DE19750236C2

DE19750236C2 - Gebäudeklimatisierungssystem

Info

Publication number: DE19750236C2
Application number: DE19750236A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Laier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: DE19750236A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Klimatisierung von Innenräumen in Gebäuden.

Die Kühlung der Raumluft von Innenräumen ist in heißen Klimazonen bzw. während des Sommers erforderlich für das Wohlbefinden der sich dort aufhaltenden Personen. Dies gilt insbesondere für Innenräume, die im Geschäfts- oder Bürobereich als Arbeitsplätze dienen soffen. Zudem führen gestiegene Ansprüche an den Komfort zu einem zunehmenden Einsatz der Klimatisierung.

In der Regel wird eine Abkühlung der Raumluft durch klassische Klimaanlagen erzielt, bei denen nach dem Prinzip einer Kühlmaschine (Kühlschrank) unter Einsatz von zumeist elektrischer Energie und mit Hilfe eines Absorptionsmediums die Raumluft abgekühlt wird. Nachteilig bei diesen Anlagen ist zum einen der hohe Verbrauch wertvoller elektrischer (Sekundär-)Energie, zum anderen sind die eingesetzten Absorptionsmedien in der Regel Halogenkohlenwasserstoffe (FCKW). Diese sind jedoch als Verursacher des sog. "Treibhauseffektes" (Abbau der Ozonschicht) wegen ihrer Umweltschädlichkeit zu vermeiden.

Es hat daher verschiedene Ansätze gegeben, die Nachteile der herkömmlichen Klimaanlagen durch den Einsatz anderer technischer Prinzipien zu vermeiden. So ist z. B. der Einsatz von Solarenergie für den Betrieb einer Absorptions kältemaschine beschrieben worden ("Kölner Pilotprojekt: Verwaltungsgebäude solar gekühlt", HLH Bd. 46, 1995, Nr. 12, Dezember, S. 592, 593). Damit ist zwar die verbrauchte elektrische Energie umweltfreundlich erzeugt, jedoch erfordert diese Anlage eine technisch aufwendige und sensible Absorptionskältemaschine, die zudem ökologisch bedenkliche Materialien enthält.

Eine andere Art der Klimatisierung nutzt die Aufnahme von latenter (Verdampfungs-)Energie durch Wasser, um eine Abkühlung der Raumluft zu erreichen. So beschreibt die DE-PS 419 092 die Verdunstung von Wasser in Hohlräumen in Wänden. Die für die Verdunstung notwendige Energie wird dabei über die Wände der Raumluft entzogen. Nachteilig ist hierbei jedoch die notwendige Umgestaltung der Wände, die mit anderen Bauanforderungen (z. B. Statik) in Konflikt steht. Zudem behindert die dauernde Befeuchtung der Wände die Nutzung des Innenraumes und kann zur Zerstörung der Wand (Pilzwachstum) führen. Ferner geht bei Außenwänden die Hälfte der Kühlleistung nach außen verloren.

Die US-2,660,863 beschreibt dagegen ein System, bei dem Regenwasser in einem Vorratstank gespeichert wird und hieraus im Kreislauf über den Kondensator eines herkömmlichen Kühlgerätes zum geneigten Dach des Hauses geführt wird, welches es breitflächig überströmt, um schließlich über Regenrinnen wieder dem Vorratstank zugeführt zu werden. Während des Überströmens des Hausdaches findet eine teilweise Verdunstung des Wassers statt. Nachteilig hieran ist, daß die Verdunstung nur zu einer Kühlung des darunterliegenden Dachbodens führt und zudem ein großer Anteil der Kühlleistung unmittelbar in die Umgebung verloren geht. Die Abkühlung der anderen Innenräume muß daher mit konventionellen Klimageräten durchgeführt werden mit den bekannten Problemen (Energieverbrauch, FCKW).

Die FR-2 586 089 beschreibt ein System, welches ohne herkömmliche Kühlgeräte auskommt, indem Außenluft durch Öffnungen in der Außenwand angesaugt und durch einen porösen, stets feucht gehaltenen Abschnitt der Innenwand geleitet wird. Nachteilig ist hierbei wiederum, daß ein erheblicher Teil der Wandfläche besonders ausgestaltet werden muß und durch seine Feuchte für eine normale Nutzung unbrauchbar ist. Dementsprechend soll das genannte System auch vornehmlich in großen Hallen eingesetzt werden.

