APESS, das patentierte Wärmerückgewinnungsverfahren in der Lüftungstechnik, das heizen und kühlen kann

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1 APESS, das patentierte Wärmerückgewinnungsverfahren in der Lüftungstechnik, das heizen und kühlen kann Seit der Erfindung des APESS-Verfahrens im Jahre 2003 wurde dieses zweistufige Wärmerückgewinnungsverfahren weiterentwickelt und auf die unterschiedlichsten Einsatzfälle hin optimiert. Die Patente für das Verfahren wurden ebenfalls erweitert bzw. neu erteilt. Die z.zt. jüngste Entwicklung ist APESS-Integral, wobei die APESS-Wärmetauscher alle im Verbund integriert arbeiten. Wir unterscheiden heute in die verschiedenen Varianten entsprechend des verwendeten technischen Aufbaues des APESS-Verfahrens in zweistufig oder integriert und in Variante mit Kältemittel in der Fortluft oder beidseitig Fluid-Einsatz APESS-RF (zweistufig, mit Kältemittel in der Fortluft) APESS-RI (integriert, mit Kältemittel in der Fortluft) APESS-FF (zweistufig, beidseitig Fluid-Einsatz) APESS-FI (integriert, beidseitig Fluid-Einsatz) Welche Variante für Ihren Einsatzfall die beste ist, sagen wir Ihnen gerne, wenn Sie uns Ihre Daten nennen. Auf unseren Internetseiten finden Sie dazu die Checkliste als Download. Alle APESS-Verfahren arbeiten im Zuluft-Wärmetauscher mit Fluid (Wasser / Wasser-Glykol- Gemisch) und verwenden dabei einen oder mehrere Pufferspeicher mit dem patentierten CHOS- Betriebs-System (Chiller-Hydraulik-Operation-System). Durch CHOS wird die Fluid-Temperatur exakt auf den benötigten Betriebspunkt geregelt. Zum Kühlen wird kaltes Fluid nicht kälter als notwendig erzeugt, zum Heizen das warme Fluid nicht wärmer als nötig. Die Verdampfungs- und Verflüssigungs- Temperaturen in der Wärmepumpe werden von CHOS so eingestellt, daß der Kältekreis (Carnot- Prozeß) in wirtschaftlichen Grenzen arbeitet. Nur mit APESS wird die Energie der Wärmepumpe in einem Speicherkreis gepuffert. Bei Erreichen der benötigten Fluidtemperatur wird der Verdichter abgeschaltet und die Anlagen aus dem Pufferspeicher versorgt. Die Größe des Pufferspeichers wird so berechnet, daß in allen Betriebszuständen die Laufzeiten der Verdichter optimal sind. Erst bei entleertem Pufferspeicher wird der Verdichter wieder eingeschaltet. Der gute COP der Wärmepumpe wird nicht beeinträchtigt, der Leistungsbedarf des Verdichters auf das Minimum begrenzt. Wichtig ist der Pufferspeicher auch für mögliche Abtauschaltungen bei extrem kalten Außentemperaturen. Definition COP: bei COP 5 wird aus 1 kw Stromaufnahme 5 kw Heizleistung erzielt. Das neue APESS-Integral Wärmerückgewinnungsverfahren mit integriertem Wärmetauscher- Verbund werden wir im zweiten Kapitel ausführlich beschreiben und behandeln. Bei den zweistufigen APESS-Verfahren verwenden wir von den bekannten Wärmerückgewinnungsverfahren ein Beliebiges als erste Stufe. Sei es rekuperativ ein Plattenwärmetauscher oder ein Kreislaufverbundsystem oder regenerativ ein Rotor. Diese erste Stufe wird gemäß den Einsatzbedingungen (Platz- und Hygiene-Gründe), aber auch nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt und kann im Heizfall zwischen 40% bis 70% Wärme aus der Abluft zurück gewinnen. Die restliche Wärme und Energie, die diese erste Stufe der Abluft nicht entziehen konnte, holen wir mit der APESS-Wärmepumpe aus dem Fortluftstrom heraus und beheizen damit die Zuluft. Die erste, passive Stufe macht deshalb Sinn, weil diese mit geringem finanziellen und energetischem Aufwand viel Heizenergie einspart. Grundsätzlich ist festzuhalten: Ist die Rückwärmzahl der ersten Stufe gering, stellt sich ein hoher COP der Wärmepumpe ein. Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von Wärmerückgewinnungssystemen sind auch die Druckverluste in den Luftströmen ein wichtiges Kriterium.

