BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Raum-Klimatisierung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Klimatisierungs-Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit volumen-geregeltem Frischluftkanal, mit Luftaustauscher und Abluftkanal.
Raumklimatisierungs-Anlagen sollen die Raumtemperatur auf einen gleichmässigen Wert halten, welcher als komfortabel empfunden wird, und andererseits die Frischluftzufuhr sicherstellen. Die Klimaanlage muss in der Lage sein, unterschiedlich starke Aufheizung der Räume durch verschiedenste Wärmequelen auszugleichen. Als Wärmequellen, welche den Raum während der Benutzungszeit aufheizen, kommen einerseits Geräte oder Maschinen infrage und andererseits die sich in den Räumen aufhaltenden Personen. Schliesslich spielen Wärmeeinstrahlungen, z. B. durch verglaste Fensterflächen, eine entscheidende Rolle in der Wärmebilanz der einzelnen Räume. Der Abbau der von solchen diffusen Quellen erzeugten Wärmeüberschüsse erfolgt mit Hilfe eines geregelten Luftaustausches. Damit der Regelungsprozess unter definierten Bedingungen ablaufen kann, sind Fenster in solchen Gebäuden geschlossen zu halten.
Daher muss auch die Frischluftzufuhr im System integriert sein, so dass verbrauchte und teilweise kontaminierte Raumluft regelmässig ersetzt wird.
Bekannte Raumklima-Einrichtungen enthalten einen Frischluftkanal, welcher im Vergleich zur Raumluft kühle Frischluft direkt in den Raum führt. Die Frischluft weist eine Temperaturdifferenz zur Raumluft von mehreren Grad Celsius auf. Im Einlassbereich zu den klimatisierten Räumen ist ein Mengen- oder Volumenregler, z. B. eine Ventilklappe, vorgesehen. Verbrauchte Luft wird aus dem Raum über einen Abluftkanal rückgeführt. Für Spezialzwecke, z. B. in Operationssälen, sind auch laminare Luftaustauscher oder Diffusoren Bei dieser Anwendung werden erhebliche Luftmengen über grossflächige Diffusoren in den Raum geführt, so dass ein starker Luftmengenaustausch ohne Rücksicht auf eigendynamische Gegebenheiten des Raumes stattfindet. In der allgemeinen Raumklimatisierung fanden Diffusoren mit laminarem Luftaustritt bisher keine Verbreitung.
Gemäss dem heutigen Stand der Technik wird Frischluft in Einzelstrahlen aufgeteilt und wie erwähnt mit hoher
Geschwindigkeit sowie mit einem relativ grossen Temperaturunterschied gegenüber der Raumluft in den Raum eingeblasen. Dieser markante Luftstrahl muss sich auf einer sehr geringen Distanz mit der Raumluft vermischen, um die gewünschte Mischtemperatur anzunehmen. Das Luftvo lumen in einem solchen Raum wird mit grosser Intensität umgewälzt. Dies führt zu einer hochturbulenten Raumluft strömung. Diese Erscheinungen sind der Grund dafür, dass bekannte lKlima-Einrichtungen in Räumen, in denen sich
Personen längere Zeit an der gleichen Stelle, z. B. sitzend am
Arbeitsplatz aufhalten, häufig als lästig empfunden werden.
Als Grund werden Zugserscheinungen und Lärmbelästigung durch ein- bzw. ausströmende Luft genannt. Solches Unbe hagen ist ein Grund für die relativ breite Ablehnung von Klimaanlagen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass Klimaanlagen aus verschiedenen anderen Gesichtpunkten, insbesondere in Büro- und Geschäftsbauten, durchaus wünschenswert sind.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage zur Raumklimatisierung anzugeben, beziehungsweise bestehende Verfahren und Anlagen dahingehend zu verbessern, dass sie eine wesentliche Komfortverbesserung bewirken und dass sie gleichzeitig sowohl einen günstigeren Energiebedarf als auch einen geringeren Bauaufwand aufweisen als bekannte.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Raumklimaeinrichtung gemäss Patentanspruch 7 gelöst.
Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung besitzen erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Einrichtungen. In erster Linie werden die Komforteigenschaften der Klimaanlage ganz entscheidend dahingehend verbessert, dass sie von den Personen im Raum überhaupt nicht wahrgenommen, geschweige denn als störend empfunden wird.
Diese Eigenschaft ist eine Folge der Zuführung isothermer Frischluft mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit in den Raum. Verbrauchte und erwärmte Raumluft steigt selbsttätig im Raum nach oben und wird von dort abgeführt.
