VORRICHTUNG ZUR WÄRMESPEICHERUNG, REGENERATOR UND BELÜFTUNGSVORRICHTUNG MIT EINER VORRICHTUNG ZUR WÄRMESPEICHERUNG

Abstract

 Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie einer Raumbelüftungsvorrichtung. Die Aufgabe, eine kostengünstige Alternative zu den keramischen Wärmespeichermassen in Raumbelüftungsvorrichtungen vorzuschlagen, wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung aus Metall bereitgestellt wird und aus Sandwichbändern aus Metall hergestellt ist, welche ein glattes Metallband und ein darauf angeordnetes plissiertes oder wellenförmiges Metallband aufweisen, wobei durch die Wellenform des plissierten oder wellenförmigen Metallbandes Zwischenräume in Form von Kanälen zwischen den beiden Metallbändern bereitgestellt werden und mindestens eines der Metallbänder ein- oder beidseitig eine Silika-Gel oder Zeolithe enthaltende Beschichtung aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit Feuchterückgewinnung einer Raumbelüftungsvorrichtung, einen Regenerator sowie eine Belüftungsvorrichtung zur Lüftung eines Raums.

[0002] Vorrichtungen zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie werden beispielsweise in Lüftungsanlagen für Wohnungen oder Büros mit Wärmerückgewinnung eingesetzt. Die Wärmeenergie, welche in der verbrauchten Abluft enthalten ist, wird mittels eines Wärmetauschers zurückgewonnen und der Zuluft zugeführt. Die Lüftungsanlage kann eine zentrale und dezentrale kontrollierte Lüftungsanlage sein. Bei einem zentralen Wohnraumlüftungssystem wird die Geräteeinheit an einem zentralen Ort, z.B. Keller, Speicher oder Hauswirtschaftsraum aufgestellt und die Verteilung der Luft wird mittels Rohrleitungen bzw. Luftkanalsysteme realisiert.

[0003] Dezentrale Wohnraumlüftungsanlagen werden in der Regel an der Innenseite einer Außenwand installiert und normalerweise in den Haupträumen wie Küche, Wohnzimmer, Bad, Kinderzimmer und Schlafzimmer eingebaut. Dadurch haben sie den Vorteil, dass sie für jeden Raum die erforderliche Luftleistung separat einstellen und verändern können und somit ihren Bedürfnisse jederzeit anpassen können. Auch ein zentrales Rohrleitungsnetz entfällt völlig.

[0004] Für die dezentrale Wohnraumbelüftung kommen heute häufig Systeme bestehend aus Klappen, Luftführung, Ventilator und keramischer Wärmespeichermassen zum Einsatz. Es handelt sich dabei um ein 2-Wegesystem, welches in einem gesteuerten Rhythmus verbrauchte Innenluft nach außen und frische Luft nach innen befördert. Die keramische Wärmespeichermasse übernimmt die Aufgabe, thermische Energie beispielsweise aus der Abluft zu entnehmen und an kühlere (Außen-)Zuluft abzugeben. Diese kurzzeitigen Wärmespeicher werden auch Regeneratoren genannt. Das keramische Bauteil weist hierzu eine Vielzahl von Luftkanälen und eine Querschnittsform auf, welche an die Luftleitungsquerschnitte angepasst ist. Häufig sind die Luftleitungsquerschnitte kreisförmig.

[0005] Die Herstellung von keramischen Bauteilen ist jedoch kostspielig und kann nicht auf einfache Weise an veränderte Leitungsquerschnitte angepasst werden. Außerdem ist die Feuchterückgewinnung der Wärmespeichermassen verbesserungsfähig. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kostengünstige und verbesserte Alternative zu den keramischen Wärmespeichermassen vorzuschlagen.

