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Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 1 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH, Dresden
Christian Friebe, Florian Kreß
Karsten Hackeschmidt
Wärmerückgewinnung in Lüftungssystemen mittels Wärmerohr-
Wärmeübertragern
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 2 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
Motivation –neue Lüftungskomponenten
•Einsatz von Wärmerohren in der Lüftungstechnik
•Wärmerohre flexibel in der Gestaltung
•Trennung der Luftströme möglich
•Gute Rückwärmzahlen
Einsatz von Wärmerohr-Wärmeübertragern in verschiedenen Anwendungen
zentrale Lüftungsgeräte dezentrale Lüftungsgeräte
radial rotierende Wärmerohre stationäre Wärmerohre
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 3 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
Funktionsprinzip - Gravitationswärmerohr
• Ein Fluid (Wasser, Azeton, CO2, Propan …) zwei
Phasen
•Phasenübergang für verbesserte Wärmeleitung
•Verflüssigung an Rohrinnenwand (Kondensation)
•Verdampfen am Fuß,
Dampf strömt im Rohr entgegen der Wirkung der Gravitationskraft
•Beste Leistung bei senkrechter Einbaulage
•Einsatz gut wärmeleitender Materialien (Kupfer oder
Aluminium)
Ideal für die Wärmeübertragung zwischen getrennt
geführten und unterschiedlich temperierten
Fluidströmen
Anmerkung: Wärmerohre mit Kapillarwirkung (sog. Heatpipes) sind in ihrer
Funktion lageunabhängig!
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 4 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
dezentrale Lüftung –Anforderungen
Wärmerückgewinnungsgrad (bei 2/3 max. Volumenstrom): > 70 % (> 80 %)
Zuluft- und Abluftvolumenstrom: je ca. 30 m³/h (ca. 25 m³/h)
Leistungszahl (Wärmeleistung/ elektr. Leistungsaufnahme) >10
bzw. spez. Leistungsaufnahme: (0,28 W/(m³/h))
minimale Zulufttemperatur: 16 °C
Eigengeräuschentwicklung (Schallleistungswert): < 35 dB(A) (< 34 dB(A))
Auslegebedingungen Außenluft: min: -12 °C, 90 %
Auslegebedingungen Raumluft: 22 °C, 50 %
Filterklasse Außenluft: F7 (Pollenfilter) (G3)
Filterklasse Raumluft: G4 (G2)
Entwicklungsprojekt Industrie
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 5 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
Schalldämmkanäle
dezentrale Lüftung –System mit Wärmerohr-Wärmeübertrager
•Einbaumöglichkeit zwischen Fenster und Laibung,
• Prinzipiell „rechts“ und „links“ möglich (z.B. Sommer- und Winterbetrieb!)
•Nicht unmittelbarer Bestandteil des Fensterrahmens (Fensterhersteller übernimmt
keine Produktverantwortung für ein Lüftungssystem!)
•Eigenständige nachrüstbare Komponente
•Trennung der Fluidströme
•Entwicklung
Wärmeübertrager
Schalldämmkanäle
Luftfilter
Bedienung/ Gehäuse
•Markt
Ventilatoren (radial)
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 6 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
dezentrale Lüftung –entwickelter Demonstrator mit Wärmerrohr-
Wärmeübertrager
Demonstrator –
dezentrales Fensterlüftungsgerät
•3 Wärmerohrblöcke
einzeln montierbar
•2 leise Radialventilatoren
•2 Filter (in den Ansaugungen)
•Schalldämmkanäle (Melamin)
•Integrierte Stromversorgung,
Steuerung und Regelung
•3 Leistungsstufen
•Sommerbetrieb:
Gerät auf den „Kopf“ drehen,
zwei Geräte pro Fenster
50 mm hoch
130 mm tief
410 mm lang
3 Reihen a 4 WR
adiabate Zone:
20 mm
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 7 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
dezentrale Lüftung –Leistungswerte Demonstrator
Leistungszahlen Messung 1:
11 m³/h: 26,2 18 m³/h: 15,1 28 m³/h: 9,5
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 8 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
•Wärmerohr-Wärmeübertrager als dezentrale kompakte Lüftungssysteme gut geeignet.
