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Verfahren und Anordnung zur Klimatisierung eines Raumes durch Zuführung oder Entzug von Wärme grösstenteils im Strahlungsaustausch Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Klimatisierung eines zum Aufenthalt von Personen dienenden Raumes durch Zuführung oder Entzug von Wärme grösstenteils im Strahlungsaustausch. Dabei werden einerseits die Strahlungstemperaturen im Raum homogenisiert und nach den verschiedenen Richtungen hin ausgeglichen und anderseits die für die Behaglichkeit massgebende und für den Grundumsatz des Menschen wirksame Umgebungstemperatur automatisch innerhalb der Behaglichkeitszone gehalten.
Bei der bisherigen Klimatisierung von Wohn- und Arbeitsräumen ist im allgemeinen nicht Rücksicht genommen worden auf den Umstand, dass die Umfas- sungswände der Räume im Spektralbereich der Temperaturstrahlung von 300 K nahezu wie schwarze Körper Strahlung aussenden und empfangen. Zufolge unterschiedlicher Temperatur der Fenster, Aussen- und Innenwände des Raumes geben .die Rauminsassen ihre im Grundumsatz erzeugte Wärme in Form von Strahlung nicht in gleichem Masse nach den verschiedenen Richtungen des Raumes ab.
So macht sich im Winter eine einseitige Abkühlung in Richtung der Fenster und kälteren Aussenwände und im Sommer eine einseitige Erwärmung durch die Einstrahlung des Sonnen- und Himmelslichtes auch noch bei Abblendung durch Innenstoren unangenehm bemerkbar. Diese Erscheinung wird erfahrungsgemäss häufig an Gebäuden beanstandet, die in moderner Leichtbauweise mit verhältnismässig dünnen Wänden aufgeführt und mit grossen Fenstern ausgerüstet sind. In der Tat ist sie hier besonders auffällig, nicht nur wegen der Grösse der Temperaturunterschiede, sondern auch, weil die grossen, das Raumklima wesentlich mitbestimmenden Fensterflächen und Aussenwände jeder Schwankung der Aussentemperatur und der Himmelsstrahlung nahezu unmittelbar folgen.
Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die im Raum beobachtete Inhomogenität der Strahlungstemperatur durch Bekleiden sämtlicher Begrenzungsflächen mit strahlungsreflektierenden Tapeten zu beseitigen. Diese Massnahme führt aber dazu, dass die Strahlungstemperatur im Raum in einem unerträglichen Masse von der wechselnden Einstrahlung des Himmelslichtes abhängig wird.
Mit der modernen Leichtbauweise ist ohnehin schon die ausgleichende Wirkung sowohl für jahreszeitliche wie für kurzzeitige Schwankungen der Aussentemperatur, die den früheren Gebäuden mit massiven Steinwänden eigen war, beinahe gänzlich verlorengegangen. Aus diesem Grunde müssen heute an die Regelfähigkeit der Klimaanlage sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Da die modernen Gebäude zudem meistens mit übermässig grossen Fenstern ausgestattet sind, bereitet die wechselnde Sonnenbestrahlung der Aussenfronten der Raumklimatisierung heute grosse Schwierigkeiten.
Bei einer Klimatisierung mit Radiatoren, Klimakonvektoren oder Lüftungsanlagen zur Luftkonditionierung musste bisher immer als grundsätzlicher Nachteil in Kauf genommen werden, dass im Winter die Lufttemperatur höher als die Strahlungstemperatur der Wände ist und im Sommer die Wärmebelastung infolge des Strahlungseinfalles durch die Fenster nur ungenügend ausgeglichen werden kann. Im Winter erhält man auf diese Weise ein Klima, das eher erschlaffend als tätigkeitsanregend wirkt, weil die zusätzliche Wärme, die der Mensch bei körperlicher Arbeit erzeugt, mit der Bewegung nicht in dem gewünschten Masse an die zu warme Raumluft abgeführt wird.
Im Sommer müsste hingegen bei ausreichender Kompensation der Wärmebelastung, die mit dem Strahlungseinfall durch das Fenster gegeben ist,
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die Luft so stark .gekühlt werden, dass der dem Fenster abgewendeten Seite des Körpers zu viel Wärme entzogen wird.
Aus diesem Grunde kann höheren Komfortansprüchen nur mit einer Strahlungsklimatisierung entsprochen werden, die die einseitige Strahlungsbelastung ausgleicht oder kompensiert und zugleich die Möglichkeit bietet, im Winter die Lufttemperatur tiefer als die Strahlungstemperatur zu halten.
