De Hemmes Ventilatie-unit

 

 

Inleiding

Vanuit  een vochtige woning komt menigeen op een door topkoeling vochtig en toch nog warm kantoor. En als het in de weekends regent wordt het overdekte zwembad bezocht waar het ook steeds warmer en vochtiger wordt.

In dit artikel wordt het ontvochtigen van de verse toevoerlucht besproken. Gezien de eerste zin lijkt dat logisch, maar voor woningen en zwembaden is dit een onbekend principe. Voor kantoren is de ontvochtiging van de toevoerlucht het neveneffect van de gewenste temperatuurverlaging.

 

Waarom dan eigenlijk dat ontvochtigen?

Voor comfortinstallaties geeft dit onder de vochtige zomercondities de mogelijkheid dat de ruimteconditie weer in het comfortgebied van het Mollierdiagram terechtkomt. Het  bijkomende voordeel is dan dat de verdampingskoeling via bevochtiging van de retourlucht veel beter gaat werken. Voor zwembaden kan met een zelfde hoeveelheid verselucht die ontvochtigd is, veel meer vocht worden afgevoerd, of zoals het in de praktijk zal worden: je hebt een kleinere luchtbehandelingskast nodig. Voor woningen kan met drogere toevoerlucht het klimaat gezonder worden. Bovendien kan er zelfs aan koeling worden gedacht terwijl ieder die binnen de was ophangt koeling krijgt.

.

Het ontvochtigen

Door een koelbatterij in een luchtstroom op te nemen, kan de lucht worden ontvochtigd. Dan moet eerst de voelbare warmte van de lucht worden weggekoeld alvorens de latente warmte kan worden weggekoeld die het vocht doet condenseren.

Met teruggave van de onttrokken warmte komt dit principe voor in het systeem van Dantherm, maar ook de gewone vrijstaande ontvochtigers werken zo.

 

Door de combinatie van een koeler en een warmtewisselaar kan de luchtstroom heen door de warmtewisselaar worden geleid, dan door de koeler en daarna weer terug door de warmtewisselaar (figuur 1). De voelbare warmte wordt op de heenweg via de warmtewisselaar  afgestaan aan de koude ontvochtigde lucht, die hierdoor weer opwarmt.

Dit principe wordt toegepast in sommige persluchtdrogers en bijvoorbeeld een droogapparaat van Menerga ook zo. Als de onttrokken warmte deels voor opwarming van de lucht en deels voor zwembadverwarming wordt gebruikt (warmtepomp), kunnen luchtbehandelingskasten van GEA en Menerga als voorbeeld worden genoemd

 

Hoe hoger het rendement van de warmtewisselaar wordt gekozen, hoe kleiner wordt de koeler en de koelmachine/warmtepomp. Bovendien wordt dan ook het temperatuurverschil kleiner tussen de lucht die de ontvochtiger ingaat en de gedroogde lucht die er uit komt. Bij een hoogrendementwarmtewisselaar wordt met deze ontvochtiger (warmtewisselaar+koeler) een netto resultaat bereikt dat in het Mollierdiagram overeenkomt met de lijn horizontaal naar links. Dieper koelen en dus verder ontvochtigen heeft nauwelijks een verlaging tot gevolg van de temperatuur van de lucht die de ontvochtiger verlaat.

 

Voor ventilatie van zwembaden willen we de toevoerlucht in het Mollierdiagram naar linksboven hebben ofwel droog en iets warmer. Voor comfortventilatie willen we de toevoerlucht in het koelseizoen iets naar linksonder hebben ofwel droog en iets koeler, maar niet te koud. Voor woningen is naar links en dus alleen iets droger voorlopig al mooi meegenomen.

 

 

 

 

Systeem Hemmes

Om de ontvochtigde verse lucht op de gewenste temperatuur te brengen, is een tweede warmtewisselaar toegevoegd, waar enerzijds de toevoerlucht doorheen stroomt en anderzijds de retourlucht. In figuur 2 is dit systeem van ontvochtigen vóór de warmteterugwinning weergegeven.