Sind grössere Kühlleistungen zu erbringen, wird dem Diffusor ein Wärmetauscher vorgeschaltet, der im Deckenbereich angebracht ist, so dass die aus dem Diffusor in den Raum eintretende Frischluft in diesem Fall ihr ursprüngliches Temperaturgefälle gegenüber der Raumluft im Wärmetauscher bereits zu grössten Teil ausgeglichen hat. Die in den Raum eintretende Frischluft selbst übt also in keinem Fall eine Kühlwirkung aus. Diese Luft dient praktisch ausschliesslich der Frischluftversorgung und wird über den Diffusor laminar von oben seitlich in den Raum geführt. Von dort aus verteilt sich die Luft gemäss der Raum-Eigendynamik, also gemäss den jeweils auftretenden und eventuell wechselnden Gegebenheiten, von selbst, ohne dass sich starke und damit störende Luftströmungen bemerkbar machen.
Wegen der geringeren Mengen der zu- und abgeführten Luft sind geringere Querschnitte für die Versorgungsleitungen erforderlich, was Platz- und Kosteneinsparungen zur Folge hat. Bedingt durch die Funktionsaufteilung ergibt sich ferner ein erheblich verbesserter Gesamtenergiebedarf, der z. B. nur ca. 40% des Energiebedarfs von konventionellen Anlagen bei sonst gleichen Voraussetzungen beträgt.
Ein weitere Vorteil der beruhigten Luftströmung im Raum ist die stark verbesserte Reinheit der Raumluft. Die Kontamination der Raumluft aufgrund von Luftturbulenzen und hoher Strömungsgeschwindigkeit wird reduziert.
Da die Frischluftzufuhr nicht mehr an mehreren Stellen mit hoher, für den Raumbewohner spürbarer Geschwindigkeit, sondern mit stark reduzierter Geschwindigkeit auf einer Seite im Raum erfolgt, besteht eine viel grössere Freiheit in der Einrichtung der Räume.
Schliesslich lässt sich durch die Verwendung eines direkt als Deckenelement ausgebildeten Wärmetauschers Bauhöhe einsparen, da separate Luftkanäle im Deckenbereich und damit eine zusätzliche abgehängte Decke überflüssig werden.
Da auch keine Doppelböden für die Klimaanlage erforderlich sind, kann dieser Bereich sofern erforderlich für andere Installationen, z. B. ausschliesslich für Elektroinstallationen, freigehalten werden. Wegen der geringeren Bauhöhe dieser Einrichtung kann insgesamt eine geringere Raum höhe in den Bauten eingehalten werden, was bei grösseren Gebäudehöhen zu erheblichen Verbesserungen der Bauzusnutzung, in Extremfällen zu zusätzlichen Etagen innerhalb einer vorgegebenen Bauhöhe führen kann. Die Regelung des Frischluftvolumens kann vorzugsweise durch Temperaturmessungen im Bereich des Diffusors erfolgen. In der Regel wird sich der Diffusor in der Nähe des Volumenreglers befinden, so dass die Installation einfach und kostensparend ist. Es sind keine separaten Raumthermostaten oder andere Sensoren innerhalb des klimatisierten Raumes erforderlich.
Zusätzliche Merkmale und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Ansicht eines zu klimatisierenden Raumes mit den Hauptbestandteilen der erfindungsgemässen Raumklimaeinrichtung,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Raum gemäss Figur 1 mit der Anordnung der Wärmetauscher im Deckenbereich, und
Fig. 3 den Schnitt 3-3 aus Fig. 2.
Gemäss dem gezeigten Beispiel ist die Klimaanlage an einen Frischluftkanal 1 und einen Abluftkanal 2 angeschlossen. Im Frischluftkanal 1 ist ein Volumenregler 3 angeordnet. Der Frischluftkanal 1 und der Abluftkanal 2 sind durch eine Installationsdecke 4 abgedeckt. Im zu klimatisierenden Raum kann ferner ein Wärmetauscher 5 vorgesehen sein, der im Beispiel als Deckenelement ausgebildet ist.
Sind nur geringe Kühlleistungen zu erbringen, kann auf den separaten Wärmetauscher verzichtet werden. Wie Figur 2 im einzelnen zeigt, ist im Beispiel der Frischluftkanal 1 direkt mit leistenartigen Hinlauf-Kanälen 5A des Wärmetauschers verbunden, welche an ihrem anderen Ende in Rücklauf Kanäle 5B übergehen. Die Ausgänge der Rücklauf-Kanäle 5B führen parallel auf einen Diffusor 6, welcher die Frischluft von der Decke aus nach unten gerichtet gemäss den Pfeilen A als Laminarströmung in den Raum treten lässt.
