CH682513A5

CH682513A5 - Vorrichtung zur Klimatisierung von Räumen.

Info

Publication number: CH682513A5
Application number: CH3907/90A
Authority: CH
Inventors: Charly Cornu
Original assignee: Geilinger Ag
Priority date: 1990-12-10
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 1993-09-30
Also published as: PT99731A; EP0513289A1; WO1992010707A1

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung von Räumen, insbesondere von Büroräumen.

Durch die Klimatisierung soll vor allem im Sommer bei hoher Aussentemperatur und Sonneneinstrahlung eine niedrigere und dadurch angenehmer zu ertragende Innentemperatur in den zu klimatisierenden Räumen erreicht werden. Daneben muss ggf. auch noch für ausreichend Frischluft in den Räumen gesorgt werden.

Stand der Technik

Üblicherweise wird bei Klimaanlagen gekühlte Frischluft in die zu klimatisierenden Räume einge-blasen, wobei zur Kühlung der Luft Kältemaschinen verwendet werden.

Im Zuge von Energiesparmassnahmen wird zunehmend jedoch der Einsatz von Kältemaschinen für die Büroklimatisierung von staalichen Behörden nicht mehr genehmigt. Für die Klimatisierung müssen deshalb neue Konzepte gesucht werden.

Am einfachsten lässt sich eine Kühlung von Räumen natürlich erreichen durch ein Öffnen der Fenster während der Nacht. Wo dies nicht möglich oder erwünscht ist, muss auf eine mehr technische Lösung zurückgegriffen werden. So wurde bereits ein Konzept erarbeitet, bei dem die zu klimatisierenden Räume während der kühleren Nachtstunden intensiv durchlüftet und dadurch abgekühlt werden. Diese Lösung erfordert jedoch grosse Querschnitte der für den Lufttransport notwenigen Schächte und einen erheblichen Energiebedarf für den Lufttransport selbst. Der Platzbedarf der Luftschächte muss bei der Erstellung der Bauwerke berücksichtigt werden und wirkt sich vor allem auf die Geschosshöhe der Bauwerke nachteilig aus. Die während der Nachtstunden erzielbare Abkühlung der Räume ist dennoch nicht immer ausreichend, um auch während heisser Tage mit Aussentemperaturen um oder gar über 30°C die natürliche Erwärmung der Räume im Verlauf des Tages - u.a. durch die in den Räumen befindlichen Personen und die darin betriebenen Büromaschinen und Lampen - auf einen noch als angenehm oder zumindest erträglich empfundenen Temperaturwert begrenzen zu können.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, ein System zur Klimatisierung von Räumen anzugeben, das ohne Kältemaschine auskommt, durch welches selbst an heissen Tagen noch angenehme Temperaturen in den zu klimatisierenden Räumen aufrechterhalten werden können, das verhältnismässig wenig Betriebsenergie benötigt und das sich raumsparend installieren lässt.

Diese sowie weitere Aufgaben werden gemäss der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist demnach gekennzeichnet durch die Kombination einer wärmeaktiven Decke, in welcher Rohrleitungen eines Wärmetauschflüssigkeits-Kreislauf angeordnet sind, mit mindestens einer in diesen Kreislauf integrierten oder integrierbaren Wärmetauschvorrichtung, in welcher von der Wärmetauschflüssigkeit in den genannten Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme wenigstens teilweise durch Verdampfung einer weiteren Flüssigkeit an die Aus-senluft abgegeben wird.

Die Vorteile der Erfindung sind vor allem in folgenden Punkten zu sehen:

- Durch die Erfindung wird in energetisch günstiger Weise die natürliche Nachtkühle zur Raumkühlung ausgenützt;

- Die Anordnung der Rohrleitungen des Wärme-trägerflüssigkeits-Kreislaufs in der Decke verbessert die Wärmeabfuhr, da sich die warme Raumluft stets an der Decke sammelt;

- Die relative Feuchte von Aussenluft liegt üblicherweise weit unter 100%. Durch den Verdampfungs-prozess in der Wärmetauschvorrichtung lässt sich deshalb die Temperatur der Wärmetauschflüssigkeit erheblich (bis zu 10°C) unter die Temperatur der Aussenluft absenken.

