DE60017715T2

DE60017715T2 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der lufttemperatur und der luftfeuchte

Info

Publication number: DE60017715T2
Application number: DE60017715T
Authority: DE
Inventors: C. John FISCHER
Original assignee: Semco Inc; Semco Instruments Inc
Current assignee: Semco Inc; Semco Instruments Inc
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: EP1159569B1; JP2002539405A; DE60017715D1; JP4475823B2; WO2000053979A1; AU758281B2; US6199388B1; KR100422674B1; AU3874100A; WO2000053979A9; EP1159569A1; KR20010108342A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Feld der Erfindung
Die vorliegenden Erfindung betrifft das Feld Klimaanlagen (HVAC, heating, ventilation and air conditioning). Insbesondere betrifft diese Erfindung Systeme und Verfahren für die Regelung der Temperatur und Feuchtigkeit eines klimatisierten Raums.
2. Hintergrund
Die Qualität von Innenraumluft ist mit dem Auftreten vieler Krankheiten in Verbindung gebracht worden, und es wurde gezeigt, dass sie einen direkten Einfluss auf die Produktivität von Arbeitern hat. Neue Forschungsergebnisse zeigen deutlich, dass die Feuchtigkeitswerte von Innenräumen einen weit größeren Einfluss auf die Gesundheit der Anwesenden in Gebäuden haben als zuvor vermutet wurde. Z.B. wurde gezeigt, dass die Mikrobenaktivität (z.B. Schimmel und Pilze), die mit höheren Innenraumfeuchtigkeitswerten zunehmen, schädliche organische Stoffe ausscheiden. Es wird nun von einigen Forschern vermutet, dass Kinderasthma mit solcher Mikrobentätigkeit zusammenhängt.
Zusätzlich zu den direkten Gesundheitsauswirkungen werden oft Gerüche, die der Mikrobenaktivität zugeordnet werden, als Hauptgrund angegeben, warum die Luftqualität eines Innenraums von den Anwesenden als inakzeptabel angesehen wird. Wenn Gerüche in einem Gebäude vorgefunden werden, reagieren die Betreiber des Gebäudes häufig mit zunehmenden Mengen von Außenluft in einem Versuch, die Gerüche zu beseitigen. Dies verschärft häufig das Problem, weil zunehmende Mengen von Außenluft häufig zu höheren Innenraumfeuchtigkeitswerten führen, welche wiederum weitere Mikrobenaktivität fördert.
Die Klimaanlagen-Industrie hat auf diese Innenraum-Luftqualitäts-("IAQ", indoor air quality)-Bedenken mit ihrer Innungsorganisation, der American Society of Heating and Refrigeration and Air Conditioning Engineers ("ASHRAE") reagiert. Vor einigen Jahren gab die ASHRAE den IAQ-Standard 62–1989 mit dem Titel "Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality" heraus. Dieser Standard betont den Bedarf an kontinuierlicher Außenluftventilation wie auch die Bedeutung bei Beibehaltung von Innenraumfeuchtigkeitswerten. Kürzlich vorgeschlagene Modifizierungen des Standards (62–1989R) haben stärkere Betonung auf die Beibehaltung von Innenraumfeuchtigkeitswerten gelegt. Der vorgeschlagene Standard betont den Bedarf für die Beibehaltung passender Feuchtigkeitswerte unter Spitzenlast- und Teillastbedingungen, und zwar unter beiden Belegungsbedingungen (in denen empfohlen wird, dass die relative Feuchtigkeit bei nicht mehr als 60% gehalten wird) und unbelegten Bedingungen (in denen empfohlen wird, dass die relative Feuchtigkeit bei nicht mehr als 70% gehalten wird). Es besteht deshalb ein beachtlicher Bedart für energieeffiziente Systeme, welche die Feuchtigkeit des Innenraums effektiv steuern, während sie gleichzeitig eine große Menge von Außenluft für den Raum bereitstellen.
Räumlichkeiten mit hohen Belegungsraten oder hohen Werten des Betretens und des Verlassens, wie etwa Schulen, Krankenhäuser, Pflegeheime und viele Büros, haben typisch einen hohen Zustrom von Außenluft zu dem belegten Raum und stellen konsequenter Weise eine besondere Herausforderung für den Klimaanlagen-Entwurf dar. Aufgrund der extremen Feuchtigkeitswerte und der großen Zahl von Kühlstunden mit Teillast, die in heißen und feuchten Klimaten existieren, ist die Einhaltung der relativen Feuchtigkeit auf den von ASHRAE empfohlenen Werten extrem schwierig und teuer, falls konventionelle Klimaanlagen-Ansätze für solche Räumlichkeiten verwendet werden.
Z.B. wird die Klimaanlage an Tagen, an denen die Temperatur gemäßigt, die Feuchtigkeit aber hoch ist (Teillastbedingung), den Raum schnell auf die gewünschte Temperatur bringen und dann ihre Kühlschlange abschalten. Mit kontinuierlichem Zustrom von Außenluft zum Innenraum steigt der Innenraum-Feuchtigkeitswert, bis die Temperatur im Innenraum den Thermostat dazu bringt, die Kühloperation zu beginnen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Zustand des Luftgemisches, das der Kühlschlange zugeleitet wird, in der Feuchtigkeit erhöht. Der erhöhte Feuchtigkeitswert der Luft, die zur Kühlschlange strömt, führt zu einer höheren Taupunkttemperatur beim Wegströmen von der Kühlschlange.
Die Raumtemperaturregelung wird eingehalten, aber die Feuchtigkeitsregelung ist verloren gegangen, was zu erhöhten Raumfeuchtigkeitszuständen führt.
Eine der wirkungsvollsten Entwurfslösungen für die Regelung der Temperatur und der Feuchtigkeit eines klimatisierten Raums bei Bereitstellung einer großen Menge an Außenluft ist das Entkoppeln der versteckten Last von der konventionellen Klimaanlage, welche die Räumlichkeiten bedient. Dieser Ansatz ermöglicht, dass die konventionellen Einheiten in den Ausmaßen verringert werden, um nur die spürbare Last zu handhaben. Die entfeuchtete Außenluft wird dem klimatisierten Raum über ein getrenntes System mit einer raumneutralen Temperatur und Feuchtigkeit (typisch 20 °C (68 °F) bzw. 3,56 g absolute Feuchtigkeit (55 grain)) direkt zugeleitet. Dieser Ansatz ermöglicht, dass die gewünschte Menge an Außenluft kontinuierlich bereitgestellt wird, während gleichzeitig eine gewünschte und konsistente relative Feuchtigkeit für den Raum bereitgestellt wird.
Entfeuchtungsmittel-basierende Systeme sind verwendet worden, um einen kontinuierlichen Strom entfeuchteter Außenluft bereitzustellen. Diese Systeme können eine beträchtliche Menge der in der Außenluft enthaltenen Feuchtigkeit vor ihrer Einführung in das konventionelle Klimaanlagensystem oder wie oben ausgeführt direkt in den klimatisierten Raum entfernen. Dies ermöglicht, dass die zusammengestellten Geräte entsprechend dem Entwurf arbeiten und beträchtlich besser die Raumfeuchtigkeit regeln trotz vergrößerter Anforderungen an Außenluft.
Entfeuchtungsmittel können feste oder flüssige Substanzen sein, welche die Fähigkeit haben, relativ große Mengen von Wasser anzuziehen und zu halten. In vielen kommerziellen Klimaanlagenanwendungen, in denen Entteuchtungsmittel verwendet werden, liegt das Entfeuchtungsmittel in einer festen Form vor und absorbiert Feuchtigkeit aus der zu klimatisierenden Luft. Beispiele dieser Typen von Entfeuchtungsmitteln sind Kieselgel, aktiviertes Aluminium, Molekülsiebe und zerfließende hygroskopische Salze. In einigen Fällen sind diese Entfeuchtungsmittel in Fächern enthalten, über die die zu klimatisierende Luft streicht: jedoch ist das Entfeuchtungsmittel in vielen Fällen enthalten in dem, was als ein "Entfeuchtungsrad" bekannt ist.
Ein Entfeuchtungsrad ist Apparat, der typisch eine Vielzahl von dicht beieinander liegenden, sehr dünnen Blättern aus Papier oder Metall umfasst, welche mit einem Entfeuchtungsmaterial beschichtet oder imprägniert sind. Das Rad ist häufig in Klimatisierungskanälen oder in einem in zwei Abschnitte unterteilten Luftaufbereitungssystem enthalten. Das Rad wird langsam um seine Achse derart gedreht, dass eine gegebene Zone des Rads sequentiell in den zwei Abschnitten frei zugänglich ist. In dem ersten Abschnitt steht das Entfeuchtungsmittel in Kontakt mit der zugeführten Außenluft. In diesem Abschnitt entfeuchtet das Entfeuchtungsrad den zugeführten Außenluftstrom durch Absorption der Feuchtigkeit aus der Luft auf seiner Entfeuchtungsoberfläche.
In dem zweiten Abschnitt des Entfeuchtungsrads steht das Entfeuchtungsmittel in Kontakt mit der zurückströmenden, von dem Raum abgegebenen Ausstoßluft. Diese zurückströmende Ausstoßluft nimmt die Feuchtigkeit von dem Entfeuchtungsmittel auf, die aus dem zugeführten Außenluftstrom absorbiert war. Durch Drehen des Rads durch diese zwei Luftströme ist das Absorbieren und Abgeben des Rads kontinuierlich und geschieht gleichzeitig.
Der Stand der Technik umfasst zwei Typen von Entfeuchtungsradsystemen: i) das "passive" Doppelrad-Energierückgewinnungsaufbereitungssystem (DWERP; dual wheel energy recovery preconditioner); und ii) das "aktive" thermisch regenerierte Kühlsystem auf Entfeuchtungsbasis (DBC, decissant-based cooling).
Wie in 1A und 1B nach dem Stand der Technik gezeigt, kombiniert das DWERP-System typisch ein Entfeuchtungsmittel-basierendes Gesamtenergierückgewinnungsrad und ein Nur-spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad zusammen mit einer konventionellen Kühlschlange mit gekühltem Wasser oder mit direkter Expansion ("DX", direct expansion), um die einem Raum zugeleitete Außenluft (abhängig von dem Umgebungsbedingungen) zu kühlen und zu entfeuchten oder um zu heizen und zu befeuchten.
Ein typisches DWERP-System, das im Kühlmode arbeitet, ist in 1A veranschaulicht. Im Kühlmode strömt die zugeführte Außenluft durch das Entfeuchtungsmittel-basierende Gesamtenergierückgewinnungsrad, durch das sie vorgekühlt und entfeuchtet wird und dabei viel von seiner Feuchtigkeit und Wärme an das mit Entfeuchtungsmittel beschichtete Radmedium abgibt. Als Nächstes strömt die Außenluft durch die Kühlschlange, durch die sie weiter gekühlt und entfeuchtet wird, bis sie den von dem belegten Raum verlangten absoluten Feuchtigkeitswert erreicht. Die kalte, entfeuchtete Außenluft strömt schließlich durch ein Nur-spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad, durch das sie wieder auf die gewünschte Temperatur geheizt wird, wobei nur die Energie verwendet wird, die in der rückströmenden Luft enthalten ist, welche von dem Raum abgegeben wird und durch die Nebenseite des Nur-spürbare-Energie-Rückgewinnungsrads strömt.
Der Luftrückstrom verläßt das Nur-spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad kalt und trocken, nachdem es die Übertragungsmatrix durchströmt hat, die durch die kalte Luft gekühlt wurde, welche die Kühlschlange verlassen hat. Diese kalte, trockene Luft wird dann durch das Gesamtenergierückgewinnungsrad geschickt, in dem es Wärme und Feuchtigkeit aufnimmt, die innerhalb der mit Entfeuchtungsmittel beschichteten Gesamtenergierückgewinnungsmatrix enthalten ist, und sie nach außen abgibt.
Die Kühlschlange in dem DWERP kann typisch bei einer Temperatur so niedrig wie 10,5 °C (51 °F) betrieben werden, um Luft mit einem absoluten Feuchtigkeitswert von 3,56 g (55 grain) abzugeben. Mit kundenspezifischen Modifizierungen können DX-Kühlschlangen in einem DWERP-System entworfen werden, um die Außenluft auf eine Temperatur so niedrig wie 8,9 °C (48 °F) zu kühlen, um einen abgegebenen absoluten Feuchtigkeitswert so niedrig wie 3,24 g (50 grain) zu produzieren, die praktische Grenze für konventionelle Kühlgeräte. Bei einem Außenluftfeuchtigkeitszustand von 8,42 g (130 grain) (eine typische Taupunktkühlentwurfsvorgabe für die südlichen Vereinigten Staaten) ist das DWERP gewöhnlich in der Lage, eine Reduktion des Feuchtigkeitsgehalts der Außenluft um nicht mehr als 5,18 g (80 grain) bereitzustellen, was in einer Reduktion der versteckten Last von angenähert 159400 W (544000 BTU/h) für ein System mit 283200 l/min (10000cfm) resultiert.
