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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Klimagerät zur
Klimatisierung insbesondere von Räumen mit wärmeabgebenden elektrischen
oder elektronischen Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Raumlufttechnische Anlagen zur Klimatisierung
von Räumen
werden in Anlagen mit und ohne Lüftungsfunktion
unterteilt, wobei Anlagen mit Lüftungsfunktion
Einrichtungen zur Außenluftförderung und
-einbringung in den zu klimatisierenden Raum aufweisen, während Anlagen
ohne Lüftungsfunktion als
Umluft-Klimaanlagen keine Außenluftförderung und
-einbringung aufweisen und im reinen Umluftbetrieb arbeiten. Beide
raumlufttechnischen Anlagetypen schließen die Anwendung von vier
thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen, nämlich Heizen, Kühlen, Be-
und Entfeuchten ein. Zu diesen vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen kann
noch die Luftfilterung mit unterschiedlichen Filtergüteklassen
in ein- oder mehrstufiger Form hinzukommen.
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Aus der
EP 0 294 730 B1 ist ein
Klimagerät mit
unabhängig
voneinander antreibbaren Zuluft- und Fortluftventilatoren für getrennte
Zuluft- und Fortluftströme,
einem Kondensator, einem Verdampfer und einem Wärmerohr sowie einem Klappensystem
mit unabhängig
voneinander steuerbaren Klappen bekannt. Die Klappen sind sowohl
mit einem Außenluftanschluss
als auch mit einem Abluftanschluss verbunden und steuern die Luftströme in Abhängigkeit von
der Außenlufttemperatur
und der gewünschten Raumlufttemperatur
und -feuchtigkeit. Durch die Mischung des Außenluft-Abluftstromverhältnisses auf der Saugseite
der Ventilatoren wird gewährleistet, dass über den
Fortluftventilator bzw. den Zuluftventilator nur die jeweiligen
Luftanteile geführt
werden. Durch die saugseitige Regelung des dem Klimagerät zugeführten Rückluft-
bzw. Abluftanteils wird der Gesamtwirkungsgrad des raumlufttechnischen
Gerätes verbessert,
so dass geringere Energie- und Betriebskosten die Folge sind und
eine sehr kompakte Anordnung des Klimagerätes möglich wird.
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Zur Raumkühlung von Räumen, in denen wärmeerzeugende
elektrische oder elektronische Einrichtungen angeordnet sind, werden
Kühlsysteme angewandt,
die sich durch vielfältige
verfahrenstechnische Anwendungen unterscheiden. So sind als Splitanlagen
bezeichnete Klimageräte
mit einem Kaltwasserkühler
bekannt, dem ständig
zu Abkühlungs-
und Entfeuchtungszwecken Kaltwasser aus einem extern aufgestellten
Kaltwassererzeuger (Kaltwassersatz) zugeführt wird. Bei diesem System
sind zwei Aggregate erforderlich, nämlich zum einen das Luftbehandlungsgerät mit dem
Luftkühler
und zum anderen der Kaltwassererzeuger mit den Kältemaschinen und den Kondensatoren
zur Abfuhr der Wärmeenergie
aus dem Kühlprozess.
Bei diesem Klimagerät
wird üblicherweise
die aus dem Kühlprozess entstehende
Wärmeenergie
ohne weitere Nutzung durch die Kondensator-Ventilatoren an die Umgebung
abgegeben.
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Im Unterschied zum Klimagerät mit einem Kaltwasserkühler und
einem extern aufgestellten Kaltwassererzeuger, dessen Kühlenergie
durch Wärmeübertrager
von Kältemitteln
auf Kaltwasser übertragen
wird, arbeiten Direktverdampfungssysteme ohne diese Umsetzung. Bei
diesen Direktverdampfungssystemen wird das Kältemittel direkt in dem Rohrsystem
des Verdampfers (Luftkühler)
verdampft, und damit die Kühlenergie
auf die Luftströme übertragen,
die in einem Klimagerät
durch Ventilatoren bewegt bzw. gefördert werden. Auch dieses System
benötigt
zur Abfuhr der Wärmeenergie,
die aus dem Kühlprozess
entsteht, einen Kondensator. Diese Systeme werden ebenfalls extern
aufgestellt und beinhalten neben den Kompressoren zur Kälteerzeugung
auch die Kondensatoren.
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Zur Klimatisierung von Räumen mit
wärmeabgebenden
elektrischen oder elektronischen Einrichtungen wie beispielsweise
Schaltanlagen ist wegen des ganzjährigen Betriebes eine energieoptimierte,
wirtschaftliche Betriebsweise unter Einhaltung vorgegebener klimatischer
Bedingungen sowie eines zuverlässigen
Betriebes erforderlich. Eine energieoptimierte, wirtschaftliche
Betriebsweise macht eine Kombination von freier Kühlung mit
einer beliebigen Mischung aus Außenluft und Abluft und den Einsatz
von kälteerzeugenden
Einrichtungen immer dann erforderlich, wenn die klimatischen Bedingungen
keine freie Kühlung
zulassen, wobei sichergestellt sein muss, dass durch entsprechende
Außenluftbeimischung
zum Abluftstrom jederzeit die nötige Luftmenge
und Temperatur erreicht wird, die zur Sicherstellung der Rückkühlung der
kälteerzeugenden Einrichtungen
notwendig ist.
