DE2135934A1

DE2135934A1 - Verfahren und durchfuehrungsanordnung zur klimatisierung von raeumen

Info

Publication number: DE2135934A1
Application number: DE19712135934
Authority: DE
Inventors: Friedrich Mittlmeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-07-15
Filing date: 1971-07-15
Publication date: 1973-01-25

Description

Ing. grad. F. Mittlmeier, 1 Berlin 30, Eisenacher Str. 7

Verfahren und Durchführungsanordnung zur Klimatisierung von Räumen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Klimatisierung von Räumen sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Raumklimatisierung hat zum Ziel, Temperatur und Feuchtigkeit der Luft des Raumes auf vorgegebene Werte zu halten. Zu diesem Zweck wird in die zu klimatisierenden Räume ständig neue Luft (Zuluft) bestimmter Temperatur und Feuchtigkeit eingeblasen und verbrauchte Luft (AblHft) abgesaugt. Die Temperatur der Zuluft muss so bemessen sein, dass die vorges-chriebenen Raumtemperaturen aufrechterhalten werden.

Eine solche Klimatisierung gestaltet sich einfach, solange nur ein Raum oder mehrere Räume gleicher Lastcharakteristik zu versorgen sind. In diesem Falle genügt es, die abgesaugte Luft oder frisch angesaugte Aussenluft nach ihrer Reinigung mittels Filter durch eine aus einem Kühler, einem Erhitzer und einem Wäscher bestehende Reihenschaltung zu leiten und die Luft dabei, je nach Bedarf, entweder zu kühlen oder zu erhitzen.

209884/0724

Der Zusammenhang zwischen der Temperatur der Zuluft und der aus einem Raum pro Zeiteinheit abzuführenden Wärmemenge Q (Kühllast) bzw. zuzuführenden Wärmemenge Q - (Heizlast) beide Wärmemengen sind als gegebene Grossen bekannt - ergibt sich aus der Beziehung

wobei c die spezifische Wärme, ^ das spezifische Gewicht, V, die zugeführte Luftmenge pro Zeiteinheit und Δ T die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und der Raumsolltemperatur ist.

Das eben geschilderte einfache Verfahren ist nicht mehr anwendbar, wenn mehrere Räume unterschiedlicher Lastcharakteristik zu klimatisieren sind, da die Zuluft für jeden einzelnen Raum eine andere Temperatur haben muss. In diesem Falle müsste für jeden Raum mit individueller Lastcharakteristik eine getrennte Anlage der oben geschilderten Art vorgesehen werden. Dies ist aus Raumgründen und wirtschaftlichen Gründen nicht durchführbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, vor jeden einzelnen Raum einen zusätzlichen Nacherhitzer und Nach&ühler zu schalten. Auch eine solche Anlage wäre zu teuer. Schliesslich könnte eine Klimatisierung der einzelnen Räume mit individueller Lastcharakteristik über eine einzige Zuluftleitung in der Weise durchgeführt werden, dass die den einzelnen Räumen zugeführte Zuluft menge gesteuert bzw. geregelt wird. Eine Zuluftmengenregelung ist jedoch nur in engen Grenzen durchführbar, weil die Veränderung der Zuluftmenge die spezifische Beaufschlagung des Luftauslasses ungünstig verändert. Bei einer zu geringen Zuluftmenge wird das Strömungsverhalten gestört. Die Funktion der Klimatisierung wird durch eine mangelnde Raumdurchspülung beeinträchtigt. Wird eine zu grosse Luftmenge zugeführt, so entstehen störende Strömungsgeräusche.

209884/0724

Zur Klimatisierung mehrerer Räume unterschiedlicher Lastcharakteristik wurden daher bisher sogenannte Zweikanalsysteme verwendet, bei denen in einem Kanal Kühlluft und im anderen Kanal Heizluft bereitgestellt wird. Die Klimatisierung der einzelnen Räume erfolgt dabei durch individuelle Vermischung von Luft aus beiden Kanälen, wobei die Gesamtmenge der einem Raum zugeführten Luft konstant bleibt.