[0006] Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Keramikbauteil durch ein funktional ähnliches einfach herzustellendes Metallbauteil zu ersetzen. Das Metallbauteil kann aus Stahl, Kupfer und vorzugsweise aus Aluminium als Grundwerkstoff bestehen. Die Vorrichtung wird aus Sandwichbändern aus Metall hergestellt, welche ein glattes Metallband und ein darauf angeordnetes plissiertes oder wellenförmiges Metallband aufweisen, wobei durch die Wellenform des plissierten oder wellenförmigen Metallbandes Zwischenräume in Form von Kanälen zwischen den beiden Metallbändern bereitgestellt werden und mindestens eines der Metallbänder ein- oder beidseitig eine Silika-Gel oder Zeolithe enthaltende Beschichtung aufweist. Die Vorrichtung kann bei Verwendung von Metallbändern kostengünstig bereitgestellt werden.

[0007] Das vorzugsweise verwendete Aluminium besitzt zudem eine nahezu identische Wärmekapazität wie die eingesetzten technischen Keramiken und kann insofern ebenso zum Speichern und Abgeben von thermischer Energie verwendet werden. Der Begriff Aluminium steht in dieser Patentanmeldung stellvertretend für alle verwendbaren Aluminiumlegierungen.

[0008] Bevorzugt wird die Vorrichtung daher aus Aluminium bereitgestellt und aus Sandwichbändern aus Aluminium hergestellt, welche ein glattes Aluminiumband und ein darauf angeordnetes plissiertes oder wellenförmiges Aluminiumband aufweisen, wobei durch die Wellenform des plissierten oder wellenförmigen Aluminiumbandes Zwischenräume in Form von Kanälen zwischen den beiden Aluminiumbändern bereitgestellt werden und mindestens eines der Aluminiumbänder ein- oder beidseitig eine Silika-Gel oder Zeolithe enthaltende Beschichtung aufweist.

[0009] Es wurde festgestellt, dass die so ausgeführten Vorrichtungen zur Speicherung und Abgabe von Wärme mit Feuchterückgewinnung überraschenderweise weiter verbessert werden konnten, obwohl die Wärmeübertragungseigenschaften des Aluminiumkörpers durch die Zeolithe- oder Silika-Gel enthaltende Beschichtung sich verschlechtern. Durch die Aufnahme der Feuchtigkeit durch diese Beschichtung, beispielsweise aus der Abluft eines Raums und die Übergabe der Feuchtigkeit wieder an die Zuluft konnten gegenüber Wärmespeichermassen aus Keramik verbesserte Eigenschaften im Hinblick auf Wärme- und Feuchtigkeitsübertragung ermittelt werden. Die Feuchtigkeitsspeicherung der Beschichtung kann genutzt werden, um durch geeignete Luftwechselzeiten eine ideale Innenraumfeuchte zu gewährleisten. Ferner wird die Bildung von Kondenswasser unterdrückt.

[0010] Gemäß einer ersten Ausgestaltung, weist die Vorrichtung einen kreisförmigen Querschnitt oder einen mehreckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt auf, wobei der Querschnitt an Rohrleitungsquerschnitte von Raumbelüftungsvorrichtungen angepasst ist. Vorrichtungen mit kreisförmigem Querschnitt können durch einfaches Aufrollen der Sandwichbänder bestehend aus plissiertem bzw. gewelltem und glattem Aluminiumband hergestellt werden. Bei der Herstellung von Vorrichtungen mit rechteckiger Querschnittsfläche eignen sich dagegen Platten bestehend aus flachem und plissiertem bzw. gewelltem Aluminiumband, die miteinander lediglich gecrimpt, gebördelt oder gefaltet werden.

[0011] Bei kreisförmigen Querschnitten werden bevorzugt Durchmesser von 5 cm bis 100 cm verwendet, da Raumlüftungsvorrichtungen die genannten Durchmesser in den Belüftungsrohren aufweisen, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfache Weise in bestehende Raumlüftungsvorrichtungen integriert werden kann. Bei rechteckigen Wärmetauschern liegen diese Abmessungen etwa zwischen 5 cm bis 100 cm Breite oder Länge der Querschnittsfläche.

