CH697104A5 - Verfahren zum Kühlen eines Zuluftstroms für einen Raum. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen eines Zuluftstroms für einen Raum durch einen Abluftstrom, welcher über einen Plattenwärmeaustauscher zurückgeführt wird, wobei stromauf so viel Wasser in die Abluftkanäle gesprüht wird, dass die Flächenelemente des Plattenwärmeaustauschers stets feucht bleiben, jedoch praktisch kein Wasser abtropft.

[0002] Zur Klimatisierung von Wohn-, Arbeits- und Lagerräumen sowie von temperaturempfindlichen Objekten werden je nach Empfindlichkeitsstufe Heiz- und/oder Kühlanlagen eingesetzt, welche jedoch nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen einen verhältnismässig hohen Energieverbrauch verursachen. Im Rahmen zunehmend scharfer ökologischer Rahmenbedingungen, gepaart mit verhältnismässig hohen Energiekosten, hat das Recyclingprinzip auch auf diesem Gebiet Einzug gehalten.

   Die Abluft wird je nach Jahreszeit zum Vorkühlen oder Vorwärmen des Aussenluftstroms - nach dem Plattenwärmeaustauscher Zuluft genannt - eingesetzt. Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades werden der Zuluft- und der Abluftstrom bei strikter Trennung mit möglichst grossen Austauschflächen durcheinander hindurchgeführt. Die dazu häufig eingesetzten Plattenwärmeaustauscher arbeiten nach dem Gegenstromprinzip oder bevorzugt nach dem Kreuzstromprinzip.

[0003] Ein Plattenwärmeaustauscher für Lüftungsanlagen wird beispielsweise in der EP A2 04 49 783 beschrieben. Dieser Wärmeaustauscher besteht aus mittels eingelegter oder ausgeformter Distanzhalter in Abstand aufeinandergestapelten, formgleichen Flächenelementen.

   Dieser Kreuzstromwärmeaustauscher erlaubt dank der dünnen Flächenelemente und der in der Regel nur etwa 2 bis 15 mm breiten Zwischenräume eine wirkungsvolle Wärmeübertragung der beiden sich kreuzenden Luftströme. Die beispielsweise etwa 0,1 bis 0,5 mm dicken Folien bestehen vorzugsweise aus einem die Wärme gut leitenden Metall, wie Aluminium oder Stahl, jedoch auch aus mechanisch festem Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff.

[0004] Es ist auch an sich bekannt, die Abkühlung der in einen Plattenwärmeaustauscher eingeleiteten Aussenluft durch die Einwirkung von Leitungswasserdüsen zu verbessern. Die Besprühung erfolgt bevorzugt auf der Ablufteintrittsseite. Ein Sprühkegel ist auf die Flächenelemente gerichtet, das Sprühwasser tropft auf der Austrittsseite der Abluft ab, wird aufgefangen und in der Regel in einem Kreislaufsystem zurückgepumpt.

   Durch Wärmekonvektion und teilweise Verdunstung des Wassers werden die Flächenelemente gekühlt und dem auf der anderen Seite der Flächenelemente kreuzenden Aussenluftstrom Wärme entzogen, ohne dass dessen Feuchtigkeitshaushalt beeinflusst wird.

[0005] In der EP 0 800 641 B1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, welche eine namhafte Erhöhung des Wirkungsgrads des eingesetzten Kühlwassers erlauben. Benetzungsdüsen sprühen in gleichen Zeitintervallen stromauf einen feinen Sprühstrahl von aufbereitetem Wasser in die Abluft-Strömungskanäle des Plattenwärmeaustauschers. Die Menge des Sprühwassers ist so dosiert, dass praktisch kein aufgesprühtes Wasser abtropft, die abluftbestrichenen Flächenelemente jedoch bis zum nächsten Besprühen feucht bleiben.

