DE102008051270A1 - Air throughflow reservoir for air treatment for buildings with heating or cooling external air for ventilation system formed in cuboid shape, limited in its longitudinal extension by air diffuser system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung von regenerativer Umgebungsenergie der Außenluft mit dem Ziel, klassische Luftaufbereitungsanlagen in der zentralen Lüftungstechnik so zu unterstützen, daß konventionell bereitgestellte Heiz- und Kühlenergie teilweise bzw. vollständig durch die Umgebungsenergie der Außenluft substituiert wird.The The invention relates to a plant for the storage of regenerative Ambient energy of the outside air with the aim of classic Air treatment plants in central ventilation technology to support that conventionally provided Heating and cooling energy partially or completely is substituted by the ambient energy of the outside air.
Aus
der
Das beschriebene Verfahren der dezentralen Klimatisierung auf Basis von Mono- bzw. Multi-Split-Anlagen ohne konventionelle Zusatzheizung besteht darin, durch Vorschalten eines luftdurchströmten Erdwärmeübertragers (EWÜ) in die Außenluftansaugung der Außeneinheit einer Splitanlage den ganzjährigen Betrieb, insbesondere den vollwertigen Wärmepumpen-Heizbetrieb zu gewährleisten und mit der apparativen Umsetzung durch entsprechende Regelung der Luftansaugung und Luftleistung und durch spezifische Ausgestaltung der Baugruppen wie Luftansaugung, Verteiler- und Sammelkanal des EWÜ und Axial- oder Radialventilator, zu vervollkommnen.The described method of decentralized air conditioning based mono or multi-split systems without conventional auxiliary heating consists in, by connecting an air-flow Erdwärmeübertragers (EWÜ) in the Außenluftansaugung the outdoor unit of a split plant the year round Operation, in particular the full heat pump heating operation to ensure and with the apparatus implementation by appropriate regulation of air intake and air flow and through specific design of assemblies such as air intake, distributor and collecting duct of the EMU and axial or radial fan, too perfect.
Das
Das System besteht aus einem unterirdisch angeordneten Wärmetauscher mit einem Wärmeübertragungsmaterial, das dazu dient, die durch den Wärmetauscher strömende und einem Gebäude zuzuführende Luft auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten. Weiterhin reinigt das System die Luft, indem Staub und andere Teilchen daraus beseitigt werden. Gleichzeitig wird die kalte, trockene Winterluft erwärmt und befeuchtet bzw. die heiße, feuchte Sommerluft gekühlt und entfeuchtet. Um ein hinreichendes Volumen zur Luftversorgung zu erhalten, können zwei oder mehrere Wärmetauscher miteinander verbunden werden. Um den freien Luftdurchsatz aufrechtzuerhalten und Pilz- und Bakterienwachstum zu beseitigen, wird das Wärmeübertragungsmaterial mittels Desinfektionsmittel und Waschlösungen periodisch gesäubert.The System consists of an underground heat exchanger with a heat transfer material that serves, which flows through the heat exchanger and air supplied to a building on a given Keep temperature level. Furthermore, the system cleans the air, by removing dust and other particles from it. simultaneously the cold, dry winter air is heated and moistened or the hot, humid summer air cooled and dehumidified. To provide a sufficient volume for air supply can receive two or more heat exchangers be connected to each other. To maintain the free air flow and to eliminate fungal and bacterial growth becomes the heat transfer material by means of disinfectant and washing solutions periodically cleaned.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorgenannte Anlagen so weiter zu entwickeln, daß bei beliebigen Außentemperaturen zentrale Lüftungsanlagen für Gebäude derart unterstützt werden, daß konventionell bereitgestellte Heiz- und Kühlenergie teilweise bzw. vollständig durch die Umgebungsenergie der Außenluft substituiert wird.Of the Invention is the object of the aforementioned facilities so on to develop that at any outdoor temperatures Central ventilation systems for buildings be supported so that conventionally provided Heating and cooling energy partially or completely is substituted by the ambient energy of the outside air.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Speicheranlage zur Luftaufbereitung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruches. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Solved The task is performed by a storage system for air treatment according to the features of the main claim. Further Embodiments are described in the subclaims.
Bei einer unter der Geländeoberkante gebauten Speicheranlage zur Luftaufbereitung für Gebäude mit Erwärmung bzw. Abkühlung der Außenluft, welche die Umweltenergie speichert bzw. abgibt und dabei tageszyklisch betrieben wird, kommt als Speichermaterial eine Gesteinsschüttung zum Einsatz, welche von der aufzubereitenden Außenluft direkt durchströmt wird. Das verwendete Speichermaterial ist vorzugsweise ein Grobschotter mit einer Korngröße von 45 bis 150 mm.at a built under the top edge storage facility for air conditioning for buildings with heating or cooling of the outside air, which is the environmental energy saves or releases and is operated daily cyclically, comes a rock bed is used as storage material, which flows directly through the outdoor air to be treated becomes. The storage material used is preferably a coarse gravel with a grain size of 45 to 150 mm.
