DE10010022B4 - Sorptionsgestützte Klimatisierung - Google Patents
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Abstract
Klimatisierungsverfahren, welches die Schritte umfasst, dass in einem ersten Wärmetauscher (W1) ein mittels Sorptionsentfeuchtung getrockneter sowie vorgekühlter Außenluftstrom (Au) mit einem ersten flüssigen Kühlmedium (M1) gekühlt wird, dass der Außenluftstrom (Au) stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) in zwei Teilluftströme (Zu) und (By) zerlegt wird, dass der erste Teilluftstrom (Zu) dem zu klimatisierenden Bereich zugeführt wird, dass aus dem zu klimatisierenden Bereich ein Abluftstrom (Ab) abgeführt wird, dass der zweite Teilluftstrom (By) mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt wird, so dass ein Fortluftstrom (Fo) resultiert, dass der Fortluftstrom (Fo) in einem indirekten Verdunstungskühler (V1) befeuchtet wird und so eine Kühlung des ersten flüssigen Kühlmediums (M1) bewirkt, und dass das gekühlte erste flüssige Kühlmedium (M1) über einen zweiten Wärmetauscher (W2) zusätzlich den zu klimatisierenden Bereich kühlt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimatisierungsverfahren sowie eine Klimaanlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
- Bei der Klimatisierung von Gebäuden spielen wärmegetriebene Kühlprozesse eine immer stärkere Rolle. Dies gilt vor allem für südliche Klimazonen mit relativ hohem Industrialisierungsgrad, da dort durch den hohen Klimatisierungsbedarf im Sommer zur Mittagszeit sehr hohe Stromspitzen erzeugt werden. Dies gilt insbesondere für die U.S.A., Japan, Korea und Länder im Mittelmeerraum.
- Standardmäßig werden hierfür Absorptionskältemaschinen mit Arbeitsstoffen wie z. B. LiBr/Wasser eingesetzt. Diese sind als sogenannte ”Single-Effect”- und ”Double-Effect”-Maschinen erhältlich. Das Wärmeverhältnis von eingesetzter Antriebswärme zu erzeugter Nutzkälte d. h. der COP beträgt ca. 0,7 bis 0,75 für Single-Effect-Anlagen und 1,2 bis 1,25 für Double-Effect-Anlagen. Es werden auch seit geraumer Zeit ”Triple-Effect”-Maschinen entwickelt, die jedoch noch nicht über das Versuchsstadium hinausgelangt sind.
- Anlagen zur Entfeuchtung und Kühlung, d. h. zum Klimatisieren von Luft mit offenen Sorptionskreisläufen, sogenannte DCS (Desiccant Cooling Systems) sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Obwohl die grundlegenden Prozesse schon seit langem bekannt sind, z. B. der Pennington-Prozeß aus dem
US-Patent 2,700,537 A aus 1955, verfügen nach diesem Prinzip arbeitende Klimaanlagen über vernachlässigbare Marktanteile. - Das aus dem
US-Patent 2,700,537 A bekannte Pennington-DCS, welches einen sogenannten Ventilation Cycle verwendet, ist in1 schematisch dargestellt. Die warme und feuchte Außenluft wird zunächst in einem Sorptionsrad1 mit aktiviertem Sorptionsmittel in Kontakt gebracht und dadurch entfeuchtet, wobei sie sich erwärmt. Die entfeuchtete und erwärmte Luft wird dann in einem Wärmetauscher2 , z. B. in Form eines Regenerationsrades, abgekühlt. Die abgekühlte und trockene Luft wird dann in einem Verdunstungskühler3 weiter abgekühlt und befeuchtet. Die so klimatisierte Luft wird dem zu klimatisierenden Raum4 als Zuluft zugeführt. Die Abluft aus dem klimatisierten Raum4 wird in einem zweiten Verdunstungskühler5 befeuchtet und abgekühlt. Die feuchte und abgekühlte Luft aus dem zweiten Verdunstungskühler5 wird in dem Wärmetauscher2 im Gegenstrom zur Kühlung der in den Raum4 strömenden Luft genutzt. Die aus dem Wärmetauscher2 ausströmende erwärmte Luft wird mittels einer externen Wärmequelle6 weiter erwärmt und durchströmt dann das Sorptionsrad1 und aktiviert dort wieder das Sorptionsmittel, bevor sie gekühlt und befeuchtet in die Atmosphäre entlassen wird. -