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Zur optimalen Klimatisierung von
kleinen Räumen
mit wärmeabgebenden
elektrischen und elektronischen Einrichtungen treten zu der vorstehend
dargelegten Problematik noch Forderungen bezüglich einer geringen Baugröße des Klimagerätes unter
Einbeziehung eines ganzjährigen,
wirtschaftlich optimalen Betriebes sowie in Bezug auf die Investitionskosten
minimale Anschaffungs-, Transport- und Installationskosten hinzu.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Klimagerät
der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, das sich durch einen
kompakten Aufbau auszeichnet, einen ganzjährig wirtschaftlich optimalen
Betrieb mit minimaler Energieaufnahme ermöglicht, und das mit geringem
Kosten- und Zeitaufwand herstellbar und in dem zu klimatisierenden Raum
zu installieren ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Klimagerät ermöglicht einen ganzjährig wirtschaftlich
optimalen Betrieb mit minimaler Energieaufnahme, zeichnet sich durch eine
minimale Baugröße bzw.
einen kompakten Aufbau unter Einbeziehung sämtlicher Aggregate zur Luftstromerzeugung,
Luftstromführung
und Luftbehandlung aus, die in Klimageräten größerer Bauart eingesetzt werden,
und ist mit geringem Kosten- und Zeitaufwand herstellbar, einfach
zu transportieren und in dem zu klimatisierenden Raum zu installieren.
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Das kompakte Klimagerät nach der
Erfindung verfügt
nicht nur über
die Aggregate zur Luftstromerzeugung, insbesondere über eine
Zuluft- und Abluftventilatoreinheit, sondern auch über alle
für die Luftbehandlung
erforderlichen Aggregate, nämlich
zu Kälteerzeugung
benötigte
Bauteile wie Kompressor, Verdampfer und Kondensator. Alle Aggregate
zur Luftbehandlung sind kompakt innerhalb des Gerätegehäuses, das
im Innenraum des zu klimatisierenden Raumes angeordnet wird, bzw.
eines mit dem Gerätegehäuses verbundenen
oder verbindbaren kombinierten Außenluft/Fortluft-Plenums untergebracht.
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Trotz der geringen Baugröße des erfindungsgemäßen kompakten
Klimagerätes
wird die Rückkühlung der
kälteerzeugenden
Einrichtung durch den Abluftstrom sichergestellt. Weiterhin kann
zur optimalen Ausnutzung der freien Kühlung ganz oder teilweise und
insbesondere stufenlos jedwede Mischung aus Außen- und Abluft hergestellt
werden, womit einerseits die freie Kühlung extensiv genutzt und
dem Zuluftstrom zugeführt
wird und andererseits durch eine entsprechende Außenluftbeimischung zum
Abluftstrom jederzeit die nötige
Luftmenge und Temperatur erreicht wird, die zur Sicherstellung der Rückkühlung einer
kälteerzeugenden
Einrichtung der Luftbehandlungsaggregate notwendig ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Voraussetzung
für konstruktive
Varianten, die erhebliche Vorteile im laufenden Betrieb des kompakten
Klimagerätes
und bei der Installation des Klimagerätes im zu klimatisierenden
Raum bieten.
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Durch die Anordnung der Aggregate
zur Luftstromerzeugung, Luftstromführung und Luftbehandlung in
Luftströmungsrichtung
hintereinanderliegend zwischen der zur kombinierten Fortluft- und
Außenluft-Plenum
führenden
Gehäuseöffnung und
einer unterhalb der Gehäuseöffnung angeordneten
Zuluftöffnung
wird die Luft innerhalb des kompakten Klimagerätes so zusammengesetzt und
geführt,
dass eine Luftvermischung der kalten und warmen Ströme im oberen
Bereich des Klimagerätes
erfolgt, während
im abströmenden
Bereich zur Zuluftöffnung
im unteren Bereich des Klimagerätes
keine Kondensationsgefahr an metallischen Bauteilen des Klimagerätes besteht.
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Durch die Anordnung der Abluftöffnung gegenüber der
zum kombinierten Fortluft- und Außenluft-Plenum führenden
Gehäuseöffnung und
im Wesentlichen in gleicher Höhe
wie die Gehäuseöffnung sowie
durch die Befestigung des Gerätegehäuses an der
Wand des zu klimatisierenden Raumes, die die mit der Gehäuseöffnung korrespondierende
Wandöffnung
enthält
in Verbindung mit einer vertikalen Ausrichtung des Gerätegehäuses derart,
dass die Zuluftöffnung
in der Nähe
des Raumbodens und die Auluftöffnung
in der Nähe
der Raumdecke in den zu klimatisierenden Raum gerichtet sind, wird
eine vorteilhafte Anordnung der Zuluftströmung im unteren Bereich des
zu klimatisierenden Raumes und der Rück- bzw. Abluft- und Fortluftströmung im
oberen Bereich erzielt. Dies führt
dazu, dass sich die gekühlte
Luft im bodennahen Bereich verteilt und infolge der thermischen
Wirkung durch die Wärme
der wärmeabgebenden
elektrischen und elektronischen Einrichtungen innerhalb des zu klimatisierenden
Raumes nach oben aufsteigt, wo die Wärme vom Klimagerät aufgenommen
und als erwärmte
Luft zur Rück-
und Fortluft durch die Wirkung der Aggregate zur Luftstromerzeugung
strömt.
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Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, dass die Zuluft mit geringer Austrittsgeschwindigkeit aus
der Zuluftöffnung austritt
und so gerichtet ist, dass keine oder eine nur geringe Vermischung
zwischen der Zuluft und der von der Abluftöffnung des Klimagerätes angesaugten Rückluft auftritt.
