Kellerbelüftung mit Wärmerückgewinnung

Vorüberlegungen

Ich möchte eine Lüftungsanlage mit Wärmetauscher für meinen Keller bauen, die folgende Anforderungen erfüllen soll:

  • Absenkung der relativen Luftfeuchtigkeit
  • Verbesserung der Luftqualität
  • Energieeinsparung

Die Kosten für das ganze Projekt sollen inkl. Steuerung durch einen Mikrocontroller 100,00€ – 200,00€ nicht übersteigen. Die Materialien muss es nach Möglichkeit im Baumarkt geben. Was es dort nicht gibt, bei Ebay.

Damit man sich vorstellen kann, was ich vorhabe, ist hier ein Foto des Kellerraums, in dem die Anlage eingebaut werden soll:

kellerraum

Der Wärmetauscher soll sich an der Wand oberhalb der Regale und des Schreibtisches über die komplette Länge von vier Metern ausdehnen. Der Grund ist folgender: Links hinter der Wand befindet sich ein innen liegendes Badezimmer ohne Lüftungsmöglichkeit und rechts hinter der Außenwand ein Lichtschacht.

Meine Idee: Ein Standard-Gegenstrom-Rohr-Wärmetauscher wie aus dem Thermodynamik-Lehrbuch, über 4m Länge und aus Abwasserrohren gebaut.

Gegenstrom-Wärmeübertrager

Gegenstrom-Wärmeübertrager

Funktioniert denn ein Wärmetauscher aus Kunststoff überhaupt? Ich muss also erst einmal eine grundlegende Berechnung anstellen.

Grundlegende Berechnung

Die wichtigste Frage, die die zuerst beantwortet werden muss ist, ob es überhaupt sinnvoll ist, einen Wärmetauscher aus Kunststoff zu bauen. In den folgenden Berechnungen wird Polypropylen, das Material aus dem die grauen Abwasserrohre sind, mit Kupfer, als Material mit der besten mir bekannten Wärmeleitfähigkeit (das sich auch noch preiswert besorgen und verarbeiten läßt) verglichen.

Kennzahlen und Rechenwerte

Grundlegende Werte mit denen gerechnet wird:

Wärmeleitfähigkeiten (Wikipedia):
\lambda_{Cu}=400W/(m\cdot K)
\lambda_{PP}=0,23W/(m\cdot K)
\lambda_{Luft}=0,0261W/(m\cdot K)

Dichte von Luft (Wikipedia, T₁₅):

\rho=1,225kg/m^3

Prandtl-Zahl für Luft (Wenger Engineering, 1bar, T₁₅):
Pr=0,71

Dynamische Viskosität für Luft (Wikipedia):
\eta=1,51\cdot10^{-5}kg/m\cdot s

Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher

Nun berechnen wir die Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher

Ich habe mich bereits für den Papst DC-Axiallüfter 8412 NGLE entschieden. Er macht in meinem Keller mit 100m³ Volumen acht vollständige Luftwechsel am Tag. Dieser lässt sich sehr gut mit einem HT-Rohr DN 75 kombinieren.

Die Strömungsgeschwindigkeit im inneren Rohr:

A=\frac{\pi}{4} \cdot d^2=\frac{\pi}{4} \cdot (0,075m-2\cdot0,0019m)^2=0,00398m^2
c= \frac{\dot V}{A}= \frac{33m^3}{h\cdot 0,00398m^2}=\frac{33m^3\cdot h}{h\cdot 0,00398m^2\cdot3600s}=2,3m/s

Die Strömungsgeschwindigkeit im Kreisring zwischen innerem und äußerem Rohr:
A=\frac{\pi\cdot(D^2-d^2)}{4} =\frac{\pi\cdot((0,11m-2\cdot0,0027m)^2-0,075m^2)}{4}=0,004175m^2
c=\frac{\dot V}{A}= \frac{33m^3}{h\cdot 0,004175m^2}=\frac{33m^3\cdot h}{h\cdot 0,004175m^2\cdot3600s}=2,2m/s

Reynoldszahl

einschreiben verfolgungUm für die weiteren Brechnungen zu beurteilen, ob eine laminare oder turbulente Strömung vorliegt, wird die Reynodszahl herangezogen. Diese ist dimensionslos.

\rho: Dichte
v: Strömungsgeschwindigkeit
d: charakteristische Länge (in diesem Fall Rohrdurchmesser)
\eta: dynamische Viskosität

Re=\frac{\rho\cdot\nu\cdot L}{\eta}=\frac{1,225kg/m^3\cdot2,3m/s\cdot0,07458m}{0,000017kg/m\cdot s}=12360

-> Die Strömung ist turbulent (2300<Re).

Nußelt-Zahl

Die Nußelt-Zahl wird benötigt um die Wärmeübergangszahl zu berechnen. Sie beschreibt den konvektiven Wärmeübergang zwischen einer festen Oberfläche und einem Fluid. Wie die Reynoldszahl ist diese dimensionslos.