DE 34 01 239 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klimatisieren von Räumen. Hierbei wird die Außenluft entfeuchtet und in einem Wärmetauscher mittels der durch Befeuchtung adiabatisch gekühlten Abluft gekühlt. -
offenbart ein Verfahren zum Klimatisieren von Räumen bei dem die Außenluft in einem Trocknungsrad entfeuchtet wird und anschließend in einem Verdunstungskühler gekühlt wird. Die Abluft kann hierbei der Außenluft vor oder nach dem Trocknungsrad zugeführt werden.WO 99/14535 A1 - Es sind auch Varianten dieses Systems bekannt, in denen das Sorptionsrad
1 als zwei diskrete Einheiten, nämlich als Sorptionsentfeuchter und Regenerator, und der Verdunstungskühler5 zusammen mit dem abluftseitigen Teil des Wärmetauschers2 als ein indirekter Verdunstungskühler ausgeführt sind. Anstelle des Ventilation Cycle kann auch ein sogenannter Recycling Cycle realisiert werden, bei welchem ein überwiegender Teil der Abluft zur zugeführten Außenluft zurückgeführt wird. Mit solchen Anlagen kann bei geeigneter Wärme- bzw. Kälterückgewinnung ein COP von beispielsweise 1,0 erreicht werden. - Sorptionsgestützte Klimaanlagen eignen sich besonders zur Abfuhr latenter Kühllasten. Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Luft sind sie zur Abfuhr sensibler Kühllasten nur eingeschränkt geeignet, d. h. die Abfuhr großer sensibler Kühllasten erfordert die Zu- und Abfuhr bzw. Umwälzung großer Luftmengen und/oder die übermäßige Herabsetzung der Zulufttemperatur. Dies erfordert einen erhöhten Aufwand für die luftführenden Leitungen, die zur Kälteverteilung im Gebäude benötigte elektrische Energie und/oder die Isolierung dieser Leitungen.
- Kühllasten können aus Gebäuden nicht nur mit Hilfe kalter Luft, sondern auch mit flüssigen Kühlmedien abgeführt werden. In zunehmendem Maße werden wasserführende Systeme eingesetzt. So wird es möglich, den Räumen nur die aus hygienischen Gründen erforderliche Luftmenge gekühlt zuzuführen. Die aus den Räumen abzuführenden Kühllasten, insbesondere die sensiblen Kühllasten, werden von Systemen aufgenommen, die durch das flüssige Kühlmedium gekühlt werden (wie Konvektoren, Kühldecken oder Bauteilkühlungen).
- Systeme, die mit sorptionsgestützter Kühlung arbeiten (Desiccant Cooling Systems), können zwar thermisch angetrieben werden und erlauben durch Nutzung von z. B. Abwärme, Kraft-Wärme-Kopplung oder Sonnenenergie, die Verwendung fossiler Energie einzusparen. Die aufgezählten Systeme erzeugen aber nur kühle Luft und können damit den Trend zu kühlmediumführenden Systemen, insbesondere zu wasserführenden Systemen, nicht unterstützen.
- Es ist auch bekannt, Desiccant Cooling Systems (DCS) mit Kompressionskältemaschinen (KKM) zu kombinieren, d. h. die im Kondensator der KKM frei werdende Wärme als Wärmequelle für das DCS zu nutzen.
