NL1007999C2 - Ruimteverwarmingssysteem. - Google Patents

Description

X Sch/sb/Stork Air-16

RUIMTEVERWARMINGSSYSTEEM

De uitvinding heeft betrekking op een Ruimteverwarmingssysteem, ingericht voor het door middel van een brander of andere verwarmingsinrichting verwarmen van lucht, welk systeem een warmtewisselaar omvat, die 5 twee fysiek van elkaar gescheiden, door middel van een aantal warmtegeleidende wanden thermisch met elkaar gekoppelde doorstroomcircuits omvatten, namelijk een eerste en een tweede doorstroom-circuits, welke circuits met elkaar verweven zijn opgesteld, 10 welk eerste doorstroomcircuit tijdens bedrijf wordt doorstroomd door een eerste luchtstroom vanaf een buitenlucht-inlaat naar een eerste afvoer naar een te verwarmen ruimte, en welk tweede doorstroomcircuit tijdens bedrijf 15 wordt doorstroomd door een tweede luchtstroom vanaf een aan de genoemde ruimte aansluitende afvoerlucht-inlaat naar een tweede afvoer naar buiten.

Het is een eerste doel van de uitvinding, het rendement van het bekende ruimteverwarmingssysteem 20 substantieel te verbeteren. Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een ruimteverwarmingssysteem, waarvan de werking op flexibele wijze gemakkelijk aanpasbaar is aan veranderende omstandigheden.

25 In verband met het bovenstaande verschaft de uitvinding in het algemeen een verwarmingssysteem dat de bijzonderheid vertoont dat tussen de warmtewisselaar en de eerste afvoer een bestuurbare eerste ventilator is opgenomen; 30 tussen de warmtewisselaar en de tweede afvoer een bestuurbare tweede ventilator is opgenomen; besturingsmiddelen aanwezig zijn voor het individueel besturen van elk van beide ventilatoren; en 007999 2 de warmtewisselaar zodanig is uitgevoerd, dat de twee luchtstromen de respectieve doorstroomcircuits van de warmtewisselaar doorstromen in richtingen, die in dominerende mate onderling tegengesteld zijn.

5 Bij voorkeur wordt het systeem volgens de uitvinding zodanig uitgevoerd dat de genoemde richtingen over het grootste deel van de warmtewisselaar minder dan 45°, bij voorkeur minder dan 30°, van elkaar afwijken.

Een voorkeursuitvoering is gekenmerkt door een 10 door een bestuurbare klep te openen en te sluiten bypassleiding, die is aangesloten tussen de afvoerluchtinlaat en de invoer van de tweede ventilator. In deze uitvoering kan selectief de uit de ruimte afkomstige af te voeren lucht door de warmtewisselaar of om de 15 warmtewisselaar heen rechtstreeks naar de ventilator worden geleid.

De bypassklep wordt geopend als er met de buitenlucht versneld moet worden gekoeld. Het is belangrijk dat de temperatuur van de toevoerlucht niet 20 onder een vooraf bepaalde temperatuur komt. Deze temperatuur dient een comfortabele waarde te bezitten en wordt derhalve aangeduid met Tcomfort. De bypassklep wordt geopend als een temperatuur Tl wordt bereikt die voldoet aan Tl groter dan Teomfort en Tl + Tbypass verschU kleiner dan 25 T3, waarbij T3 eveneens een gekozen waarde is.

De genoemde temperatuur Tbypass verschil heeft een waarde van 0-7°C en kan in de fabriek worden ingestel.d Tcomfort een door de gebruiker van het systeem in te , j stellen waarde. In geval van toepassing van de bypass is ' 30 Tcomfort door de gebruiker van het systeem, bijvoorbeeld de bewoner van een huis, in te stellen tussen bijvoorbeeld 15 en 25°C.

Bij voorkeur vertoont het systeem de bijzonderheid dat de klep bestuurbaar is door de 35 besturingsmiddelen. Hiermee kan eenvoudig een automatische besturing plaatsvinden.

. Een specifieke zeer voordelige uitvoering vertoont de bijzonderheid dat de besturingsmiddelen zijn ;r wl 007999 r :ii T· 3 ingericht voor het onder programmabesturing in onderlinge samenhang besturen van de bypassklep, de eerste ventilator en de tweede ventilator. Hiermee kan worden bereikt, dat de twee luchtstromen gebalanceerd blijven, 5 ondanks een weerstandswisseling die kan optreden bij het respectievelijk openen en sluiten de bypassklep.