Durch die Einstellung dieser Luftströmung in Verbindung mit den
vorstehend genannten Merkmalen des Aufbaus und der Anordnung des kompakten
Klimagerätes
innerhalb des zu klimatisierenden Raumes werden die natürlichen
Temperaturdifferenzen und das thermische Verhalten innerhalb des
zu klimatisierenden Raumes genutzt, indem die langsame Zuluftströmung von
unten die Wärme
der wärmeabgebenden
Einrichtungen aufnimmt, sich mit Wärme bei der aufwärts gerichteten
Strömung
anreichert und die aufgenommene Wärme im oberen Bereich des zu
klimatisierenden Raumes abgibt. Durch diese Anpassung der vom erfindungsgemäßen Klimagerät erzeugten
Strömungswege
an die natürliche Thermik
ist eine größtmögliche Wärmeaufnahme
und dadurch größtmögliche Entwärmungsleistung
gewährleistet.
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Vorzugsweise ist das kombinierte
Fortluft- und Außenluft-Plenum
an die Gehäuseöffnung des Gerätegehäuses anschließbar und
enthält
den Fortluftventilator der Aggregate zur Luftstromerzeugung.
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Da das erfindungsgemäße kompakte
Klimagerät
insbesondere zur Wandmontage geeignet ist und zur Außenluftansaugung
und für
die Fortluftöffnung
nur eine zentrale Gehäuseöffnung benötigt, wird
die Montage und Installation des Klimagerätes erheblich vereinfacht,
ohne dass an die Qualifikation der Monteure besondere Anforderungen
gestellt sind. Im Unterschied zur Installation von geteilten Klimaanlagen,
zu deren Montage und Installation hochqualifiziertes Fachpersonal
erforderlich ist, genügt zur
Montage und Installation des erfindungsgemäßen kompakten Klimagerätes das
Können und
die Erfahrung eines normalen Installateurs.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist
das kombinierte Fortluft- und Außenluft-Plenum kastenförmig ausgebildet, und das Fortluft-Plenum oberhalb
des Außenluft-Plenums angeordnet,
so dass eine Fortluftöffnung
des Fortluft-Plenums einen im Wesentlichen horizontal gerichteten
Fortluftstrom abgibt und das Außenluft-Plenum
eine nach unten gerichtete Außenluftöffnung aufweist.
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Durch diese Anordnung der luftansaugenden Außenluftöffnung und
der Fortluftöffnung
wird vermieden, dass ein thermischer Kurzschluss auftritt, d.h. über den
Außenluftanschluss
Fortluft angesaugt wird. Dabei ist davon auszugehen, dass der warme Abluft-
bzw. Fortluftstrom durch thermische Bedingungen nach oben abströmt, wogegen
die Außenluft im
unteren Bereich des kombinierten Fortluft- und Außenluft-Plenums angesaugt
wird.
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Durch diese konstruktive Ausgestaltung
des kombinierten Fortluft- und Außenluft-Plenums ergibt sich gleichzeitig ein
besonderer Wetter- und Regenschutz, da die luftansaugende Außenluftöffnung durch
die nach unten gerichtete Ausrichtung besonders vor Regeneinschlag
geschützt
ist, während nach
einem weiterführenden
Merkmal durch die Anordnung von Wetterschutzlamellen an der Fortluftöffnung ein
Regeneinschlag verhindert wird.
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Zusätzlich kann das kombinierte
Außenluft- und
Fortluft-Plenum einen von der Wandöffnung zur Fortluftöffnung geneigten
Boden aufweisen. Durch diese schräge Anordnung des Bodenblechs
insbesondere in Verbindung mit schräg angeordneten Schalldämpferkulissen
innerhalb des Fortluft-Plenums wird erreicht, dass selbst bei Einschlag
von Regentropfen diese stets nach außen, d.h. vom Gerätegehäuse weggerichtet
ablaufen und niemals in den Innenbereich des Gerätegehäuses gelangen können. Dabei
wirkt der Fortluftstrom, der permanent nach außen über die Wetterschutzlamellen
abströmt, zusätzlich regenabweisend.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Lösung sieht
vor, dass das kombinierte Außenluft-
und Fortluft-Plenum verschiedene, vorgegebene Längen aufweist, die normierten
Wandstärken
der die Wandöffnung
aufweisenden Wand des zu klimatisierenden Raumes angepasst sind.
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Durch diese Standardisierung des
kombinierten Außenluft-
und Fortluft-Plenums, die vorzugsweise mit einer Flanschverbindung
zwischen dem Gerätegehäuse und
dem kombinierten Außenluft- und
Fortluft-Plenum verbunden wird, wird neben einer sehr einfachen
Montage eine kostengünstige Herstellung
sowie Bereitstellung von Klimageräten der genannten Art gewährleistet.
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Durch die Anordnung eines Resonanzblechs im
oberen Teil des Gerätegehäuses sowie
durch Auskleidung des unteren Teils des Gerätegehäuses mit Absorptionsmaterial
ggf. in Verbindung mit hochwirksamen Schalldämpfern im kombinierten Außenluft- und
Fortluft-Plenum
ist das erfindungsgemäße kompakte
Klimagerät
im Hinblick auf Geräuschentwicklung
sowohl bezüglich
der Abstrahlung als auch bezüglich
der Lautstärke
an den Luftansaug- und Luftauslassöffnungen optimiert. Dabei reduzieren
die wirksamen Spezialschalldämpfer
insbesondere im Bereich der Luftansaugöffnung den Schallpegel erheblich,
was für
den Einsatz des erfindungsgemäßen Klimagerätes in Misch-
und Wohngebieten von erheblicher Bedeutung ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Lösung ist
dadurch gekennzeichnet, dass ein die Luftströme steuerndes Klappensystem
zwischen der Abluftöffnung,
der Zuluftöffnung
und der Gehäuseöffnung im
oberen Bereich des Gerätegehäuses angeordnet
ist.
