Im Zusammenhang mit den Bemühungen um Verbesserung des Arbeitsmilieus in Büro- und Geschäftsräumen, wie auch in gewissen Industrieräumen, führt man, auch in Gegenden mit gemässigtem Klima, in wachsendem Umfang Luftbehandlung ein, die auch das Kühlen der zugeführten Luft mit Hilfe von Kühlmaschinen umfasst. In grösseren Geschäfts- und Bürohäusern, z.B. in Schweden, beispielsweise kommt es nur in verhältnismässig seltenen Ausnahmefällen vor, dass die Installationen keine künstliche Kühlung einschliessen.
Durch diese Form von Kühlung entstehen bedeutende Kosten. Die Anlagekosten werden nicht nur durch die eigentlichen Kühlmaschinen belastet, hinzu kommen auch Kosten für Einrichtungen zur Kondensatorkühlung, also Kühltürme oder entsprechende Anordnungen, Leitungssysteme für Kühlmittel und gewöhnlich auch Kälteträger sowie Batterien für Kühlung der Zuluft. Auch das Kanalsystem zur Verteilung der Luft erhöht die Anlagekosten, da die Kanäle, die von der Luft nach den Kühlbatterien durchströmt werden, isoliert werden müssen.
Für ein normales Bürohaus beispielsweise liegen die Gesamtkosten für Ergänzung der Luftbehandlung mit Kühlung zwischen sKr. 5 und 10 pro Kubikmeter Bauvolumen, d.h.
zwischen 2% und 3 Go der gesamten Baukosten.
Die Betriebskosten werden ebenfalls durch die Kühlfunktion belastet. Die grössten Posten sind dabei der Stromverbrauch für Kompressoren und Pumpen sowie Service- und Wartungskosten für die Kühlmaschine. Eine wesentliche Schwierigkeit liegt ferner darin, dass kundiges Servicepersonal nur sehr begrenzt zur Verfügung steht.
Für den vorgenannten Typ von Kühlung besteht Bedarf in Schweden und anderen Ländern mit gleichgeartetem Klima nur während einer relativ kurzen Zeit des Jahres. Der Bedarf ist ferner auf die Zeit begrenzt, in der die Temperatur der Aussenluft über der Zulufttemperatur liegt, die erforderlich ist, um die Raumtemperatur innerhalb gewünschter Grenzen zu halten. Der Umstand, der bewirkt, dass ein Bedarf überhaupt besteht, liegt darin, dass die Arbeitszeit mit dem Teil des Tages zusammenfällt, an dem die Aussenlufttemperatur ihr Maximum hat. Während eines sehr grossen Teils des Tages liegt sie, auch während extrem warmer Perioden, auf der gewünschten Zulufttemperatur oder niedriger als sie.
Das vorliegende Patent betrifft ein Verfahren, welches den Zweck hat, die Tagesschwankungen der Aussentemperatur für die Beeinflussung der Lufttemperatur in einem Raum auszunutzen.
Dieser Zweck wird durch das Verfahren nach der Erfindung dadurch erfüllt, dass Aussenluft kontinuierlich oder intermittierend veranlasst wird, Kanäle in einer wärmespeichernden Masse zu durchströmen und dabei durch Aufnahme oder Abgabe von Wärme ihre Temperatur gemäss einem während des Tages wechselnden Bedarf an Erwärmung oder Kühlung zu ändern.
Durch das Verfahren nach der Erfindung kann beispielsweise durch Ausnutzung der verhältnismässig niedrigen Nachttemperatur der Luft der erforderliche Kühlungseffekt während des warmen Teiles des Tages bewirkt werden. Ferner kann durch Ausnutzung einer verhältnismässig hohen Temperatur der Aussenluft am Tage der erforderliche Wärmeeffekt während des kälteren Teiles des Tages bewirkt werden. Es ist möglich, Vorrichtungen hierfür mit einfachen Mitteln und zu verhältnismässig niedrigen Kosten auszuführen.
Das Patent betrifft auch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die wärmespeichernde Masse zumindest teilweise aus der den Raum umgebenden Gebäudekonstruktion besteht.
Was im Prinzip erforderlich ist, ist ein ausreichend grosser Wärmespeicher mit solchen Eigenschaften, dass sowohl die Abgabe als auch die Aufnahme von Wärme in Übereinstimmung mit den Schwankungen, die der Kühlbedarf aufweist, gesteuert werden können.
Der Wärmespeicher kann sowohl aus einem festen Material als auch aus einer Flüssigkeit, z.B. Wasser, bestehen.
Wirtschaftlich ist es jedoch am zweckmässigsten, wenn ein Teil der eigentlichen Baukonstruktion als Wärmespeicher angewendet werden kann.
