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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige
Wärmeübertrager
sind im bekannten Stand der Technik bereits vielfältig beschrieben.
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Insbesondere
im Rahmen des energieeffizienten Bauens rückt zunehmend der Aspekt der
Belüftung
von Gebäuden
in den Blick. Denn im Sommer muss warme Luft angesaugt und gekühlt sowie
im Winter kalte Luft angesaugt und erwärmt werden. Ein Teil der Energiedifferenz
zwischen der Zuluft und der Abluft kann durch Wärmerückgewinnungsgeräte beispielsweise
im Gebäude
erhalten werden, aber gerade bei Außentemperaturen deutlich unter
dem Gefrierpunkt besteht die Tendenz, dass an den Wärmerückgewinnungsgeräten Eisbildung
einsetzt. Diese Eisbildung muss dann durch sog. „Rückspielen" oder durch zusätzliche Heizungen eliminiert
werden. In beiden Fällen
treten erhebliche Energieverluste auf.
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Um
dieses Problem zu lösen,
werden verstärkt
sogenannte Luft-Erdreich-Wärmeübertrager eingesetzt,
die aus beispielsweise erdverlegten Rohrregistern bestehen und die
so ausgelegt sind, dass die Zulufttemperatur zum Wärmerückgewinnungsgerät den Gefrierpunkt
nicht unterschreitet. Damit ist eine Vereisung des Wärmerückgewinnungsgerätes ausgeschlossen
und es können
Energieeinspareffekte erzielt werden, die darin bestehen, dass die
Zuluft im Winter deutlich erwärmt
und im Sommer deutlich vorgekühlt
in ein Gebäude
geleitet werden kann.
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Nachteilig
bei diesen Luft-Erdreich-Wärmeübertragern
ist der enorme Flächenbedarf
für die
erdverlegten Rohrregister. So sind beispielsweise bei einem Einfamilien-Passivhaus
für einen
kontrollierten bzw. definierten Luft-Volumenstrom typischerweise 40
m Rohrregister mit einem Rohrdurchmesser von 200 mm erforderlich,
die zudem noch frostsicher im Boden verlegt werden müssen.
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Bei
einzeln stehenden Einfamilienhäusern
ist dies möglicherweise
realisierbar, bei Reihenhäusern bzw.
großflächigen Bürogebäuden ist
diese Fläche beispielsweise
wie in Großstädten nicht
verfügbar.
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Ein
weiterer Nachteil besteht in erheblichem finanziellen und montagetechnischen
Aufwand bei der Verlegung derartiger Luft-Erdreich-Wärmeübertrager.
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Hier
setzt die Erfindung ein, die sich die Aufgabe gestellt hat, die
Nachteile des bekannten Standes der Technik zu überwinden und einen Wärmeübertrager
aufzuzeigen, der kostengünstig
und wirtschaftlich herstellbar ist, der einfach und effizient montierbar
bzw. demontierbar ist und der einen erheblich reduzierten Flächenbedarf
aufweist sowie im Wesentlichen korrosionsfrei ist.
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Erfindungsgemäß wird dies
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist
folgende Merkmale auf:
- – wenigstens ein, ein Lumen
umgebendes, Gehäuse,
- – wenigstens
ein axial in dem Lumen angeordnetes Rohrregister,
- – wobei
das Rohrregister wenigstens zwei spiralförmig, insbesondere schneckenförmig, verlaufende
Wicklungen aufweist, wobei das Rohrregister mit einer Erdwärmesonde
in Wirkverbindung steht und wobei wenigstens das Rohrregister aus einem
polymeren Material besteht.
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Vorteilhaft
bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
wird gesehen, dass ein extrem geringer Flächenbedarf für diesen
erforderlich ist, so dass dieser sowohl bei Neuinstallationen als
auch bei Sanierungen im Wohnungsbau bzw. im Industriebau einsetzbar
ist. Durch die spiralförmig,
insbesondere schneckenförmig,
verlaufenden Wicklungen der Rohrregister wird ein hoher Wirkungsgrad
des Wärmeübertragers
realisiert, insbesondere in Verbindung dem Anschluss an wenigstens
eine Erdwärmesonde, welche
ebenfalls einen geringen Platzbedarf erfordert.