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Neben dem vorstehend genannten Vorteil, dass
die mit dem Klappensystem ermöglichte
Luftmischung mit einer Vermischung kalter und warmer Ströme im oberen
Bereich des Klimagerätes
erfolgt, so dass in dem abströmenden
Bereich zur Zuluftöffnung
im unteren Bereich des Gerätegehäuses keine Kondensationsgefahr
an metallischen Bauteilen besteht, ermöglicht das Klappensystem jederzeit
die Ausnutzung der freien Kühlung
bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Rückkühlung einer kälteerzeugenden
Einrichtung bzw. mechanischen Kälteanlage,
was beispielsweise mit geteilten Klimageräten nicht möglich ist.
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Vorzugsweise besteht das Klappensystem aus
vier sich kreuzenden Klappen zur Bildung eines Außenluft-,
Fortluft-, Mischluft- und Umluftstromes und ist in der Höhe der Abluftöffnung und
der auf die Gehäuseöffnung ausgerichteten Öffnung des
kombinierten Außenluft-
und Fortluft-Plenums angeordnet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Lösung ist
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Klappensystem und dem
Zuluftventilator ein Zuluftfilter angeordnet ist, der insbesondere
aus einem Taschenfilter mit großen Filterflächen und
hoher Filtergüte
besteht.
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Durch diese Anordnung und Ausgestaltung eines
in das kompakte Klimagerät
integrierten Filters werden die Druckverluste zur Energieeinsparung
erheblich gegenüber
herkömmlichen
Plattenfiltern reduziert, wobei der Taschenfilter den Vorteil einer kompakten
Baugröße bei größtmöglicher
Wirkung aufweist.
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Einer weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der erfindungsgemäße Lösung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftöffnung mit dem Luftaustrittsquerschnitt
eines Verdampfers der kälteerzeugenden
Einrichtung verbunden ist.
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Die Anordnung des Verdampfers einer
kälteerzeugenden
Einrichtung unmittelbar vor der Zuluftöffnung bewirkt einen besonderen
Effekt auf die Luftströmung,
da der Verdampfer als Gleichrichter wirkt, so dass über den
gesamten Austrittsquerschnitt eine geringe Austrittsgeschwindigkeit
erzielt wird. Diese Anordnung und das Strömungsverhalten kommt einem
Quellluftauslass gleich, was dem gesamten Strömungsverhalten innerhalb des
zu klimatisierten Raumes, auch in Bezug auf Personen, die sich in dem
Raum aufhalten, günstig
auswirkt.
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Die Wirkung der kälteerzeugenden Einrichtung
wird dadurch erhöht,
dass der Kondensator und der Verdampfer große Kondensator- und Verdampfer-Tauscherflächen ausweisen.
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Für
den Fall, dass die in dem zu klimatisierenden Raum angeordneten
wärmeabgebenden
Einrichtungen nicht genügend
Wärme abgeben,
ist nach einem weiterführenden
Merkmal der Erfindung ein Heizregister im Strömungsweg der Zuluft, vorzugsweise
vor dem Lufteintrittsquerschnitt des Verdampfers der kälteerzeugenden
Einrichtung, angeordnet, so dass bei erhöhtem Wärmebedarf eine Erwärmung der
Zuluft vorgenommen werden kann.
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Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, dass die Steuer- und Regeleinrichtung die unabhängig steuerbaren
Klappen des Klappensystems in Abhängigkeit von der Außentemperatur
so einstellt, dass das Klimagerät
in jedem Betriebszustand eine minimale elektrische Leistung aufnimmt.
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Mit diesem Lösungsmerkmal ist das kompakte
Klimagerät
energetisch optimiert, indem das Regel- und Steuerungsprogramm die
unabhängig steuerbaren
Klappen in Abhängigkeit
von der Außentemperatur
so einstellt, dass immer die energetisch günstigste Situation ausgewählt wird.
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Vorzugsweise erfasst die Steuer-
und Regeleinrichtung die Außentemperatur
und die Innentemperatur innerhalb des zu klimatisierenden Raumes fortlaufend
und steuert das Klappensystem und/oder kälteerzeugende Einrichtung so
an, dass sowohl die freie Kühlung
genutzt und stufenlos jedwede Mischung aus Außenluft und Abluft hergestellt
und dem Zuluftstrom zugeführt
werden kann, als auch über das
Klappensystem durch Beimischung der Außenluft zur Abluft die zur
Sicherung der Rückkühlung der kälteerzeugenden
Einrichtung erforderliche Luftmenge erreicht wird.
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Durch die fortlaufende Überwachung
der Außen-
und Innentemperaturen und der daraus abgeleiteten Entscheidung,
wie hoch die klimatischen Parameter im Innen- und Außenbereich
mit Energie, das heißt
mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit, beladen sind, stellt die Steuer-
und Regeleinrichtung das Klappensystem so ein, dass die erforderlichen
Luftströme
mit minimalem Energieaufwand eingestellt werden.