Bei einer Durchrechnung des vorliegenden Kühlbedarfes und der verfügbaren Wärmeleistung zeigt es sich, dass in einem normalen, für einen der vorerwähnten Zwecke vorgesehenen Gebäude die Ausnutzung der Geschossdecken des Gebäudes als Wärmespeicher eine mögliche Lösung ist. Um die gewünschte Wärmeübertragung zu erhalten, ist es jedoch notwendig, zwischen der Zuluft und dem Beton eine wesentlich grössere Berührungsfläche anzuordnen, als sie in bisherigen Ausführungen vorkommt. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass man die Geschossdecke mit einem System von Kanälen versieht, die von der dem Raum zugeführten Ventilationsluft durchströmt werden.
Dabei ist es notwendig, zwischen der Übertragungsfläche und der Strömungsfläche für den Luftstrom ein solches Verhältnis zu wählen, dass sowohl a- Werte (a = Wärmeübergangszahl Luft-Beton) erforderlicher Grösse erreicht werden, als auch der thermische Verlauf, die Wärmeaufnahme und -abgabe, eine im Verhältnis zum Kühlbedarf des Raumes geeignete Periodizität erhält.
Dieser Verlauf wird auch durch die Anordnung der Luftkanäle in der Betonplatte wie auch durch die Grösse der Luftströmung beeinflusst.
Die Anordnung der Kanäle in einem grösseren Abstand von einer Fläche ergibt dabei u.a. eine grössere Verzögerung und auch eine Dämpfung der Temperaturschwankungen der Fläche im Verhältnis zu den Schwankungen der Aussenluft. Dies ist, über die Einwirkung auf die gespeicherte Wärmemenge hinaus, auch insofern von besonderer Bedeutung, als Wärmeübertragung zwischen den Flächen der Betonplatte und dem Raum einen wesentlichen Teil des Wärmeaustausches darstellt.
Die grösste Wärmebelastung in den Räumen, denen die Luftbehandlung gilt, ist nicht oft von der Sonneneinstrahlung durch die Glasflächen in der Fassade her. Es ergibt sich deshalb eine Wärmeaufnahme während völlig verschiedener Zeitperioden an Fassaden, die nach verschiedenen Richtungen liegen. Die Länge der Luftkanäle, ihre Lage in der Betonplatte, und der Luftstrom sollten deshalb vorteilhaft so abgestimmt werden, dass Wärmeaufnahme in der Platte während der Zeitperiode geschieht, in der ein Bedarf an Kühlung besteht.
Bei Büro- und Geschäftshäusern, und auch Wohnungen, liegt die Wärmebelastung durch Sonneneinstrahlung, beispielsweise pro Längenmeter der Fassade gemessen, innerhalb gewisser, recht gut definierter Grenzen. Die Dicke der Geschossdecken und der für die Luftbehandlung geeignete Luftstrom liegen ebenfalls innerhalb ziemlich enger Grenzen.
Dies bedeutet, dass der maximale Bedarf an Wärmetransport zwischen Luft und Beton auch verhältnismässig geringe Schwankungen in verschiedenen Anlagen aufweist. Der Faktor, der bei einem gegebenen Luftstrom massgebliche Bedeutung für den Wärmetransport hat, ist A X a, wo A die Umschliessungsfläche der Kanäle, und a die Wärmeübergangszahl Luft Beton ist.
Damit eine Kühlanlage der hier erwähnten Ausführung auf richtige Weise arbeiten kann, sollte also der Höchstwert für den Faktor A x a vorteilhaft innerhalb eines gewissen bestimmten Bereiches liegen.
Wenn der Bedarf an Wärmetransport sinkt, kann A x o durch Regelung des Luftstromes vermindert werden.
Der Gesamtverlauf ist, mathematisch gesehen, sehr kompliziert. Eine Durchführung der Berechnungen, die für eine sichere Arbeitsweise Voraussetzung sind, wäre vor Einführung der Datenverarbeitungstechnik praktisch nicht möglich gewesen. Heute dagegen kann man ein Datenverarbeitungsprogramm aufbauen, das eine sichere und übersichtliche Bemessungsgrundlage abgibt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen Diagramme über den Temperaturverlauf in einem Büroraum mit einer Breite von 3,6 Metern und einer Südfassade mit ca. 40% Glasfläche. Der gewählte Aussenzustand entspricht einer Periode im Juli mit klarem Wetter und einer höchsten Aussentemperatur von +24OC. Die Geschossdecke hat eine Dicke von 0,3 m, und zwischen den Fensterscheiben sind Jalousien angeordnet. Fig. 3 und 4, letztere ein Schnitt IV-IV von Fig. 3, zeigen im Längs- bzw. Querschnitt eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zum Wärmeaustausch zwischen Kanäle in einer Geschossdecke durchströmender Aussenluft und der Geschossdecke.
Die Kurve 14 (Fig. 1) zeigt einen angenommenen Temperaturverlauf für die Aussenluft, die in eine Geschossdekke mit Wärmespeicherung gemäss der Erfindung kontinuierlich oder intermittierend hineingeblasen wird. Die Temperatur der in die Geschossdecke einströmenden Luft wurde hier gleich der Temperatur der Aussenluft plus einem Zuschlag von 1 C für Gebläsearbeit angenommen. Null Uhr in der Nacht ist die Temperatur hierbei mit ca. 16 qC gezeigt. Danach sinkt die Temperatur bis 4 Uhr, wo sie erneut zu steigen beginnt und etwa 14 Uhr 25 9C erreicht, wonach sie erneut sinkt.
