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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Heizungs- und Belüftungstechnik und betrifft eine dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen, insbesondere ein Klimagerät, welches an oder in Wänden, Decken oder Fußböden von Einzelräumen eingebaut und unabhängig von einer zentralen Wärme- und Kälteversorgung einen Einzelraum klimatisieren und Belüften kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur Klimatisierung von Innenräumen, mit mindestens zwei separaten Klimageräten und einer Brennstoffzelleneinheit.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Für die Klimatisierung von Innenräumen von Gebäuden werden häufig Vorrichtungen eingesetzt, welche einen Teil der zum Heizen benötigten Energie der Abluft, die aus dem Innenraum abgeführt wird, entnehmen und auf die dem Innenraum zugeführte Zuluft übertragen. Damit ist eine energieeffiziente Klimatisierung durch Teilrückgewinnung von thermischer Energie möglich. Die Wärmeübertragung zwischen der Abluft und der Zuluft erfolgt mittels eines Luft-Luft-Wärmeübertragers, der beispielsweise in Form eines Luft-Luft-Plattentauschers ausgeführt sein kann. Ein derartiger Luft-Luft-Wärmeübertrager dient der Übertragung von thermischer Energie von einem Stoffstrom (beispielsweise der Abluft) auf einen anderen Stoffstrom (beispielsweise der Zuluft) unter stofflicher Trennung der beiden Stoffströme.
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Aus thermodynamischen und technischen Gründen reicht ein Luft-Luft-Wärmeübertrager jedoch allein nicht aus, um die in der Abluft noch enthaltende Nutzwärme vollständig auf die Zuluft zu übertragen. Daher wird oftmals zusätzlich eine Wärmepumpe verwendet, um die Nutzwärme der Abluft vollständig zu entziehen und auf die Zuluft zu übertragen. Durch Verwendung der Wärmepumpe ist es darüber hinaus möglich, die Innenräume nicht nur zu heizen sondern auch zu kühlen.
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Aus
CN 106 196 380 A ist eine Klimatisierungsanlage mit einem Zuluftkanal mit drei Wärmetauschern und ein Abluftkanal mit einem Wärmetauscher bekannt, die mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sind.
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Aus
DE 102 00 404 A1 ist eine Vorrichtung zur Erwärmung von Luft mittels einer luftatmenden Brennstoffzelle bekannt, bei der die Brennstoffzelle direkt im Lüftungskanal angeordnet ist.
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Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist jedoch, dass diese relativ groß sind und sich daher nur bedingt für einen raumsparenden Einbau in Wände, beispielsweise unterhalb eines Fensters, Decken oder Fußböden eines Innenraums eignen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund wird eine dezentrale Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von Innenräumen gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 18 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die dezentrale Vorrichtung ein Gehäuse, eine im Gehäuse untergebrachte Konvektoreinheit mit einer Innenluftseite und einer Außenluftseite und eine im Gehäuse untergebrachte Versorgungseinheit auf.
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Die Konvektoreinheit weist einen Zuluftkanal zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in den zu klimatisierenden Innenraum und einen zum Zuluftkanal separaten Abluftkanal zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen auf.
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Die Versorgungseinheit weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und ein Wegeventil (Mehrwegeventil) zur Steuerung einer Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf auf, um den Kältemittelkreislauf zwischen Heizbetrieb zum Heizen der Zuluft und Kühlbetrieb zum Kühlen der Zuluft umzuschalten.
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Weiterhin umfasst die dezentrale Vorrichtung einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Abluftkanal an der Außenluftseite des Abluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertagung zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht, einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertragung zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht, und einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und eine Vorwärmung der Zuluft ermöglicht. Der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager kann optional strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden sein und eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Zuluft ermöglichen. Er kann aber auch vom Kältemittelkreislauf getrennt und mit einem eigenen Abwärmekreislauf verbunden sein, um die Abwärme einer Brennstoffzelle oder einer anderen Energieerzeugungseinheit zur Erwärmung der Zuluft zu nutzen.
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Im Gegensatz zu vorbekannten Vorrichtungen zur Klimatisierung umfasst die hier beschriebene Vorrichtung drei Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager. Im Weiteren werden diese Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager der Einfachheit halber als Wärmeübertrager bezeichnet. Auch diese Wärmeübertrager dienen dazu, thermische Energie von einem Stoffstrom (Luft oder Kältemittel bzw. Wasser) auf einen zweiten Stoffstrom (Kältemittel bzw. Wasser oder Luft) unter stofflicher Trennung der beiden Stoffströme (Luft getrennt vom Kältemittel, bzw. Luft getrennt von Wasser) zu übertragen.
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Zwei dieser Wärmeübertrager, und zwar der zweite Wärmeübertrager (zweiter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) und der dritte Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) sind strömungstechnisch in den Zuluftkanal integriert, d. h. Luft kann durch diese beiden Wärmeübertrager strömen. Der dritte Wärmeübertrager ist dabei im Zuluftkanal strömungstechnisch dem zweiten Wärmeübertrager vorgelagert. Der erste Wärmeübertrager (erster Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) ist dagegen strömungstechnisch in den Abluftkanal integriert, d. h. Abluft kann durch diesen Wärmeübertrager strömen. Der erste und zweite Wärmeübertrager sind weiterhin Teil des Kältemittelkreislaufs und in diesen integriert. Der dritte Wärmeübertrager kann ebenfalls Teil des Kältemittelkreislaufs sein, oder mit einem eigenen Abwärmekreislauf verbunden sein. In diesem Fall weist die Versorgungseinheit zwei separate Kreisläufe auf, und zwar einen Kältemittelkreislauf und einen Abwärmekreislauf, oder alternativ wird der Abwärmekreislauf von außerhalb der Vorrichtung (Gehäuse) zugeführt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der dritte Wärmeübertrager Teil des Kältemittelkreislaufs und in Durchflussrichtung des Kältemittels im Heizmodus gesehen dem Verdichter strömungstechnisch nachgeschaltet, und der zweite Wärmeübertrager ist dem dritten Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kältemittelkreislauf weiterhin eine Ventileinheit auf, die so steuerbar ist, dass der dritte Wärmeübertrager im Heizmodus vom Kältemittel durchströmt wird, im Kühlmodus den Durchfluss von Kältemittel durch den dritten Wärmeübertrager aber unterbindet.
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Der dritte Wärmeübertrager hat die Funktion, von der Außenluftseite angesaugte Außenluft vorzuwärmen, damit die in der Konvektoreinheit strömende Luft immer eine Mindesttemperatur aufweist. Damit wird verhindert, dass durch Einströmen besonders kalter Außenluft die Konvektoreinheit übermäßig abgekühlt und damit Energie verloren geht. Der dritte Wärmetauscher ist daher bevorzugt baulich sehr nah am Einlass des Zuluftkanals angeordnet, sodass die angesaugte Außenluft sofort auf eine Mindesttemperatur erwärmt wird und der Kälteeintrag in die Konvektoreinheit verringert wird. Dies ist insbesondere beim Ansaugen von sehr kalter Außenluft von Vorteil, da somit größere Temperaturunterscheide in der Konvektoreinheit vermieden und Wärmeverluste verringert werden.
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Der dritte Wärmeübertrager, der luftströmungstechnisch im Zuluftkanal an der Außenseite des Zuluftkanals angeordnet ist, kann als Teil des Kältemittelkreislaufs strömungstechnisch im Heizbetrieb gesehen dem Verdichter nachgeschaltet sein. Beim Verdichten des Kältemittels wird dieses teilweise überhitzt. Der dritte Wärmeübertrager ist so dimensioniert, dass er einen Teil der im verdichteten Kältemittel enthaltenen Wärme auf die in den Zuluftkanal einströmende Außenluft überträgt und dabei das Kältemittel etwas abkühlt. Das den dritten Wärmeübertrager verlassene Kältemittel, welches weiterhin verdichtet ist, bleibt jedoch weiterhin warm genug, um beim nachfolgenden Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers die Zuluft auf die gewünschte Zieltemperatur zu erwärmen.