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Durch die stufenlose Regelung und
die unabhängige
Steuerung der Klappen des Klappensystems und die damit erzeugten
Luftströmungen
zwischen Außen-,
Zu-, Rück- und Fortluft wird
in Abhängigkeit
von den äußeren klimatischen
Bedingungen und in Abhängigkeit
von den im zu klimatisierenden Raum anfallenden Kühllasten
eine optimale, energiesparende Klimatisierung bewirkt. Die stufenlose
Regelung und unabhängige
Steuerung der Klappen ermöglicht
es, die über
das Jahr verteilten klimatischen Gegebenheiten optimal durch eine
extensive Nutzung der freien Kühlung
auszunutzen und durch den weitestgehenden Verzicht auf eine mit
einem hohen Energieverbrauch verbundene mechanische Kühlung zu
verzichten.
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Die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Klimagerätes ermöglicht es,
dass die Aggregate zur Luftstromerzeugung, Luftstromführung und Luftbehandlung
innerhalb des Gerätegehäuses vollständig verrohrt
und über
elektrische Kabelverbindungen miteinander bzw. mit der die Aggregate
ansteuernden Steuer- und Regeleinrichtung derart verbunden werden,
dass das Klimagerät
nach Herstellung eines elektrischen Anschlusses mit mindestens einer
Spannungsquelle betriebsbereit ist.
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Die Auftrennung des erfindungsgemäßen Klimagerätes in ein
kombiniertes Außenluft- und Fortluft-Plenum
und ein im Innenraum des zu klimatisierenden Raumes anzuordnendes
Gerätegehäuse dient
logistischen Gründen,
aber auch einer einfachen Montage sowie einem einfachen Transport.
Dabei bildet das kombinierte Außenluft-
und Fortluft-Plenum mit dem Fortluftventilator ein Bauteil, während das
andere Bauteil in Form des Gerätegehäuses alle übrigen Aggregate
aufnimmt und komplett betriebsfertig intern verdrahtet und verkabelt
ist, wobei alle Aktoren und Sensoren sowie Leistungsaggregate mit
der Schalttafel und der Steuer- und Regeleinrichtung verbunden sind.
Beide Bauteile können
problemlos und mit einfachen Mitteln und Kenntnissen vor Ort über die
Flanschverbindung zusammengeschraubt werden. Nach der Montage und
den Anschluss des Klimagerätes
an eine speisende Spannungsquelle kann das Klimagerät unmittelbar
in Betrieb genommen werden, da seine sämtlichen Funktionen herstellerseitig
geprüft
und eine einwandfreie Funktion sichergestellt werden kann.
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Abweichend von den sonst üblichen
geteilten Klimaanlagen bildet das kompakte erfindungsgemäße Klimagerät eine Einheit
mit den Aggregaten zur Luftstromerzeugung, Luftstromführung und
Luftbehandlung, bei der sämtliche
Aggregate betriebsfertig miteinander verbunden sind, so dass kältetechnische
Montagen vor Ort nicht erforderlich sind.
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Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen kompakten
Klimagerätes
besteht darin, dass die Ventilatoren und die Steuer- und Regeleinrichtung
mit einer Gleichspannungsquelle, vorzugsweise mit einer Batterie
verbunden sind, während
der Kompressor der kälteerzeugenden
Einrichtung an ein Wechsel- oder Drehstromnetz angeschlossen ist.
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Damit verfügt das Klimagerät über zwei
Einspeisungen, nämlich
einmal über
eine Einspeisung aus einem vorhandenen Wechsel- oder Drehstromnetz
für den
Kompressor und eine zweite Einspeisung insbesondere aus Batterien
für alle übrigen Aggregate
des Klimagerätes
mit Ausnahme des Kompressors.
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Diese Spannungsversorgung ermöglicht eine
permanente Redundanz, bei der durch die mit Batteriestrom betriebenen
Ventilatoren eine unterbrechungsfreie Stormversorgung sichergestellt
ist, da bei einem Netzausfall ohne Unterbrechung eine permanente
Versorgung aus den Batterien erfolgt. Bei Ausfall der örtlichen
Stromversorgung kann damit beispielsweise durch eine Erhöhung der
Drehzahl der Ventilatoren weitestgehend die im zu klimatisierenden
Raum anfallende Wärme
unter Ausnutzung der freien Kühlung
abtransportiert werden, wobei die Regelung weiterhin aktiv ist,
da die Steuer- und Regeleinrichtung ebenfalls aus Batterien gespeist
wird.
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Durch einen besonderen Kontakt innerhalb der
Steuerung und Regelung ist sichergestellt, dass bei Ausfall des
speisenden Wechsel- oder Drehstromnetzes der Kompressor der kälteerzeugenden Einrichtung
nicht betrieben wird, da dieses Aggregat eine erhebliche Stromleistung
benötigt.
Aus diesem Grunde ist der Kompressor an das speisende Wechsel- oder
Drehstromnetz angeschlossen und wird aus diesem Netz versorgt, nicht
aber aus den Batterien, die lediglich die Ventilatoren und die Steuerungs- und Regelungseinrichtung
speisen. Damit ist auch sichergestellt, dass bei einem Netzausfall
die aus den Batteriestrom gespeiste Steuer- und Regelungseinrichtung
meldefähig
bleibt und die Netzausfallstörung
anzeigt und meldet.
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Durch die Einbindung einer Redundanzsteuerung
in die Steuerungs- und Regelungseinrichtung sowie durch die Verbindung
mehrerer kompakter Klimageräte
der vorstehend genannten Art zu einer Redundanzanlage oder Kaskade
werden Stufenschaltungen ermöglicht,
bei denen die Klimageräte
mit einer Redundanzschaltung ausgestattet werden können, die
nach dem Prinzip von N+1 wirkt, das heißt neben den für die Klimatisierung
des zu klimatisierenden Raumes benötigten Klimageräten ein
Redundanzgerät
zur Verfügung
stellt.