Die Temperatur der in den Raum hineingeblasenen Luft wird hierbei infolge der wärmespeichernden Eigenschaften der Geschossdecke gemäss Kurve 13 schwanken. In der Nacht wird die Geschossdecke die durchströmende Luft erwärmen und am Tage sie kühlen. Wäre die Geschossdecke nicht mit einer Wärmespeichermasse gemäss der Erfindung beschaffen, d.h.
ohne Beachtung des Wärmeaustausches mit der Durchströmungsluft, hätte die Temperatur der in den Raum hineingeblasenen Luft wie die Aussenluft geschwankt, mit einer Zugabe von 1 9C gem. Kurve 14 in Fig. 1 oder Kurve 19 in Fig. 2 (14 und 19 sind dieselben Kurven).
Der Wärmeaustausch zwischen Geschossdecke und durchströmender Luft wurde hierbei durch Änderung des Luftstromes geregelt. Bis 7 Uhr morgens beträgt der Luftstrom in den Raum von der Geschossdecke 360 kg/h, zwischen 7 Uhr und 11 Uhr 144 kg/h usw., gemäss der Skala oberhalb der Abszisse für die Tageszeit.
Die Kurve 12 zeigt, wie die Temperatur der Raumluft hierbei schwanken wird. Bis 8 Uhr wird die Temperatur der Raumluft nahezu gleich der Temperatur der eingeblasenen Luft sein. Nach 8 Uhr macht sich die Wirkung der Sonneneinstrahlung geltend mit resultierendem Temperaturanstieg der Aussenluft. Um 11 Uhr wird die Luftstrommenge auf 360 kg/h erhöht, wobei die Temperatur der Raumluft infolge der hierdurch bewirkten Entnahme von Kälte von der Geschossdecke sinkt. Die gestrichelte Partie der Kurve 12 entspricht dem Fall, dass der Luftstrom während des ganzen Tages (und auch der Nacht) konstant, d.h. gleich 360 kg/h beträgt.
Ein bedeutender Teil der Kühlung des Raumes während des Tages geschieht durch Wärmeübertragung zwischen Geschossdecke und Raum. Die Kurve 11 zeigt die Temperatur der Raumluft, wenn die Temperatur der eingeblasenen Luft gemäss Kurve 13 schwankend angenommen wird und die Geschossdecke konventionell, d.h. nicht für Wärmespeicherung vorgesehen ist. Da die Geschossdecke hierbei nicht abkühlbar ist, wird ihre Oberflächentemperatur am Morgen höher und folglich ihre Kühlwirkung durch Strahlung schlechter sein.
Dieses letztere Verhältnis wird durch die Kurven 15 und 17 in Fig. 2 beleuchtet, wobei die Kurve 15 die Temperatur der Deckenfläche bei Lufttemperaturen gemäss den Kurven 11 und 13, und Kurve 17 die Temperatur der Deckenfläche bei einer Geschossdecke gemäss den Kurven 12 und 13 zeigt. Bei der Geschossdecke mit Wärmespeicherung gemäss der Erfindung wird gemäss der Kurve 17 die Temperatur der Deckenfläche infolge der Abkühlung während der Nacht z.B. 8 Uhr morgens ca. 20 C sein. Die entsprechende Temperatur für die Decke der nicht abkühlbaren Geschossdecke ist gemäss Kurve 15 ca.
24 C. Die Differenz in der Raumlufttemperatur zwischen den Kurven 11 und 12 hat somit ihre Ursache in der Differenz der Deckentemperatur gemäss den Kurven 15 und 17.
Die Kurven 16, 18 und 19 beziehen sich auf ein herkömmliches Luftbehandlungssystem, bei dem die Aussenluft direkt, ohne Wärmeaustausch mit einem Wärmespeicher, in den Raum eingeführt wird, und die Temperatur der in den Raum eingeblasenen Luft gemäss Kurve 19 um 1 qC höher als die Temperatur der Aussenluft angenommen ist. Die Temperatur der Aussenluft wird hierbei gemäss Kurve 18 und die Temperatur der Deckenfläche gemäss Kurve 16 schwanken.
Auch hier wird die Temperatur der Deckenfläche höher als die der abkühlbaren Deckenfläche gemäss Kurve 17.
Abgesehen von den hier beschriebenen Massnahmen für Ausnutzung der Geschossdecken als Wärmespeicher, kann die allgemeine Anordnung der Vorrichtung in den meisten Hinsichten mit üblicher Praxis übereinstimmen.
Die Kanäle in den Geschossdecken können z.B. rechtwinklig zur Fassade angeordnet und an ihrem einen Ende an einen z.B. in der Korridordecke verlegten Zuluftkanal angeschlossen werden. Am anderen Ende kann eine geeignete Anzahl Kanäle mit einem Zuluftgerät verbunden werden.