Mit den derzeitig üblichen Verfahren einer Strah- lungsheizung bzw. Strahlungskühlung durch schwach temperierte Flächen werden allerdings diese Forderungen noch nicht erfüllt, weil die temperierten Flächen nicht im Strahlungsgleichgewicht mit den übrigen Begrenzungsflächen des Raumes stehen. Auch kranken diese Verfahren daran, dass bei ihnen vorübergehende Wärme- bzw. Abkühlungsbelastungen mit der Regelung der temperierten Fläche auf konstante Temperatur noch nicht so weit automatisch ausgeglichen werden, wie dies zur Aufrechterhaltung eines behaglichen Raumklimas notwendig wäre. Dazu müsste nämlich, z.
B. bei plötzlichem Einfall von Sonnenlicht, die gesamte Energie der einfallenden Strahlung nur von der temperierten Fläche selbst und nicht von anderen Flächen absorbiert werden, die sich durch die Bestrahlung erwärmen.
Alle diese Mängel der bekannten Klimatisierungs- verfahrren werden mit der Erfindung behoben. Sie besteht darin, dass den im Raum sich aufhaltenden Personen Strahlungswärme - sowohl direkt, wie auf dem Wege ein- oder mehrfacher, vorzugsweise diffuser Reflexion an reflektierenden Schichten der Begrenzungsflächen des Raumes - zum überwiegenden Teil durch eine als Quelle oder Senke wirkende Strahlungsfläche zugeführt oder entzogen wird, deren Strahlungstemperatur auf einem konstanten Wert im Bereich von 30 C bis 10 C (= 303 K bis 283 K) gehalten wird, und dass gleichzeitig die Luft im Raum überall nahezu im Gleichgewichtszustand, das heisst in bewegungslosem Zustand, gehalten wird.
Mit der Anordnung gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass eine zur Zu- oder Abführung von Wärme dienende Fläche mit einem Emissionsvermögen ausgebildet wird, das annähernd den Wert 1 erreicht, dass diese Fläche grösser als die nicht abgeschirmte Fensterfläche ist, dass zur Konstanthaltung der Temperatur dieser Strahlungsfläche im Bereich von 30 bis 10 C (= 303 K bis 283 K) eine Heiz- bzw.
Kühlanlage mit Regeleinrichtung vorgesehen ist, und dass schliesslich der grösste Teil der nicht temperierten Begrenzungsflächen des Raumes, welcher abweichende Oberflächentemperaturen aufweist, mit einer Schicht versehen ist, welche die Strahlung des angegebenen Temperaturbereiches im Vergleich zur Strahlungsfläche nur geringfügig emittiert und stark reflektiert.
Unter der Wärmeeindringzahl wird das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität pro Masseneinheit verstanden. Sie ist ein Mass dafür, wie stark eine Fläche bzw. eine Wand den Wärmeinhalt des Raumes mitbestimmt und welche Energiemenge sie dem Raum bei abweichender Temperatur entzieht bzw. zuführt, um sie entweder abzuleiten oder in sich zu speichern bzw. dem Raum zuzuführen.
Wände grosser Wärrneeindringzahl wirken also, sofern sie nicht besonders gut nach aussen isoliert sind, im Winter als Eisberge und im Sommer als Glutofens>. Werden diese Wände aber raumseits mit Schichten versehen, die mindestens im Wellenlängenbereich von 3,5 ... 35/r nur ein geringes Emissionsvermögen aufweisen, so spielt ihre Oberflächentemperatur für die von ihnen ausgehende Strahlung nur noch eine untergeordnete Rolle, weil sie im wesentlichen die Strahlung reflektieren, die ihnen von selten der temperierten Strahlungsfläche und von selten des Fensters zugestrahlt wird.
Um die Temperatur der von ihnen reflektierten Strahlung möglichst unabhängig von der wechselnden Belastung des Raumes durch die Himmelsstrahlung zu machen, wird gemäss der Erfindung der als Strahlungsquelle ausgebildete Teil der Begrenzungsflächen grö- sser als die nicht abgeschirmte Fensterfläche gemacht.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dienen dem gleichen Zweck an den nicht temperierten Wänden und vor dem Fenster ausgespannte dünne Polyäthylen- oder Polyesterfolien, auf deren Rückseite in dünner Schicht ein Metall, wie z. B. Gold, Platin oder Nickel etwa durch Verdampfen aufgebracht ist, welches in dünner Schicht sichtbares Licht und zum Teil auch kurzwellige ultrarote Strahlung noch teilweise durchlässt, die Temperaturstrahlung von 300 K aber nahezu hundertprozentig reflektiert. Da dünne Polyäthylen- und Polyesterfolien im gesamten von 0,4/c bis 35/1 reichenden Spektrum transparent sind, bleibt diese Eigenschaft der dünnen Metallschicht auch dann noch erhalten, wenn sie durch den Poly- äthylen- oder Polyesterfilm getragen und geschützt ist.