Een specifieke uitvoering vertoont de bijzonderheid dat de genoemde besturing mede plaatsvindt onder invloed van de door een temperatuurvoeler gemeten 10 temperatuur van de buitenlucht en een gekozen waarde van het temperatuurverschil over de warmtewisselaar in de tweede luchtstroom.

In het systeem volgens de uitvinding is de warmtewisselaar van een type met zeer hoog rendement. Hij 15 is dan ook niet van het gebruikelijke kruisstroomtype, maar is van een tegenstroomtype of althans een type dat in overwegende mate de eigenschappen van een tegenstroom-warmtewisselaar bezit. De warmtewisselaar zal een thermisch rendement hebben van omstreeks 90% bij 20 bijvoorbeeld 150m3/h. Door het toepassen van deze hoog-rendementwarmtewisselaar wordt een groot deel van de thermische energie in de lucht die uit de verwarmde ruimte wordt gezogen overgedragen aan de lucht die weer in de ruimte wordt ingeblazen. De voordelen van 25 dergelijke opbouw zijn, dat er bij ventilatie nog maar zeer weinig thermisch verlies optreedt en dat er een relatief hoge inblaastemperatuur wordt bereikt, waardoor minder comfortproblemen optreden. Het nadeel is echter, dat in de winter de temperatuur van de lucht die de 30 wisselaar naar buiten toe verlaat tot onder 0°C kan dalen. Hierdoor bestaat het risico, dat de wisselaar gaat bevriezen. Onder deze omstandigheden zet zich een laag ijs van toenemende dikte op de betreffende wanden af. Dit is voor de werking van het systeem desastreus omdat dit 35 de doorgang door de wisselaar volledig gaat blokkeren. Hierdoor zal er minder of geen ventilatie van de ruimte in kwestie plaatsvinden en derhalve gepaard gaan met een *1007999 4 geringere of ontbrekende warmteoverdracht. Deze situatie dient derhalve altijd voorkomen te worden.

Er zijn in principe drie effecten die het bevriezen van de warmtewisselaar beïnvloeden. Dit zijn: 5 (1) het thermisch rendement van de warmtewisselaar; (2) de binnen- en buitentemperaturen; (3) de relatieve vochtigheid van de binnenlucht.

10 Het eerste punt spreekt voor zichzelf. Met een hoog rendement zal de uitblaastemperatuur van de naar buiten geblazen lucht lager zijn. De invloed van punt 2 is ook voor direct begrip vatbaar. Hoe lager de buitentemperatuur, hoe lager de uitblaastemperatuur en 15 des te groter de kans op bevriezing. De invloed van punt 3, de relatieve vochtigheid van de binnenlucht, is minder goed voor direct begrip vatbaar. Uit metingen is gebleken, dat door het condenseren van vocht in de afkoelende afvoerlucht de uitblaastemperatuur een hogere 20 waarde bereikte dan verwacht. In figuur 1 kan worden gezien, hoe de uitblaastemperatuur (secundair uit) en de inblaastemperatuur (primair uit) afhankelijk zijn van de relatieve vochtigheid van de binnenlucht. Het blijkt nu dat door het condenseren van het vocht er zoveel energie 25 vrijkomt, dat er over een veel groter gebied voorkomen kan worden dat de warmtewisselaar bevriest. Nu zal in de winter de gemiddelde relatieve vochtigheid in een ruimte, bijvoorbeeld een woonhuis, niet gemakkelijk boven 40% uitkomen. Als er minder vocht is om te bevriezen, zal de 30 wisselaar ook minder snel dichtslibben. Indien voor

Nederland het standaard-referentiejaar doorlopen wordt om te zien wat de kans op invriezen is, dan kan worden vastgesteld dat het circa 14% van het jaar onder 0 is.

.. Als echter de invloed van condensatie wordt toegevoegd, -I 35 dan het gevaar van invriezen slechts gedurende 5 é 6 % van het jaar optreden. Dit zal bovendien verspreid zijn over meerdere korte perioden.

»1007999 5

Het invriezen van de warmtewisselaar kan op diverse wijzen worden voorkomen: (1) als de uitblaastemperatuur te laag wordt, de toevoer van koude lucht volledig stopzetten; 5 (2) de aangevoerde lucht van buiten voorverwarmen, zodat deze met een temperatuur van ongeveer of juist boven 0°C de wisselaar binnentreedt; (3) het bewust in onbalans brengen van de luchtstromen waardoor het rendement van de 10 warmtewisselaar verhoogd of verlaagd kan worden.