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Die für die Erwärmung der Zuluft erforderliche Energie wird mittels des ersten Wärmeübertragers der Abluft entnommen. Dabei wird das den ersten Wärmeübertrager durchströmende Kältemittel verdampft und dem Verdichter zugeführt. Durch die Kompression des gasförmigen Kältemittels wird dieses weiter aufgeheizt und soweit verdichtet, dass es als flüssiges, aber „heißes“ Kältemittel den Verdichter verlässt.
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Der Kältemittelkreislauf bildet damit zusammen mit dem Verdichter und den drei Wärmeübertragern eine Wärmepumpe. Es ist damit möglich, Wärme aus dem zu klimatisierenden Innenraum eines Gebäudes zurückzugewinnen. Dieser Wärmegewinn wird in der Versorgungseinheit mittels des dritten Wärmeübertragers, der strömungstechnisch an der Außenluftseite des Zuluftkanals liegt, im Verdichter zusätzlich nutzbar gemacht, und zwar durch Vorwärmen der einströmenden Außenluft.
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Im Kühlbetrieb wird dagegen der dritte Wärmeübertrager nicht benötigt. Er wird im Kühlbetrieb strömungstechnisch vom Kältemittelkreislauf durch die Ventileinheit getrennt, welchen einen Bypass für das Kältemittel zur Umgehung des dritten Wärmeübertragers bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform dient im Heizbetrieb der erste Wärmeübertrager als Verdampfer und entzieht der Abluft Wärme. Der dritte Wärmeübertrager dient als Heißgas-Wärmeübertrager und wärmt die von außen angesaugte Außenluft vor. Der zweite Wärmeübertrager, welcher im Zuluftkanal dem dritten Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet ist, dient als Kondensator und erwärmt die Zuluft auf eine Zieltemperatur.
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Gemäß einer Ausführungsform dient im Kühlbetrieb der erste Wärmeübertrager als Kondensator und überträgt Wärme auf die Abluft. Der dritte Wärmeübertrager ist vom Kältemittelkreislauf getrennt. Der zweite Wärmeübertrager dient als Verdampfer und kühlt die Zuluft auf eine Zieltemperatur.
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Die Temperatur des verdichteten Kältemittels kann nach Verlassen des Verdichters mit T0, nach Durchströmen des dritten Wärmeübertragers mit T3, nach Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers mit T2 und nach Durchströmen des ersten Wärmeübertragers mit T1 bezeichnet werden. Im Heizbetrieb gilt folgende Beziehung:
T0 > T3 > T2 > T1
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Dagegen gilt im Kühlbetrieb die folgende Beziehung:
T0 > T1 > T2
wobei T3 hier unbestimmt ist, da der dritte Wärmeübertrager im Kühlbetrieb nicht vom Kältemittel durchströmt wird.
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Bei bisherigen Lösungen wird die einströmende Außenluft durch einen Luft-Luft-Wärmeübertrager vorgewärmt. Dieser Luft-Luft-Wärmeübertrager koppelt thermisch den Abluftkanal mit dem Zuluftkanal und dient dazu, der aus dem zu klimatisierenden Innenraum abgeführten Abluft Wärme zu entziehen und der Zuluft zuzuführen. Die so vorgewärmte Zuluft strömt dann noch durch einen Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, um auf die gewünschte Zieltemperatur erwärmt zu werden. Allerdings müssen Luft-Luft-Wärmeübertrager vergleichsweise groß ausgeführt werden, damit sie die Wärme effektiv von der Abluft auf die Zuluft übertragen können. Daher benötigen Luft-Luft-Wärmeübertrager viel Platz, sodass bisherige Konvektoreinheiten sehr voluminös sind.
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Im Gegensatz zu diesen vorbekannten Lösungen erfolgt die Vorerwärmung der Zuluft mittels des dritten Wärmeübertragers (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager), sodass auf einen Luft-Luft-Wärmeübertrager verzichtet werden kann, oder ein volumenmäßig nur kleiner Luft-Luft-Wärmeübertrager nötig ist. Bevorzugt weist die Konvektoreinheit keinen Luft-Luft-Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme von der Abluft auf die Zuluft auf. Der sonst üblicherweise vorhandene Luft-Luft-Wärmeübertrager wird bei der hier beschriebenen Vorrichtung durch den dritten Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) ersetzt. Die Konvektoreinheit kann damit erheblich kleiner ausgeführt werden, da Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager deutlich kleiner sind als Luft-Luft-Wärmeübertrager. Außerdem kann der dritte Wärmeübertrager strömungstechnisch, da er vergleichsweise wenig Bauraum benötigt, baulich direkt am Eingang des Zuluftkanals angeordnet werden, um so die einströmende Außenluft sofort vorzuwärmen und den Eintrag von kalter Außenluft zu minimieren.
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Durch den Wegfall des sonst verwendeten Luft-Luft-Wärmeübertragers kann das Gehäuse sowohl die Konvektoreinheit als auch die Versorgungseinheit mit dem Kältemittelkreislauf und ggf. dem Abwärmekreislauf, sofern der dritte Wärmeübertrager über einen eigenen Kreislauf verfügt, aufnehmen. Dies gestattet die Bildung von relativ kompakten Klimageräten, die für eine dezentrale Klimatisierung von Einzelräumen eingesetzt werden können. Damit unterscheidet sich die hier vorgestellte Lösung, welche eine dezentrale und autarke Klimatisierung ermöglicht, von zentralen Lösungen. Bei zentralen Lösungen werden einzelne Konvektoreinheiten zwar auch in die zu klimatisierenden Einzelräume integriert, benötigen aber entsprechende Kühl- und Heizmedien, d. h. entsprechende Rohrleitungssysteme, um die Kühl- und Heizmedien den jeweiligen Konvektoreinheiten zuzuführen. Weiterhin benötigen derartige zentrale Lösungen eine zentrale Anlage zur Erzeugung von Wärme bzw. Kälte. Wird hierfür eine zentrale Wärmepumpe eingesetzt, muss eine zusätzliche Wärmequelle bzw. Wärmesenke vorhanden sein, zum Beispiel Solarthermie, Tiefenbohrung oder ein Erdreichspeicher, die jedoch alle mit entsprechenden Wärmeverlusten aufgrund der langen Medienleitungen behaftet sind. Außerdem sind diese zentralen Anlagen vergleichsweise teuer.
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Die hier beschriebene Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von Einzelräumen erfordert keine externe Zufuhr von Kühl- und Heizmedien, um die Zuluft entsprechend zu temperierten. Es wird lediglich die Zufuhr von elektrischer Energie für den Verdichter, Ventilatoren und eine typischerweise vorhandene Steuerung der Vorrichtung benötigt. Damit kann die hier beschriebene Vorrichtung zum Nachrüsten von Gebäuden verwendet werden, bei denen keine zentralen Kühl- und Heizmedien anliegen. Durch den Wegfall der für die zentralen Lösungen erforderlichen Rohrleitungssysteme wird der Energieverlust verringert und damit insgesamt eine energieeffizientere Klimatisierung ermöglicht.
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Da der sehr voluminöse Luft-Luft-Wärmeübertrager nicht benötigt wird und der dritte Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel Wärmeübertrager) vergleichsweise klein ist, kann ohne zusätzlichen Platzbedarf auch die Versorgungseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, welches bei gleichen energetischen Parametern genauso groß ist wie eine konventionelle Konvektoreinheit mit Luft-Luft Wärmeübertrager.
