EP0298996B1 - Verfahren und einrichtung zur raum-klimatisierung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Raumklimatisierung sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Aus der DE-C-915 386 ist eine gattungsgemässe Einrichtung zur Klimatisierung einer verhältnismässig grossen Halle bekannt, bei welcher offenbar ungeregelt Frischluft oberhalb einer ersten Zwischendecke zu Luftzuleitungen, welche als senkrecht nach unten in die Halle ragende Rohre ausgebildet sind, geführt und Abluft zwischen der ersten und einer unterhalb derselben angeordneten, mit Absaugeöffnungen versehenen zweiten Zwischendecke abgezogen wird. Die Luftzuleitungen weisen Oeffnungen auf derart, dass jeweils zwei Oeffnungen benachbarter Zuleitungen gegeneinander gerichtet sind, sodass die kinetische Energie der einströmenden Luft in sich bildenden Wirbeln vernichtet wird.
• Auf diese Weise wird in sehr grossen Räumen, wo die Oeffnungen der Zuleitungen hoch über dem Boden liegen, erreicht, dass Zugwirkungen in der Aufenthaltszone vermieden werden, da die Luft ihre kinetische Energie verliert, bevor sie in Bodennähe gelangt.
• Bei Räumen normaler Grösse wie Wohnzimmern oder Büros erfassen durch Frischluftzuführung bewirkte Turbulenzen jedoch den ganzen Raum und können von der Aufenthaltszone nicht ferngehalten werden.
• Aus der FR-A-2 126 601 ist eine Einrichtung zur Belüftung von Ställen bekannt, mit welcher hauptsächlich die Entfernung ammoniakhaltiger Gase aus dem Deckenbereich angestrebt wird. Die Frischluft wird durch unter der Decke geführte parallele Kanäle den Verteilungsschächten zugeführt und dabei durch Wärmeaustausch mit der deckennahen Raumluft offenbar etwas erwärmt. Eine eigentliche Klimaregelung ist mit dieser Einrichtung jedoch nicht möglich.
• Die GB-A-2 029 004 zeigt ebenfalls eine Einrichtung zur Belüftung von Ställen mit einer Zwischendecke, oberhalb welcher durch parallele Kanäle Abluft abgeführt wird und an deren Unterseite zur Frischluftzufuhr weitere Kanäle angebracht sind, welche an den Unterseiten Längsschlitze aufweisen, durch welche die Zuluft in den Stall austritt. Zwischen der Zuluft und der Abluft tritt Wärmeaustausch auf, zwischen der deckennahen Raumluft und der Zuluft wohl nur in sehr geringem Mass. Der Volumenstrom kann zweistufig geregelt werden. Auch hier ist eine aktive Temperaturregelung offenbar nicht möglich und auch nicht beabsichtigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, mit welchem eine geregelte und ausreichende Heizung oder Kühlung auch normal grosser Räume möglich ist, ohne dass durch rasch zugeführte temperierte, z. B. relativ kalte Frischluft stärkere, als unangenehme Zugluft empfundene Strömungen entstünden.
• Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, gelöst.
• Gemäss der Erfindung wird die zugeführte Frischluft, bevor sie in den Raum einströmt, erst durch Wärmeaustausch ohne oder fast ohne Masseaustausch an die Raumlufttemperatur angeglichen. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass allenfalls durch die Frischlufteinleitung entstehende Strömungen wegen der annähernden Temperaturgleichheit mit der Raumluft viel weniger stark und vor allem viel weniger störend empfunden werden, sondern auch, dass die Frischluft, da sie ja nicht direkt in den Raum geblasen, sondern zuerst durch Wärmeaustausch in ihrer Temperatur angepasst wird, mit wesentlich grösserer Temperaturdifferenz zugeführt werden kann. Damit wird aber die erforderliche Heiz- oder Kühlleistung, die zum grossen Teil über den Wärmetauscher erbracht wird, mit einem viel kleineren Volumenstrom erreicht, als das bei der bei bekannten Verfahren üblichen geringen Temperaturdifferenz möglich wäre.