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Die
Ausbildung zumindest des Rohrregisters des Wärmeübertragers aus einem polymeren
Material führt
dazu, dass jegliche Korrosionsvorgänge sicher ausgeschlossen werden
können
und der erfindungsgemäße Wärmeübertrager
langfristig und problemfrei seine Aufgaben erfüllen kann.
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Je
nach gesetzlichen bzw. wärmetechnischen
Anforderungen weisen die spiralförmig
verlaufenden Wicklungen des Rohrregisters einen runden, mehreckigen,
ovalen und dergleichen Querschnitt auf.
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Hierbei
hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
die Querschnittsfläche
der spiralförmig
verlaufenden Wicklungen des Rohrregisters wenigstens 0,1 cm2 beträgt,
so dass je nach Anwendungssituation ein effektiver und optimaler
Wärmeübergang
realisierbar ist.
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Als
weiterhin vorteilhaft wurde befunden, dass der Querschnittsumfang
der spiralförmig
verlaufenden Wicklungen des Rohrregisters wenigstens 3 cm beträgt, so dass
auch bei sehr kleinen beispielsweise Reihenhäusern ein effizienter und optimierter Wärmeübergang
realisierbar ist.
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Dabei
können
die spiralförmig
verlaufenden Wicklungen des Rohrregisters schraubenförmig aneinander
liegend im Gehäuse
des Wärmeübertragers angeordnet
sein. Es hat sich jedoch als noch vorteilhafter herausgestellt,
dass die spiralförmig
verlaufenden Wicklungen des Rohrregisters voneinander beabstandet
angeordnet sind, um somit einen effizienten Wärmeübergang bzw. -Übertrag
durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
zu realisieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
sind im Lumen des Gehäuses
mehrere Rohrregister angeordnet, welche sowohl aneinander anliegend,
aber optimalerweise voneinander beabstandet angeordnet sind. Je
nach Flächensituation
bzw. entsprechend der gesetzlichen bzw. wärmetechnischen Anforderungen
kann somit ein Wärmeübertrager
zur Verfügung
gestellt werden, der sowohl technisch als auch preislich optimiert
ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
hat sich überraschend
herausgestellt, dass bei einem Abstand der spiralförmig verlaufenden
Wicklungen und/oder des Rohrregisters, welcher in etwa deren Außenabmessung
entspricht, ein optimaler und schneller Wärmeübergang bzw. -übertrag
möglich ist.
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Dabei
kann es von Vorteil sein, dass die spiralförmig verlaufenden Wicklungen
und/oder das Rohrregister über
wenigstens einen Abstandshalter voneinander beabstandet angeordnet
sind. In dieser vorteilhaften Ausgestaltungsform ist eine optimale Funktion
bei einer kostengünstigen
Herstellung realisierbar.
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Ebenfalls
vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager die
spiralförmig
verlaufenden Wicklungen und/oder das Rohrregister äquidistant
zueinander angeordnet sind. Somit ist ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Wärmeübergang
bzw. -übertrag
im erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
möglich.
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Es
liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass die spiralförmig verlaufenden
Wicklungen und/oder das Rohrregister alternierend zueinander angeordnet
sind.
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Der
erfindungsgemäße Wärmeübertrager
ist vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass wenigstens ein Rohrregister
axial an einem Strömungselement angeordnet
ist. Durch diese Ausgestaltung ist insbesondere beim Einsatz des
Wärmeübertragers
in Medien führenden
Leitungen, insbesondere bei gasförmigen
Medien wie beispielsweise Luft, eine optimale Strömungsverteilung
im Inneren des Wärmeübertragers
möglich.
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Vorteilhafterweise
ist das Strömungselement an
wenigstens einem seiner freien Enden etwa kegelförmig ausgebildet, was dies
noch weiter unterstützt.