Für eine eventuell notwendige endgültige Justierung der Zulufttemperatur kann z.B. im Zusammenhang mit dem Zuluftgerät ein Lufterhitzer angeordnet werden.
Bei der Vorrichtung gemäss den Fig. 3 und 4 wird die Luft auf ihrem Wege durch die Kanäle durch Drosselorgane veranlasst, einen oder mehrere Strahlen zu bilden, die gegen gewählte Partien der Kanalwand gerichtet werden.
Damit zwischen Strahl und Wand eine Wärmeübertragung von einiger Bedeutung zustandekommen kann, muss der Strahl hierbei eine solche Geschwindigkeit haben, dass zwischen Strahl und Kanalwand Wirbelung auftritt. Die Vorrichtung gemäss Fig. 3 und 4 hat den Vorteil, dass der Strahl, und damit die Wärmeübertragung, auf die Stellen der Kanalwand konzentriert werden kann, die die grösste umgebende Masse aufweist.
Ferner kann hierdurch die die Kanalwände umgebende Masse wärmespeicherungsmässig dadurch unwirksam gemacht werden, dass der Luftstrom unter die Grenze vermindert wird, an der zwischen Strahl und Kanalwand Wirbelung entsteht.
Durch Aufhören der Wirbelung vermindert sich nämlich der Wärmeübergang drastisch zu bedeutungslosen Werten, ohne dass dies auf Kosten der Forderung nach ausreichendem Ventilationsfluss geschieht.
Durch die Vorrichtung gemäss Fig. 3 und 4 ist es auch möglich, bereits vorhandene Hohlgeschossdecken-Konstruktionen ohne grössere Änderungen anzuwenden.
Die eigentliche Geschossdecke ist mit 21 bezeichnet. Durch die Geschossdecke in ihrer Längsrichtung erstreckt sich eine Anzahl paralleler Kanäle 22, die z.B., wie in Fig. 4 gezeigt ist, kreisrunden Querschnitt haben können. Die Kanäle 22 sind in Fig. 4 mit 22a, 22b, 22c und 22d bezeichnet. Die Geschossdekke ist ferner mit geeigneter Bewehrung 23 versehen, auf die auch Überbeton 24 aufgegossen sein kann. Das Einlassende des Kanales 22 weist ein Drosselorgan 25 mit einer Düsenöffnung 26 als einzige Verbindung zwischen den beiden Seiten des Drosselorganes 25 auf. Das Drosselorgan 25 ist z.B. eine in die Kanalöffnung eingesetzte drehbare Einheit. Tiefer in den Kanal 22 hinein können ein oder mehrere weitere Drosselorgane 25 mit Düsenöffnung 26 eingesetzt sein.
Das Drosselorgan 25 mit der Düsenöffnung 26 wird für den Wärmeaustausch zwischen Luft und Geschossdecke 21 so ausgenutzt, dass der Luft durch die Düsenöffnung 26 eine erhöhte Geschwindigkeit vl, z.B. za. 10 m/s, gegeben wird. Der Luftstrahl von der Düsenöffnung wird gegen eine geeignete Partie der Kanalwand gerichtet. Im Kanal 22b in Fig. 4 wird z.B. der Strahl gegen die Decke des Kanales gerichtet. Hierbei wird die Masse innerhalb der gestrichelten Markierung 27 vom Luftstrahl gekühlt bzw. erwärmt werden. Im Kanal 22c gemäss Fig. 4 ist das Drosselorgan 25 etwas gedreht, so dass hier im wesentlichen die Masse innerhalb der Markierung 28 Wärme mit der durch die Geschossdecke hindurchströmenden Luft austauschen wird.
Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmeaustausch dorthin zu konzentrieren, wo sich die meiste Wärmespeichermasse befindet. Wenn z.B. durch Aufgiessen von Überbeton 24 die Wärmespeichermasse oberhalb der Kanäle grösser wird, ist es möglich, durch zweckdienlich gerichtete Düsenöffnungen und Anpassung der Luftgeschwindigkeit den Wärmeaustausch auf diese Wärmespeichermasse zu konzentrieren.
In den Figuren ist jedes Drosselorgan 25 mit nur einer Düsenöffnung gezeigt. Es versteht sich, dass mehrere Düsenöffnungen, z.B. zwei einander diametral entgegengesetzt, angeordnet werden können.
Der Wärmeaustausch zwischen Strahlen von der Düsenöffnung wird infolge der verhältnismässig hohen Strahlgeschwindigkeit mit einer um viele Male höheren Wärmeleitzahl als der Wärmeaustausch weiter kanaleinwärts geschehen, die dort z.B. eine Geschwindigkeit v2 von ca. 1 m/s haben kann, da der Wärmeaustausch im ersteren Fall unter kräftiger Turbulenz geschieht. Wenn die Strahlgeschwindigkeit genügend gesenkt wird, hört die Turbulenz auf, was in einer drastischen Verminderung des Wärmeaustausches resultiert.
