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Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes durch Zu- bzw. Abführung
von Strahlungswärme und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Klimatisierung eines zum Aufenthalt von Personen
dienenden Raumes durch Zuführung oder Entzug von Wärme, vorwiegend in Form von Strahlung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden einerseits die Strahlungstemperaturen
im Raum homogenisiert und nach den verschiedenen Richtungen hin ausgeglichen und
andererseits die für die Behaglichkeit maßgebende und für den Grundumsatz des Menschen
wirksame Umgebungstemperatur automatisch innerhalb der Behaglichkeitszone gehalten.
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Bei der bisherigen Klimatisierung von Wohn- und Arbeitsräumen ist
im allgemeinen keine Rücksicht auf den Umstand genommen worden, daß die Umfassungswände
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 Innenstore
unangenehm bemerkbar. Diese Erscheinung wird erfahrungsgemäß häufig an Gebäuden
beanstandet, die in moderner Leichtbauweise mit verhältnismäßig dünnen Wänden ausgeführt
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.
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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.
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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 große Schwierigkeiten.
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Bei einer Klimatisierung mit Radiatoren, Klimakonvektoren oder Lüftungsanlagen
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, die Luft so stark gekühlt werden, daß der dem Fenster abgewendeten
Seite des Körpers zu viel Wärme entzogen wird.
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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 Strahlungsheizung 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 hoch 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.
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Alle diese Mängel der bekannten Klimatisierungsverfahren 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 Reflektion an reflektierenden Schichten der Begrenzungsflächen des Raumes
- zum überwiegenden Teil durch eine als Quelle oder Senke wirkende Strahlungsfläche,
welche mindestens so groß wie die vor der Sonnenstrahlung nicht abgeschirmte Fensterfläche
ist, zugeführt oder entzogen wird, daß weiterhin die Strahlungstemperatur dieser
Fläche auf einem konstanten Wert im Bereich von 25 bis 15° C gehalten ist und daß
schließlich gleichzeitig die Luft im Raum in an sich bekannter Weise durch stabile
Schichtung bzw. durch gleichmäßige Verteilung der eingeblasenen Zuluft überall nahezu
im Gleichgewichtszustand gehalten wird. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
daß die zur Zu- oder Abführung von Wärme dienende Strahlungsfläche als temperierte
Fläche mit hohem Emissionsvermögen ausgebildet und deren Temperatur durch eine Heiz-bzw.
Kühlanlage mit Regeleinrichtung im Bereich von 25 bis 15° C konstant gehalten wird
und daß vorzugsweise die durch große Wärmeeindringzahl gekennzeichneten Teile der
nicht temperierten Begrenzungsflächen, welche abweichende Oberflächentemperaturen
aufweisen, mit einer Schicht versehen sind, die für die Temperaturstrahlung von
300° K ein vergleichsweise geringes Emissionsvermögen besitzt, die Strahlung der
temperierten Fläche aber mit geringen Verlusten vorzugsweise diffus reflektiert.
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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.
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Wände großer Wärmeeindringzahl wirken also, sofern sie nicht besonders
gut nach außen isoliert sind, im Winter als »Eisberge« und im Sommer als »Glutofen«.
Werden diese Wände aber raumseits mit Schichten versehen, die mindestens im Wellenlängenbereich
von 3,5 ... 35 #t 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.
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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 größer als die nicht abgeschirmte Fensterfläche gemacht.
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Gemäß einem weiteren Gedanken 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 bis 35
[, reichenden Spektrum transparent sind, bleibt diese Eigenschaft der dünnen Metallschicht
auch dann noch erhalten, wenn sie durch den Polyäthylen- 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 kurzwellig 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 wärmetragenden 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.
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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 Klimatisierungsverfahren erforderlichen Heiz- und Kühlleistung
eingespart wird.
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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.
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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
welche die für den Grundumsatz des Menschen wirksame Umgebungstemperatur
To durch die Strahlungstemperatur T5 und die Raumlufttemperatur
TL
bestimmt, kommt dies darin zum Ausdruck, daß der Strahlungsleitwert KT
im zugfreien Raum mit ausgeglichener Strahlungstemperatur größer ist als der Konvektionsleitwert
K..
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Daher kann ein behagliches Klima, bei welchem der menschliche Körper
weder eine Wärmestauung noch eine Abkühlung erleidet, innerhalb eines Raumes vorteilhafterweise
dadurch erreicht werden, daß die Raumluft durch Lüftung auf einer konstanten Temperatur
tL gehalten wird, die kleiner als 20° C, z. B. nur 15° C ist, und daß eine übermäßige
Entwärmung der im Raum sich aufhaltenden Personen durch eine konstante höhere Strahlungstemperatur
ts der Strahlungsfläche kompensiert wird. Die Strahlungstemperatur ts ist dabei
nach einer genaueren Untersuchung in Abhängigkeit von der gewählten Lufttemperatur
bestimmt durch die Beziehung: ts =A (20° C - tL) -h (19 ± 2)° C.
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Hierbei ist die Größe A eine Konstante, die bei ruhender Luft etwa
den Wert 0,14 und bei mit 0,09 m/s in horizontaler Richtung strömender Luft etwa
den Wert 0,40 hat. Gemäß dieser Beziehung kann z. B. im Winter bei einer Raumlufttemperatur
von -f-10° C ein als erfrischend empfundenes, behagliches Raumklima mit einer Strahlungstemperatur
von nur 20,5 bzw. 23,0° C erzielt werden. Andererseits kann im Sommer z. B. bei
einer Raumlufttemperatur von 30° C das Hitzegefühl bereits mit einer Strahlungstemperatur
von 17,8 bzw. 15,0° C beseitigt werden.
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Nun weicht aber, wie schon erwähnt, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Oberflächentemperatur der als Strahlungsquelle ausgebildeten Fläche nur wenig
von der Strahlungstemperatur ts 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, d. h. 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.
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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. Andererseits 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.
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Grundsätzlich ist die Raumlufttemperatur tL mit einer zusätzlichen
Lüftungsklimatisierung frei wählbar. Aber auch wenn ausschließlich nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren 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 Lüftungsklimatisierung 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.
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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 bedeckenden, reflektierenden Schichten
in einem solche Maße einander anzugleichen, daß die verbleibende Luftkonvektion
eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m/s nicht übersteigt.
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Gemäß einem anderen Gedanken der Erfindung können die Luftkonvektionen
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 kaltem Teil der Decke mit einer luftundurchlässigen
Schicht ab, die im Spektralbereich der Temperaturstrahlung von 300° K transparent
ist.
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Dem Abfall kalter Luft am Fenster und an 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, welche 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.