Mit Bezug nun auf 2 wurde das "aktive" Entfeuchtungsmittel-basierende Kühlsystem (DBC) ebenfalls eingesetzt, um versteckte Lasten zu reduzieren. Das "aktive" DBC-System kombiniert typisch ein thermisch regeneriertes Entfeuchtungsmittel-Entfeuchtungsrad (ein "aktives DH-Rad", desiccant dehumifification), ein Nur-spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad, eine Regenerierungswärmequelle und in den meisten Fällen einen Verdunstungskühler. Das DBC-System arbeitet mit einer Durchströmung der zugeführten Außenluft durch das thermisch regenerierte Entfeuchtungsmittelrad, wobei die Luft entfeuchtet und gewärmt wird. Diese Erwärmung geschieht sowohl durch die Absorptionswärme (Energie, die abgegeben wird, wenn die Feuchtigkeit auf der Entfeuchtungsmitteloberfläche absorbiert wird) als auch durch die Wärme, die durch die Entfeuchtungsradmatrix bei der Drehung von dem heißen Regenerierungsluftstrom zu dem zugeführten Außenluftstrom übertragen wird. Beim Verlassen des Entfeuchtungsmittelrads wird die heiße zugeführte Außenluft gekühlt, indem sie durch das Nur-spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad strömt. An diesem Punkt in einem DBC-System wird die zugeführte Außenluft entfeuchtet, aber bei angenähert derselben Temperatur wie die Außenluft. Folglich wird eine beträchtliche Menge von Nachkühlungsenergie benötigt, um die Temperatur der zugeführten Luft auf die gewünschte neutrale Raumtemperatur zu reduzieren.
Der Regenerierungsluftstrom eines aktiven DBC-Systems kann entweder ein Luftrückstrom oder ein anderer Außenluftstrom sein. In jedem Fall wird dieser Luftstrom gewöhnlich zuerst durch einen Verdunstungskühler geschickt, um eine verbesserte Treibkraft für die Nurspürbare-Energie-Rückgewinnung auf der Seite der zugeführten Außenluft zu haben (um die benötigte Nachkühlung zu reduzieren). Die Luft verläßt den Verdunstungskühler gekühlt und befeuchtet, strömt dann durch die zweite Seite des Nur-spürbare-Wärmetauschers, in dem der Luftstrom vor der Einführung zum Regenerierungserhitzer vorgeheizt wird. Als Nächstes strömt ein Teil oder der gesamte Luftstrom durch die Regenerierungsheizquelle, wo er typisch auf eine Temperatur im Bereich von 79,4 °C bis 148,8 °C (175 °F bis 300 °F) erhitzt wird. Dieser heiße Regenerierungsluftstrom nimmt die in der Entfeuchtungsmittelbeschichtung des aktiven DH-Rads enthaltene Feuchtigkeit auf und stößt sie aus dem DBC-System aus. Das in dem DBC-System verwendete "aktive" DH-Entfeuchtungsmittelrad muss kontinuierlich mit einer beträchtlichen thermischen Energiequelle regeneriert werden, damit es die zugeführte Außenluft auf den von einer typischen Anwendung verlangten Feuchtigkeitswert trocknet.
Mehr noch als der DWERP-Ansatz ist das aktive DBC-System in seiner Fähigkeit begrenzt, extrem trockene Luft in einer typischen Taupunktentwurfsvorgabe bereitzustellen. Die maximale Feuchtigkeitsreduktion, die gegenwärtig von einem konventionellen DBC-System verfügbar ist, ist typisch angenähert 4,5 g (70 grain), und dieser Wert der Feuchtigkeitsreduktion verlangt generell, dass das System bei sehr niedrigen Frontgeschwindigkeiten betrieben wird (d.h. in einem sehr großen System für den verarbeiteten Luftstrom). Folglich wird der Abgabeluftstrom von einem DBC-System bei einer Außenlufttaupunktentwurfsvorgabe von 8,4 g (130 grain) begrenzt sein auf angenähert 3,9 g (60 grain), was 0,65 g (10 grain) höher ist als was von einem DWERP-System bereitgestellt wird, und die Temperatur der zugeführten Außenluft, die an den Raum abgegeben wird, würde gewöhnlich mehr als 26,7 bis 32,2 °C (80 bis 90 °F) betragen.
Ein Nachteil sowohl des "passiven" DWERP-Systems als auch des "aktiven" DBC-Systems ist, dass sie keine Außenluft trockner als 3,24 g (50 grain) bzw. 3,9 g (60 grain) bei einer typischen Taupunktentwurfsvorgabe von 8,4 g (130 grain) von Feuchtigkeit pro Pfund trockener Luft bereitstellen können. In vielen Anwendungen ist es sehr wünschenswert, Luft in dem Bereich von 2,26 g bis 2,9 g (35 bis 45 grain) bereitzustellen, so dass die gesamte versteckte Last von dem konventionellen Kühlsystem abgekoppelt werden kann und ermöglicht, dass das System in den Ausmaßen verringert wird, um nur die spürbare Last des Gebäudes zu handhaben. Zwei Anwendungsbeispiele umfassen Schulen und Büros.
Schulgebäude werden häufig entworfen, um einen Kompromiss zu finden zwischen Luftqualität und einer Kostenreduktion. Z.B. wurden viele Schulgebäude in den südlichen Vereinigten Staaten kürzlich entworfen, um ein Außenluftvolumen von nur 212 l/min/Schüler (7,5 cfm/Schüler) bereitzustellen, im Gegensatz zu den 425 l/min/Schüler (15 cfm/Schüler), wie von ASHRAE-Standards verlangt. Das Halbieren des Außenluftvolumens reduziert die Anfangskosten des Gebäudes, weil die Größe des Außenluftaufbereitungssystems entsprechend reduziert ist, was auch für die Größe der Luftkanäle zutrifft, die verlangt wird, um die Außenluft- und Ausstoßluftströme aufzunehmen. Weil jedoch das Außenluftvolumen halbiert ist, muss die Differenz der absoluten Feuchtigkeit zwischen derjenigen, die dem Raum zugeführt wird, und derjenigen, die innerhalb des Raums gewünscht ist, verdoppelt werden, wenn die gesamte versteckte Raumlast durch das Außenluftaufbereitungssystem gehandhabt werden soll. Dafür wird sehr trockene Luft benötigt.
Z.B. enthält ein typischer Schulklassenraum angenähert 30 Kinder. Die mit der Beleuchtung, den anwesenden Personen und anderen Dingen assoziierte spürbare Last ist angenähert 2000 kg (7035 W) (2 t (24000 BTU/h)). Die mit den anwesenden Personen und Einsickern assoziierte Last beträgt angenähert 2 kg (4,3 Ibs) pro Stunde. Wenn angenommen wird, dass der Raum auf 23,9 °C (75 °F) und 50% relative Feuchtigkeit zu klimatisieren ist, dann ist ein absoluter Feuchtigkeitsgehalt von 4,2 g (65 grain) erwünscht. Wenn die versteckte Last mit einer Außenluftlast von 12750 l/min (450 cfm) (auf der Basis 425 l/min/Schüler (15 cfm/Schüler)) zu handhaben ist, dann muss die Außenluft mit 3,35 g (50 grain) abgegeben werden. Dies kann berechnet werden durch Teilen der Masse der versteckten Last durch die Masse der trockenen Luft (2 kg (4,3 Ibs) Feuchtigkeit/h geteilt durch 920 kg (2025 Ibs) Außenluft pro Stunde), um die benötigte Feuchtigkeitsdifferenz zu bestimmen (in diesem Fall wird eine Differenz von 0,96 g (0,0021 lb) Feuchtigkeit pro lb trockener Luft benötigt oder 0,96 g (15 grain)). Durch Subtrahieren der berechneten Feuchtigkeitsdifferenz 0,96 g (15 grain) von dem gewünschten Raumfeuchtigkeitsgehalt von 4,2 g (65 grain) kann die benötigte Zuleitungbedingung als 3,24 g (50 grain) berechnet werden.
Wenn nur 212 l/min/Schüler (7,5 cfm/Schüler) statt 425 l/min/Schüler(15 cfm/Schüler) zugeführt wird, dann verdoppelt sich die benötigte Feuchtigkeitsdifferenz von 4,2 g zu 8,4 g (von 16 grain zu 30 grain). Folglich muss nun für die Handhabung der versteckten Last mit 5470 l/min (225 cfm) Außenluft, was 212 l/min/Schüler (7,5 cfm/Schüler) ergibt, die Außenluft mit 2,26 g (35 grain (65 grain – 30 grain Feuchtigkeitsdifferenz)) abgegeben werden. Wie zuvor anführt, ist dies viel trockener als mit konventionellen DWERP- oder DBC-Systemen bereitgestellt werden kann.
Ein ähnliches Szenario existiert in einer typischen Büroumgebung, wo die benötigten 566 l/min pro Person (20 cfm pro Person) nur angenähert 20% Außenluft umfassen. Z.B. kann das Bürogebäude 453100 l/min (20000 cfm) von zugeführter Luft benötigen, von der 113300 l/min (4000 cfm) Außenluft ist. Falls die Außenluft durch ein Außenluftaufbereitungssystem auf 2,6 g (40 grain) entfeuchtet wird, dann würde diese Luft bei Mischung mit 453100 l/min (16000 cfm) rückströmender Luft mit 4,2 g (65 grain) verlangen, dass die in den Raum einströmende Luft einen absoluten Feuchtigkeitswert von 3,9 g (60 grain) haben muss, um die gewünschte relative Raumfeuchtigkeit von 50% bei 23,9 °C (75 °F) beizubehalten. Ein wesentlicher Vorteil ist erreicht, weil die Kühlschlange nun betrieben werden kann, um Luft bei nur 14,4 °C (58 °F) bereitzustellen, um die spürbare Last zu handhaben, im Gegensatz zu 11,1 °C (52 °F), die benötigt würden, um Luft mit 3,9 g (60 grain) bereitzustellen, falls sie nicht durch den Außenluftaufbereiter entfeuchtet worden wäre. Dieses vergrößerte Entfeuchtungsvermögen würde einen sehr positiven Einfluss auf die Kosten des Projekts, die Kühlereffizienz und den Energieverbrauch haben und würde verbesserte Feuchtigkeitsregelung während Zuständen ohne Belegung haben.
Konventionellen DWERP- und DBC-Doppelradsystemen mangelt die Fähigkeit, sehr trockene Luft (2,27 g bis 2,92 g (35 grain bis 45 grain)) bereitzustellen, wenn Außenluft mit typischen Taupunktentwurfsvorgabe 7,8 g bis 8,4 g (120 grain bis 130 grain) verarbeitet wird, was häufig notwendig ist, um die relative Raumfeuchtigkeit unter 60% zu regeln, wie von ASHRAE empfohlen. Daher besteht ein starker Bedarf für ein verbessertes Außenluftaufbereitungssystem für die Regelung sowohl der Temperatur als auch der Feuchtigkeit belegter und unbelegter Räume, das in der Lage ist, Luft mit einem sehr niedrigen absoluten Feuchtigkeitswert (unter etwa 3,1 g (48 grain)) auf effiziente Weise bereitzustellen.
Ein anderer Nachteil der aktiven DBC-Entfeuchtungsmittel-Doppelradsysteme ist, dass sie eine externe Wärmequelle benötigen, um das Entfeuchtungsmittelrad zu regenerieren, um den Entfeuchtungsprozess anzutreiben. Solche Systeme wenden auch typisch einen Verdunstungskühlerabschnitt an, um das meiste der durch das Entfeuchtungsmittelrad als Teil des Absorptionsprozesses generierten Wärme zu entfernen. Diese Wärme der Absorption und übertragene Wärme von dem Entfeuchtungsmittelrad hebt die Temperatur des Außenluftstroms beträchtlich. Der Teil der Wärme, der nicht durch das zweite Nur-spürbare-Energie-Rad und den Verdunstungskühlungsabschnitt entfernt wird, muss entfernt werden unter Verwendung von Nachkühlungsenergie von einem von ihnen in dem DBC-System oder von Energie, die den Klimaanlagensystemen hinzugefügt wird, welche den Raum versorgen. Der Bedart für Regenerierungswärme fügt Komplexität zu dem Systembetrieb, der Systeminstallation und den Systemregelungsabläufen hinzu, und verlangt häufig eine unterschiedliche Wärmequelle als die für die Raumheizung verwendete Wärmequelle wegen der hohen Temperatur, die benötigt wird, um die feuchte Außenluft auf den gewünschten Feuchtigkeitswert zu entfeuchten. Der Verdunstungskühlungsabschnitt erhöht die Systemwartung, wie etwa Wasseraufbereitung und Wintervorbereitung, und vergrößert häufig das Mikrobenwachstum. Somit besteht ein starker Bedarf für ein Außenluftaufbereitungssystem, das sehr trockene Luft bereitstellen kann, ohne dass eine Regenerierungswärmequelle oder ein Verdunstungskühlungsabschnitt verwendet wird.