• Ein solches Verfahren und eine solche Einrichtung besitzen erhebliche und gravierende Vorteile gegenüber bekannten Einrichungen. In erster Linie werden die Komforteigenschaften der Klimaanlage ganz entscheidend dahingehend verbessert, dass sie von den Personen im Raum praktisch nicht wahrgenommen, geschweige denn als störend empfunden wird. Diese Eigenschaft ist eine Folge der Zuführung isothermer Frischluft mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit in den Raum. Verbrauchte und erwärmte Raumluft steigt selbttätig im Raum nach oben und wird von dort abgeführt. Sind grössere Temperaturanpassungs-Leistungen zu erbringen, wird dem Diffusor ein Wärmetauscher vorgeschaltet, der im Deckenbereich angebracht ist, so dass die aus dem Diffusor in den Raum eintretende Frischluft in diesem Fall ihr ursprüngliches Temperaturgefälle gegenüber der Raumluft im Wärmetauscher bereits zu grössten Teil ausgeglichen hat. Die in den Raum eintretende Frischluft selbst übt also in keinem Fall eine Kühl- bzw. Heizwirkung aus. Diese Luft dient praktisch ausschliesslich der Frischluftversorgung und wird über den Diffusor weitgehend laminar von oben seitlich in den Raum geführt. Von dort aus verteilt sich die Luft gemäss der Raum-Eigendynamik, also gemäss den jeweils auftretenden und eventuell wechselnden Gegebenheiten, von selbst, ohne dass sich starke und damit störende Luftströmungen bemerkbar machen.
• Wegen der geringeren Mengen der zu- und abgeführten Luft sind geringere Querschnitte für die Versorgungsleitungen erforderlich, was Platz- und Kosteneinsparungen zur Folge hat. Bedingt durch die Funktionsaufteilung ergibt sich ferner ein erheblich verbesserter Gesamtenergiebedarf, der z.B. nur ca. 40 % des Energiebedarfs von konventionellen Anlagen bei sonst gleichen Voraussetzungen beträgt.
• Ein weiterer Vorteil der beruhigten Luftströmung im Raum ist die stark verbesserte Reinheit der Raumluft. Die Kontamination der Raumluft aufgrund von Luftturbulenzen und hoher Strömungsgeschwindigkeit wird reduziert.
• Da die Frischluftzufuhr nicht mehr an mehreren Stellen mit hoher, für den Raumbewohner spürbarer Geschwindigkeit, sondern mit stark reduzierter Geschwindigkeit auf einer Seite im Raum erfolgt, besteht eine viel grössere Freiheit in der Einrichtung der Räume.
• Schliesslich lässt sich durch die Verwendung eines direkt als Deckenelement ausgebildeten Wärmetauschers Bauhöhe einsparen, da separate Luftkanäle im Deckenbereich und damit eine zusätzliche abgehängte Decke überflüssig werden. Da auch keine Doppelböden für die Klimaanlage erforderlich sind, kann dieser Bereich sofern erforderlich für andere Installationen, z.B. ausschliesslich für Elektroinstallationen, freigehalten werden. Wegen der geringeren Bauhöhe dieser Einrichtung kann insgesamt eine geringere Raumhöhe in den Bauten eingehalten werden, was bei grösseren Gebäudehöhen zu erheblichen Verbesserungen der Bauausnutzung, in Extremfällen zu zusätzlichen Etagen innerhalb einer vorgegebenen Bauhöhe führen kann.
• Die Regelung des Frischluftvolumens kann vorzugsweise durch Temperaturmessungen im Bereich des Diffusors erfolgen. In der Regel wird sich der Diffusor in der Nähe des Volumenreglers befinden, so dass die Installation einfach und kostensparend ist. Es sind keine separaten Raumthermostaten oder andere Sensoren innerhalb des klimatisierten Raumes erforderlich. Zusätzliche Merkmale und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
• Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1