- Im Vergleich mit der eingangs beschriebenen Durchlüftungslösung ist die erfindungsgemässe Klimatisierungsvorrichtung effektiver. Selbst während heisser Tage mit Aussentemperaturen um oder gar über 30°C kann die natürliche Erwärmung der Räume im Verlauf des Tages auf einen noch als angenehm oder zumindest erträglich empfundenen Temperaturwert begrenzt werden.

- Die für den Transport der Wärmetauschflüssigkeit erforderliche (elektrische Pump-)Energie ist bei gleichem Wärmetransport wesentlich (bis zu 20-fach) geringer als die Energie, die bei dem eingangs beschriebenen Durchlüftungsverfahren für den Betrieb der erforderlichen Gebläse aufgebracht werden muss.

- Bezieht man den Energieaufwand für den Betrieb der Wärmetauschvorrichtung mit ein, so ist der Energiebedarf bei der erfindungsgemässen Klimatisierungsvorrichtung immer noch wesentlich (bis zu 4-fach) günstiger als bei der eingangs beschriebenen Durchlüftungslösung.

- Für die Rohrleitungen des Wärmetauschflüssig-keits-Kreislaufs wird kein extra Raum im Gebäude benötigt. Mit der erfindungsgemässen Klimatisie-rungsvorrichtungs ausgestattete Gebäude können deshalb mit geringerer Geschosshöhe gebaut werden als Gebäude, beim denen die eingangs beschriebene Durchlüftungslösungs eingesetzt wird.

- Insgesamt ergibt sich gegenüber der eingangs beschriebenen Durchlüftungslösung bei gleich grossen zu klimatisierenden Räumen eine erhebliche Kostenersparnis.

Weiterbildungen sowie Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Hervorzuheben ist hier vor allem bei Räumen mit Betondecke die vorzugsweise Einbettung der Rohrleitungen des Wärmetauschflüssigkeits-Kreislaufs in den Beton der Betondecke, vorzugsweise in de-

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ren unterem Bereich. Dadurch dass der Wärmeaustausch zwischen dem Beton und der Wärmetauschflüssigkeit etwa doppelt so gross wie der zwischen der Raumluft und dem Deckenbeton ist, kann die Betonmasse der Decke in der Nacht unter den Wert der Temperatur der Raumluft abgekühlt werden. Die Betonmasse der Decke akkumuliert während der Nacht sozusagen «Nachtkühle» und wirkt auf Grund ihrer relativ grossen Wärmekapazität als Kältespeicher mit einer mehrstündigen Zeitkonstante. Die Erwärmung der zu klimatisierenden Räume während des Tages wird dadurch verzögert und auch reduziert.

Als Rohrleitungen können solche verwendet werden, wie sie heute üblicherweise für Fussbodenheizungen verwendet werden. Entsprechend kann die Art der Verlegung der Rohrleitungen in Serpentinen sowie ihr gegenseitiger Abstand gemäss den Regeln für Fussbodenheizungen vorgenommen werden. Auch können die Rohrleitungen in mehreren einzelnen, durch Ventile absprerrbaren Strängen verlegt werden. Die Rohrleitungen können z.B. vor dem Betonieren der Decke an der untersten Lage der Deckenbewehrung oder tiefer im Beton der Decke mittels spezieller Haltelemente befestigt werden.

Die wärmeaktive Decke kann auch durch eine Konstruktion aus selbsttragenden, gerippten oder profilierten Blechen gebildet sein, wobei die Rohrleitungen zwischen Rippen oder in nutenartigen Vertiefungen dieser Bleche eingebettet sind.

Mit Vorteil werden auch hierbei wieder die Rohrleitungen zwischen den Rippen der Bleche oder in den nutenartigen Vertiefungen in Mörtel oder Beton eingebettet.

Als Wärmetauschvorrichtung geeignet ist insbesondere ein Hybridkühlturm. Bei einem Hybridkühlturm fliesst die Wärmetauschflüssigkeit durch aus-senseitig mit einer weiteren Flüssigkeit berieselte und von der Aussenluft umströmte Kanäle.