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Zusätzlich ergibt sich eine Verminderung der Betriebsgeräusche der Vorrichtung durch den Wegfall des voluminösen Luft-Luft-Wärmeübertragers. Der Luft-Luft-Wärmeübertrager stellt einen erheblichen Strömungswiderstand für die durch ihn strömende Luft dar, da der Luft-Luft-Wärmeübertrager häufig über viele kreuzweise geführte Strömungskanäle verfügt, die jeweils für sich nur einen geringen Querschnitt aufweisen. Damit die Luft durch diese Strömungskanäle strömen kann, werden ausreichend dimensionierte Lüfter benötigt, die entsprechende Betriebsgeräusche abgeben. Durch Wegfall des Luft-Luft-Wärmeübertragers sinkt der strömungstechnische Widerstand im Zuluft- und Abluftkanal. Es können daher kleinere Lüfter verwendet werden, oder die Lüfter können mit verringerter Drehzahl arbeiten, wodurch weniger Energie verbraucht und die Geräuschentwicklung verringert wird. Damit kann die hier beschriebene Vorrichtung bevorzugt auch für solche Innenräume verwendet werden, bei denen eine Geräuschbelastung nachteilig ist. Beispiele hierfür sind Büros, Schulräume, aber auch Wohn- und Schlafräume.
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Da sowohl die Konvektoreinheit als auch die Versorgungseinheit mit dem Kältemittelkreislauf in dem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, ist die hier vorgestellte Vorrichtung kein Split-Gerät.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Versorgungseinheit weiterhin eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Brennstoffzelle und einem Abwärmekreislauf zum Abführen von Abwärme, die beim Betreiben der Brennstoffzelle entsteht, auf. Der dritte Wärmeübertrager ist mit dem Abwärmekreislauf gekoppelt. Der dritte Wärmeübertrager ist dagegen nicht mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Bei dieser Ausführungsform verfügt die Versorgungseinheit über zwei Kreisläufe, den Kältemittelkreislauf und Abwärmekreislauf. Im Abwärmekreislauf kann Wasser als Kältemittel zirkulieren. Für den Kältemittelkreislauf wird dagegen typischerweise ein handelsübliches Kältemittel, z. B. CO2 oder ein fluorhaltiges Kältemittel verwendet. Bevorzugt sind solche Kältemittel, die umweltverträglich sind oder nur eine bedingte Umweltschädigung aufweisen.
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Mittels der Brennstoffzelleeinheit wird elektrische Energie gewonnen, die beispielsweise dem Verdichter und anderen elektrischen Komponenten der Vorrichtung, z. B. Ventilatoren und einer zentralen Steuerung, zugeführt wird. Beim Erzeugen von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle entsteht Abwärme, die mittels des Abwärmekreislaufs abgeführt und dem dritten Wärmeübertrager zum Vorwärmen der einströmenden Außenluft zugeführt wird. Durch die Nutzung der Abwärme für das Vorwärmen der zugeführten Außenluft wird für die Wärmepumpe umfassend den Verdichter und den ersten und zweiten Wärmeübertrager ein vergleichsweise hoher COP-Wert (coefficient of performance), auch Leistungszahl genannt, erreicht. Der durch den dritten Wärmeübertrager vorgewärmten Luft muss durch den zweiten Wärmeübertrager nicht mehr so viel Energie zugeführt werden. Dadurch kann die Leistungsaufnahme des Verdichters verringert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform dient der erste Wärmeübertrager im Kühlbetrieb als Kondensator und überträgt Wärme auf die Abluft, der dritte Wärmeübertrager ist vom Abwärmekreislauf getrennt oder der Abwärmekreislauf ist deaktiviert, und der zweite Wärmeübertrager dient als Verdampfer und kühlt die Zuluft auf eine Zieltemperatur. Der dritte Wärmeübertrager ist im Kühlbetrieb daher nicht aktiv.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse Befestigungsschnittstellen zum Befestigen an oder in Decken, Wänden oder Fußböden eines zu klimatisierenden Innenraums eines Gebäudes auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse mindestens einen Fortluftanschluss und einen Außenluftanschluss auf. Diese beiden Anschlüsse dienen dazu, das Gehäuse mit jeweiligen Luftkanälen strömungstechnisch zu verbinden, welche beispielsweise die Außenwand des Gebäudes durchdringen und so die Zufuhr von Außenluft bzw. die Abfuhr von Fortluft durch die Außenwand zu ermöglichen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist darüber hinaus das Gehäuse einen Abluftanschluss bzw. eine Abluftöffnung und einen Zuluftanschluss bzw. eine Zuluftöffnung auf. Diese beiden Anschlüsse bzw. Öffnungen sind mit dem zu klimatisierenden Innenraum strömungstechnisch verbunden und dienen dazu, Abluft aus dem Innenraum abzuführen bzw. dem Innenraum Zuluft zuzuführen.
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Wird beispielsweise die Vorrichtung als Klimagerät ausgeführt, welches im Innenraum an der Außenwand unterhalb eines Fensters angebracht und beispielsweise lediglich mit einer Blende verkleidet wird, so stellen die Zuluftöffnung und die Abluftöffnung den direkten Zugang zum Innenraum her. Wird dagegen die Vorrichtung beispielsweise in die Decke oder den Fußboden integriert und sind die gewünschten Lufteinlässe bzw. Luftauslässe nicht direkt oberhalb bzw. unterhalb der Vorrichtung sondern von dieser beabstandet, so werden der Abluftanschluss und/oder der Zuluftanschluss noch mit einem in der Decke oder den Fußboden integrierten Luftkanal verbunden, der den Abluftanschluss mit den boden- bzw. deckenseitigen Lufteinlässen und den Zuluftanschluss mit den boden- bzw. deckenseitigen Luftauslässen verbinden.
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Mittels der Befestigungsschnittstellen kann das Gehäuse beispielsweise direkt mit der Decke, dem Fußboden oder der Außenwand verbunden werden. Das Gehäuse trägt dabei die Konvektoreinheit und die Versorgungseinheit. Darüber hinaus können Teile des Gehäuses auch Teilbereiche des Zuluftkanals und/oder des Abluftkanals bilden, beispielsweise einzelne Seitenwände der jeweiligen Kanäle, um Material und Gewicht zu sparen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Gehäuse eine tragende Struktur aufweist, welches die einzelnen Luftkanäle (Zuluftkanal und Abluftkanal) und die Versorgungseinheit trägt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse einen gemeinsamen Innenraum zur Unterbringung der Konvektoreinheit und der Versorgungseinheit im gemeinsamen Innenraum auf. Das Gehäuse ist damit einteilig und die Konvektoreinheit und die Versorgungseinheit bilden eine Einheit.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse modular aufgebaut und weist ein erstes Gehäuseteil und ein mit dem ersten Gehäuseteil lösbar verbundenes zweites Gehäuseteil auf. Das erste Gehäuseteil weist einen Innenraum auf, in dem die Konvektoreinheit und der erste, zweite und dritte Wärmeübertrager untergebracht sind. Das zweite Gehäuseteil weist einen vom Innenraum des ersten Gehäuseteils baulich getrennten Innenraum auf, in dem die Versorgungseinheit untergebracht ist. Das erste und zweite Gehäuseteil sind zwar miteinander verbunden, können aber voneinander getrennt werden. In diesem Fall sind Schnittstellen vorhanden, um die drei Wärmeübertrager mit dem Kältemittelkreislauf zu koppeln, bzw. den ersten und zweiten Wärmeübertrager mit dem Kältemittelkreislauf und den dritten Wärmeübertrager mit dem Abwärmekreislauf zu koppeln. Diese modulare Lösung gestattet auch ein Nach- bzw. Umrüsten von Vorrichtungen durch Austausch der Versorgungseinheit. Damit lassen sich die Vorrichtungen im Fall einer größeren Reparatur auch leichter warten.