In figuur 3 is weergegeven het ontvochtigen ná de warmte- of koudeterugwinning uit de retourlucht. In dit systeem wordt eerst warmte of koude uitgewisseld met de al dan niet bevochtigde retourlucht en wordt de toevoerlucht daarna ontvochtigd.

 

In beide figuren zijn de hoogrendement-warmtewisselaars te herkennen (helaas alleen nog in de woningbouw toegepast), maar ook met andere warmtewisselaars kunnen beide systemen worden doorgerekend en zal in veel gevallen een energetisch zeer aantrekkelijk resultaat bereikt worden. Des te hoger het rendement van de toegepaste warmtewisselaars echter, des te beter is de uitgangspositie voor de werking van het systeem; door bypassen kunnen alle andere situaties worden verkregen. Dit artikel is geschreven op basis van deze HR-warmtewisselaars.

 

Hierna wordt voor comfortventilatie en zwembadventilatie specifiek op beide schema’s ingegaan.

 

een volledige airco met de energiekosten van een topkoeling

Nu in de ontvochtiger de koeler volledig is ingepakt door een HR-warmtewisselaar en er van een koelend effect nauwelijks meer sprake is, moet de koeling van de toevoerlucht worden verkregen door de retourlucht te voorzien van een waterbevochtiger.

 

Ontvochtigen vóór warmteterugwinnen

Van het schema in figuur 2 is in figuur 4 het proces in het mollierdiagram getekend. De warme buitenlucht wordt gekoeld in de 1e warmtewisselaar, daarna verder ontvochtigd tot 5 ^oC in dit voorbeeld. Vervolgens wordt de lucht weer opgewarmd bij de terugkeer door de 1e warmtewisselaar en heeft na deze ontvochtiger vrijwel dezelfde temperatuur als de buitenlucht. Door deze lucht daarna door de tweede warmtewisselaar te leiden, wordt deze afgekoeld tot vrijwel dezelfde temperatuur als de bevochtigde retourlucht uit de ruimte(n), en is circa 18 ^oC bij deze gekozen ruimteconditie.

De mate van ontvochtigen heeft vrijwel geen invloed op de inblaastemperatuur, immers de temperatuur van de toevoerlucht wordt bepaald door het adiabatisch bevochtigen van de retourlucht.

 

Door te ontvochtigen naar 12^oC (uittrede koeler) zou ook een toevoertemperatuur opleveren van circa 18^oC. Deze situatie komt qua vochtgehalte overeen met de bekende airconditioningsituatie, echter de inblaastemperatuur is daarbij 12 ^oC en die wordt te koud bevonden om in te blazen.

 

Hoe dieper gekoeld wordt (zoals ook in figuur 4), hoe droger de lucht wordt. Het grote potentieel aan koelvermogen per kilogram lucht kan dan vrijkomen door in de ruimte al naar behoefte met water te bevochtigen (of centraal, of lokaal in de toevoer naar de ruimte). Op deze wijze kan het gehele comfortgebied van Fanger worden doorlopen (van linksonder naar rechtsboven geeft de grootste enthalpie-opname oftewel koelend vermogen).

Wordt in een andere ruimte niet bevochtigd, dan zal de retourlucht relatief droog blijven. Dit geeft een  verbeterde verdampingskoeling van de retourlucht. Op deze wijze wordt een systeem verkregen dat met weinig lucht toch een groot koelvermogen kan leveren zonder een lage inblaastemperatuur.