die schematische Ansicht eines zu klimatisierenden Raumes mit den Hauptbestandteilen der erfindungsgemässen Raumklimaeinrichtung,

Fig.2

eine Aufsicht auf den Raum gemäss Figur 1 mit der Anordnung der Wärmetauscher im Deckenbereich,

Fig.3

den Schnitt 3-3 aus Fig.2, und

Fig.4

das Ausführungsbeispiel eines By-Pass-geregelten Heizsystems.

• Gemäss dem gezeigten Beispiel ist die Klimaanlage an einen Frischluftkanal 1 und einen Abluftkanal 2 angeschlossen. Im Frischluftkanal 1 ist ein Volumenregler 3 angeordnet. Der Frischluftkanal 1 und der Abluftkanal 2 sind durch eine Installationsdecke 4 abgedeckt. Im zu klimatisierenden Raum kann ferner ein Wärmetauscher 5 vorgesehen sein, der im Beispiel als Deckenelement ausgebildet ist. Sind nur geringe Temperatur-Anpassungs-Leistungen zu erbringen, kann auf den separaten Wärmetauscher verzichtet werden.
• Wie Figur 2 im einzelnen zeigt, ist im Beispiel der Frischluftkanal 1 direkt mit Hinlauf-Lamellen 5A des Wärmetauschers verbunden, welche an ihrem anderen Ende in Rücklauf-Lamellen 5B übergehen. Die Ausgänge der Rücklauf-Lamellen 5B führen parallel auf einen Diffusor 6, welcher die Frischluft von der Decke aus nach unten gerichtet gemäss den Pfeilen A als Laminarströmung in den Raum treten lässt. Vorzugsweise ist der Diffusor 6 auf einer Seite des Raumes angeordnet, welche einer Fenster- oder Fassadenseite 7 des Raumes gegenüberliegt. In grösseren Räumen ist der Diffusor vorzugsweise in durchgangsnahen Bereichen, also möglichst nicht über Arbeits- oder Aufenthaltsbereichen, angeordnet.
• Figur 3 zeigt die Anordnung des als Deckenelement ausgebildeten Wärmetauschers an der Raumdecke 8. Es ist die Ausbildung der Hinlauf-Lamellen 5A und der Rücklauf-Lamellen 5B als Rechteckrohre und ihre wechselseitige Anordnung direkt an der Raumdecke 8 zu erkennen. Durch Geometrie und Dimensionierung der als statische Kühlelemente wirkenden Wärmetauscher-Lamellen wird eine mittlere Oberflächentemperatur der Decke eingestellt, welche annähernd gleich der mittleren Raumtemperatur ist. Bei sehr grossen Wärmetausch-Lasten kann der Wirkungsgrad der Kühllamellen durch Vergrösserung der freien Oberflächen innerhalb des Kanals erhöht werden.
• Für sogenannte Hochleistungszonen können, wie im rechten Teil von Figur 3 zu erkennen ist, die Hinlauf-Lamellen 5A und die Rücklauf-Lamellen 5B mit kleinen Luftaustauschöffnungen, z. B. mit Schlitzen 9 versehen sein, welche den Wärmeaustauschvorgang zwischen der Lamellenwand und der die Lamelle umgebenden Raumluft im Nahbereich des Wärmetauschers beschleunigt. Auf keinen Fall findet an dieser Stelle eine direkte Frischluftzuführung in die Aufenthaltszone des Raumes statt. Vielmehr bildet sich eine Art Mikroströmung ausschliesslich im Oberflächenbereich der Lamellen. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers 5.
• Die vom Frischluftkanal 1 über den Volumenregler 3 in die Hinlauf-Lamellen 5A des Wärmetauschers 5 geführte Frischluft verliert über die vorzugsweise aus einem Metall oder einem anderen gut wärmeleitenden Material bestehenden Lamellen des Wärmetauschers einen Teil ihres Temperaturgefälles gegenüber der Raumluft. Auch bei ihrem Rückweg über die Rücklauf-Lamelle 5B wird weiteres Wärmepotential von der Frischluft über den Wärmetauscher an die Raumluft abgegeben. Am Ausgang der Rücklauf-Lamellen 5B wird die auf die zuvor beschriebene Weise nahezu an die Raumlufttemperatur angepasste Frischluft über den Diffusor 6 in den Raum eingeführt. Die aus dem Diffusor in den Raum eintretende Frischluft soll sich höchstens um 1 Grad C von der Raumtemperatur im Aufenthaltsbereich unterscheiden. Die Austrittsgeschwindigkeit der aus dem Diffusor austretenden Frischluft beträgt grössenordnungsmässig 0,15 m/sec. Sie ist damit wesentlich geringer als die Austrittsgeschwindigkeit der in den Raum eingeführten Frischluft bei konventionellen Klimaanlagen, die ca. 1 bis 3 m/sec beträgt.
• Die aus dem Diffusor 6 ausströmende Frischluft strömt nach unten in den Raum, wo sie ein Frischluftangebot bildet. Verursacht durch die über den Raum verteilten diffusen Wärmequellen strömt die Frischluft horizontal zu den Wärmequellen und von diesen erwärmt vertikal zur Decke, wo sie den Deckenelementen entlang zu einem Austritt 10 strömt, der in den Abluftkanal 2 übergeht.