Vorzugsweise ist der Diffusor 6 auf einer Seite des Raumes angeordnet, welche einer Fenster- oder Fassadenseite 7 des Raumes gegenüberliegt. In grösseren Räumen ist der Diffusor vorzugsweise in durchgangsnahen Bereichen, also möglichst nicht über Arbeits- oder Aufenthaltsbereichen, angeordnet.
Figur 3 zeigt die Anordnung des als Deckenelement ausgebildeten Wärmetauschers an der Raumdecke 8. Es ist die Ausbildung der Hinlauf-Kanäle 5A und der Rücklauf Kanäle 5B als Rechteckrohre und ihre wechselseitige Anordnung direkt an der Raumdecke 8 zu erkennen.
Durch Geometrie und Dimensionierung der als statische Kühlelemente wirkenden Wärmetauscher-Lamellen wird eine mittlere Oberflächentemperatur der Decke eingestellt, welche annähernd gleich der mittleren Raumtemperatur ist.
Wird durch bauliche Auflagen bzw. durch sehr grosse Kühllasten eine Limite in der Geometrie der Kühlelemente erreicht, so wird der Wirkungsgrad der Kühllamellen durch Vergrösserung der freien Oberflächen innerhalb des Kanals erhöht.
Für sogenannte Hochleistungszonen können, wie im rechten Teil von Figur 3 zu erkennen ist, die Hinlauf-Kanäle SA und die Rücklauf-Kanäle 5B mit kleinen Luftaustausch öffnungen, z. B. mit Schlitzen 9 versehen sein, welche den Wärmeaustauschvorgang zwischen der Deckenelementwand und der das Deckenelement umgebenden Raumluft im Nahbereich des Wärmetauschers beschleunigt. Auf keinen Fall findet an dieser Stelle eine direkte Frischluftzuführung in die Aufenthaltszone des Raumes statt. Vielmehr bildet sich eine Art Mikroströmung ausschliesslich im Oberflächenbereich des Deckenelementes. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers 6.
Die vom Frischluftkanal 1 über den Volumenregler 3 in die Hinlauf-Kanäle 5A des Wärmetauschers 5 geführte Frischluft verliert über die vorzugsweise aus einem Metall oder einem anderen gut wärmeleitenden Material bestehenden Deckenelemente des Wärmetauschers einen Teil ihres Temperaturgefälles gegenüber der Raumluft. Auch bei ihrem Rückweg über die Rücklauf-Kanäle SB wird weiteres Wärmepotential von der Frischluft über den Wärmetauscher an die Raumluft abgegeben. Am Ausgang der Rücklauf Kanäle 5B wird die auf die zuvor beschriebene Weise nahezu auf Raumluft erwärmte Frischluft über den Diffusor 6 in den Raum eingeführt. Die aus dem Diffusor in den Raum eintretende Frischluft darf sich höchstens um 1 Grad C von der Raumtemperatur im Aufenthaltsbereich unterscheiden.
Die Austrittsgeschwindigkeit der aus dem Diffusor austretenden Frischluft beträgt grössenordnungsmässig 0,15 m/sec. Sie ist damit wesentlich geringer als die Austrittsgeschwindigkeit der in den Raum eingeführten Frischluft bei konventionellen Klimaanlagen, die ca. 1 bis 3 m/sec beträgt.
Die aus dem Diffusor 6 ausströmende Frischluft strömt nach unten in den Raum, wo sie ein Frischluftangebot bildet.
Verursacht durch die über den Raum verteilten diffusen Wärmequellen strömt die Frischluft horizontal zu den Wärmequellen und von diesen erwärmt vertikal zur Decke, wo sie den Deckenelementen entlang zu einem Austritt 10 strömt, der in den Abluftkanal 2 übergeht.
Ein nach oben gerichteter Warmluftstrom hat einen Zuluftstrom zur Folge, der direkt seitlich von der aus dem Diffusor 6 einströmenden Frischluft abgezweigt wird. Es bilden sich grössere Strömungswalzen, welche jedoch praktisch keine Turbulenzen verursachen, sondern eine Eigendynamik im Raum entwickeln, so dass im Raum vorhandene Hauptströmungen unterstützt werden. Solche Hauptströmungen sind die vom Diffusor 6 nach unten strömende Frischluft, Abzweigungen zu diffusen Wärmequellen, ferner die zur Fassadenseite hin gerichtete Strömung der Frischluft, schliesslich die im Fassadenbereich durch natürliche Aufheizung über die Fenster unterstützte Aufwärtsströmung sowie die Rückströmung im Deckenbereich entlang dem Wärmetauscher 5 zum Raumluftaustritt 10. Trotz der laminaren Frischlufteinführung in den Raum findet ein sehr guter Luftaustausch innerhalb des gesamten Raumes statt.