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Darüber hinaus sind bei eine Anordnung mehrerer
Klimageräte
Kaskadenschaltungen in Abhängigkeit
vom jeweiligen Leistungsbedarf möglich, so
dass mehrere Klimageräte
bedarfsgerecht innerhalb eines zu klimatisierenden Raumes angeordnet werden
können
und damit eine gute Verteilung und Durchströmung des gesamtes Raumes erzielen.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 – eine schematisch-perspektivische Darstellung
eines an einer Wand eines zu klimatisierenden Raumes befestigten
kompakten Klimagerätes;
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2 – einen
Schnitt durch den zu klimatisierenden Raum mit dem durch eine Wandöffnung ragenden
kompakten Klimagerät;
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3 – eine vergrößerte Darstellung
des Bereichs der Verbindung des Gerätegehäuses mit dem kombinierten Außenluft-
und Fortluft-Plenum und
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4 – ein h,
x-Diagramm mit darin eingetragenen klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa.
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1 zeigt
in perspektivischer Darstellung ein in eine Wandöffnung 100 einer Wand 10 eines
zu klimatisierenden Raumes eingesetztes und mit der Wand 10 verbundenes
kompaktes Klimagerät 2,
das sich aus einem im Inneren des Raumes angeordneten Gerätegehäuse 20 und
einem durch die Wandöffnung 100 in
den Außenraum
ragendes kombiniertes Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 zusammensetzt. In dem Gerätegehäuse 20 sind
frontseitig, das heißt in
den zu klimatisierenden Raum gerichtet eine Abluftöffnung 33 sowie
eine Zuluftöffnung 34 angeordnet, wobei
die Zuluftöffnung
34 im bodennahen Bereich des Gerätegehäuses 20 angeordnet
ist, während
die Abluftöffnung 33 im
oberen Bereich des Gerätegehäuses 20,
insbesondere in einer Linie mit dem Außenluft- und Fortluft-Plenum 21 vorgesehen
ist.
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Zwischen der Abluftöffnung 33 und
der Zuluftöffnung 34 ist
eine Schalttafel 9 mit einer daran anschließenden Steuer-
und Regeleinrichtung angeordnet.
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Das kombinierte Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 enthält eine Fortluftöffnung 31,
die in der Achse der Abluftöffnung 33 und
des Außenluft-
und Fortluft-Plenums 21 angeordnet ist, sowie eine nach unten
gerichtete Außenluftöffnung 32.
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Von der Fortluftöffnung 31 wird ein
Fortluftstrom FL im wesentlichen waagerecht gerichtet abgegeben,
der aufgrund seines Wärmeinhalts
anschließend
aufwärts
gerichtet ist, während über die Außenluftöffnung 32 ein
Außenluftstrom
AL von unten angesaugt wird. Die unterschiedlich ausgerichteten
Fortluft- und Außenluftöffnungen 31, 32 verhindern
einen thermischen Kurzschluß,
da der warme Ab- bzw. Fortluftstrom FL durch thermische Bedingungen
nach oben abströmt,
während
der Außenluftstrom
AL im unteren Bereich des kombinierten Außenluft- und Fortluft-Plenums
angesogen wird. Dabei dient die nach unten gerichtete Außenluftöffnung 32 gleichzeitig
einem wirksamen Wetter- und Regenschutz und verhindert somit, dass
mit der angesaugten Außenluft
Feuchtigkeit in das Innere des Klimagerätes 2 eindringt.
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Ein Abluft- bzw. Rückluftstrom
RL wird über die
Abluftöffnung 33 aus
dem zu klimatisierenden Raum angesaugt und im Außenluftbetrieb des Klimageräts 2 als
Fortluftstrom FL oder im Umluftbetrieb des Klimageräts 2 als
Zuluftstrom ZL über
die Zuluftöffnung 34 in
den zu klimatisierenden Raum abgegeben. Im Mischbetrieb wird ein
Teil des Abluft-/Rückluftstromes
RL als Fortluftstrom FL abgegeben und ein Teil dem Außenluftstrom
AL beigemischt, der als Zuluftstrom ZL in den zu klimatisierenden
Raum eintritt.
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Am unteren Ende des Gerätegehäuses 20 ist ein
Kondensatablauf 64 vorgesehen, der mit einer unterhalb
eines im Bereich der Zuluftöffnung 34 angeordneten
Verdampfers vorgesehenen Kondensatwanne verbunden ist.
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Das in 1 dargestellte
kompakte Klimagerät 2 ist
entweder in der in 1 dargestellten Form
einstückig
oder in einer bevorzugten Ausführungsform
zweiteilig ausgebildet, wobei das eine Teil durch das Gerätegehäuse 20 und
das andere Teil durch das kombinierte Außenluft- und Fortluft-Plenum 21 gebildet
wird. Diese letztgenannte Ausführungsform
erweist sich als besonders logistik-, transport- und montagefreundlich,
da vor Ort lediglich eine Verbindung zwischen dem kombinierten Außenluft- und
Fortluft-Plenum 21 und
dem an der Wand 10 des zu klimatisierenden Raumes zu befestigenden
Gerätegehäuses 20 hergestellt
werden muß.
Dabei enthält – wie in
Verbindung mit den 2 und 3 näher erläutert wird – das kombinierte Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 neben der Fortluftöffnung 31,
der Außenluftöffnung 32 und
einer Trennwand zwischen dem Außenluftkanal
und dem Fortluftkanal einen Fortluftventilator zur Erzeugung des
Fortluftstromes FL sowie entsprechende Luftleitbleche, während das Gerätegehäuse 20 alle
anderen Aggregate zur Luftstromerzeugung, Luftstromführung und
Luftbehandlung und die die Aggregate ansteuernde Steuer- und Regeleinrichtung
einschließt.