Dieses bekannte Verfahren hat den wesentlichen Nachteil, dass durch die Vermischung von Heizluft und Kühlluft hohe Verluste entstehen. Die Kühlluft und die Heizluft werden zunächst unter Aufwendung von Energie hergestellt. Durch die anschliessende anteilige Vermischung geht ein Teil dieser Energie ungenutzt verloren. Diese Mischverluste sind um so grosser, je weiter die Lastcharakteristiken zweier der insgesamt zu klimatisierenden Räume auseinanderliegen, da die Temperaturdifferenz zwischen der Heiz- und Kühlluft durch die beiden extremsten Lastcharakteristiken bestimmt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Klimatisierung mehrerer Räume unterschiedlicher Lastcharakteristik zu entwickeln, bei dem die auftretenden Mischverluste erheblich geringer sind als bei dem bekannten Zweikanalverfahren.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäss der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die den Räumen zuzuführende Luft in drei Kanälen bereitgestellt wird, einem Konstantkanal mit Zuluft mittlerer Temperatur, einem Minuskanal mit Zuluft niedrigerer Temperatur als der des Konstantkanals und einem Pluskanal mit Zuluft höherer Temperatur als der des Konstantkanals, und dass die jedem Raum zugeführte Luft durch

2Ü988A/072A

individuelle Vermischung von Luft aus dem Konstantkanal und dem Plus- oder Minuskanal gewonnen wird.

Die Temperatur der Luft im Minus- bzw. Pluskanal wird gemäss der Erfindung in Abhängigkeit der diesem Kanal entnommenen Luftmenge stärker gekühlt bzw. erhitzt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden einzelne Räume nur aus dem Konstant-, Minus- oder Pluskanal versorgt.

Anhand der Figuren soll die Erfindung im einzelnen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung des bekannten

Zweikanal ve rf ahrens.
Fig. 2a zeigt die Lastcharakteristik des Raumes mit der grössten

^: Kühllastspitze.
Fig. 2b zeigt die Lastcharakteristik des Raumes mit der grössten

Heizlastspitze.
Fig. 2c zeigt die Lastcharakteristik eines weiteren Raumes mit

weniger extremen Lastbedingungen. Fig. 3 zeigt ein Prinzpschaltbild eines Ausführungsbeispieles des Dreikanalverfahrens nach der Erfindung.

In Fig. 1 sind die Räume. 1 bis η zu klimatisieren. Die den Räumen über die Rohrleitungen 21 zugeführte Zuluft wird entweder über die Rohrleitung 15 von aussen angesaugt oder über die Rohrleitung 14 der Abluft entnommen. Diese Luft wird nach ihrer Reinigung in nicht dargestellten Geräten durch einen Ventilator 18 in zwei Kanäle K und K gedrückt. Im erstgenannten Kanal, dem Kaltluftkanal, wird die Luft durch einen Kühler 16 gekühlt. Im zweit-

209884/0 7 24

genannten Kanal, dem Warmluftkanal, wird die Luft durch einen Erhitzer 17 erhitzt. Jedem der zu klimatisierenden Räume ist ein Mischgerät 20 zugeordnet, das sowohl an den Warmluft- wie an den Kaltluftkanal angeschlossen ist. In den Mischgeräten wird Luft aus beiden Kanälen miteinander vermischt, um die Zuluft für den Raum auf die gewünschte Temperatur und Feuchte zu bringen. Durch einen ■Ventilator 19 wird die Abluft aus den Räumen über die Rohrleitung 12 abgesaugt und entweder über die Leitung 13 nach aussen abgeführt oder über die Leitung 14 der erneuten Aufbereitung zugeführt.

Die Fig. 1 soll - Entsprechendes gilt für die Fig. 3 - lediglich das Arbeitsprinzip des Verfahrens veranschaulichen. Auf die Darstellung aller hierfür nicht erforderlichen Einzelheiten, wie z. B. Filter, Mischklappen und Befeuchtungsanlagen, wird daher verzichtet. Ebenso versteht sich, dass bei extremen Bedingungen der aufzubereitenden Luft die Möglichkeit bestehen muss, die Luft im Kaltluftkanal zu erhitzen oder die Luft im Warmluftkanal zu kühlen. Die hierfür erforderlichen zusätzlichen Aggregate sind in den Fig. 1 und 3 ebenfalls nicht dargestellt.

In den Fig. 2a bis 2c sind Lasteharakteristiken verschiedener Räume abgebildet. Dabei ist auf der Ordinate die aus dem Raum pro Zeiteinheit abzuführende Wärmemenge Q, beispielsweise in kcal/Stunde, und auf der Abszisse die Zeit aufgetragen. Wird diese Wärmemenge abgeführt, so wird die Solltemperatur des Raumes gehalten. Da die Zuluftmenge zu dem Raum konstant ist, kann auf der Ordinate auch die Temperaturdifferenz ^ T zwischen der Zuluft und der Raumsolltemperatur aufgetragen werden, da die spezifische Wärme und das spezifische Gewicht praktisch konstant sind.