Anstatt eines Hybridkühlturms kann auch eine Kombination eines Wärmetauschers mit einem Hybridkühlturm vorgesehen werden, wobei der Wärmetauscher von der durch die Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke fliessenden Wärmetauschflüssigkeit und einer zweiten Wärmetauschflüssigkeit ohne direkte gegenseitige Berührung durchströmt wird. Im Wärmetauscher wird die von der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme wenigstens teilweise auf die weitere Wärmetauschflüssigkeit übertragen. Die zweite Wärmetauschflüssigkeit fliesst dann im Hybridkühlturm durch aussenseitig mit einer weiteren Flüssigkeit berieselte und von der Aussenluft umströmte Kanäle und gibt dabei ihrerseits wenigstens teilweise die im Wärmetauscher aufgenommene Wärme an die Aussenluft ab. Insbesondere zur Vermeidung von Vereisungsproblemen kann die zweite Wärmetauschflüssigkeit ein Frostschutzmittel mit einen gegenüber der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit erniedrigten Gefrierpunkt sein.

Alternativ kann als Wärmetauschvorrichtung auch eine Kombination eines Wärmetauschers mit einem von der Aussenluft durchströmten Nasskühlturm eingesetzt werden. Der Wärmetauscher wird dabei, wie im Beispiel zuvor, von der durch die Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke fliessenden Wärmetauschflüssigkeit und einer zweiten Wärmetauschflüssigkeit ohne direkte gegenseitige Berührung durchströmt. Im Wärmetauscher wird, wie zuvor erläutert, die von der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme wenigstens teilweise auf die zweite Wärmetauschflüssigkeit übertragen. Nachfolgend wird die zweite Wärmetauschflüssigkeit durch Verrieselung in dem Nasskühlturm im Gegenstrom der Aussenluft abgekühlt.

Die Zirkulation der Wärmetauschflüssigkeit/en wird mittels Pumpen aufrechterhalten. Als Wärmetauschflüssigkeit kommt in erster Linie Wasser in Frage, ggf. mit die Korrosion verhindernden Zusätzen oder mit Zusätzen zur Gefrierpunktserniedrigung.

Die erfindungsgemässe Klimatisierungsvorrichtung lässt sich mit Vorteil nicht nur zur Raumkühlung im Sommer, sondern daneben auch zu Heizzwecken im Winter verwenden. Dazu wird in den Wärmetauschflüssigkeits-Kreislauf alternativ zu der Wärmetauschvorrichtung einfach eine Wärmequelle integriert. Von Bedeutung für die Wirksamkeit dieser Heizung ist die Tatsache, dass die zur Heizung erforderliche Heizleistung selbst bei extrem niedrigen Aussentemperaturen im Winter wesentlich geringer als die zur Kühlung benötigte Kühlleistung im Sommer ist. Die für eine optimale Kühlung im Sommer speziell ausgebildete erfindungsgemässe Klimavorrichtung kann daher, insbesondere bei gut isolierten Bürogebäuden, durchaus für die erforderliche Raumheizung im Winter ausreichend sein.

Eine Begrenzung der Heizleistung ergibt sich insofern, als eine Wärmeabgabe über die Decke von mehr als etwa 12-15 W/m2 als unangenehm empfunden wird. Andererseits ist auch die maximale Kühlleistung begrenzt durch die Tatsache, dass bei einer Deckentemperatur unterhalb von etwa 18°C die Gefahr von Kondenswasserbildung an der Dek-ke besteht.

Zur noch besseren Ausnutzung von Nachtkühle oder Tageswärme kann das erfindungsgemässe System auch noch um einen an den Wärmetausch-flüssigkeits-Kreislauf anschliessbaren Kälte- oder Wärmespeicher ergänzt werden.

Im Hinblick auf die meist auch noch erhobene Forderung nach einer ausreichenden Frischluftzufuhr kann schliesslich auch noch eine Verdrängungslüftung der Räume vorgesehen sein. Diese Art der Frischluftzufuhr ist speziell geeignet zur Anwendung im Rahmen der erfindungsgemässen Klimatisierungsvorrichtung. Dabei wird Frischluft mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit und einer Temperatur nur wenig unterhalb der Raumtemperatur in Bodennähe in die zu klimatisierenden Räume eingeführt wird, und zwar derart, dass sich in Bodennähe ein Frischluftsee ausbilden kann. In der Nähe der Decke, vorzugsweise auf einer gegenüberliegenden Raumseite, wird dann die gleiche, zwischzeitlich erwärmte und aufgestiegene Luftmenge aus den Räumen abgezogen.

