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Die
Erfindung betrifft ein Klimasystem für ein Gebäude
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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WO 2007/068481 A1 beschreibt
eine Wärmepumpe nach dem Adsorber/Desorber-Prinzip, bei der
ein Stapel von jeweils ein Arbeitsmittel beinhaltenden Hohlelementen
auf einer Adsorptions/Desorptionsseite der Hohlelemente über
eine Mehrzahl von Strömungswegen von einem wärmetransportierenden
Fluid beströmbar ist. Die Strömungswege werden
durch ein Paar von zwei Rotationsventilen wechselnd zyklisch verschaltet,
wobei die große Anzahl von getrennten Strömungswegen
einen Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe verbessert. Auf einer
gegenüberliegenden Verdampfungs/Kondensationsseite der
Hohlelemente werden diese von einem zweiten Fluid, zum Beispiel
Luft, umströmt, welches ebenfalls durch ein Paar von zwei
Rotationsventilen wechselnd über die Hohlelemente geführt wird.
Eine solche Wärmepumpe liegt einem erfindungsgemäßen
Klimasystem zugrunde, dabei wird je nach Anforderungen der Erfindung
auf Detailausführungen der Wärmepumpe Bezug genommen.
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Bisher
wurden solche Wärmepumpen bedingt durch ihre aufwendige
Bauart als zentrale Großanlagen für die Gebäudeklimatisierung
erwogen, wobei die Wärmepumpe zentral, zum Beispiel in einem
Keller oder unter dem Dach des Gebäudes anzuordnen ist
und abgekühltes Wasser über ein Leitungsnetz zu
verschiedenen Heiz- bzw. Kühlstellen eines Gebäudes
geführt wird.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Klimasystem für ein
Gebäude anzugeben, das kleinbauend, insbesondere nachrüstbar
ausgebildet und bedarfsgerecht einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird für ein eingangs genanntes Klimasystem erfindungsgemäß mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch
die Ausbildung als dezentrale Baueinheit kann die Wärmepumpe ähnlich
zum Beispiel einem Fassaden- oder Fenster-Klimagerät vorgesehen
werden. Dabei konditioniert die Wärmepumpe meist nur einen oder
wenige Räume und ist in ihrer Leistung und Baugröße
entsprechend dimensioniert.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zumindest
zwei dezentral angeordnete Wärmepumpen vorgesehen. Diese
dezentralen Wärmepumpen können zum Beispiel ähnlich
einem Heizkörper an ein Fluid-Leitungssystem des Gebäudes
angeschlossen sein. Im Fall von Nachrüstungen lassen sich
eventuell auch vorhandene Rohrleitungen eines Heizungssystems hierfür
verwenden oder diese im Rahmen einer energetischen Sanierungsmaßnahme
in die außenliegende Fassadenisolierung eingebettet werden.
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In
bevorzugter Detailgestaltung ist die dezentral angeordnete Wärmepumpe
für eine Kälteleistung von nicht mehr als 10 Kilowatt,
insbesondere nicht mehr als 5 Kilowatt, in normaler Betriebsart
ausgelegt. Hierdurch wird eine flexibel installierbare, insbesondere
auch nachrüstbare Klimatisierungseinheit ermöglicht,
die insbesondere für einzelne Räume durchschnittlicher
Größe ausreichend dimensioniert ist.
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Bei
einer möglichen Ausführungsform der Erfindung
ist die Wärmesenke als luftdurchströmter Wärmetauscher
ausgebildet. In möglicher Detailgestaltung ist der Wärmetauscher
dabei als integrierte Baueinheit mit der dezentral angeordneten
Wärmepumpe ausgebildet. Bei einer solchen Bauform lässt sich
die Wärmepumpe an ein Zweileiter-System des Gebäudes
anschließen, so dass Aufwand und Kosten einer Installation
reduziert werden.
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Bei
einer allgemein bevorzugten Ausführungsform ist die dezentral
angeordnete Wärmepumpe in einem Außenwandbereich
des Gebäudes angeordnet, wobei zumindest ein mit der Wärmepumpe verbundener
Außenwanddurchbruch einen Luftaustausch mit einem Raum
des Gebäudes ermöglicht. Diese Anordnung hat den
Vorteil, dass Umluft und/oder Außenluft wahlweise oder
auch mischbar dem konditionierten Bereich zugeführt werden
können. Besonders bevorzugt umfasst die Wärmepumpe
dabei ein einstellbares Mischglied, wobei zumindest ein Luftstrom
aus der Gruppe Außenluft, Gebäudeluft oder konditionierte
Zuführluft mit einem anderen Luftstrom aus der Gruppe mischbar
ist und komplementär auf eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone
der Wärmepumpe aufteilbar ist. Hierdurch lassen sich einerseits
Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Lufterneuerungsrate im Raum
auf einfache Weise beeinflussen und der Betrieb und Wirkungsgrad
der Wärmepumpe weiter optimieren und andererseits eine
Zuluft-/Fortluft-Wärmerückgewinnung realisieren.
Bei einer vorteilhaften Detailgestaltung ist dabei das Mischglied
eingangsseitig der Wärmepumpe angeordnet.
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Bei
einer besonders einfachen und kostengünstigen Installationsart
des Klimasytems ist das Fluid über ein Zweileiter-System
mit der Wärmepumpe verbunden. Dabei wird das Zweileiter-System
im Allgemeinen zu einer von beiden, Wärmequelle oder Wärmesenke,
führen, wobei die jeweils andere lokal bzw. dezentral im
Bereich der Wärmepumpe vorgesehen ist, zum Beispiel in
Form eines außenluftbetriebenen Rückkühlers.