Fig. 2a zeigt die Lastcharakteristik des Raumes mit der grössten

209884/0724

Kühllastspitze zur Zeit t.. Diese Spitze ist massgebend für die Bemessung der Temperatur des Kaltluftkanals. Zu dieser Zeit* wird dem betreffenden Raum lediglich Zuluft aus dem Kaltluftkanal zugeführt. Diese Zuluft muss ausreichen, den hohen Wärmeanfall im Zeitpunkt t- abzubauen.

Fig. 2b zeigt die entsprechenden Verhältnisse für den Raum mit der grössten Heizlast.

Die erforderliche Temperatur T wird durch die Kühllast im Zeitpunkt t^ bestimmt, und die erforderliche Temperatur T des Warmluftkanals wird durch die Heizlast im Zeitpunkt ί bestimmt. Zu allen übrigen Zeitpunkten erfordert die Aufrechterhaltung der Solltemperatur in den Räumen eine Vermischung von Luft aus beiden Kanälen.

Alle übrigen Räume liegen mit ihrer Lastcharakteristik, wie z. B. Fig. 2c zeigt, zwischen den beiden extremen Charakteristiken nach den Fig. 2a und 2b. Bei ihnen ist daher ständig eine Vermischung von Luft aus beiden Kanälen erforderlich. Man erkennt somit, dass das bekannte Verfahren mit sehr hohen Mischverlusten arbeitet.

Fig. 3 zeigt ein als Beispiel aufzufassendes Prinzip schaltbild zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung. Soweit in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind, handelt es sich um entsprechend arbeitende Teile der Anordnung. Das besondere Merkmal dieser, nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitenden Anordnung ist die Einführung eines dritten Kanals, des sogenannten Konstantkanals K, . Er wird über einen Kühler 21 und einen Erhitzer 22 durch das Gebläse 18 mit Luft beschickt. Die beiden Kanäle K und K werden bei dem Dreikanal-

209884/0724

verfahren zweckmässig als Minuskanal bzw. Pluskanal bezeichnet.

Das Mischgerät 29 des Raumes 1 ist an alle drei Kanäle angeschlossen. Je nach Bedarf kann also der Luft aus dem Konstantkanal Kühlluft oder Heizluft aus einem der beiden anderen Kanäle beigemischt werden. Liegen die Raumbedingungen im Einzelfalle derart, dass stets nur Kaltluft oder Warmluft zugemischt zu werden braucht, so genügt es, das Mischgerät nur an den Konstantkanal und einen der beiden Aussenkanäle anzuschliessen, wie dies für die Mischgeräte 27 und 28 dargestellt ist.

Die erfindungsgemässe Dreikanalanordnung kann selbstverständlich auch als Zweikanalanordnung betrieben werden, indem das Mischgerät eines Raumes nur an die beiden Aussenleiter angeschlossen wird. Ferner ist mit der Dreikanalanordnung, wie dies für die Mischkästen 26, 25 und 24 dargestellt ist, auch eine K¹ imatisierung nach dem Einkanalprinzip möglich. Dies kommt allerdings in der Praxis nur dann in Betracht, wenn die Last Schwankungen gering sind. Die dann nur geringe Anpassung der Zuluftmenge an die sich nur wenig ändernde Lastcharakteristik kann mittels einer Mengenregelung der Zuluft durchgeführt werden.

Die erforderliche niedrigste Temperatur im Minuskanal wird durch den Raum mit der grössten Kühllastspitze bestimmt (t.. in Fig. 2a). Der niedrigsten Temperatur ist aber auch eine physikalische Grenze (Taupunkt) gesetzt, da es bei Eintritt der Luft in den zu klimatisierenden Raum nicht zur Wasserdampfkondensation kommen darf. Bei einer Raumtemperatur von 22 C und 60% Luftfeuchtigkeit liegt diese Grenze etwa bei 14 C.

Die erforderliche höchste Temperatur im Pluskanal wird durch den

203884/0724

- 8 Raum mit der grössten Heizlastspitze bestimmt (Fig. 2b).