2 Mit APESS reduziert sich der Druckverlust im Zuluftstrom, da der Erhitzer für Pumpenwarmwasser (PWW) entfällt. Bei APESS-Integral gibt es sogar nur noch einen einzigsten Lamellenwärmetauscher im Zuluftstrom. Die Einsparungen an Ventilatorstrom sind enorm. Der Energieverbrauch durch den Druckverlust über den zusätzlichen Fortluft-Lamellenwärmetauscher gleicht sich im Kühlfall mit dem Wegfall des sonst erforderlichen Ventilators des externen Verflüssigers aus. Im Heizfall egalisiert sich der Stromverbrauch des Abluft-Ventilators durch die 100%-ige Wärmerückgewinnung. Den Wärmetauschern schenken wir besondere Beachtung: Unser APESS-Berechnungsprogramm ist speziell für die patentierten APESS-Wärmerückgewinnungs- Verfahren programmiert. Mit diesen Berechnungen werden die Geometrien der Lamellenwärmetauscher für die Luftmengen ermittelt. Die Wirkungsgrade der erzielbaren Wärmerückgewinnung werden den Druckverlusten gegenübergestellt und die Wirtschaftlichkeit der Systeme in Tabellen und grafisch dargestellt. Wir errechnen nicht nur die Eckdaten der maximalen Temperaturen und Leistungen, sondern berücksichtigen alle Jahresstunden in Korrelation von Temperatur und Feuchte und zeigen Ihnen damit, was wirklich Ihr Nutzen ist. Auch die Plattenwärmetauscher, die in einer APESS-Wärmepumpe in Einsatz kommen, werden nach diesen Kriterien optimiert. Der Wärmeübergang vom Kältemittel auf das Fluid und umgekehrt wird optimal eingestellt und die Druckverluste minimiert. Dabei behalten wir stets die Wirtschaftlichkeit im Auge und stellen die Investitionskosten und den späteren Betriebskosten gegenüber (Grafik BEP). Bei allen APESS-Verfahren wird bereits in der Planungsphase neben der Lüftung auch das Gebäude gesamtenergetisch betrachtet: sowohl der Heiz- als auch der Kühlbedarf sollte berücksichtigt werden und uns bekannt sein. Beispiel 1: Neben der erforderlichen Kühlleistung für die Lüftung, können es die inneren Wärmelasten erforderlich machen, über Umluftkühlung oder Kühlbalken o.ä. weiter zu kühlen. Die Kältemaschine bzw. die APESS-Wärmepumpe würde auf die entsprechende Kühlleistung ausgelegt und geeignete Maßnahme für die Wärmeabfuhr geschaffen. Die Verdichter, für große Kühlleistung ausgelegt, sind dann für die winterliche Heizleistung reichlich bemessen und für autarken Heizbetrieb ohne Nachheizung ausreichend. Beispiel 2: Kälte-Wärme-Verschiebung In den Gebäuden wird im Frühling und Herbst durch die Wärmelasten im Süden des Gebäudes bereits gekühlt, während die Nordseite noch beheizt werden muß. Hier nutzen wir mit den APESS - Verfahren die Kälte-Wärme-Verschiebung. Bei dem Betrieb einer Wärmepumpe ist immer eine Seite warm und die andere Seite kalt. Können beide Seiten energetisch gleichzeitig genutzt werden, ist es eine doppelte Einsparung. So kann während des Heizbetriebes die kalte Seite zum Kühlen (z.b. eines Serverraumes oder im Produktionsbetrieb) genutzt werden. Beispiel 3: Entfeuchten im Kühlfall. Für eine Voll-Klimatisierung soll im Kühlfall die Zuluft entfeuchtet werden. Die Unterschreitung des Taupunktes ergibt kältere Luft als es für die Zulufttemperatur gewünscht wird. Es muß nachgeheizt werden. Diese Aufgabe erfüllt das APESS-Verfahren mit der Kondesatorabwärme; es wird kein Heizungswasser benötigt. Beispiel 4: Umluft-Heizen mit Wärmepumpe Eine weitere Einsparung wird beim zusätzlichen Umluftbetrieb erzielt. Dabei kann im allgemeinem die Wärmepumpe während 90% der Jahresheizstunden den Umluftanteil erwärmen, mit dem hervorragenden Wirkungsgrad von APESS. Kapitel 2 = APESS-Integral