   Am Ende einer täglichen Kühlperiode sprühen Ausschwemmdüsen ebenfalls stromauf einen harten Sprühstrahl von Leitungswasser in die Abluft-Strömungskanäle des Plattenwärmeaustauschers, welcher so gereinigt wird. Ein entsprechendes "softcool"-System wird von der Firma polybloc AG, CH-8404 Winterthur, angeboten.

   Es werden verschiedene Typen von Kreuzstrom-Plattenwärmeaustauschern hergestellt, auch mit einem integrierten Bypass zur Leistungsregelung und/oder Verminderung des Druckabfalls im Zuluftstrom.

[0006] Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, das eingangs beschriebene Verfahren zum Kühlen eines Zuluftstroms für einen Raum durch einen Abluftstrom weiter zu verbessern und insbesondere auf einfache Weise den Wirkungsgrad zu erhöhen.

[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Abluftstrom, welcher durch die mit Wasser besprühten Abluftkanäle des Plattenwärmeaustauschers zurückfliesst, mit Bezug auf den Zuluftstrom reduziert wird. Spezielle und weiterbildende Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.

[0008] Bisher üblich sind der Zuluft- und der Abluftstrom volumenmässig gleich gross.

   Erfindungsgemäss lässt sich die Kühlleistung des Systems signifikant steigern, wenn das Volumen des Abluftstroms gegenüber dem Zuluftstrom merklich gesenkt wird. Vorzugsweise wird der durch die mit Wasser besprühten Abluftkanäle des Plattenwärmeaustauschers zurückgeführte Abluftstrom um wenigstens 50% reduziert. Versuche haben gezeigt, dass optimale Ergebnisse erzeugt werden können, wenn der durch die besprühten Abluftkanäle zurückgeführte Abluftstrom volumenmässig um 70 bis 80%, vorzugsweise um etwa 75% reduziert wird. Zuluft und Abluft werden vorzugsweise im Kreuzstrom durch einen Plattenwärmeaustauscher geführt. Mit dieser Reduktion des Abluftstroms auf volumenmässig etwa 25% des Zuluftstroms wird ein derart hoher Wirkungsgrad erreicht, dass die Aussenluft 2 bis 3 deg.

   C mehr als bei gleich grossem Zuluft- und Abluftvolumenstrom abgekühlt wird.

[0009] Neben der erhöhten Kühlleistung ergibt sich bei einem reduziert durch die besprühten Abluftkanäle des Plattenwärmeaustauschers zurückgeführten Abluftstrom auch ein erheblich geringerer Druckverlust und damit eine spürbare Reduktion des Stromkonsums während des Kühlbetriebs im Sommer.

   Der Winterbetrieb zum Heizen des Zuluftstroms ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

[0010] Ein sauberer Abluftstrom, beispielsweise die Abluft aus bewohnten Räumen, kann teilweise direkt in die Atmosphäre abgelassen werden, beispielsweise über eine Verzweigung mit einer regulierbaren Luftklappe.

[0011] In der Regel wird die Abluft jedoch über einen am Plattenwärmeaustauscher vorbeiführenden Bypass zurückgeleitet und wo nötig zusammen mit der Abluft des Plattenwärmeaustauschers als gesamte Fortluft durch eine Reinigungsanlage geführt. Auch hier erfolgt die Umleitung eines Teils der Abluft über den Bypass selbstverständlich kontrolliert, wiederum vorzugsweise mit einer Verzweigung und einer regulierbaren Luftklappe.

   Die Abluftleitung kann um den Plattenwärmeaustauscher herum geführt werden, bevorzugt ist jedoch der Plattenwärmeaustauscher so konzipiert, dass der Bypass im selben Gehäuse integriert ist. Zweckmässig sind Eintrittsklappen für die besprühten Abluftkanäle und den Bypass so angeordnet, dass sie miteinander kombiniert betätigbar sind. Mit anderen Worten wird beispielsweise der Bypass in gleichem Masse geöffnet, wie die Abluftkanäle geschlossen werden. Ähnlich konzipierte Plattenwärmeaustauscher sind an sich bekannt, sie werden jedoch - wie bereits erwähnt - nur für die Leistungsregelung mit Bezug auf den Zuluftstrom eingesetzt.

