumindest eines Teils des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs in ein Reaktionsprodukt. Der O2-Reduktor (16) kann bevorzugt eine Brennstoffzelle, ein Verbrennungsmotor, eine Turbine oder eine Brennkammer sein.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes mit einem Luftgemisch mit abgesenktem Sauerstoffpartialdruck
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes mit einem Luftgemisch, welches einen gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauer- stoffpartialdruc aufweist.
Es ist seit langem bekannt, Sportler in großen geographischen Höhen, beispielsweise bei 2.000 bis 4.000 m über Meeresspiegelniveau (Normalnull, NN) , zum Zwecke ihrer Leistungssteigerung zu trainieren. In Höhenlagen herrscht ein - verglichen mit NN - geringerer Gesamtdruck der Luft, wodurch auch der Teildruck von Sauerstoff, der so genannte Sauerstoffpartialdruck, abgesenkt ist. Dabei ist die prozentuale Zusammensetzung der Luft im Wesentlichen unverän- dert gegenüber Meeresspiegelniveau, das heißt, der Volumenanteil des Sauerstoffs beträgt in der Höhe wie auf NN etwa 21 % . Durch den geringen Sauerstoffpartialdruck in der Höhe findet eine verminderte Sauerstoffaufnahme des Blutes statt. Nach einiger Zeit und insbesondere bei Belastung re- agiert der Körper mit einer Anpassung an den Sauerstoffmangel durch Anpassung beziehungsweise Akklimatisation, um die verminderte Sauerstoffaufnahme und Sauerstofftransport zu kompensieren. Bei Rückkehr auf Normaldruck und damit zu normalen Sauerstoffverhältnissen verfügt der Körper über eine verbesserte Sauerstoffversorgung, was zu einer Leistungssteigerung führt. Dieser Effekt hält einige Wochen nach der Rückkehr auf NN an.
Der Aufenthalt in der Höhe führt darüber hinaus auch zu ei- ner erhöhten Pulsfrequenz, die zu einer Stärkung des Kreis- laufs führt, ohne dass es einer körperlichen Anstrengung bedarf. Obwohl die zugrunde liegenden Effekte derzeit noch erforscht werden, werden sie im Bereich der Rehabilitation von erkrankt gewesenen Personen bereits therapeutisch aus- genutzt.
Nach sportwissenschaftlichen Erkenntnissen kann der Effekt des Höhentrainings oder der Höhentherapie auch in einer Atmosphäre bei Normaldruck erreicht werden, in welcher jedoch der Sauerstoffpartialdruck so abgesenkt wird, dass er dem Sauerstoffpartialdruck einer bestimmten Höhe über NN entspricht. Um ein Luftgemisch mit abgesenktem Sauerstoffpartialdruck bei normalem Gesamtluftdruck zu erhalten, muss der Partialdruck anderer Luftbestandteile, insbesondere von Stickstoff, entsprechend erhöht werden. Luftverhältnisse mit einem einer bestimmten Höhe entsprechenden Sauerstoff- partialdruck bei gleichzeitig normalem Gesamtluftdruck werden auch als normobare Hypoxie bezeichnet. Beispielsweise entspricht eine Luft mit einem Sauerstoffvolumenanteil von 14,3 % einer Höhe von etwa 3.000 m über NN oder mit 16,2 % einer Höhe von 2.000 m über NN. Eine Übersicht der Grundlagen zum Höhentraining findet sich in U. Fuchs und M. Reiß: Höhentraining, Trainer Bibliothek 27, Philippka- Verlag, 1990, 12-27.
Bekannte Verfahren zur Erzeugung von Luftgemischen mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck beziehungsweise mit niedrigem Sauerstoffanteil bei Normalluftdruck verwenden Techniken der Verdünnung/Mischung, der Luftzerlegung an Membranen, der Adsorption von Sauerstoff sowie der Verwendung von Atemmasken mit Rückführung der ausgeatmeten und aufbereiteten Luft.
Bei dem letztgenannten Verfahren wird gezielt eine durch menschliche Atmung (Atemmaskentraining) ausgeatmete und da- mit sauerstoffreduzierte Luft in aufbereiteter Form rückgeführt und über die Atemmaske erneut dem Trainierenden zugeführt. Die Aufbereitung erfordert hier die Entfernung von Kohlendioxid an Absorbern zur Senkung des erhöhten C02-Par- tialdrucks (U. Fuchs, M. Reiß: Höhentraining, Trainer Bibliothek 27, Philippka-Verlag, 1990, 26-27) .
Bei der Verdünnung wird die Luft mit einem Inertgas, in der Regel Stickstoff (zum Beispiel WO 96/37176 A) , oder mit C02 vermischt. Das Verfahren ist technisch einfach realisierbar und hat zudem den Vorteil, dass auch unerwünschte Bestandteile der Luft, wie C02, Geruchsstoffe oder Partikel, in gleichem Maße wie Sauerstoff verdünnt werden, wobei das Verdünnungsmedium jedoch seinerseits keine Geruchsstoffe oder andere unerwünschte Bestandteile enthalten darf. Das Verfahren ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, da die Verdünnungsmedien Stickstoff oder andere Inertgase teuer sind und in großen Mengen benötigt werden. Um 1 m3 eines Luftgemisches mit 14 % Sauerstoff herzustellen, sind - aus- gehend von einem Sauerstoffgehalt von 21 % - bereits etwa 330 1 Verdünnungsmedium notwendig. Kostensteigernd kommt hinzu, dass beim Anfahren des zu klimatisierenden Raumes auf den gewünschten Sauerstoffgehalt durch Zufuhr des Verdünnungsmediums bereits verdünnte Luft aus dem Raum ver- drängt wird. Dadurch werden die teuren Verdünnungsmedien in zunehmendem Maße ungenutzt abgeführt, bis der gewünschte Sauerstoffgehalt erreicht ist. Damit scheidet das Verdünnungsverfahren für die Herstellung größerer -Luftmengen für große Räume, die zudem in einem ständigen ungewollten Luft- austausch mit der Umgebung stehen, aus. Zudem stellen manche der Verdünnungsmedien für den Menschen Fremdgase dar. Da C02 in höheren Konzentrationen für den Menschen schädlich ist, kommt es als Verdünnungsmedium für Räume, die zum Personenaufenthalt bestimmt sind, nicht in Frage und wird nur für Brandschutzzwecke sowie in speziell geschützten Räumen, wie Rechenzentren, eingesetzt. Neuere Entwicklungen im Brandschutz verwenden deshalb Stickstoff als Verdünnungsmedium.
Bei der Luftzerlegung an Membranen wird Luft mittels Überoder Unterdruck durch geeignete sauerstoffdurchlässige Membrane, insbesondere Hohlfasermembrane, gedrückt. Dabei diffundiert Sauerstoff durch die Membran, während Stickstoff zurückgehalten wird. Der so separierte Sauerstoff wird ge- trennt abgeführt und die erzeugte sauerstoffarme Luft dem zu klimatisierenden Raum zugeführt. Das Verfahren wird insbesondere im Brandschutz eingesetzt. Hier werden spezielle, vergleichsweise kleine Lagerräume für hochwertige Güter, wie Kunstgegenstände, Bücher oder Computerdaten, einmalig auf einen Sauerstoffanteil in der Luft unter etwa 15 % gebracht und gehalten. Da diese Räume mit in der Regel kleineren Raumvolumina und dichten Umschließungsflächen nicht zum Personenaufenthalt bestimmt sind und kaum einem Luftaustausch mit der Umgebung unterliegen, sind zum Anfahren (und zwar auch nur, sofern dieses im Umluftbetrieb geschieht) und zum Halten verhältnismäßig geringe Luftmengen und geringe Luftqualitäten erforderlich. Aus den Schriften WO 01/78843 A, EP 0 865 796 A oder WO 96/37176 A ist darüber hinaus die Anwendung der Membrantechnik zur Erzeugung von Luftgemischen für das normobare Hypoxietraining beziehungsweise die Hypoxietherapie bekannt, jedoch wird hier die Atemluft grundsätzlich über Atemmasken zur Verfügung gestellt, so dass hier vergleichsweise kleine Luftmengen notwendig sind. Die Versorgung von Schlafzelten mittels dieser Technik ist in WO 99/06115 A beschrieben. Neben der geringen Luftleistung im Bereich von einem Kubikmeter pro Stunde hat die Membrantechnik den Nachteil, aufgrund der hohen Kosten für die Pumpen und die Membrane bezogen auf die Luftleistung teuer und energieaufwendig zu sein. Ferner ist der durch die Apparate erzeugte Schall' geringer Fre- quenz (Infraschall) störend für das Wohlbefinden. Damit ist die Membrantechnik zur Erzeugung großer Luftmengen derzeit nicht verwendbar.
