DE3703754A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermerueckgewinnung bei der be- und entlueftung von vorzugsweise grossraeumen, werkhallen und dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmerückge­ winnung bei der Be- und Entlüftung von vorzugsweise Großräumen, Werkhallen und dergl. in Gebäuden mit ins­ besondere hoher Luftfeuchtigkeit, vor allem bei der Be- und Entlüftung von Räumen und Hallen, die von Infra­ rot-Strahlungsheizungen beheizt und mit einem Zuluftka­ nal zur Förderung von Außenluft in das Gebäudeinnere so­ wie einem Abluftkanal zur Förderung von Abluft aus dem Gebäudeinneren ins Freie versehen sind. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung bei der Be- und Entlüftung von vorzugsweise Großräumen, Werkhallen und dergl. nach dem genannten Verfahren.

Die Wärmerückgewinnung bei der Be- und Entlüftung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn etwa in Folge größerer Schadstoffemmissionen in den zu belüftenden Räumen Umluftverfahren ausscheiden, bei denen ledig­ lich eine Aufbereitung der Luft bei allenfalls geringer Zufuhr von Außenluft erfolgt, wenn also die gesamte um­ gewälzte Luftmenge vollständig oder jedenfalls nahezu vollständig ins Freie geführt und durch entsprechende Luft aus dem Freien ersetzt werden muß. Solche Bedin­ gungen liegen beispielsweise auch beim Betrieb von In­ frarot-Strahlungsheizungen vor, in denen durch die Ver­ brennung eines gasförmigen Energieträgers Keramikplat­ ten auf Rohtglut erhitzt werden, die dann ihre Energie vorzugsweise über Wärmestrahlung an die zu beheizende Umgebung abgeben. Bei der Verbrennung dieses Gases ent­ steht in erheblichem Umfang CO₂ sowie in geringerem Maß gegebenenfalls auch CO, so daß wegen der erforder­ lichen Entfernung dieser Gase aus den Räumen die genann­ ten Umluftsysteme ausscheiden. Im übrigen gilt für In­ frarot-Strahlungsheizungen die Vorschrift, daß je nach Form der Hallen bzw. Räume 14 bis 22 m³ Außenluft je Stunde kW Heizleistung zugeführt werden müssen. Dies macht eine außerordentlich effektive Wärmerückgewin­ nung aus der Abluft erforderlich, um solche Strahlungs­ heizungen mit einem guten Wirkungsgrad zu betreiben. Hinzu kommt, daß bei der Verbrennung von beispielsweise 1 kg Propangas 1,2 kg Wasser entstehen, wodurch die Ab­ luft eine außergewöhnlich hohe relative Luftfeuchtig­ keit aufweist. Dieser Wasserdampf ist Träger einer hohen Wärmeenthalpie, die es ebenfalls aus der Abluft rückzugewinnen gilt.

Der Erfindung liegt in verfahrensmäßiger Hinsicht die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, eine besonders hohe Wärmerückgewinnung aus der Abluft zu erzielen, insbeson­ dere dann, wenn die Abluft zu 100% als Fortluft ins Freie geführt wird und darüber hinaus die Abluft bei hoher Temperatur zugleich eine hohe Luftfeuchtigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abluft über den Verdampfer eines ersten und an­ schließend den eines zweiten Wärmetauschers geführt und dabei so abgekühlt wird, daß die Taupunktlinie der Luft unterschritten wird und daß die Zuluft zunächst über den Kondensator des ersten und anschließend über den Konden­ sator des zweiten Wärmetauschers geführt und dabei er­ wärmt wird.

Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß neben dem Wärmeanteil der Luft ein wesentlicher Teil der in dem Wasserdampf ent­ haltenen Wärmeenthalpie zurückgewonnen werden kann, wobei hier insbesondere dann erhebliche Wärmemengen anfallen, wenn die Abluft unmittelbar aus dem Bereich der Infrarot-Strahlungsheizungen stammt. Im übrigen ergibt die zweistufige Wärmerückgewinnung über zwei Wärmetauscher einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad. Dabei besteht ferner die Möglichkeit, die beiden Wärme­ tauscher in ihren physikalischen Eigenschaften so aus­ zulegen, daß sie der jeweiligen Wärmerückgewinnungs­ stufe entsprechend angepaßt sind, so daß sie sich zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades gegenseitig ergänzen. Auf diese Weise ist je nach Betriebszustand eine Rückgewinnung von 25% bis zu 40% der instal­ lierten Strahlungsheizleistung möglich.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein erster, mit dem Zuluftkanal und dem Abluftkanal in thermischer Wech­ selwirkung stehender Wärmetauscher vorgesehen ist, dessen Verdampfer im Abluftkanal und dessen Kondensa­ tor im Zuluftkanal angeordnet ist, und daß ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen ist, dessen Verdampfer im Ab­ luftkanal dem Verdampfer des ersten Wärmetauschers in Strömungsrichtung der Abluft nachgeschaltet ist und dessen Kondensator im Zuluftkanal dem Kondensator des ersten Wärmetauschers in Strömungsrichtung der Zuluft nachgeschaltet ist.

Als weiterer Vorteil ergibt sich dabei, daß keine Mon­ tage von Abgasschornsteinen, insbesondere auch keine Dachaussparungen für Abluftöffnungen erforderlich sind, so daß Strahlungsheizungen auch bei Flachdächern ohne weiteres installiert werden können.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmetauscher von einem Wärmerohr gebildet, das innenseitig kapillar strukturiert und evakuiert ist und einen flüssigen Wärmeträger enthält, der in einem kontinuierlichen Prozeß am einen, den Kondensator bil­ denden Rohrende kondensiert, anschließend zum anderen, den Verdampfer bildenden Rohrende fließt, dort wieder verdampft und schließlich zurück zu dem Kondensator strömt. Dieses Wärmerohr ergibt bei einfachem Aufbau und verschleißfreiem Betrieb einen in der ersten Wär­ merückgewinnungsstufe ausreichenden Wirkungsgrad. Wei­ ter empfiehlt es sich im Rahmen der Erfindung, daß der zweite Wärmetauscher von einem Kühlaggregat mit Kom­ pressor gebildet ist, da in der zweiten Wärmerückge­ winnungsstufe der Abluft bereits ein Teil der Wärme entzogen ist.

Um den erforderlichen Luftdurchsatz in den Zu- und Ab­ luftkanälen zu gewährleisten, empfiehlt es sich, daß jeweils in dem von den Wärmetauschern aus zur Gebäude­ außenseite hin sich erstreckenden Bereich des Zuluft­ kanals und des Abluftkanals ein Zuluftventilator bzw. ein Abluftventilator angeordnet ist. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß die Ventilatoren im Bereich niedriger Temperaturen eingesetzt sind, wodurch deren Betrieb einem geringeren Verschleiß unterworfen und damit zuverlässiger ist. Um Verschmutzungen an den Wärmetauscherflächen sowie an den Ventilatoren zu ver­ meiden, ist es weiter von Vorteil, wenn im Zuluftkanal in Strömungsrichtung vor den Wärmetauschern bzw. vor dem Zuluftventilator ein Zuluftfilter angeordnet ist. Ebenso empfiehlt es sich, daß im Abluftkanal in Strö­ mungsrichtung vor den Wärmetauschern ein Abluftfilter angeordnet ist.

Im Zuluftkanal und im Abluftkanal kann jeweils zwischen den Kondensatoren bzw. den Verdampfern der beiden Wärme­ tauscher ein Temperaturfühler angeordnet sein, so daß je nach Betriebs- und Umgebungsbedingungen der zweite Wärmetauscher bedarfsweise zu- bzw. abgeschaltet wer­ den kann. An den ins Freie mündenden Enden des Abluft­ kanals bzw. des Zuluftkanals sind zweckmäßigerweise Außenluftklappen angeordnet, die bei abgeschalteter Vorrichtung geschlossen sind.