Diese Eigenschaft der Vorrichtung nach der Erfindung kann so ausgenutzt werden, dass man, wenn man die Geschossdecke als Wärmespeicher anzuwenden wünscht, den Luftstrom so erhöht, dass zwischen Strahl und Kanalwand Turbulenz eintritt.
Wünscht man nicht, dass die Luft temperaturmässig von der Geschossdecke beeinflusst wird bzw. sie beeinflusst, senkt man den Luftstrom unter den Wert, der Turbulenz zwischen Strahl und Wand entspricht. Die für gute Ventilation erforderlichen Ströme leiden nicht darunter, da es kein Problem ist, den Luftstrom für beginnende Turbulenz zwischen den für gute Ventilation empfohlenen Grenzen liegend zu halten.
Durch Änderung von Ausbildung, Placierung und Anzahl der Drosselorgane 25 lässt sich leicht der gewünschte Wärmeaustausch mit der wärmespeichernden Masse erhalten.
Bei einem verhältnismässig kurzen Kanal kann ein einziges Drosselorgan im Kanal ausreichend sein, während bei längeren Kanälen zwei oder mehr längs des Kanals verteilte Drosselorgane erforderlich sein können, damit die den Kanal umgebende wärmespeichernde Masse in ausreichendem Umfang ausgenutzt werden kann.
Bei der Geschossdecke in Fig. 3 kann das Drosselorgan 25 am Einlass des Kanales auch ein Stück weiter als dargestellt in den Kanal hinein versetzt sein.
Mit einer auf diese Weise ausgeführten Vorrichtung, die hinsichtlich Kanalbemessung und Kanalanordnung richtig ausgeführt ist, und von einer richtig angeordneten Regelungsanlage gesteuert wird, kann, in einem Klima nordeuropäischen Typs, der Raumluftzustand innerhalb üblicher Komfortgrenzen gehalten werden, ohne dass die Installation eine Kühlmaschine einschliessen muss.
Da der Aufbau der Vorrichtung im übrigen keine mit beträchtlichen Kosten verbundene Abweichungen von einer Klimaanlage herkömmlichen Typs aufweist, ist die Einsparung bei den Anlagekosten praktisch gleich den gesamten vorerwähnten Kosten für auf traditionelle Weise ausgeführte Kühlung.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Ausnutzung der Tagesschwankungen der Aussentemperatur für die Beeinflussung der Lufttemperatur in einem Raum, dadurch gekennzeichnet, dass Aussenluft kontinuierlich oder intermittierend veranlasst wird, Kanäle in einer wärmespeichernden Masse zu durchströmen und dabei durch Aufnahme oder Abgabe von Wärme ihre Temperatur gemäss einem während des Tages wechselnden Bedarf an Erwärmung oder Kühlung zu ändern.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I zur Kühlung des Raumes während des Tages, wenn die Nachttemperatur der Aussenluft niedriger ist als die während des Tages im Raum gewünschte Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenluft während der Nacht veranlasst wird, die wärmespeichernde Masse zu kühlen, und die Kühle während des Tages zum Raum überführt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch I zur Erwärmung des Raumes während der Nacht, wenn die Tagestemperatur der Aussenluft höher ist als die während der Nacht im Raum gewünschte Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenluft während des Tages veranlasst wird, die wärmespeichernde Masse zu erwärmen, und die Wärme während der Nacht zum Raum überführt wird.
3. Verfahren nach Unteranspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Wärmeaustausches zwischen der wärmespeichernden Masse und dem Raum durch Strahlung und/oder Konvektion geschieht.
4. Verfahren nach Unteranspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch zwischen Luft und wärmespeichernder Masse durch Änderung der stündlichen
Durchströmungsmenge des Luftstromes durch die wärmespeichernde Masse regelbar ist.
5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeich net, dass die Luft auf ihrem Weg durch die Kanäle durch
Drosselorgane veranlasst wird, einen oder mehrere Strahlen zu bilden, die gegen gewählte Partien der Kanalwand gerichtet werden.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmespeichernde Masse zumindest teilweise aus der dem
Raum umgebenden Gebäudekonstruktion besteht.
UNTERANSPRÜCHE
6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, wobei der Raum eine Geschossdecke aus Beton hat, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmespeichernde Masse denjenigen Teil der
Geschossdecke des Raumes umfasst, in der die Kanäle für die
Durchströmung der Aussenluft angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch II oder Unteranspruch
6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein oder mehrere nacheinander im Durchströmungsweg der Luft in den Kanälen (22) angeordnete Drosselorgane (25) mit einer oder mehreren
Düsenöffnungen (26) einschliesst, durch die die Luft strahlenförmig gegen gewählte Partien der Kanalwand gerichtet wird.
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In connection with efforts to improve the working environment in office and business premises, as well as in certain industrial areas, air treatment is being introduced to an increasing extent, even in regions with a moderate climate, which also includes cooling the supplied air with the aid of cooling machines. In larger commercial and office buildings, e.g. in Sweden, for example, it is only in relatively rare exceptional cases that the installations do not include artificial cooling.