Bei der Adsorptionstechnik wird Luft in der Regel unter erhöhtem Druck durch ein geeignetes poröses Material geführt, welches Sauerstoff adsorbiert. Üblicherweise werden hier Molekularsiebe mit zeolithischer Struktur verwendet. Da bei erschöpfter Speicherkapazität des verwendeten Mate- rials dieses von Zeit zu Zeit regeneriert werden muss (in der Regel durch Luftentspannung) , handelt es sich um ein diskontinuierliches Verfahren. Seine Anwendung für die normobare Hypoxie zu Trainings- oder Therapiezwecken ist aus der WO 96/37176 A, WO 01/78843 A, WO 99/06115 A oder WO 98/34683 A bekannt, wo zum Teil auch der kontinuierliche Betrieb durch Verwendung von zwei alternierend betriebenen Adsorptionseinheiten beschrieben ist. Jedoch werden auch hier nur geringe Luftmengen über Atemmasken zur Verfügung gestellt. Zudem stellt das Atemmaskentraining grundsätzlich eine starke Beeinträchtigung der Trainingsbedingungen dar.
Die Klimatisierung von zum Personenaufenthalt bestimmten Räumen unter den Bedingungen der normobaren Hypoxie betrifft den Bereich der Raumlufttechnik als Teilbereich der Raumklimatechnik. Im Gegensatz zur Prozesslufttechnik, welche technische Luftgemische für Maschinenanlagen oder als Druckluft betrifft, hat die Raumlufttechnik die Aufgabe, gewünschte klimatische Bedingungen in Räumen, Raumbereichen oder auch begrenzten Außenbereichen herzustellen. Eine ty- pische Aufgabe der Raumlufttechnik ist die Einstellung einer thermischen Behaglichkeit mit den Parametern Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, empfundene Temperatur, relative und absolute Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, Turbulenzgrad und andere. Diese Anforderungen werden durch be- kannte Maßnahmen wie Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten, Luftführung, Art der Lufteinbringung (mit oder ohne Induktion) und dergleichen bewältigt. Eine weitere Aufgabe der Raumlufttechnik betrifft den Partikelgehalt der Luft, wobei anorganische oder organische Teilchen, wie Staub, Pollen, Sporen oder Bakterien, durch Maßnahmen wie Luftfilterung, Luftwäsche oder Lufterneuerung entfernt werden. Insbesondere bei für den Personenaufenthalt bestimmten Räumen muss die Raumlufttechnik auch für eine ausreichende Luftqualität und Lufthygiene sorgen. Dabei sind Bestandteile wie C02f Geruchsstoffe, Abgase, Sporen, Zerfallsprodukte organischer Stoffe und dergleichen zu reduzieren oder zu entfernen. Andere bekannte Gebiete der Raumlufttechnik betreffen den Immissionsschutz, Brand- und Rauchschutz, Schutz von Bauteilen oder Rauminhalten, insbesondere vor Feuchtigkeit oder Temperaturschwankungen, und andere Gebiete. Die klassische Raumlufttechnik hat somit gleichzeitig eine Vielzahl von Parametern zu regulieren. Viele dieser Aufgaben werden in der Regel durch Zuführung von Außenluft gelöst (Lufterneuerung) . Die übliche Zufuhr von Außenluft beträgt in Räumen mit geringer Belastung, wie Büroräumen, mindestens ein bis zwei Raumvolumina pro Stunde, um die Luftqualität in Aufenthaltsräumen sicherzustellen. In Sporträumen ist sogar eine deutliche höhere Außenluftzufuhr notwendig. Die Zufuhr von Außenluft in unbehandelter Form führt jedoch zu einem Sauerstoffeintrag in die Raumluft und schließt sich für auf normobare Hypoxiebedingungen klimatisierte Räume somit aus. Die Klimatisierung von Aufenthaltsräumen mit einem Luftgemisch entsprechend den Bedingungen für die normobare Hypoxie stellt somit ein neues Aufgabengebiet der Raumlufttechnik dar. Ebenfalls neu ist das Erfordernis des Immissionsschutzes für Räume der normobaren Hypoxie, um einem Eindringen von (guter) Außenluft entgegenzuwirken. Ebenso kann eine Abtrennung von Nebenprodukten der chemischen Reaktion erforderlich oder gewünscht sein. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Klimatisierung von Räumen einschließlich notwendiger Lufterneuerung, insbesondere von Aufenthaltsräumen für Personen, bereitzustellen, das die Einstellung normobarer Hypo- xiebedingungen in wirtschaftlich effizienter Weise ermöglicht. Es soll ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 20. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zumindest einen Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs 02 chemisch zu einem Reaktionsprodukt zu reduzieren und das so behandelte (sauerstoffreduzierte) Luftgemisch als Zuluft dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum zuzuführen. Dabei versteht es sich, dass die Zuluft weitestgehend Normalluftdruck aufweist, das heißt im Wesentlichen dem in der äußeren Luft (Umgebungsluft) herrschenden Luftdruck. Die Verwendung einer chemischen Reaktion zur Umsetzung des mo- lekularen Sauerstoffs erlaubt ausreichend hohe Produktionsraten der sauerstoffreduzierten Zuluft, um auch größere Räume zu klimatisieren, die sich in einem gewissen unvermeidbaren oder gewollten Luftaustausch mit der Umgebung befinden. Zudem kann bei geeigneter Wahl der chemischen Reak- tion die freigesetzte Reaktionsenergie dem Klimatisierungs- prozess - in Form von elektrischer Energie und/oder mechanischer Energie und/oder Wärmeenergie - wieder zugeführt werden und somit einen Teil der für das Verfahren aufzuwendenden Energie aufbringen. Anderweitige Nutzungen der Energie sind selbstverständlich ebenfalls möglich. Dieser energetische Vorteil macht das Verfahren besonders wirtschaftlich gegenüber allen vorstehend diskutierten bekannten Verfahren. Die chemische Reduzierung des Sauerstoffs erfolgt vorzugsweise durch Umsetzung mit mindestens einem Brennstoff, insbesondere einem brennbaren Gas wie Methan, Ethan, Propan, Butan, Erdgas, molekularem Wasserstoff (H2) oder Gemischen von diesen. Es wird vorzugsweise Erdgas verwendet, das sich als besonders wirtschaftlich erwiesen hat. Erdgas besteht typischerweise aus etwa 90 Vol.-% Methan und enthält daneben geringfügige Anteile von Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlendioxid. Es können - abhängig von der Wahl der chemischen Umsetzung - grundsätzlich aber auch flüssige fossile Brennstoffe ebenfalls Verwendung finden. Bei Einsatz von Brenngasen oder Brennflüssigkeiten wird aufgrund der entstehenden Verbrennungsprodukte des Brennstoffs und/oder des Sauerstoffs die Nachbehandlung des behandelten Luftgemischs vor Zuführung in den zu klimatisierenden Raum erforderlich. Insbesondere müssen C02, CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, und/oder NOx, aber auch dampfförmiges Wasser zumindest teilweise abgetrennt oder katalytisch umgesetzt werden.