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In
einer weiteren ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der
erfindungsgemäße Wärmeübertrager
so ausgeführt,
dass das Strömungselement
an wenigstens einem seiner freien Enden wenigstens ein Halteelement
aufweist. Dieses Halteelement, welches auch an beiden Enden des
Strömungselementes
angeordnet sein kann, führt
zu einer schnellen und kostengünstigen
Herstellung bzw. Montage des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
hat sich herausgestellt, dass ein effizienter und optimierter Wärmeübergang
bzw. -übertrag
dann realisierbar ist, wenn die wirksame Oberfläche des Rohrregisters wenigstens
1 m2 beträgt. Dabei kann je nach geometrischen
Ausführungen
sowie nach den gesetzlichen bzw. wärmetechnischen Anforderungen die
wirksame Länge
des Rohrregisters wenigstens 1 m betragen, um optimale Funktion
und optimierte Kosten des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zu vereinen.
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Es
hat sich weiterhin überraschend
herausgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager das Verhältnis von
Länge der
Rohrregister zur Breite der Rohrregister wenigstens zwei beträgt, um einen
optimalen Wärmeübergang
bzw. -übertrag zu
realisieren.
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Das
Rohrregister des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
weist vorteilhafterweise eine lichte Länge von etwa 5 bis 100 m, vorzugsweise
50 bis 80 m auf und ist je nach den ge setzlichen bzw. wärmetechnischen
Anforderungen in der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
variierbar.
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Der
erfindungsgemäße Wärmeübertrager
ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform dadurch
ausgebildet, dass das Gehäuse
und/oder das Rohrregister und/oder das Strömungselement und/oder das Halteelement
aus einem polymeren Material bestehen, vorzugsweise aus Polyvinylchlorid
(PVC), Polyurethan (PU), Acrylnitril-Butadien-Styren (ABS), Polystyrol
(PS), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat
(PMMA) oder deren Copolymere. Somit kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager
als absolut korrosionsfrei, funktionsoptimiert und kostenreduziert
den jeweiligen Anwendern zur Verfügung gestellt werden.
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Ebenfalls
vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager wird gesehen, dass
wenigstens ein Rohrregister an der dem Lumen gegenüberliegenden
Innenwand des Gehäuses
angeordnet ist, was zu einer effizienteren Ausnutzung des Innenvolumens
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
führt.
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Weiterhin
vorteilhaft wird gesehen, dass wenigstens ein Rohrregister an der
in das Lumen weisenden Außenseite
des Strömungselementes
angeordnet ist, was zu optimierteren Strömungsverhältnissen im Lumen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
führt.
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Es
liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass wenigstens ein Rohrregister
im Strömungselement
angeordnet ist, was zu noch effizienteren Wärmeübergängen bzw. -übertragungen führt, insbesondere
wenn im Strömungselement
entsprechende Öffnungen
angeordnet sind.
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Die
Erfindung soll nun an einem diese nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele
näher beschrieben
werden.
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Es
zeigen:
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1 Querschnitt
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
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2 Längsschnitt
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
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3 Weiterer
Längsschnitt
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
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4 Erfindungsgemäßer Wärmeübertrager
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In 1 ist
ein Querschnitt des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dargestellt. Der
Wärmeübertrager
besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus
einem runden Gehäuse 3,
welches eine größere Außenabmessung
aufweist als die mediendurchströmte
Leitung 4. Im Lumen 1 des Gehäuses 3 sind die Rohrregister 11, 12, 13 angeordnet,
welche spiralförmig
verlaufende Wicklungen aufweisen, die voneinander angeordnet sind.
Die Rohrregister 11, 12, 13 sind so voneinander
beabstandet, dass der Abstand zwischen den Rohrregistern 11, 12, 13 etwa der
Außenabmessung
der spiralförmig
verlaufenden Wicklungen entspricht. Das Rohrregister 11 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
an der dem Lumen 1 gegenüberliegenden Innenwand des
Gehäuses 3 angeordnet.
Das Rohrregister 13 ist an der in das Lumen 1 weisenden
Außenseite
des Strömungselementes 2 angeordnet.