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Gemäß einer Ausführungsform beherbergt das Gehäuse die Konvektoreinheit mit dem ersten, zweiten und dritten Wärmeübertrager und die Versorgungseinheit mit dem Kältemittelkreislauf, der mit dem ersten und zweiten Wärmeübertrager strömungstechnisch verbunden ist. Der dritte Wärmeübertrager ist mit einem zum Kältemittelkreislauf separaten Abwärmekreislauf gekoppelt, der von außerhalb des Gehäuses zugeführt wird. Dazu ist die Brennstoffzelleneinheit in einem separaten Gehäuse untergebracht. Die Brennstoffzelleneinheit ist daher nicht in die Versorgungseinheit integriert. Dieses separate Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit kann mit dem Gehäuse der Vorrichtung (umfassend die Konvektoreinheit und die Versorgungseinheit) lösbar verbunden sein oder getrennt von diesem abgeordnet sein. Beispielsweise ist es gemäß einer Ausführungsform möglich, dass eine separate Brennstoffzelleneinheit den dritten Wärmetauscher von zwei oder mehrere Vorrichtungen mit Abwärme versorgt. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn der zu klimatisierende Innenraum sehr groß ist, beispielsweise ein Klassenraum einer Schule oder ein größeres Büro, und mehrere Vorrichtungen zum Klimatisieren erforderlich sind. Dann kann aus Effizienzgründen eine größer dimensionierte Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt werden, welche die Vorrichtungen dieses größeren Einzelraums versorgt. Ggf. kann diese separate Brennstoffzelleneinheit auch Vorrichtungen von mehreren Räumen, z.B. auf einer gemeinsamen Etage, versorgen. Auch diese Lösung wird als dezentrale Lösung angesehen, da pro Etage jeweils mindestens eine Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Abwärmekreislauf einer Brennstoffzelleneinheit jeweils mit dem dritten Wärmeübertrager von zwei oder mehreren Vorrichtungen zur Klimatisierung verbunden. Damit wird ein System zur Klimatisierung von Innenräumen geschaffen, das mindestens zwei Vorrichtungen (Klimageräte) zu Klimatisierung, die jeweils eine Konvektoreinheit und eine Versorgungseinheit mit Kältemittekreislauf, der mit dem jeweils ersten und zweiten Wärmeübertrager gekoppelt ist, und eine dazu separate Brennstoffzelleneinheit aufweist, die jeweils mit dem dritten Wärmetauscher der beiden Vorrichtungen verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Konvektoreinheit im Zuluftkanal einen Zuluftventilator zum Ansaugen von Außenluft auf, der im Zuluftkanal strömungstechnisch zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem dritten Wärmeübertrager angeordnet ist. Der Zuluftventilator ist damit dem dritten Wärmeübertrager strömungstechnisch nachgeschaltet. Damit wird ein Abkühlen des Zuluftventilators durch Einströmen von kalter Außenluft und damit Energieverluste vermieden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Konvektoreinheit im Abluftkanal einen Abluftventilator zum Ansaugen von Abluft aufweist, der im Abluftkanal strömungstechnisch vor dem ersten Wärmeübertrager angeordnet ist. Dies ist von Vorteil, da ein dem ersten Wärmeübertrager nachgeschalteter Abluftventilator thermisch auf Fortluftniveau wäre und damit zu einem Energieverlust führen würde, da der Abluftventilator Teil des Abluftkanals ist und mit diesem thermisch gekoppelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wegeventil, d. h. das Mehrwegeventil, ein 4-Wege Umkehrventil. Dies stellt eine zuverlässige Möglichkeit zur Steuerung der Durchflussrichtung des Kältemittels dar.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Konvektoreinheit weiterhin einen auf der Innenluftseite angeordneten und steuerbaren ersten Umluftbypass zum strömungstechnischen Verbinden des Abluftkanals mit den Zuluftkanal auf, um bedarfsweise Abluft der Zuluft zuzuführen.
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Weiterhin weist die Konvektoreinheit gemäß einer Ausführungsform einen auf der Außenluftseite angeordneten und steuerbaren zweiten Umluftbypass zum strömungstechnischen Verbinden des Abluftkanals mit den Zuluftkanal auf, um bedarfsweise Außenluft der Fortluft zuzuführen.
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Die jeweiligen Bypässe können den Zuluftkanal und den Abluftkanal vollständig unter Sperrung der jeweiligen Kanäle verbinden. Beispielsweise ist es möglich, dass der erste Bypass die Abluft vollständig dem Zuluftkanal zuführt und dadurch als Zuluft wieder in den Innenraum eingeleitet wird. In diesem Fall wird typischerweise mittels des zweiten Bypasses die zugeführte Außenluft vollständig in den Abluftkanal eingeleitet und als Fortluft abgeführt. Damit sind sowohl der Zuluftkanal als auch der Abluftkanal gesperrt, d. h. die aus dem Innenraum angesaugte Abluft wird nicht als Fortluft nach Außen geführt, und die angesaugte Außenluft wird nicht als Zuluft in den Innenraum geführt. Die Bypässe dienen also dazu, einen Umluftbetrieb zu ermöglichen. Der außenseitige Umluftbetrieb (Außenluft wird durch den dritten Wärmeübertrager, den zweiten Bypass und den ersten Wärmeübertrager geführt) dient dazu, einen ausreichenden Luftvolumenstrom bereitzustellen, damit der erste Wärmeübertrager als Verdampfer oder Kondensator arbeiten kann. Der dritte Wärmeübertrager kann im Umluftbetrieb durch die Ventileinheit vom Kältemittelkreislauf getrennt werden und ist damit inaktiv. Der raumseitige Umluftbetrieb (Abluft wird über den ersten Bypass durch den zweiten Wärmeübertrager geführt) ermöglicht es, die abgeführte Innenraumluft direkt zu erwärmen und wieder in den Innenraum zurückzuführen. Der Umluftbetrieb gestattet insbesondere eine vergleichsweise rasche Klimatisierung, da keine Energieverluste durch Abführen von Abluft aus dem Innenraum, oder Zuführen von Außenluft in den Innenraum erfolgt. Weiterhin ist der Umluftbetrieb bei besonders hohen Temperaturunterschieden zwischen dem Innenraum und der Außenluft von Vorteil.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Verdichter so ausgelegt, dass er mit einer Kleinspannung arbeitet. Die Versorgungseinheit weist dazu einen Gleichstromanschluss zum Versorgen des Verdichters mit einer Kleinspannung auf. Unter einer Kleinspannung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Gleichspannung von kleiner gleich 120 V verstanden. Bevorzugt wird als Kleinspannung eine Gleichspannung von kleiner als 60 V, insbesondere von 48 V angesehen. Damit ist es möglich, die Vorrichtung mit einer alternativen Energiequelle, beispielsweise eine Photovoltaikanlage direkt zu koppeln. Die benötigte elektrische Energie kann in Teilen oder vollständig durch regenerative Energiequellen bereitgestellt werden, wodurch die Energieeffizienz weiter verbessert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin eine Batterie zum Speichern von elektrischer Energie und zum Versorgen des Verdichters mit elektrischer Energie auf. Bevorzugt dient die Batterie zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie, die von einer Photovoltaikanlage bereitgestellt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin einen Stromwandler zum Wandeln von Wechselstrom in eine Kleinspannung auf. Dies dient dazu, dass bei Ausfall der Energieversorgung durch die alternative Energiequelle elektrische Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnommen und genutzt werden kann.
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Verfügt die Versorgungseinheit über eine Brennstoffzelleneinheit, kann die Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit mit einer beispielsweise im Gehäuse untergebrachten Batterie zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie verbunden sein. Weiterhin ist es möglich, dass die Vorrichtung einen externen Anschluss zur Zuführung der Kleinspannung, z. B. aus Photovoltaik, zur Brennstoffzelleneinheit aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Brennstoffzelleneinheit weiterhin einen Elektrolyseur aufweisen, der mittels der zugeführten Kleinspannung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Wasserstoff kann zwischengespeichert und nachfolgend zum Betreiben der Brennstoffzelle genutzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Kondenswasserleitung vom ersten und/oder zweiten Wärmeübertrager zum Verdichter auf. Dienen der erste oder zweite Wärmeübertrager als Verdampfer, wird die jeweils durch den ersten bzw. zweiten Wärmeübertrager strömende warme Luft abgekühlt. Dabei kann in der Luft befindlicher Wasserdampf im jeweiligen Wärmeübertrager kondensieren. Das Kondenswasser kann dann mittels der jeweiligen Kondenswasserleitung zum warmen Verdichter geleitet und dort abdampfen.