• Alternativ ist die chemische Umsetzung des Sauerstoffs mit molekularem Wasserstoff H2 als Brennstoff von Vorteil, da hierbei Wasser als Verbrennungsprodukt erzeugt wird, das umweltfreundlich und gleichzeitig leicht vom Luftgemisch abtrennbar ist. Im Falle der Verwendung von Wasserstoff kann dieser durch Elektrolyse von Wasser erzeugt werden. Die hierfür aufzubringende elektrische Energie kann beispielsweise photovoltaisch mittels Solarzellen aufgebracht werden. Bei Verwendung einer Brennstoffzelle (s.u.) zur Sauerstoffreduktion kann mit dem so erzeugten Strom ein Teil des erforderlichen Energieaufwands für die Elektrolyse gedeckt werden. Alternativ kann der Wasserstoff auch durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Brenngasen oder Benzin, erzeugt werden. Es ist bevorzugt vorgesehen, Reaktionsprodukte des Sauerstoffs und/oder des mindestens einen Brennstoffs, insbesondere bei der Verwendung von Erdgas oder dergleichen, von dem restlichen Luftgemisch vor seiner Zuführung zu dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum zumindest teilweise abzutrennen oder katalytisch umzusetzen. Dies kann etwa dadurch geschehen, dass der Sauerstoff zu einem flüssigen oder kondensierbaren, festen oder sublimierbaren Reaktionsprodukt reduziert wird, das durch eine entspre- chende Phasentrennung aus dem Luftgemisch entfernt wird. Denkbar ist auch, das Reaktions- bzw. Verbrennungsprodukt beispielsweise durch Luftwäsche, Adsorption oder katalyti- sche Umsetzung zu entfernen.
Mehrere Möglichkeiten der chemischen Reduktion des Sauerstoffs sind denkbar. Nach einer besonders bevorzugten Ausführung erfolgt die Reduzierung des Sauerstoffs durch seine elektrochemische Umsetzung mit einem geeigneten Brennstoff in einer Brennstoffzelle. Dabei wird als Brennstoff insbe- sondere molekularer Wasserstoff H2 verwendet, mit dem der Sauerstoff zu Wasser H20 umgesetzt wird, das nach Kondensation leicht von dem restlichen Luftgemisch abgetrennt werden kann. Grundsätzlich ist jedoch auch Methanol CH30H als Brennstoff des so genannten DMFC Zelltyps (direct methanol fuel cell) bekannt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Neben dem umweltfreundlichen Reaktionsprodukt Wasser hat die Verwendung der elektrochemischen Brennstoffzelle den Vorteil der Erzeugung elektrischer Energie, die dem Prozess wieder zugeführt oder extern genutzt werden kann.
Eine alternative Ausgestaltung sieht die Reduzierung des
Sauerstoffs durch Zufuhr und offene Verbrennung eines der
Luft zugeführten Brennstoffs in einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbine vor, wobei hier Erdgas oder mole- kularer Wasserstoff als bevorzugte Brennstoffe vorgesehen sind. Vorteilhaft ist hier die Erzeugung exergetisch besonders wertvoller mechanischer Energie, welche im Verfahren genutzt werden kann, um den Energiebedarf zu senken.
Alternativ kann die Reduzierung des Sauerstoffs auch durch Verbrennung mit im Wesentlichen offener Flamme in einer Brennkammer erfolgen,' wobei der Brennkammer Luft und ein geeigneter Brennstoff (gemischt oder- separat) zugeführt wird und der Brennstoff mit dem Sauerstoff verbrannt wird. Dabei kann als Brennstoff jedes brennbare Gas, insbesondere Erdgas, Methan, Ethan, Propan, Butan, Wasserstoff, vorzugsweise Erdgas, verwendet werden. Grundsätzlich kann aber auch ein flüssiger Brennstoff, wie Benzin oder dergleichen, in der Brennkammer verbrannt werden. Das bei Verwendung von Wasserstoff entstehende Wasser kann durch Kondensation leicht vom restlichen Luftgemisch abgetrennt werden. Im Falle der Verbrennung von Erdgas oder niederer Alkane entsteht als Verbrennungsprodukt hauptsächlich Kohlendioxid C02, das etwa durch Adsorption oder durch Einleitung in geeignete wässrige Lösungen oder. Luftwäsche abgetrennt werden kann. In jedem Fall ist die Einhaltung relativ niedriger Verbrennungstemperaturen vorteilhaft, um die Erzeugung von Stickoxiden N0X möglichst weitgehend zu unterdrücken. Hier gibt es viel Erfahrung im Kesselbau oder bei Verbrennungsmotoren. Grundsätzlich können als Brennkammer alle im Heizungsanlagenbau bekannten Brennertypen (Heizkessel) Verwendung finden oder auch speziell entwickelte Brennertypen.
Nach einer weiteren Alternative erfolgt die Reduzierung des Sauerstoffs durch Umsetzung mit einem Brennstoff an einem geeigneten Katalysator. Ebenfalls ist denkbar, insbesondere bei Verwendung von Luft ' mit verhältnismäßig niedrigem Sauerstoffanteil (beispielsweise bei Umluftbetrieb) , den Sauerstoff an elektrisch beheizten Drähten mit einem Brenn- stoff umzusetzen. Daneben ist prinzipiell auch eine chemische Umsetzung des Sauerstoffs mit geeigneten Reaktanden, beispielsweise Salzen, bekannt, die den Sauerstoff zu einem Feststoff umsetzen.
Obwohl vorstehend der Einsatz bekannter Vorrichtungen als 02-Reduktoren diskutiert wurde (Brennstoffzellen, Kessel, Turbinen, Kolbenmotoren etc.), versteht es sich, dass auch Spezialentwicklungen zur erfindungsgemäßen Abgaserzeugung, das heißt zur Erzeugung eines Luftgemisches mit abgesenktem Sauerstoffpartialdruck durch Verbrennung von Sauerstoff, im Rahmen der Erfindung als 02~Reduktoren eingesetzt werden können.
Das Verfahren ist prinzipiell in der Lage, den Sauerstoff- partialdruck im gesamten Bereich von sehr niedrigen Volumenanteilen, beispielsweise 5 %, bis zu dem natürlichen Anteil in der Luft von 21 % einzustellen. Sollen Räume für Trainings- oder Therapie-/Rehabilitationsmaßnahmen klimati- siert werden, wird der Sauerstoffpartialdruck insbesondere auf Volumenanteile von 12 bis 16 %, insbesondere auf etwa 14 % abgesenkt. Dabei kann das Verfahren vorteilhaft auch geregelt betrieben werden, wobei ein in dem zu klimatisierenden Raum (beispielsweise mit einer Lambdasonde) gemesse- ner Sauerstoffpartialdruck mit einem gewünschten Sauerstoffpartialdruck verglichen wird und eine Umsatzrate der chemischen Reduzierung des Sauerstoffs und/oder eine Luftzufuhrrate in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum in Abhängigkeit von einer Abweichung des gemessenen von dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird.
