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EP-4555221-B1 - DEVICE FOR EXCHANGING THERMAL ENERGY WITH AMBIENT AIR AND HEAT PUMP WITH A DEVICE OF THIS TYPE

EP4555221B1EP 4555221 B1EP4555221 B1EP 4555221B1EP-4555221-B1

Inventors

  • SEIBOLD, ANDREAS

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230710

Claims (15)

  1. A device for exchanging thermal energy with the environmental air, comprising a heat exchanger (14; 206) through which an air flow can flow, at least one fan (20) arranged downstream of the heat exchanger, which has an impeller (42) with a blading (46) rotatable about an axis of rotation (44) for conveying the air flow through the heat exchanger (14; 206), as well as an air supply apparatus (24; 124) with at least one air inlet opening (38) for supplying the air flow from the environment to the heat exchanger (14; 206) and an air discharge apparatus (26) with at least one air outlet opening (62) for discharging the air flow from the at least one fan (20) to the environment, wherein the at least one air inlet opening (38) and the at least one air outlet opening (62) are arranged on the same side of the device (12; 102; 122; 202), and wherein the air supply apparatus (24; 124) has at least one inlet air channel (32; 126, 128; 208) opening into the heat exchanger (14; 206) which runs along an inlet surface (34; 130, 132) of the heat exchanger (14; 206) and continuously tapers along the inlet surface (34; 130, 132), and wherein the flow outlet cross-section of the at least one air outlet opening (62) defining the outlet rate of the air flow is smaller than the flow inlet cross-section of the at least one air inlet opening (38) defining the inlet rate of the air flow, characterised in that at least one fan (20) is designed as an axial fan (22) to which an outflow housing (52) is assigned which accepts the air flow conveyed by the axial fan (22) on the outflow side and which has a housing outlet opening (54) through which the air flow can flow in the tangential direction with regard to a swirl motion imparted to the air flow under the action of the rotating blading (46) of the impeller (42) of the axial fan (22), and in that the outflow housing (52), axially offset from the impeller (42) and from a motor (41) of the axial fan (22) rotatably driving the impeller (42) about the axis of rotation (44), forms an air acceptance space (45) which accepts the conveyed air flow over the complete cross-section of the impeller (42) and the motor (41) and is penetrated by the axis of rotation (44), wherein the outflow housing (52), in a rear view, covers the impeller (42) and the motor (41) in a hoodlike manner and the housing outlet opening (54), in a rear view of the outflow housing (52), is arranged over half of the blading (46), wherein the blading (46) rotates towards the housing outlet opening (54) on this half.
  2. The device according to claim 1, characterised in that the flow outlet cross-section of the at least one air outlet opening (62) defining the outlet rate of the air flow is at most 0.8 times the flow inlet cross-section of the at least one air inlet opening (38) defining the inlet rate of the air flow.
  3. The device according to claim 1 or 2, characterised in that the heat exchanger (206) is designed to be plate-shaped.
  4. The device according to claim 1 or 2, characterised in that the heat exchanger (14) is designed to be L-shaped and has a first leg (16) and a second leg (18).
  5. The device according to claim 4, characterised in that the inlet air channel (32) runs over both legs (16, 18) of the heat exchanger (14).
  6. The device according to claim 4, characterised in that the device (122) has two inlet air channels (126, 128) which each run over one of the two legs (16, 18).
  7. The device according to claim 4, 5 or 6, characterised in that the axis of rotation (44) of the fan (20) is inclined towards the surface normal (48) of one of the two legs (16, 18) in the direction of the other leg (16, 18).
  8. The device according to claim 7, characterised in that the two legs (16, 18) of the heat exchanger (14) are of different lengths and the axis of rotation (44) is inclined towards the surface normal (48) of the longer leg (16) in the direction of the shorter leg (18).
  9. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the axis of rotation (44) of the at least one fan (20) is inclined towards a surface normal of the heat exchanger (14) in the direction of an end region of an inlet air channel (32; 126, 128).
  10. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the at least one inlet air channel (32; 126, 128; 208) tapers in a wedge-shaped manner along the inlet surface (34; 130, 132) of the heat exchanger (14; 206; 254).
  11. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the device (122) has two axial fans, each of which is assigned an outflow housing (210, 212) which accepts the air flow conveyed by the respective axial fan, wherein the housing outlet openings (214, 216) of the outflow housings (210, 212) open into a common air outlet channel (218) of the air discharge apparatus (26).
  12. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that an air inlet channel (28; 134, 138) is arranged upstream of the at least one inlet air channel (32; 126, 128) and an air outlet channel (56; 170; 218) is arranged downstream of the at least one fan (20).
