EP0308856B1

EP0308856B1 - Verfahren zum Kühlen von Räumen

Info

Publication number: EP0308856B1
Application number: EP88115356A
Authority: EP
Inventors: Georg Mayer; Friedrich Harald Schmidt
Original assignee: Schmidt Christel
Current assignee: Schmidt Christel
Priority date: 1987-09-22
Filing date: 1988-09-19
Publication date: 1992-03-04
Anticipated expiration: 2008-09-19
Also published as: EP0308856A3; DE3868810D1; EP0308856A2; ES2029506T3; US4918934A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen von Wärmelasten eines Raumes.
Hierfür sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, von denen die meisten darauf beruhen, daß Luft in den Raum eingebracht wird, die eine geringere Temperatur als die im Raum vorhandene Luft hat und dadurch in der Lage ist, dem Raum Wärmeenergie zu entziehen und so die Raumtemperatur zu senken. Diese bekannten Verfahren basieren darauf, daß die Luft maschinell gefördert und dem Raum an verschiedenen Stellen zugeführt wird, nämlich entweder von oben oder von der Seite oder auch durch den Boden hindurch. Eine maschinelle Förderung der Luft durch Ventilatoren macht bei diesen bekannten Verfahren einen erheblichen Teil des gesamten Energieverbrauchs aus.
Alternativ zur vorgenannten Raumkühlung durch Luftaustausch ist auch vorgeschlagen worden, dem Raum Wärme durch Kühlung an im Raum befindlichen Oberflächen zu entziehen, d. h. mittels Wärmeaustauschs durch Strahlung und Eigenkonvektion, was jedoch in den meisten Fällen daran scheitert, daß geeignete Oberflächen im Raum nicht zur Verfügung stehen bzw. daß sich nur eine sehr geringe Temperaturdifferenz praktisch ermöglichen läßt.
Ferner ist durch die DE-A-25 42 234 ein Doppelbodensystem mit dem Plattenboden zugeordneten, zur Raumdecke reichenden Versorgungssäulen bekanntgeworden, die unter dem Plattenboden Auslaßöffnungen und in ihrem Oberteil Öffnungen für Umluft aufweisen sowie mit Frischluftkanälen verbindbar sind. Dabei wird die Luft aber nicht gekühlt, so daß sie sich nicht durch Schwerkraft abwärts bewegt, sondern ein Gebläse dafür benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energieaustausch und die Bewegung der Luft nicht durch zusätzliche Gebläse zu bewirken.
Zur Lösung dieser Aufgabe erfolgt der Energieaustausch durch Eigenkonvektion der Luft. Dazu wird die erwärmte Luft am oberen Teil eines Fallschachtes gekühlt und dann infolge Änderung ihrer Wichte durch ihre Schwerkraft abwärts durch den Fallschacht geleitet. Am unteren Ende des Fallschachtes strömt die Luft dann turbulenzarm in den Raum und breitet sich dann in diesem, den Boden bedeckend, bis zu den Raumumfassungswänden hin aus.
Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt in gewissen Grenzen eine Selbstregulierung, da sich bei Abkühlung des Raumes die Umtriebskraft durch Verringerung der Wichtedifferenz automatisch reduziert und somit weniger gekühlte Luft in den Raum einfließt.
Die aus dem unteren Ende des Fallschachtes austretende Luft quillt gewissermaßen in den Raum hinein und verdrängt die im Raum enthaltene wärmere Luft in einer bodennahen Schicht. Eine solche Quellüftung hat den Vorteil, daß keine Energie durch Ventilatoren verbraucht wird. 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 aufhaltenden Personen befinden, eine tiefere Temperatur herrscht, als in der Höhe, in der sich die Köpfe der Personen befinden. Je nachdem, ob die Personen überwiegend sitzen oder stehen oder herumgehen, befinden sich deren Köpfe in einer Höhe von zwischen 1,50 und 1,80 m. Sofern nun die Temperaturdifferenz zwischen dem Boden und der Kopfhöhe einen gewissen Grenzwert, etwa 2⁰K bis 3⁰K, überschreitet, wird das von den Personen als unbequem empfunden, obwohl der Temperaturkomfort bei dieser Art der Luftkühlung 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 unterhalb der empirisch festgelegten Grenzwerte liegt.
An allen wärmeren Flächen des Raumes, z. B. an Stellen, an denen sich Personen, Maschinen oder Beleuchtungskörper 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 vorgenannte 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. Soweit erforderlich, wird die durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft in Teilströme unterteilt.
In Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, daß der durch Schwerkraft abwärts bewegten abgekühlten Luft an beliebigen bodennahen Stellen ein oder mehrere, durch einen Ventilator erzeugte Luftströme als Störluft zugeführt werden. Diese Störluft bewirkt dann innerhalb einer gewissen bodennahen Schicht eine Feinverwirbelung der in dieser Schicht befindlichen eingequollenen Kühlluft und damit eine Verminderung der Temperaturdifferenz. Vorzugsweise wird das Verhältnis der Volumenströme von Störluft zu Quelluft so groß gewählt, daß durch die Störluft die Differenz der Temperatur in einer festgelegten Höhe über dem Boden zur Temperatur direkt am Boden auf einen vorbestimmten Grenzwert herabgesetzt wird. Um Personen, die sich im Raum aufhalten, ein angenehmes Klima zu schaffen, wird man als festgelegte Höhe zweckmäßig die mittlere oder auch die maximale Höhe der Köpfe der Personen nehmen.