Da das Verfahren in erster Linie zur Klimatisierung von zum
Personenaufenthalt bestimmten Räumen, aber auch kleineren
Räumen oder zur Maskenbeatmung bestimmt ist, in jedem Fall also ein "atembares" Luftgemisch erzeugt werden soll, soll- te die produzierte Zuluft mit abgesenktem Sauerstoff- partialdruck den gewohnten "Frischeeffekt" von guter Außenluft haben. Hierfür können die eingangs erläuterten üblichen Klimagrößen der Raumlufttechnik eingestellt werden. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, die sauerstoffreduzierte Zuluft vor ihrer Zuführung zu dem zu klimatisierenden Raum mindestens einer der folgenden Aufbereitungsmaßnahme zu unterwerfen:
- Filtration und/oder Lüftwäsche (im direkten Kontakt mit Wasser) zur Entfernung von Partikeln,
- katalytische Nachbehandlung und/oder Luftwäsche zur Entfernung gasförmiger Komponenten,
- Temperierung zur Einstellung einer vorgegebenen Lufttem- peratur,
- Befeuchten oder Entfeuchten zur Einstellung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit, Einstellung eines vorgegebenen C02-Gehalts,
- Ionisation zur Einstellung einer Luftqualität.
Weitere, in der Raulufttechnik bekannte Aufbereitungsmaßnahmen können hier selbstverständlich ebenfalls Anwendung finden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Klimatisierung mindestens eines Raumes mit einem Luftgemisch, das einen gegenüber der Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoff- partialdruck aufweist, umfassend einen 02-Reduktor zur Reduzierung zumindest eines Teils des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs zu einem Reaktionsprodukt und eine Zufuhreinrichtung zur Zuführung des behandelten Luftgemisches in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist kostengünstig in An- Schaffung und Betrieb und geeignet, auch größere Räume auf Bedingungen der normobaren Hypoxie zu klimatisieren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch einen Überblick über eine .gesamte Klimatisierungsanlage und die zugehörigen Verfahrensstufen;
Figur 2 sechs verschiedene vorteilhafte Ausführungsvarianten des 02-Reduktors;
Figur 3 Luft- und Wasseraufbereitung zur Abtrennung der Reaktionsprodukte und zur Wärmeabfuhr und
Figur 4 Klima- und Luftqualitätsnachbehandlung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines vorteilhaften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes unter normobarer Hypoxiebedingung. Gleichzeitig verdeutlicht Figur 1 den Ablauf des erfin- dungsgemäßen Verfahrens. Sofern alternative Maßnahmen dargestellt sind, sind diese durch kursive Schrift gekennzeichnet .
Beginnend auf der linken Seite, Mitte von Figur 1 weist die insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung eine nicht weiter dargestellte Ansaugeinrichtung 11 auf, mit der Luft aus der Umgebung angesaugt und in das System 10 eingespeist wird. Die angesaugte Umgebungsluft passiert eine Mischkammer 12, in der aus dem Prozess rückgeführte Umluft in beliebigen Anteilen zugemischt werden kann. Anschließend kann die Luft in einem optionalen Schritt in einer Reinigungseinrichtung 14, beispielsweise einem Partikelfilter oder Luftwäscher, gereinigt werden. Die Luftvorbehandlung kann insbesondere zur Entfernung von Luftbestandteilen wichtig sein, die im anschließenden Reduktionsprozess zu unerwünschten Produkten verbrennen können. Auch die Umluft kann in entsprechender Weise in einer zweiten Reinigungseinrichtung 42 gereinigt werden (s.u.) .
Anschließend erfolgt in einem 02-Reduktor 16 eine chemische Umsetzung eines Teils des in der Umgebungsluft und/oder der rückgeführten Umluft enthaltenen molekularen Sauerstoffs 02, der mit einem geeigneten Reaktionspartner (Brennstoff) zu einem Reaktionsprodukt umgesetzt wird. Der 02-Reduktor 16 kann in verschiedenen Ausführungsvarianten ausgestaltet sein, die an späterer Stelle anhand der Figuren 2A bis 2F näher erläutert werden.
Der für die Reduktion des Sauerstoffs erforderliche Brenn- stoff wird aus einem Brennstofftank 18 zugeführt. Abhängig von der Wahl des 02-Reduktors 16 handelt es sich bei dem eingesetzten Brennstoff beispielsweise um molekularen Wasserstoff H2. In diesem Fall ist der Brennstofftank 18 ein H2-Speicher. Alternativ kann der Brennstoff, insbesondere im Fall von Erdgas, auch ohne Speicherung direkt über ebenfalls angedeutete Gasleitungen zugeliefert werden.
Zwei Alternativen zur Gewinnung von molekularem Wasserstoff H2 sind im oberen Teil der Figur 1 angedeutet, wobei mit 20 die elektrolytische H2-Gewinnung und mit 22 die ^-Gewinnung durch Reformierung bezeichnet ist. Beide Verfahren sind bekannt und sollen daher nur prinzipiell erläutert werden. Bei der elektrolytischen H2-Gewinnung 20 wird in einer Elektrolysezelle 24 Wasser, das meist als alkalische, wäss- rige Elektrolytlösung vorliegt, an Elektroden (Kathode und Anode) zersetzt. Dabei wird an der Kathode molekularer Was- serstoff H2 und an der Anode molekularer Sauerstoff 02 freigesetzt. Der für die Wasserzersetzung erforderliche elektrische Strom kann beispielsweise in einer Photovol- taikanlage 26 unter Ausnutzung von Sonnenenergie oder aus anderen Energiequellen gewonnen werden. Im Falle einer Stromerzeugung durch den 02-Reduktor 16 kann auch dieser Strom hier eingespeist werden, um einen Teil des Strombedarfs zu decken.
Bei der H2-Gewinnung durch Reformierung 22 werden fossile Brennstoffe, in der Regel Brenngase, wie Erdgas, Methangas, Stadtgas, in einem Reformer 28 beispielsweise unter Zuführung von Wasserdampf umgesetzt. Dabei entstehen neben molekularem Wasserstoff H2 weitere Umsetzungsprodukte, wie C02 und niedermolekulare Kohlenwasserstoffe. Die bei einigen Reformierungsverfahren in Form von Heißdampf anfallende Wärmeenergie ist nutzbar.
Die notwendige Wasserstoffgewinnung kann extern oder - insbesondere bei elektrolytischer Gewinnung - auch vor Ort er- folgen. Die Speicherung des Wasserstoffs im Speicher 18 entkoppelt dabei den Bedarf von der verfügbaren Solarstrahlung oder von der Anlieferung per Tankwagen.
Nach Verlassen des 02-Reduktors 16 weist das Luftgemisch beispielsweise einen Volumenanteil des Sauerstoffs von 14 % auf, entsprechend einem Sauerstoffpartialdruck von ungefähr 140 mbar. Dieses Gasgemisch wird in einem Luftbereiter 30 von den Reaktionsprodukten des Sauerstoffs und des Brennstoffs und gegebenenfalls anfallenden Nebenprodukten zumin- dest weitgehend befreit. Liegt das Reaktionsprodukt im Falle der Verwendung von Wasserstoff als gas- oder dampfförmiges Wasser vor, erfolgt die Abtrennung vorzugsweise durch Kondensation. Das so abgeschiedene Wasser kann mittels einer Wasserbehandlungseinrichtung 32 etwa zur Verhin- derung von Verkeimung aufbereitet werden. Einzelheiten des Luftbereiters 30 und der Wasserbehandlungseinrichtung 32 sind weiter unten anhand von Figur 3 näher erläutert.
Nach Abtrennung der Reaktionsprodukte durchläuft das sauer- stoffreduzierte Luftgemisch eine Temperiereinrichtung 34, in der mittels Heizen und/oder Kühlen eine gewünschte Lufttemperatur eingestellt wird. Die Temperierung kann alternativ auch vor der Abtrennung der Reaktionsprodukte erfolgen.