Somit lässt die raumseits vor dem Fenster ausgespannte Schicht zwar die das Fenster durchdringende Himmelsstrahlung mit einem kurzwellig ultraroten Anteil in den Raum eindringen, aber nicht die Temperaturstrahlung des Fensterglases. Die in den Raum einfallende, sichtbare, kurzwellige, ultrarote Strahlung erwärmt zwar die beschichteten Wände infolge teilweiser Absorption durch die hinter der Schicht angebrachte Wandfarbe, aber diese erwärmten Wände strahlen praktisch nicht in den Raum zurück. Dies hat zur Folge, dass dem Raum eine homogene und nach allen Richtungen ausgeglichene Strahlungstemperatur aufgezwungen wird, die im wesentlichen durch die Temperatur der künstlich temperierten Strahlungsfläche bestimmt ist.
Wenn daher durch# Zu- oder Abführung von Wärme die Temperatur der Strahlungsfläche auf einem konstanten Wert gehalten wird, so nimmt diese Strahlungsfläche sofort automatisch die überschüssige Energie einer plötzlich einfallenden Sonnenstrahlung auf, ohne dass dazu die Temperatur des wärmeträgen Rohrsystems der Klimaanlage gesenkt werden müsste.
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Das erfindungsgemässe Verfahren hat somit vor den bekannten Klimatisierungen folgende Vorteile: Die Selbstregulierung auf konstante Strahlungstemperatur ist optimal und bei schnell veränderlicher Sonneneinstrahlung momentan wirksam. Es ist nicht mehr erforderlich, dass das Heiz- bzw. Kühlsystem der Klimaanlage eine besonders geringe Wärmekapazität besitzt.
Das Strahlungstemperaturfeld ist homogen und nach allen Richtungen ausgeglichen.
Als weitere Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind anzuführen, dass die Anheiz- und Abkühlzeit nicht unwesentlich verkürzt ist, und dass ein bedeutender Teil der bei den bekannten Klirnatisie- rungsverfahren erforderlichen Heiz- und Kühlleistung eingespart wird.
Dies erklärt sich daraus, dass mit Ausnahme der Strahlungsfläche die Begrenzungsflächen des Raumes nicht mehr temperiert werden müssen. Die Einsparung von Heiz- bzw. Kühlleistung ist darüber hinaus dem Umstand zu verdanken, dass die vor dem Fenster angebrachte Reflexionsschicht eine Ausstrahlung des Raumes gegen das kalte Fenster verhindert, bzw. die Temperaturstrahlung des wärmeren Fensters vom Raum abgeschirmt ist.
Der Erfindung liegt im übrigen die Erkenntnis zugrunde, dass der menschliche Körper in einem Raum mit ruhender Luft und stabiler Luftschichtung seine Wärme zum grösseren Teil durch Abstrahlung nach den kühleren Wänden und zum kleineren Teil durch Luftkonvektion an die kühlere Raumluft abgibt.
In der von Winslow, Herrington und Gagge aufgestellten Formel
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welche die für den Grundumsatz des Menschen wirksame Umgebungstemperatur T" durch die Strahlungstemperatur T, und die Raumlufttemperatur TL bestimmt, kommt dies darin zum Ausdruck, dass der Strahlungsleitwert KT im zugfreien kaum mit ausgeglichener Strahlungstemperatur grösser ist als der Konvektionsleitwert K, In behaglicher Umgebung, in welcher der Körper weder eine Wärmestauung noch eine Abkühlung erleidet, ist nach einer genaueren Untersuchung folgende Beziehung zwischen der in Celsiusgraden ausgedrückten Strahlungstemperatur t,
und der Raumlufttemperatur tL erfüllt: t, = A (20 C - tL) + (19 2) C. Hierbei ist die Grösse A eine Konstante, die bei ruhender Luft etwa den Wert 0,14 und bei mit 0,09 rn s in horizontaler Richtung strömender Luft etwa den Wert 0,40 hat. Gemäss dieser Beziehung kann z. B. im Winter bei einer Raumlufttemperatur von + 10 C ein als erfrischend empfundenes, behagliches Raumklima mit einer Strahlungstemperatur von nur 20,5 C bzw. 23,0 C erzielt werden. Anderseits kann im Sommer z. B. bei einer Raumlufttemperatur von 30 C das Hitzegefühl bereits mit einer Strah- lungstemperatur von 17,8 C bzw. 15,0 C beseitigt werden.