This form of cooling creates significant costs. The system costs are not only burdened by the actual cooling machines, there are also costs for devices for condenser cooling, i.e. cooling towers or corresponding arrangements, piping systems for coolants and usually also refrigerants and batteries for cooling the supply air. The duct system for distributing the air also increases the system costs, since the ducts through which the air flows after the cooling batteries must be insulated.
For a normal office building, for example, the total costs for supplementing the air treatment with cooling are between sKr. 5 and 10 per cubic meter of construction volume, i.e.
between 2% and 3 Go of the total construction costs.
The operating costs are also burdened by the cooling function. The largest items are the power consumption for compressors and pumps as well as service and maintenance costs for the cooling machine. Another major difficulty is that knowledgeable service personnel are only available to a very limited extent.
The aforementioned type of cooling is only required for a relatively short time of the year in Sweden and other countries with similar climates. The requirement is also limited to the time in which the temperature of the outside air is above the supply air temperature, which is necessary to keep the room temperature within the desired limits. The fact that there is a need at all is that the working hours coincide with the part of the day when the outside air temperature is at its maximum. During a very large part of the day, even during extremely warm periods, it is at or below the desired supply air temperature.
The present patent relates to a method which has the purpose of using the daily fluctuations in the outside temperature to influence the air temperature in a room.
This purpose is achieved by the method according to the invention in that outside air is caused continuously or intermittently to flow through channels in a heat-storing mass and thereby change its temperature by absorbing or releasing heat according to a need for heating or cooling that changes during the day .
With the method according to the invention, the necessary cooling effect can be brought about during the warm part of the day, for example by utilizing the relatively low night temperature of the air. Furthermore, by using a relatively high temperature of the outside air during the day, the required warming effect can be brought about during the colder part of the day. It is possible to implement devices for this with simple means and at relatively low costs.
The patent also relates to a device according to the invention for carrying out the method, which is characterized in that the heat-storing mass consists at least partially of the building structure surrounding the room.
In principle, what is required is a sufficiently large heat accumulator with properties such that both the release and the absorption of heat can be controlled in accordance with the fluctuations in the cooling requirement.
The heat accumulator can be made of either a solid material or a liquid, e.g. Water.
From an economic point of view, however, it is most expedient if part of the actual building structure can be used as a heat store.
A calculation of the existing cooling requirement and the available heat output shows that in a normal building intended for one of the above-mentioned purposes, one possible solution is to use the storey ceilings of the building as heat storage. In order to obtain the desired heat transfer, however, it is necessary to arrange a significantly larger contact area between the supply air and the concrete than has been found in previous designs. This can e.g. done by providing the floor slab with a system of channels through which the ventilation air supplied to the room flows.
It is necessary to choose such a ratio between the transfer area and the flow area for the air flow that both a values (a = heat transfer coefficient air-concrete) of the required size are achieved, as well as the thermal curve, the heat absorption and release, receives a periodicity that is suitable in relation to the cooling requirement of the room.
This course is also influenced by the arrangement of the air ducts in the concrete slab and by the size of the air flow.
The arrangement of the channels at a greater distance from a surface results in, among other things, a greater delay and also a dampening of the temperature fluctuations of the surface in relation to the fluctuations in the outside air. In addition to the effect on the stored amount of heat, this is also of particular importance insofar as heat transfer between the surfaces of the concrete slab and the room is an essential part of the heat exchange.
The greatest heat load in the rooms to which the air treatment is applied is not often caused by solar radiation through the glass surfaces in the facade. There is therefore a heat absorption during completely different time periods on facades that are in different directions. The length of the air ducts, their position in the concrete slab, and the air flow should therefore advantageously be adjusted so that heat is absorbed in the slab during the time period in which there is a need for cooling.
In office and commercial buildings, as well as apartments, the heat load from solar radiation, measured for example per meter of length of the facade, is within certain, quite well-defined limits. The thickness of the floors and the air flow suitable for air treatment are also within fairly narrow limits.
This means that the maximum heat transport requirement between air and concrete also shows relatively small fluctuations in different systems. The factor that is of decisive importance for the heat transport for a given air flow is A X a, where A is the area surrounding the ducts and a is the coefficient of heat transfer between air and concrete.
So that a cooling system of the type mentioned here can work correctly, the maximum value for the factor A x a should advantageously lie within a certain specific range.
If the need for heat transport decreases, A x o can be reduced by regulating the air flow.
From a mathematical point of view, the overall process is very complicated. Carrying out the calculations, which are a prerequisite for safe operation, would not have been practically possible before the introduction of data processing technology. Today, however, you can set up a data processing program that provides a safe and clear assessment basis.
The invention is explained below with reference to the drawing, for example. 1 and 2 show diagrams of the temperature profile in an office with a width of 3.6 meters and a south facade with approximately 40% glass area. The selected external condition corresponds to a period in July with clear weather and a maximum outside temperature of + 24OC. The ceiling is 0.3 m thick and there are blinds between the window panes. 3 and 4, the latter a section IV-IV of FIG. 3, show in longitudinal and cross-section an advantageous embodiment of the device according to the invention for heat exchange between channels in a floor ceiling and the outside air flowing through the floor.