  13. The device according to claim 12, characterised in that the air discharge apparatus (26) has a silencer (148), wherein the silencer (148) is designed as a background silencer (150) which has a housing (152), wherein several spaced apart backgrounds (162) are arranged between two opposite side walls (154, 156) of the housing (152) at a distance to the side walls (154, 156), wherein the outflow crosssections between the backgrounds (162) and between the backgrounds (162) and the side walls (154, 156) in their entirety form the flow outlet cross-section defining the outlet rate of the air flow.
  14. The device according to any one of the preceding claims, characterised in that the air discharge apparatus (26) has a first diffusor (172) for widening the air flow with an opening angle of at most 8°, wherein the outlet cross-section of the first diffusor (172) forms the flow outlet cross-section defining the outlet rate of the air flow.
  15. The device according to claim 14, characterised in that a second diffusor (174), which is adapted for forming a free jet, is arranged downstream of the first diffusor (172).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft, umfassend einen von einem Luftstrom durchströmbaren Wärmetauscher, mindestens einen stromabwärts des Wärmetauschers angeordneten Ventilator, der ein um eine Drehachse drehbares Laufrad mit einer Beschaufelung aufweist zum Fördern des Luftstroms durch den Wärmetauscher hindurch, sowie eine Luftzuführungseinrichtung mit mindestens einer Lufteintrittsöffnung zum Zuführen des Luftstroms aus der Umgebung zum Wärmetauscher und eine Luftabführungseinrichtung mit mindestens einer Luftaustrittsöffnung zum Abführen des Luftstroms von dem mindestens einen Ventilator an die Umgebung, wobei die mindestens eine Lufteintrittsöffnung und die mindestens eine Luftaustrittsöffnung auf derselben Seite der Vorrichtung angeordnet sind. Außerdem betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe mit einer derartigen Vorrichtung. Vorrichtungen der eingangs genannten Art kommen beispielsweise bei Klimaanlagen und Wärmepumpen zum Einsatz, wobei der Wärmetauscher als Verdampfer zur Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft oder als Verflüssiger zur Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebungsluft fungieren kann. Wärmepumpen werden häufig außerhalb von Gebäuden oder auch in Kellerräumen positioniert. Die Aufstellung außerhalb von Gebäuden ist allerdings mit einem entsprechenden Platzbedarf verbunden, und die Aufstellung in Kellerräumen erfordert lange Zuluft- und Abluftkanäle, die mit entsprechenden Strömungsverlusten des Luftstroms verbunden sind, durch die die Energieeffizienz der Wärmepumpen beeinträchtigt wird. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, werden Wärmepumpen häufig außerhalb von Gebäuden im Erdreich versenkt oder innerhalb von Gebäuden an einer Außenwand aufgestellt. Dies erfordert allerdings eine kompakte Ausgestaltung der Wärmepumpen und bedingt die Positionierung der mindestens einen Lufteintrittsöffnung und der mindestens einen Luftaustrittsöffnung auf derselben Seite der Wärmepumpe, wobei die Gefahr einer Rückströmung des aus der mindestens einen Luftaustrittsöffnung herausströmenden Luftstroms zu der mindestens einen Lufteintrittsöffnung besteht, sodass sich ein thermischer Kurzschluss ausbildet und folglich die Energieeffizienz ebenfalls beeinträchtigt wird. Aus der JP S57 70029 U ist eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 bekannt. Aus der KR 100 540 272 B1 ist eine Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie mit der Umgebungsluft bekannt, bei der ein Axialventilator zum Einsatz kommt, der einer Luftaustrittsöffnung unmittelbar vorgelagert ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sie eine verbesserte Energieeffizienz aufweisen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Luftstrom dem Wärmetauscher über mindestens einen Zuluftkanal zugeführt, der in den Wärmetauscher mündet, wobei er sich entlang einer mit dem Luftstrom beaufschlagbaren Eintrittsfläche des Wärmetauschers erstreckt und sich entlang der Eintrittsfläche kontinuierlich verjüngt. Durch den sukzessiven Eintritt des Luftstroms in den Wärmetauscher verringert sich innerhalb des Zuluftkanals der Volumenstrom des Luftstroms in Strömungsrichtung entlang der Eintrittsfläche. Um den sich stetig abnehmenden Volumenstrom zu kompensieren, verjüngt sich der mindestens eine Zuluftkanal entlang der Eintrittsfläche in Strömungsrichtung kontinuierlich. Dies hat zur Folge, dass der Luftstrom mit praktisch konstanter Strömungsgeschwindigkeit unter Vermeidung von Totstellen über die gesamte Eintrittsfläche geleitet wird, sodass die die Energieeffizienz beeinträchtigenden Strömungsverluste geringgehalten werden können. Die Ausleitung des Luftstroms an die Umgebung erfolgt über mindestens eine Luftaustrittsöffnung, die auf derselben Seite der Vorrichtung wie die mindestens eine Lufteintrittsöffnung angeordnet ist. Um eine Rückströmung des Luftstroms von der mindestens einen Luftaustrittsöffnung zu der mindestens einen Lufteintrittsöffnung zu vermeiden, ist der die Austrittsgeschwindigkeit des Luftstroms definierende Strömungsaustrittsquerschnitt der mindestens einen Luftaustrittsöffnung kleiner als der die Eintrittsgeschwindigkeit des Luftstroms definierende Strömungseintrittsquerschnitt der mindestens einen Lufteintrittsöffnung. Der kleinere Strömungsaustrittsquerschnitt hat eine Austrittsgeschwindigkeit des Luftstroms zur Folge, die größer ist als die Eintrittsgeschwindigkeit des Luftstroms. Dadurch wird einer Rückströmung des Luftstroms und somit einem die Energieeffizienz beeinträchtigenden thermischen Kurzschluss entgegengewirkt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich folglich durch eine hohe Energieeffizienz aus, wobei Strömungsverluste geringgehalten werden können und praktisch keine Mischung des austret