Der Speicher ist einer zentralen Lüftungsanlage vorgeschaltet und entspricht in seiner geometrischen Form einem Quader. Das Seiten-/Längenverhältnis der rechteckigen Grundrißfläche liegt im Bereich 2:1 bis 3:1, wobei die Länge der Speicherkubatur in Strömungsrichtung definiert ist. Die Höhe des Speichers liegt im Bereich zwischen 1 und 4 m.Of the Storage is connected upstream of a central ventilation system and corresponds in its geometric form a cuboid. The aspect ratio the rectangular plan area is in the range 2: 1 to 3: 1, wherein the length of the storage chamber in the flow direction is defined. The height of the memory is in the range between 1 and 4 m.
Die optimale Speichergröße wird in Abhängigkeit zum Luftvolumenstrom und der benötigten Speicherbetriebsdauer nach dem Speicherauslegungsverfahren mit Hilfe von Auslegungsdiagrammen ermittelt.The optimal memory size is dependent to the air flow and the required storage duration according to the memory design method using design diagrams determined.
Die Strömungsrichtung der Luft innerhalb des Speichers ist in horizontaler Längsrichtung definiert. An den Stirnseiten des Speichers sind jeweils Luftverteilsysteme angeordnet, durch die die Luft in den Speicherkörper eindringt bzw. aus diesem austritt.The Flow direction of the air is within the memory defined in horizontal longitudinal direction. At the front ends the storage air distribution systems are each arranged by the air penetrates into the storage body or from this exit.
Die Wahrung der Betriebsfähigkeit erfolgt durch eine regelmäßige Regeneration des Speichers mit Außenluft. Für den Betriebs- wie Regenerationsfall liegt ein definierter Regelungsalgorithmus zugrunde, welcher die Erfassung und den Vergleich der Außenlufttemperatur zur Speicheraustrittstemperatur und zu einer Soll-Zulufttemperatur beinhaltet. Die Luftaustrittstemperaturen bzw. die Wärmeströme können mit Hilfe einer modellhaften, numerischen Simulation vorausberechnet werden.The maintenance of the operability is achieved by a regular regeneration of the memory with outside air. For the operation and regeneration case, a defined control algorithm is based, which includes the detection and comparison of the outside air temperature to the storage outlet temperature and to a desired supply air temperature. The air outlet temperatures or the heat flows can be precalculated with the aid of a model, numerical simulation.
Die mit dem luftdurchströmten Speicher aufgebaute Lüftungsanlage besteht im wesentlichen aus dem Schotterspeicher mit Luftverteilsystemen, der Außenluftansaugung, einem Bypass mit einer weiteren Außenluftansaugung, einem Zuluftventilator und einem Regenerationsventilator. Der Luftaustausch während der Regenerationsphase des Schotterspeichers erfolgt über den Bypass und den Regenerationsventilator.The ventilation system constructed with the air-flow storage consists essentially of the ballast storage with air distribution systems, the external air intake, one bypass with another Outside air intake, a supply air fan and a regeneration fan. The air exchange during the regeneration phase of the ballast storage via the bypass and the regeneration fan.
Die Vorteile der Erfindung liegen in einem relativ geringen Platzbedarf bei einfacher Installation unterhalb von Gebäudefundamenten bzw. der Erdoberfläche.The Advantages of the invention are in a relatively small footprint with simple installation underneath building foundations or the earth's surface.
Häufig kann auf die Wärmerückgewinnung vollständig verzichtet werden da durch den Erdwärmespeicher mit Schotterschüttung eine äquivalente Vorwärmung erfolgt.Often can complete the heat recovery be waived there by the geothermal energy store with ballast an equivalent preheating takes place.
Für den Kühlfall im Sommer wird neben einer Temperaturabsenkung auf übliche Zulufttemperaturen bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur auch eine Entfeuchtung erreicht. Auf maschinelle Kühlung kann in den meisten Fällen vollständig verzichtet werden.For the cooling case in the summer is next to a temperature drop to usual supply air temperatures when falling below the Dew point temperature also achieved dehumidification. On machine Cooling can be complete in most cases be waived.
Durch geeignete Auslegung der Schotterspeicher lassen sich die benötigten Leistungen zum Heizen und Kühlen an praktisch alle Anforderungen anpassen.By appropriate design of the ballast storage can be the required Heating and cooling services to virtually all requirements to adjust.