Ein anderer Mangel konventioneller aktiver DBC-Entfeuchtungsmittel-Doppelradsysteme ist begrenzte Flexibilität. Diese System können warme trockene Luft bereitstellen. Aber mit zunehmender Innenraumluftfeuchtigkeit steigt auch die Abgabetemperatur von der Einheit. Folglich kann das DBC-System keine kalte trocken Luft (ohne beträchtliche, dem Prozess nachgeschaltete Kühlung) bereitstellen, wenn die Raumzustände heiß und feucht sind. Somit wäre es vorteilhaft, ein System vorzusehen, das trockene, kalte Luft bereitstellen kann, wenn der Raum heiß und feucht wird, wodurch es die Flexibilität hat, verschiedene Kombinationen von Temperatur- und Feuchtigkeitszuständen innen und außen zu handhaben.
US-A-472977A legt ein "aktives" DBC-System offen und kombiniert als solches ein thermisch regeneriertes Entfeuchtungsrad, eine Spürbare-Energie-Wiedergewinnungs-Vorrichtung in der Form eines Wärmetauschers und eine Regenerierungswärmequelle.
Aus den vorgenannten Gründen besteht ein starker Bedarf für ein energieeffizientes System für die Regelung der Temperatur- und Feuchtigkeitswerte der Luft eines klimatisierten Raums, das in der Lage ist, aufbereitete Außenluft mit sehr niedrigen absoluten Feuchtigkeitswerten bereitzustellen, ohne eine externe Wärmequelle zu benötigen, welches die Flexibilität hat, verschiedene Kombinationen von Temperatur und Feuchtigkeit zu handhaben. Die vorliegende Erfindung sieht diese und andere vorteilhafte Ergebnisse vor.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein System und ein Verfahren für die Regelung von Temperatur und Feuchtigkeit eines klimatisierten Raums wird hier beschrieben. Das System umfasst vorzugsweise eine Luftzuführung (z.B. einen Ventilator) und eine Luftabführung (z.B. einen anderen Ventilator) für die Erzeugung von Zuführungs- und Abführungsluftströmen, die durch eine Abtrennung getrennt sind. Das System umfasst ferner eine Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung und ein Entfeuchtungsrad, deren jede positioniert sind, um im Kontakt mit dem zugeführten Luftstrom und dem abgeführten Luftstrom zu stehen, wobei sie Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem Zuführungsstrom und dem Abführungsstrom austauschen. Das System umfasst ferner einen Kühler (z.B. eine Kühlschlange) in dem Zuführungsstrom zwischen der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung und dem Entfeuchtungsrad für die Kühlung und Entfeuchtung des zugeführten Luftstroms. In einer Ausführungsfarm der Erfindung ist die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung vorzugsweise ein Entfeuchtungsmittel-basierendes Gesamtenergierückgewinnungsrad. In einer anderen Ausführungsform ist das Entfeuchtungsrad vorzugsweise ein Entfeuchtungsmittel-basierendes Entfeuchtungsrad.
Das System der vorliegenden Erfindung hat einen Kühl-/Entfeuchtungsbetriebsmode. In diesem Mode wird der zugeführte Luftstrom gekühlt und entfeuchtet mittels Durchströmen einer trockenen und einer feuchten Zone der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung. Der zugeführte Luftstrom wird dann weiter gekühlt und entfeuchtet mittels Durchströmen der Kühlschlange. Vor der Zuführung zu dem klimatisierten Raum wird die zugeführte Luft wieder erhitzt und weiter entfeuchtet mittels Durchströmen einer warmen und trockenen Zone des Entfeuchtungsrads.
Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst das System ferner eine Geschwindigkeitssteuerung für die Einstellung der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads, und/oder eine Kühlungssteuerung für die Einstellung der Kühlungsabgabe des Kühlers. Die Geschwindigkeitssteuerung kann so eingestellt werden, dass der Wert der Wärme und der Feuchtigkeit gesteuert wird, die durch das Entfeuchtungsrad ausgetauscht wird. die Kühlungssteuerung kann so eingestellt werden, dass der Wert der Kühlung und Entfeuchtung gesteuert wird, die durch den Kühler vorgesehen wird. Diese Steuerungen können so eingestellt und koordiniert werden, dass sie verschiedene Kombinationen von Temperatur und Feuchtigkeit handhaben.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der klimatisierte Raum gekühlt ohne die Raumfeuchtigkeit im Wesentlichen anzupassen durch Vergrößerung der Kühlungsabgabe und Einstellung der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads auf einen vorbestimmten Bereich, innerhalb dessen das Entfeuchtungsrad einen gewünschten Wert der Kühlung liefert.
Nach einem anderen Verfahren der Erfindung wird der klimatisierte Raum gekühlt und entfeuchtet durch Vergrößerung der Kühlungsabgabe des Kühlers und Anpassen der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads auf einen vorbestimmten Bereich, innerhalb dessen das Entfeuchtungsrad einen reduzierten Wert der Heizung liefert.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird der klimatisierte Raum gekühlt und entfeuchtet durch Vergrößerung der Kühlungsabgabe des Kühlers und Anpassen der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads auf einen vorbestimmten Bereich, innerhalb dessen das Entfeuchtungsrad einen gewünschten Wert der Heizung und Entfeuchtung liefert.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der klimatisierte Raum beheizt ohne die Raumfeuchtigkeit im Wesentlichen einzustellen durch Reduzierung der Abgabe des Kühlers derart, dass der abgegebene Feuchtigkeitsgehalt der Luft, die in den klimatisierten Raum einströmt, den gewünschten Wert innerhalb des klimatisierten Raums annähert, und durch Vergrößern der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads auf einen vorbestimmten Bereich, innerhalb dessen das Entfeuchtungsrad einen höheren Wert der Heizung bereitstellt.
In einem anderen Verfahren wird der klimatisierte Raum beheizt und entfeuchtet durch Vergrößerung der Kühlungsabgabe der Kühlers derart, dass der Kühler die zugeführte Luft entfeuchtet, die in das Entfeuchtungsrad einströmt, und durch Anpassung der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads auf einen vorbestimmten Bereich, innerhalb dessen das Entfeuchtungsrad einen gewünschten Wert der Heizung und Entfeuchtung liefert.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren der Steuerung von Temperatur und Feuchtigkeit eines klimatisierten Raums, das die folgenden Schritte umfasst: Luft wird zuerst einem klimatisierten Raum zugeführt und von ihm abgeführt; der zugeführte Luftstrom wird dann gekühlt und entfeuchtet mittels Durchströmen einer trockenen und kühlen Zone einer Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung; der zugeführte Luftstrom wird dann weiter gekühlt und entfeuchtet mittels Durchströmen einer Kühlschlange; und bevor er dem klimatisierten Raum zugeführt wird, wird der zugeführte Luftstrom erhitzt und weiter entfeuchtet mittels Durchströmen einer warmen und trockenen Zone eines Entfeuchtungsrads.
Zeichnungen
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vollständiger deutlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1A und 1B schematische Darstellungen sind, die Beispiele der typischen Leistung eines Doppelrad-Energierückgewinnungsaufbereitungssystems (DWERP) nach dem Stand der Technik bei typischen Entwurfsbedingungen während der Kühlsaison bzw. der Heizsaison zeigen;
2 eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel einer typischen Leistung eines aktiven Entfeuchtungsmittel-basierenden Kühlsystems (DBC) nach dem Stand der Technik der Heizsaison zeigt;
3A eine schematische Darstellung ist, die eine Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
3B eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel eines Verfahrens der Verwendung des Systems von 3A zeigt, um die Temperatur- und die Feuchtigkeitswerte zu regeln, wenn der klimatisierte Raum zu heiß und der Feuchtigkeitswert akzeptabel oder zu trocken ist;
3C eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel eines Verfahrens der Verwendung des Systems von 3A zeigt, um die Temperatur- und die Feuchtigkeitswerte zu regeln, wenn der klimatisierte Raum zu heiß und zu feucht ist;
3D eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel eines Verfahrens der Verwendung des Systems von 3A zeigt, um die Temperatur- und die Feuchtigkeitswerte zu regeln, wenn der klimatisierte Raum zu kalt und zu trocken ist;
3E eine schematische Darstellung ist, die ein Beispiel eines Verfahrens der Verwendung des Systems von 3A zeigt, um die Temperatur- und die Feuchtigkeitswerte zu regeln, wenn der klimatisierte Raum zu kalt und zu feucht ist;
4 eine graphische Darstellung ist, die den Wert der Feuchtigkeitsreduktion in grain und den Wert des Temperaturanstiegs in Ausdrücken von Prozent der Rückheizungseffizienz für die zugeführte Luft gegenüber der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Rückheizungseffizienz definiert ist als der Temperaturanstieg in Grad über die Zuführungsseite des latenten Rads (3A, 10a–10c), geteilt durch die Temperaturdifferenz zwischen der Luft am Ausgang der Kühlschlange und der abgegebenen Luft, die den klimatisierten Raum verläßt (3A, 20a–10c).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie in 3A gezeigt, umfasst eine Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung die prinzipiellen Elemente einer Luftzuführung 18, die ausgelegt ist, Luft einem klimatisierten Raum (nicht gezeigt) zuzuführen, was einen Zuführungsluftstrom 10 erzeugt; eine Luftabführung 22, die ausgelegt ist, um Luft aus dem klimatisierten Raum abzuführen, was einen Abführungsluftstrom 20 neben dem Zuführungsluftstrom 10 erzeugt; eine Abteilung 11, die zwischen dem Zuführungsluftstrom und dem Abführungsluftstrom angeordnet ist, welche den Zuführungsluftstrom und den Abführungsluftstrom voneinander trennt; eine Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 in Kontakt mit dem abgeteilten Zuführungsluftstrom 10 und dem Abführungsluftstrom 20, welche Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem Zuführungsluftstrom und dem Abführungsluftstrom austauscht; ein Entfeuchtungsrad 16, das positioniert ist, um sich durch den Zuführungsluftstrom 10 und den Abführungsluftstrom 20 zu drehen, welches Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem Zuführungsluftstrom 10 und dem Abführungsluftstrom 20 austauscht; einen Kühler 14, der in dem Zuführungsluftstrom 10 zwischen der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 und dem Entfeuchtungsrad 16 angeordnet und ausgelegt ist, um den Zuführungsluftstrom 10 zu kühlen und zu entfeuchten.
Die Luftzuführung 18 und die Luftabführung 22 können vorzugsweise eine Einrichtung sein, die in der Lage ist, Luft zu bewegen, um so Luftströme zu erzeugen, z.B. ein Ventilator oder ein Gebläse. Entweder die Luftzuführung 18 oder die Luftabführung 22 oder beide können innerhalb des Systems selbst oder außerhalb des Systems liegen. Z.B. kann jede der Komponenten mit dem System über Luftkanäle verbunden sein.
Der Zuführungsluftstrom 10 ist ein Strom von Luft von einer Quelle, der dem System zugeführt wird. Z.B. umfasst der Zuführungsluftstrom in einer bevorzugten Ausführungsform Außenluft (d.h. jede Luft, die von außerhalb des klimatisierten Raums angesaugt wird, einschließlich Luft, die von einem anderen geschlossenen Raum angesaugt wird). Außenluft kann vorzugsweise z.B. Luft von Außen umfassen (d.h. Luft, die von außerhalb eines Gebäudes angesaugt wird). in einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Zuführungsluftstrom 10 zurück zirkulierte Luft, die von dem klimatisierten Raum angesaugt wird.
In einer noch anderen Ausführungsform umfasst der Zuführungsluftstrom 10 ein Gemisch von Luft von außen und von zurück zirkulierter Luft.
Der Abführungsluftstrom 20 umfasst vorzugsweise Luft, die von dem klimatisierten Raum angesaugt wird. Der Abführungsluftstrom 20 kann jedoch Luft von einer Menge anderer Quellen umfassen. Z.B. kann der Abführungsluftstrom 20 Luft umfassen, die von außerhalb des klimatisierten Raums angesaugt wird oder ein Gemisch von Luft die von innerhalb und von außerhalb des klimatisierten Raums angesaugt wird. Die in der Technik bewanderten Personen werden erkennen, dass die Zuführungsluft 20a häufig als "Rückluftstrom" bezeichnet wird. Es ist beabsichtigt, dass der hier verwendete Begriff "Abführungsluftstrom" so weit gefasst ist, dass er den "Rückluftstrom" einschließt.
Der Zuführungsluftstrom 10 und der Abführungsluftstrom 20 sind durch eine Abteilung 11 getrennt. Z.B. kann diese Abteilung getrennt Luftkanäle für den Zuführungsluftstrom und den Abführungsluftstrom umfassen oder eine Sperrwand zwischen den zwei Luftströmen. Der Abführungsluftstrom 20 ist dem Zuführungsluftstrom 10 benachbart. Jedoch sollte der Begriff "benachbart" weit gefasst verstanden werden, um eine jede von verschiedenen Konfigurationen einzubeziehen, die zulassen würden, dass die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 und das Entfeuchtungsrad 16 so positioniert sind, dass sie sowohl mit dem Zuführungsluftstrom als auch mit dem Abführungsluftstrom in Kontakt stehen.
Der klimatisierte Raum (nicht gezeigt) kann ein jeder Raum sein, in dem eine Regelung von Temperatur und von Feuchtigkeit gewünscht wird. Der klimatisierte Raum ist typisch eine geschlossene Struktur, z.B. das Innere einer Schule, eines Pflegeheims, eines Krankenhauses oder eines Bürogebäudes. Der klimatisierte Raum ist vorzugsweise abgefasst, muss aber nicht notwendig vollständig eingefasst sein.