Die Temperatur des Konstantkanals ist dann optimal bemessen, wenn die insgesamt auftretenden Mischverluste den kleinstniöglichen Wert annehmen. Dieser Wert ergibt sich nicht aus einer einfachen Formel, sondern kann nur numerisch aus sämtlichen Lastcharakteristiken errechnet werden. Er ist auch in jedem Augenblick ein anderer. Der Gedanke der Einführung eines Konstantkänals ergibt sich aus der Erwägung, dass aus diesem Kanal die im wesentlichen konstanten Kühl- oder Wärmelasten gedeckt werden sollen. In einem Geschäftshaus werden beispielsweise konstante Kühllasten durch die anwesenden Menschen, durch Beleuchtungskörper und Maschinen erzeugt. Variable Kühllasten werden durch den Publikums verkehr, ihren Betriebszustand ändernde Maschinen sowie durch Transmission und Sonneneinstrahlung erzeugt. In Fig. 2a ist der Konstantlastanteil für den zugehörigen Raum schraffiert eingetragen.

Wenn man voraussetzt, dass in allen Räumen eine Kühllast vorhanden ist, dass also aus allen Räumen Wärme abzuführen ist, kann eine zweckmässige Bemessung der Temperatur T, des Konstantkanals aus folgenden Formeln errechnet werden:

Q_k - K * c · v_k . & T_k

' Q = X · c · V₁ . £\ T
ν ü kv

V = ν + V
ges k ν

hi diesen Gleichungen bedeuten: .

Q, die Konstantlast aller Räume,
c die spezifische Wärme der Luft,
)£ das spezifische Gewicht der Luft,

V das allen Räumen pro Zeiteinheit zugeführte Luftvolumen, ges

20 9884/0724

Q die variable Last aller Räume,
ν

^T die Differenz zwischen der Temperatur im Minuskahal und der Solltemperatur in den Räumen,

V, das durch alle Räume dem Konstantkanal entnommene Luftvolumen * und

V das durch alle Räume dem Minuskanal entnommene Luftvolumen, ν

In den drei Gleichungen sind lediglich die Grossen &T , V, und V

JK. JcC V

unbekannt. Löst man die drei Gleichungen nach AT₁ auf, so erhält man:

y · c · v

^δ ges

ΔΤ

ΔT, gibt an, um wieviel Grad die Temperatur des Konstantkanals

über der Solltemperatur der Räume liegt.

Die Temperatur des Konstantkanals wird langfristigen Lastver— Schiebungen angeglichen.

Die Temperatur des Plus- und Minuskanals wird zweckmässig fortlaufend geregelt, um den Abstand zur Temperatur des Konstantkanals möglichst klein zu halten. Als Führungsgrösse dieser Regelungen kann die dem Plus- bzw. Minuskanal entnommene Luftmenge dienen. Wird also beispielsweise dem Minuskanal mehr Luft entnommen, so wird die Kühlung verstärkt und damit die Temperatur des Minuskanals weiter herabgesetzt.

209884/0724

Claims

Patentansprüche:

Ij Verfahren zur Klimatisierung mehrerer Räume unterschiedlicher Lastcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, dass die den Räumen zuzuführende Luft in drei Kanälen bereitgestellt wird, einem Konstantkanal (K, ) mit Zuluft mittlerer Temperatur, einem Minuskanal (K ) mit Zuluft niedrigerer Temperatur als der des Konstantkanals und einem Pluskanal (K ) mit Zuluft höherer Temperatur als der des Konstantkanals, und dass die jedem Raum zugeführte Luft durch . individuelle Vermischung von Luft aus dem Konstantkanal und dem

Plus- oder Minuskanal gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Luft im Minus- bzw. Pluskanal in Abhängigkeit der diesem Kanal entnommenen Luftmenge stärker gekühlt bzw. erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Räume nur aus dem Konstant-, Minus- oder Pluskanal versorgt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufttemperatur (T ) im Konstantkanal Vorzugs-

IC

weise so festgelegt wird, dass sie der Beziehung

γ . V - Q

ges ν

T₁ = T + k genügt, wobei

κ s — ———~

Q, die Konstantlast aller Räume,

IC

c die spezifische Wärme der Luft,

V das spezifische Gewicht der Luft,

V daskllen Räumen pro Zeiteinheit zugeführte Lüftvolumen, ges ι

209884/072 4

-'11 -

Q die variable Last aller Räume und

die Differenz "zwischen der Temperatur im Minuskanal und der Solltemperatur ist.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischgeräte (24-29) der einzelnen Räume entweder an alle drei Kanäle (K , K, , .K) oder an den Konstant- und den Pluskanal oder an den Konstant- und den Minuskanal oder nur an den Konstant-, Plus- oder Minuskanl angeschlossen sind.

20 9884/0724