Um die im Bereich der Infrarot-Strahlungsheizungen ent­ stehenden Schadstoffe sowie die mit hoher Feuchtigkeit beladene Luft möglichst quantitativ abführen zu können, ist es von Vorteil, wenn in den Abluftkanal mit je­ weils einer Drosselklappe versehene Abluftleitungen münden, an deren anderem Ende im Bereich der Strahlungs­ heizungen angeordnete Abzugshauben angeschlossen sind.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung.

Die in der Zeichnung nur schematisch wiedergegebene Vorrichtung dient zur Wärmerückgewinnung bei der Be- und Entlüftung von vorzugsweise Großräumen, Werkhal­ len und dergl. in Gebäuden mit insbesondere hoher Luftfeuchtigkeit. Von besonderem Vorteil ist die Vor­ richtung daher bei der Be- und Entlüftung von Räumen und Hallen, die von Infrarot-Strahlungsheizungen be­ heizt sind. Solche Strahlungsheizungen, von denen in der Zeichnung zwei nur schematisch angedeutet und mit 1 bezeichnet sind, bestehen im wesentlichen aus mit kleinen Verbrennungsöffnungen versehenen Keramikplat­ ten, die durch das Abbrennen eines Gases auf ihrer der Wärmeabstrahlrichtung abgewandten Seite auf Ober­ flächentemperaturen von etwa 900°C gebracht werden. Bei der Verbrennung des Gases, z. B. Propan, entsteht insbesondere CO₂ und in geringerem Maße auch CO. Diese Gase müssen - möglichst schon im Bereich ihres Ent­ stehens - abgesaugt und aus dem Gebäude ins Freie be­ fördert werden, um eine Anreicherung im Gebäude und somit eine Gefährdung von Personen zu vermeiden. Da­ durch hat die abzuführende Luft nicht nur eine ver­ gleichsweise hohe Temperatur, sondern besitzt darüber hinaus eine hohe relative Luftfeuchtigkeit, da bei der Verbrennung von beispielsweise 1kg Propan ungefähr 1,2 kg Wasser gebildet werden. Wegen der entstehenden schädli­ chen Abgase sind verhältnismäßig hohe Abluftraten vor­ geschrieben, die je nach Gebäudeform zwischen 14 und 22 m³ je Stunde und kW Heizleitung bei Strahlungshei­ zungen liegen. Die abzuführende Luft besitzt daher ins­ besondere auch wegen der Verdampfungsenthalpie des ent­ haltenen Wasserdampfes einen hohen Wärmeinhalt, der für eine wirtschaftliche Betriebsweise der Vorrichtung der Abluft entzogen und der die Abluft ersetzenden Zuluft wieder zugeführt werden muß.

Im einzelnen ist dazu ein Zuluftkanal 2 zur Förderung von Außenluft in das Gebäudeinnere sowie ein Abluft­ kanal 3 zur Förderung von Abluft aus dem Gebäudeinne­ ren ins Freie vorgesehen. Weiter enthält die Vorrich­ tung einen ersten mit dem Zuluftkanal 2 und dem Ab­ luftkanal 3 in thermischer Wechselwirkung stehenden Wärmetauscher 4, dessen Verdampfer 4.1 im Abluftka­ nal 3 und dessen Kondensator 4.2 im Zuluftkanal 2 an­ geordnet ist. Ferner ist ein zweiter Wärmetauscher 5 vorgesehen, dessen Verdampfer 5.1 im Abluftkanal 3 dem Verdampfer 4.1 des ersten Wärmetauschers 4 in Strö­ mungsrichtung der Abluft nachgeschaltet ist und dessen Kondensator 5.2 im Zuluftkanal 2 dem Kondensator 4.2 des ersten Wärmetauschers 4 in Strömungsrichtung der Zuluft nachgeschaltet ist. Der erste Wärmetauscher 4 ist von einem üblichen Wärmerohr gebildet, das in nicht näher dargestellter Weise innenseitig kapillar struktu­ riert und evakuiert ist und einen flüssigen Wärmeträger enthält, der in einem kontinuierlichen Prozeß am einen, den Kondensator 4.2 bildenden Rohrende kondensiert, an­ schließend zum anderen, den Verdampfer 4.1 bildenden Rohrende fließt, dort wieder verdampft und schließlich zurück zum Kondensator 4.2 strömt. Der zweite Wärme­ tauscher 5 ist dagegen von einem Kühlaggregat mit einem Kompressor 5.3 gebildet. Der Kompressor 5.3 versorgt heißgasseitig den Kondensator 5.2. Das von dort zurück­ strömende Kältemittel wird dem Sammler 6 zugeführt, in dem volumetrische Schwankungen ausgeglichen werden. In dem Filtertrockner 7 wird das Kältemittel gereinigt und zugleich getrocknet. Ein dahinter angeordnetes Magnetventil 8 wird von einer die Vorrichtung ansteuern­ den Schalt- und Regeleinrichtung 9 geschlossen, wenn die Anlage außer Betrieb ist, so daß ein Zirkulieren des Kältemittels unterbunden wird. Ein weiteres Ventil 10 regelt je nach Temperatur die Überhitzung nach, wobei ein Schauglas 11 zur Einstellung des Ventils 10 dient.