Die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 kann vorzugsweise eine jede Vorrichtung umfassen, die spürbare Energie (Temperatur) und versteckte Energie (Feuchtigkeit) aus einem Luftstrom entfernt und diese spürbare und versteckte Energie zu einem anderen Luftstrom überträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 ein Gesamtenergierückgewinnungsrad entsprechend der Beschreibung in Fisher, Jr. U.S. Patent Nr. 4,769,053 (an SEMCO Manufacturing, Inc. erteilt), welches hier durch Bezug für alle Zwecke in seiner Gesamtheit einbezogen ist. In einer anderen Ausführungsform ist die hier beschriebene Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 eine stationäre Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung. Z.B. kann die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 eine Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung vom Plattentyp sein, das von einem imprägnierten Kernmaterial gefertigt ist, welches verwendet wird für die Übertragung von spürbarer und versteckter Energie von einem Luftstrom zu einem anderen Luftstrom, wie in Yano et al. U.S. Patent Nr. 4,582,129 beschrieben, welches hier durch Bezug für alle Zwecke in seiner Gesamtheit einbezogen ist, und in Okamoto et al. U.S. Patent Nr. 4,484,938 beschrieben, welches hier durch Bezug für alle Zwecke in seiner Gesamtheit einbezogen ist. Natürlich kann die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 von verschiedenen anderen Konstruktionen sein, die alle den in der Technik bewanderten Personen bekannt sind.
In einer anderen Ausführungsform kann die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 ersetzt werden durch eine Spürbare-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung (nicht gezeigt). Die Spürbare-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung überträgt vorzugsweise spürbare Energie ohne Übertragung einer wesentlichen Menge versteckter Energie. Die Spürbare-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung kann z.B. eine Schlange-zu-Schlange-Vorrichtung, eine Heatpipe, ein nicht mit Entfeuchtungsmittel beschichtetes Spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad oder ein Platte-zu-Platte-Wärmetauscher. Sehr geringe Feuchtigkeitswerte kön nen bereits mit einer Spürbare-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung erreicht werden, aber die benötigte Kapazität des Kühlers wird gewöhnlich beträchtlich größer sein.
Das bevorzugte Gesamtenergierückgewinnungsrad dreht sich vorzugsweise etwa mit 20 Umdrehungen pro Minute, kann aber mit verschiedenen Drehgeschwindigkeiten gedreht werden, abhängig von der Temperatur- und Feuchtigkeitseinstellung, die für die jeweilige Anwendung gewünscht ist, und von den Charakteristiken des Radmedium einschließlich des Entfeuchtungsmitteltyps, der Entfeuchtungemittelbeladung, der Tiefe des Rads, der Größe der Rillen, die für die Herstellung des Mediums verwendet wurden, und der Geschwindigkeit der Luft über das Rad. Z.B. kann ein Gesamtenergierückgewinnungsrad, das aus Papier hergestellt und mit einem zerfließenden Entfeuchtungsmittel wie Lithiumchlorid (welches die Fähigkeit hat, das mehrfache des eigenen Gewichts in Wasser zu halten) imprägniert ist, so langsam gedreht werden wie 8 Umdrehungen pro Minute, während es immer noch nahezu gleiche Rückgewinnungseffizienz für spürbare und versteckte Energie hat. Andererseits kann ein Gesamtenergierückgewinnungsrad, das aus Aluminium hergestellt ist und behandelt wurde, eine oxydierte Oberfläche zu haben, z.B. es nötig haben, mit 30 Umdrehungen pro Minute gedreht zu werden, um eine nahezu gleiche Rückgewinnungsleistung für spürbare und versteckte Energie zu erfahren, selbst bei niedrigen Frontgeschwindigkeiten.
Das Gesamtenergierückgewinnungsrad ist gewöhnlich ein dünnes Substrat (z.B. eine 1,3 bis 2 mil. dicke Aluminiumfolie), die auf beiden Seiten mit einem bestimmten Entfeuchtungsmittel in einer Bindermatrix beschichtet ist (typisch mit einer Beschichtungsdicke von etwa 1 mil. auf jeder Seite). Gesamtenergierückgewinnungsräder können auch aus anderen Metallfolien, Polymerfilmen oder Papiersubstraten hergestellt werden, die mit festen oder zerfließenden Absorptionsmitteln beschichtet oder imprägniert sind. Weil die Hauptfunktion des Gesamtenergierückgewinnungsrads ist, sowohl Temperatur als auch Feuchtigkeit mit höchster möglicher Wirksamkeit zu übertragen, weil das Entfeuchtungsmittel leicht Feuchtigkeit aufnimmt und eine relativ niedrige Wärmekapazität hat und weil das Substrat leicht Wärme aber wenig oder keine Feuchtigkeit aufnimmt, kann die Masse des Entfeuchtungsmittels auf solch einem Rad relativ niedrig sein (etwa 15% bis 30% der Gesamtmasse des Rads) und die Masse des Substrats kann relativ hoch sein (etwa 70% bis 85% der Gesamtmasse des Rads). Zusätzlich ist die Geschwindigkeit, mit der das Rad gedreht wird, und die Masse des Rads vorzugsweise hoch relativ zu der Masse des verarbeiteten Luftstroms, um die Rate zu vergrößern, mit der Wärme und Masse von einem Luftstrom zu dem anderen Luftstrom übertragen wird. Weil die meisten gegenwärtig hergestellten und vermarkteten Gesamtenergierückgewinnungsräder aus absorbierenden, beschichteten Aluminium- oder Polymer-Substraten gefertigt sind und weil die meisten Anwendungen diese Räder mit einer hohen Frontgeschwindigkeit betreiben, um die Größe des Geräts wie auch die Kosten des Projekts zu minimieren, können die Räder typisch zwischen 20 und 25 Umdrehungen pro Minute bei vollständiger Rückgewinnungsbedingung gedreht werden, um sowohl die spürbare als auch die versteckte Leistung zu optimieren.
Das Entfeuchtungsrad 16 kann eine von verschiedenen Vorrichtungen umfassen, welche versteckte Energie (Feuchtigkeit) von einem Luftstrom entfernt und diese versteckte Energie auf einen anderen Luftstrom überträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Entfeuchtungsrad 16 ein drehbares, mit Entfeuchtungsmittel beschichtetes Entfeuchtungsrad aus Aluminium. Das bevorzugte Entfeuchtungsmittel-basierende Entfeuchtungsrad nutzt eine Entfeuchtungsmittelbeschichtung, die optimiert ist, um die maximale Menge von Entfeuchtung aufzuweisen, wenn es unter den neuartigen Betriebsbedingungen betrieben wird, auf die hier Bezug genommen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Entfeuchtungsrad ein passives Entfeuchtungsmittel-basierendes Rad, das keine zusätzliche Hochtemperatur-Regenerierungsenergie benötigt, um das Rad zu regenerieren. Die Entfeuchtungsmittelbeschichtung sollte vorzugsweise sehr effektiv Feuchtigkeit aus einem kühlen, gesättigten Luftstrom absorbieren, dann leicht die absorbierte Feuchtigkeit abgeben, wenn das Radmedium durch den zurückkehrenden Luftstrom gedreht wird, der typisch von den meisten in der Feuchtigkeit geregelten Räumen ausgestoßen wird, ohne die Notwendigkeit für eine zusätzliche Hochtemperatur-Regenerierungsenergie, die typisch für konventionelle, Entfeuchtungsmittel-basierende Entfeuchtungsanwendungen sind, welche aktive Entfeuchtungsmittel-Entfeuchtungsräder verwenden. Jedoch werden die in der Technik bewanderten Personen erkennen, dass viele traditionelle, Entfeuchtungsmittel-basierende Entfeuchtungsräder einige Vorteile vorsehen, wenn sie auf die hier beschriebene neuartige Weise betrieben werden, wobei die sich ergebende Wirksamkeit abhängt von den Betriebseigenheiten (isotherm) des verwendeten Entfeuchtungsmittels, der Beladung des Entfeuchtungsmittels, der Nicht-Entfeuchtungsmittel-Masse des Rads und anderen physischen Pa rametern. Deshalb sollten die Ansprüche dieser Erfindung nicht begrenzt werden auf einen bestimmten Typ des Entfeuchtungsrads.
Weil das Entfeuchtungsrad vorzugsweise hauptsächlich für die Entfeuchtung und nicht für die Gesamtenergierückgewinnung verwendet wird, hat es typisch relativ wenig Substratmasse (30% bis 50%) und relativ mehr Entfeuchtungsmittelmasse (50% bis 70%). Ein für solch ein Rad verwendetes Entfeuchtungsmittel hat wünschenswerter Weise eine möglichst hohe Wasserabsorptionskapazität und deshalb so viel nutzbare Entfeuchtungsmittelmasse, wie mit technischen und ökonomischen Grenzen konsistent ist (wünschenswerter Weise eine Beschichtungsdicke von mehr als einem μm). Obgleich Nicht-Entfeuchtungsmittel-Masse benötigt wird, um das Entfeuchtungsmittelmaterial zu tragen und zu stützen, hat das Rad ferner vorzugsweise möglichst wenig Nicht-Entfeuchtungsmittel-Masse, weil solche Masse die Entfeuchtungseffizienz des Rads reduziert.
Entfeuchtungsmittelmaterialien, die für Ausführungsformen verwendet werden, welche Entfeuchtungsmittel-basierende Entfeuchtungsräder einsetzen, können z.B. Molekülsiebe von A-Typ, vom X-Typ und vom Y-Typ oder andere Zeolithe, aktiviertes Aluminiumoxid, Lithiumchlorid oder andere zerfließende Salze, hydrophobische Polymere oder andere Materialien umfassen, welche in der Lage sind, Wasser oder Wasserdampf aus einem Luftstrom zu absorbieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Entfeuchtungsmittelmaterial verwendet, das in der Lage ist, eine signifikante Menge Wasserdampf aus einem Luftstrom zu absorbieren und wieder abzugeben, wenn es zwischen Zuständen von angenähert 95% relative Feuchtigkeit und angenähert 45% relative Feuchtigkeit hin- und herbewegt wird. Entfeuchtungsmittelmaterialien, die Feuchtigkeits-Isotherme haben, welche dieses Kriterium erfüllen, umfassen die meisten Kieselgel-Entfeuchtungsmittel und insbesondere großporige, Kieselgel-Puder niedriger Dichte, die in der Lage sind, einen sehr hohen Prozentsatz ihres eigenen Gewichts zu absorbieren, wenn sie Umgebungen mit sehr hoher Feuchtigkeit ausgesetzt sind.
Wie im Detail später erläutert, kann die Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads entsprechend dem gesuchten Betrag der Entfeuchtung- und Wiedererwärmungseffizienz eingestellt werden. in einer bevorzugten Ausführungsform wird z.B. die Geschwindigkeit des Entfeuchtungsmittel-basierenden Entfeuchtungsrads von einem Minimum von 0 bis zu einem Maximum von 6 Umdrehungen pro Minute verändert.
Der Kühler 14 ist vorzugsweise in dem Zuführungsluftstrom 10 zwischen der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 und dem Entfeuchtungsrad 16 angeordnet. Der Kühler 14 ist vorzugsweise ausgelegt, den Zuführungsluftstrom 10 zu kühlen und zu entfeuchten. Der Kühler 14 umfasst vorzugsweise Kühlschlangen mit gekühltem Wasser oder mit direkter Entspannung. Wie später in größerem Detail erläutert, umfasst der Kühler in einer Ausführungsfomt ferner eine Steuerung (nicht gezeigt) für die Einstellung des Wertes der Kühlung und Entfeuchtung, die durch den Kühler 14 bereitgestellt wird.
Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet vorzugsweise ein Entfeuchtungsmittel-basierendes Gesamtenergierückgewinnungsrad und ein zweites Entfeuchtungsmittel-basierendes Entfeuchtungsrad in Verbindung mit einer konventionellen Kühlschlange mit gekühltem Wasser oder mit direkter Ausdehnung, um die zu dem klimatisierten Raum zugeführte Luft zu kühlen und/oder zu entfeuchten.
In einer Ausführungsform des Kühl-/Entfeuchtungsmodes kühlt die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 (z.B. ein Entfeuchtungsmittel-basierendes Gesamtenergierückgewinnungsrad) vorzugsweise die zugeführte Luft 10 vor und entfeuchtet sie unter Verwendung der relativ kühlen, trockenen Ausstoßluft 20b, welche die Abgabeseite des Entfeuchtungsrads 16 (z.B. ein passives Entfeuchtungsmittel-basierendes Entfeuchtungsrad) verläßt. Als Nächstes gibt ein Kühler 14 (z.B. Kühlschlangen mit gekühltem Wasser oder mit direkter Ausdehnung) vorzugsweise kühle, weiter entfeuchtete Zuführungsluft 10c an das Entfeuchtungsrad 16 ab. Schließlich bewirkt das Entfeuchtungsrad 16 vorzugsweise eine weitere Entfeuchtung und erwärmt die kühle, gesättigte Zuführurgsluft 10c, die den Kühler 14 verläßt, wieder. Die ergibt vorzugsweise eine sehr trockene Zuführungsluft 10d (z.B. mit 2,27 g bis 2,92 g (35 grain bis 45 grain)), die dem klimatisierten Raum mit einer neutralen Temperatur (z.B. 20 °C (68 °F)) zugeführt wird. Diese niedrigen Feuchtigkeitswerte sind bei Verwendung konventioneller System auf der Basis mechanischer Kühlung generell nicht verfügbar.