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In
alternativer und je nach Anforderungen bevorzugter Ausgestaltung
ist das Fluid zumindest über ein Dreileiter-System mit
der Wärmepumpe verbunden, wobei einer der Leiter zu der
Wärmequelle und ein anderer der Leiter zu der Wärmesenke
führt und wobei ein dritter Leiter einen Mitteltemperatur-Rücklauf
der Wärmepumpe ausbildet. In bevorzugter Detailgestaltung
ist dabei der dritte Leiter über einen Abzweig mit der
Wärmequelle und der Wärmesenke verbunden. Weiterhin
bevorzugt wird dabei eine räumliche Trennung der Wärmepumpe
sowohl von der Wärmequelle als auch von der Wärmesenke vorgesehen,
was die Baugröße weiter verkleinert und die Anlage
effektiver macht. Zudem kann hierdurch auf einfache Weise von einem
Kühlbetrieb auf einen Heizbetrieb der Wärmepumpe
umgestellt werden. Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Wärmepumpe
kann zudem vorgesehen sein, dass ein vierter Leiter vorgesehen ist,
der ebenfalls einen Mitteltemperatur-Rücklauf der Wärmepumpe
ausbildet, wobei insbesondere der dritte Leiter mit der Wärmequelle
und der vierte Leiter mit der Wärmesenke verbunden ist. Hierdurch
wird dem unterschiedlichen Temperaturniveau der Rückläufe
zur Wärmequelle und zur Wärmesenke Rechnung getragen,
die sich bei optimierter interner Wärmerückgewinnung
der Wärmepumpe einstellen, womit etwas höhere
Wärmeverhältnisse erreicht werden können.
Das Wärmeverhältnis einer thermisch angetriebenen
Wärmepumpe ist der Quotient aus Nutzwärme- bzw.
Kälteleistung und der benötigten Antriebswärmeleistung
und ist damit ein Maß für dessen Effizienz.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform mit zumindest drei Leitern
ist vorgesehen, dass zumindest der dritte Leiter mit einem Mitteltemperatur-Wärmespeicher
verbindbar ist. Somit lässt sich die zentral anfallende
Adsorptionswärme nutzen, die über den warmen bzw.
mitteltemperierten Rücklauf der Wärmepumpe abgeführt
wird. Ein Mitteltemperatur-Wärmespeicher in diesem Sinne
kann jede thermodynamisch sinnvolle Speicherung oder Übergabe dieser
Wärmemenge sein. Insbesondere kann er als zumindest eines
aus der Gruppe Brauchwasserspeicher oder Niedertemperaturheizung
ausgebildet sein. Unter Niedertemperaturheizung ist dabei generell
jede Art von Bauteilaktivierung des Gebäudes zu verstehen,
zum Beispiel Fußboden- oder Wandflächenheizung.
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Ganz
allgemein ist die Wärmepumpe bevorzugt so ausgelegt, dass
sie sowohl eine Kühlbetriebsart zur Kühlung von
dem Gebäude zugeführter Luft als auch eine Heizbetriebsart
zur Erwärmung von dem Gebäude zugeführter
Luft aufweist. Unter der Heizbetriebsart ist dabei bevorzugt zu
verstehe, dass nicht nur Energie der Wärmequelle in das
Gebäude abgegeben wird, sondern tatsächlich eine
zusätzliche Wärmepumpung zur Verbesserung der
Energienutzung stattfindet. Im Ergebnis wird in einem solchen Betrieb
zum Beispiel Luft nach außen geführt, die von
der Wärmepumpe mittels des Antriebs durch die Wärmequelle/Wärmesenke
unter die Außentemperatur gekühlt wurde. Die der
Außenluft entnommene Wärmemenge steht entsprechend
der Gebäudeheizung zusätzlich zur Verfügung.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist ein luftumströmter Teil der Hohlelemente mit einem