[0012] Durch eine angepasste Wellenhöhe des gewellten oder plissierten Aluminiumbands bzw. der -folie lassen sich verschiedene Kanalquerschnitte realisieren. Bevorzugt werden Wellenhöhen von 1 mm bis 5 mm, 1 mm bis 4 mm, weniger als 4 mm, vorzugsweise 1,3 bis 2,5 mm verwendet. Im Bereich von 2,5 mm bis 3,5 mm haben sich zu den bisher verwendeten Keramikbauteilen ähnlich und zum Teil bessere Druckverluste in der Luftzufuhr und Abfuhr ergeben, ohne die Wärmeübertragung negativ zu beeinflussen.

[0013] Eine bevorzugte Variante der Vorrichtung weist einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf und kann beispielsweise durch einfaches Aufrollen von entsprechenden Sandwichbändern oder -folien hergestellt werden.

[0014] Weiter bevorzugt beträgt die Dicke des Aluminiumbandes 35 µm bis 500 µm, bevorzugt 50 µm bis 120 µm, besonders bevorzugt 70 µm bis 120 µm. Beispielsweise kann das wellenförmig geformte Aluminiumband bzw. die -folie auch eine Dicke von 50 µm bis 120 µm aufweisen, um eine hohe Anzahl an Luftkanälen zur Verfügung zu stellen. In dem optimalen Bereich von 50 µm oder 70 µm bis 120 µm wird eine ausreichende Menge an Aluminium zur Bereitstellung der Wärmekapazität bei möglichst geringem Materialverbrauch erreicht.

[0015] Eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung auf das Aluminium wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die plissierten oder wellenförmigen Aluminiumbänder und/oder die flachen Aluminiumbänder zusätzlich Verwirbelungsverprägungen in Form von unregelmäßigen oder regelmäßigen Vertiefungen aufweisen. Unregelmäßige oder regelmäßige Vertiefungen in der Oberfläche der Bänder führen zur Vergrößerung der mit dem Medium in Kontakt tretenden Oberfläche des Aluminiums der Vorrichtung und damit zu einer besseren Wärmeübertragung. Die auftretenden Verwirbelungen erhöhen zudem die Wärmeübertragung auf das Metall durch Konvektion. Die Vertiefungen können hierzu 20 µm bis 1 mm Größe im Durchmesser aufweisen.

[0016] Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung Silikagel- bzw. die bevorzugt Zeolithe enthaltende Beschichtung eine Dicke von 5 bis 40 g/m², bevorzugt 8 bis 16 g/m² auf, wobei bevorzugt Zeolithe mit einer Porengröße von 3 bis 4 Å in der Beschichtung enthalten sind. Bei dieser Beschichtungsdicke wird ein guter Kompromiss zwischen Feuchtigkeitsaufnahmevermögen und Wärmeübertragung auf das Metall erzielt. Durch die Porengröße der Zeolithe kann ein unerwünschtes Abgeben von Gerüchen in die durchströmende Luft verhindert werden.

[0017] Bevorzugt ist die Silikagel- und/oder Zeolithe umfassende Beschichtung gemäß dem deutschen Patent 10 2009 003 560 ausgebildet. Hier wird beim Beschichten ein Bindemittel in Form eines Feststoffes verwendet, welches thermisch aktiviert, insbesondere verflüssigt wird, um beim anschließenden Erkalten Silika-Gelpartikel oder Zeolithe mit besonders großer Absorptionsfähigkeit auf der Oberfläche zurückzulassen.

[0018] Gemäß einer weiteren Lehre löst auch ein Regenerator aufweisend mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Wärme die Aufgabe. Regeneratoren sind Wärmeüberträger mit kurzzeitigem Wärmespeicher. Gerade diese Eigenschaften kann die erfindungsgemäße Vorrichtung trotz des kostengünstigen Herstellverfahrens bereitstellen.