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungs-beispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen Büroraum mit einem wärmeaktiven Decke sowie einer Verdrängungslüftung;

Fig. 2 schematisch einen Wärmetauschflüssig-keits-Kreislauf mit einem Hybridkühlturm;

Fig. 3 in einem Diagramm die mit einem System nach der Erfindung theoretisch erreichbare Abkühlung;

Fig. 4 in einem Diagramm den Verlauf der Aus-senlufttemperatur, während einer Sommerwoche gegen einen typischen zugehörigen Verlauf der In-nenluftemperatur eines erfindungsgemäss klimatisierten Raumes sowie der zugehörigen Temperatur der Wärmetauschflüssigkeit; und

Fig. 5 in einem Histogramm die sich ergebende zugehörige Häufigkeitsverteilung der Innenlufttemperaturen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 1 ein Büroraum bezeichnet. In der Betondecke 2 des Büroraumes 1 sind Rohrleitungen 3 wie sonst bei Fussbodenheizungen im Fussboden üblich eingebettet. Die Rohrleitungen 3 sind Teil eines Wärmetauschflüssigkeits-Kreisiaufs 4, welcher in Fig. 2 dargestellt ist. Weiter integriert in diesen Kreislauf ist ein Hybridkühlturm 5. Dieser weist Kanäle 6 auf, durch welche die Wärmetauschflüssigkeit strömt. Ein Ventilator 7 sorgt für einen Strom von Aussenluft an den Kanälen 6 entlang. Neben dem Kreislauf 4 ist eine weiterer Flüssigkeitskreislauf 8 vorgesehen. Durch diesen Kreislauf 8 werden die Kanäle 6 mit einer zur Verdampfung vorgesehenen Flüssigkeit von oben berieselt. Zur Erzeugung einer Stömung im Kreislauf 4 dient eine Pumpe 9. Im Kreislauf 8 sind dazu entsprechend zwei Pumpen 10 und 11 vorgesehen.

Die Funktion des vorbeschriebenen Systems ist wie folgt: Die im Hybridkühlturm verrieselte und an den Kanälen 6 nach unten fliessende Flüssigkeit des Kreislaufs 8 verdampft zum Teil unter Erhöhung der Feuchtigkeit der durch den Hybridkühlturm 5 strömenden Aussenluft. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird der durch die Kanäle 6 strömenden Wärmetauschflüssigkeit des Kreislaufs 4 entzogen. An den Kanälen 6 nicht verdampfte Flüssigkeit wird durch Auffangvorrichtungen 12 aufgefangen und zu einem im Kreislauf 8 angeordneten Vorratsgefäss 13 zugeführt.

Anhand des Diagramms von Fig. 3 lässt sich ablesen, dass z.B. bei einer Aussenluft mit einer Temperatur von 32°C und einer relativen Feuchte von 42% (Punkt A) auf die vorbeschriebene Weise theoretisch eine Temperaturreduktion auf 21,8°C (Punkt B) ereichbar ist.

Fig 4. zeigt einen zu erwartenden typischen zeitlichen Verlauf der Temperatur (Kurve I) in einem mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung der vorbeschriebenen Art klimatisierten Raum in einem gut isolierten Bürogebäude während einer Hochsommerwoche. Der Verlauf der Aussentemperatur ist im unteren Teil von Fig. 4 dargestellt. Daneben ist auch der Verlauf der Temperatur der in der Decke des klimatisierten Raumes zirkulierenden Wärmetauschflüssigkeit dargestellt (Kurve II). Deutlich erkennbar sind die täglichen Schwankungen, wobei die Innenraumtemperatur am Montag morgen bei etwa 20°C liegt. Im Verlauf der Woche ergibt sich bedingt durch die Wärmeabstrahlung der in den Räumen betriebenen elektrischen Einrichtungen sowie auch durch die Wärmeabgabe der sich in den Räumen aufhaltenden Personen von Tag zu Tag ein gewisser mittlerer Temperaturzuwachs. Dieser wird jedoch am folgenden arbeitsfreien Wochenende wieder ausgeglichen.

Die täglichen Temperaturschwankungen, die für die Aussentemperatur mehr als 15°C betragen, sind durch die erfindungsgemässe Klimatisierungsvorrichtung auf lediglich nur etwa 5,5°C reduziert.

Die Innenraumtemperatur geht über den Wert von 26,5°C nicht hinaus. Wie inbesondere anhand des Histogramms von Fig. 5 zu erkennen ist, wird auch dieser Wert nur gegen Ende der Woche sowie kurzfristig vor Büroschluss erreicht, wohingegen die Innenraumtemperatur für den grössten Teil der Bürozeit bei noch komfortabel zu ertragenden 23-25°C liegt.