3 APESS Integral Das patentierte Wärmerückgewinnungsverfahren APESS -Integral mit integriertem Wärmetauscher- Verbund ist die zur Zeit jüngste Entwicklung aus dem Hause Air2000. Wie bei allen APESS -Verfahren wird auch bei APESS -Integral in der Zuluft ein Lamellen- Wärmeaustauscher (LWT) eingesetzt mit einem frostsicheren Fluid als Wärmeträger (Wasser-Glykol-Gemisch). Aber hier im System Integral beschränkt sich die Anzahl LWT auf nur einen einzigen Lamellen- Wärmeübertrager. Dieser dient im Sommer beim Kühlfall als Kühler, im Heizfall zur Wärmerückgewinnung und als Erhitzer der Zuluft. Erfahrungsgemäß wird mit diesem Anlagenaufbau bereits über 30 % des Zuluft -Ventilatorstromes eingespart. Betrachten wir ein Kreislaufverbundsystem: Die Formel für Wärmetauscher besagt: Hierin bedeuten: Q = A k t m log Q : Leistung A : Wärmeaustauschfläche k : Wärmedurchgangskoeffizient (k- Wert) t m log: mittlere logarithmische Temperaturdifferenz Da die Wärmeaustauscher eine unveränderlich festsehende Fläche haben, ändert sich der k- Wert kaum. Jedenfalls ist eine bemerkte Veränderung nur zeitlich betriebsbedingt einhergehend und damit als maßgebliche Größe zu vernachlässigen. Geändert werden kann also nur t m log Über diese Größe funktioniert eine direkte Beeinflussung der zusammenhängenden Anlagenparameter, zu kontrollieren über den sich einstellenden k- Wert. Bei einem Standard-KVS System wird sich bei einem relativ gleichbleibenden Fluid-Volumenstrom ein WRG-Grad einstellen, der bei richtig eingestellten Verhältnissen sich wie in nachstehender Grafik zeigt: Grafik 1 Grafik 2 Von der kalten Außenluft ( -12 C) durchströmt, kühlt der Zuluft-LWT den Wärmeträger auf -5,4 C ab. Die Abluft wird mit einer Temperatur von +22 C und einer rel. F. von 20% durch den Abluft-LWT geblasen und erwärmt dabei den Wärmeträger auf 14,9 C, wobei die Luft zur Fortluft wird mit einer Ausblastemperatur von nur noch +1,6 C. Es stellt sich ein optimales Verhältnis zwischen der