Anschließend erfolgt in einer Nachbehandlungseinrichtung 36 die Einstellung einer gewünschten Luftqualität, wobei insbesondere anorganische oder organische Partikel, C02, Geruchsstoffe und dergleichen aus der Luft entfernt werden. Einzelheiten zu der Temperier- und der Nachbehandlungsein- richtung 34 und 36 sind weiter unten im Zusammenhang mit Figur 4 dargestellt.
Die so aufbereitete Luft wird über eine Zufuhreinrichtung 37 als Zuluft (Raumluft) einem zu klimatisierenden Raum 38 (oder Räumen) zugeführt. Hierbei handelt es sich um Räume, die unter Bedingungen der normobaren Hypoxie betrieben werden, insbesondere Trainingsräume für Sportler oder Therapieräume zur Rehabilitation Genesender oder alter Menschen. Um den Raum 38 gegen Eindringen von unbehandelter Umge- bungsluft, von draußen oder aus Nachbarräumen, zu schützen, wird vorzugsweise mit Zuluftüberschuss gefahren. Die Größe des Überschusses hängt von Undichtigkeiten der Umschließungsflächen ab sowie von der Häufigkeit der Nutzung von Zutrittsschleusen durch Personen. Denkbar ist auch, den Raum 38 in besonderen Fällen unter Regelung eines Überdrucks von beispielsweise 2 bis 3 Pa geregelt zu fahren.
Die den Raum 38 verlassende Luft kann entweder als Abluft in die Umwelt abgeführt werden oder vollständig oder teilweise im Umluftbetrieb über die Mischkammer 12 dem Aufbe- reitungsprozess zurückgeführt werden. Der Umluftbetrieb kann besonders im Falle der Verwendung eines 02-Reduktors in Form einer Brennkammer, in der Sauerstoff mit offener Flamme mit einem Brennstoff verbrannt wird, sinnvoll sein, um die Verbrennungstemperatur zu senken und damit die NOχ-Bildung zu unterdrücken. Entsprechende Maßnahmen sind beispielsweise bei Verbrennungsmotoren in Form von innerer oder externer Abgasrückführung bekannt.
Zur Aufbereitung der Umluft kann optional eine thermische Umluftbehandlungseinrichtung 40 vorgesehen sein, welche die Funktionen Heizen, Kühlen, Befeuchten und/oder Entfeuchten umfasst. Diese ist insbesondere bei Räumen 38 der normoba- ren Hypoxie mit einer hohen, beispielsweise durch Schwimmbäder verursachten Feuchtigkeitslast zweckmäßig, wo eine Entfeuchtung der Umluft notwendig ist. Dies kann in bekannter Weise über Oberflächenkühler oder mittels einer Entfeuchtungs-Wärme-Pumpe erfolgen.
Ferner kann eine weitere Reinigungseinrichtung 42 in der Umluftleitung vorgesehen sein, um ungewollte Verbrennungsprodukte organischer oder anorganischer Verbindungen zu vermeiden. Hierfür können Partikelfilter, Aktivkohlefilter oder in Sonderfällen Luftwäscher eingesetzt werden. Denkbar ist auch, die Reinigungseinrichtungen 14 und 42 zu einer einzigen, der Mischkammer 12 nachgeschalteten Reinigungseinrichtung zusammenzufassen. Selbstverständlich umfasst die Vorrichtung 10 auch notwendige, nicht dargestellte Luftfördereinrichtungen (Ventilatoren) zum Transport der Luft durch die Luftleitungen und in die verschiedenen Einrichtungen.
Die Figuren 2A bis 2F zeigen sechs verschiedene Ausführungsformen des 02-Reduktors 16. Die Strömungsrichtung des ein- beziehungsweise austretenden Gasgemisches ist jeweils durch die horizontalen Doppelpfeile gekennzeichnet.
Gemäß Figur 2A ist der 0-Reduktor 16 als Brennstoffzelle ausgestaltet. Dabei ist eine Vielzahl von Einzelzellen in Form eines Zellstapels 44 vorgesehen. Die Funktion der Brennstoffzelle ist allgemein bekannt. Prinzipiell wird hier molekularer Wasserstoff H2 mit dem in der Luft..vorhandenen Sauerstoff 02 elektrochemisch an Elektroden zu Wasser H20 umgesetzt. Durch räumliche Trennung der beiden Teilreaktionen, Oxidation von Wasserstoff H2 zu H+ sowie Reduktion von Sauerstoff 02 zu 0'~, lassen sich die vom Wasser- stoff abgegebenen Elektronen in Form eines elektrischen Stroms nutzbar machen. Da es sich hierbei um eine exotherme Reaktion handelt, kann auch die entstehende Wärmeenergie genutzt werden. Es sind verschiedene Typen der Brennstoffzelle bekannt, beispielsweise die alkalische Brennstoff- zelle, die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die phosphorsaure 'Brennstoffzelle und andere. Auch ist die Direct-Methanol-Fuel-Cell bekannt, die statt Wasserstoff Methanol als Brennstoff verwendet. Alle bekannten oder noch zu entwickelnde Typen sind prinzipiell im Rahmen der vor- liegenden Erfindung einsetzbar. Das Luftgemisch verlässt die Brennstoffzelle mit einem reduzierten Sauerstoffgehalt und damit reduziertem Sauerstoffpartialdruck und enthält als Reaktionsprodukt des Sauerstoffs gas- oder dampfförmiges Wasser. Figur 2B zeigt einen als Brennkammer ausgestalten 02-Reduktor 16. Hier trifft das einströmende Luftgemisch zunächst auf einen Gleichrichter 46, der im Wesentlichen die Aufgabe hat, das Luftgemisch homogen in der Kammer zu verteilen. Das Luftgemisch tritt dann in einen Brennraum 48, in dem ein Gasbrenner 50 angeordnet ist. Der Gasbrenner 50 verfügt über eine Vielzahl von Düsen, aus denen ein zugeführter Brennstoff, hier Wasserstoff H2, austritt und mit offener Flamme unter Verbrauch des Sauerstoffs verbrennt. Alterna- tiv können auch andere Brenngase, beispielsweise Erdgas, eingesetzt werden. Die Verbrennungsreaktion wird vorzugsweise bei niedrigen Verbrennungstemperaturen durchgeführt, um die Entstehung von Stickoxiden weitgehend zu unterdrücken. Die entstehende Verbrennungswärme wird über einen nachgeschalteten, vorzugsweise trockenen Wärmeaustauscher 52 abgeführt, ehe die sauerstoffreduzierte Luft den 02-Re- duktor verlässt. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeabfuhr auch über die Wände des Brennraums 48 durch Strahlung und/oder Konvektion abgeführt werden. Abweichend von der dargestellten Ausführung sind hier auch weitere, insbesondere aus dem Kesselbau bekannte Brennerarten einsetzbar, beispielsweise Vormischbrenner, bei denen eine Gemischaufbereitung außerhalb der Brennkammer erfolgt; Matrixstrahlungsbrenner, bei denen das Luft-/Gas-Gemisch an der Ober- fläche eines Edelstahlgewebes praktisch flammenlos verbrannt wird; atmosphärische oder Überdruck-Brenner; Brenner, die eine die Verbrennung unterstützende katalytische Beschichtung aufweisen oder auch Kombinationen der genannten Prinzipien.