Um den geforderten Luftaustausch zu gewährleisten, ist jeweils in dem von den Wärmetauschern 4, 5 aus zur Ge­ bäudeaußenseite hin sich erstreckenden Bereich des Zu­ luftkanals 2 und des Abluftkanals 3 ein Zuluftventila­ tor 12 bzw. ein Abluftventilator 13 angeordnet. Diese Ventilatoren 12, 13 befinden sich damit in den Strö­ mungsbereichen niedrigerer Lufttemperatur, wodurch ein weitgehend verschleißfreier und daher zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.

Zur Vermeidung von Verschmutzungen im Bereich der Wärme­ tauscher 4, 5 sowie der Ventilatoren 12, 13 ist im Zu­ luftkanal 2 in Strömungsrichtung vor den Wärmetauschern 4, 5 bzw. vor dem Zuluftventilator 12 ein Zuluftfilter 14 und im Abluftkanal 3 in Strömungsrichtung vor den Wärmetauschern 4, 5 ein Abluftfilter 15 angeordnet.

Im Zuluftkanal 2 und im Abluftkanal 3 befindet sich je­ weils zwischen den Kondensatoren 4.2, 5.2 bzw. den Ver­ dampfern 4.1, 5.1 der beiden Wärmetauscher 4, 5 ein Temperaturfühler 16, 17, die über die Regeleinrichtung 9 eine Zu- bzw. Abschaltung des zweiten Wärmetauschers 5 in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen ermöglichen. Fällt die Zulufttemperatur unter z. B. 22°C, so veranlaßt der Temperaturfühler 16 die Zuschal­ tung des Wärmetauschers 5. Fällt dagegen die von dem Temperaturfühler 17 gemessene Temperatur unter einen bestimmten unteren Wert, so erfolgt eine Abschaltung des Wärmetauschers 5 in der Art einer Frostschutz­ schaltung.

An den ins Freie mündenden Enden des Abluftkanals 2 bzw. des Zuluftkanals 3 sind Außenluftklappen 18, 19 angeordnet, die bei abgeschalteter Vorrichtung ge­ schlossen sind.