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Die vorliegende Erfindung macht sich daher insgesamt die Erkenntnis zunutze, dass eine Luft-Luft-Wärmeübertragung mittels eines Luft-Luft-Wärmeübertragers vergleichsweise viel Platz benötigt. Daher wird der typischerweise verwendete Luft-Luft-Wärmeübertrager durch einen dritten Wärmeübertrager ersetzt. Zwei Wärmeübertrager sind im Kältemittelkreislauf zur Bildung einer Wärmepumpe eingebunden. Der dritte Wärmeübertrager kann mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt sein und dient in diesem Fall als Heißgas-Wärmeübertrager. Er kann alternativ aber auch über einen eigenen Abwärmekreislauf verfügen und nutzt die Abwärme beispielsweise eine Brennstoffzelle. Der dritte Wärmeübertrager in der Außenluftseite des Zuluftkanals dient zur Vortemperierung der zugeführten Außenluft und ersetzt so den großvolumigen Luft-Luft-Wärmeübertrager (Kreuzstromübertrager). Das ist platz- und kostenmindernd.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht die hier vorgestellte Vorrichtung, die Abwärmenutzung des jeweiligen Einzelraumes in Verbindung mit der zuzuführenden Außenluft, im Gegensatz zu zentralen Anlagen, die auf die zentrale Zuführung von Wärme und Kälte durch geeignete Rohrsysteme angewiesen sind. Zentrale Rohrleitungssysteme außerhalb des Gehäuses der Vorrichtung sind daher nicht nötig.
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Die Vorrichtung kann mit einer Kleinspannung, insbesondere mit einer Gleichspannung kleiner als 120 V, insbesondere mit 48 V DC betrieben werden, um photovoltaischen Strom in einer in der Vorrichtung integrierten Batterie zu speichern oder direkt zu nutzen. Strom aus dem öffentlichen Netz kann über den Inverter genutzt werden. Die Stromkosten sind gegenüber konventioneller Anlagentechnik ca. 60-70% geringer.
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Die Vorrichtung ist für die dezentrale Klimatisierung eines Raumes vorgesehen. Hierdurch kann eine zentrale RLT-Anlage oder zentrale Wohnraumlüftung ersetzt werden. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von Gebäuden, die über keine Kühl- und/oder Heizmedien verfügen. Die Vorrichtung kann im Raum vor der Außenfassade angeordnet werden. Der Außen- und Fortluftanschluss kann beispielsweise direkt im Fenster-Brüstungsbereich der Außenfassade integriert werden.
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Die Vorrichtung kann modular aufgebaut sein und verfügt über eine interne Versorgungseinheit mit einem Verdichter zur Wärme- und Kälteerzeugung. Aufgrund des Wegfalls des Luft-Luft-Wärmeübertragers steht ausreichend Bauraum für die Aufnahme der Versorgungseinheit zur Verfügung. Die Konvektoreinheit kann im Vergleich zu einer Konvektoreinheit mit Luft-Luft-Wärmeübertrager unter Beibehaltung der lüftungstechnischen Parameter insgesamt kompakter ausgeführt werden. Der Kältemittelkreislauf kann durch die so ermöglichte Anordnung von Konvektoreinheit und Versorgungseinheit kleiner ausgeführt werden. Aufgrund der dezentralen Ausführung sind die Wärmeübertrager räumlich dicht zur Versorgungseinheit, d. h. es werden nur kurze Rohleitungen innerhalb der Versorgungseinheit benötigt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst:
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Inbetriebnehmen einer Vorrichtung zur Klimatisierung und Belüftung von einzelnen Innenräumen, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse; eine im Gehäuse untergebrachte Konvektoreinheit mit einem Zuluftkanal zum Zuführen von Außenluft als Zuluft in einen Innenraum, und einen zum Zuluftkanal separaten Abluftkanal zum Abführen von Innenluft als Abluft nach Außen; und eine im Gehäuse untergebrachte Versorgungseinheit aufweist, die einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, und einem Wegeventil (Mehrwegeventil) zur Steuerung einer Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf, um den Kältemittelkreislauf zwischen Heizbetrieb zum Heizen der Zuluft und Kühlbetrieb zum Kühlen der Zuluft umzuschalten, aufweist, wobei ein erster Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Abluftkanal an der Außenluftseite des Abluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertagung zwischen der Abluft und dem Kältemittel ermöglicht, ein zweiter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Zuluftkanal an der Innenluftseite des Zuluftkanals angeordnet und strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist und eine Wärmeübertragung zwischen der Zuluft und dem Kältemittel ermöglicht, und ein dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Zuluftkanal an der Außenluftseite des Zuluftkanals angeordnet ist und eine Vorwärmung der Zuluft ermöglicht. Das Verfahren umfasst die Schritte, Vorwärmen der im Zuluftkanal zugeführten Außenluft durch den dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, und Erwärmen der vorgewärmten Außenluft durch den zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager auf eine Zieltemperatur und Abgabe der so erwärmten Außenluft als Zuluft in den zu klimatisierenden Innenraum.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager strömungstechnisch mit dem Kältemittelkreislauf verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager im Kühlbetrieb strömungstechnisch vom Kältemittelkreislauf getrennt, bevorzugt durch ein schaltbares Mehrwegeventil.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der dritte Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager strömungstechnisch mit einem Abwärmekreislauf verbunden, der separat zum Kältemittelkreislauf ist, wobei der Abwärmekreislauf mit einer Brennstoffzelle verbunden ist. Das Verfahren umfasst daher den Schritt: Vorwärmen der im Zuluftkanal zugeführten Außenluft durch den dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager, der von der Abwärme einer Brennstoffzelle gespeist wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (dritter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) zum Vorwärmen von in einem Zuluftkanal strömender Außenluft verwendet und ein anderer Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager (zweiter Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager) wird zum Erwärmen der vorgewärmten Außenluft auf eine Zieltemperatur verwendet.
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Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit einer Frischluftzufuhr und Luftaufbereitung ausgerüstet. Beispielsweise kann die Vorrichtung über geeignete Filter verfügen, die im Zuluftkanal und/oder im Abluftkanal integriert sind.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Verweis auf die Figuren erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
- 1 zeigt eine strömungstechnische Darstellung einer dezentralen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Einzelraums im Kühlmodus gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt eine strömungstechnische Darstellung der dezentralen Vorrichtung zur Klimatisierung eines Einzelraums im Heizmodus.
- 3 zeigt die räumliche Ausgestaltung der dezentralen Vorrichtung.
- 4 zeigt eine Ansicht gemäß des in 3 angedeuteten Schnitts AA.
- 5 zeigt eine Ansicht gemäß des in 3 angedeuteten Schnitts BB.
- 6 zeigt eine Sicht von oben auf die dezentrale Vorrichtung der 3.
- 7 zeigt eine weitere Ausführungsform unter Verwendung einer Brennstoffzelleneinheit, wobei der dritte Wärmeübertrager mit einem Abwärmekreislauf der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter Verweis auf die 1 bis 6 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform der Vorrichtung beschrieben.
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Die Vorrichtung kann beispielsweise in Form einer dezentralen Klimatisierungsvorrichtung (Klimagerät) 100 realisiert werden, welche keine externen Medien mit Ausnahme eines Stromanschlusses benötigt. Nachfolgend wird die Vorrichtung als Klimagerät bezeichnet.
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Das Klimagerät 100 weist grundsätzlich zwei Einheiten auf, und zwar eine Konvektoreinheit 151 und eine Versorgungseinheit 152, die beide in einem gemeinsamen Gehäuse 150 untergebracht sind. Das Gehäuse 150 ist in den 3 bis 6 erkennbar.