- Derartige Systeme sind aus den
US-Patenten 2 186 844 A ,4 887 438 A ,5 325 676 A ,5 448 895 A und5 517 828 A bekannt. Bei diesen aus den genannten US-Patentschriften bekannten Systemen wird die Entfeuchtung nur bis zur gewünschten Luftfeuchtigkeit vollzogen und Kühlung der zu klimatisierenden Luft durch die KKM nachfolgend getrennt durchgeführt. Dieses Konzept der Trennung von Entfeuchtung und Kühlung lässt sich entsprechend auch durch Einsatz der obengenannten Flächenkühlung anstelle der Luftkühlung verwirklichen, wodurch die Frischluftzufuhr auf das durch hygienische Anforderungen bestimmte Maß reduziert werden kann, wodurch der oben angestrebte Vorteil derartiger Systeme erreicht werden kann. Ein Nachteil dieser Systeme ist jedoch im zusätzlichen Aufwand für die KKM zu sehen, die aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchung zudem störanfälliger als ein reines sorptionsgestütztes System ist. - Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die im Kondensator einer Absorptionskältemaschine frei werdende Abwärme zum Antrieb des DCS zu nutzen (siehe
DE 1 96 37 156 A1 und den darin zitierten einschlägigen Stand der Technik). Auch hier ist ein Nachteil im zusätzlichen Aufwand für die Absorptionskältemaschine zu sehen. - Es besteht daher Bedarf für ein Klimatisierungsverfahren sowie eine Klimaanlage, welche die oben beschriebenen Nachteile im Wesentlichen nicht aufweisen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher insbesondere darin, ein sorptionsgestütztes Kühlsystem so auszugestalten, dass ohne die Verwendung zusätzlicher Kältemaschinen ein gekühltes, flüssiges Medium bereitgestellt werden kann, mit welchem zusätzlich sensible Kühllasten aus dem Gebäude abgeführt werden können.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Klimatisierungsverfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Klimaanlage nach Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- In seiner Gesamtkonzeption ähnelt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Klimaanlage dem Ventilation Cycle des Standes der Technik. Allerdings bewirkt die Abzweigung eines (vorzugsweise überwiegenden) Teilluftstroms (By) vom getrockneten und vorgekühlten Außenluftstrom (Au) und dessen Mischen mit dem Abluftstrom (Ab) eine erhebliche Wirkungssteigerung des indirekten Verdunstungskühlers (V1). Hierdurch wird es möglich, dem ersten flüssigen Kühlmedium (M1) eine größere Wärmemenge als im Stand der Technik zu entziehen, so dass über einen zweiten Wärmeaustauscher (W2) sensible Kühllasten aus dem zu kühlenden Bereich abgeführt werden können. Dies bewirkt eine Reihe von Vorteilen:
Lediglich die aus hygienischen Gründen notwendige Luftmenge muss den klimatisierten Räumen zugeführt werden, so dass die Luftleitungen innerhalb des Gebäudes relativ klein ausgelegt werden können. Dieser Luftstrom bewirkt die Entfeuchtung des Gebäudes. Die sensible Kühllast, welche den Hauptteil der Gesamtkühllast darstellen kann, wird mittels dezentraler Kühleinheiten über eine Kühlmittelleitung, vorzugsweise eine Wasserleitung, mit im Vergleich zu den Luftleitungen erheblich geringerem Durchmesser und deutlich niedrigeren Kosten, aus dem Gebäude abgeführt und verbraucht weniger elektrische Hilfsenergie. - Die Temperatur der den klimatisierten Räumen zugeführten Luft liegt näher bei der Raumtemperatur, so dass sie an beliebiger Stelle zugeführt werden kann, ohne dass spezielle Maßnahmen getroffen werden müssen, wie z. B. zusätzliche Luftzirkulationsströme, welche bei Systemen des Standes der Technik erforderlich waren.
- Im Luftzufuhrstrom befindet sich kein direkter Verdunstungskühler welcher bei schlechter Wartung zu hygienischen Problemen führen könnte.