[0012] Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert.

   Es zeigen schematisch:
<tb>Fig. 1<sep>eine Prinzipskizze einer Verdunstungskühlung mit reduziertem sauberem Abluftstrom,


  <tb>Fig. 2<sep>eine Variante von Fig. 1 mit einem teilweise über einen Bypass geleiteten Abluftstrom,


  <tb>Fig. 3<sep>eine Variante von Fig. 2 mit in den Plattenwärmeaustauscher integriertem Bypass,


  <tb>Fig. 4<sep>eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses mit einem Plattenwärmeaustauscher,


  <tb>Fig. 5<sep>eine Variante gemäss Fig. 4 mit diagonal eingesetztem Plattenwärmeaustauscher, und


  <tb>Fig. 6<sep>ein Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft.

[0013] In Fig. 1 ist ein an sich bekannter Plattenwärmeaustauscher 10 mit vertikal gestellten, parallelen Flächenelementen 36 (Fig. 4) dargestellt. Ein Abluftstrom 12 wird bei einer vollständig geschlossenen Luftklappe 14 ausschliesslich durch den Plattenwärmeaustauscher 10 geleitet, aus welchem er als Fortluftstrom 16 austritt. Auf der Eintrittsseite des Abluftstroms 12 ist eine wandernde Düsenleiste 18 mit drei als Flachstrahldüsen ausgebildeten Benetzungsdüsen 20 geringer Leistung angeordnet, welche je einen Sprühkegel von Wasser 32 in die Eintrittsöffnungen der Abluftkanäle 42 (Fig. 4) des Plattenwärmeaustauschers 10 spritzen.

   Bei jeder Benetzungsdüse 20 ist eine weitere Flachstrahldüse grosser Leistung, eine Ausschwemmdüse 22, zur Reinigung des Plattenwärmeaustauschers 10 angeordnet, welche letzteren Düsen 22 jedoch keine erfindungswesentliche Rolle spielen.

[0014] Ein Aussenluftstrom 24 fliesst bezüglich des Abluftstroms 12 kreuzweise durch den Plattenwärmeaustauscher 10 und wird dort beispielsweise von etwa 32 deg. auf etwa 22 deg. C abgekühlt, der Aussenluftstrom 24 wird zum Zuluftstrom 26 für einen Raum 28. Nach einiger Zeit, beispielsweise nach 5 bis 10 Minuten, hat die Zuluft 26 den Raum 28 durchquert und wird als erwärmter Abluftstrom 12 mit einer Temperatur von beispielsweise etwa 26 deg.

   C dem Plattenwärmeaustauscher 10 zugeführt, dort wie vorstehend beschrieben mit Sprühwasser 32 gekühlt und als Fortluft 16 abgeleitet.

[0015] Da es sich bei der Abluft 12 lediglich um verbrauchte Atemluft handelt, hat der Abluftstrom 12 unmittelbar nach dem Raum 28 eine Verzweigungsleitung 30 mit der Luftklappe 14. Die Verzweigungsleitung 30 und die Luftklappe 14 sind so dimensioniert, dass sie den grösseren Teil des Abluftstroms übernehmen und ableiten können. Erfindungsgemäss wird die Luftklappe 14 so geöffnet, dass mindestens 50% der Abluft 12 des Raums 28 über die Verzweigungsleitung 30 abfliessen, vorliegend etwa 75%.

[0016] Der reduzierte Abluftstrom 12 erbringt im Plattenwärmeaustauscher 10 eine wesentlich bessere Kühlleistung als der volle Abluftstrom.

   Das von den Benetzungsdüsen 20 auf die Flächenelemente 36 (Fig. 4) gesprühte Wasser 32 kann besser verdampft werden.