[0019] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit Feuchterückgewinnung wird bevorzugt in einer Belüftungsvorrichtung zur Lüftung eines Raums eingesetzt. Bevorzugt ist diese eine dezentrale Wohnraumlüftung. Gerade bei dezentralen Lüftungskonzepten spielen die Kosten für die Herstellung der Vorrichtung eine erhebliche Rolle, denn dezentrale Wohnraumlüftungen werden pro Raum installiert und verursachen daher höhere Anschaffungskosten, wenn einzelne Lüftungseinrichtungen kostspielig sind.

[0020] Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Sandwichbänder, welche beispielsweise zwischen zwei Aluminiumbändern angeordnete, wellenförmige Aluminiumfolien oder -bänder aufweisen, verwendet werden. Diese können beispielsweise auf besonders einfache Weise durch Aufrollen hergestellt werden. Hierzu ist so aufzurollen, dass die Lüftungskanäle ein Durchsetzen des Aluminiumkörpers mit Luft ermöglichen.

[0021] Wie in Fig. 1 dargestellt, können die Wellenhöhen der Zwischenlage des plissierten oder wellenförmigen Aluminiumbandes auf den Anwendungsfall abgestimmt werden und beispielweise zwischen 1 mm und 4 mm, besonders bevorzugt 1,3 mm bis 2,5 mm oder 2,5 mm bis 3,5 mm liegen. Auch die Dicke der Aluminiumbänder kann auf die bereitzustellende Wärmekapazität abgestimmt werden. Die in Fig. 1 dargestellten Aluminiumbänder haben bevorzugt eine Dicke von 35 µm bis 500 µm, bevorzugt 50 µm bis 120 µm, besonders bevorzugt 70 µm bis 120 µm.

[0022] Der Herstellprozess der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Aufrollen eines entsprechenden Bandes bestehend aus zwei Aluminiumbändern mit einer plissierten, wellenförmigen Innenlage aus Aluminium gestaltet sich bei kreisrunden Leitungsquerschnitten ebenso einfach, wie bei rechteckigem Querschnitt, bei welchem entsprechende Lagen lediglich aufeinandergestapelt und in der Regel mechanisch miteinander verbunden werden müssen.

[0023] Fig. 2 zeigt schematisch eine durch Aufrollen eines Aluminiumbandes hergestellten Ausführungsbeispiels.

[0024] Darüber hinaus wurden wie in Fig. 2 dargestellt hergestellte Ausführungsbeispiele bezüglich der Wärme- und Feuchtigkeitsübertragungseigenschaften und den Druckverlust im Vergleich zu einem Keramikkörper mit identischen Abmessungen hin untersucht. Hierzu wurden die Proben jeweils für 70 s mit 20 °C warmer Abluft mit einer relativen Feuchte von etwa 42 % mit einem Volumenstrom von 31 m³/h geflutet und anschließend für 70 s mit 7 °C kalter Außenluft mit ca. 39 % relativer Luftfeuchte bei gleichem Volumenfluss durchströmt. Hieraus wurde der Wärmerückgewinnungsgrad sowie die Feuchterückgewinnung ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

	Muster A (Keramik)	Blankes Al	Silikagel Beschichtetes Al	Zeolithe beschichtetes Al-Band
	Vergleich	Vergleich	Erf.	Erf.
Beschichtung			8,5 g/m2	12,5 g/m2
Dicke		235 µm	70 µm	70µm
Wellenhöhe		2,9 mm	3,0 mm	3.1 mm
Wirkungsgrad Wärmerückgewinnung	69,5%	78,6%	70,4 %	75,8 %
Wirkungsgrad Feuchterückgewinnung	21,6%	47,7 %	53,1 %	53%

[0025] Deutlich zu erkennen ist, dass die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele sowohl einen hohen Wirkungsgrad bei der Wärmerückgewinnung, als auch bei der Feuchterückgewinnung zeigen. Der Vergleich mit der Variante aus blankem Aluminium zeigt, dass insbesondere bei der für die Raumbelüftung wichtigen Feuchterückgewinnung aus der Abluft die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele deutlich bessere Werte erzielten.