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Die Konvektoreinheit 151 umfasst einen Zuluftkanal 130 und einen Abluftkanal 140. Die Außenluftseite das Klimagerät 100 ist mit 202 und die Innenluftseite des Klimageräts 100 ist mit 201 bezeichnet. Der Zuluftkanal 130 führt Außenluft von außen als Zuluft in den zu klimatisierenden Innenraum. Dagegen führt der Abluftkanal 140 Abluft aus dem Innenraum als Fortluft nach außen. Die von außen in den Zuluftkanal 130 einströmende Luft passiert zunächst eine Außenluftklappe 113, ein Außenluftfilter 112, einen dritten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 111, der im weiteren als dritter Wärmeübertrager bezeichnet wird, eine außenseitige Umluftklappe 110, eine raumseitige Umluftklappe 109, einen Zuluftventilator 108, und einen zweiten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 107, der im weiteren als zweiter Wärmeübertrager bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu passiert die vom Innenraum durch den Abluftkanal 140 abgeführte Luft zunächst ein Abluftfilter 101, eine raumseitige Umluftklappe 102, eine außenseitige Umluftklappe 103, 103a, einen Abluftventilator 104, einen ersten Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 105, der im weiteren als erster Wärmeübertrager bezeichnet wird, und eine Fortluftklappe 106.
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Der Zuluftkanal 130 und der Abluftkanal 140 sind über zwei separate Umluftbypässe wahlweise miteinander verbunden. Der erste Umluftbypass 114 bildet einen raumseitigen Umluftbypass und wird durch die raumseitigen Umluftklappen 102 und 109 gesteuert. Der zweite Umluftbypass 115 bildet dagegen einen außenseitigen Umluftbypass und wird durch die außenseitigen Umluftklappen 103, 103a und 110 gesteuert. Der erste und der zweite Umluftbypass 114, 115 können voneinander unabhängig mittels der jeweiligen Umluftklappen gesteuert werden. Es ist möglich, die Umluftklappen so einzustellen, dass der erste Umluftbypass 114 und der zweite Umluftbypass 115 vollständig geschlossen sind. Dann wird die vom Innenraum abgeführte Abluft vollständig nach draußen geführt und die Außenluft vollständig in den Innenraum abgegeben. Alternativ ist es möglich, die Umluftklappen so einzustellen, dass der Zuluftkanal 130 und der Abluftkanal 140 vollständig geschlossen sind. Dann befindet sich das Klimagerät 100 im Umluftbetrieb. Die aus dem Innenraum abgeführte Abluft wird über den ersten Umluftbypass 114 vollständig wieder als Zuluft in den Innenraum eingeleitet. Dagegen wird die von außen kommende Außenluft über den zweiten Umluftbypass 115 wieder vollständig nach außen abgegeben. Es sind in Abhängigkeit der Stellung der Umluftklappen auch Mischzustände möglich, bei denen ein Teil der Abluft nach außen geführt, ein anderer Teil der Abluft dagegen über den ersten Umluftbypass 114 der von außen angesaugte Außenluft zugemischt wird.
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Die Konvektoreinheit 151 dient daher der gesteuerten Luftzufuhr von außen in den zu klimatisierenden Innenraum. Dieser befindet sich an der Innenluftseite 201 des Klimageräts 100.
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Die Versorgungseinheit 152 umfasst einen Kältemittelkreislauf, der ein Kältemittel, einen Verdichter 116, den ersten Wärmeübertrager 105, ein Expansionsventil 124, 127, ein 4-Wege Umkehrventil 118, sowie den zweite Wärmeübertrager 107 aufweist. Diese bilden zusammen eine Wärmepumpe. Mittels des 4-Wege Umkehrventils 118 kann die Durchflussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf gesteuert werden. Zusätzlich sind in der hier gezeigten Ausführungsform auch der dritte Wärmeübertrager 111 sowie eine Ventileinheit 125 in den Kältemittelkreislauf integriert. Mittels der Ventileinheit 125 kann der dritte Wärmeübertrager 111 selektiv vom Kältemittelkreislauf getrennt werden. Dies soll nachfolgend mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert werden.
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In 1 ist der Kältemittelkreislauf im Kühlbetrieb gezeigt. Im Kühlbetrieb ist der dritte Wärmeübertrager 111 durch die Ventileinheit 125 vom Kältemittelkreislauf strömungstechnisch getrennt. Die Ventileinheit 125 stellt einen Bypass zur Umgehung des dritten Wärmeübertragers 111 bereit. Das 4-Wege Umkehrventil 118 wird für den Kühlbetrieb so eingestellt, dass strömungstechnisch das durch den Verdichter 116 verdichtete Kältemittel zuerst den ersten Wärmeübertrager 105 durchströmt und sich dabei abkühlt („Kälte der kühlen Abluft entzieht“), dann am Expansionsventil 124 entspannt und sich dabei weiter abkühlt, und anschließend durch den zweiten Wärmeübertrager 107 strömt, bevor es zum Verdichter 116 zurückgeführt wird. Im zweiten Wärmeübertrager 107 wird die durch den Zuluftkanal strömende Luft auf eine Zieltemperatur abgekühlt und dann in den Innenraum geleitet.
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Im Heizbetrieb, der in 2 dargestellt ist, hat das 4-Wege Umkehrventil 118 eine andere Ventilstellung, um einen entgegengesetzten Fluss des Kältemittels zu ermöglichen. Dadurch werden die Funktionen des ersten und zweiten Wärmeübertragers getauscht. Diente der erste Wärmeübertrager 105 im Kühlbetrieb als Kondensator, um das Kältemittel abzukühlen, dient der erste Wärmeübertrager 105 im Heizbetrieb als Verdampfer, um der warmen Abluft Wärmeenergie zu entziehen und auf das Kältemittel zu übertragen. Dementsprechend dient der zweite Wärmeübertrager 107 im Kühlbetrieb als Verdampfer und im Heizbetrieb als Kondensator.
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Darüber hinaus wird im Heizbetrieb der dritte Wärmeübertrager 111 über die Ventileinheit 125 mit dem Kältemittelkreislauf verbunden, sodass vom Verdichter kommend das aufgeheizte und verdichtete Kältemittel zunächst durch den dritten Wärmeübertrager 111 strömt, bevor es zum zweiten Wärmeübertrager 107 geführt wird. Im dritten Wärmeübertrager 111 wird das überhitze Kältemittel auf die gewünschte Arbeitstemperatur gekühlt. Gleichzeitig wird die bei der Überhitzung anfallende Wärme zum Vorwärmen der Außenluft genutzt.
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Nach Durchfluss durch den zweiten Wärmeübertrager 107 wird das immer noch verdichtete Kältemittel am Expansionsventil 127 entspannt und kühlt sich dabei ab. Das Kältemittel fließt im Heizbetrieb dann weiter durch den ersten Wärmeübertrager 105 und von dort wieder zum Verdichter 116.
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Das selektive Zuschalten des dritten Wärmeübertragers 111 im Heizbetrieb ermöglicht ein energieeffizientes Vorwärmen der Außenluft. Die einströmende, bzw. durch den Zuluftventilator 108 angesaugte Außenluft wird unmittelbar beim Eintritt in den Zuluftkanal 130 vorgewärmt. Damit soll erreicht werden, dass der überwiegende Teil des Zuluftkanals 130 auf einer Mindesttemperatur liegt und dadurch die gesamte Konvektoreinheit 151 nur unwesentlich abgekühlt wird. Aus gleichem Grund wird bevorzugt der erste Wärmeübertrager 105 auch kurz vor der Fortluftklappe 106 angeordnet, sodass auch der Abluftkanal 140 überwiegend auf einer mittleren bis hohen Temperatur liegt. Damit befindet sich insgesamt die Konvektoreinheit 151, die sich innerhalb des Gebäudes (des zu klimatisierenden Innenraums) befindet, auf einer Temperatur oberhalb der Außenlufttemperatur.
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Insbesondere bei sehr geringen Außenlufttemperaturen unterhalb von 0°C ist das Vorwärmen der Außenluft durch den dritten Wärmeübertrager 111 von Vorteil, da die einströmende Außenluft auf Temperaturen oberhalb von 0°C erwärmt wird und so ein eventuelles Verreisen einzelner Elemente unterbunden wird.