[0017] In der Ausführungsform nach Fig. 2 wird die über die Verzweigungsleitung 30 entsprechend der Stellung der Luftklappe 14 abgezweigte Abluft 12 nicht in die Atmosphäre abgelassen, sondern über einen Bypass 34 um den Plattenwärmeaustauscher 10 herum geführt und wieder dem Fortluftstrom 16 zugeführt. Auch nach dieser Variante geht der grössere Teil der Abluft durch den Bypass 34.

   Dadurch wird der gleiche verbesserte Kühlungseffekt wie in Fig. 1 erzielt.

[0018] Die Ausführungsform nach Fig. 2 kann für alle Abluftqualitäten eingesetzt werden, insbesondere für kontaminierte Abluft 12, welche nach Ausführungsform nach Fig. 1 separat behandelt werden müsste.

[0019] In der Ausführungsform nach Fig. 3 verlaufen die Flächenelemente 36 (Fig. 4) nicht parallel zur Zeichnungsebene wie in Fig. 1 und 2, sondern senkrecht dazu. Im Plattenwärmeaustauscher ist, separat abgetrennt, ein Bypass 34 für einen mittels der Luftklappe 14 einstellbaren Teil des Abluftstroms 12 vorgesehen, welcher über die Verzweigungsleitung 30 zugeführt wird. Es wird wiederum wenigstens die Hälfte des Abluftstroms 12 abgeführt.

   Der Kühlungseffekt des reduzierten Abluftstroms 12 bleibt derselbe wie in Fig. 1 und 2.

[0020] In einem quaderförmigen Rahmen 38 mit einem Gehäuse 39 gemäss Fig. 4 bilden Flächenelemente 36 in an sich bekannter Weise sich kreuzende, gegeneinander verschlossene Luftkanäle 40, 42, welche alternierend für den Aussenluftstrom 24/Zuluftstrom 26 einerseits und den Abluftstrom 12/Fortluftstrom 16 offen sind. Von oben gesehen sind die Abluftkanäle 42 geschlossen, die Zuluftkanäle 40 offen.

[0021] Durch eine Scheidewand 44 ist der Bypass 34 abgetrennt, welcher parallel zu den Luftkanälen 40, 42 verläuft.

[0022] Durch einstellbare Eintrittsklappen 46 ist der Abluftstrom 12 (Fig. 1 bis 3) durch die Abluftkanäle 42 und durch Eintrittsklappen 48 der Abluftstrom 12 durch den Bypass 34 einstellbar.

   Wenn die Eintrittsklappen 48 geschlossen und die Eintrittsklappen 46 offen sind, geht der gesamte Abluftstrom 12 durch die Abluftkanäle 42 des Plattenwärmeaustauschers. Sind die Eintrittsklappen 48 offen und die Eintrittsklappen 46 geschlossen, geht der gesamte Abluftstrom 12 durch den Bypass 34, es wird nicht gekühlt. Die optimale Einstellung der starr miteinander verbundenen Luftklappen 46, 48 kann durch Berechnungen und/oder Versuchsreihen ermittelt werden.

[0023] Nach der Variante eines Plattenwärmeaustauschers 10 gemäss Fig. 5 sind die Flächenelemente 36 und damit die Zuluftkanäle 40 und die Abluftkanäle 42 diagonal angeordnet. Es sind wiederum Eintrittsklappen 46, 48 für den Abluftstrom 12 (Fig. 1 bis 3) angeordnet.

   Die Eintrittsklappen 46 für den Bereich der Flächenelemente 36 und die Eintrittsklappen 48 für den Bypass 34 sind über eine gemeinsame Schwenkachse 50 starr miteinander verbunden. Wenn beispielsweise die Eintrittsklappen 46 teilweise geschlossen werden, werden automatisch die Eintrittsklappen 48 koordiniert geöffnet.

   In den beiden Endstellungen sind immer die einen Klappen 46 oder 48 geöffnet, die anderen Klappen 48 oder 46 geschlossen.

[0024] In Fig. 6, dem sogenannten Mollier-h-x-Diagramm für feuchte Luft, werden die Zustandsänderungen für
 einen vollständig durch den Plattenwärmeaustauscher geleiteten Abluftstrom, und
 einen zu 25% durch einen Plattenwärmeaustauscher und zu 75% durch einen Bypass geleiteten Abluftstrom dargestellt.

