DE3836708A1 - Verfahren zum temperieren von raeumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen von Wärme oder Kühllasten eines Raumes mit Wasser oder Luft als Wärmeträger.

Hierfür sind die verschiedensten Verfahren entwickelt worden. Einige beruhen darauf, daß hierzu nur Wasser als Wärmeträger verwendet wird, andere dagegen, daß nur Luft als Wärmeträger verwendet wird, wobei Wasser wegen der höheren spez. Wärme wirtschaftlicher ist.

Dennoch wird für die Kühlung von Räumen Wasser des­ halb weniger verwendet, weil die Temperaturdifferenz Wasser zu Luft äußerst gering ist (26°K Raumtempe­ ratur zu 16°K Wassertemperatur).

Die meisten Verfahren basieren jedoch auf Kombina­ tionen von Luft und Wasser als Wärmeträger (z.B. Induktionsgeräte oder Fan-coil-Geräte), wobei jedoch zur sekundärseitigen Wasserleistungsabgabe der pri­ märseitige Luftbetrieb mittels Ventilatoren notwen­ dig ist (nicht entkoppelbar).

Für die Heizung von Räumen kann bei solchen Anlagen durch eine erhöhte Wasser/Luft-Temperaturdifferenz auf den zwangsweisen Betrieb von Primärluft verzich­ tet werden, weil eine große Temperaturdifferenz eine genügend große Leistungsabgabe durch Eigenkonvektion ergibt.

Nur wenn baulich und architektonisch eine ausrei­ chende Strahlungsfläche, wie Decke oder Wände, für die Aufnahme eines Kühlregisters zur Verfügung ste­ hen, kann auf die Hilfe von mechanisch bewegter Luft verzichtet werden. Diese Art der Raumkühlung ist leistungsmäßig begrenzt, wegen der dafür geeigneten Raumflächen und eine geringere Temperaturdifferenz Wasser/Luft um Taupunktunterschreitung zu vermeiden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Ener­ gieaustausch der warmen Raumluft bzw. der kalten Raumluft ohne Hilfsenergie wie Ventilatoren oder Injektionsdüsen, sondern mit Hilfe der Schwerkraft. Die Anordnung besteht aus einem Schacht von großer Höhe für die Kühlkonvektion. Am oberen Ende dieses Schachtes befindet sich ein von Wasser durchflosse­ ner Wärmeaustauscher zum vorwiegenden Kühlen, während am unteren Ende ein von Wasser durchflossener Wärme­ austauscher angeordnet ist, vorwiegend zum Heizen.

Durch eine Wasser/Luft-Temperaturdifferenz von z.B. 16/32°K entsteht ein laminar abfallender Luftstrom (Abtrieb) im Schacht, der als Quellstrom in den Raum hineinfließt und sich auf dem Fußboden bis an die Raumumgrenzungsflächen ausbreitet. Dieses Quell­ stromprinzip verdrängt langsam die im Raum durch Konvektion aufsteigende Warmluft zur Decke ohne sich mit ihr zu vermischen. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt in gewissen Grenzen eine Selbstregulierung, da sich die Umtriebskraft durch Erhöhung der Wichte­ differenz automatisch beschleunigt, wenn mehr Wärme im Raum frei wird. Die Temperaturdifferenz am Luft­ kühler steigt und fällt mit der schwankenden raumsei­ tigen Wärmelast.

Der am unteren Ende des Schachtes befindliche Wärme­ austauscher kann wegen der Höhe des Schachtes im Heizfall sehr klein bemessen sein. Die gefürchtete Kaltluft in Fußbodennähe wird durch die hohe Um­ triebskraft aufgrund der für den Kühlfall dimensio­ nierten Schachthöhe abgesaugt. Dadurch entsteht ein befriedigendes, senkrechtes Temperaturprofil.

Auch genügt für den Heizfall wegen des überhöhten Schachtes eine geringe Wasservorlauftemperatur ge­ genüber der Raumluft. Dies hat zur Folge, daß Ab­ fallwärme, wie EDV Abwärme, oder ein Wärmepumpenprin­ zip wirtschaftlich verwendet werden kann.

Schließlich kann der Wärmeaustauscher am unteren Ende des Konvektionsschachtes auf der raumzugewandten Seite zum Strahlungsaustausch dienen.

Die Strahlungsfläche kann aus Gestaltungsgründen aus einer normalen Gipswand hergestellt sein, wenn ein wasserführendes Kapillarrohrgeflecht als Gipsträger verwendet wird. Sofern jedoch für den Heiz- oder Kühlfall ein erhöhter Strahlungsaustausch gewünscht wird, kann die Strahlungsfläche auch aus Metallrohren in Modulbauweise hergestellt werden (Flachheizkör­ per). Ebenso eignen sich hierzu Kupfer-Alu-Wasser­ führungssysteme.