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Aus dem Vergleich der 1 und 2 ist erkennbar, dass der Kältemittelkreislauf zwei Expansionsventile 124 und 127 aufweist. Jedoch wird immer nur eines der beiden Expansionsventile 124, 127 vom Kältemittel durchströmt. Im Heizbetrieb ist dazu das Rückschlagventil 126 geöffnet und die Rückschlagventile 119 und 128 geschlossen. Durch das geöffnete Rückschlagventil 126 wird ein Bypass zur Umgehung des Expansionsventils 124 über den Sammler 120, den Filtertrockner 121, das Schauglas sowie das Magnetventil 123 zum Expansionsventil 124 gebildet. Im Kühlbetrieb sind dagegen das Rückschlagventil 126 und das Magnetventil 123 geschlossen, dagegen das Rückschlagventil 128 geöffnet. Das geöffnete Rückschlagventil 128 bildet somit einen Bypass zur Umgehung des Expansionsventils 127. Das verdichtete Kältemittel kann somit nur am Expansionsventil 124 entspannen. Gleichzeitig wird durch das geöffnete Expansionsventil 124 ein Zugang über den Sammler 120, Filtertrockner 121 und Schauglas 122 zum Expansionsventil 124 ermöglicht.
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Der Kältemittelkreislauf verfügt weiterhin über einen Flüssigkeitsabscheidung 117, welcher dem Verdichter 116 strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Damit soll sichergestellt werden, dass nur gasförmiges Kältemittel durch den Verdichter 116 verdichtet wird. Der Eingang und der Ausgang des Flüssigkeitsabscheider sind in den 1 und 2 mit IN und OUT bezeichnet.
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Die 3 bis 6 zeigen den Aufbau des Klimageräts 100. 3 zeigt dabei eine Ansicht von vorn, jedoch ohne Abdeckungen und Blenden. Darüber hinaus ist in 3 der Kältemittelkreislauf für den Heizbetrieb angedeutet. Die Außenluftseite ist bei dem Klimagerät der 3 im unteren Bereich des Gehäuses 150 angeordnet. Die Einlässe für die Abluft und die Außenluft liegen jedoch auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 150, wobei die zur Innenluftseite weisende Seite als Vorderseite und die zur Außenluftseite weisende Seite als Rückseite des Gehäuses 150 bezeichnet wird. Die Abluftöffnung liegt daher auf der Vorderseite des Gehäuses 150, während die Außenluftöffnung bzw. ein Stutzen zum Anschließen einer Zuführung von Außenluft zum Klimagerät 100 auf der Rückseite des Gehäuses 150 angeordnet ist.
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Die Zuluftöffnung befindet sich an der Oberseite des Klimageräts 100, während die Fortluftöffnung bzw. ein Stutzen zum Anschließen einer Abführung der Fortluft nach außen im oberen Bereich an der Rückseite des Gehäuses 150 vorgesehen ist.
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Der Zuluftkanal 130 wird in 3 vom linken Gehäuseteil gebildet, während der Abluftkanal 140 vom rechten Gehäuseteil gebildet wird. Wird das Klimagerät 100 vollständig nicht im Umluftbetrieb betrieben, sind die raumseitige Umluftklappe 102 und die außenseitige Umluftklappe 110 geschlossen. Dadurch wird der Zugang zum jeweiligen ersten und zweiten Umluftbypass 114, 115 versperrt. Dagegen sind die raumseitige Umluftklappe 109 und die außenseitige Umluftklappe 103 geöffnet. Außerdem ist die Umluftklappe 103a geöffnet. Diese ist in 6 gezeigt. Die Luft kann daher nur im jeweiligen Kanal (Zuluftkanal oder Abluftkanal) verbleiben und strömt senkrecht von unten nach oben.
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Im Umluftbetrieb werden dagegen die raumseitige Umluftklappe 102 und die außenseitige Umluftklappe 110 geöffnet. Gleichzeitig werden die außenseitige Umluftklappe 103, die raumseitige Umluftklappe 109 und die Umluftklappe 103a geschlossen. Durch das Öffnen der Umluftklappe 110 gelangt nun Außenluft in den zweiten Umluftbypass 115, der sich an der Rückseite des Klimageräts 100 horizontal erstreckt und vom linken zum rechten Gehäuseteil führt. Da die Umluftklappe 109 geschlossen ist, kann die Außenluft im Zuluftkanal 130 nicht mehr zum Zuluftventilator 108 strömen. Aus dem zweiten Umluftbypass 115 strömt dann die Außenluft zum Abluftventilator 104 und wird von diesem als Fortluft nach draußen transportiert. Da die Umluftklappe 103a geschlossen ist, gelangt im Abluftkanal keine Abluft mehr zum Abluftventilator 104. Die Abluft strömt dagegen durch die geöffnete Umluftklappe 102 zum Zuluftventilator 108, und wird von diesem als Zuluft an den Innenraum abgegeben. Die geschlossene Umluftklappe 109 verhindert, dass Außenluft zum Zuluftventilator 108 gelangen kann.
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Der Luftstrom des raumseitigen Umluftbetriebs ist in 3 mit einem Pfeil mit gestrichelter Linie dargestellt. Dagegen ist der außenseitige Umluftbetrieb in 3 mit einem Pfeil mit gepunkteter Linie dargestellt.
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Die 4 zeigt eine Ansicht aus Sicht des in 3 angedeuteten Schnitts AA, die 5 dagegen eine Ansicht aus Sicht des Schnitts BB, jeweils in Richtung zur Mitte des Klimageräts.
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In 4 und 5 ist der Luftstrom im Zuluftkanal 130 und Abluftkanal 140 bei geschlossenem ersten und zweiten Umluftbypass 114, 115 gezeigt.
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Wie in 3 erkennbar, ist im Gehäuse 150 kein Luft-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Der Zuluftkanal 130 und der Abluftkanal 140 kreuzen sich daher nicht, wie bei Konvektoreinheiten, die einen Luft-Luft Wärmeübertrager aufweisen. Durch Weglassen des Luft-Luft-Wärmeübertragers wird zusätzlicher Bauraum bereitgestellt, der für die Aufnahme des dritten Wärmeübertragers 111 sowie der Versorgungseinheit 152 genutzt werden kann, ohne dass die Außendimensionen des Gehäuses 150 vergrößert werden müssen.
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Das Gehäuse 150 kann einteilig aufgebaut sein und einen gemeinsamen Innenraum für die Unterbringung der Konvektoreinheit 151 und der Versorgungseinheit 152 bilden. Der Innenraum ist typischerweise unterteilt, um den Zuluftkanal 130 und den Abluftkanal 140 sowie den ersten Umluftbypass 114 und den zweiten Umluftbypass 115 räumlich voneinander zu trennen.
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Alternativ ist es möglich, dass das Gehäuse 150 ein erstes Gehäuseteil für die Konvektoreinheit 151 und ein dazu separates zweites Gehäuseteil für die Versorgungseinheit 152 aufweist. Das zweite Gehäuseteil kann beispielsweise an einer Seite des ersten und typischerweise deutlich größeren Gehäuseteils angeordnet und mit diesem verbunden sein. In diesem Fall sind die von der Versorgungeinheit 152 zu den Wärmeübertragern 105, 107 und 111 führenden Leitungen für das Kältemittel an geeigneten Schnittstellen miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, dass das zweite Gehäuseteil, das die Versorgungseinheit 152 beherbergt, vom ersten Gehäuseteil entfernt werden kann.
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Das Klimagerät 100 lässt sich beispielsweise im zu klimatisierenden Innenraum an der Außenwand unterhalb eines Fensters montieren, wobei lediglich durch die Außenwand Öffnungen für die Fortluft und die Außenluft geschaffen werden müssen. An der Außenseite der Außenwand muss dagegen kein weiteres Gerät installiert werden. Die Luftein- und Luftauslässe lassen sich architektonisch geeignet verbergen.
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Weiterhin wird lediglich ein Stromanschluss, bevorzugt ein Kleinspannungsanschluss (≤ 120 V DC), und insbesondere bevorzugt von 48 V DC, benötigt.