Darüber hinaus ist aus der DE-PS 301 491 bekannt, die Kanäle einer Klimaanlage von Zeit zur Zeit mit Wasser zu besprühen, um sie einer Reinigung zu unterziehen.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren und eine Anlage zur Klimatisierung von Innenräumen in Gebäuden zur Verfügung zu stellen, welche im wesentlichen ohne elektrische Energie zur Kühlung und eine Umgestaltung der Gebäudewände auskommen und vorhandene natürliche Ressourcen (Wasser, Sonne, Wind) nutzen. Zugleich soll neben der Kühlung auch eine Befeuchtung der Raumluft möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Anlage zur Klimatisierung von Innenräumen in Gebäuden gelöst mit einem Kontaktbereich, in welchem Außenluft zur Kühlung und Befeuchtung über eine Wasseroberfläche geführt wird, und mit Einlässen für die gekühlte und befeuchtet Außenluft in die Innenräume, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kontaktbereich mit der Wasseroberfläche unterhalb des Gebäudes angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Kontaktbereiches von Außenluft und Wasseroberfläche unterhalb des Gebäudes (statt in den Wänden oder dergleichen) hat den Vorteil, daß über dem Kontaktbereich ein "normales" Gebäude errichtet werden kann. Der Kontaktbereich verschwindet optisch und nimmt keinen anderweitig benötigten Platz weg. Zudem ist er nach oben durch das Gebäude selbst isoliert, und eine etwaige Abgabe von Kühlleistung nach oben geht nicht verloren, sondern wird quasi als "Fußbodenkühlung" genutzt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, bei welchem Außenluft zur Kühlung und Befeuchtung über eine Wasseroberfläche geführt und anschließend in die Innenräume geleitet wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Vorrichtung der oben genannten Art verwendet wird, bei der die Wasseroberfläche unterhalb des Gebäudes angeordnet ist.

Eine derartige Anordnung der Wasseroberfläche hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß keinerlei nachteilige Veränderungen an den Wänden erforderlich sind, insbesondere keine Befeuchtung der Wände. Diese können also in herkömmlicher Weise hinsichtlich Statik, Isolierung (für kalte Jahreszeiten) und Nutzung ausgestaltet werden. Ferner verschwindet die zur Kühlung benötigte Wasseroberfläche komplett unter dem Gebäude, d. h. sie fällt optisch nicht störend auf und nimmt auch keinen wertvollen Platz weg. Zudem wird sie vom Gebäude nach oben hin isoliert, so daß kein Verlust an Kühlleistung zur Umgebungsluft hin stattfindet. Wenn z. B. aufgrund der Außentemperaturen keine Kühlung erforderlich ist, kann diese einfach abgestellt werden (z. B. durch Beenden der Zufuhr von Außenluft oder durch Leeren der Wasseroberfläche), und das Gebäude ist in einem "normalen" Betriebszustand.

Die zur Kühlung und Befeuchtung dienende Wasseroberfläche hat vorzugsweise eine Größe von 10 bis 100%, vorzugsweise 50 bis 80% der Gebäudegrundfläche. Eine große Fläche garantiert einen guten Kontakt der Außenluft mit dem Wasser und damit eine wirksame Abkühlung. Andererseits ist die Flächengröße durch die verfügbare Wassermenge und die unterkammerbare Fläche des Gebäudes begrenzt. Die genannte Größe der Wasseroberfläche kann allerdings effektiv sehr viel größer sein als angegeben, wenn sie durch bauliche Maßnahmen (Stufen, Poren etc.) eine stark unebene Form bekommt.

Vorzugsweise ist die Wasseroberfläche unter dem Gebäude ganz oder teilweise geneigt, insbesondere mit einem Gefälle von 1 bis 10%. Eine derartige Neigung der Wasseroberfläche bedingt, daß sich das Wasser im Fluß befindet. Hierdurch wird sichergestellt, daß es ständig gut durchmischt ist, was die Verdunstung und Wärmeübertragung fördert. Die Neigung der Wasseroberfläche wird durch eine geneigte Wasserrampe erzeugt, welche sich zwischen zwei Wasserreservoiren befindet. Vorzugsweise befinden sich im Weg des Wassers ein oder mehrere "Wasserfälle", d. h. Stufen, über die das Wasser turbulent strömt und in innigen Kontakt mit der Luft kommt. Außerdem begünstigen derartige Wasserfälle die Vernebelung von Wassertröpfchen und damit die Befeuchtung und Kühlung der Luft.