• Ein nach oben gerichteter Warmluftstrom hat einen Zuluftstrom zur Folge, der direkt seitlich von der aus dem Diffusor 6 einströmenden Frischluft abgezweigt wird. Es bilden sich grössere Strömungswalzen, welche jedoch praktisch keine Turbulenzen verursachen, sondern eine Eigendynamik im Raum entwickeln, so dass im Raum vorhandene Hauptströmungen unterstützt werden. Solche Hauptströmungen sind die vom Diffusor 6 nach unten strömende Frischluft, Abzweigungen zu diffusen Wärmequellen, ferner die zur Fassadenseite hin gerichtete Strömung der Frischluft, schliesslich die im Fassadenbereich durch natürliche Aufheizung über die Fenster unterstützte Aufwärtsströmung sowie die Rückströmung im Deckenbereich entlang dem Wärmetauscher 5 zum Raumluftaustritt 10. Trotz der praktisch laminaren Frischlufteinführung in den Raum findet ein sehr guter Luftaustausch innerhalb des gesamten Raumes statt. Dies ist in erster Linie auf die beschriebene Massnahmen im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung der Raumeigendynamik zurückzuführen.
• Die Klimatisierung kann sowohl im Sinne einer Kühlung als auch zur Heizung des Raumes erfolgen, oder im quasi-isothermischen Betrieb zum Lüften. Insbesondere beim Heizen kann es zweckmässig sein, dem System getrennte Warmluft- und Frischluftströme zuzuführen und im Diffusor-Bereich eine geregelte Luft-Mischung aus beiden vorzunehmen. Dabei erfolgt die Mischung in einem Bypass 20 zum Wärmetauscher 5, wie in Fig. 4 angedeutet. Dem Bypass wird direkt Frischluft einer tiefen Temperatur von z.B. 12 Grad Celsius zugeführt. Über den Wärmetauscher 5 wird z.B. 38 Grad C warme Luft geführt. Im Diffusor 6 erfolgt eine geregelte Mischung auf 21 Grad C, so dass sich eine Raumtemperatur von 22 Grad C einstellt. Die Regelung erfolgt durch ein Stellventil 21 im Bypass 20, wobei ein Temperaturfühler 22 im Bereich des Diffusors 6 mit einer Regeleinrichtung 23 zusammenwirkt und den Motor 24 des Stellventils 21 temperaturabhängig schaltet.
• Die Kombination von statischen Kühlflächen am Wärmetauscher 5 mit laminarem Lufteintritt über den Diffusor 6 sowie die Ausnützung der Eigendynamik für die Frischluftzufuhr des Raumes haben eine geringe, dem nicht klimatisierten Raum vergleichbare Raumluftgeschwindigkeit sowie eine gleichmässige Raumlufttemperaturverteilung im Aufenthaltsbereich zur Folge. Die Anlage arbeitet extrem geräuscharm und ist auch bei hohen Wärmelasten einsatzfähig, insbesondere wenn die Wärmetauscherlamellen mit den zuvor erwähnten Mikroöffnungen 9 zur Verbesserung des Wärmeaustauschs versehen sind. Innerhalb des Raumes sind keine zusätzlichen Kanäle oder Installationsleitungen erforderlich. Die Höhe der Wärmetauscherlamellen beträgt im typischen Beispiel ca. 15 cm, so dass die normale Raumhöhe für nichtklimatisierte Räume praktisch unverändert beibehalten werden kann. Es sind also keine Doppeldecken nötig, welche bei konventionellen Klimaanlagen zusätzliche Raumhöhe erfordern. Durch die eigendynamische Raumluftströmung, die im wesentlichen von unten nach oben verläuft, und durch weitgehende Vermeidung einer Querströmung mit kontaminierter Luft wird die Schadstoffbelastung innerhalb der Raumluft äusserst gering gehalten.
• Die Regelung der Frischluftzufuhr über den Volumenregler 3 erfolgt im Hinblick auf eine konstante Austrittstemperatur im Diffusor 6. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Temperatur der Primärluft, also der im Frischluftkanal 1 zugeführten Frischluft +12 Grad Celsius, die Abluft im Abluftkanal 2 weist eine Temperatur von +27 Grad Celsius auf, während die Raumtemperatur +24 Grad Celsius beträgt. Die Differenztemperatur zwischen der Primärluft und der Abluft beträgt hier also 15 Grad Celsius. Demgegenüber wird bei derzeit gebräuchlichen Klimaanlagen mit direkter Einführung der gekühlten Frischluft in den Raum mit einer Differenztemperatur von max. 8-10 Grad gearbeitet, was eine grössere Luftturbulenz und damit eine höhere Strömungsgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich und damit die unangenehmen störenden Nebeneffekte zur Folge hat.