- Die gesamte benötigte Kühlleistung kann bei einem hohen COP-Wert von deutlich über 1,0 bereitgestellt werden.
- Das Verhältnis der Kühlkapazität, welche über das Kühlmedium bereitgestellt wird, zur Kühlkapazität, welche über den gekühlten Zuluftstrom bereitgestellt wird, kann leicht an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Somit eignet sich die erfindungsgemäße sorptionsgestützte Klimatisierung für die meisten Klimatisierungsanwendungen.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es zeigt:
-
1 eine DSC nach dem Stand der Technik, -
2 ein grundlegendes Diagramm einer erfindungsgemäßen Klimaanlage, -
3 ein Diagramm wie in2 , wobei zusätzlich der Sorptionsentfeuchter und ein weiterer indirekter Verdunstungskühler dargestellt sind, -
4 ein Diagramm wie in3 mit zusätzlicher vorgeschalteter Vorkühlung, -
5 ein Diagramm wie in3 , mit verstärkter Rückkühlung für hohe Außenfeuchten, -
6 ein Diagramm wie in3 , mit reduzierter Zuluftentfeuchtung für große Kühllasten im Gebäude. - Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung genauer beschrieben.
- Der mittels Sorptionsentfeuchtung getrocknete sowie vorgekühlte Außenluftstrom (Au) wird gemäß
2 durch einen ersten Wärmeaustauscher (W1) geleitet und in zwei Teilluftströme zerlegt. Der erste Teilluftstrom, der Zuluftstrom (Zu) wird dem zu klimatisierenden Bereich, z. B. einem Gebäude oder einem Teil eines Gebäudes, zugeführt. Mit diesem Zuluftstrom (Zu) werden aus dem zu klimatisierenden Bereich Kühllasten, insbesondere latente Kühllasten, abgeführt. Dieser Luftstrom wird – nach Aufnahme der besagten Kühllasten – als Abluftstrom (Ab) abgeführt. Der zweite, aus dem Außenluftstrom (Au) resultierende Teilluftstrom (By) (”Bypass”), wird mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt. Der daraus resultierende gemeinsame Strom, der Fortluftstrom (Fo), durchströmt den indirekten Verdunstungskühler (V1). In diesem Verdunstungskühler wird eine Verdunstung des Kühlwassers bewirkt. Gleichzeitig wird der Fortluftstrom (Fo) befeuchtet und durch die Verdunstungskälte abgekühlt. Somit wird eine Abkühlung des ersten flüssigen Kühlmediums (M1), welches sich im geschlossenen Kreislauf befindet, bewirkt. Dieses Medium (M1) durchströmt zunächst den zweiten Wärmetauscher (W2), der sich in dem zu klimatisierenden Bereich befindet. Dieser Wärmetauscher (W2) kann in Form von Kühldecken, Konvektoren oder Bauteilkühlung realisiert sein. Auch Ventilator-/Kühlschlangen-Systeme kommen in Frage. Dieser zweite Wärmetauscher (W2) führt aus dem zu klimatisierenden Bereich sensible Kühllasten ab. Das erste flüssige Kühlmedium (M1) wird anschließend zum ersten Wärmetauscher (W1) geführt, in welchem es die bereits beschriebene Kühlung des Außenluftstroms (Au) bewirkt, und wird anschließend zum indirekten Verdunstungskühler (V1) im geschlossenen Kreislauf zurückgeführt. - In