Figur 2C zeigt einen 02-Reduktor 16 in Gestalt einer kata- lytischen Verbrennungseinrichtung. Das Luftgemisch tritt zunächst in eine ' Vorkammer 54, in der es mit Wasserstoff, Erdgas oder einem anderen Brennstoff, der über eine Gasver- teilerlanze 56 zugeführt wird, vermischt wird. Nachfolgend durchströmt das Gasgemisch einen porösen Katalysatorblock 58, der eine Vielzahl von Strδmungskanälen umfasst, die auf ihrer Oberfläche ein katalytisch wirksames Material aufweisen. An dem Katalysatorblock 58 findet die katalytische Reduktion des Luftsauerstoffs mit dem zugeführten Brennstoff statt. Gleichzeitig funktioniert der Katalysatorblock 58 als Gleichrichter. Über den nachgeschalteten trockenen Wärmeaustauscher 52 erfolgt die Abfuhr der entstandenen Wärmeenergie, ehe das Gasgemisch den Reduktor 16 verlässt.
Figur 2D zeigt einen 02-Reduktor 16 in Form einer mit Heiz- drähten betriebenen Brennkammer. Nach Durchströmen des Gleichrichters 46 tritt das Luftgemisch in den Brennraum 48, wo es mit einem über die' Gasverteilerlanze 56 zugeführ- ten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff oder Erdgas, vermischt wird. Ebenfalls in dem Brennraum 48 angeordnet sind elektrisch beheizte Heizdrähte 60, beispielsweise in Form eines Drahtnetzes- Die Heizdrähte 60 bewirken die stetige Verbrennung des Brennstoffs. Auch hier erfolgt eine trocke- ne Wärmeabfuhr über den Wärmeaustauscher 52, ehe das sauerstoffreduzierte Luftgemisch .den 02-Reduktor 16 verlässt. Das in Figur 2D dargestellte Prinzip zur Sauerstoffreduktion an elektrisch beheizten Drähten eignet sich besonders für Luftgemische mit verhältnismäßig niedri- gem Sauerstoffgehalt . Somit kann auch rückgeführte Umluft oder Mischluft aus Umluft und Umgebungsluft mit bereits reduziertem Sauerstoffgehalt verwendet werden.
Figur 2E zeigt einen 02-Reduktor 16 in Form eines Verbren- nungsmotors, insbesondere in Form einer Gasturbine 62 (Verbrennungsturbine) . In der Gasturbine wird in bekannter
Weise ein Brennstoff, vorzugsweise Erdgas oder H2, mit Luft in einem Brennraum verbrannt, wodurch ein Großteil der freigesetzten Energie zum Antrieb einer nicht dargestellten Turbine genutzt wird. Die so erzeugte mechanische Energie ist eine besonders gut im Prozess nutzbare Energieform. Bei Ausgestaltung der Turbine als Generator kann die mechanische Energie in ebenfalls nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Die gleichzeitig freigesetzte Wärme- energie wird aus dem im Prozess entstehenden Hochdruckdampf über den Wärmeaustauscher 52 abgeführt.
Figur 2F zeigt einen 02-Reduktor 16 in Form eines Verbrennungsmotors, insbesondere in Form eines Kolbenmotors 64. In einem Brennraum des Motors 64 wird in bekannter Weise ein geeigneter Brennstoff, wiederum bevorzugt Erdgas oder H2, mit Luft verbrannt, wobei die Reaktionsenergie genutzt wird, um einen nicht dargestellten beweglichen Kolben anzutreiben. Somit entsteht auch bei diesem Prozess nutzbare mechanische Energie. Die erforderliche Kühlung des Motors 64 erfolgt üblicherweise über die Motorwände. Zusätzlich kann eine Kühlung des Abgases und damit Wärmeabführung über den Wärmeaustauscher 52 stattfinden.
Insbesondere bei Verwendung von Verbrennungsmotoren gemäß den Figuren 2E und ,2F ist es vorteilhaft, die Verbrennungs- temperaturen möglichst niedrig zu halten, um der Bildung von Stickoxiden NOx entgegenzuwirken. Dies erfolgt einerseits durch Kühlung der Motorgehäuse und andererseits durch Zumischung von sauerstoffarmer Umluft zu der Außenluft. Diese Verfahrensweise ist in der Motortechnik als Abgas- rückführung bekannt .
Grundsätzlich gilt für alle 02-Reduktoren 16, dass frei werdende Wärmeenergie bereits im Reduktor, dem Ort des höchsten Temperaturniveaus, abgeführt werden kann oder sogar abgeführt werden muss. Wirtschaftlich interessant ist die Auskopplung der Reaktionswärme im 02-Reduktor insbesondere bei Temperaturen > 110 °C. Mit dieser Wärme lässt sich vor Ort und/oder zentral im Gelände beispielsweise mittels Absorptionskältemaschinen Kälte erzeugen, die etwa zur Kühlung und Entfeuchtung der sauerstoffreduzierten Luft auf den benötigten Zuluftzustand eingesetzt werden kann, das heißt im Luftbereiter 30, in der Temperaturnachbehandlung 34 und/oder der Luftquälitatsnachbehandlung- 34 genutzt werden kann. Durch eine derartige Nutzung des "Nebenproduktes" Wärmeenergie lassen sich die Energiekosten des Verfahrens beziehungsweise der Anlage deutlich senken.
Eine weitere (nicht dargestellte) Ausgestaltungsmöglichkeit des 02-Reduktors 16 nutzt ein anderes Verfahren. Dabei wird eine Lösung eines geeigneten Reduktionsmittels unter Zufuhr des Luftgemisches versprüht oder verrieselt, wobei das gelöste Reduktionsmittel mit dem Luftsauerstoff zu einem Feststoff reagiert, der ausgefiltert werden kann. Beispielsweise ist aus der Trinkwasseraufbereitung bekannt, im Wasser gelöstes Eisen auf diese Weise mit Luftsauerstoff zu Eisenoxid zu oxidieren.
In allen dargestellten Ausführungen des 02-Reduktors 16 erfolgt eine Freisetzung der Reaktionsenergie bei der Reduzierung von Sauerstoff beziehungsweise der Verbrennung eines Brennstoffs, insbesondere Erdgas oder H2. Abhängig von der Wahl des Reduktors 16 wird diese Energie in Form von Wärmeenergie, bevorzugt auch als elektrische oder mechanische Energie, erzeugt. Alle Energieformen werden bevorzugt dem Klimatisierungsverfahren wieder zugeführt, um den Energiebedarf teilweise abzudecken. Beispielsweise kann die Energie für die Erzeugung des Brennstoffs H2 genutzt werden oder zur Erzeugung von Kälte, welche für die Kühlung, Entfeuchtung oder Reinigung des Reaktionsluftgemisches erforderlich ist. Andere Nutzungsformen inner- und/oder außerhalb des Verfahrens sind ebenfalls denkbar. Einzelheiten des Luftbereiters 30 und der Wasserbehandlungseinrichtung 32 aus Figur 1 sind in Figur 3 dargestellt. Der Luftbereiter 30 hat die Aufgabe, die Verbrennungsprodukte des 02-Reduktors 16 und gegebenenfalls anfal- lende Nebenprodukte aus dem Luftgemisch zu entfernen. Vorliegend wird von der Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel und damit gas- oder dampfförmiges Wasser als abzutrennendes Reaktionsprodukt ausgegangen. Das mit dem gas- oder dampfförmigen Wasser beladene Gasgemisch tritt in den Luftbereiter 30 ein und trifft dort auf einen Oberflächenkühler 66, der unter nasser Kühlung eine teilweise Kondensation des Wassers und damit eine Kühlung und Entfeuchtung des restlichen Luftgemischs bewirkt. Durch die abgeführte Wärme wird das verwendete Kühlmedium auf zirka 40 bis 50 °C erwärmt, so dass die Wärmeenergie inner- oder außerhalb des Systems genutzt werden kann. Das am Kühler 66 kondensierte Wasser fließt in eine Wäscherwanne 68, die am Boden einer Entf uchtungskammer 70 angeordnet ist. In der Entfeuchtungskämmer 70 wird das Luftgemisch mit Wasser, das über einen Düsenstock 72 in Form eines Sprüh- oder Riesel- befeuchters versprüht beziehungsweise verrieselt wird, behandelt, wodurch eine weitere Kondensation des in der Luft enthaltenen Wassers stattfindet. Um hier den gewünschten Entfeuchtungseffekt zu erzielen, weist das versprühte oder verrieselte Wasser eine dem Sollwert des Taupunkts des Luftgemischs entsprechende Temperatur auf. (Soll an dieser Stelle im Gegenteil eine Befeuchtung der Luft erzielt werden, muss die Wassertemperatur den Taupunkt übersteigen. ) Neben der Trocknung des Luftgemisches auf den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt erfolgt eine Entfernung von Reststoffen
(Luftwäsche) und eine Bindung von C02 - Letztere ist in Fällen zwingend erforderlich, in denen im 02-Reduktor 16 statt H2 kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe wie Erdgas eingesetzt werden. Das zur C02-Bindung verwendete Umlauf- oder Durchlaufwasser kann zu diesem Zweck auch in bekannter Weise konditioniert werden. Nach Passage eines Tropfab- scheiders 74 verlässt das Luftgemisch den Luftbereiter 30 und ist somit von dem Reaktionsprodukt des Sauerstoffs und/oder des betreffenden Brennstoffs befreit, weist die gewünschte Luftfeuchtigkeit auf und ist bereits weitgehend frei von Partikeln. Neben der hier erläuterten Luftwäsche sind andere Verfahren zur Entfernung der Reaktionsprodukte ebenfalls einsetzbar.