Die sich ausbildende Schichtung hat zur Folge, daß sich unter der im Raum vorhandenen wärmeren Luft ein Kissen mehr oder weniger großer Höhe aus kälterer Luft bildet. An der Grenze zwischen der kälteren und der darüber liegenden wärmeren Schicht erfolgt zwar im Laufe der Zeit ein gewisser Impulsaustausch, so daß die Schichten dann unter Umständen nicht mehr durch eine scharfe Grenzebene, sondern durch eine mehr oder weniger dicke Übergangsschicht getrennt werden. Eine solche Quellüftung hat zur Folge, daß in Bodennähe, wo sich die Füße von sich im Raum aufhal­ tenden Personen befinden, eine tiefere Temperatur herrscht, als in der Höhe, in der sich die Köpfe der Personen befinden. Je nachdem, ob die Personen über­ wiegend stehen oder herumgehen, befinden sich deren Köpfe in einer Höhe von 1,50 m bis 1,80 m. Sofern nun die Temperaturdifferenz zwischen dem Boden und der Kopfhöhe einen gewissen Grenzwert, etwa 3°K, über­ schreitet, wird das von den Personen als unbehaglich empfunden, obwohl der Temperaturkomfort bei dieser Art der Lufkühlung durch Quellüftung schon als wesentlich größer empfunden wird als bei einer konventionellen Kühlung der Räume. Besonders angenehm wird aber bei der Kühlung durch Quellüftung die außerordentlich geringe bzw. ganz verschwindende Luftgeschwindigkeit empfunden, die hier weit unter­ halb der empirisch festgelegten Grenzwerte liegt.

An allen wärmeren Flächen des Raumes, z.B. an Stel­ len, an denen sich Personen, Maschinen oder Beleuch­ tungskörper befinden, sowie auch an Flächen, die durch Sonneneinstrahlung eine erhöhte Temperatur erhalten haben, strömt aus der unteren kühlen Schicht kühle Raumluft nach oben, so daß dadurch die vorge­ nannte Temperaturdifferenz wieder etwas verringert wird. Dennoch bleibt aber auch bei einer Raumkühlung durch Quellüftung ein restliches Temperaturgefälle in aufwärtiger Richtung bestehen, wie es sich aus der langsamen Verdrängung der Raumluft durch die unten einquellende kühlere Luft zwangsläufig ergibt.

Das Raumkühlungsverfahren eignet sich für alle Raum­ arten, in denen Wärmelasten bis ca. 40 W/qmh anfallen, wenn eine senkrechte Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Fuß bei sitzenden Personen von 3°K nicht überschritten werden soll.

In Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, daß der durch Schwerkraft abwärts bewegten, abge­ kühlten Luft an beliebigen bodennahen Stellen ein oder mehrere, durch einen Ventilator erzeugte Luft­ ströme als Störluft zugeführt werden. Diese Störluft bewirkt dann innerhalb einer gewissen, bodennahen Schicht eine Vermischung der Raumluft mit der ein­ gequollenen Kühlluft und damit eine Verminderung der Temperaturdifferenz in einer arbeitsplatzneutralen Zone. Vorzugsweise wird das Verhältnis der Volumen­ ströme von Störluft zu Quelluft und ihre Eindringart so gewählt, daß durch die Störluft die Differenz der Temperatur in einer festgelegten Höhe über dem Boden zur Temperatur direkt am Boden auf einen vorbe­ stimmten Grenzwert herabgesetzt wird.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung zeigen sich bei der Kühlung von Räumen, in denen sich Personen aufhalten, weil dadurch der besondere Vor­ teil der Quellüftung, nämlich eine niedrige bis verschwindend geringe Luftgeschwindigkeit, erhalten bleibt und gleichzeitig in einem unteren Bereich des Raumes eine Temperaturgleichmäßigkeit erzielt wird, wie sie bisher nicht vorstellbar war.

Ein besonderer Vorteil der durch Schwerkraft erziel­ ten Quellüftung liegt darin, daß man für den Trans­ port der Luft keine Energie benötigt.