3 wird die mittels Sorptionsentfeuchtung bewirkte Trocknung sowie die Vorkühlung des Außenluftstroms (Au) im Sorptionsentfeuchter (A) dargestellt. Der Außenluftstrom (Au) durchströmt den Sorptionsentfeuchter (A), in welchem er in direktem Kontakt Feuchtigkeit an eine konzentrierte wässrige, hygroskopische Lösung abgibt. Bei dieser Lösung kann es sich beispielsweise um eine wässrige Lösung von LiCl, LiBr, LiI, Calciumchlorid, Calciumnitrat, Calciumchlorid/Calciumnitrat-Mischungen oder Triethylenglykol handeln. Die durch die Sorptionsentfeuchtung verdünnte wässrige hygroskopische Lösung kann anschließend einer hier nicht dargestellten Regenerationseinheit zugeführt werden, in welcher ihre ursprüngliche Konzentration durch eine mittels thermischer Energie bewirkten Aufkonzentrierung wiederhergestellt wird. Diese thermische Energie kann beispielsweise aus Solaranlagen, wie z. B. Solarkollektoren, oder auch aus Abwärme oder Kraft-Wärme-Kopplung etc. stammen. Die so aufkonzentrierte wässrige, hygroskopische Lösung kann anschließend erneut dem Sorptionsentfeuchter (A) zugeführt werden. Die in diesem Sorptionsentfeuchter (A) bewirkte Kondensation von Luftfeuchtigkeit bewirkt eine Freisetzung von wärme. Um ein Ansteigen der Temperatur des Außenluftstroms (Au) zu vermeiden, wird dieser Sorptionsentfeuchter (A) mittels eines zweiten flüssigen Kühlmediums (M2) gekühlt. Dieses wird zu diesem Zweck im geschlossenen Kreislauf durch den indirekten Verdunstungskühler (V2) geführt, in welchem der Fortluftstrom (Fo) durch Kühlwasser befeuchtet und somit weiter abgekühlt wird; diese Abkühlung bewirkt somit die notwendige Kühlung des im geschlossenen Kreislauf geführten zweiten flüssigen Kühlmediums (M2). - Eine Variante der vorstehend beschriebenen Klimaanlage für Klimate mit hohen Außentemperaturen ist in
4 dargestellt. Hier wird der Außenluftstrom (Au) zunächst in einem zusätzlichen Wärmetauscher (W3) unter Verwendung des zweiten flüssigen Kühlmediums (M2) gekühlt, bevor er im Sorptionsentfeuchter (A) entfeuchtet wird. Mit Klimaanlagen dieser Bauart können COP-Werte von typischerweise ca. 1,3 erreicht werden. -
5 beschreibt eine Variante der oben beschriebenen Klimaanlage, welche sich besonders für feuchte Klimate eignet. In dieser Variante wird eine verstärkte Rückkühlung im indirekten Verdunstungskühler (V2) dadurch realisiert, dass der Fortluftstrom (Fo) durch einen weiteren Außenluftstrom (Au2) verstärkt wird und somit eine verstärkte Kühlung des zweiten flüssigen Kühlmediums (M2) bewirkt. - Gerade dann, wenn große Kühllasten aus dem Gebäude abgeführt werden sollen, kann es vorkommen, dass der getrocknete und gekühlte Zuluftstrom (Zu) eine zu geringe, für eine Komfortkühlung nicht mehr akzeptable Luftfeuchtigkeit aufweist. In diesem Falle kann, wie in
6 dargestellt, eine reduzierte Zuluftentfeuchtung dadurch erreicht werden, dass dem getrockneten und gekühlten Zuluftstrom (Zu) ein weiterer nicht getrockneter Zuluftstrom (Zu2) beigemischt wird, welcher im zusätzlichen Wärmetauscher (W4), welcher mit dem ersten flüssigen Kühlmedium (M1) betrieben wird, gekühlt wird.