Dafür wird aber erst die Wiederstandszahl benötigt, die sich bei turbulenter Rohrströmung so berechnet:
\xi=[1,8\cdot log(Re_{d_i})-1,5]^{-2}=[1,8\cdot log(12360)-1,5]^{-2}=0,29065

Jetzt die Nußelt-Zahl:
{Nu}_{di,turb}=\frac{(\xi/8)\cdot Re_{d_i}\cdot Pr}{1+12,7\cdot\sqrt{\xi/8}\cdot(Pr^{2/3}-1)}\cdot f1\cdot f2

Hier muss iteriert werden. Daher wird f2 zunächst als 1 angenommen, f2 wie folgt berechnet:
f_1=1+(d_i/l)^{2/3}=1+(0,0712m/4m)^{2/3}=1,068173

Damit wird die Nußelt-Zahl:
{Nu}_{di,turb}=\frac{(0,29065/8)\cdot 12360\cdot Pr}{1+12,7\cdot\sqrt{0,29065/8}\cdot(0,71^{2/3}-1)}\cdot 1\cdot 1,068173=67,3

Wärmeübergangszahl

Berechnung der Wärmeübergangszahl:
\alpha=\frac{\lambda_{Luft}\cdot Nu}{d_i}=\frac{0,0261W/(m\cdot K)\cdot 67,3}{0,0712m}=24,670\frac{W}{m^2\cdot K}

Wärmedurchgangszahlen

Letztendlich können wir die Wärmedurchgangszahlen von Kupfer und Polypropylen berechnen:

d: Schichtdicke

U_{Cu}=\frac{1}{\frac{1}{\alpha}+\frac{d}{\lambda_{Cu}}+\frac{1}{\alpha}}=\frac{1}{\frac{1}{24,670}+\frac{0,0019}{400}+\frac{1}{24,670}}=12,334\frac{W}{m^2\cdot K}
U_{PP}=\frac{1}{\frac{1}{\alpha}+\frac{d}{\lambda_{PP}}+\frac{1}{\alpha}}=\frac{1}{\frac{1}{24,670}+\frac{0,0019}{0,23}+\frac{1}{24,670}}=11,194\frac{W}{m^2\cdot K}

Fazit

Das Ergebnis ist eindeutig. Das Material des Wärmetauschers spielt keine große Rolle. Wichtiger sind Fläche des Wärmetauchers, sowie Materialdicke und Geometrie.

Konstruktion des Wärmetauschers

Der Grundkörper des Wärmetauschers wird aus einem Abwasserrohr DN75 innen und DN110 außen bestehen. Die Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher ist damit im inneren Rohr ungefähr gleich groß wie im Ringspalt zwischen innerem und äußerem Rohr, da ich die Luft durch das innere Rohr aus dem Gebäude raus und durch das äußere Rohr in das Gebäude hinein führen möchte.

Abwasserrohr als Wärmetauscher

Hier sind einmal die Unterschiede zwischen HT-Rohr (grau) und KG-Rohr(braun) aufgeführt:

KG-Rohr HT-Rohr
Material PVC PP
Brennbarkeit hoch schwerer entflammbar als PVC
Verwendung Kanal-Grundleitungsrohr Innerhalb Gebäude
Temperaturbeständigkeit < 65° C < 110° C

Ich werde HT-Rohre verwenden. Das äußere Rohr wird mit Glas- oder Steinwolle von 10cm Dicke gedämmt. Das ganze kommt dann in einen Kasten aus Rigips, welcher unter der Decke befestigt wird.

Papst DC-Axiallüfter 8412 NGLE

8412NGLE

Diesen Lüfter kostet zur Zeit ca. 13-14 €. Ich habe mich für dieses Modell entschieden, da er sehr leise ist (12dB), eine lange Lebensdauer hat (80.000h = 9 Jahre), eine geringe Leistungsaufnahme(0,5W), gegen Feuchte und Spritzwaser geschützt ist und vielfältige Steuer- und Signalisierungsmöglichkeiten bietet.

Technische Beschreibung (Quelle: www.ebmpapst.com)

Allgemeine Beschreibung Besonderheiten: Kugellager und Gleitlager verfügbar. Einige Modelle für Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen bis 85 °C geeignet. Allgemeine Eigenschaften: Material: Glasfaserverstärkter Kunststoff. Lüfterrad PA, Gehäuse PBT. Elektronische Kommutierung vollständig integriert. Geschützt gegen Verpolung und Blockieren. Anschluss über Einzellitzen AWG 24, TR 64, isoliert und verzinnt. Über Stege blasend. Drehrichtung auf Rotor gesehen links. Masse: 95 g.
Masse 0.095 kg
Abmessungen 80 x 80 x 25 mm
Material Laufrad glasfaserverstärkter Kunststoff PA
Material Gehäuse glasfaserverstärkter Kunststoff PBT
Förderrichtung über Stege blasend
Drehrichtung links, auf Rotor gesehen
Lagerung ~Sintec-Gleitlager
Lebensdauer L10 bei 40 °C 80000 h
Lebensdauer L10 bei max. Temperatur 27500 h
Anschlussleitung Einzellitzen AWG 24, TR 64, abisoliert und verzinnt.
Motorschutz Geschützt gegen Verpolung und Blockieren.
Blockierschutz Blockier- und Überlastschutz
Zulassung VDE, CSA, UL, CE

Nenndaten (Quelle: www.ebmpapst.com)

Nennspannung VDC 12
Nennspannungsbereich VDC 8 .. 15
Drehzahl min-1 1500
Leistungsaufnahme W 0,5
Min. Umgebungstemperatur °C -20
Max. Umgebungstemperatur °C 85
Volumenstrom m3/h 33
Schallleistungspegel B 3,5
Schalldruckpegel dB(A) 12

Eigenschaften (Quelle: www.ebmpapst.com)

Tachosignal
Go / No Go Alarm
Alarm mit Grenzdrehzahl
Externer Temperatursensor
Interner Temperatursensor
PWM Steuereingang
Analoger Steuereingang
Feuchteschutz
IP 54

Arduino UNO zur Steuerung

arduino1

arduino2

Veröffentlicht von

Roland

Roland

Hallo, Ich bin Roland. Ich habe das hier verzapft.