Het systeem komt er ongeveer op neer dat koeling wordt verkregen niet door het op en neer gaan in het Mollierdiagram (temperatuur) maar door het heen en weer gaan (absoluut vocht). Een temperatuurschommeling van 1^oC zou qua behaaglijkheid overeenkomen met een schommeling van 30% in de relatieve vochtigheid; in deze laatste zit echter een vele malen hogere enthalpie-opname. Door met de relatieve vochtigheid te werken kunnen dus veel grotere koelvermogens gehaald worden zonder de behaaglijkheid in gevaar te brengen.

 

In tabel 1 zijn enkele systemen met elkaar vergeleken, waarbij als vergelijkend kengetal is gekozen voor de verhouding tussen het nuttige koelende vermogen ten opzichte van de gewenste ruimteconditie en het te leveren koelvermogen.

In deze tabel komt figuur 4 voor als systeem Hemmes C.

De wens "mag het iets droger en iets koeler" (Fanger, Bronsema) kan dus gerealiseerd worden.

 

Ontvochtigen ná warmteterugwinnen

In figuur 5 is het proces van het ontvochtigen ná warmteterugwinnen in het mollierdiagram getekend. In dit geval wordt eerst een warmte- of koudeterugwinning uitgevoerd en daarna wordt pas ontvochtigd tot de gewenste absolute vochtigheid. Omdat bij het ontvochtigen de warmtewisselaar na de koeler gebypasst kan worden (oftewel de wisselaar krijgt een slechter rendement), kan de inblaastemperatuur worden verlaagd. 

 

In het systeem van ontvochtigen ná warmteterugwinnen is tevens de toepassing van een regeneratieve warmteterugwinning een veelbelovende mogelijkheid. Het voordeel voor de  wintersituatie is de vochtterugwinning. Een mogelijk voordeel in de zomersituatie is de voorontvochtiging van de buitenlucht. Dit laatste effect treedt echter alleen op wanneer een volledig bevochtigde retourluchtstroom (met een lager absoluut vochtgehalte dan de buitenlucht) werkelijk in staat blijkt te zijn de warmere buitenlucht af te koelen en iets te ontvochtigen, zodat de ontvochtigingssectie iets minder hoeft te doen. Wordt de retourlucht niet bevochtigd, dan treedt een sterkere ontvochtiging in de regeneratieve warmtewisselaar op, maar ook een minder sterke afkoeling van de buitenlucht.

 

Wintersituatie

Wanneer de buitenlucht droger is dan het setpoint voor de toevoerlucht, dan kan het ontvochtigingsdeel van de unit worden gebypasst en ontstaat een zuivere warmteterugwinningsventilatie met behulp van de 2e warmtewisselaar. Het rendement stijgt tot boven de 90% naarmate er meer condensatie van de retourlucht optreedt.

Nadeel van de platenwarmtewisselaars is dat er geen vochtoverdracht plaatsvindt. Een optie voor de bevochtiging is bevochtiging van de toevoerlucht of ruimtelucht omdat HR-warmtewisselaars voor zoveel warmteterugwinning gezorgd hebben dat de inblaastemperatuur te hoog dreigt te worden. In de situatie dat er gebruik gemaakt wordt van warmte/koude opslag zal in de winter de buitenlucht kunnen worden voorverwarmd (laden koude), in deze fase of na deze fase kan de lucht met water worden bevochtigd (afkoeling tot vriespunt) waarna de warmtewisselaar weer zorgt voor het vrijwel volledig verwarmen van de toevoerlucht.

 

Nog enkele voordelen van de systemen

Er zijn nog enkele voordelen van de systemen volgens figuur 2+4 en 3+5.

Het temperatuurrendement van de warmtewisselaar in de ontvochtiger is extra hoog omdat er al condensatie in de warmtewisselaar optreedt. Door deze ontvochtiging in de warmtewisselaar en in de koeler wordt de buitenlucht "gewassen" met  een reductie van stof, pollen, geur, CO2 etcetera.

Het in de eerste warmtewisselaar en in de koeler gecondenseerde water kan na een eenvoudige filtering worden gebruikt voor de adiabatische koeling van de retourlucht. Er hoeft bij een groot deel van de buitencondities dus geen leidingwater te worden toegepast.