Auch dann, wenn man entsprechend der Weiterbildung der Erfindung Störluft einsetzen will, wird für diesen relativ geringen Störluftstrom nur eine ge­ ringe Energie benötigt. Diese Energie kann man noch dadurch erheblich verringern, daß man in den Zeit­ räumen, in denen sich keine Personen im Raum aufhal­ ten, die Störluft abschaltet und eine gewisse Schicht­ bildung während dieser Zeit in Kauf nimmt. Beispiels­ weise kann man den die Störluft erzeugenden Ventila­ tor zur Nachtzeit abschalten und erst wieder morgens, wenn mit dem Eintreten von Personen gerechnet wird, einschalten. Man kann aber auch irgendwelche Sensoren, die auf die Anwesenheit von Personen ansprechen, verwenden und durch diese die Störluft einschalten lassen.

Es ist nicht besonders kritisch, an welchen Stellen und in welcher Richtung der Störluftstrom zugeführt wird. Wichtig ist nur, daß durch die Störluft eine Vermischung mit warmer Raumluft erreicht wird. Damit wird dann die relativ geringe Schichthöhe der am Boden lagernden kälteren Luft vergrößert und auch deren Temperatur entsprechend erhöht. Zur Zuführung der Störluft können Injektionsdüsen verwendet werden, die die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit abgeben und den Mischeffekt erzeugen. Ebenso kann die Störluft unmittelbar im Quellgebiet durch geeignete Ventilatoren erzeugt werden.

Als Störluft kann Warmluft aus dem oberen Teil des Raumes verwendet werden, damit ein höherer Mischef­ fekt erzielt wird.

Man kann aber auch als Störluft kalte Luft aus der durch Schwerkraft bewegten gekühlten Luft abzweigen, wobei durch die Lenkbarkeit der Quelluft ebenso eine Vermischung mit der warmen Raumluft zwecks Senkung der vertikalen Temperaturdifferenz im Aufenthaltsbe­ reich erfolgt.

Schließlich kann man auch von außen eingebrachte Frischluft als Störluft verwenden, wobei dann eine Feuchtigkeitsregelung oder auch eine Lufterneuerung erfolgt.

Wie der Ventilator bzw. die Injektionsdüsen gespeist werden, muß im Einzelfalle nach Abwägung der Vorteile und Nachteile entschieden werden.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die im Fallschacht abgekühlte, durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft in einen hohlen Boden umgelenkt wird und aus diesem in vorgegebenen Öffnungen, vorzugsweise unter oder neben den im Raum befindlichen Wärmelasten austritt. Dadurch ergeben sich vertikale Temperaturprofile, die deutlich unter der DIN-Norm mit 3°K liegen, ohne daß dazu Störluft notwendig ist.

Durch diese Umlenkung wird erreicht, daß an jeder gewünschten Stelle über dem Boden eine Kühlung er­ folgen kann. Die besonderen Vorteile dieser Weiter­ bildung des Verfahrens zeigen sich darin, daß bei Bedarf im Sommer die Räume ohne Anwesenheit von Personen vorgekühlt werden können.

Wenn Frischluftbedarf vorliegt, kann diese Luft durch Düsen dem Schwerkraftstrom zugefügt werden, um eine Umtriebsbeschleunigung zu erreichen.

Zusammenfassend ist noch einmal darauf hinzuweisen, daß ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin liegt, daß man für den Transport der Luft keine Energie benötigt. Selbst dann, wenn man zusätzlich aus den vorgenannten Gründen Störluft durch einen Ventilator zuführt, wird dafür nur eine geringe Energie benötigt. Mit einem Volumenverhältnis Störluft zur Quelluft von 1 zu 10 lassen sich durch­ aus senkrechte Temperaturprofile im Aufenthaltsbe­ reich von 1 bis 2°K erreichen.

Auch diese geringe Störluftenergie entfällt völlig in den Zeiträumen, wo keine Personen im Raum anwesend sind.

Wenn die Heizkörper unter Fenstern angeordnet werden sollen, kann die Kombination auch getrennt werden.

Das Heiz-Kühlsystem eignet sich hervorragend zur Altbausanierung, wenn wegen der außergewöhnlich gestiegenen Innenlasten neben der bestehenden Hei­ zung eine Raumkühlung erforderlich ist.

In einem Vielraumgebäude treten gleichzeitig sehr unterschiedliche Wärmelasten auf. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich hier besonders zur individuel­ len raumabhängigen Wärmelastabführung.

Das Verfahren erlaubt auch eine automatische Filte­ rung der Raumluft, wenn vor dem Warmlufteintritt am oberen Ende des Kühlschachtes ein Elektro-Aktivkoh­ lefilter angeordnet ist. Dieses Filter hat einen dafür geeigneten, äußerst geringen Luftwiderstand und filtert auch Zigarettenrauch bei thermisch bedingter Luftrichtungsänderung.