Bei der Führung des Wassers über eine geneigte Wasserrampe wird das Wasser vorzugsweise im Kreislauf geleitet, damit auch begrenzte Wasservorräte optimal ausgenutzt werden können. Zu diesem Zweck wird das Wasser nach Erreichen des unteren Sammelbeckens über eine Rückleitung in das obere Wasser reservoire zurückgepumpt.

Aus ökologischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, wenn die erfindungs gemäße Wasseroberfläche durch gesammeltes und ggf. gefiltertes Regenwasser gebildet wird. Damit wird der Verbrauch von wertvollem aufbereitetem Trinkwasser vermieden, was auch eine ökonomische Ersparnis bedeutet. Bei einem Gebäude steht im übrigen ohnehin Regenwasser vom Dach in ausreichender Menge und durch Rinnen gesammelt zur Verfügung. Nach der Nutzung des Wassers zur Klimatisierung der Außenluft kann dieses darüber hinaus als Brauchwasser weiterverwendet werden (z. B. für Toiletten, Urinale).

Die Außenluft wird in der Regel durch Einlässe an der Unterseite (mindestens) einer Gebäudewand angesogen und in den Kontaktbereich unter dem Gebäude geführt. Dort wird sie möglichst großflächig über die Wasseroberfläche geleitet, um nach erfolgter Kühlung und Befeuchtung durch Bodeneinlässe in die Innenräume geführt zu werden. Selbstverständlich kann die Luft auch an anderen Stellen in die Räume geleitet werden. Die Zufuhr über den Boden hat allerdings den Vorteil, daß die gesamte Raumluft äußerst effektiv ausgetauscht wird. Nach Durchströmen der Innenräume verläßt die Luft das Gebäude wieder, und zwar vorzugsweise durch (regulierbare) Öffnungen im Dach.

Die Luftströmung kann allein durch Schwerkraft (Thermik) aufrechterhalten werden. Insbesondere ist es jedoch auch möglich, durch Ventilatoren vor den Bodeneinlässen, in den Räumen und/oder im Dach die Konvektion zu unterstützen.

Weiterhin ist es möglich, die Außenluft vor Eintritt in das Gebäude durch Filter zu leiten und damit Staub, Pollen, etc. aus dem Gebäude fernzuhalten.

Um in dem Gebäude optimale Klimabedingungen nach den Wünschen der sich dort aufhaltenden Personen sicherzustellen, ist es ferner bevorzugt, ein Regelungssystem einzusetzen. Dieses ermöglicht die Einstellung gewünschter Werte für Raumtemperatur und/oder Raumfeuchte durch eine rückgekoppelte Kontrolle der Parameter, die die Kühlung und Befeuchtung der Außenluft bedingen. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Flußrate der Außenluft, die Größe der Wasseroberfläche und die Fließgeschwindigkeit des Wassers über der Wasseroberfläche.

Sofern durch den Einsatz von Ventilatoren, Pumpen und Regelungssystemen eine gewisser Bedarf für Fremdenergie entsteht, wird dieser soweit wie möglich aus regenerativen Energiequellen, insbesondere Sonnen- und/oder Windenergie gedeckt. Damit wird die Umweltfreundlichkeit der natürlichen Gebäude klimatisierung erhalten und abgerundet. Außerdem ist die Anlage damit unabhängig vom öffentlichen Stromnetz.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur beispielhaft erläutert.

Die Figur zeigt ein Gebäude 2 mit hallenartigen Innenräumen 1. Zur Klimatisierung wird durch das Gebäude 2 Außenluft 3 geleitet, welche am unteren Ende einer Gebäudeseitenwand unter das Gebäude 2 geführt wird und von dort durch Bodeneinlässe 8 in die Innenräume 1 eintritt. Nach Durchströmen des gesamten Innenraumes verläßt die Luft das Gebäude 2 schließlich wieder über Auslasse 9 im Dach. Diese Auslasse 9 können vorzugsweise stufenlos zu öffnen und zu schließen sein, was insbesondere durch ein Regelungssystem automatisch vorgenommen werden kann.

Die eigentliche Klimatisierung der Außenluft findet im Kontaktbereich 11 unterhalb des Gebäudes 2 statt. In diesem Kontaktbereich 11 wird die Luft dicht über eine Wasseroberfläche 4 geführt, so daß es zu einem Wärmeaustausch zwischen Luft und Wasser kommt, bei dem sich die (in der Regel wärmere) Luft abkühlt. Insbesondere wird aber auch durch die Verdunstung des Wassers der Luft die dazu notwendige latente Wärme entzogen. Gleichzeitig wird die Luft dabei durch die Aufnahme des Wassers befeuchtet.