 

Door de echte airconditioning is er een ruimteconditie met een laag vochtgehalte zodat adiabatische koeling van retourlucht altijd effectief is. Door de hoogrendementwarmtewisselaar is bovendien de teruggewonnen koelte van de adiabatische gekoelde retourlucht bijna optimaal.

 

De koeler kan op koud grondwater of met een direct expansie van een koelmiddel werken en behoeft geen nauwkeurige regeling, immers deze koeling heeft geen invloed op de toevoertemperatuur  maar alleen op het vochtgehalte, en daar is de mens minder gevoelig voor.

Het systeem is door de kleinere benodigde vermogens zeer geschikt voor warmte/koudeopslag systemen. Met een extra batterij in de aanzuig kan in de winter koude worden geladen en kan in de zomer het water na de ontvochtigingskoeler door deze batterij worden geleid om warmte te laden terwijl de buitenlucht dan voorgekoeld wordt.

 

Doordat er minder koelvermogen nodig is zullen traditionele koelmachines kleiner zijn, een kleinere electrische aansluiting nodig hebben en uiteindelijk ook  minder warmte behoeven af te voeren in de condensor.

Doordat de lucht diep gedroogd kan worden zonder dat de inblaastemperatuur verlaagd wordt, ontstaat een enorm koelend vermogen per kg lucht. Met de huidige ventilatiehoeveelheden is een aanvullende lokale koeling niet zo gauw noodzakelijk.

Het nuttig rendement van de systemen is hoger naarmate dieper wordt gekoeld, al zal dit worden geremd door een slechter wordende COP van de koelmachine.

De volledig condenserende koelbatterij heeft een hoge warmteoverdrachtscoefficient en zal kunnen lijken op een pijpenbatterij in plaats van een lamellenbatterij.

 

Door niet de centrale toevoer te bevochtigen maar alleen de ruimten die gekoeld moeten worden, blijven ongebruikte ruimten op een hogere temperatuur  zodat er minder transmissie met de omgeving optreedt. Het potentiële koelvermogen zit echter wel in deze droge warme lucht door de ruimtebevochtiging aan te zetten. De temperatuuroverschrijdingsberekeningen moeten dus gevolgd worden door behaaglijkheidsberekeningen die de relatieve vochtigheid meewegen. Een hogere ruimtetemperatuur geeft bij een lage RV nu wel problemen bij een TO-berekening, terwijl een temperatuur van 25 graden bij een zeer hoge RV geaccepteerd wordt.

 

Kanaalisolatie kan overbodig gemaakt worden omdat er geen koude lucht maar droge lucht wordt getransporteerd. Er is geen condensatiegevaar op het toevoerkanaal.

 

Woonhuisventilatie

De warmtepompen en warmtepompboilers zouden zo kunnen worden aangesloten, dat ze bijdragen aan een regeling van de relatieve vochtigheid en de toevoerlucht ontvochtigen. Of ze in de winter nog de afblaas moeten afkoelen is maar de vraag, omdat er bij een  toepassing van HR-warmtewisselaars weinig energie meer onttrokken kan worden.

Water uit  energiepalen en bodemwarmtewisselaars is echter direct in te zetten voor de ontvochtiging en kan in de winter het geringe aantal invriesuurtjes tot nul reduceren. Op deze wijze hoeft niet alleen warmte onttrokken te worden aan de grond, maar kan een groot deel van het jaar ook warmte worden geladen.

Drogere lucht inblazen reduceert het luchtvochtigheidsprobleem ten gevolge van kierdichting en povere ventilatie, terwijl ook de huisstofmijt bij een lagere relatieve vochtigheid slechter blijkt te kunnen gedijen.