4 Oberflächentemperaturen der Wärmetauscher und dem Fluid ein (siehe Grafik 2) Der Wirkungsgrad des gezeigten KVS-Systems beträgt 65% (siehe auch Kapitel xxx WRG) Greifen wir in dieses System ein, um die Zuluft mit dem Zuluft-LWT direkt auf die gewünschte Raumeintritts-Temperatur zu heizen, stören wir dieses Temperaturverhältnis und es wird sich ein schlechterer WRG-Wirkungsgrad einstellen. (siehe Grafik 3 nachfolgend) Grafik 3 Wie können wir erkennen, ob dieser Anlagenaufbau gegenüber der herkömmlichen Variante mit einen Zuluft-Erhitzer im Luftvolumenstrom günstigere Betriebskosten erbringt oder nicht? Mit dem APES-Berechnungsprogramm errechnen nicht nur die Eckdaten der maximalen Temperaturen und Leistungen, sondern berücksichtigen alle Jahresstunden in Korrelation von Temperatur und Feuchte und zeigen Ihnen damit, was wirklich Ihr Nutzen ist. Die Wirkungsgrade der erzielbaren Wärmerückgewinnung werden den Druckverlusten gegenübergestellt und die Wirtschaftlichkeit der Systeme in Tabellen und grafisch dargestellt. Wird nun die Zusatzenergie zum Zuluft-LWT über die APESS-Wärmepumpe eingebracht (siehe Grafik 4) bleibt zu vermerken (wie schon vorher beschrieben), daß eine geringe Rückwärmzahl der ersten Stufe einen hohen COP der Wärmepumpe mit sich bringt.

5 Bitte beachten Sie, daß die hier gezeigten Anlagenaufbauten patentierte Schaltungen darstellen. Die internen Verschaltungen der Hydraulik zeigen wir auf den nächsten Grafiken nicht, da diese sehr umfangreich sind und für das Verständnis der Basisfunktion APESS-Integral erst später benötigt würden. Der Anlagenbauer findet an dem Gehäuse der APESS-Integral-Wärmepumpe die beschrifteten Anschlüsse vor und verlegt entsprechend die Rohrleitungen. Die APESS-sytembedingte Pufferspeicherschaltung mit dem patentieren Regelkreis lassen wir hier sichtbar. Dieser Komplex ist ebenfalls im Wärmepumpengehäuse integriert. Es sind zwei LWT in der Abluft und ein LWT befindet sich in der Zuluft. Nachstehend wird der Heizfall gezeigt (Grafik 4) Grafik 4

6 Beide Lamellenwärmetauscher in der Abluft entziehen dieser die Energie und dienen der Wärmepumpe als Wärmequelle. Die Wärmepumpe "pumpt" diese niedrige gewonnene Temperatur auf ein nutzbares Temperaturniveau und erwärmt damit die Zuluft auf die Soll-Temperatur. In den meisten Auslegungsfällen wird keine weitere Nachheizung extern benötigt. Es gibt aber auch für Extreme Einsatzbedingungen praktische und kostengünstige Lösungen mit APESS-Integral. Im Kühlfall wird über beide Fortluftwärmetauscher die (nicht benötigte) Kondensatorwärme an die Fortluft übergeben und mit dem Zuluftwärmetauscher die gewünschte Raumtemperatur eingestellt. Grafik 5 In Grafik 5 ist dargestellt, wie mit APESS-Integral eine Entfeuchtung der Zuluft durch unterschreiten des Taupunktes und eine anschießende Nacherwärmung realisiert wird, bei der die Nachheizenergie aus der anfallenden Kondensatorwärme genutzt wird. Bei dem APESS-Integral Verfahren wird auf die "Rückgewinnung von Kälte" aus der Abluft verzichtet, weil das Gesamtenergieniveau in den meisten Einsatzfällen mittels der Tauscherfläche der zwei Fortluftwärmetauscher die Verflüssigungstemperatur und damit den COP der Wärmepumpe so überaus positiv beeinflusst. Ob dieses Verfahren, also APESS-Integral oder die zweistufige APESS-Variante für Ihren Einsatzfall die energetisch Geeignete ist, ermitteln wir gerne für Sie wenn wir Ihre spezifischen Bedingungen kennen. Auf unseren Internetseiten finden Sie dazu die Checkliste als Download. Nutzen Sie unseren Berechnungsservice bereits bei der Planung, damit Ihre Anlage optimal ausgelegt, später optimal betrieben werden kann. Zur Beantwortung Ihrer Fragen zum Thema APESS und Wärmerückgewinnung stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Herr H. Dieter Hombücher Geschäftsführer Air2000 GmbH Heusenstammer Str Obertshausen Tel Fax Herr Rüdiger Heß Handelsvertreter für Air2000 Heß Handelsvertretungen CDH Am Obertor Maintal Tel Fax

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