wasserspeichernden Mittel versehen. Hierdurch kann Kondenswasser, das
während eines Verdampferbetriebs des Hohlelements aus der
gekühlten Luft ausfällt, flächig verteilt gespeichert
werden, so dass es im nachfolgenden luftseitigen Kondensationsbetrieb
des gleichen jeweiligen Hohlelements wieder an die Luft abgegeben werden
kann. In üblicher Betriebsart wird das abgegebene Kondenswasser
nach außen geführt bzw. an die Außenluft
abgegeben. Insgesamt wird hierdurch ein Enthalpieübertrager
für das bei der Abkühlung der Nutzluft gebildete
Kondenswasser gebildet, mit dem ein Enthalpieaustausch zwischen
Zuluft und Fortluft aus dem zu konditionierenden Raum realisiert
werden kann. Zudem besteht der erhebliche Vorteil, dass sich an
keiner Stelle der luftseitigen Wärmepumpe eine Wassermenge über
einen längeren Zeitraum sammelt, was die Bildung von Mikroorganismen
bzw. deren geruchsintensive Stoffwechselprodukte verhindert. Typische
Zykluszeiten einer solchen Wärmepumpe liegen bei 10 Minuten,
so dass die luftumströmte Fläche eines Hohlelements
der Erfindung vereinfacht gesagt im Wechsel 5 Minuten feucht und
5 Minuten trocken ist.
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In
einfacher und bevorzugter Detailgestaltung ist das wasserspeichernde
Mittel als Rippenglied mit kapillarischen Strukturen und/oder als
hydrophile Beschichtung ausgebildet. So sind zum Beispiel herkömmliche
Kiemen-Wellrippen dazu geeignet, in den feinen Kiemenschlitzen,
die ursprünglich zur besseren Verwirbelung des Luftstroms
in Wärmetauschern vorgesehen wurden, Kondenswasser kapillarisch
zu halten. Eine mögliche Ausführungsform bestünde
also darin, herkömmliche Kiemenrippen in dem luftdurchströmten
Spalt zwischen benachbarten Hohlelementen vorzusehen, wodurch zugleich
der Wärmeübergang zwischen der Luft und den Hohlelementen
verbessert ist.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist an der Wärmepumpe ein Luftfilter
zur Filterung von Außenluft und/oder Umluft ausgebildet,
so dass Pollen, Staub u. ä. auf einfache Weise ausgefiltert
werden.
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Allgemein
kann die Wärmesenke eines erfindungsgemäßen
Klimasystems beliebig ausgebildet sein, bevorzugt zum Beispiel als
zumindest eines aus der Gruppe luftdurchströmter Wärmetauscher,
Fließgewässer, Nasskühlturm oder Erdsonde.
Ebenso kann die Wärmequelle beliebig ausgebildet sein,
insbesondere bevorzugt als zumindest eines aus der Gruppe Solarthermie-Anlage,
Fernwärmeanschluss, Heizkessel oder Blockheizkraftwerk.
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In
bevorzugter Ausführungsform der Erfindung hat die dezentrale
Wärmepumpe zumindest eine integrierte Pumpe zur Förderung
des Fluids. Somit kann bei einer parallelen Aufschaltung mehrerer Wärmepumpen
auf ein Fluidleitersystem des Gebäudes jede Wärmepumpe
eine individuelle Menge von Fluid abzweigen, ohne dass andere Wärmepumpen in
ihrem Betrieb beeinträchtigt werden. Dies wird bevorzugt
dadurch unterstützt, dass die von der Wärmequelle
und der Wärmesenke kommenden zu den Wärmepumpen
führenden zentralen Vorlaufleitungen mittels zentraler
Pumpen in Relation zum Rücklaufdruck Differenzdruck-geregelt
sind.
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Allgemein
besonders bevorzugt hat die Wärmepumpe eine elektronische
Steuerung, wobei insbesondere eine Drehgeschwindigkeit des Rotationsventils
und ein Volumenstrom des Fluids ansteuerbar regelbar sind. Insbesondere
hängen Volumenstrom und Drehgeschwindigkeit dabei über
eine feste Kennlinie zusammen. Gerade bei einer der Erfindung zugrunde
liegenden Wärmepumpe ist eine elektronische Regelung besonders
geeignet, da es in besonderem Maße auf die Optimierung
des Wirkungsgrads unter wechselnden Betriebsbedingungen ankommt.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest ein fluidseitiger Teil
der Wärmepumpe nur genau ein Rotationsventil aufweist.
Hierdurch lassen sich Baugröße, Anzahl der bewegten
Bauteile und Herstellungskosten einer Wärmepumpe reduzieren.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrads werden durch das genau eine Rotationsventil
dabei zumindest 4, insbesondere zumindest 6 separate Strömungswege
wechselnd verschaltet. In der Druckschrift
WO 2007/068481 A1 sind
im Einzelnen nur Wärmepumpen beschrieben, die sowohl fluidseitig als
auch luftseitig Paare von jeweils zwei gegenüberliegen den
Rotationsventilen aufweisen. Nachfolgend wird darüber hinaus
ein Ausführungsbeispiel angegeben, bei dem zumindest fluidseitig
nur genau ein Rotationsventil bei sonst analoger Gesamtfunktion benötigt
wird.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Klimasystems.
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2 zeigt
eine Detaildarstellung einer Wärmepumpe des Ausführungsbeispiels
aus 1.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines luftseitigen Teils der Wärmepumpe
aus 2 in einem Kühlbetrieb.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Klimasystems.
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5 zeigt
eine Detaildarstellung einer Wärmepumpe des Ausführungsbeispiels
aus 4.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines luftseitigen Teils der Wärmepumpe
aus 5 in einem Heizbetrieb.
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7 zeigt
einen schematischen Längsschnitt durch die Wärmepumpe
aus 5 oder auch 2.
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8 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch die Wärmepumpe aus 5 oder
auch 2 in der Auslassebene.
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9 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch die Wärmepumpe aus 5 oder
auch 2 in der Einlassebene.
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10 zeigt
eine für sämtliche Ausführungsformen
geeignete Variante eines Rotationsventils für eine Wärmepumpe.
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11 zeigt
eine Abwicklung des Rotationsventils aus 10 in
einer ersten Stellung.
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12 zeigt
das Rotationsventil aus 11 in
einer zweiten Stellung.
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13 zeigt
eine detaillierte Darstellung des Rotationsventils aus den 11 und 12 im Längsschnitt.
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14 zeigt
die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie XXIX-XXIX in 13.
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15 zeigt
die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie XXX-XXX in 13.
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16 zeigt
eine Abwicklung einer modifizierten Ausführungsform des
Rotationsventils aus 11 in einer ersten Stellung.
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17 zeigt
das Rotationsventil aus 16 in
einer zweiten Stellung.