Um eine möglichst wirksame Absaugung der Abluft zu er­ reichen, sind im Bereich der Strahlungsheizungen 1 Ab­ zugshauben 20 angeordnet, die an jeweils mit einer Drosselklappe 21 versehene Abluftleitungen angeschlos­ sen sind, die in den Abluftkanal münden. Die Zuluft kann, wie dies etwa bei 22 angedeutet ist, in Boden­ nähe des Raums zugeführt werden. Im übrigen wird die Vorrichtung, wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, unter regelungstechnischen Gesichts­ punkten von der Regeleinrichtung 9 gesteuert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Wärmerückgewinnung bei der Be- und Entlüftung von vorzugsweise Großräumen, Werkhal­ len und dergl. in Gebäuden mit insbesondere hoher Luftfeuchtigkeit, vor allem bei der Be- und Ent­ lüftung von Räumen und Hallen, die von Infrarot- Strahlungsheizungen (1) beheizt und mit einem Zu­ luftkanal (2) zur Förderung von Außenluft in das Gebäudeinnere sowie einem Abluftkanal (3) zur Förderung von Abluft aus dem Gebäudeinneren ins Freie versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft über den Ver­ dampfer (4.1) eines ersten (4) und anschließend den Verdampfer (5.1) eines zweiten Wärmetauschers (5) geführt und dabei so abgekühlt wird, daß die Tau­ punktlinie der Luft unterschritten wird und daß die Zuluft zunächst über den Kondensator (4.2) des ersten und anschließend über den Kondensator (5.2) des zwei­ ten Wärmetauschers (5) geführt und dabei erwärmt wird.

2. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung bei der Be- und Entlüftung von vorzugsweise Großräumen, Werkhallen und dergl. in Gebäuden mit hoher Luftfeuchtigkeit nach dem Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere bei der Be- und Entlüftung von Räumen und Hallen, die von Infrarot-Strahlungsheizungen (1) beheizt sind, mit einem Zuluftkanal (2) zur Förderung von Außenluft in das Gebäudeinnere sowie einem Abluft­ kanal (3) zur Förderung von Abluft aus dem Gebäude­ inneren ins Freie, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, mit dem Zuluftkanal (2) und dem Abluftkanal (3) in thermischer Wechselwirkung stehender Wärme­ tauscher (4) vorgesehen ist, dessen Verdampfer (4.1) im Abluftkanal (3) und dessen Kondensator (4.2) im Zuluftkanal (2) angeordnet ist, und daß ein zweiter Wärmetauscher (5) vorgesehen ist, dessen Verdampfer (5.1) im Abluftkanal (3) dem Verdampfer (4.1) des ersten Wärmetauschers (4) in Strömungsrichtung der Abluft nachgeschaltet ist und dessen Kondensator (5.2) im Zuluftkanal (2) dem Kondensator (4.2) des ersten Wärmetauschers (4) in Strömungsrichtung der Zuluft nachgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher (4) von einem Wärmerohr gebildet ist, das innenseitig kapillar strukturiert und evakuiert ist und einen flüssigen Wärmeträger enthält, der in einem kontinuierlichen Prozeß am einen, den Kondensator (4.2) bildenden Rohrende kondensiert, anschließend zum anderen, den Ver­ dampfer (4.1) bildenden Rohrende fließt, dort wie­ der verdampft und schließlich zurück zum Kondensa­ tor (4.2) strömt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (5) von einem Kühlaggregat mit Kompressor (5.3) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils in dem von den Wärmetau­ schern (4, 5) aus zur Gebäudeaußenseite hin sich erstreckenden Bereich des Zuluftkanals (2) und des Abluftkanals (3) ein Zuluftventilator (12) bzw. ein Abluftventilator (13) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuluftkanal (2) in Strömungs­ richtung vor den Wärmetauschern (4, 5) bzw. vor dem Zuluftventilator (12) ein Zuluftfilter (14) angeord­ net ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Abluftkanal (3) in Strömungs­ richtung vor den Wärmetauschern (4, 5) ein Abluft­ filter (15) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Zuluftkanal (2) und im Abluft­ kanal (3) jeweils zwischen den Kondensatoren (4.2, 5.2) bzw. den Verdampfern (4.1, 5.1) der beiden Wärmetauscher (4, 5) ein Temperaturfühler (16, 17) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an den ins Freie mündenden Enden des Abluftkanals (3) bzw. des Zuluftkanals (2) Aus­ senluftklappen (18, 19) angeordnet sind, die bei abgeschalteter Vorrichtung geschlossen sind.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abluftkanal (3) mit je­ weils einer Drosselklappe (21) versehene Abluft­ leitungen münden, an deren anderem Ende im Bereich der Strahlungsheizungen (1) angeordnete Abzugshau­ ben (20) angeschlossen sind.