The curve 14 (FIG. 1) shows an assumed temperature profile for the outside air which is blown continuously or intermittently into a floor ceiling with heat storage according to the invention. The temperature of the air flowing into the floor was assumed to be the same as the temperature of the outside air plus an allowance of 1 C for the fan work. At zero o'clock in the night, the temperature is shown as approx. 16 ° C. After that, the temperature drops until 4 a.m., where it begins to rise again and reaches 25 ° C around 2 p.m., after which it drops again.
The temperature of the air blown into the room will fluctuate according to curve 13 due to the heat-storing properties of the floor. At night, the floor will heat the air flowing through it and cool it during the day. If the floor were not provided with a heat storage mass according to the invention, i.e.
Without considering the heat exchange with the air flowing through, the temperature of the air blown into the room would have fluctuated like the outside air, with an addition of 1 9C according to Curve 14 in Fig. 1 or curve 19 in Fig. 2 (14 and 19 are the same curves).
The heat exchange between the ceiling and the air flowing through was regulated by changing the air flow. Up to 7 a.m., the air flow into the room from the ceiling is 360 kg / h, between 7 a.m. and 11 a.m. 144 kg / h, etc., according to the scale above the abscissa for the time of day.
The curve 12 shows how the temperature of the room air will fluctuate here. By 8 a.m., the temperature of the room air will be almost the same as the temperature of the air blown in. After 8 a.m., the effect of the sun's rays takes effect, with the resulting temperature increase in the outside air. At 11 a.m. the airflow rate is increased to 360 kg / h, with the temperature of the room air dropping as a result of the extraction of cold from the floor. The dashed part of curve 12 corresponds to the case where the air flow is constant throughout the day (and also at night), i.e. is equal to 360 kg / h.
A significant part of the cooling of the room during the day takes place through heat transfer between the ceiling and the room. Curve 11 shows the temperature of the room air if the temperature of the air blown in is assumed to fluctuate according to curve 13 and the floor ceiling is conventional, i.e. is not intended for heat storage. Since the ceiling cannot be cooled down, its surface temperature will be higher in the morning and consequently its cooling effect due to radiation will be worse.
This latter relationship is illustrated by curves 15 and 17 in FIG. 2, curve 15 showing the temperature of the ceiling surface at air temperatures according to curves 11 and 13, and curve 17 the temperature of the ceiling surface for a floor according to curves 12 and 13 . In the case of the storey ceiling with heat storage according to the invention, according to curve 17, the temperature of the ceiling surface as a result of cooling during the night e.g. 8 o'clock in the morning should be around 20 C. The corresponding temperature for the ceiling of the floor ceiling that cannot be cooled down is approx.
24 C. The difference in the room air temperature between curves 11 and 12 is therefore due to the difference in the ceiling temperature according to curves 15 and 17.
Curves 16, 18 and 19 relate to a conventional air treatment system in which the outside air is introduced directly into the room without heat exchange with a heat accumulator, and the temperature of the air blown into the room according to curve 19 is 1 qC higher than that Temperature of the outside air is assumed. The temperature of the outside air will fluctuate according to curve 18 and the temperature of the ceiling surface according to curve 16.
Here, too, the temperature of the ceiling surface is higher than that of the ceiling surface that can be cooled according to curve 17.
Apart from the measures described here for utilizing the storey ceilings as heat storage, the general arrangement of the device can in most respects correspond to normal practice.
The channels in the floor slabs can e.g. arranged at right angles to the facade and at one end to a e.g. can be connected to the supply air duct laid in the corridor ceiling. At the other end, a suitable number of ducts can be connected to a supply air device.
For a possibly necessary final adjustment of the supply air temperature, e.g. an air heater can be arranged in connection with the supply air device.
In the device according to FIGS. 3 and 4, the air on its way through the channels is caused by throttle organs to form one or more jets which are directed against selected parts of the channel wall.
In order for a heat transfer of some importance to take place between the jet and the wall, the jet must have such a speed that turbulence occurs between the jet and the duct wall. The device according to FIGS. 3 and 4 has the advantage that the beam, and thus the heat transfer, can be concentrated on the points of the duct wall which have the greatest surrounding mass.
Furthermore, the mass surrounding the channel walls can be rendered ineffective in terms of heat storage by reducing the air flow below the limit at which turbulence occurs between the jet and the channel wall.
When the vortex ceases, the heat transfer is drastically reduced to meaningless values, without this being done at the expense of the requirement for sufficient ventilation flow.
The device according to FIGS. 3 and 4 also makes it possible to use existing hollow-storey ceiling constructions without major changes.