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Das
Klimasystem gemäß 1 umfasst
eine in einem Gebäude angeordnete Wärmequelle 1,
vorliegend in Form einer Solarthermie-Anlage mit einem Solar-Kollektor 1a und
einem Wärmespeicher 1b (z. B. isolierter Fluidtank)
sowie mehreren dezentral im Gebäude angeordneten Wärmepumpen 2.
Die zum Beispiel an durchbrochenen Außenwänden
angebrachten Wärmepumpen 2 haben jeweils eine
integrierte dezentrale Wärmesenke 3 in Form eines
luftgekühlten Rückkühlers. Dieser in
die dezentralen Einheiten 2 integrierte Rückkühler
umfasst einen fluiddurchströmten Wärmetauscher 3a und
einen Gebläselüfter 3b zur effizienten
Abfuhr der Wärme an die Außenluft. Insofern nicht
abweichend darauf hingewiesen wird, betrifft die Beschreibung des
Betriebs des Klimasystems in sämtlichen Ausführungsbeispielen
grundsätzlich einen Kühlmodus, bei dem gekühlte
Luft in das Gebäude geführt wird.
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Das
Fluid, bei dem es sich vorliegend um ein Wasser-Glykol-Gemisch handelt,
wird über ein Zweileitersystem 4 mit einem ersten,
von der Wärmequelle hinführenden Leiter 4a und
einem zweiten, zu der Wärmequelle rückführenden
Leiter 4b mit den Wärmepumpen verbunden, welche
parallel zueinander an das Leitersystem 4 angeschlossen
sind. Eine Umwälzpumpe 5 beaufschlagt das Leitersystem 4 mit
einem Druck, wobei aber jede der parallel angeschlossenen Wärmepumpen 2 zudem
eine eigene Förderpumpe 6 (siehe 2)
umfassen. Auf diese Weise kann für jede Wärmepumpe 2 ein
Fluidvolumenstrom individuell eingestellt werden, ohne dass dieser
vom Betrieb der anderen Wärmepumpen beeinflusst wird.
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Die
dezentralen Wärmepumpen
2 sind jeweils so dimensioniert,
dass sie in einer typischen Kühl-Betriebart eine Kälteleistung
zwischen 1 kW und 5 kW erbringen. Sie entsprechen in ihrer Bauart einer
Wärmepumpe gemäß der
WO 2007/068481 A1 oder
auch einer hierzu modifizierten Wärmepumpe mit nur einem
einzigen fluidseitigem Rotationsventil. Ein solches Rotationsventil
ist beispielhaft unten beschrieben und in den
10 bis
17 schematisch abgebildet.
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Die
in
2 detailliert dargestellten dezentralen Wärmepumpen
2 umfassen
neben der erwähnten Förderpumpe
6 einen
luftseitigen bzw. luftdurchströmten
7 und einen
fluiddurchströmten Bereich
8 bzw. ein regeneratives
Adsorptionsmodul, in dem der Adsorptions/Desorptionsprozess stattfindet.
Die beiden Bereiche
7,
8 stehen über
geschlossene Hohlelemente (nicht dargestellt) in thermischer Verbindung,
wobei in den Hohlelementen Methanol als Arbeitsmittel zwischen einer
Adsorberseite mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel und einer Verdampfer/Kondensatorseite
mit kapillarischen Mitteln zur Aufnahme einer flüssigen
Phase des Arbeitsmittels verlagert wird (siehe
WO 2007/068481 ). Die Fluidleitungen
der Wärmepumpe überschneiden den luftseitigen
Bereich
7 nur aus Gründen der Darstellung, stehen
aber nicht in unmittelbarem thermischen Austausch mit diesem.
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Der
luftseitige Bereich unterteilt sich je nach momentaner Betriebsart
der einzelnen Hohlelemente in einen Verdampferbereich 9 und
einen Kondensatorbereich 10. Über zwei Lüfter 11, 12 wird
dem Bereich 7 je nach Anforderungen und Betriebsbedingungen
Umluft L1 und/oder Außenluft L2 zur Konditionierung zugeführt.
Ausgangsseitig des Bereichs 7 wird ein Luftstrom L3 nach
außen abgeführt (Fortluft) und ein weiterer, gewünscht
konditionierter Luftstrom 14 (Nutzluft) dem Gebäude
zugeführt.
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Die
Luftströme L1 aus dem Gebäude und L4 in das Gebäude
sind dabei lokal über Wand- oder Deckendurchbrüche
(siehe etwa 7 bis 9) geführt
und die Wärmepumpen 2 sind an der Gebäudefassade
oder auch dem Gebäudedach angeordnet. Bevorzugt sind die
Wärmepumpen dabei an der Außenseite angebracht
oder in das Mauerwerk oder die Fassadenisolierung integriert.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der einzelnen Luftströme
L1–L4 und deren Verschaltung im luftführenden
Bereich in zwei Betriebsarten. Eingangsseitig des luftführenden
Bereichs 7 ist dabei ein elektromechanisch verstellbares
Mischglied 15 angeordnet, durch das zugeführte
Umluft L1 und Außenluft L2 mischbar sind. In der oberen
Darstellung ist ein erstes Extrem der Einstellung gewählt,
bei dem der Verdampfer 11 ausschließlich von Außenluft durchströmt
wird und der Kondensator 10 ausschließlich von
Umluft. Bei dieser Betriebsart fällt meist eine besonders
große Kondensation aufgrund der höheren Feuchte
der Außenluft an. In der unteren Darstellung der 3 ist
die entgegengesetzt extremale Betriebsart gewählt, bei
der ausschließlich Umluft L1 über den kalten Verdampferbereich 9 geführt wird
und ausschließlich Außenluft L2 über
den heißen Kondensatorbereich 10. Bei dieser Betriebsart wird
zumeist eine besonders effektive Kühlung der Gebäudeluft
erzielt, aber keine Lufterneuerung durch Außenluft.