Das Entfeuchtungsrad 16 nutzt vorzugsweise die relativ warme und trockene Ausstoßluft 20a von dem klimatisierten Raum, um die zweite Seite des Entfeuchtungsrads 16 zu erwärmen und zu trocknen. Diese Ausstoßluft 20b verläßt das Entfeuchtungsrad 16 vorzugsweise gekühlt und befeuchtet. Weil die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte der das Entfeuchtungsrad 16 verlassenden Ausstoßluft 20b typisch signifikant kühler und trockener bleibt als die Zuführungsluft 10a, die in das System einströmt, stellt die das Entfeuchtungsrad 16 verlassende Ausstoßluft 20b eine signifikante Antriebskraft für die Gesamtenergierückgewinnung bereit.
Der Taupunkt der den Kühler 14 verlassenden Luft begrenzt vorzugsweise nicht den Wert der Entfeuchtung, die das System der vorliegenden Erfindung vorsieht, weil die Luft vorzugsweise weiter entfeuchtet wird, wenn es das Entfeuchtungsrad 16 durchströmt, welches die Betriebseffizienz verbessert und die Entfeuchtungskapazität vergrößert durch Abgabe von Luft, die trockener ist als von konventionellen Kühlverfahren bereitgestellt werden kann. Folglich kann der Betrag der mechanischen Kühlungskapazität (die Menge Energie, die für Kühlung benötigt wird, die Kühlungstonnage, Kilowatt-Eingabe, Gallonen von gekühltem Wasser, BTU, u.s.w., die benötigt werden, um die gewünschten Zustände beim Verlassen der Kühlschlange zu erreichen) vorzugsweise optimiert und gesteuert werden, um zu ermöglichen, dass das System extrem trockene Luft bereitstellt, um den Spitzenwert der versteckten Energie in den Entwurfsvorgaben für den klimatisierten Raum zu handhaben, kann dann bei reduzierter Eingabekapazität betrieben werden, um den Energieverbrauch zu minimieren und um gemäßigtere Feuchtigkeitswerte dem Entfeuchtungsrad zuzuführen, welches dann den Taupunkt der zugeführten Luft auf den Wert absenkt, der während Zeiten benötigt wird, wenn die versteckte Last des klimatisierten Raums weniger extrem ist.
Ein typisches Schulgebäude liefert ein gutes Beispiel dafür, wann diese Zustände eintreffen. Früh am Morgen in der Frühlings- und Sommersaison ist die Temperatur der Außenluft mild, aber der Feuchtigkeitsgehalt ist sehr hoch (typische Entwurfsvorgaben für versteckte Energie wie 26,7 °C (80 °F) und 8,4 g (130 grain) Feuchtigkeit). Wenn die Schulbusse ankommen und die Schüler bei Betreten des Gebäudes die Türen für ausgedehnte Zeitspannen öffnen, kann eine sehr hohe Feuchtigkeitsspitze innerhalb des Gebäudes vorkommen. In diesem Fall würde das hier beschriebene System vorzugsweise mit seiner maximalen Entfeuchtungskapazität arbeiten, um einen möglichst niedrigen Taupunkt am Ausgang der Kühlschlange vorzusehen, und würde die Geschwindigkeit des Entfeuchtungsrads optimieren, um den Betrag der bereitgestellten anschließenden Entfeuchtung zu maximieren. Dies ergibt vorzugsweise eine möglichst trockene Luft dem klimatisierten Raum zuzuführen, bis die gewünschten Feuchtigkeitszustände eingehalten werden, zu welchem Zeitpunkt das System beginnt, die Eingabe zur Kühlschlange zu reduzieren, um die Energiezufuhr und Kosten zu optimieren, während die gewünschte Raumtemperatur- und Raumfeuchtigkeitszustände eingehalten werden.
Im Gegensatz dazu ist dann, wenn die Schüler das Schulgebäude verlassen haben, die innerhalb des Raums erzeugte versteckte Last allgemein nicht signifikant. Weil das beschriebene System vorzugsweise entworfen ist, um den Raum unter einem geringfügig positiven Druck zu halten, um ein Einsickern zu minimieren, und weil die Türen zu dem Gebäude konsistent geschlossen sind, ist die Feuchtigkeit, die über ein Einsickern zu dem Raum hinzugefügt wird, ebenfalls sehr gering. Folglich kann unter diesen Bedingungen der Feuchtigkeitsgehalt der Luft, die dem Raum zugeführt wird, signifikant höher (weniger trocken) sein als in dem vorangegangenen Beispiel mit "hoher interner versteckter Last", während der Raum auf denselben Feuchtigkeitswert geregelt wird. In diesem Fall wird die Kühlungsenergie-Eingabe in das System weiter reduziert, wobei vorzugsweise zugelassen wird, dass das Entfeuchtungsrad möglichst viel der nachträglichen Entfeuchtung vorsieht, um die gewünschten Raumzustände einzuhalten.
Im Heizmode kann sowohl die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 als auch das Entfeuchtungsrad 16 vorzugsweise betrieben werden, um mehr als 90% der Energie (Temperatur und Feuchtigkeit) wiederzugewinnen, die für die Heizung und Befeuchtung des Zuführluftstroms 10 auf die Zustände der das Gebäude verlassenden Abführluftstroms 20 benötigt wird. In den meisten Fällen ermöglicht dieser Wert der Wiedergewinnung, dass die klimatisierten Räume selbstheizend sind, selbst an sehr kalten Tagen, sobald normale Beleuchtungs- und Personenbelastung in die klimatisierten Räume eingebracht ist. Der signifikante Vorteil, den dieser Ansatz gegenüber dem gegenwärtigen DWERP-Doppelrad-Ansatz vorsieht, besteht darin, dass dadurch, dass beide Vorrichtungen den Ausstoßluftstrom entfeuchten während er gekühlt wird (um zu ermöglichen, dass die zugeführte Luft erwärmt wird), das Risiko der Frostbildung der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 signifikant reduziert wird, und dadurch wird die Nutzung des 90%-plus-Wiedergewinnungswerts ermöglicht, der durch den Betrieb der zwei Vorrichtungen in Serie möglich wird. Das Risiko der Frostbildung in dem DWERP-Ansatz verlangt gewöhnlich, dass das zweite Spürbare-Energie-Rückgewinnungsrad ausgeschaltet wird, was den Gesamtenergierückgewinnungswert in der Heizsaison in einer typischen Anwendung auf angenähert 75% begrenzt.
4 zeigt ein Beispiel der neuartigen Leistungscharakteristik, die durch ein passives Entfeuchtungsmittel-basierendes Entfeuchtungsrad vorgesehen wird, wie es in einer Ausführungsform das Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Mittels Veränderung der Drehgeschwindigkeit von 0 bis 6 Umdrehungen pro Minute ist das Rad in der Lage, unterschiedliche Grade der Rückheizung und/oder Entfeuchtung vorzusehen. 4 fasst aktuelle Testdaten für ein passives Enffeuchtungsmittel-basierendes Entfeuchtungsrad zusammen, das spezifisch für das in dieser Erfindung beschriebene System entworfen und oben beschrieben wurde. In einer Testanlage, die in Übereinstimmung mit Anforderungen von ASHRAE 84–1991 konstruiert wurde, wurde das Enffeuchtungsrad in einer Testzelle installiert, die ermöglichte, dass zwei Luftströme (Zuführung und Abführung) gegenläufig durch das Radmedium geführt wurden, während es mit unterschiedlichen Betriebsgeschwindigkeiten mittels der Verwendung eines Antriebs variabler Frequenz gedreht wurde, der einen Antriebsmotor antrieb, der wiederum einen Gurt bewegte, welcher um den Umfang des Entfeuchtungsrads plaziert war. Die Luftströme wurden durch das Radmedium mit einer Frontgeschwindigkeit von angenähert 183 m/min (600 foot/Minute) geführt, um einen typischen Betriebszustand für das System dieser Erfindung zu simulieren. Der zugeführte Luftstrom wurde sorgfältig auf 12,7 °C (55 °F) und einen Feuchtigkeitswert von 4,14 g (64 grain) geregelt, und der eintretende Rückluftstrom wurde sorgfältig auf 26,1 °C (79 °F) und 3,56 g (55 grain) geregelt, um Zustände zu reflektieren, die in einer typischen Anwendung der Erfindung wahrscheinlich angetroffen werden. Die Zuführungsluft, die das Entfeuchtungsrad verließ, wurde bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit gemessen, wie auch die anderen vier Luftströme, wobei Instrumente verwendet wurden, welche die Genauigkeitsanforderungen erfüllten, die durch den ASHRAE-Standard 78–1991 vorgegeben werden.
Die Zuführungsluftauslassdaten beim Verlassen des Entfeuchtungsrads sind in 4 in zwei Kurven zusammengefasst. Eine Kurve zeigt die beobachtete Entfeuchtung, aufgetragen als Feuchtigkeit in grain, die aus dem Zuführungslufteinlasszustand entfernt wurde. Ei ne zweite Kurve zeigt die Menge der Rückheizung, die dem Zuführungsluftauslass hinzugefügt wurde, ausgedrückt als Rückheizungseffizienz. Für den Zweck dieses Diagramms und unter Verwendung der Luftströme mit den Bezeichnungen in 3A kann die Rückheizungseffizienz definiert werden als: (Temperatur von 10d – Temperatur von 10c) / (Temperatur von 20a – Temperatur von 10c).
Wie im Folgenden im Detail beschrieben, ist einer von den vielen Vorteilen des Systems und Verfahrens der vorliegenden Erfindung seine Flexibilität, die ermöglicht, dass ein weiter Bereich von Feuchtigkeits- und Temperaturzuständen gehandhabt wird. Wie in 4 veranschaulicht, wird z.B. dann, wenn das Entfeuchtungsrad mit angenähert 5 Umdrehungen pro Minute gedreht wird, die Entfeuchtung beseitigt und die Rückheizungsfähigkeit maximiert, indem der den Kühler verlassende Luftstrom (10d in 3A) auf angenähert 85% der Temperaturdifferenz zwischen dem Luftstrom, der den Kühler verläßt, (10c in 3A) und dem Luftstrom, der in die Rückkehrseite des Systems strömt, (20a in 3A) rückheizt. Bei dieser Raddrehgeschwindigkeit würde ein Luftstrom, der den Kühler mit 12,7 °C (55 °F) verläßt, auf angenähert 23 °C (75,4 °F) unter Verwendung der Energie erwärmt, die in dem zurückströmenden Luftstrom mit 26,1 °C (79 °F) enthaften ist, welcher in das System wieder einströmt. Diese Art des Betriebs ermöglicht vorzugsweise, dass das System genau dasselbe leistet wie ein konventionelles Doppelradsystem (DWERP), das zuvor beschrieben wurde. Jedoch besorgt das Verringern der Raddrehgeschwindigkeit von 5 Umdrehungen pro Minute auf angenähert 0,5 Umdrehungen pro Minute eine zusätzliche Entfeuchtung von angenähert 1,17 g (18 grain) (oder eine Verringerung des Taupunktes angenähert um 5 °C (9 °F)) bei typischen Zuständen, während es immer noch eine signifikante Menge freier Rückheizung vorsieht, ein Erwärmen der Luft mit 12,1 °C (55 °F) auf angenähert 20,5 °C (69 °F) unter Verwendung der Energie, die in dem zuvor erwähnten Rückluftstrom mit 26,1 °C (79 F) steckt. Dieser Betriebsmode ist vorzuziehen, wenn es notwendig ist, die Feuchtigkeit in Zeiten zu regeln, in denen interne versteckte Lasten extrem sind oder die Außenluftstromvolumina klein relativ zu den rezirkulierten Luftvolumina sind und es erwünscht ist, alle versteckte Lasten (Außenluft und Raumluft) durch übermäßiges Trocknen des Außenluftstroms in Zeiten zu handhaben, in denen die interne spürbare Last gering ist (d.h. eine zusätzliche Raumkühlung nicht benötigt wird).
Wenn es notwendig ist, die Feuchtigkeit in Zeiten zu regeln, in denen die internen versteckten Lasten extrem sind oder in denen die Außenluftstromvolumina klein relativ zu den rezirkulierten Luftvolumina sind und es erwünscht ist, alle versteckte Lasten (Außenluft und Raumluft) durch übermäßiges Trocknen des Außenluftstroms in Zeiten zu handhaben, in denen die interne spürbare Last hoch ist (d.h. eine gewisse zusätzliche Raumkühlung benötigt wird), wird die Raddrehgeschwindigkeit vorzugsweise mit angenähert 0,15 Umdrehungen pro Minute betrieben. In diesem Zustand wird eine Feuchtigkeit von angenähert 1,3 g (20 grain) aus dem Zuführungsluftstrom entfernt, der bereits durch die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung und den Kühler entfeuchtet ist, aber die Menge der Rückheizungsenergie, die in den Zuführungsluftstrom beim Verlassen des Systems eingebracht wird, ist signifikant reduziert, wobei die Luft mit 12,7 °C (55 °F) nur auf angenähert 17,5 °C (63,5 °F) unter Verwendung der Energie erwärmt wird, die in dem zuvor erwähnten Rückluftstrom mit 26,1 °C (79 F) steckt.