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Alternativ kann das Klimagerät 100 unter den Fußboden des Innenraums montiert werden, sofern dort ausreichend Platz für die Unterbringung des Klimageräts 100 ist. Ebenfalls ist es möglich, dass Klimagerät 100 zwischen der Zimmerdecke und der Geschossdecke des Gebäudes zu befestigen. Für die verschiedenen Anbringungsorte verfügt das Gehäuse über geeignete Befestigungsschnittstellen.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird eine weitere Ausführungsform erläutert. Diese unterscheidet sich von der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform dahingehend, dass der Kältemittelkreislauf nur mit dem ersten Wärmeübertrager 105 und dem zweiten Wärmeübertrager 107 strömungstechnisch verbunden ist. Der dritte Wärmeübertrager 111 ist dagegen mit einem zum Kältemittelkreislauf separaten Abwärmekreislauf verbunden. Die Konvektoreinheit der 7 entspricht allerdings der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform, weswegen deren erneute Beschreibung hier weggelassen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente.
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Da der dritte Wärmeübertrager 111 nicht mehr mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist, verfügt der Kältemittelkreislauf auch nicht mehr über die Ventileinheit 125.
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Der dritte Wärmeübertrager 111 ist mit einer Brennstoffzelleneinheit 170 verbunden, insbesondere mit einem Wasseranschluss 175 der Brennstoffzelleneinheit 170. Die Brennstoffzelleneinheit 170 weist eine Brennstoffzelle 171, bevorzugt eine PEM-Brennstoffzelle (Polymerelektrolytmembran), einen Wasserstoffspeicher 172, einen optionalen Elektrolyseur 173, bevorzugt einen PEM-Elektrolyseur, sowie einen Wärmeübertrager 174 auf. Bei dem Wärmeübertrager 174 kann es sich um einen Wasser-Wasser-Wärmeübertrager handeln. Der innenseitige Wasserkreislauf des Wärmeübertragers 174 ist insbesondere mit der Brennstoffzelle 171 und dem optionalen Elektrolyseur 173 verbunden und dient dazu, die beim Betrieb der Brennstoffzelle 171 und des Elektrolyseurs 173 anfallende Abwärme abzutransportieren. Diese Abwärme wird im Wärmeübertrager 174 auf einen außenseitigen Wasserkreislauf übertragen, der über den Wasseranschluss 175 mit dem dritten Wärmeübertrager 111 gekoppelt ist.
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Damit kann im Heizbetrieb mittels der durch die Brennstoffzelle 171 erzeugten Abwärme die in den Zuluftkanal 130 einströmende Außenluft vorgewärmt werden. Die 7 zeigt den Heizbetrieb. Im Kühlbetrieb kann der dritte Wärmeübertrager 111 beispielsweise von der Brennstoffzelleneinheit 170 durch geeignete Ventile getrennt werden.
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Die Brennstoffzelleneinheit 170 weist weiterhin einen externen Stromanschluss 177 für eine dezentrale Photovoltaikanlage auf. Der externe Stromanschluss 177 ist sowohl mit der Brennstoffzelle 171 als auch mit dem Elektrolyseur 173 elektrisch verbunden. Wird der Brennstoffzelleneinheit 170 Strom von der dezentralen Photovoltaikanlage zugeführt, so kann dieser Strom entweder vom Elektrolyseur 173 zum Spalten von Wasser, aber auch zum Betreiben des Verdichters 116, des Abluftventilators 104 und des Zuluftventilators 108 verwendet werden. Dazu weist die Brennstoffzelleneinheit 170 einen weiteren Stromanschluss 176 auf, der mit dem Verdichter 116 gekoppelt ist. Erzeugt die Brennstoffzelle 171 Strom, kann dieser über den Stromanschluss 176 ebenfalls an den Verdichter 116 sowie den Abluftventilator 104 und den Zuluftventilator 108 abgegeben werden.
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Darüber hinaus kann der Stromanschluss 176 mit einer hier nicht dargestellten Batterie zum Zwischenspeichern der elektrischen Energie verbunden sein.
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Die Brennstoffzelleneinheit 170 kann ebenfalls in das Gehäuse 150 integriert werden, insbesondere zusammen mit der Versorgungseinheit 152. Es ist jedoch auch möglich, die Brennstoffzelleneinheit 170 als modulare Einheit auszubilden, die über ein eigenes Gehäuse verfügt, das mit dem Gehäuse 150 geeignet lösbar verbunden werden kann. Alternativ ist die Brennstoffzelleneinheit 170 separat und getrennt vom von Klimagerät 100 vorgesehen. Beispielsweise kann die Brennstoffzelleneinheit 170 jeweils mit dem dritten Wärmeübertrager von zwei oder mehreren separaten Klimageräten 100 verbunden sein, die beispielsweise einen gemeinsamen Innenraum klimatisieren.
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Der dritte Wärmeübertrager 111 nutzt bei der in 7 gezeigten Ausführungsform die Abwärme der Brennstoffzelle 171 und/oder des Elektrolyseurs 173, sofern dieser vorhanden ist. Die Brennstoffzelle 171 erzeugt somit sowohl Strom als auch Wärme. Der Strom wird für den Verdichter 116 und die Ventilatoren der Konvektoreinheit verwendet, die Abwärme der Brennstoffzelle wärmt dagegen die Außenluft. Dies hat den Vorteil, dass auch bei sehr tiefen Außentemperaturen eine sichere Versorgung gewährleistet ist. Es gibt daher keine Abhängigkeit von der Außentemperatur.
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Für die Speicherung des benötigten Wasserstoffs kann als Wasserstoffspeicher 172 eine Stahlflasche vorgesehen sein, die beispielsweise unterhalb der Konvektoreinheit und der Versorgungseinheit angeordnet sein kann. Die Brennstoffzelle 171 ist typischerweise so dimensioniert, dass sie die für das Betreiben der Versorgungseinheit 152 und der Konvektoreinheit 151 erforderliche elektrische Leistung bereitstellen kann. Aufgrund der Vorerwärmung der Außenluft durch die Abwärme der Brennstoffzelle 171 kann die erforderliche Leistung der Wärmepumpe kleiner ausgelegt werden und dadurch die Leistungsaufnahme des Verdichters 116 verringert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Klimagerät
- 101
- Abluftfilter
- 102
- Umluftklappe Raumseite
- 103
- Umluftklappe Außenseite
- 103a
- Umluftklappe
- 104
- Abluftventilator
- 105
- erster Wärmeübertrager (Verdampfer/Kondensator)
- 106
- Fortluftklappe
- 107
- zweiter Wärmeübertrager (Kondensator/Verdampfer)
- 108
- Zuluftventilator
- 109
- Umluftklappe (Raumseite)
- 110
- Umluftklappe (Außenseite)
- 111
- dritter Wärmeübertrager (Heißgas)
- 112
- Außenluftfilter
- 113
- Außenluftklappe
- 114
- erster Umluftbypass (Raumseite / Innenluftseite)
- 115
- zweiter Umluftbypass (Außenluftseite)
- 116
- Verdichter
- 117
- Flüssigkeitsabscheider
- 118
- 4-Wege Umkehrventil
- 119, 126, 128
- Rückschlagventil
- 120
- Sammler
- 121
- Filtertrockner
- 122
- Schauglas
- 123
- Magnetventil
- 124, 127
- Expansionsventil
- 125
- Ventileinheit
- 130
- Zuluftkanal
- 140
- Abluftkanal
- 150
- Gehäuse
- 151
- Konvektoreinheit
- 152
- Versorgungseinheit
- 170
- Brennstoffzelleneinheit
- 171
- PEM Brennstoffzelle
- 172
- H2 Speicher
- 173
- PEM Elektrolyseur
- 174
- Wärmeübertrager Wasser/Wasser
- 175
- Wasseranschluss Konvektoreinheit
- 176
- Stromanschluss zum Verdichter
- 177
- Stromanschluss an dezentrale Photovoltaikanlage
- 201
- Innenluftseite
- 202
- Außenluftseite