Claims (10)
- Klimatisierungsverfahren, welches die Schritte umfasst, dass in einem ersten Wärmetauscher (W1) ein mittels Sorptionsentfeuchtung getrockneter sowie vorgekühlter Außenluftstrom (Au) mit einem ersten flüssigen Kühlmedium (M1) gekühlt wird, dass der Außenluftstrom (Au) stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) in zwei Teilluftströme (Zu) und (By) zerlegt wird, dass der erste Teilluftstrom (Zu) dem zu klimatisierenden Bereich zugeführt wird, dass aus dem zu klimatisierenden Bereich ein Abluftstrom (Ab) abgeführt wird, dass der zweite Teilluftstrom (By) mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt wird, so dass ein Fortluftstrom (Fo) resultiert, dass der Fortluftstrom (Fo) in einem indirekten Verdunstungskühler (V1) befeuchtet wird und so eine Kühlung des ersten flüssigen Kühlmediums (M1) bewirkt, und dass das gekühlte erste flüssige Kühlmedium (M1) über einen zweiten Wärmetauscher (W2) zusätzlich den zu klimatisierenden Bereich kühlt.
- Klimatisierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung und Vorkühlung des Außenluftstroms (Au) in einem stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) angeordneten Sorptionsentfeuchter (A) erfolgt, der durch ein zweites flüssiges Kühlmedium (M2) gekühlt wird, welches seinerseits in einem weiteren, stromabwärts vom indirekten Verdunstungskühler (V1) angeordneten weiteren, indirekten Verdunstungskühler (V2) gekühlt wird.
- Klimatisierungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenluftstrom (Au) in einem stromaufwärts vom Sorptionsentfeuchter (A) angeordneten weiteren Wärmetauscher (W3) mit dem zweiten flüssigen Kühlmedium (M2) gekühlt wird.
- Klimatisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Außenluftstrom (Au2) zwischen den beiden indirekten Verdunstungskühlern (V1) und (V2) zum Fortluftstrom (Fo) zugemischt wird.
- Klimatisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) ein nicht getrockneter, in einem weiteren Wärmetauscher (W4) gekühlter, zusätzlicher Zuluftstrom (Zu2) zum Teilluftstrom (Zu) gemischt wird.
- Klimaanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin in einem ersten Wärmetauscher (W1) ein mittels Sorptionsentfeuchtung getrockneter sowie vorgekühlter Außenluftstrom (Au) mit einem ersten flüssigen Kühlmedium (M1) gekühlt wird, der Außenluftstrom (Au) stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) in zwei Teilluftströme (Zu) und (By) zerlegt wird, der erste Teilluftstrom (Zu) dem zu klimatisierenden Bereich zugeführt wird, aus dem zu klimatisierenden Bereich ein Abluftstrom (Ab) abgeführt wird, der zweite Teilluftstrom (By) mit dem Abluftstrom (Ab) gemischt wird, so dass ein Fortluftstrom (Fo) resultiert, der Fortluftstrom (Fo) in einem indirekten Verdunstungskühler (V1) befeuchtet wird und so eine Kühlung des ersten flüssigen Kühlmediums (M1) bewirkt, und das gekühlte erste flüssige Kühlmedium (M1) über einen zweiten Wärmetauscher (W2) zusätzlich den zu klimatisierenden Bereich kühlt.
- Klimaanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung und Vorkühlung des Außenluftstroms (Au) in einem stromaufwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) angeordneten Sorptionsentfeuchter (A) erfolgt, der durch ein zweites flüssiges Kühlmedium (M2) gekühlt wird, welches seinerseits in einem weiteren, stromabwärts vom indirekten Verdunstungskühler (V1) angeordneten weiteren indirekten Verdunstungskühler (V2) gekühlt wird.
- Klimaanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenluftstrom (Au) in einem stromaufwärts vom Sorptionsentfeuchter (A) angeordneten weiteren Wärmetauscher (W3) mit dem zweiten flüssigen Kühlmedium (M2) gekühlt wird.
- Klimaanlage nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Außenluftstrom (Au2) zwischen den beiden indirekten Verdunstungskühlern (V1) und (V2) zum Fortluftstrom (Fo) zugemischt wird.
- Klimaanlage nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts vom ersten Wärmetauscher (W1) ein nicht getrockneter, in einem weiteren Wärmetauscher (W4) gekühlter, zusätzlicher Zuluftstrom (Zu2) zum Teilluftstrom (Zu) gemischt wird.
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