Dem jährlichen Wärme- und Kältegewinn durch den Schotterspeicher steht als energetische Aufwendung nur die durch den luftseitigen Druckverlust bedingte zusätzliche Ventilatorenantriebsenergie gegenüber.the annual heat and cold gain through the gravel storage stands as energetic expenditure only through the air-side pressure loss caused additional fan drive energy across from.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden.Based An embodiment of the invention is intended to be closer to be discribed.
Es zeigenIt demonstrate
Der
Schotterspeicher
Seine Größe ist abhängig vom Auslegungsvolumenstrom und der geforderten Speicherladedauer. Er wird unter der Geländeoberkante (GOK) ausgebaut.His Size depends on the design volume flow and the required storage loading time. He will be below the ground level (GOK) expanded.
Dabei
ist darauf zu achten, daß die gesamte Speicherkubatur oberhalb
des höchsten zu erwartenden Grundwasserspiegels liegt.
Der unterirdische Ausbau kann unter freiem Gelände wie
in
Dieses dient als Druckkammer und wird aus handelsüblichen, luftdurchlässigen Bauelementen errichtet.This serves as a pressure chamber and is made of commercially available, air-permeable Built construction elements.
Auf
seiner Oberseite wird der Schotterspeicher mit einer wasserundurchlässigen
Schutzfolie gegen eindringendes Oberflächen- oder Sickerwasser
geschützt. Die zur Belüftung des Gebäudes
benötigte Außenluft wird über eine Außenluftansaugung
Die
benötigte Energie zur Überwindung des Druckverlustes
wird durch den Zuluftventilator
Für
die Regenerierung des Schotterspeichers wird ein zusätzlicher
Regenerationsventilator
Da der Schotterspeicher zu seinen Seiten und nach unten nicht hermetisch abgedichtet wird, kann Schichtenwasser in den Speicherkörper eintreten. Die durch den wesentlich größeren Hohlraumanteil bedingte Abnahme der Oberflächenspannung des eintretenden Schichtenwassers führt zu einer Änderung der Fließrichtung. Das eintretende Schichtenwasser kann sich am Boden des Schotterspeichers ansammeln und wird dort über vorhandene, handelsübliche Drainagenrohre abgeleitet.Since the gravel storage is not hermetically sealed to its sides and down, can Layer water enter the storage body. The decrease in the surface tension of the incoming stratum water due to the significantly larger void fraction leads to a change in the direction of flow. The incoming strata water can accumulate at the bottom of the ballast storage and is discharged there via existing, commercially available drainage pipes.
In
der
Die Betriebsweise der Anlage ist abhängig vom betrachteten Außenluftzustand. Aus diesem Grund soll zwischen den Anforderungen Kühlen während der Sommerperiode, Heizen während der Winterperiode und in witterungsbedingten Übergangsperioden unterschieden werden.The Operation of the system depends on the considered Outside air condition. For that reason, between the requirements Cooling during the summer period, heating during the winter period and in weather-related transitional periods be differentiated.
Kühlen im SommerCool in the summer
Am Tag wird über die Außenluftansaugung AU 1 warme Außenluft angesaugt und durch den Schotterspeicher gefahren. Der Schotter nimmt einen Teil der Außenluftwärme auf und kühlt diese bis auf das Temperaturniveau des Schotter ab. Dabei erwärmt sich der Schotter langsam bis auf das Temperaturniveau der Außenluft. Am Ende der Auslegungsbetriebszeit ist der Schotter soweit mit Wärmeenergie der Außenluft aufgeladen, daß keine weitere sinnvolle Kühlung erzielt werden kann. Die abgekühlte Speicherluft wird ohne weitere Aufbereitung durch das zentrale Lüftungsgerät dem Gebäude zur Verfügung gestellt.At the Day is warm about the outside air intake AU 1 Aspirated outside air and driven through the ballast storage. The gravel takes part of the outside air heat and cools down to the temperature level of the ballast. During this process, the ballast slowly heats up to the temperature level the outside air. At the end of the design operating time is the Gravel so far with heat energy of the outside air charged that no more meaningful cooling can be achieved. The cooled storage air is without further processing by the central ventilation unit provided to the building.
In der Nacht wird der Schotter regeneriert. Hierzu wird über die Außenluftansaugung AU 3 kühle Nachtluft angesaugt und in umgekehrter Richtung durch den Schotterspeicher gefahren. Dabei erwärmt sich die Luft an der Schotteroberfläche und kühlt diesen bis auf Außenlufttemperaturniveau ab. Die so erwärmte Regenerationsluft wird über die Außenluftansaugung AU 1 abgefahren. Die separate Zuluftzuführung des Gebäudes wird über die Außenluftansaugung AU 2 sichergestellt. Sollte sich in der Nacht ein Lüftungswärmebedarf ergeben, so kann der Schotterspeicher auch während der Regenerationsphase als Vorwärmeanlage in Betrieb genommen werden. Die Luftführung erfolgt dann wie am Tag.In the gravel is regenerated during the night. This is about the outside air intake AU 3 sucked cool night air and driven in the opposite direction through the gravel storage. The air heats up on the gravel surface and cools it to outside air temperature level from. The thus heated regeneration air is over the outside air intake AU 1 started. The separate supply air supply the building is above the Außenluftansaugung AU 2 ensured. Should be a ventilation heat demand at night result, the gravel storage can also during the Regeneration phase as preheating plant put into operation become. The air flow is then as the day.