Falls die spürbare Raumlast sehr hoch ist (zusätzliche Kühlung wird benötigt) und falls die versteckte Last nahezu oder vollständig abgedeckt ist, kann die Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads vorzugsweise unter 0,1 Umdrehungen pro Minute eingestellt werden (um das Rückheizen zu minimieren und trotzdem einen kleinen Betrag zusätzlicher Entfeuchtung vorzusehen) oder gar gestoppt werden (um Luft mit der Temperatur beim Verlassen des Kühlers für den Raum bereitzustellen, was in diesem Beispiel 12,7 °C (55 °F) ist).
Einer von vielen Vorteilen des Systems der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den konventionellen Doppelradsystemen und anderen, traditionelleren Systemen mit übermäßiger Kühlung und Rückheizung ist, dass die Entfeuchtung oder versteckte Kapazität (z.B. Trockenheit der dem Raum zugeführten Luft) vorzugsweise signifikant erhöht ist. Z.B. wird der absolute Feuchtigkeitsgehalt der dem klimatisierten Raum von einem DBC-System zugeführten Zuführungsluft, das Außenluft an einer Entwurfsvorgabe mit versteckter Energie (29,4 °C (85 °F) und 8,4 g (130 grain)) verarbeitet, bei Einsatz gegenwärtig verfügbarer Technologie generell begrenzt sein auf angenähert 3,99 g (60 grain). Um diesen Zustand zu erreichen, sind typisch Geräte erforderlich, die mit sehr geringen Frontgeschwindigkeiten betrieben werden (was zu sehr großen Systemraumanforderungen führt) und bei sehr hohen Regenerierungstemperaturen regeneriert werden.
Das DWERP-System und andere konventionelle Systeme mit übermäßiger Kühlung und Rückheizung sind durch den Taupunkt der Luft begrenzt, welche die Kühlschlange verläßt. Weil die meisten konventionellen Kühlungssysteme eine praktische Grenze von angenähert 8,9 °C bis 10 °C (48 °F bis 50 °F) für die Abgabelufttemperatur (die Temperatur der Luft beim verlassen der Kühlschlange) haben, ist der von den meisten konventionellen Systemen erreichbare absolute Feuchtigkeitswert angenähert 3,1 g bis 3,37 g (48 grain bis 52 grain). Beim Versuch, die absoluten Feuchtigkeitswerte durch Reduzieren der Abgabelufttemperaturen unter angenähert 8,9 °C (48 °F) zu reduzieren, würde bisher teure, nicht standardmäßige Kühlgeräte mit sehr tief kühlenden Schlangen, komplexen Steuerungen mit Entfrostungszyklen und signifikant erhöhtem Energieverbrauch (KW/t) erfordern.
Das System der vorliegenden Erfindung kann leicht Außenluft mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 2,6 g (40 grain) mit standardmäßigen Kühlgeräten bereitstellen, was eine Reduktion von 5,8 g (90 grain) bei einer typischen Entwurfsvorgabe mit versteckter Energie von 8,4 g (130 grain) ergibt (standardmäßige Kondensierungseinheiten und flache Kühlschlangen), und kann vorzugsweise entworfen und betrieben werden, um Luft so trocken wie mit 2,27 g (35 grain) bereitzustellen.
Die Fähigkeit des vorliegenden Systems, sehr trockene Luft unter Verwendung konventioneller Kühlgeräte bereitzustellen, hat viele Vorteile, z.B. Reduzieren der Energiekosten. Mit sehr trockener Luft können niedrigere Luftstrommengen eine weit größere versteckte Last handhaben. Z.B. könnte ein Bürogebäude den Energieverbrauch durch den Betrieb seines Variables-Luftvolumen-("VAV")-Luftaufbereitungssystems reduzieren, das den Raum mit Trockenkühlschlangen bedient und ermöglicht, dass die Zuführungsluftabgabetemperatur durch die spürbaren Lasten des klimatisierten Raums eingestellt werden. Dies ist möglich, wenn das dem VAV-Luftaufbereitungssystem zugeführte Außenluftvolumen genügend entfeuchtet ist, um die Lasten der Außenluft und die versteckte Lasten des Raums zu handhaben. Weil der Prozentsatz der Außenluft verglichen mit dem gesamten Zuführungsluftvolumen eines typischen Bürogebäudes, das zur Erfüllung von ASIE{RAE62-89} entworfen ist, nur 15% bis 20% betragen darf, muss die Außenluft sehr trocken sein, wenn alle internen versteckten Lasten durch das Außenluftvolumen zu handhaben sind (Trockenkühlschlangen).
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung würde auch besonders gut geeignet sein für Schulklassenräume, bei denen im Entwurf versucht wird, die ersten Projektkosten durch Entwerten nur für 212 l/Minute/Schüler (7,5 cfm/Schüler) statt der empfohlenen 425 l/Minute/Schüler (15 cfm/Schüler) zu reduzieren.
Z.B. enthält ein typischer Schulklassenraum angenähert 30 Kinder. Die mit der Beleuchtung, der Belegung und anderen Lasten assoziierte spürbare Last ist angenähert 2000 kg (2 t). Die mit der Belegung und dem Einsickern assoziierte versteckte Last ist angenähert 2 kg (4,3 pound) pro Stunde. Angenommen, dass der Raum auf 23,9 °C (75 °F) und 50% relative Feuchtigkeit zu regeln ist, ist ein absoluter Feuchtigkeitsgehalt von 4,2 g (65 grain) erwünscht. Falls die versteckte Last mit einer Außenluftlast von 12750 l/Minute (450 cfm) (basierend auf 425 l/Minute/Schüler (15 cfm/Schüler)) zu handhaben ist, dann muss die Außenluft mit 3,26 g (50 grain) abgegeben werden. Dies kann berechnet werden durch Teilen des Gewichts der versteckten Last durch das Gewicht der trockenen Luft (2 kg (4,3 pound) Feuchtigkeit/h geteilt durch 920 kg (2025 lbs) Außenluft/h), um die benötigte Feuchtigkeitsdifferenz zu bestimmen, die benötigt wird (in diesem Fall wird eine Differenz von 0,96 g (0,0021 lb) Feuchtigkeit pro lb der trockenen Luft benötigt oder 0,96 g (15 grain)). Durch Subtrahieren der berechneten Feuchtigkeitsdifferenz 0,96 g (15 grain) von dem gewünschten Raumfeuchtigkeitsgehalt von 4,2 g (65 grain) wird der benötigte Zuführungszustand zu 3,24 g (50 grain) berechnet.
Wenn nur 212 l/min/Schüler (7,5 cfm/Schüler) statt der zuvor betrachteten 425 I/min/Schüler (15 cfm/Schüler) zugeführt wird, dann verdoppelt sich die benötigte Feuchtigkeitsdifferenz von den zuvor berechneten 4,2 g (16 grain) auf 8,4 g (30 grain). Folglich muss nun für die Handhabung der versteckten Last mit 5470 l/min (225 cfm) Außenluft, was 212 l/min/Schüler (7,5 cfm/Schüler) ergibt, die Außenluft mit 2,26 g (35 grain) (65 grain – 30 grain Feuchtigkeitsdifferenz) abgegeben werden. Weil dieser Wert der Entfeuchtung generell nicht mit konventionellen Klimaanlagengeräten zu erreichen ist, ist der Vorteil des Systems der vorliegenden Erfindung offenkundig.
Die Fähigkeit des Systems der vorliegenden Erfindung, sehr trockene Außenluft bereitzustellen, ist auch besonders vorteilhaft in Fällen, in denen extreme Innenraumluftfeuchtigkeitslasten angetroffen werden. Z.B. können mindestens zweimal täglich die Türen zu einem Schulgebäude für ausgedehnte Zeiten offengehalten werden. Die Türen sind häufig am Morgen offen, wenn die Schüler ankommen, und ebenso, wenn sie die Schule für den Tag verlassen. Es ist sehr wünschenswert, überschüssige/reservierte versteckte Kapazität in dem Klimaanlagensystem vorzuhalten, um die Innenraumzustände wieder geregelt zu bekommen. Diese Reservekapazität ist besonders wichtig während des Morgens, weil das Einsickern von Außenluft in das Gebäude während des Kühlungsmodes typisch kühl und feucht ist. Folglich wird nur wenig Entfeuchtung durch das konventionelle Klimaanlagensystem erreicht, das durch die Raumtemperatur gesteuert wird. Es ist deshalb sehr vorteilhaft, Entfeuchtung auf eine energieeffiziente Weise unter Verwendung des Systems der vorliegenden Erfindung zu bewerkstelligen, welches in der Lage ist, aufbereitete Luft mit sehr niedrigen absoluten Feuchtigkeitswerten abzugeben.
Das System der vorliegenden Erfindung bietet vorzugsweise außergewöhnliche Flexibilität, um auf veränderte Lasten zu reagieren, die sowohl in der äußeren Umgebung als auch der Innenraumumgebung vorkommen. Das System der vorliegenden Erfindung hat die einzigartige Fähigkeit auf große Schwankungen in Temperatur und Feuchtigkeit der äußeren Umgebung und der Innenraumumgebung durch Modulieren sowohl des Kühlers als auch der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads zu reagieren.
Zu einer beliebigen Zeit kann ein Gebäude konfrontiert werden mit einer der folgenden Zustände: 1) der klimatisierte Raum ist zu heiß, die Feuchtigkeit ist annehmbar; 2) der klimatisierte Raum ist zu heiß und zu feucht; 3) der klimatisierte Raum ist zu kalt, die Feuchtigkeit ist annehmbar; und 4) der klimatisierte Raum ist zu kalt und zu feucht. Das System der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil über konventionelle Klimaanlagensysteme, dass es in der Lage ist, auf verschiedene Kombinationen von Temperatur und Feuchtigkeit einschließlich der oben beschriebenen Zustände auf eine energieeffiziente Weise zu reagieren und Feuchtigkeitswerte vorzusehen weit unterhalb dem, was mit anderen konventionellen Ansätzen möglich ist.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann das System verwendet werden, um Temperatur- und Feuchtigkeitswerte in Zuständen zu regeln, in denen der klimatisierte Raum zu heiß ist und der Feuchtigkeitswert akzeptabel oder zu trocken ist. In dem Fall, in der klimatisierte Raum von zusätzlicher spürbarer Kühlung von dem Sys tem profitieren könnte und der Feuchtigkeitswert auf oder unter dem gewünschten Einstellungspunkt ist, kann die Kühlschlange vorzugsweise mit erhöhter Kapazität durch Vergrößern der Menge gekühlten Wasser zu der Schlange (bei Verwendung von gekühlten Wasser) oder Vergrößerung der Anzahl der Kühlungsstufen (bei Verwendung eines DX-Systems) betrieben werden, wie verlangt, und das Entfeuchtungsrad kann vorzugsweise verlangsamt werden, um seine Rückheizfunktion zu minimieren, oder kann auf Wunsch angehalten werden. Das Entfeuchtungsrad wird vorzugsweise durch einen Motor angetrieben, der durch einen Frequenzinverter bedient wird, weicher ein Signal von der Temperatur-Feuchtigkeitssteuerung empfängt. Deshalb kann es vorzugsweise entweder mit einer sehr niedrigen Drehgeschwindigkeit oder ganz gestoppt oder zeitlich gestaffelt betrieben werden. Diese Ausführungsform sieht vorzugsweise die maximale spürbare Kühlungskapazität unter diesen Betriebsbedingungen vor. Wie in 4 gezeigt, nähert sich bei Annäherung der Raddrehgeschwindigkeit an 0 Umdrehungen pro Minute der durch das Entfeuchtungsrad bereitgestellte Rückheizbetrag ebenfalls 0. Falls die Raumfeuchtigkeit annehmbar ist und keine weitere Entfeuchtung benötigt, wird der Betrieb des Entfeuchtungsrads bei oder nahe 0 Umdrehungen pro Minute die maximale spürbare Kühlungsabgabe von dem System liefern (kälteste Luft abgegeben), und folglich wird die Steuerung (vorzugsweise eine direkte digitale Steuerung "DDC"), welche das System betreibt, das Entfeuchtungsrad mit der minimalen Raddrehgeschwindigkeit, gestoppt oder mit zeitlicher Staffelung betreiben, während sie die Kühlabgabe auf ihren Maximalwert vergrößert, um möglichst kalte Luft zu erzeugen, bis die Raumtemperaturanforderungen erfüllt sind.