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Der in 2 dargestellte
Schnitt durch einen zu klimatisierenden Raum 1 mit einer
Seitenwand 10 zur Aufnahme des Gerätegehäuses 20, einer Gehäusedecke 11 sowie
einem Gehäuseboden 12 enthält eine
schematisch dargestellte wärmeabgebende
Einrichtung 15, beispielsweise eine Telekommunikationsanlage
mit in Regalen angeordneten elektrischen und elektronischen Geräten.
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3 zeigt
in vergrößerter Darstellung
den oberen Bereich des Gerätegehäuses 20 mit
einer Gehäuseöffnung 24,
die mit dem Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 fluchtet und mit diesem über eine Flansch-
oder Steckverbindung 25 verbunden ist. Zur Herstellung
der Verbindung zwischen dem kombinierten Außenluft- und Fortluft-Plenum 21 und
dem Gerätegehäuse 20 wird
das kombinierte Außenluft- und
Fortluft-Plenum 21 in die Wandöffnung 100 eingefügt und von
der Innenseite des Raumes 1 die Verbindung mit dem Gerätegehäuse 20 hergestellt.
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Zur Anpassung des Klimagerätes an unterschiedliche
Wanddichten 10 können
in dieser Ausführungsform
verschiedene Längen
des kombinierten Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 vorgehalten oder
Verlängerungsrahmen
vorgesehen werden, die mit dem kombinierten Außenluft- und Fortluft-Plenum 21 verbunden
werden, bevor die Verbindung mit dem Gerätegehäuse 20 hergestellt
wird.
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In einer einstückigen Ausführung des Klimagerätes 2 ist
das kombinierte Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 mit dem Gerätegehäuse 20 verbunden und
wird beim Anbringen des Gerätegehäuses 20 an
die Wand 10 durch die Wandöffnung 100 hindurchgeführt.
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Das kombinierte Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 setzt sich aus einem Fortluft-Plenum 211 mit einem
Fortluftkanal und einem Außenluft-Plenum 212 zusammen,
das vom Fortluft-Plenum 211 durch eine Trennwand 23 getrennt
ist, die von der Gehäuseöffnung 24 schräg nach unten
verläuft,
so dass gegebenenfalls in das Fortluft-Plenum 211 eindringende
Feuchtigkeit nach außen
abgelenkt wird. Im Bereich der Fortluftöffnung 31 sind zusätzlich Wetterschutzlamellen 22 angeordnet,
die einen Regeneinschlag verhindern.
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Im montierten Zustand des kombinierten
Außenluft-
und Fortluft-Plenums 21 mit dem Gerätegehäuses 20 befindet sich
der im Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 angeordnete Fortluftventilator 41
im Bereich der Wandöffnung 100 und
fluchtet unmittelbar mit einem Kondensator 61 einer kälteerzeugenden
Einrichtung, die einen unmittelbar vor Zuluftöffnung 34 angeordneten
Verdampfer 62 sowie einen zwischen dem Kondensator 61 und
dem Verdampfer 62 angeordneten Kompressor 63 enthält.
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In einer Linie mit dem Außenluftkanal
des kombinierten Außenluft-
und Fortluft-Plenum 21 und der Abluftöffnung 33 ist ein
Klappensystem 5 angeordnet, das aus vier sich kreuzenden
Klappen 51, 52, 53, 54 besteht,
mit deren Hilfe jedwede Mischung aus Außenluft AL und Rückluft RL
zur Bildung des Fortluftstromes FL bzw. Zuluftstromes ZL hergestellt
werden kann. Das Klappensystem 5 dient einer extensiven
Nutzung der freien Kühlung,
das heißt
der optimalen Ausnutzung klimatischer Bedingungen zur Wärmeabfuhr
der von den wärmeabgebenden
Einrichtungen 15 abgegebenen Wärmelast.
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In der in 3 dargestellten Klappenstellung sind
die Klappen 51 und 53 geöffnet, während die Klappen 52 und 54 geschlossen
sind. Diese Klappenstellung entspricht einem Umluftbetrieb, bei
dem die Außenluft
zur Kühlung
des Kondensators 41 zur Fortluft geführt und die Abluft über den
Verdampfer 63 der kälteerzeugenden
Einrichtung zur Zuluft geleitet wird.
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Im Strömungsweg unterhalb des Klappensystems 5 ist
ein Taschenfilter 8 mit großer Filterfläche, langer
Standzeit und großem
Staubspeichervermögen
angeordnet, der auf geringem Raum optimal wirksam ist.
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Zwischen dem Taschenfilter 8 und
dem Kompressor 63 ist die Schalttafel 9 mit der
Steuer- und Regeleinrichtung in ergonomisch günstiger Position angeordnet.
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In einer Höhe mit dem Kompressor 63 ist
ein Zuluftventilator 42 vorgesehen, der als rückwärts gekrümmter Radialventilator
ausgebildet ist. Der von dem Zuluftventilator 42 erzeugte
Zuluftstrom ZL wird über
ein bei Bedarf vorgesehenes Heizregister 7 und den Verdampfer 62 über die
Zuluftöffnung 34 an
den zu klimatisierenden Raum 1 in der Nähe des Raumbodens 12 abgegeben.