Nun weicht aber, wie schon erwähnt, bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Oberflächentemperatur der als Strahlungsquelle ausgebildeten Fläche nur wenig von der Strahlungstemperatur t, ab. Daher kann dem Raum die notwendige Heiz- bzw. Kühlleistung bereits bei so mässiger Temperierung der strahlenden Fläche zugeführt werden, dass es nun ohne weiteres, das heisst ohne eine zusätzliche Klimatisierung, möglich ist, Fussbodenheizung bzw. Fussbodenkühlung anzuwenden. Bei der bekannten Strahlungsheizung ist eine solche Möglichkeit nicht gegeben, weil die strahlende Fläche während einer Kälteperiode im Winter bis auf 35 C erwärmt werden muss und bei dieser Temperatur die Wärmeabführung von den Füssen unzureichend wäre.
Für das erfindungsgemässe Verfahren hat die Möglichkeit der Wiedereinführung einer Fussbodenheizung bzw. -kühlung aber besondere Bedeutung, denn der Fussboden ist gerade derjenige Teil der Raumbegrenzungsflächen, bei welchen der Forderung nach einem geringen Emissionsvermögen auf die Dauer praktisch nur sehr schwer entsprochen werden kann. Anderseits hat jeder Fussboden im Spektralbereich der Temperaturstrahlung von 300 K ein sehr hohes Emissionsvermögen, und es brauchen daher bei. Fussbodenheizung keine weiteren Vorkehrungen am Fussboden getroffen zu werden.
Grundsätzlich ist die Differenz zwischen Strahlungstemperatur ts und Raumlufttemperatur tL mit einer zusätzlichen Lüftungsklimatisierung frei wählbar. Aber auch, wenn ausschliesslich eine Strahlungsklimatisierung mit mässig temperierten Kühl- oder Heizflächen vorgenommen wird, weichen Strahlungstemperatur und Lufttemperatur unter Umständen stark voneinander ab, und zwar liegt im Sommer besonders bei Fussbodenkühlung die Lufttemperatur unter Umständen weit über der Strahlungstemperatur und im Winter besonders bei Deckenheizung die Lufttemperatur unter Umständen beträchtlich unter der Strahlungstemperatur,
weil in diesen beiden Fällen meist die Oberflächentemperaturen der senkrechten Wände nach oben zunehmen und keine Konvektion in der stabil geschichteten Luft möglich ist. Daher genügt die erfindungsgemässe Strahlungsklimatisierung im Winter auch ohne zusätzliche Lüftungsklimatisie- rung erhöhten Komfortansprüchen, indem sie ein als erfrischend empfundenes behagliches Klima schafft, bei welchem auch der körperlich arbeitende Mensch seine zusätzlich erzeugte Wärme mit der Bewegung durch Konvektion an die kühlere Luft abführen kann.
Wo durch einseitige Abkühlung des Raumes seitens der Fenster und Aussenwände dieser stabile Gleichgewichtszustand der Luftschichtung aufgehoben ist, muss durch besondere Massnahmen zur Reduzierung der Luftkonvektion verhindert werden, dass der menschliche Körper durch Luftzug eine allgemein als unangenehm empfundene einseitige Abkühlung erfährt.
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Hierfür empfiehlt es sich, die Lufttemperatur und die Oberflächentemperatur der das Fenster sowie die Aussenwände des Raumes raumseitig bedeckenden, reflektierenden Schichten in einem solchen Masse einander anzugleichen, dass die verbleibende Luftkonvektion eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m,'s nicht übersteigt.
Die Luftkonvektionen können aber auch durch Ausspannen von Folien unterbunden werden, welche die Temperaturstrahlung von 300 K nur wenig geschwächt durchlassen. Insbesondere können auf diese Weise kalte Teile der Decke unschädlich gemacht werden. Man trennt dann die Luft unter der ganzen Decke oder auch nur unter dem kalten Teil der Decke mit einer luftundurchlässigen Schicht ab, die im Spektralbereich der Temperaturstrahlung von 300 K transparent ist.
Dem Abfall kalter Luft an Fenstern und Aussenwänden kann schliesslich noch mit zusätzlichen, unter dem Fenster bzw. an der Fussbodenleiste angebrachten Heizquellen begegnet werden, deren Strahlung durch einen Reflektor vornehmlich gegen das Fenster bzw. die Wand gerichtet wird und daher diese unter einem verhältnismässig kleinen Einfallwinkel trifft. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zusätzlichen Heizquellen vornehmlich eine kurzwellige ultrarote Strahlung aussenden, weiche von der das Fenster raumseitig bedeckenden Schicht bzw. von der an der Wand angebrachten Schicht merklich absorbiert wird und aus diesem Grunde die Schicht erwärmt.