 

Zwembadventilatie

Voor zwembaden is de koeling niet nodig en kan de bevochtiging van de retourlucht achterwege blijven. De unit hoeft alleen de verse lucht te ontvochtigen en de toevoerlucht liefst zo dicht mogelijk bij de retourtemperatuur afleveren zodat slechts een kleine naverwarming al voldoende is.

In het systeem Hemmes volgens ontvochtigen ná warmteterugwinning koelt de ontvochtiger de lucht toch iets. Deze afkoeling is sterker naarmate het rendement van de warmtewisselaar lager wordt gekozen. Dit maakt deze versie in eerste instantie minder geschikt dan het systeem met ontvochtigen vóór warmteterugwinning, waarbij de luchtstroom die na ontvochtiging toch iets is afgekoeld, in de tweede warmtewisselaar z’n warmte weer grotendeels kan terughalen uit de retourlucht. Daarnaast is het weinig zinvol  om buitenlucht  eerst naar een nivo van 30 ^oC te brengen  en daarna door de ontvochtiger te sturen die eerst al die voelbare warmte er weer uit moet halen in de warmtewisselaar voordat hij aan ontvochtigen kan toekomen.

Om deze redenen verdient het systeem ontvochtigen vóór warmteterugwinnen voor de zwembadventilatie de voorkeur. (Figuur 6)

Vanwege het effect dat de koelere buitenlucht al droger is dan de zwembadlucht en door de lagere temperatuur eenvoudiger te ontvochtigen, kan de buitenlucht zonder veel moeite ontvochtigd  worden tot bijvoorbeeld 4,5 gram vocht per kilogram lucht. De VDI gaat uit van buitenlucht met 9 gram/kg waarop de luchtbehandelingskast van een zwembad zou moeten worden uitgelegd. Daardoor is het met dit systeem mogelijk om met de helft van de verse lucht het zwembad te ontvochtigen (of met dezelfde hoeveelheid lucht tweemaal zoveel vocht af te voeren). De verminderde luchthoeveelheid is dan nog altijd ruim voldoende voor de aanwezige personen.

De huidige zwembadventilatiesystemen met warmtepompen waarbij de koelende kant voor de ontvochtiging zorgt, werken op de recirculatielucht. Deze systemen moeten dus de erg warme zwembadlucht ontvochtigen hetgeen bij slechtere rendementen van warmtewisselaars zoveel moeite kost dat er aan de verwarmende kant van de warmtepomp te veel warmte moet worden afgevoerd (latent+soms stukje voelbaar+ alle compressorinput), zodat oververhitting dreigt.

Het systeem Hemmes kent geen oververhitting en heeft bij de gangbare buitentemperaturen zelfs zoveel minder koelvermogen nodig om de benodigde ontvochtiging van de buitenlucht te bewerkstelligen dat voor de warmtepomp een andere bron gezocht moet worden die naar behoefte kan worden gebruikt: de afblaaslucht.  Deze lucht bezit na de warmtewisselaar namelijk nog zoveel latente warmte dat hier op ideale wijze (vol condenserend) warmte aan onttrokken kan worden.

Op deze wijze kan bij hogere buitenluchtvochtigheden (hoger dan bijvoorbeeld de 4,5 gr/kg)  altijd op vol buitenlucht gewerkt worden zonder recirculatie. Ook ‘s nachts zal met verse lucht kunnen worden geventileerd. Immers ook dan moeten de reactieproducten uit het zwembad worden weggeventileerd.

In de winter (vocht lager dan 4,5 gr/kg) hoeft de ontvochtigingssectie niet te werken en kan het nog nodig zijn om, net als bij andere systemen met platenwarmtewisselaars, iets te recirculeren (of liever minder toevoeren) om een te lage vochtigheid te voorkomen.

 

Andere toepassingen voor de beschreven systemen

Er zijn veel meer specifieke ventilatietoepassingen voor alleen de ontvochtigingssectie of voor de combinatie met de tweede warmtewisselaar.