Durch die unmittelbare Verbindung der Verdampferfläche mit
der Zuluftöffnung 34 wird
eine großflächige, langsame
Zuluftströmung erzielt,
so dass die gekühlte
Zuluft ZL im bodennahen Bereich verteilt und entsprechend den in 2 eingetragenen Strömungen S1,
S2 durch die von der elektronischen Einrichtung 15 abgegebene
Wärme nach
oben aufsteigt und dabei sich von unten nach oben mit Wärme anreichert
und diese oben im Bereich der Abluftöffnung 33 an das Klimagerät 2 abgibt.
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Damit wird die vom Klimagerät 2 erzeugte Strömung an
die natürliche
Thermik angepasst, das heißt
die natürlichen
Temperaturdifferenzen und das thermische Verhalten innerhalb des
zu klimatisierenden Raumes 1 werden für eine größtmögliche Wärmeaufnahme und damit größtmögliche Entwärmungsleistung
des kompakten Klimageräts 2 ausgenutzt.
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4 verdeutlicht
anhand eines h, x-Diagramms die über
das Jahr verteilten unterschiedlichen klimatischen Bedingungen am
Beispiel Mitteleuropas. Werden diese klimatischen Randbedingungen
optimal genutzt, so ergibt sich ein ganzjährig energieoptimierter Betrieb
des Klimagerätes
mit minimalem Einsatz der kälteerzeugenden
Einrichtung, die den mit weitem Abstand größten Energiebedarf des Klimageräts 2 hat
und dementsprechend den Gesamtwirkungsgrad des Klimageräts nachteilig
beeinflußt.
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Der in 4 dargestellte
Bereich (1) liegt in einem Temperaturbereich unterhalb
18°C und
ermöglicht über einen
Zeitraum von 3570 Jahresstunden und damit 40,7 % des Ganzjahresbetriebes
die Nutzung der freien Kühlung,
wobei das kompakte Klimagerät
die Klappen des Klappensystems 5 so ansteuert, dass der
Außenluft
genügend
warme Rückluft
beigemischt und eine konstante Zulufttemperatur von 18°C in den
zu klimatisierenden Raum eingeblasen wird.
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Im Bereich (2) kann für weitere
3495 Jahresstunden und damit für
39,5 % des Ganzjahresbetriebes ebenfalls die freie Kühlung genutzt
werden, in der der kühlen
Außenluft
warme Rückluft
bis zum Erreichen der gewünschten
Zulufttemperatur beigemischt wird. Beide Bereiche (1) und
(2) decken somit über
80 % des Ganzjahresbetriebes ab. Soweit Ansprüche an die Luftfeuchtigkeit
gestellt sind, erfolgt im Bereich (2) eine geringe Nachbefeuchtung.
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Im Bereich (3) liegt die
Außenluft
im Temperaturbereich zwischen 18°C
und 28°C
und damit noch immer unter der Ablufttemperatur. In diesem Bereich,
der einer Wettersituation entspricht, die sich über ca. 1000 Jahresstunden
ergibt und damit 11 % des Ganzjahresbetriebes, wird im Bedarfsfall
mit der kälteerzeugenden
Einrichtung nachgekühlt,
um die gewünschte
Zulufttemperatur zu erzielen.
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Die Bereiche 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 sind
insbesondere durch Feuchte energetisch hoch beladen und würden bei
einer Außenluftnutzung
erhebliche Energiekosten verursachen und eine wesentlich größere kälteerzeugende
Einrichtung benötigen.
In dieser Situation kann über
das Klappensystem ein Umluftbetrieb eingestellt werden, da die Ablufttemperatur
erheblich unter der Außenlufttemperatur
liegt und die Abluft nicht mit der hohen Luftfeuchtigkeit der Außenluft
beladen ist. Gegebenenfalls kann in diesen Bereichen ein Mindest-Frischluftanteil
eingestellt werden. In dieser Betriebsweise fördert der Fortluftventilator
Außenluft
durch das Klappensystem und sichert damit die Rückkühlung des mit ihm fluchtenden
Kondensators 61. Die Bereiche 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 machen
zusammen ca. 679 Jahresstunden und damit 7,35 % des Ganzjahresbetriebes
aus.
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Liegt die Außentemperatur im Bereich unterhalb
von 18°C,
so Bedarf der Betrieb des kompakten Klimagerätes keiner mechanischen Kühlung. Die
Außenluftrate
wird bis zur Grenze der Mindest-Frischluftrate durch die Außenlufttemperatur
bestimmt, das heißt
die Außenluftrate
wird mit sinkender Außenlufttemperatur
ständig
kleiner. Dementsprechend steigt die Umluftrate mit sinkender Temperatur
und wird durch die Zuluft-Temperaturregelung in Verbindung mit der
Klappensteuerung so reguliert, dass die Mischtemperatur aus Außenluft
und Umluft immer 18°C
beträgt.
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Analog zur Außenluftrate wird die Abluftrate durch
die Steuer- und Regelungseinrichtung bzw. über das Klappensystem so eingestellt,
das ein Teil der Außenluft
beigemischt wird und eine anderer Teil, der exakt der Größenordnung
der Außenluftrate
entspricht, wird zur Vermeidung eines Über- oder Unterdruckes in dem
zu klimatisierenden Raum über
den Fortluftventilator 41 abgeführt.
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Die Steuerung der Klappen 51 bis 54 des Klappensystems 5 und
der Luftströme
ZL, AL, RL, FL erfolgt somit automatisch über die Steuer- und Regeleinrichtung
in Abhängigkeit
von den klimatischen Bedingungen außerhalb des zu klimatisierenden Raumes 1.