Heizen im WinterHeating in winter
In der Nacht wird die kalte Außenluft über die Außenluftansaugung AU 1 angesaugt und durch den Schotterspeicher gefahren. Dabei erwärmt sie sich bis auf das Temperaturniveau des Schotters (Lufttemperatur des Vortages). Anschließend wird die so vorgewärmte Luft im Lüftungsgerät auf Zulufttemperatur erwärmt und dem Gebäude zugeführt. Am Tag wird kühle Außenluft über die Außenluftansaugung AU 2 angesaugt. Diese wird im Lüftungsgerät bis auf Zuluftzustand erwärmt und dem Gebäude zugeführt. Gleichzeitig wird über den Regenerationsventilator und die Außenluftansaugung Luft über den Schotterspeicher gefahren. Dabei wird der Schotter regeneriert und auf das Temperaturniveau der Außenluft des Wintertages gebracht. Der Schotterspeicher hat durch die Nachtdurchströmung ein noch wesentlich kälteres Temperaturniveau. Die so weiter abgekühlte Regenerationsluft aus dem Schotterspeicher verläßt diesen über das Außenluftgitter AU 1.In At night, the cold outside air gets in through the outside air intake Sucked AU 1 and driven through the ballast storage. It warms up down to the temperature level of the ballast (air temperature of the previous day). Then the preheated so Air in the ventilation unit heated to supply air temperature and fed to the building. The day is cool Outside air via the outside air intake Sucked AU 2. This is up in the ventilation unit heated to supply air and fed to the building. At the same time is about the regeneration fan and the outside air intake air over the ballast storage hazards. The gravel is regenerated and at the temperature level the outside air of the winter day brought. The gravel storage has a much colder night through the flow Temperature level. The thus cooled regeneration air from the gravel storage leaves this over the outside air grille AU 1.
ÜbergangszeitTransitional period
In der Übergangsperiode ist es möglich alle vier Betriebszustände zu durchlaufen. Dies ist abhängig von der dann vorherrschenden Außentemperatur und wird durch ein spezielles Regelregime gesteuert.In In the transition period it is possible all four To go through operating states. This depends on the then prevailing outside temperature and is through controlled by a special rule regime.
Die
Regelstrategie der beschriebenen Anlage sieht dabei folgende Zustände
vor:
Während der Regenerationsphase des Schotterspeichers wird die Luftwechselrate des Gebäudes über die direkte Außenluftansaugung sichergestellt.While the regeneration phase of the ballast storage becomes the air exchange rate of the building via the direct external air intake ensured.
Die Schalthysterese wird aus ökologischer und volkswirtschaftlich ökonomischer Sicht bei einem Gütegrad von 3 definiert. Der Gütegrad der Anlage definiert sich durch das Verhältnis von zusätzlich benötigter elektrischer Leistung zu erbrachter Wärme- bzw. Kälteleistung. Da die elektrische Leistung und die Wärme- bzw. Kälteleistung exergetisch nicht vergleichbar ist, wird mit Hilfe des Primärenergiefaktors für Deutschland (2,85) eine Vergleichbarkeit aufgebaut.The Switching hysteresis becomes ecologically and economically more economical View defined at a grade of 3. The grade The system is defined by the ratio of additional required electrical power to heat produced. or cooling capacity. As the electric power and the Heating or cooling capacity exergetically not comparable is, with the help of the primary energy factor for Germany (2.85) built a comparability.
Wenn der Gütegrad der Anlage einen Wert von drei übersteigt, so ist sichergestellt, daß mehr Wärme- bzw. Kälteenergie aus der regenerativen Quelle (Schotterspeicher) gewonnen wird, als Primärenergie für die benötigte elektrische Energie benötigt wird.If the grade of the plant exceeds three, This ensures that more heating or cooling energy is obtained from the regenerative source (gravel storage), as Primary energy for the required electrical Energy is needed.
- 11
- Schotterspeicherballast store
- 22
- LufverteilsystemLufverteilsystem
- 33
- Außenluftansaugungfresh air intake
- 44
- Zuluftventilatorsupply air fan
- 55
- Regenerationsventilatorregeneration fan
- 66
- Bypassbypass
- AU 1 AU 2 AU 3AU 1 AU 2 AU 3
- Außenluftansaugungfresh air intake
- AU 1AU 1
- AußenluftgitterExternal louvres
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