In der Anordnung 30 kann der nasse Oberflächenkühler 66 entfallen, ist jedoch für die Nutzung der Wärmeenergie sinnvoll. Ebenso ist denkbar, das am Kühler 66 kondensierte Wasser nicht der Wasserbehandlungseinrichtung 32 zuzuführen, sondern getrennt abzuleiten. Ferner können der Ober- flächenkühler 62 und der aus Entfeuchtungskammer 70 und Dü- senstock 72 bestehende Luftwäscher auch in getrennten Geräteeinheiten untergebracht sein. .
Das in der Wäscherwanne 68 gesammelte Wasser wird zumindest teilweise der Wasserbehandlungseinrichtung 32 zugeführt, wo es zunächst über eine Heizeinrichtung 76, beispielsweise einem Wärmeaustauscher, auf eine Entgasungstemperatur erwärmt wird. Das erwärmte Wasser gelangt dann in eine mit einem Unterdrückventilator ausgestattete Entgasungskammer 78, von wo die unter dem Unterdruck vergasenden Bestandteile, beispielsweise C02, abgeführt werden. Da beim Einsatz von Wasserstoff als Brenngas kein C02 entsteht, kann in diesem Fall die thermische Entgasung (76, 78) entfallen. In einem nachgeschalteten Wasserfilter 80 erfolgt eine Entfer- nung und Abschlämmung von Feststoffen aus dem Wasser. Anschließend wird in einem Wasserkühler 82 das Wasser auf oder unter den Taupunkt der Zuluft des Luftbereiters 30 gekühlt. Dann erfolgt in Block 84 eine Einstellung des pH-Wertes des Wassers. Optional kann die Wasserbehandlungs- einric tung 32 auch eine nicht dargestellte Desinfektions- einrichtung aufweisen, in der beispielsweise durch UN-Strahlung Bakterien, insbesondere auch Legionellen, abgetötet werden. Das behandelte Wasser wird über eine Pumpe 86 der Entfeuchtungs- /Wäscherkammer 70 des Luftbereiters 30 zugeführt. Überschüssiges Wasser wird über ein Auslassventil 88 abgeführt.
Optional kann der trockene Kühler 52 des 02-Reduktors 16 aus den Figuren 2A bis 2F und der Oberflächenkühler 66 aus Figur 3 in einer Einheit zusammengefasst werden.
Einzelheiten der Temperier- und der Νachbehandlungseinrich- tung 34 und 36 zeigt Figur 4. In der Temperiereinrichtung 34 erfolgt über einen Luftkühler 90 und einen Luftheizer 92 eine Einstellung auf eine gewünschte Lufttemperatur. In der Regel kann der Luftkühler 90 entfallen. In der Νachbehand- lungseinrichtung 36 erfolgt eine Einstellung einer gewünschten Luftqualität, wobei in einem Partikelfilter 94 Feststoffe, wie Staub oder Bakterien, aus der Luft entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Aktivkohlefilter 96 vorgesehen sein, der insbesondere Geruchsstoffe aus der Luft bindet. Ebenfalls zusätzlich oder alternativ kann eine Ionisationskammer 98 vorgesehen sein, mit der durch erzeugte Sauerstoffradikale beispielsweise Sporen oder Zer- fallsprodukte organischer Stoffe entfernt werden können und die insbesondere den gewünschten "Frischeeffekt" der Luft bewirkt. Die dargestellte Reihenfolge ist zwar bevorzugt, jedoch kann in bestimmten Fällen auch die umgekehrte Reihenfolge der Einrichtungen 34 und 36 vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung 10 kann grundsätzlich in zwei Betriebszuständen betrieben werden. Zu Beginn der Klimatisierung des Raumes 38 mit einer Luftatmosphäre der normobaren Hypoxie erfolgt ein reiner oder teilweiser Umluftbetrieb, wobei die den Raum 38 verlassende Abluft vollständig- oder teilweise über den Umluftstrang und die Mischkammer 12 zurückgeführt wird. Dieses Anfahren erfolgt so lange, bis der zu klimatisierende Raum 38 den gewünschten Sauerstoffgehalt aufweist.
Sobald der gewünschte Sauerstoffgehalt erreicht ist, wird die Anlage auf einen geregelten oder gesteuerten Haltebetrieb umgeschaltet, bei dem der über die Mischkammer 14 zugeführte Umgebungsluftanteil auf ein notwendiges Maß be- grenzt wird. Bei der Bemessung des Umgebungsluftanteils sind vorliegend mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Einerseits muss eine ausreichende Abfuhr von Lasten aus dem Raum 38, beispielsweise von Geruchsstoffen, C02, Staub, Fasern etc., gewährleistet werden. Andererseits muss der Raum 38 gegen Eindringen von sauerstoffreicher Außenluft geschützt (Immissionsschutz) und der nicht zu vermeidende Luftaustausch mit der Umgebung kompensiert werden. Schließlich kann - wie bereits erwähnt - ein bestimmtes Umluft/Umgebungsluft erhältnis bzw. ein reduzierter Sauerstoffgehalt zur Absenkung der Verbrennungstemperatur und damit der N0X- Bildung im 02-Reduktor 16 gefordert werden. Grundsätzlich wird der Umgebungsluftanteil anhand des stärksten der zu berücksichtigenden Faktoren bemessen, womit die anderen Forderungen automatisch erfüllt sind. Dieser Luftüberschuss wird dann beispielsweise als so genannte Schutzluft (im Falle des ImmissionsSchutzes als stärksten Faktor) , beispielsweise mit einem Anteil von 0 bis 20 % der aus dem Raum 38 abgeführten Luftmasse, in die Umgebung freigesetzt. Der angesaugte Umgebungsluftanteil wird entsprechend dem abgeführten Schutzluftanteil eingestellt und ist somit an diesen gekoppelt. Abhängig von der Art des eingesetzten 02- Reduktors 16 kann auch ein höherer Umgebungsluftanteil als der sich aus der Schutzfunktion oder den anderen Faktoren ergebende notwendig sein, um eine für die Oxidation des Brenngases notwendige Sauerstoffkonzentration in der Ver- brennungsluft sicherzustellen. Alternativ kann auch zu Emissionsschutzzwecken mit Abluftüberschuss gearbeitet werden, wenn Nachbarräume oder -bereiche vor der sauerstoffarmen Raumluft geschützt werden sollen.