Sofern es um empfindliche Geräte oder Vorrichtungen oder um Meßnormale geht, wird als festgelegte Höhe die Höhe gelten, in der sich diese Vorrichtungen oder dergleichen befinden.
Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung zeigen sich bei der Kühlung von Räumen, in denen sich Personen aufhalten, weil dadurch der besondere Vorteil 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 erzielten Quellüftung leigt darin, daß man für den Transport 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 geringe Energie benötigt. Diese Energie kann man nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens noch dadurch erheblich verringern, daß man in den Zeiträumen, in denen sich keine Personen im Raum aufhalten, die Störluft abschaltet und eine gewisse Schichtbildung während dieser Zeiten in Kauf nimmt. Beispielsweise kann man den die Störluft erzeugenden Ventilator 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 Störluftventilatoren einschalten lassen. Derartige Vorrichtungsmerkmale gehören jedoch nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Es ist nicht besonders kritisch, an welchen Stellen und in welcher Richtung der Störluftstrom zugeführt wird. Wichtig ist es nur, daß durch die Störluft eine Verwirbelung 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 zweckmäßig Injektionsdüsen verwendet werden, die die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit abgeben. Diese Injektionsdüsen können an beliebigen Stellen angeordnet werden, wenn sie nur die Störluft in der gewünschten Weise der gekühlten Quelluft zuführen.
Als Störluft kann man entweder Warmluft aus dem oberen Teil des Raumes verwenden, wobei sich dann, beim Zusammentreffen dieser wärmeren Störluft mit der gekühlten Luft, ein höherer Mischeffekt ergibt.
Man kann aber auch als Störluft kalte Luft aus der durch Schwerkraft bewegten gekühlten Luft abzweigen, wobei dann der Kühlluftstrom oder die sich ausbildende Schichthöhe vergrößert wird.
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.
Durch diese Umlenkung wird erreicht, daß an jeder gewünschten Stelle des Bodens eine besondere Kühlung erfolgen kann. Die besonderen Vorteile dieser Weiterbildung des Verfahrens zeigen sich darin, daß bei Bedarf im Sommer die Räume ohne Anwesenheit von Personen vorgekühlt werden können, ohne daß der bereits erwähnte Ventilator arbeitet. Sofern dann eine größere Kühlleistung im Raum erforderlich wird, kann man in Weiterbildung des Verfahrens Ventilatoren einsetzen, die hier einen Transport der vom Fallschacht abgegebenen gekühlten Luft durch den Hohlboden hindurch vergrößern.
Auch hier werden durch die Ventilatoren bzw. durch eingesetzte Injektionsdüsen Wirbel in der den Hohlboden durchfließenden kalten Luft erzeugt, die einen besseren Wärmeaustausch an die umgebenden Flächen bewirken. Auch hierbei kann zugeführte Störluft innerhalb einer gewissen bodennahen Schicht eine Feinverwirbelung der eingequollenen Kühlluft und damit eine Verringerung der Temperaturdifferenz bewirken.
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. Auch diese Energie wird noch erheblich verringert, daß man in den Zeiträumen, in denen man die Störluft nicht benötigt, die Ventilatoren abschaltet.
Die durch Schwerkraft bewegte Luft ebenso wie die Störluft können in an sich bekannter Weise durch Luftfilter gereinigt werden. Da man für die durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft keine Luftfilter mit einem merklichen Luftwiderstand verwenden kann, eignen sich hier besonders gut die bekannten elektrostatischen Luftfilter mit Aktivkohle. Diese Filter sind aber nicht Gegenstand der Erfindung.

Claims

Verfahren zum Abführen von Wärme in einem Raum, wobei erwärmte Luft am oberen Teil eines Fallschachtes gekühlt wird und dann infolge der Änderung ihrer Wichte durch ihre Schwerkraft abwärts durch den Fallschacht turbulenzarm in den Raum strömt und sich dann im Raum, den Boden bedeckend, bis zu den Raumumfassungswänden hin ausbreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgekühlte Luft am Ende des Fallschachtes in einen hohlen Boden umgelenkt wird und aus diesem durch Öffnungen austritt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Schwerkraft abwärts bewegten, abgekühlten Luft an beliebigen bodennahen Stellen ein oder mehrere durch einen Ventilator erzeugte Luftströme als Störluft zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur bei Anwesenheit von Personen im Raum Störluft zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft in Teilströme unterteilt wird.