The actual floor slab is labeled 21. A number of parallel channels 22 extend through the floor in its longitudinal direction, which for example, as shown in Fig. 4, may have a circular cross-section. The channels 22 are designated in Fig. 4 with 22a, 22b, 22c and 22d. The floor ceiling is also provided with suitable reinforcement 23, onto which concrete 24 can also be poured. The inlet end of the channel 22 has a throttle element 25 with a nozzle opening 26 as the only connection between the two sides of the throttle element 25. The throttle member 25 is e.g. a rotatable unit inserted into the duct opening. One or more further throttle elements 25 with nozzle opening 26 can be inserted deeper into the channel 22.
The throttle member 25 with the nozzle opening 26 is used for the heat exchange between the air and the floor ceiling 21 so that the air through the nozzle opening 26 has an increased velocity vl, e.g. za. 10 m / s. The air jet from the nozzle opening is directed against a suitable part of the duct wall. In channel 22b in Fig. 4, e.g. the beam directed towards the ceiling of the canal. Here, the mass within the dashed marking 27 is cooled or heated by the air jet. In the channel 22c according to FIG. 4, the throttle element 25 is rotated somewhat, so that here essentially the mass within the marking 28 will exchange heat with the air flowing through the ceiling.
In this way it is possible to concentrate the heat exchange where most of the heat storage mass is located. If e.g. by pouring over concrete 24 the heat storage mass above the channels becomes larger, it is possible to concentrate the heat exchange on this heat storage mass by means of appropriately directed nozzle openings and adjustment of the air speed.
In the figures, each throttle element 25 is shown with only one nozzle opening. It will be understood that several nozzle openings, e.g. two diametrically opposed to each other, can be arranged.
The heat exchange between jets from the nozzle opening is due to the relatively high jet velocity with a coefficient of thermal conductivity that is many times higher than the heat exchange further inside the channel, which e.g. can have a speed v2 of approx. 1 m / s, since the heat exchange takes place in the former case under strong turbulence. If the jet speed is reduced sufficiently, the turbulence ceases, which results in a drastic reduction in the heat exchange.
This property of the device according to the invention can be exploited in such a way that, if one wishes to use the floor ceiling as a heat store, the air flow is increased so that turbulence occurs between the jet and the duct wall.
If you do not want the air to be influenced by the ceiling in terms of temperature or to influence it, the air flow is reduced below the value that corresponds to the turbulence between the jet and the wall. The flows required for good ventilation do not suffer as it is no problem to keep the air flow between the limits recommended for good ventilation for the onset of turbulence.
By changing the design, placement and number of throttle elements 25, the desired heat exchange with the heat-storing mass can easily be obtained.
With a relatively short channel, a single throttle element in the channel may be sufficient, while with longer channels two or more throttle elements distributed along the channel may be required so that the heat-storing mass surrounding the channel can be used to a sufficient extent.
In the case of the floor ceiling in FIG. 3, the throttle element 25 at the inlet of the channel can also be offset a little further into the channel than shown.
With a device designed in this way, correctly designed with regard to duct dimensioning and duct arrangement, and controlled by a correctly arranged control system, the indoor air condition can be kept within the usual comfort limits in a climate of the northern European type without the installation having to include a cooling machine .
Moreover, since the structure of the device does not deviate from an air conditioning system of the conventional type, which is associated with considerable costs, the saving in installation costs is practically equal to the total of the aforementioned costs for cooling carried out in the traditional manner.
PATENT CLAIM 1
A method for utilizing the daily fluctuations in the outside temperature for influencing the air temperature in a room, characterized in that outside air is continuously or intermittently caused to flow through channels in a heat-storing mass and, by absorbing or releasing heat, its temperature changes during the day Change the need for heating or cooling.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I for cooling the room during the day when the night temperature of the outside air is lower than the temperature desired in the room during the day, characterized in that the outside air is caused to cool the heat-storing mass during the night, and the coolness is transferred to the room during the day.
2. The method according to claim I for heating the room during the night when the daytime temperature of the outside air is higher than the temperature desired in the room during the night, characterized in that the outside air is caused during the day to heat the heat-storing mass, and the heat is transferred to the room during the night.
3. The method according to dependent claim 1 or 2, characterized in that at least part of the heat exchange between the heat-storing mass and the room takes place by radiation and / or convection.
4. The method according to dependent claim 1 or 2, characterized in that the heat exchange between air and heat-storing mass by changing the hourly
The flow rate of the air flow through the heat-storing mass can be regulated.
5. The method according to claim I, characterized in that the air on its way through the channels
Throttling organs are caused to form one or more jets which are directed against selected parts of the duct wall.
PATENT CLAIM II
Device for performing the method according to claim I, characterized in that the heat-storing mass is at least partially from the
The space surrounding the building is composed.
SUBCLAIMS
6. Device according to claim II, wherein the room has a floor made of concrete, characterized in that the heat-storing mass that part of the
Floor ceiling of the room includes, in which the channels for the
Flow of the outside air are arranged.
7. Device according to claim II or dependent claim
6, characterized in that it has one or more throttle elements (25) arranged one after the other in the flow path of the air in the channels (22) with one or more
Includes nozzle openings (26) through which the air is directed radially against selected parts of the duct wall.
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