In Fig. 1 ist schliesslich noch mit 14 ein Rohrleitungssystem einer Verdrängungslüftung dargestellt. Durch diese wird fensterseitig aus dem Fussboden heraus Frischluft mit äusserst geringer Strömungsgeschwindigkeit und daher praktisch unhörbar in den Raum 1 eingeführt. Da die eingeführte Frischluft weiter eine etwas geringere als die Raumtemperatur aufweist bildet sie im Fussbodenbereich des Raumes 1 einen Frischluftsee. Erwärmt beispielsweise durch die Körpenwärme der in dem Raum sich aufhaltenden Personen steigt sie dann nach oben zur Decke und wird dort über Abluftschächte 15 abgeführt.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Klimatisierung von Räumen, insbesondere von Büroräumen, gekennzeichnet durch die Kombination einer wärmeaktiven Decke (2), in welcher Rohrleitungen (3) eines Wärme-tauschflüssigkeits-Kreislaufs (4) angeordnet sind, mit mindestens einer in diesen Kreislauf integrierten oder integrierbaren Wärmetauschvorrichtung (5), in welcher von der Wärmetauschflüssigkeit in den genannten Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme wenigstens teilweise durch Verdampfung einer weiteren Flüssigkeit an die Aussenluft abgegeben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Räumen mit Betondecke die genannten Rohrleitungen im Beton der Betondecke, vorzugsweise in deren unterem Bereich, eingebettet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeaktive Decke durch eine Konstruktion aus selbsttragenden, gerippten oder profilierten Blechen gebildet wird, wobei die

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Rohrleitungen zwischen Rippen oder in nutenartigen Vertiefungen dieser Bleche eingebettet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen zwischen den Rippen der Bleche oder in den nutenartigen Vertiefungen in Mörtel oder Beton eingebettet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung ein Hybridkühlturm ist, durch welchen die Wärmetauschflüssigkeit in aussenseitig mit einer weiteren Flüssigkeit berieselten und von der Aussenluft umströmten Kanälen (6) fliesst.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung eine Kombination eines Wärmetauschers mit einem Hybridkühlturm ist, wobei der Wärmetauscher von der bereits genannten und einer zweiten Wärmetauschflüssigkeit ohne direkte gegenseitige Berührung durchströmt wird, wobei die zweite Wärmetauschflüssigkeit im Hybridkühlturm durch aussenseitig mit einer weiteren Flüssigkeit berieselte und von der Aussenluft umströmte Kanäle fliesst, wobei die von der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit in den Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme in dem Wärmetauscher zunächst wenigstens teilweise auf die zweite Wärmetauschflüssigkeit übertragen und von dieser in dem Hybridkühlturm wiederum wenigstens teilweise an die Aussenluft abgegeben wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauschflüssigkeit ein Frostschutzmittel ist und gegenüber der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit einen tieferen Gefrierpunkt aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung eine Kombination eines Wärmetauschers mit einem von der Aussenluft durchströmten Nasskühlturm ist, wobei der Wärmetauscher von der bereits genannten sowie einer zweiten Wärmetauschflüssigkeit ohne direkte gegenseitige Berührung durchströmt wird, wobei die von der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit in den Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme in dem Wärmetauscher zunächst wenigstens teilweise auf die weitere Wärmetauschflüssigkeit übertragen und nachfolgend durch Verrieselung der zweiten Wärmetauschflüssigkeit in dem Nasskühlturm an die Aussenluft wiederum wenigstens teilweise abgegeben wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation der Wärmetauschflüssigkeit/en mittels Pumpen (10, 11, 13) aufrechterhalten wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

9, weiter gekennzeichnet durch eine in den Wärme-tauschflüssigkeits-Kreislauf integrierbare Wärmequelle.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

10, weiter gekennzeichnet durch einen an den Wär-metauschflüssigkeits-Kreislauf anschliessbaren Wärme- und/oder Kältespeicher.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

11, weiter dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Verdrängungslüftung der Räume vorgesehen ist, bei welcher Frischluft mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit und einer Temperatur nur wenig unterhalb der Raumtemperatur in Bodennähe in die Räume eingeführt wird und zwar derart, dass sich in Bodennähe ein Frischluftsee ausbilden kann und bei welcher weiter die gleiche Luftmenge in Deckennähe aus den Räumen abgezogen wird.

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