Voor archieven en musea is het een ideale ontkoppeling van vochtregeling en temperatuurregeling.

Voor maritieme airconditioning moet het terugbrengen van de hoge luchtvochtigheid tegen geringe koelkosten toch een groot voordeel zijn.

De airco in auto’s zou van de voordelen van adiabatische koeling gebruik kunnen maken zonder de watertank bij te hoeven vullen (nu is nog het wachten op het absorptiekoelmachientje op de uitlaat).

Computerruimten met waterbevochtigers zullen nog wel even op zich laten wachten, maar deze ruimten hadden toch al nauwelijks ventilatie. De ontvochter zou echter net als de stoombevochtiger een separaat apparaatje kunnen zijn zodat de ruimtekoeling bij hogere koelwatertemperaturen/verdampingstemperaturen bedreven kan worden.

Een bekroonde wasdroger met warmtepomp kan dus nog van een warmtewisselaar worden voorzien en kan dan weer genomineerd worden.

Voor koel- en vriescellen valt te denken aan een ontvochtigingssectie die op een lagere temperatuur wordt gehouden zodat hier de meeste ijsvorming optreedt. Het ontdooien kan dan gebeuren zonder dat er warmte in de cel wordt gebracht.

In de hotelairco's en raamairconditioners kunnen de ventilatie, de ontvochtiging en de koeling energetisch en regeltechnisch beter gerealiseerd worden.

En nog een stap is de kantoorventilatie-unit per stramien ingebouwd in het plafond of borstwering (we zijn immers al weer gewend aan de roosters in de gevel)

 

Verdere ontwikkeling Hemmes Ventilatie-unit

De unit als beschreven zal in de kleine uitvoering ontwikkeld kunnen worden door de HR-balansventilatie-unit te voorzien van een ontvochtigingsdeel.

Grotere luchtbehandelingskasten vergen nog een extra ontwikkelingstraject ivm de modulaire opbouw van de maximaal 50cm hoge warmtewisselaars. Een luchtbehandelingskast volgens het Hemmes systeem zal lijken op de huidige luchtbehandelingskasten echter de doorstroming zal niet via de kleinste kopse kant geschieden zoals nu maar via de grote zijkant, waarbij de lengte van de kast bepaald wordt door het aantal warmtewisselaarmodulen. Deze doorstroming door de "zijkant" resulteert in een lage snelheid in de kast.

 

Vocht in luchtbehandelingsapparaten en waterbevochtiging (toevoer en retour) staan afgezien van de corrosieperikelen in een negatief daglicht voor wat betreft legionella en andere mensbedreigende items. De adiabatische koeling van de retourlucht in combinatie met een goede warmtewisselaar leveren echter een zodanige vermogens- en energiebesparing (op koelen én verwarmen) dat deze systemen niet terzijde mogen worden geschoven.

 

 

Tot Slot

Voor de opbouw van het ventilatiesysteem met twee warmtewisselaars en een koeler voor de functies ontvochtigen vóór en ná warmteterugwinning is door ing. B.J.M. Hemmes een octrooi-aanvraag ingediend.

 

Wilt u reageren naar aanleiding van dit artikel dan kan dat op het e-mail adres: info@hemmes.info

 

Dat er meer mensen met dit soort activiteiten bezig zijn kan dan bedreigend zijn voor de uitvinder, maar is vooral hoopgevend voor een werkelijke toepassing in de nabije toekomst:

 

Prof. R. Besant   (internet    ashrae.org    feature mei 2000   heatrecovery)

          met schema in fig.2 echter zonder adiabatische koeling retourlucht

Somchai Paarporn (internet  ashrae.org    feature juni 1999   runaround loop)

          energetische berekeningen ten opzichte van de “oude amerikaanse airco” met naverwarming.

Nova luchtbehandelingskasten: schakelingen met Airsol  batterijen (twincoil+tricoil met verbeterde rendementen)