Mit Bezug auf 3B als einem Beispiel der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die in das System einströmende Zuführungsluft 10a eine Temperatur von 35 °C (95 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von 5,2 g (80 grain) haben. Nach Durchströmen der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10b auf angenähert 25,5 °C (78 °F) und der absolute Feuchtigkeitswert auf angenähert 3,95 g (61 grain) reduziert sein. Nach Durchströmen des Kühlers 14 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10c weiter auf angenähert 12,8 °C (55 °F) reduziert sein und in einigen Fällen, wenn z.B. die Raumfeuchtigkeit zu niedrig ist, bei keiner weiteren Reduktion des absoluten Feuchtigkeitswerts. Die Zuführungsluft durchströmt dann das Entfeuchtungsrad 16 (das z.B. angehalten ist) ohne jede daraus folgende Veränderung im Temperatur- oder im Feuchtigkeitswert. Die Zuführungsluft 10d wird in den klimatisierten Raum bei einer Temperatur von angenähert 12,8 °C (55 °F) und einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,95 g (61 grain) eingeleitet. Auf der Ausstoßseite kann die den klimatisierten Raum verlassende Abführungsluft 20a z.B. eine Temperatur von angenähert 25,5 °C (78 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,6 g (55 grain) haben. Die Abführungsluft 20a durchströmt das Entfeuchtungsrad 16 ohne Veränderung des Temperatur- oder Feuchtigkeitswerts. Daher kann die Abführungsluft 20b, die in die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 einströmt, eine Temperatur von angenähert 25,5 °C (78 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,6 g (55 grain) haben. Die in der Technik bewanderten Personen werden erkennen, dass der durch dieses System erreichte Wert der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung eine Funktion vieler Betriebsparameter ist. Als solche wurden die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte nur beispielsweise angegeben und sollten nicht als eine Begrenzung angesehen werden.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das System verwendet für die Regelung von Temperatur und Feuchtigkeit in dem Zustand, in dem der klimatisierte Raum zu heiß und zu feucht ist. Dieser Zustand ist typisch für eine Anwendung, in der der Gebäudebesitzer beschließt, das Klimaanlagensystem des Gebäudes über das Wochenende auszuschalten, weil das Gebäude nicht belegt ist, in einem Versuch, die Kosten der Klimatisierung des Gebäudes einzusparen. Während der Kühlsaison kann das Gebäude oft zu heiß und zu feucht sein, wenn das Klimaanlagensystem am Montag Morgen wieder eingeschaltet wird. In solch einem Fall, in dem der klimatisierte Raum von etwas zusätzlicher spürbarer Kühlung und signifikanter Entfeuchtung profitieren könnte, wird vorzugsweise die Kühlschlange mit ihrer maximalen Leistung (maximaler Strom gekühlten Wassers oder Stufen des Kühlbetriebs) und vorzugsweise das Entfeuchtungsrad mit seiner optimalen Drehgeschwindigkeit betrieben (z.B. 0,15 Umdrehungen pro Minute), um die beste Kombination sowohl der spürbaren Kühlung als auch Entfeuchtung vorzusehen. In dieser Ausführungsform kann vorzugsweise kühle, sehr trockene Luft dem klimatisierten Raum zugeführt werden.
Mit Bezug auf 3C als einem Beispiel der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die in das System einströmende Zuführungsluft 10a eine Temperatur von 35 °C (95 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von 8,1 g (125 grain) haben. Nach Durchströmen der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10b auf angenähert 25 °C (77 °F) und der absolute Feuchtigkeitswert auf angenähert 5,9 g (91 grain) reduziert sein. Nach Durchströmen des Kühlers 14 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10c weiter auf angenähert 12,8 °C (55 °F) und der absolute Feuchtigkeitswert auf angenähert 3,95 g (60 grain) reduziert sein. Nach Durchströmen des Entfeuchtungsrads 16 wird die Temperatur der Zuführungsluft 10d wieder auf angenähert 16,7 °C (62 °F) erwärmt und der absolute Feuchtigkeitswert weiter reduziert auf angenähert 2,9 g (45 grain). Auf der Ausstoßseite kann die den klimatisierten Raum verlassende Abführungsluft 20a z.B. eine Temperatur von angenähert 25,5 °C (78 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 4,2 g (65 grain) haben. Nach Durchströmen des Entfeuchtungsrads 16 wird die Abführungsluft 20a gekühlt und entfeuchtet auf angenähert 21,7 °C (71 °F) bzw. 5,2 g (80 grain) und wird dann der Abführungsseite der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 zugeführt. Die in der Technik bewanderten Personen werden erkennen, dass der durch dieses System erreichte Wert der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung eine Funktion vieler Betriebsparameter ist. Als solche wurden die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte nur beispielsweise angegeben und sollten nicht als eine Begrenzung angesehen werden.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das System verwendet für die Regelung von Temperatur und Feuchtigkeit in dem Zustand, in dem der klimatisierte Raum zu kalt und der Feuchtigkeitswert wie gewünscht ist. In dem Fall, in dem der eingestellte Feuchtigkeitswert des klimatisierten Raums eingehalten wird und der klimatisierte Raum zu kühl ist, wird die Kühlleistung von dem Kühler reduziert (z.B. wird der Strom gekühlten Wassers reduziert oder Stufen der DX-Kühlung ausgeschaltet) und die Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrads erhöht (z.B. auf 2 Umdrehungen pro Minute), um die möglichst beste Rückheizeffektivität vorzusehen, während immer noch Zuführungsluft mit einem Feuchtigkeitsgehalt abgegeben wird ähnlich dem innerhalb des klimatisierten Raums gewünschten Feuchtigkeitsgehalt. In dieser Ausführungsform kann vorzugsweise relativ warme und entsprechend den Wünschen weniger trockene, geringfügig getrocknete oder nicht getrocknete Luft dem klimatisierten Raum zugeführt werden.
Mit Bezug auf 3D als einem Beispiel der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die in das System einströmende Zuführungsluft 10a eine Temperatur von 26,7 °C (80 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von 5,2 g (80 grain) haben. Nach Durchströmen der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10b auf angenähert 22,2 °C (72 °F) und der absolute Feuchtigkeitswert auf angenähert 3,95 g (61 grain) reduziert sein. Nach Durchströmen des Kühlers 14 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10c weiter auf angenähert 19,4 °C (67 °F) reduziert sein bei keiner weiteren Reduktion des absoluten Feuchtigkeitswerts. Nach Durchströmen des Entfeuchtungsrads 16 ist die Zuführungsluft 10d auf angenähert 22,2 °C (72 °F) aufgewärmt und weiter entfeuchtet auf einen absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,8g g (59 grain), mit dem sie in den klimatisierten Raum eingeleitet wird. Auf der Ausstoßseite kann die den klimatisierten Raum verlassende Abführungsluft 20a z.B. eine Temperatur von angenähert 22,7 °C (73 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,56 g (55 grain) haben. Nach Durchströmen des Entfeuchtungsrads 16 hat die der Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 zugeführte Abführungsluft 20b eine Temperatur von angenähert 20,5 °C (69 °F) mit einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,56 g (55 grain). Die in der Technik bewanderten Personen werden erkennen, dass der durch dieses System erreichte Wert der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung eine Funktion vieler Betriebsparameter ist. Als solche wurden die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte nur beispielsweise angegeben und sollten nicht als eine Begrenzung angesehen werden.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird das System verwendet für die Regelung von Temperatur und Feuchtigkeit in dem Zustand, in dem der klimatisierte Raum zu kühl und zu feucht ist. In einem Fall, in dem die Feuchtigkeit des klimatisierten Raums zu hoch und der klimatisierte Raum zu kühl ist, wird vorzugsweise die Kühlschlange mit ihrer maximalen Leistung betrieben, so dass sie die in das Entfeuchtungsrad einströmende Außenluft entfeuchtet, und das Entfeuchtungsrad wird moduliert, um sowohl seine Entfeuchtungs- als auch seine Rückheizfähigkeit zu optimieren (z.B. auf 0,66 Umdrehungen pro Minute). In dieser Ausführungsform kann dem klimatisierten Raum vorzugsweise warme, sehr trockene Luft zugeführt werden, wie verlangt.
Mit Bezug auf 3E als einem Beispiel der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die in das System einströmende Zuführungsluft 10a eine Temperatur von 29,4 °C (85 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von 8,4 g (130 grain) haben. Nach Durchströmen der Gesamtenergierückgewinnungsvor richtung 12 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10b auf angenähert 20 °C (68 °F) und der absolute Feuchtigkeitswert auf angenähert 6 g (94 grain) reduziert sein. Nach Durchströmen des Kühlers 14 kann die Temperatur der Zuführungsluft 10c weiter auf angenähert 13,9 °C (57 °F) reduziert sein und der absolute Feuchtigkeitswert kann auf angenähert 4,2 g (65 grain) reduziert sein. Nach Durchströmen des Entfeuchtungsrads 16 ist die Zuführungsluft 10d auf angenähert 19,5 °C (67 °F) aufgewärmt und weiter auf einen absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 3,1 g (48 grain) entfeuchtet. Auf der Ausstoßseite kann die den klimatisierten Raum verlassende Abführungsluft 20a z.B. eine Temperatur von angenähert 22,8 °C (73 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 4,2 g (65 grain) haben. Nach Durchströmen des Entfeuchtungsrads 16 hat die Abführungsluft 20b, die in die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung 12 einströmt, eine Temperatur von angenähert 17,2 °C (63 °F) bei einem absoluten Feuchtigkeitswert von angenähert 5,3 g (82 grain). Die in der Technik bewanderten Personen werden erkennen, dass der durch dieses System erreichte Wert der Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung eine Funktion vieler Betriebsparameter ist. Als solche wurden die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte nur beispielsweise angegeben und sollten nicht als eine Begrenzung angesehen werden.
Das System der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, auf verschiedene Temperatur- und Feuchtigkeitswertschwankungen innerhalb des klimatisierten Raums zu reagieren, wodurch die Anpassungsfähigkeit die Luftqualität des Innenraums signifikant verbessert wird. Durch Anwenden des bevorzugten und leicht verfügbaren Direkt-Digitalregelungsverfahrens ("DDC-Regelung") kann die Leistung eines gegebenen Systems leicht überwacht, optimiert und geregelt werden.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht vorzugsweise einen hohen Grad der versteckten Kühlung mit einer Minimalmenge konventioneller Kühlungseingabe vor. Z.B. kann ein System mit 283200 l/min (10000 cfm) eine versteckte Last so hoch wie 50000 kg (50 t) (bei einer Gesamtlast von 68000 kg (68 t)) mit einer konventionellen Kühlungseingabe von nur 32000 kg (32 t) handhaben.
Während des Heizmodes kann sowohl die Gesamtenergierückgewinnungsvorrichtung als auch das Entfeuchtungsrad vorzugsweise betrieben werden, um mehr als 90% der Energie (Temperatur und Feuchtigkeit) zurückzugewinnen, die benötigt wird, um den zugeführten Luftstrom auf den Zustand des das Gebäude verlassenden Abführungsluftstroms aufzuwärmen und zu befeuchten. In den meisten Fällen ermöglicht dieser Wert der Rückgewinnung, dass der klimatisierte Raum selbstheizend ist, selbst an kalten Tagen, sobald normale Beleuchtung und Belegung durch Personen in den klimatisierten Raum eingebracht worden sind. Dies liefert vorzugsweise Außenluft zu dem klimatisierten Raum mit nahezu demselben Temperatur- und Feuchtigkeitswert wie die Luft, die von dem klimatisierten Raum ausgestoßen wird. Diese Temperatur- und Feuchtigkeitsregelung ist mit konventionellen Doppelradsystemen nicht oft machbar, weil das Rad zur Rückgewinnung spürbarer Energie die Ausstoßluft vorkühlt ohne ihren Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren. Folglich ist in kalten Klimaten leicht mit Frostbildung zu rechnen, was bewirkt, dass das Rad zur Rückgewinnung spürbarer Energie häufig abgeschaltet wird, was die Rückgewinnungseffektivität auf das des Gesamtenergierückgewinnungsrads (z.B. 70% bis 80%) begrenzt.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise verwendet werden, um die Feuchtigkeitswerte in unbelegten Gebäuden zu regeln. Forschungen haben ergeben, dass die Gebäudematerialien (z.B. Teppichfußböden, Möbel u.s.w.) während Zeiten ohne Belegung bei steigender Feuchtigkeit als ein Feuchtigkeitsspeicherplatz arbeiten. Dieser Anstieg in der Feuchtigkeit ist typisch, weil viele Gebäudebetreiber die Kapazität der Klimaanlagensystem in einem Versuch der Energieeinsparung drosseln oder ganz ausschalten. Weil die spürbare Last in unbelegten Gebäuden minimal ist, kann die Regelung der Feuchtigkeit wirkungsvoll nur erreicht werden, wenn Rückheizung verwendet wird, nachdem die Luft die Kühlschlange verlassen hat. Diese Rückheizungsfähigkeit ist selten in Projekte hinein entworfen oder wird selten genutzt, falls die Fähigkeit existiert. Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung sieht vorzugsweise eine wirksame Lösung vor für einerseits ein "Austrocknen" der Feuchtigkeit, die in den Gebäudematerialien gespeichert wird, nachdem das Klimaanlagensystem für eine ausgedehnte Periode ausgeschaltet wurde, und für andererseits die Bereitstellung von Feuchtigkeitsregelung während unbelegter Zeiten, weil zusätzliche Rückheizung vorzugsweise von dem System der vorliegenden Erfindung nicht benötigt wird, weil sie durch das Entfeuchtungsrad bereitgestellt wird.