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Es
versteht sich, dass sämtliche Mischungsverhältnisse
zwischen den vorstehend beschriebenen extremalen Einstellungen je
nach Anforderungen einstellbar sind.
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Zur
Verbesserung des Wirkungsgrads sowie zur Unterdrückung
von Mikroorganismen sind die Hohlelemente der Wärmepumpe 2 luftseitig
mit einem wasserspeichernden Mittel versehen, vorliegend in Form
von aufgelöteten Kiemen-Wellrippen (nicht dargestellt).
Da die Hohlelemente innerhalb eines Gesamtzyklus, der typisch etwa
10 Minuten dauert, je einen Verdampfer- und Kondensatormodus durchlaufen,
lagert sich im ersten Fall zunächst Kondenswasser aus der
konditionierten Luft an und wird von den Kiemenrippen kapillarisch
gehalten, wonach im Kondensationsmodus die Hohlelemente mittels der
fortgeführten Luft wieder getrocknet werden.
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Bei
dem in 4 bis 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung liegen folgende Unterschiede zum ersten Beispiel vor:
Die
Wärmepumpen 2 sind über ein Dreileiter-System mit
drei Leitungen 4a, 4b und 4c angeschlossen.
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Die
Wärmesenke 3 ist nicht jeweils dezentral an den
Wärmepumpen 2 angeordnet, sondern zentral in oder
an dem Gebäude. Entsprechend liegt nur ein einzelner großer
Wärmetauscher 3a mit Lüfter 3b vor,
der ebenfalls an das Dreileiter-System angeschlossen ist. Anstelle
eines Wärmetauschers 3a mit Lüfter 3b könnte
auch eine Wärmeabfuhr über ein Fließgewässer,
Nasskühlturm, Erdsonde oder ähnliches erfolgen.
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Der
Anschluss der Wärmepumpe 2 an das Dreileiter-System
erfolgt so, dass sowohl eine heiße Fluidleitung 4a von
der Wärmequelle 1 als auch eine kalte Fluidleitung 4c von
der Wärmesenke zu der Wärmepumpe hinführen,
wobei entsprechend eine zusätzliche Umwälzpumpe 5' in
der Leitung 4c vorgesehen ist. Eine Mitteltemperatur-Leitung 4b führt von
dem Adsorptionsmodul 8 fort und mündet über
je ein T-Stück 13 in eine gemeinsame Rückführleitung, wobei
ein erster Zweig 4d zurück zu der Wärmequelle
und ein zweite Zweig 4e zurück zu der Wärmesenke
führt.
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Die
Wärmepumpe 2 umfasst zwei separate Förderpumpen 6, 6',
mittels derer jeweils ein adsorptionsseitiger Fluidstrom 8b und
ein desorptionsseitiger Fluidstrom 8a des Adsorptionsmoduls 8 separat gefördert
werden. Die Volumenströme 8a, 8b können je
nach Betriebsbedingungen durchaus unterschiedlich ausfallen. Stromabwärts
der beiden Pumpen 6, 6' vereinigen sich die Ströme 8a, 8b zu
einem in die rückführende Mitteltemperaturleitung 4b mündenden Strom.
(siehe 5). Aufgrund des verteilenden Abzweigs 13 im
Dreileitersystem kann für jede Wärmepumpe 2 ein
beliebiges Verhältnis von hinführenden Fluidströmen 8a, 8b zueinander
eingestellt werden.
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In 4 ist
zudem schematisch eine innere Gebäudewand 14 dargestellt,
die die klimatische Trennung zweier Räume innerhalb eines
Gebäudes symbolisieren soll. Generell können eingelassene oder
nachträglich aufgesetzte Wandflächenheizungen,
Fussböden oder ganz allgemein Teile des Betonkerns des
Gebäudes zumindest in einem Heizbetrieb der Wärmepumpen
von der rückführenden Mitteltemperatur-Leitung 4b durchströmt
werden. Auf diese Weise wird auch die im rückgeführten
Fluid enthaltene Wärmemenge zu Heiz- und Speicherzwecken
genutzt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert wird.
Alternativ oder ergänzend kann die Rückführleitung
auch mit einem Brauchwasserspeicher, einem Swimmingpool oder dergleichenverbunden
sein, für die im Allgemein eine Beheizung auch im Sommer
bzw. während eines Kühlbetriebs der Wärmepumpen 2 gewünscht
ist.
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6 zeigt
den luftseitigen Bereich mit dem Mischglied 15 analog 3,
wobei die Wärmepumpe sich jedoch in einem Heizbetrieb befindet.
In der oberen Darstellung ist die Regelung extremal unter ausschließlicher
Zuführung von geheizter Umluft. In der unteren Darstellung
ist die Regelung extremal unter ausschließlicher Zuführung
von geheizter Außenluft.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass auch in dem ersten Ausführungsbeispiel
mit dezentralen Wärmesenken ein Heizbetrieb möglich
ist. Dabei ist eine einstellbare Luftumleitung vorzusehen, so dass im
Heizbetrieb die Nutzluft über den Wärmetauscher 3a des
Rückkühlers 3 geführt.