Die Wasseroberfläche 4 befindet sich im wesentlichen über einer geneigten Wasserrampe 12, welche von einem Regenwasserstaubecken 5 zu einem Regen wasserbehälter 6 führt. Durch die Neigung der Wasseroberfläche 4 befindet sich das Wasser im Fluß, wodurch der Kontakt zur Luft und der Wärmeaustausch erheblich verbessert werden. Zudem können sich entlang des Wasserweges Stufen befinden, an denen Wasserfälle gebildet werden, was die Vernebelung des Wassers unterstützt.

Bei dem als Kühlmittel verwendeten Wasser handelt es sich um Regenwasser. Dieses wird durch das Dach aufgefangen und über Dachregenrinnen 13 in einem Regenwasserstaubecken 5 gesammelt. Dabei kann es zuvor durch Filter 10 geführt und dabei gereinigt werden. Die Füllhöhe und der Wasseraustritt des Beckens 5 sind vorzugsweise automatisch regelbar. Aus dem Regen wasserbehälter 6 (mit einem typischen Fassungsvermögen von ca. 200 m³) kann das Regenwasser zur weiteren Verwendung als Brauchwasser für Toiletten spülung etc. entnommen werden. In der Abbildung nicht dargestellt ist eine Rückführung des Wassers vom Regenwasserbehälter 6 zum Becken 5.

Claims

1. Anlage zur Klimatisierung von Innenräumen (1) in Gebäuden (2) mit einem Kontaktbereich (11), in welchem Außenluft (3) zur Kühlung und Befeuchtung über eine Wasseroberfläche (4) geführt wird, und mit Einlässen (8) für die gekühlte und befeuchte Außenluft (3) in die Innenräume (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbereich (11) mit der Wasseroberfläche (4) unterhalb des Gebäudes (2) angeordnet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseroberfläche (4) eine Größe von 10 bis 100%, vorzugsweise 50 bis 80% der Gebäudegrundfläche hat.

3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseroberfläche (4) über einer geneigten Wasserrampe (12) gebildet wird, wobei die Neigung der Wasserrampe (12) vorzugsweise 1 bis 10% beträgt.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserrampe (12) Stufen zur Eizeugung von Wasserfällen (7) enthält.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Sammelbecken (5, 6) enthält, zwischen denen die Wasserrampe (12) angeordnet ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Rückleitung mit einer Pumpe enthält, mittels derer das Wasser im Kreislauf über die geneigte Fläche geführt wird.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Zuführungen für gesammeltes Regenwasser zum Kontaktbereich (11), vorzugsweise Dach regenrinnen (13), enthält.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuführungen (Dachregenrinnen 13) für das Regenwasser Filter (10) angeordnet sind.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bodeneinlässe (8) in den Innenräumen (1) für die Einleitung der gekühlten und befeuchteten Außenluft (3) sowie Öffnungen (9) im Dach für deren Austritt enthält.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie Ventilatoren zur Unterstützung der Luftströmung enthält.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Regelungssystem zur Kontrolle der Flußrate der Außenluft (3) und/oder der Größe der Wasseroberfläche (4) und/oder der Fließgeschwindigkeit des Wassers über der Wasseroberfläche (4) in Abhängigkeit von der gewünschten Raumtemperatur und/oder Raumfeuchte enthält.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie Solarzellen und/oder Windräder zur Erzeugung von elektrischer Betriebsenergie enthält.

13. Verfahren zur Klimatisierung von Innenräumen (1) in Gebäuden (2), bei welchem Außenluft (3) zur Kühlung und Befeuchtung über eine Wasseroberfläche (4) geführt und anschließend in die Innenräume (1) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser im Kreislauf über die geneigte Fläche geführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseroberfläche (4) durch gesammeltes Regenwasser gebildet wird, welches vorzugsweise als Brauchwasser weiterverwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate der Außenluft(3) und/oder die Größe der Wasseroberfläche (4) und/oder die Fließgeschwindigkeit des Wassers über die Wasseroberfläche (4) in Abhängigkeit von der gewünschten Raumtemperatur und/oder Raumfeuchte geregelt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Betrieb benötigte Strom ausschließlich oder teilweise aus Sonnen- oder Windenergie stammt.