Das System der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise gesteuert werden, um die Menge der Außenluft als eine Funktion der Belegung des Gebäudes zu reduzieren (z.B. CO₂-Regelung). Diese Regelung ermöglicht, dass z.B. Schulen während der Sommerferien in der Feuchtigkeit geregelt werden mit sehr niedrigen Luftströmungsraten durch das System, im Vergleich zu dem Strömungsvolumen, das bei Belegung des klimatisierten Raums abgegeben wird. Die Reduzierung der Luftströmung durch das System führt vorzugsweise zu reduzierter Ventilatorleistung, zu einer Reduzierung der Anforderungen an gekühltes Wasser in der Kühlschlange, zu einer vergrößerten Rückgewinnungseffizienz im Gesamtenergierückgewinnungsrad und zu der Fähigkeit, trockenere Luft von dem Entfeuchtungsmittelbasierenden Entfeuchtungsrad geliefert zu bekommen. Auf diese Weise sieht das System der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine ausgezeichnete Lösung zur Feuchtigkeitsregelung von Gebäuden während unbelegter Zeiten vor, wie vom ASHRAE-Standard 62–1989 empfohlen, um Verunreinigungen durch Mikrobentätigkeit in heißen und feuchten Klimaten zu vermeiden.
Es sollte erkannt werden, dass die in den Zeichnungen und hier enthaltenen Beispielen angegebenen Zahlenwerte nur beispielsweise angeführt sind. Der Grad der durch das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung erkannten Temperatur- und der Feuchtigkeitsregelung ist eine Funktion vieler Betriebsparameter z.B. des verwendeten Entfeuchtungsmittelmaterials, der Luftgeschwindigkeit durch das System, der Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt der rückströmenden Luft und der Geometrie der Entfeuchtungsmittel-basierenden Entfeuchtungsradmatrix.
Obgleich die Erfindung in beträchtlichem Detail mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele davon beschrieben wurde, sind andere Ausführungsformen und Beispiele den in der Technik bewanderten Personen offenkundig aus der Betrachtung dieser Spezifikation oder der hier offengelegten Praktizierung der Erfindung. Unter vielen Verwendungen kann das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Temperatur und Feuchtigkeit zu regeln und um die Luft von Innenräumen irgendeines Typs von Gebäude zu ventilieren. Zusätzliche Verwendungen des Systems und Verfahrens der vorliegenden Erfindung können eine Anwendung umfassen, in der eine Regelung von Temperatur und Feuchtigkeit benötigt wird. Deshalb sollte der Umfang der angefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hier enthaltenen, bevorzugten Ausführungsformen oder Beispiele sein.

Claims

System zum Steuern des Temperatur- und des Feuchtigkeitspegels eines kontrollierten Raums, wobei das System umfasst: a) eine Luftzuführeinrichtung (18), die so eingerichtet ist, dass sie dem kontrollierten Raum Luft zuführt und einen Zuführ-Luftstrom (10) erzeugt; b) eine Luftableiteinrichtung (22), die so eingerichtet ist, dass sie Luft aus dem kontrollierten Raum ableitet und einen Ableit-Luftstrom (20) an den Zuführ-Luftstrom angrenzend erzeugt; c) eine Trennwand (11), die zwischen dem Zuführ- und dem Ableit-Luftstrom angeordnet ist und den Zuführ- und den Ableitstrom trennt; d) ein Entfeuchtungsrad (16), das so angeordnet ist, dass es sich durch den Zuführ-Luftstrom und den Ableit-Luftstrom dreht und Wärme sowie Feuchtigkeit zwischen dem Zuführ- und dem Ableit-Luftstrom austauscht; e) wobei eine Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung (12) in Kontakt mit dem Zuführ-Luftstrom und dem Ableit-Luftstrom vorhanden ist, um Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem Zuführ- und dem Ableit-Luftstrom auszutauschen; dadurch gekennzeichnet, dass: f) ein Kühler (14) in dem Zuführ-Luftstrom zwischen der Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung und dem Entfeuchtungsrad angeordnet ist, wobei der Kühler so eingerichtet ist, dass er den Zuführ-Luftstrom kühlt und entfeuchtet.
System nach Anspruch 1, wobei das Entfeuchtungsrad ein Entfeuchtungsrad auf Basis von Trocknungsmittel ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung eine Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung auf Basis von Trocknungsmittel ist.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Entfeuchtungsrad ein passives Entfeuchtungsrad ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kühler eine Kühlschlange umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zuführ-Luftstrom Luft umfasst, die von außerhalb des kontrollierten Raums zugeführt wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zuführ-Luftstrom Luft umfasst, die von innerhalb des kontrollierten Raums zugeführt wird.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung ein Total-Energie-Rückgewinnungsrad ist, das so angeordnet ist, dass es sich durch den Zuführ-Luftstrom und den Ableit-Luftstrom dreht, die voneinander getrennt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das eine Kühl-/Entfeuchtungs-Betriebsart hat, wobei: a) die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung eine trockene und kühle Zone sowie eine feuchte und warme Zone hat; b) die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung mit der Luftzuführeinrichtung so in Verbindung steht, dass der Zuführ-Luftstrom durch die trockene und kühle Zone der Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, so dass der Zuführ-Luftstrom gekühlt und entfeuchtet wird; c) die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung mit der Luftableiteinrichtung so in Verbindung steht, dass der Ableit-Luftstrom durch die feuchte und warme Zone der Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, so dass die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung gekühlt und getrocknet wird; d) der Kühler mit der Luftzuführeinrichtung so in Verbindung steht, dass der Zuführ-Luftstrom nach dem Austreten aus der Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung durch den Kühler geleitet wird, so dass der Rückgewinnungs-Zuführ-Luftstrom weiter gekühlt und entfeuchtet wird; e) das Entfeuchtungsrad eine warme und trockene Zone sowie eine kühle und feuchte Zone hat; f) das Entfeuchtungsrad mit der Luftzuführeinrichtung so in Verbindung steht, dass der Zuführ-Luftstrom, der aus dem Kühler austritt, durch die warme und trockene Zone des Entfeuchtungsrades geleitet wird, wenn es sich durch den Zuführ-Luftstrom dreht, so dass der Zuführ-Luftstrom erwärmt und weiter entfeuchtet wird; und g) das Entfeuchtungsrad mit der Luftableiteinrichtung so in Verbindung steht, dass der Ableit-Luftstrom durch die kühle und feuchte Zone des Entfeuchtungsrades geleitet wird, wenn es sich durch den Ableit-Luftstrom dreht, so dass das Entfeuchtungsrad gewärmt und getrocknet wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei sich das Entfeuchtungsrad mit einer gesteuerten Geschwindigkeit dreht und das System des Weiteren eine Geschwindigkeitssteuerung zum Regulieren der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrades umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kühler einen gesteuerten Kühlausgang hat und das System des Weiteren eine Kühlsteuerung zum Regulieren des Kühlausgangs des Kühlers hat.
System zum Steuern der Temperatur und der Feuchtigkeit eines gesteuerten Raums, wobei das System umfasst: a) eine Luftzuführeinrichtung (18), die so eingerichtet ist, dass sie dem kontrollierten Raum Luft zuführt und einen Zuführ-Luftstrom (10) erzeugt; b) eine Luft-Ableiteinrichtung (22), die so eingerichtet ist, dass sie Luft aus dem kontrollierten Raum ableitet und einen Ableit-Luftstrom (20) an den Zuführ-Luftstrom angrenzend erzeugt; c) eine Trennwand (11), die zwischen dem Zuführ- und dem Ableit-Luftstrom angeordnet ist und den Zuführ- und den Ableit-Luftstrom trennt; d) eine empfindliche Energierückgewinnungsvorrichtung in Kontakt mit dem Zuführ-Luftstrom und dem Ableit-Luftstrom, die Wärme zwischen dem Zuführ- und dem Ableit-Luftstrom austauscht; e) ein Entfeuchtungsrad (16), das so angeordnet ist, dass es sich durch den Zuführ-Luftstrom und den Ableit-Luftstrom dreht und Wärme sowie Feuchtigkeit zwischen dem Zuführ- und dem Ableit-Luftstrom austauscht, dadurch gekennzeichnet, dass: f) ein Kühler (14) in dem Zuführ-Luftstrom zwischen der empfindlichen Energierückgewinnungsvorrichtung und dem Entfeuchtungsrad angeordnet ist, wobei der Kühler so eingerichtet ist, dass er den Zuführ-Luftstrom kühlt und entfeuchtet.
Verfahren zum Steuern der Temperatur und der Feuchtigkeit eines kontrollierten Raums, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Zuführen von Luft zu dem kontrollierten Raum und Ableiten von Luft aus dem gesteuerten Raum, so dass ein Zuführ-Luftstrom und ein Ableit-Luftstrom erzeugt werden; b) Bereitstellen eines sich drehenden Entfeuchtungsrades zum Wärmen und Entfeuchten des Zuführ-Luftstroms; c) Wärmen und Entfeuchten des Zuführ-Luftstroms, indem der Zuführ-Luftstrom durch die warme und trockene Zone des sich drehenden Entfeuchtungsrades geleitet wird; d) Wärmen und Trocknen des Entfeuchtungsrades, indem der Ableit-Luftstrom durch das Entfeuchtungsrad geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass: e) eine Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung mit einer trockenen und einer kühlen Zone sowie einer feuchten und einer warmen Zone zum Kühlen und Entfeuchten des Zuführ-Luftstroms bereitgestellt wird; f) der Zuführ-Luftstrom gekühlt und entfeuchtet wird, indem er durch die trockene und kühle Zone der Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung geleitet wird; g) die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung gekühlt und getrocknet wird, indem der Ableit-Luftstrom durch die feuchte und warme Zone der Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung geleitet wird; h) ein Kühler zum weiteren Kühlen und Entfeuchten des Zuführ-Luftstroms bereitgestellt wird; und i) der Zuführ-Luftstrom weiter gekühlt und entfeuchtet wird, indem der Zuführ-Luftstrom durch den Kühler geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entfeuchtungsrad ein passives Entfeuchtungsrad ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entfeuchtungsrad ein Entfeuchtungsrad auf Basis von Trocknungsmittel ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung eine Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung auf Basis von Trocknungsmittel ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrades so reguliert wird, dass der Pegel von Wärme und/oder Feuchtigkeit gesteuert wird, die durch das Entfeuchtungsrad ausgetauscht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Kühlausgang des Kühlers so reguliert wird, dass der Grad der Kühlung oder Entfeuchtung gesteuert wird, der durch den Kühler bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 zum Kühlen eines kontrollierten Raums ohne die Feuchtigkeit des kontrollierten Raums im Wesentlichen zu regulieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erhöhen des Kühlausgangs des Kühlers; und b) Verringern der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrades auf einen vorgegebenen Bereich, in dem das Entfeuchtungsrad einen verringerten Grad an Erwärmung oder keine Erwärmung des Zuführ-Luftstroms bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 13 zum Kühlen und Entfeuchten eines kontrollierten Raums, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erhöhen des Kühlausgangs des Kühlers; und b) Regulieren der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrades auf einen vorgegebenen Bereich, in dem das Entfeuchtungsrad einen verringerten Grad an Erwärmung und einen erhöhten Grad an Entfeuchtung des Zuführ-Luftstroms bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 13 zum Erwärmen eines kontrollierten Raums, ohne die Feuchtigkeit des kontrollierten Raums im Wesentlichen zu regulieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Verringern des Ausgangs des Kühlers so, dass der zugeführte Feuchtigkeitsgehalt der Luft, die in den kontrollierten Raum eintritt, sich dem in dem kontrollierten Raum gewünschten nähert; und b) Erhöhen der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrades auf einen vorgegebenen Bereich, in dem das Entfeuchtungsrad einen erhöhten Grad an Erwärmung und einen verringerten Grad an Entfeuchtung des Zuführ-Luftstroms bewirkt.
Verfahren zum Betreiben des Systems nach Anspruch 13 zum Erwärmen und Entfeuchten eines kontrollierten Raums, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erhöhen des Kühlausgangs des Kühlers, so dass der Kühler die Zuführluft entfeuchtet, die in das Entfeuchtungsrad eintritt; und b) Regulieren der Drehgeschwindigkeit des Entfeuchtungsrades auf einen vorgegebenen Bereich, in dem das Entfeuchtungsrad einen erhöhten Grad sowohl an Erwärmung als auch an Entfeuchtung des Zuführ-Luftstroms bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei die Total-Energie-Rückgewinnungsvorrichtung des Systems die Form eines Total-Energie-Rückgewinnungsrades hat und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Drehen des Total-Energie-Rückgewinnungsrades mit einer trockenen und einer kühlen Zone sowie einer feuchten und einer warmen Zone, um den Zuführ-Luftstrom zu kühlen und zu entfeuchten; Kühlen und Entfeuchten des Zuführ-Luftstroms, indem er durch die trockene und kühle Zone des sich drehenden Total-Energie-Rückgewinnungsrades geleitet wird, und Kühlen und Trocknen des Total-Energie-Rückgewinnungsrades, indem der Ableit-Luftstrom durch die feuchte und warme Zone des sich drehenden Total-Energie-Rückgewinnungsrades geleitet wird.