[0025] Für gleiche Volumenströme von Zu- und Abluft durch einen Plattenwärmeaustauscher ergibt sich für die Aussenluft der Zustandsverlauf 2, sie wird von einer Temperatur T von etwa 32 deg. C auf etwa 24 deg. C abgekühlt. Für die Abluft ergibt sich der Zustandsverlauf 1, sie wird von etwa 26 auf etwa 27 deg. C erwärmt. Die Fortluft tritt mit einer relativen Feuchte F von etwa 68% aus, ist also weit von der Sättigung entfernt.

   Die verdunstete Wassermenge W beträgt etwa 2,5 g/kg.

[0026] Wird die durch einen Plattenwärmeaustauscher geleitete Abluftmenge auf etwa 25% der Zuluftmenge reduziert, d. h. etwa 75% durch einen Bypass umgeleitet, so wird die Temperatur T gemäss dem Zustandsverlauf 3 von etwa 32 deg. C auf 21,7 deg. C erniedrigt, also etwa 2,3 deg. C mehr als bei gleichem Zuluft- und Abluftstrom gemäss dem Zustandsverlauf 2. Der Zustandsverlauf 4 für die Abluft zeigt, dass mit dem reduzierten Zuluftstrom durch den Plattenwärmeaustauscher beinahe die Sättigungsgrenze S erreicht wird. Es werden etwa 15 g/kg Wasser W verdunstet. Auch die thermische Ausnützung der Abluft erreicht einen sehr hohen Wert, wie der Zustandsverlauf 5 bezüglich der Enthalpie E zeigt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Kühlen eines Zuluftstroms (26) für einen Raum (28) durch einen Abluftstrom (12), welcher über einen Plattenwärmeaustauscher (10) zurückgeführt wird, wobei stromauf so viel Wasser (32) in Abluftkanäle (42) gesprüht wird, dass Flächenelemente (36) des Plattenwärmeaustauschers (10) stets feucht bleiben, jedoch praktisch kein Wasser abtropft, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftstrom (12), welcher durch die mit Wasser (32) besprühten Abluftkanäle (42) des Plattenwärmeaustauschers (10) zurückfliesst, mit Bezug auf den Zuluftstrom (26) reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die mit Wasser (32) besprühten Abluftkanäle (42) zurückgeführte Abluftstrom (12) um wenigstens 50% reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die mit Wasser (32) besprühten Abluftkanäle (42) zurückgeführte Abluftstrom (12) um 70 bis 80%, vorzugsweise um etwa 75%, reduziert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht über die besprühten Abluftkanäle (42) zurückgeführter Teil des Abluftstroms (12) volumenstromkontrolliert in die Atmosphäre abgelassen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht über die besprühten Abluftkanäle (42) zurückgeführter Teil des Abluftstroms (12) volumenstromkontrolliert über einen Bypass (34) geleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht über die besprühten Abluftkanäle (42) zurückgeführte Teil des Abluftstroms (12) um den Plattenwärmeaustauscher (10) herum geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der nicht über die besprühten Abluftkanäle (42) zurückgeführte Teil des Abluftstroms (12) durch wenigstens einen genannten, in den Plattenwärmeaustauscher (10) integrierten Bypass (34) geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass miteinander verbundene Eintrittsklappen (46, 48) das Verhältnis des durch die Abluftkanäle (42) des Plattenwärmeaustauschers (10) und den Bypass (34) fliessenden Abluftstroms (12) regeln.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuluft- (26) und der Abluftstrom (12) kreuzstromförmig durch den Plattenwärmeaustauscher (10) geführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Bypass (34) und durch den Plattenwärmeaustauscher (10) geführten Teile des Abluftstroms (12) nach dem Plattenwärmeaustauscher (10) vereinigt und wenn notwendig gereinigt werden.