Das Strömungselement 2 ist äquidistant zum
Gehäuse 3 in
der Mitte angeordnet, wobei zwischen dem Rohrregister 13 und
dem Strömungselement 2 ein
Ringspalt angeordnet ist. Zwischen dem Rohrregister 11 und
dem Rohrregister 13 ist ein äquidistant angeordnetes Rohrregister 12 angeordnet. Die
Rohrregister 11, 12, 13 stehen mit einer
hier nicht dargestellten Erdwärmesonde
in Wirkverbindung. Am Strömungselement 2 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
das Halteelement 5 angeordnet, welches eine dem Querschnitt
des Strömungselementes 5 angepasste
Basis aufweist und vier von dieser Basis wegragende Haltestege 51,
die im Zwischenraum zwischen dem Strömungselement 2 und
der Innenwand des Gehäuses 3 angeordnet
sind und ein axiales Verschieben der Rohrregister 11, 12, 13 verhindern.
Die Großbuchstaben
A bzw. B in der 1 kennzeichnen den Schnittverlauf
der Darstellungen, welche in 2 und 3 ausführlich beschrieben sind.
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In 2 ist
eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dargestellt. Bei dieser
Schnittdarstellung, die entlang der Buchstaben A-A gemäß 1 verläuft, ist
der über
die Medien führenden
Leitungen 4 angeordnete Wärmeübertrager mit seinem Gehäuse 3 erkennbar.
Der Wärmeübertrager,
welcher größere Außenabmessungen aufweist
als die Medien führende
Leitung 4 ist über die
freien Enden der Medien führenden
Leitung 4 aufgeschoben. Im Lumen 1 des Gehäuses 3 des
Wärmeübertragers
ist ein Strömungselement 2 erkennbar,
welches an seinen beiden freien Enden kegelförmig ausgebildet ist. Zwischen
dem Strömungselement 2 und
der Innenwand des Gehäuses 3 des
Wärmeübertragers
sind die Rohrregister 11, 12, 13 dargestellt,
welche in diesem Ausführungsbeispiel
als Rohre mit einem runden Querschnitt ausgebildet sind. Die spiralförmig verlaufenden
Wicklungen der Rohrregister 11, 12, 13 sind
voneinander äquidistant beabstandet
angeordnet, wobei die Rohrregister 11, 12, 13 selbst
gegeneinander wieder beabstandet angeordnet sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Rohrregister 11, 12, 13 so angeordnet,
dass die spiralförmig
verlaufenden Wicklungen einander gegenüberliegend positioniert sind.
Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass sowohl die spiralförmig verlaufenden
Wicklungen als auch das Rohrregister 11, 12, 13 alternierend
zueinander angeordnet sind. Die Rohrregister 11, 12, 13 sind
in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem polymeren Material, welches aus der Gruppe der Polyethylene
ausgewählt ist,
hergestellt.
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Der
Abstand zwischen den spiralförmig
verlaufenden Wicklungen und den Rohrregistern 11, 12, 13 entspricht
in diesem Ausführungsbeispiel
etwa dem Außendurchmesser
der spiralförmig
verlaufenden Wicklungen, die in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere
schneckenförmig
verlaufen.
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In 3 ist
eine weitere Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
dargestellt. Bei dieser Schnittdarstellung, die entlang der Buchstaben
B-B gemäß 1 verläuft, ist
der über die
Medien führenden
Leitungen 4 angeordnete Wärmeübertrager mit seinem Gehäuse 3 erkennbar.
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Im
Lumen 1 des Gehäuses 3 des
Wärmeübertragers
ist das Strömungselement 2 erkennbar, welches
an seinen freien Enden kegelförmig
ausgebildet ist. Am Strömungselement 2 sind
an den zylindrischen freien Enden zwei Halteelemente 5 angeordnet,
deren Haltestege 51 die Rohrregister 11, 12, 13 zwischen
sich aufnehmen. Die Rohrregister 11, 12, 13 sind über Abstandshalter 6 voneinander äquidistant
beabstandet angeordnet, wobei der Abstand zwischen den spiralförmig verlaufenden
Wicklungen und der Abstand zwischen den Rohrregistern 11, 12, 13 etwa
dem Außendurchmesser
der spiralförmig verlaufenden
Wicklungen entspricht. Die wirksame Länge der Rohrregister 11, 12, 13 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
etwa 60 m, was zu einem optimierten Wärmeübergang bzw. -übertrag
führt.