Dies ist in erster Linie auf die beschriebene Massnahmen im Hinblick auf eine optimale Ausnützung der Raumeigendynamik zurückzuführen.
Die Kombination von statischen Kühlflächen am Wärmetauscher 5 mit laminarem Lufteintritt über den Diffusor 6 sowie die Ausnützung der Eigendynamik für die Frischluftzufuhr des Raumes haben eine geringe, dem nicht klimatisierten Raum vergleichbare Raumluftgeschwindigkeit sowie eine gleichmässige Raumlufttemperaturverteilung im Aufenthaltsbereich zur Folge. Die Anlage arbeitet extrem geräuscharm und ist auch bei hohen Wärmelasten einsatzfähig, insbesondere wenn die Wärmetauscherelemente mit den zuvor erwähnten Mikro-Öffnungen 9 zur Verbesserung des Wärmeaustauschs versehen sind. Innerhalb des Raumes sind keine zusätzlichen Kanäle oder Installationsleitungen erforderlich. Die Höhe der Wärmetauscherelemente beträgt im typischen Beispiel ca. 15 cm, so dass die normale Raumhöhe für nichtklimatisierte Räume praktisch unverändert beibehalten werden kann.
Es sind also keine Doppeldecken nötig, welche bei konventionellen Klimaanlagen zusätzliche Raumhöhe erfordern. Durch die eigendynamische Raumluftströmung, die im wesentlichen von unten nach oben verläuft, und durch weitgehende Vermeidung einer Querströmung mit kontaminierter Luft wird die Schadstoffbelastung innerhalb der Raumluft äusserst gering gehalten.
Die Regelung der Frischluftzufuhr über den Volumenregler 3 erfolgt im Hinblick auf eine konstante Austrittstemperatur im Diffusor 6. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Temperatur der Primärluft, also der im Frischluftkanal 1 zugeführten Frischluft + 12 Grad Celsius, die Abluft im Abluftkanal 2 weist eine Temperatur von + 27 Grad Celsius auf, während die Raumtemperatur + 24 Grad Celsius beträgt. Die Differenztemperatur zwischen der Primärluft und der Abluft beträgt hier also 15 Grad Celsius.
Demgegenüber wird bei derzeit gebräuchlichen Klimaanlagen mit direkter Einführung der gekühlten Frischluft in den Raum mit einer Differenztemperatur von max. 8-10 Grad gearbeitet, was eine grössere Luftturbulenz und damit eine höhere Strömungsgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich und damit die unangenehmen störenden Nebeneffekte zur Folge hat.
Im einzelnen wird die gewünschte Austrittstemperatur und somit Raumtemperatur durch eine automatische Volumenstromanpassung, d. h. durch eine Temperatur-Volumen Kaskadenregelung erreicht. Dabei ist der das System führende Temperaturgeber, gegebenenfalls mit einem Messwandler, im Laminarflow-Diffusor 6 integriert. Das Regelungssystem arbeit nach dem Prinzip eines Variablen Volumenstromsystems WS .
Durch direkte Anordnung der Wärmetauscher 5 an der bauseitigen Decke 8, z. B. mit Hilfe von Montageschienen 13 gemäss Figur 3, kann die Decke mit ihrer Wärmespeicherkapazität direkt in das Wärmeaustauschsystem einbezogen werden. Dies übt eine zusätzliche stabilisierende Wirkung auf das Gesamtsystem und dessen Regelsystem aus und erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeaustausches.
In Abwandlung des beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels kann der Wärmetauscher auch in anderen geeigneten Bereichen des Raumes angeordnet sein. Wichtig ist auch in diesem Fall, dass die über den Frischluftkanal 1 zugeführte Frischluft zunächst den Wärmetauscher durchläuft und erst dann, nachdem sie nahezu auf Raumtemperatur erwärmt ist, in den Raum eingeführt wird.
Obwohl sich als Material für den Wärmetauscher 5 ein gut wärmeleitendes Material, z. B. ein Metall anbietet, kann er auch aus anderen Materialien, z. B. aus Kunststoff, gefertigt sein.
Der Einsatz einer derartigen Klimaanlage ist nicht auf die zuvor erwähnten Büro- oder Geschäftsräume beschränkt.
Auch in Test-, Labor- oder Fertigungsräumen, in denen ein ausgeglichenes Klima, insbesondere konstante Temperaturen verlangt werden, lässt sich die beschriebene Einrichtung mit Vorteil anwenden.