Indien de uit de stand der techniek bekende oplossing (1) wordt gevolgd, dan schakelt de toevoer uit als de afvoerlucht onder een bepaalde temperatuur komt, namelijk ongeveer 2°C. Dit houdt in, dat gedurende de 15 koudste periodes van het jaar, wanneer juist de meeste energie terug verdiend kan worden, de toevoer wordt stopgezet en er dus geen gebalanceerde ventilatie met warmteterugwinning meer mogelijk is. Dit is een grote verspilling van thermische energie, die door middel van 20 de centrale verwarming weer zal moeten worden bijgestookt. Tevens wordt het als onplezier ervaren om in een gesloten ruimte geen toevoer van frisse lucht te hebben. In het bijzonder voor woonhuizen is dit voor slaapkamers en woonkamers zeer ongewenst.

25 De tweede oplossing zorgt ervoor, dat de temperatuur van de lucht die de warmtewisselaar binnentreedt altijd hoog genoeg is, zodat de uitgaande lucht nooit onder nul komt. Hierbij wordt een traploos regelbaar electrisch element geplaatst om naar behoefte 30 volledig te kunnen verwarmen. Deze oplossing zal voor een gemiddeld woonhuis in Nederland 50-100 kWh aan electrische energie verbruiken. Deze oplossing, die eveneens bekend is uit de stand der techniek, heeft de volgende problemen: 35 de gebruikte energie wordt als "secundair" aangemerkt, omdat hij wordt gegenereerd via het verbranden van bijvoorbeeld gas. Het rendement van *1007999 6 omzetting van deze energie naar de gewenste vorm, electriciteit, is niet meer dan 35-40%.

Verder kost het inbouwen van een verwarmingselement naar de huidige maatstaven circa NLG 5 80 aan materiaal en werkuren. Uit comfort-oogpunt is er sprake van een elegante oplossing, maar hij heeft het nadeel, veel energie en geld te kosten.

De derde oplossing, conform de uitvinding bestaat hierin, dat het systeem volgens de uitvinding de | 10 bijzonderheid vertoont dat de besturingsmiddelen zijn ingericht voor het, in geval van een dreigend bevriezen van de warmtewisselaar, zodanig instellen van de beide ventilatoren, dat de eerste ventilator een geringer debiet levert dan de tweede ventilator.

15 In het bijzonder kan deze variant zijn gekenmerkt door een in de afvoerlucht in de tweede luchtstroom geplaatste temperatuursensor die de afvoerluchttemperatuur meet en een desbetreffend temperatuursignaal aan de besturingsmiddelen toevoert 20 voor het instellen van het minimale debietverschil tussen beide ventilatoren, waarbij bevriezing van de warmtewisselaar wordt voorkomen.

Deze laatste varianten voorzien in het probleem van het dichtvriezen van de warmtewisselaar door minder 25 koude lucht door de warmtewisselaar te leiden. Hierdoor zal de uitgaande lucht minder afkoelen en dus is het gevaar op bevriezing verkleind. Zoals beschreven kan de temperatuur van de afvoerlucht worden gemeten, waardoor zo weinig mogelijk van deze vorstbeveiliging gebruik 30 behoeft te worden gemaakt. De regeling zal in het algemeen steeds zodanig werken, dat hij voldoet aan de 1 condities die het hoogste rendement garanderen.

Fig. 2 toont de invloed van de massa- of debietverhouding.

35 Als er een onbalans tussen de beide luchtstromen in de ruimte wordt opgewekt, zal er door kieren en gaten onder alle omstandigheden enige koude i lucht naar binnen stromen. Deze zal in het algemeen 1007999 7 echter met primaire energie (dus via de aanwezige verwarming) worden opgewarmd, waardoor er een minimaal energetisch verlies optreedt, in tegenstelling tot het electrisch voorverwarmen van de toevoerlucht. Met de 5 huidige gelijkstroommotoren kan de volumestroom traploos worden geregeld, waardoor de voorgestelde oplossing gemakkelijk te realiseren is. Het voordeel is de grotendeels behouden balansventilatie in de periode wanneer deze het meest belangrijk is en energetisch 10 gezien de meeste voordelen biedt.

Om vervuiling van de warmtewisselaar tegen te gaan verdient die variant aanbeveling, waarin in ten minste één doorloopcircuit stroomopwaarts ten opzichte van de warmtewisselaar een stoffilter is geplaatst.