Die wirksame Oberfläche
der Rohrregister 11, 12, 13 ist in diesem
Ausführungsbeispiel
etwa 1,8 m2.
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Das
Gehäuse 3 des
Wärmeübertragers
ist in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem zu den Medien führenden
Leitungen 4 äquivalenten
polymeren Material, beispielsweise aus PVC, hergestellt. Das Strömungselement 2 sowie
das Halteelement 5 sind ebenfalls aus einem polymeren Material,
aus Polypropylen, hergestellt. Die Rohrregister 11, 12, 13, welche
mit der hier nicht dargestellten Erdwärmesonde in Wirkverbindung
stehen, sind ebenfalls aus einem polymeren Werkstoff hergestellt,
der aus der Gruppe der Polyethylene ausgewählt ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das polymere Material der Rohrregister 11, 12, 13 zusätzlich noch
vernetzt, was sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt.
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In 4 ist
eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dargestellt. Zwischen
den Medien führenden
Leitungen 4 ist das Gehäuse 3 des
Wärmeübertragers
erkennbar. In der Detaildarstellung wurde das Gehäuse 3 des
Wärmeübertragers
geschnitten dargestellt und es ist das Rohrregister 11 erkennbar,
welches aus spiralförmig verlaufenden
Wicklungen besteht, die über
Abstandshalter 6 voneinander beabstandet angeordnet sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist nur ein Rohrregister 11 in das Lumen 1 des
Gehäuses 3 eingebracht,
welches vom Strömungselement 2 beabstandet
angeordnet ist. An den zylindrischen freien Enden des Strömungselementes 2 sind
die Halteelemente 5 angeordnet, die das Rohrregister 11 in
axiale Richtung des Gehäuses 3 begrenzen.
Die spiralförmig
verlaufenden Wicklungen des Rohrregisters 11 weisen in
diesem Ausführungsbeispiel
einen ovalen Querschnitt auf, so dass die Austauschfläche des Rohrregisters 11 entsprechend
vergrößert worden ist.
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Es
liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass die spiralförmig verlaufenden
Wicklungen des Rohrregisters 11 rund bzw. mehreckig ausgebildet
sind.
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Für den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
konnte in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen bei Einsatz
von Rohrregistern 11, 12, 13 aus Rohren
mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einem Rohrabstand von ebenfalls
etwa 10 mm bei Betrieb im Gegenstrom und unter den typischen Passivhausvoraussetzungen
von 1,3 kW Wärmeübertragungsleistung
ermittelt werden, dass bei einer Temperatur der zugeführten beispielsweisen
Luft in der Medien führenden
Leitung 4 von –12°C eine Erwärmung in
der dem Wärmeübertrager
nachfolgenden Seite der Medien führenden
Leitung 4 auf 1°C
erzielbar ist, wenn die wirksame Länge der Rohrregister insgesamt
etwa 55 m beträgt.
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Die
dazu erforderliche Temperierung über die
Erdwärmesonde
erfolgt bei einer Temperaturzuführung
von etwa 10°C
und einer abgeführten
Temperatur von etwa 3,8°C.
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Es
konnte überraschend
festgestellt werden, dass bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager bei Abmessungen des
Gehäuses 3 von
etwa 200 mm und einer in das Lumen 1 eingebrachten wirksamen Länge der
Rohrregister 11, 12, 13 von etwa 55 m
in kompakter äquidistanter
Beabstandung eine Breite der Rohrregister von etwa 0,8 m ausreichend
ist, um die typischen Passivhausforderungen funktionssicher, korrosionsfrei
und kostenoptimiert zu erfüllen.