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Die
Zeichnungen
7 bis
9 zeigen schematisch
die Einbausituation der Wärmepumpe
2 gemäß einem
beliebigen der vorstehenden Ausführungsbeispiele an einer
Fassade des Gebäudes. Die vorliegende Wärmepumpe
entspricht in ihrer Bauart der
WO
2007/068 . Sie hat je zwei zusammenwirkende Rotationsventile
2a,
2b im
Adsorptions/Desorptionsbereich
8 und zwei zusammenwirkende
Rotationsventile
2c,
2d im Luftführungsbereich
7.
Dargestellt sind zudem Durchbrüche
16,
19 einer
Fassade
17 des Gebäudes, wobei der untere Durchbruch
19 Umluft
L1 zu der Wärmepumpe führt und der obere Durchbruch
16 Nutzluft
in das Gebäude führt. Weiterhin ist ein Luftfilter
18 gezeigt,
durch den Partikel und/oder Schadstoffe aus der zugeführten
Außenluft L2 gefiltert werden.
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Bei
einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist zur Verbesserung des Wirkungsgrads ein Vierleitersystem vorgesehen.
Im Unterschied zum Dreileitersystem liegen dabei separate rückführende
Leitungen anstatt einer Sammelleitung 4b vor. Der kältere
Austritt aus dem Adsorptionsmodul 8 wird dabei zu der Wärmesenke
und der wärmere Austritt zu der Wärmequelle rückgeführt.
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In
10 ist
die Schaltaufgabe eines Rotationsventils
100 gemäß einem
von der
WO 2007/068481
A1 abweichenden Ausführungsbeispiel einer Wärmepumpe
als 2-D-Schema dargestellt. Dabei ersetzt das dargestellte Rotationsventil
die beiden auf der Adsorber/Desorber-Seite gegenüberliegend
angeordneten Rotationsventile, so dass zumindest auf dieser Seite
nur ein einziges Rotationsventil vorgesehen ist.
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Das
Rotationsventil 100 umfasst eine Mehrzahl von Zuführungen 101 bis 112 sowie
Abführungen 201 bis 212, die den Zuführungen 101 bis 112 über
Verbindungsleitungen 126 bzw. 128 und 129 einzeln
zuordenbar sind. Die Zu- und Abführungen sind z. B. mit
thermisch aktiven Modulen (Adsorber/Desorber-Hohlelementen) 301 bis 312 verbunden.
Das Rotationsventil 100 umfasst ein Schaltglied 114,
das wiederum einen Rotationskörper 115 umfasst,
der, wie durch einen Pfeil 116 angedeutet ist, drehbar
ist. In dem Rotationskörper 115 ist ein erster Wärmetauscher
in Form eines Kühlers 118 dargestellt, dem eine
Pumpe 119 nachgeschaltet ist. Ein zweiter Wärmetauscher
ist als Heizer 120 ausgeführt.
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Das
in 10 dargestellte Rotationsventil 100 dient
dazu, die Durchströmung von zwölf thermisch aktiven
Modulen mit einem Wärmeträgerfluid zu steuern.
Mit dem in 10 dargestellten Rotationsventil 100 können
die zwölf thermisch aktiven Module 301 bis 312 seriell
von einem Wärmeträgerfluid durchströmt
werden. Zwischen je zwei der Module ist die Wärmequelle,
insbesondere der Heizer 120, und die Wärmesenke,
insbesondere der Rückkühler 118, geschaltet.
Das Rotationsventil 100 hat die Aufgabe, den Ort der Zwischenschaltung
des Heizers 120 und des Rückkühlers 118 schrittweise
zu verschieben, ohne dass diese mitrotiert werden müssen,
wie es bei direkter Umsetzung der schematischen Schaltung erforderlich
wäre. Abweichend von der Darstellung der 10 sind
der Kühler 118, die Pumpe 119 und der Heizer 120 daher
bei den nachfolgenden Figuren einer beispielhaften konstruktiven
Umsetzung ortsfest außerhalb des Rotationsventils 100 angeordnet.
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In
den 11 und 12 ist
das Rotationsventil 100 aus 10 zunächst
in einer schematisierten Abwicklung dargestellt. Das Rotationsventil 100 umfasst
zwölf Zuführungen 101 bis 112,
die auch als Eingänge bezeichnet werden und zu einem Zuführbereich 81 zusammengefasst
sind. Analog umfasst das Rotationsventil 100 zwölf
Abführungen 201 bis 212, die auch als
Ausgänge bezeichnet werden und zu einem Abführbereich 82 zusammengefasst
sind. Die Zuführungen 101 bis 112 können
mit Hilfe des Schaltglieds 114, das den Rotationskörper 115 umfasst,
auf unterschiedliche Art und Weise mit den Abführungen 201 bis 212 verbunden
werden, wenn sich der Rotationskörper 115 in Richtung
des Pfeils 116 dreht. In den 11 und 12 sind
der Kühler 118 und der Heizer 120 außerhalb
eines Gehäuses 125 angeordnet.
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Jeder
Zuführung 101 bis 112 und jeder Abführung 201 bis 212 ist
eine Öffnung in einer Stirnseite des Gehäuses 125 zugeordnet,
das im Wesentlichen die Gestalt eines hohlen Kreiszylinders aufweist.
Die Zuführungen und Abführungen münden
in den Stirnseiten des Gehäuses 125. Jeder Öffnung
in dem Gehäuse 125 ist eine Öffnung in
dem Rotationskörper 115 zuordenbar. Durch diese
Zuordnungen kann jede der Zuführungen 101 bis 112 definiert
mit der zugehörigen Abführung 201 bis 212 verbunden werden.
Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Zuführungen 102 bis 106 und 108 bis 112 über
jeweils einen Durchgangskanal 126 mit den zugehörigen
Abführungen 202 bis 206 und 208 bis 212 verbunden.
Die Durchgangskanäle 126 erstrecken sich geradlinig
durch den Rotationskörper 115 hindurch.
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Die
Zuführungen 101 und 107 sind über
unterbrochene Verbindungskanäle 128, 129 jeweils
mit der zugehörigen Abführung 201, 207 verbunden.
Die Verbindungskanäle 128, 129 sind mittels
Trennwänden oder dergleichen derart in Teilkanäle 128a, 128b bzw. 129a, 129b unterteilt,
dass sie eine Strömungsumleitung über den Kühler 118 bzw.
den Heizer 120 erzwingen. Zu diesem Zweck sind innerhalb
des Gehäuses 125 vier Ringkammern 131 bis 134 vorgesehen,
die in der Abwicklung der 11 und 12 als gerade
Kanäle dargestellt sind. Die Zuführung 101 ist über
den unterbrochenen Verbindungskanal 129 mit der Ringkammer 133 verbunden,
die wiederum mit dem Heizer 120 verbunden ist.
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Der
Heizer 120 ist über die Ringkammer 134 mit
der Abführung 201 verbunden. Analog ist die Zuführung 107 über
die Ringkammer 131 mit dem Kühler 118 verbunden,
der wiederum über die Ringkammer 132 und den unterbrochenen
Verbindungskanal 128 mit der Abführung 207 verbunden
ist. Durch Drehung des Rotationskörpers 115 in
Richtung des Pfeils 116 werden die Durchgangskanäle 126 und
die unterbrochenen Verbindungskanäle 128, 129 anderen Zuführungen
und Abführungen zugeordnet. Diese Verschiebung findet vorzugsweise
schrittweise so statt, dass der Rotationskörper 115 immer
dann zum Stehen kommt, wenn sich die Mündungsöffnungen der
in dem Rotationskörper 115 vorgesehenen Kanäle 126, 128, 129 mit
den entsprechenden Öffnungen in dem Gehäuse 125 überdecken.
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In 12 ist
der Rotationskörper 114 um einen Schritt verdreht
gegenüber der Darstellung der 11 dargestellt.
In 12 ist die Zuführung 102 über
den Heizer 120 mit der zugehörigen Abführung 202 verbunden.
Analog ist die Zuführung 108 über den
Kühler 118 mit der zugehörigen Abführung 208 verbunden.
Die übrigen Zuführungen 101, 103 bis 107, 109 bis 112 sind über
die Durchgangskanäle 126 direkt mit den zugehörigen
Abführungen 201, 203 bis 207, 209 bis 212 verbunden.
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In
den 13 bis 15 ist
das in den 11 und 12 vereinfacht
dargestellte Rotationsventil 100 etwas detaillierter dargestellt.
In dem längs aufgeschnitten dargestellten zylindrischen
Gehäuse 125 ist der Rotationskörper 115 mit
Hilfe einer gelagerten und zur Umgebung hin abgedichteten Antriebswelle 150 drehbar
angetrieben. Zur axialen Lagerung des Rotationskörpers 115 sind
an jeder Stirnseite des Gehäuses 125 jeweils zwei
keramische Dichtplatten 151, 152 vorgesehen. Die
keramische Dichtplatte 151 ist dem Gehäuse 125 fest
zugeordnet. Die keramische Dichtplatte 152 ist dem Rotationskörper 115 zugeordnet
und dreht sich mit diesem relativ zu der keramischen Dichtplatte 151 und
dem Gehäuse 125. Die beiden Plattenpaare können über eine
(nicht dargestellte) Federeinrichtung elastisch gegeneinander vorgespannt
sein.
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Vier
Ringkammern oder Ringräume 131 bis 134 stehen
jeweils über eine radiale Öffnung 141 bis 144 mit
dem zugehörigen Verbindungskanal 128, 129 in
Verbindung. Die radialen Öffnungen 141 bis 144 stellen
ein radiales Durchbruchsfenster dar, das eine Fluidverbindung zwischen
den Ringkammern 131–134 und den radial
innerhalb angeordneten axialen Verbindungskanälen 128, 129 schafft,
die im Gegensatz zu allen anderen Verbindungskanälen 126 durch
mindestens je eine Trennwand 128c bzw. 129c in
zwei Teilkanäle 128a und 128b bzw. 129a und 129b unterteilt
sind. Die Zuordnung zwischen den Teilkanälen 128a, 128b bzw. 129a, 129b und
den Ringkammern 131 bis 134 sind vorzugsweise
so gewählt, dass je zwei benachbarte Ringkammern 131, 132 und 133, 134 mit
korrespondierenden, also miteinander fluchtenden Zuführungen 101; 107 und
Abführungen 201; 207 verbunden sind.
Dadurch wird, abhängig von der Stellung bzw. Verdrehung
des Rotationskörpers 115, immer ein Fluidweg durch
den Heizer 120 und ein anderer der insgesamt zwölf
vorhandenen Fluidwege durch den Kühler oder Rückkühler 118 geführt.