• Im einzelnen wird die gewünschte Austrittstemperatur und somit Raumtemperatur durch eine automatische Volumenstromanpassung, d.h. durch eine Temperatur- Volumen-Kaskadenregelung erreicht. Dabei ist der das System führende Temperaturgeber, gegebenenfalls mit einem Messwandler, im Laminarflow-Diffusor 6 integriert. Das Regelungssystem arbeit nach dem Prinzip eines Variablen Volumenstromsystems "VVS".
• Durch direkte Anordnung der Wärmetauscher 5 an der bauseitigen Decke 8, z.B. mit Hilfe von Montageschienen 13 gemäss Figur 3, kann die Decke mit ihrer Wärmespeicherkapazität direkt in das Wärmeaustauschsystem einbezogen werden. Dies übt eine zusätzliche stabilisierende Wirkung auf das Gesamtsystem und dessen Regelsystem aus und erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeaustausches.
• In Abwandlung des beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels kann der Wärmetauscher auch in anderen geeigneten Bereichen des Raumes angeordnet sein. Wichtig ist auch in diesem Fall, dass die über den Frischluftkanal 1 zugeführte Frischluft zunächst den Wärmetauscher durchläuft und erst dann, nachdem sie nahezu auf Raumtemperatur erwärmt ist, in den Raum eingeführt wird.
• Obwohl sich als Material für den Wärmetauscher 5 ein gut wärmeleitendes Material, z.B. ein Metall anbietet, kann er auch aus anderen Materialien, z.B. aus Kunststoff, gefertigt sein.
• Der Einsatz einer derartigen Klimaanlage ist nicht auf die zuvor erwähnten Büro- oder Geschäftsräume beschränkt. Auch in Test- Labor- oder Fertigungsräumen, in denen ein ausgeglichenes Klima, insbesondere konstante Temperaturen verlangt werden, lässt sich die beschriebene Einrichtung mit Vorteil anwenden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Raumklimatisierung durch Regelung des dem Raum zugeführten Frischluftvolumens und Ableitung von Innenluft aus den oberen Raumluftschichten, wobei die Temperatur der zugeführten Frischluft und der Raumluft durch Wärmeaustausch der Frischluft mit den oberen Raumluftschichten einander angenähert werden, bevor die dann wenigstens annähernd raumisotherme Frischluft von der Decke des Raums her mit derart geringer Strömungsgeschwindigkeit laminar eingebracht wird, dass nur die Ausbildung raumeigendynamischer Teilströmungen entsprechend den im Raum vorhandenen diffusen Wärmequellen unterstützt wird, ausserdem der Volumenstrom der zugeführten Frischluft durch einen von lufthygienischen Anforderungen bestimmten Minimalwert nach unten begrenzt und im übrigen nach der Austrittstemperatur oder der Raumtemperatur geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Minimalwerts des Volumenstroms in einer Sequenzregelung eine Temperaturanpassung der zugeführten Frischluft vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Frischluft durch entsprechende Regelung des Volumenstroms auf 0,15 m/sec begrenzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur der Frischluft von der Raumtemperatur im Aufenthaltsbereich um höchstens 1°C abweicht.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Frischluftkanal (1) zur Zuführung temperierter Frischluft, einem mit demselben verbundenen Luftauslass sowie einem Abluftkanal (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkanal (1) mittels eines Volumenreglers (3) nach der Austrittstemperatur oder der Raumtemperatur volumengeregelt und der Luftauslass als im Deckenbereich angeordneter Diffusor (6) ausgebildet und mit dem Frischluftkanal (1) über einen gleichfalls im Deckenbereich angeordneten, mehrere parallele beabstandete rohrartige Hinlauflamellen (5A) und Rücklauflamellen (5B) umfassenden Wärmetauscher (5) mit dem Diffusor (6) verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wärmetauscher (5) über den gesamten Deckenbereich erstreckt.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (5) ein Frischluft-Bypass (20) zugeordnet ist, der zusammen mit dem Wärmetauscher (5) in den Diffusor (6) mündet und mit einem Ventil (21) versehen ist, das in Abhängigkeit von einem im Bereich des Diffusors (6) angeordneten Temperaturfühler (22) von einem Regler (23) geregelt wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den nach unten gerichteten Wandbereichen der rohrartigen Hinlauflamellen (5A) und Rücklauflamellen (5B) kleine Oeffnungen (9) angebracht sind, sodass ein verstärkter Wärmeaustausch mit Luftschichten im unmittelbaren Nahbereich der Lamellenwand stattfindet.

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