Sowohl im Anfahr- als auch im Haltebetrieb kann eine Regelung des Umluftanteils derart vorgesehen sein, dass der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft des 02-Reduktors 16 ausreichend hoch gehalten wird, um den Verbrennungsprözess aufrechtzuerhalten.
In Abweichung zur in Figur 1 dargestellten Ausführung kann auch ein direkter Umluftbetrieb vorgesehen sein, bei dem die Abluft des Raumes 38 - gegebenenfalls nach separater Umluftbehandlung zur Einstellung von Temperatur, Luft- . qualität etc. - wieder unmittelbar dem Raum 38 zugespeist wird, ohne den 02-Reduktor 16 zu passieren.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung Ansaugeinrichtung Mischkammer Reinigungseinrichtung 02-Reduktor Brennstofftank / H2-Speicher elektrolytische H2-Gewinnung H2-Gewinnung durch Reformierung elektrolytische Zelle Photovoltaikanlage Reformer Luftbereiter Wasserbehandlungseinrichtung Temperiereinrichtung Nachbehandlungseinrichtung Zufuhreinrichtung zu klimatisierender Raum thermische Umluftbehandlungseinrichtung Reinigungseinrichtung Zellstapel Gleichrichter Brennraum Gasbrenner trockener Wärmeaustauscher Vorkammer Gasverteilerlanze Katalysatorblock Heizdrähte Gasturbine Kolbenmotor Oberflächenkühler Wäscherwanne
Entfeuchtungs-/Waseherkammer
Düsenstock
Tropfabscheider
Heizeinrichtung
Entgasungskammer
Wasserfilter
Wasserkühler pH-Werteinsteilung
Pumpe
Auslassventil
Luftkühler
Luftheizer
Partikeifilter
Aktivkohlefilter
Ionisationskammer

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Klimatisierung mindestens eines Raumes (38) mit einem Luftgemisch, das einen gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck aufweist, wobei zumindest ein Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs (02) chemisch zu einem Reaktionsprodukt reduziert wird und das so behandelte Luftgemisch als Zuluft dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum (38) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die chemische Reduzierung des Sauerstoffs (02) durch Umsetzung mit mindestens einem Brennstoff erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff eine brennbare Flüssigkeit oder ein brennbares Gas, insbesondere Methan, Ethan, Propan, Butan, Erdgas, molekularer Wasserstoff (H2) , oder ein Gemisch von diesen verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Erdgas oder molekularer Wasserstoff (H2) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekenn- zeichnet, dass der molekulare Wasserstoff (H2) durch Elektrolyse von Wasser oder durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Brenngasen oder Benzin, erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionsprodukte des Sauerstoffs und/oder des mindestens einen Brennstoffs vor der Zuführung- der Zuluft in den mindestens einen Raum (38) von dem behandelten Luftgemisch zumindest teilweise abgetrennt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch elektrochemische Umsetzung mit einem Brennstoff in einer Brennstoffzelle durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Zufuhr und Verbrennung eines der Luft zugeführten Brennstoffs in einem Verbrennungsmotor oder einer Verbrennungsturbine durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Zufuhr und Verbrennung eines der Luft zugeführten Brennstoffs in einer Brennkammer durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Umsetzung mit einem Brennstoff an einem Katalysator durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Sauerstoffs durch Umsetzung mit einem Brennstoff an elektrisch beheizten Drähten durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass eine bei der chemischen Re- duktion des Sauerstoffs entstehende Energie, insbesondere elektrische Energie und/oder mechanische Energie und/oder Wärmeenergie, für das Verfahren und/oder extern genutzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch .gekennzeichnet, dass bei der chemischen Reduktion des Sauerstoffs entstehende Wärmeenergie zur Erzeugung von Kälte genutzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffpartialdruck auf einen Wert entsprechend einem Volumenanteil von 5 bis 21 %, insbesondere auf 12 bis 16 %, abgesenkt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren geregelt durchgeführt wird, wobei ein in dem mindestens einen zu klimatisierenden Raum gemessener Sauerstoffpartialdruck mit einem gewünschten Sauerstoffpartialdruck verglichen wird und eine Umsatzrate der chemischen Reduzierung des Sauerstoffs und/oder eine Luftzufuhrrate in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum in Abhängigkeit von einer Abweichung des gemessenen von dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurc gekennzeichnet, dass die erzeugte Zuluft mindes- tens einem zum Personenaufenthalt bestimmten Raum zugeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zum Personenaufenthalt be- stimmte Raum .(38) ein Trainingsraum zum Sporttraining unter normobaren Hypoxiebedingungen oder ein Therapieraum unter normobaren Hypoxiebedingungen für Rehabilitationszwecke ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluft vor ihrer Zuführung in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum mindestens einer der folgenden Aufbereitungsmaßnahmen unterworfen wird:
- Filtration und/oder Luftwäsche zur Entfernung von Partikeln, katalytische Nachbehandlung und/oder Luftwäsche zur Entfernung gasförmiger Komponenten, - Temperierung zur Einstellung einer vorgegebenen Lufttemperatur, Befeuchten oder Entfeuchten zur Einstellung einer vorgegebenen Luftfeuchtigkeit, - Einstellung eines vorgegebenen C02-Gehalts, - Ionisation zur Einstellung einer Luftqualität.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der chemischen Reduzierung des Sauerstoffs der Umgebungsluft eine aus dem mindestens einen Raum rückgeführte Umluft in beliebigen Anteilen zugemischt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluft und/oder die Umluft vor ihrer Zuführung zu der chemischen Reaktion gefiltert und/oder gereinigt wird.
21. Vorrichtung (10) zur Klimatisierung mindestens eines Raumes (38) mit einem Luftgemisch mit einem gegenüber einer Umgebungsluft abgesenkten Sauerstoffpartialdruck, umfassend einen 02-Reduktor (16) zur Reduzierung zumindest eines Teils des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs (02) mit mindestens einem Brennstoff zu einem Reaktionsprodukt und eine Zufuhreinrichtung (37) zur Zuführung des so behandelten Luftgemisches in den mindestens einen zu klimatisierenden Raum (38).
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der 02-Reduktor (16) eine' Brennstoffzelle zur elektrochemischen Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der 02-Reduktor (16) einen Verbrennungsmotor oder eine Verbrennungsturbine zur Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der 02-Reduktor (16) eine Brennkammer zur Umset- zung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der 02-Reduktor (16) einen Katalysator zur Umsetzung des Sauerstoffs mit einem Brennstoff umfasst.
26. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der 02-Reduktor (16) eine Kammer mit elektrisch beheizten Drähten umfasst, an denen der Sauerstoff mit einem Brennstoff umgesetzt wird.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Brennstoff eine brennbare Flüssigkeit oder ein brennbares Gas, insbesondere Methan, Ethan, Propan, Butan, Erdgas, molekularer Wasserstoff (H2) oder Mischungen von diesen ist, vorzugsweise Erdgas oder molekularer Wasserstoff (H2) •
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem 02-Reduktor (16) und der Zufuhreinrichtung (37) ein Luftbereiter (30) zur Abtrennung von Reaktionsprodukten des Sauerstoffs und/oder des mindestens einen Brennstoffs von dem behandelten Luftgemisch vorgesehen ist.
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