15 Een eenvoudige en praktisch en goedkoop te construeren uitvoering is gekenmerkt door een huis en de warmtewisselaar ten opzichte van dat huis positionerende positioneringsmiddelen, die zijn uitgevoerd in schuim-kunststof, bijvoorbeeld polypropeen (PP).

20 Bij voorkeur wordt het systeem volgens de uitvinding zodanig uitgevoerd, dat de tweede luchtstroom in neerwaartse richting door de warmtewisselaar stroomt.

De figuren 1 en 2 zijn in het bovenstaande reeds besproken. Fig. 3 toont in gedeeltelijk weggebroken 25 perspectivisch aanzicht een systeem volgens de uitvinding.

Het systeem 1 omvat een omkasting 2 waarin de diverse onderdelen zijn geaccommodeerd. Centraal is een warmtewisselaar 3 geplaatst. Deze is door middel van 30 polypropeen schuimstof inzetstukken 4,5 vast gepositioneerd in behuizing 2.

Een buisstomp 6 ontvangt een stroom 7 van buitenlucht, die via een filter 8 de warmtewisselaar 3 doorloopt. Deze stroom 7 verlaat via een buisstomp 9 het 35 systeem 1, na in de warmtewisselaar 3 in warmtewisselend contact te zijn geweest met een hierna te beschrijven tweede luchtstroom.

p1007999 δ

Een buisstomp 10 en/of een buisstomp 11 ontvangen een stroom 12, 12' van retourlucht. Aan deze ingangszijde zijn de stromen 7 en 12, 12' gescheiden door een scheidingswand 13. De luchtstroom 12 doorloopt de 5 warmtewisselaar 3 op de aangegeven wijze, waarbij hij, op de schematisch aangegeven wijze, nagenoeg in tegenstroom verkeert met de luchtstroom 7, waardoor een zeer hoog warmtewisselend rendement wordt gerealiseerd.

De luchtstroom 12 en/of 12' doorloopt eveneens 10 een filter, dat met het verwijzingsgetal 14 is aangeduid.

Verder bevindt zich aan de bovenzijde van de warmtewisselaar 3 een bypass-leiding 15, waarin een door niet-getekende besturingsmiddelen bestuurbare bypassklep 16 is opgenomen. De luchtstroom 12 kan in het geval van 15 gesloten bypassklep 16 uitsluitend zijn weg vinden door de warmtewisselaar 3, terwijl in geval van geopende bypassklep 16, dus in de getekende stand, de luchtstroom 1211 de stroming door de warmtewisselaar als het ware kortsluit, waardoor er geen substantieel warmtewisselend 20 contact tussen de stromen 7 en 12 meer bestaat. Opgemerkt wordt, dat de bypassklep ook zodanig kan worden geregeld, bijvoorbeeld door middel van de in dat geval als j stappenmotor uitgevoerde aandrijving 17, dat hij gewenste tussenstanden tussen de gesloten en open stand kan 25 aannemen.

De luchtstroom 7 wordt in stand gehouden door een ventilator 18, terwijl de luchtstroom 12 in stand wordt gehouden door een ventilator 19. Deze ventilatoren zijn voor besturing gekoppeld met centrale 30 besturingsmiddelen, evenals aandrijving 17 van bypassklep 16. De werking van het systeem volgens de uitvinding is in het voorgaande reeds verklaard.

Niet is getekend dat de warmtewisselaar aan zijn onderzijde kan zijn voorzien van een condensafvoer -35 met siffon. De niet-getekende centrale besturingseenheid is opgenomen in een behuizing 20, die in een bovenste compartiment 21 in een behuizing 2 is geplaatst.

·'' »1 007999 9

Zoals uit fig. 3 blijkt, is de opbouw van het systeem 1 spiegelbeeldig en daardoor oneerbaar, hetgeen de toepasbaarheid onder uiteenlopende omstandigheden verbetert.

5 Met betrekking tot de keuze van polypropeen schuim voor de positionering van de warmtewisselaar en eventueel andere onderdelen wordt opgemerkt, dat dit materiaal mechanisch een voldoende sterkte bezit en een temperatuurbestendigheid tot circa 100°C. Het is in 10 tegenstelling tot polystyreen weinig of niet bros en vertoont een zekere flexibiliteit. Het maakt ook de toepassing van klikverbindingen mogelijk. De mogelijkheid bestaat, op basis van dit type inzetstukken ook koppelingen tussen de inzetstukken te maken en de 15 aansluitingen of verbindingen tussen deze inzetstukken luchtdicht door middel van klikverbindingen uit te voeren.