Zusammenfassung der wesentlichen Vorteile:

• - Sehr gut geeignet zu Altbausanierung, da an vorhandene Installation angeschlossen werden kann,
• - Heizen und Kühlen ohne Ventilator, da Kühlen mit raumhohen Konvektionsschächten,
• - zweifache Nutzung der Wärmeaustauscher mög­ lich, wenn in Reihe geschaltet,
• - Heizkörper geeignet zur Abgabe von Strahlung an den Raum im Heiz- und Kühlfall,
• - einfache individuelle Regelung durch Thermos­ tatventile,
• - zentrale Umschaltung von Heizen auf Kühlen gleitend, außentemperaturabhängig,
• - elektro-Aktivkohlefilterung im Schacht mög­ lich ohne Ventilator beim Heizen und Kühlen,
• - wesentliche Kostenersparnis für Installation, Energie und Wartung wegen äußerst geringer Anordnung von Verschleißteilen und nicht benötigter, luftseitiger Förderenergie,
• - hohe Behaglichkeit, da ausschließlich ther­ mischer Auftrieb beim Kühlen und Heizen,
• - hygienisch einwandfrei, da keine Staubentwick­ lung durch Zwangslüftung und keine raumver­ bindenden Lufttransportkanäle,
• - wenig Installationsraum, wie abgehängte Decken und Maschinenräume, da zum Kühlen keine Luftleitungen etc. (RLT) notwendig sind.

Da in Bürogebäuden die Raumkühlung durch wärme­ abgebende Kommunikationsgeräte eine immer größer werdende Bedeutung erhält, ist die Raumkühlung ohne den Betrieb eines Ventilators bedeutend wirtschaftlicher als raumlufttech­ nische Anlagen (RLT).

Da es sich bei dem vorgeschlagenen System um eine wassertechnische Anlage handelt, gehört dieser Bereich, wie in der Praxis üblich, zur Heizungsinstallationstechnik und nicht zu der Raumlufttechnik. Das System unterliegt somit auch nicht den DIN-Normen für RLT-Anlagen.

Das vorgeschlagene Verfahren erfüllt deshalb folgende Bedingungen:

• - Energieeinsparung wegen Verwendung von Wasser im Niedertemperaturbereich, z.B. Abfallwärme EDV,
• - Energieeinsparung wegen nicht benötigter Ventilator-Energie zur Wärmeabfuhr im Kühl­ fall,
• - Umweltfreundlich wegen drastisch reduzier­ ter Strom-Wärme- und Kühlenergie (Nacht­ speichermöglichkeit),
• - Vereinfachung von Bedienung und Wartung, da keine bewegenden Verschleißteile, wie Ventilatoren, Volumenregler o.ä,
• - Baukostenreduzierung im Bereich von Schächten und abgehängten Decken, da zur Kühlung Wasser - anstelle von Luft - verwendet wird.

Meßergebnisse stehen aus einem Strömungs­ labor bei Bedarf und auf Anfrage zur Verfü­ gung.

Claims (8)

1. Verfahren zum Temperieren eines Raumes gekennzeichnet durch die Ver­ wendung eines hohen aufwärts gerichteten Schachtes im Raum, der in seinem oberen Teil Kühlflächen aufweist, an denen sich die warme Raumluft abkühlt und infolge ihrer Wichte­ differenz zum Raum durch den Schacht abwärts strömt und aus dem unteren Ende des Schachtes in laminarer Strömung austritt und sich dann im Raum, den Boden bedeckend, in zusammenhängender Kühlschicht bis zu den Raumumfassungswänden hin ausbreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht an seinem unteren Ende Heizflächen aufweist, an denen sich kalte Raumluft erwärmt und infolge ihrer Wichtedifferenz zum Raum aufwärts steigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Schachtflächen innen durch Heizflächen gebildet werden und diese dem durch Wichtedifferenz bewegenden Luftstrom im Schacht keinen luftseitigen Widerstand entgegensetzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen nach außen nicht isoliert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und der untere Wärmeaus­ tauscher wasserseitig hintereinander durch­ flossen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Schwerkraft abwärts bewegten gekühlten Luft an beliebigen bodennahen Stellen ein oder mehrere durch einen Venti­ lator erzeugte Luftströme als Störluft zu­ geführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwesenheit von Personen im Raum Störluft zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Schacht abgekühlte, durch Schwerkraft abwärts bewegte Luftstrom in einen hohlen Boden um­ gelenkt wird und aus diesem in vorgegebenen Öffnungen unten oder neben dem Raum befind­ lichen Wärmelasten ausströmt.