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In 13 gelangt
das Fluid von der Zuführung 101 über
die radiale Öffnung 143 und die Ringkammer 133 zum
Heizer 120, wie durch einen Pfeil 121 angedeutet
ist. Durch einen weiteren Pfeil 122 ist angedeutet, dass
das Fluid von dem Heizer 120 über die Ringkammer 134 und
die radiale Öffnung 144 zur Abführung 201 gelangt.
Analog gelangt das Fluid von der Zuführung 107 über
die radiale Öffnung 141 und die Ringkammer 131 in
den Kühler 118, wie durch einen Pfeil 123 angedeutet
ist. Durch einen weiteren Pfeil 124 ist angedeutet, dass
das Fluid von dem Kühler 118 über die
Ringkammer 132 und die radiale Öffnung 142 zu
der Abführung 207 gelangt.
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In 13 sieht
man, dass die Rotorachse mit den Lagern 155, 156 in
dem zylindrischen Gehäuse gelagert ist und das gesamte
innere Volumen durch ein Dichtelement 154 gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist. Darüber hinaus werden abgesehen
von den beiden vorzugsweise keramischen Flächendichtungspaaren 151, 52 nur
drei weitere Dichtelemente 157, 158, 159 benötigt,
um die vier Ringkammern 131 bis 134 in axialer
Richtung gegeneinander abzudichten.
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In
den 14 und 15 sind
zwei Schnitte durch das Rotationsventil 100 aus 13 dargestellt.
In 14 ist durch Pfeile 161 und 162 angedeutet,
wie das Fluid von dem Heizer 120 zu der radialen Öffnung 144 gelangt.
In 15 ist durch weitere Pfeile 163, 164 angedeutet,
wie das Fluid von dem Kühler 118 zu der radialen Öffnung 142 gelangt. Darüber
hinaus zeigen die Schnitte den in 12 axiale Kammern unterteilten
Rotationskörper 115, der vorzugsweise aus Kunststoff-Spritzgusselementen
auf einer gemeinsamen Welle 150 mit Formschluss aufgestapelt
sind. Die Bezugszeichen 128 und 129 kennzeichnen
die Durchgangskanäle die mittels Trennwänden 128c bzw. 129c in
je zwei Teilkanäle 128a, 128b bzw. 129a, 129b unterteilten
sind.
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Zur
Steuerung der Fluidkreisläufe der als Zonen B bezeichneten
Verdampfungs-/Kondensationszonen ist die Verwendung eines geringfügig
modifizierten Ventiles vorteilhaft, dessen Abwicklung in den 16 und 17 in
zwei Stellungen dargestellt ist.
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Wie
in 16 dargestellt, weist der Rotationskörper 115 nur
noch unterbrochene Durchgangskanäle nach Art der Bezugszeichen 128 und 129 auf, die
jeweils wieder durch Trennwände 128c und 129c in
Teilkanäle 128a, 128b bzw. 129a, 129b unterteilt sind
und radiale Durchbruchsfenster zu den Ringräumen 131 bis 134 aufweisen,
die ihrerseits paarweise mit zwei Wärmeübertragern
in Verbindung stehen, die mit „Kühlkörper” und „Rückkühler” bezeichnet sind.
In der dargestellten Ausführungsform gibt es damit keine
reinen Durchgangskanäle der Kategorie entsprechend Bezugszeichen 126 mehr.
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Die 17 zeigt
das Rotationsventil in der nachfolgenden Stellung.
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Diese
modifizierte Ausführungsform ermöglicht eine von
der Schaltstellung des Rotationsventils abhängige Zuordung
thermisch aktiver Module 301 bis 312 zu mindestens
zwei getrennten mit eigenen Fördereinrichtungen angetriebenen
Fluidkreisläufen innerhalb derer die zugeordneten Module
parallel durchströmt werden.
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Durch
die jeweilige Parallelführung zweier Gruppen von Durchgangskanälen 128 und 129 im Rotationskörper 115 werden
mehrere radiale Durchbruchsfenster benötigt, die eine Strömungsverbindung
in je eine gemeinsame der insgesamt vier benötigten Ringkammern
herstellen. Bevorzugt können im Rotationskörper
die Trennwände innerhalb einer Gruppe von Durchgangskanälen
entfallen, wodurch dann pro Ringkammer nur noch ein großes
radiales Durchbruchsfenster benötigt wird, was hier bildlich nicht
näher ausgeführt ist.
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Die
beiden Ausführungsformen nach 11, 12 bzw. 16, 17 stellen
nur zwei Beispiele für die Aufteilung der Durchgangskanäle
entsprechend der Kategorien 126, 128 und 129 dar.
Weitere Aufteilungen der Durchgangskanäle auf diese Kategorien
sind selbstverständlich möglich und für
besondere Anwendungen auch sinnvoll.
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Das
Rotationsventil 100 hat unter anderem die folgenden Vorteile:
Hohe Integration von Schaltfunktionen ersetzt zwei herkömmliche
Rotationsventile; reduzierter Aufwand für Antrieb und Steuerung; kompakte,
materialsparende Bauweise; einfache, kostengünstige Herstellbarkeit,
zum Beispiel aus Kunststoff-Spritzgussteilen; einfach realisierbare, verschleißarme
Flächendichtung über Keramikscheiben beziehungsweise
Keramikplatten 151, 152; kurze Strömungswege
mit geringem Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Strömungswegen;
geringe Reibung und erforderliches Antriebsdrehmoment; geringe Bypassverluste.
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Es
versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele
je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/068481
A1 [0002, 0020, 0042, 0058]
- - WO 2007/068481 [0043]
- - WO 2007/068 [0056]