•energetische und akustische Mindestanforderungen erfüllt.
•flache Bauhöhe einfache Installation zwischen Fensterrahmen (Längsseite) und Laibung
•für die Kühlung warmer Außenluft nutzbar Drehung um Querachse notwendig
Optimierungen für Serienreife:
•Design
•Fensterrahmenanbindung
•Systemüberarbeitung (Kondensatabführung, Wartungsfreundlichkeit, Strömungskanäle, Bedieneinheit)
dezentrale Lüftung –Fazit/ Optimierung
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 9 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
zentrale Lüftung –Anforderungen/ Zielstellungen
Wärmerückgewinnungsgrad (bei 2/3 max. Volumenstrom): > 60 %
Zuluft- und Abluftvolumenstrom: bis zu 300 m³/h
externer Druckaufbau: bis zu 200 Pa
Leistungszahl (Wärmeleistung/ elektr. Leistungsaufnahme) > 10
bzw. spez. Ventiltorleistung: < 0,55 W/(m³/h)
minimale Zulufttemperatur: 16 °C (14 °C)
Eigengeräuschentwicklung (Schallleistungswert): < 35 dB(A)
Auslegebedingungen Außenluft: -3 °C bis 10 °C, 90 %
Auslegebedingungen Raumluft: 21 °C (bis 25 °C), 36 bis 56 % r.F.
Filterklasse Außenluft: G4 bzw. F7 (Pollenfilter)
Filterklasse Raumluft: G4
Ziel: Steigerung der volumetrischen Wärmeübertragerleistung
von 11 kW/m³ auf bis zu 21 kW/m³
(Basis: Wärmeübertrager eines am Markt verfügbaren Gerätes)
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 10 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
zentrale Lüftung –radial rotierende Wärmerohre, Vorteile und Grenzen
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R0‘‘
R1
R0‘
D
p
Abhängig von
- Temperaturdifferenz
-Länge
- Radienverhältnisse
Flüssige Phase am WR-Kopf!
Einfluss auf Partialdampfdruck!
Intensivierung des Wärmeübergangs durch größere
Relativgeschwindigkeits-Komponente!
150 mm lange Wärmerohre
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 11 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
zentrale Lüftung – Lösungsidee „luftfördernder Wärmeübertrager“
•beide Luftströme im
Gegenstrom, ein Antrieb
zweiflutiges axiales
„Walzenlaufrad“
•mitrotiertender
Wärmeübertrager
radial rotierende
Wärmerohrregister
• Design „Rohr“ in „Rohr“,
außen Abluft/ Fortluft;
innen Außenluft/ Zuluft
Anschlussleitungen bieten
zusätzliches
Wärmeübertragerpotential
keine äußere Isolation im
Raum erforderlich
Eigenbau –CO2
Marktverfügbar:
100 x 40 x 2,5 mm –
Azeton
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 12 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
zentrale Lüftung –Entwicklungskonsequenzen
erforderlicher
Drehzahlbereich für
Schaufelgitter
Getriebe erforderlich!
WR-Register: ca. 200 bis 300 min-1
Druckverlust infolge Durchströmung des Registers:
außen: 19 Pa; Innen: 17 Pa
Max. Rückwärmzahl für zwei Reihen: 33 %
Register mit mindestens
6 Wärmerohrreihen
ca. 17 kW/m³ (Registervolumen)
bei 250 min-1, Tmax = 10 K
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 13 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
zentrale Lüftung –Aufbau 2. Demonstrator
•wird aktuell aufgebaut
•Leistungsmessungen bis
Ende 2018
Dr.-Ing. Karsten Hackeschmidt, ILK Dresden, 14 04.10.2018
Stuttgart, 08. Oktober 2018
Projektförderungen durch BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie)
- Projekt 1: Fensterintegriertes Raumlüftungssystem mit Wärmerohr
EuroNorm, Inno-Kom-Ost (MF120119), 01/2013 -06/2015
- Projekt 2: Effizienter, kompakter und luftfördernder Wärmeübertrager
EuroNorm, Inno-Kom-Ost (MF150137), 05/2016 -10/2018
Danke für ihre Aufmerksamkeit!
Wärmerohr-Wärmeübertrager in der Wohnungslüftung