[0026] Bei Druckverlustmessungen wurde untersucht, inwieweit die Aluminiumkörper ähnliche Druckverluste wie die bisher verwendeten keramischen Wärmespeicher erzielt und welchen Einfluss die Wellenhöhe des plissierten Aluminiumbandes darauf hat. Hierzu wurden beschichtete Aluminiumbänder mit einer Dicke von 70 µm und einer Zeolithe enthaltende Beschichtung von 12,5 g/m² unter Verwendung verschiedener Wellenhöhen bezüglich des Druckverlustes vermessen. Tabelle 2 gibt die Messergebnisse wieder.

Tabelle 2

Material		Wellenhöhe (mm)	Druckverlust (Pa)
Keramik	Vgl.	-	8,3 -8,6
Al-beschichtet 1	Erf.	2,2	10,5 - 11,2
Al-beschichtet 2	Erf.	3,1	7,7 - 8,6
Al-beschichtet 3	Erf.	2,0	13,3 - 14,4
Al-beschichtet 4	Erf.	3,0	7,5 -7,9

[0027] Es zeigte sich, dass die Werte für den Druckverlust selbst bei 2,0 mm Wellenhöhe noch akzeptabel sind. Allerdings ist ein möglichst geringer Druckverlust anzustreben oder, sofern die keramischen Wärmespeicher ohne Änderung des Luftverteilungssystems ersetzt werden sollen, ein Druckverlust, welcher möglichst mit dem der keramischen Wärmespeicher übereinstimmt. Die bevorzugten Wellenhöhen liegen deshalb bei höheren Wellenhöhen bei 2,5 mm bis 3,5 mm, wobei als Wellenhöhe der Abstand zwischen der Bandoberfläche des glatten Aluminiumbandes und der zum glatten Aluminiumband weisenden Oberfläche des plissierten Aluminiumbandes verstanden wird.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit Wärmerückgewinnung und Feuchterückgewinnung einer Raumbelüftungsvorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung aus Metall bereitgestellt wird und aus Sandwichbändern aus Metall hergestellt ist, welche ein glattes Metallband und ein darauf angeordnetes plissiertes oder wellenförmiges Metallband aufweisen, wobei durch die Wellenform des plissierten oder wellenförmigen Metallbandes Zwischenräume in Form von Kanälen zwischen den beiden Metallbändern bereitgestellt werden und mindestens eines der Metallbänder ein- oder beidseitig eine Silika-Gel oder Zeolithe enthaltende Beschichtung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Metallbänder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung einen kreisförmigen Querschnitt oder einen mehreckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei der Querschnitt an Rohrleitungsquerschnitte von Raumbelüftungsvorrichtungen angepasst ist.

4. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,dass
der Durchmesser der Vorrichtung mit kreisförmigen Querschnitt 5 cm bis 100 cm, bevorzugt 10 cm bis 40cm beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wellenhöhe des plissierten Aluminiumbandes 1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 4 mm, besonders bevorzugt 1,3 mm bis 2,5 mm oder 2,5 mm bis 3,5 mm beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke des Aluminiumbandes 35µm bis 500 µm, bevorzugt 50 µm bis 120 µm, besonders bevorzugt 70µm bis 120 µm beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die plissierten oder wellenförmigen Aluminiumbänder und/oder die flachen Aluminiumbänder zusätzlich Verwirbelungsverprägungen in Form von unregelmäßigen oder regelmäßigen Vertiefungen aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Silikagel- oder Zeolithe enthaltende Beschichtung eine Dicke von 5 bis 40 g/m², bevorzugt 8 bis 16 g/m² aufweist, wobei bevorzugt Zeolithe mit einer Porengröße von 3 bis 4 Å in der Beschichtung enthalten sind.

9. Regenerator aufweisend mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Belüftungsvorrichtung zur Lüftung eines Raumes aufweisend eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit Feuchterückgewinnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Zeichnung