De centrale besturingseenheid kan met EPROMs, dus programmeerbaar, zijn uitgevoerd. Dit maakt het 20 makkelijk, het systeem aan de wensen van een installateur of een gebruiker aan te passen, terwijl ook storingen gemakkelijk opgespoord kunnen worden.

De behuizing 2 met de interne schotten en wanden zijn bij voorkeur van metaal, bijvoorbeeld staal. 25 *1007999

Claims (11)

1. Ruimteverwarmingssysteem, ingericht voor het door middel van een brander of andere verwarmingsinrichting verwarmen van lucht, welk systeem een warmtewisselaar omvat, die twee fysiek van elkaar 5 gescheiden, door middel van een aantal warmtegeleidende wanden thermisch met elkaar gekoppelde doorstroomcircuits omvatten, namelijk een eerste en een tweede doorstroomcircuits, welke circuits met elkaar verweven zijn opgesteld, 10 welk eerste doorstroomcircuit tijdens bedrijf wordt doorstroomd door een eerste luchtstroom vanaf een buitenlucht-inlaat naar een eerste afvoer naar een te verwarmen ruimte, en welk tweede doorstroomcircuit tijdens bedrijf 15 wordt doorstroomd door een tweede luchtstroom vanaf een aan de genoemde ruimte aansluitende afvoerlucht-inlaat naar een tweede afvoer naar buiten, met het kenmerk, dat tussen de warmtewisselaar en de eerste afvoer 20 een bestuurbare eerste ventilator is opgenomen; tussen de warmtewisselaar en de tweede afvoer een bestuurbare tweede ventilator is opgenomen; besturingsmiddelen aanwezig zijn voor het individueel besturen van elk van beide ventilatoren; en 25 de warmtewisselaar zodanig is uitgevoerd, dat de twee luchtstromen de respectieve doorstroomcircuits van de warmtewisselaar doorstromen in richtingen, die in dominerende mate onderling tegengesteld zijn.

2. Systeem volgens conclusie 1, 30 met het kenmerk, dat : de genoemde richtingen over het grootste deel ! van de warmtewisselaar minder dan 45°, bij voorkeur minder dan 30°, van elkaar afwijken.

3. Systeem volgens conclusie 1, 1 007999 gekenmerkt door een door een bestuurbare klep te openen en te sluiten bypassleiding, die is aangesloten tussen de afvoerlucht-inlaat en de invoer van de tweede ventilator.

4. Systeem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de klep bestuurbaar is door de besturingsmiddelen.

5. Systeem volgens conclusie 4, 10 met het kenmerk, dat de besturingsmiddelen zijn ingericht voor het onder programmabesturing in onderlinge samenhang besturen van de bypassklep, de eerste ventilator en de tweede ventilator.

6. Systeem volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de genoemde besturing mede plaatsvindt onder invloed van de door een temperatuurvoeler gemeten temperatuur van de buitenlucht en een gekozen waarde van 20 het temperatuurverschil over de warmtewisselaar in de tweede luchtstroom.

7. Systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de besturingsmiddelen zijn ingericht voor het, 25 in geval van een dreigend bevriezen van de warmtewisselaar, zodanig instellen van de beide ventilatoren, dat de eerste ventilator een geringer debiet levert dan de tweede ventilator.

8. Systeem volgens conclusie 7, 30 gekenmerkt door een in de afvoerlucht in de tweede luchtstroom geplaatste temperatuursensor die de afvoerluchttemperatuur meet en een desbetreffend temperatuursignaal aan de besturingsmiddelen toevoert 35 voor het instellen van het minimale debietverschil tussen beide ventilatoren, waarbij bevriezing van de warmtewisselaar wordt voorkomen.

9. Systeem volgens conclusie 1, »1007999 met het kenmerk, dat in ten minste één doorloopcircuit stroomopwaarts ten opzichte van de warmtewisselaar een stoffilter is geplaatst.

10. Systeem volgens conclusie 1, gekenmerkt door een huis en de warmtewisselaar ten opzichte van dat huis positionerende positioneringsmiddelen, die zijn uitgevoerd in schuim-kunststof, bijvoorbeeld polypropeen 10 (PP) .

11. Systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede luchtstroom in neerwaartse richting door de warmtewisselaar stroomt. ; «1007999