FI115853B - Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä - Google Patents

Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä Download PDF

Info

Publication number
FI115853B
FI115853B FI992516A FI19992516A FI115853B FI 115853 B FI115853 B FI 115853B FI 992516 A FI992516 A FI 992516A FI 19992516 A FI19992516 A FI 19992516A FI 115853 B FI115853 B FI 115853B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
phase change
air
heat
cell
cold
Prior art date
Application number
FI992516A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI19992516A (fi
Inventor
Piia Lamberg
Original Assignee
Teknillinen Korkeakoulu
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teknillinen Korkeakoulu filed Critical Teknillinen Korkeakoulu
Priority to FI992516A priority Critical patent/FI115853B/fi
Priority to AU18660/01A priority patent/AU1866001A/en
Priority to PCT/FI2000/001023 priority patent/WO2001038810A2/en
Publication of FI19992516A publication Critical patent/FI19992516A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI115853B publication Critical patent/FI115853B/fi

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0007—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning
    • F24F5/0017—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using cold storage bodies, e.g. ice
    • F24F5/0021—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using cold storage bodies, e.g. ice using phase change material [PCM] for storage
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0007—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning
    • F24F5/0017—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using cold storage bodies, e.g. ice
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F7/00—Ventilation
    • F24F2007/004—Natural ventilation using convection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Building Environments (AREA)
  • Other Air-Conditioning Systems (AREA)

Description

115853
Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä
Keksintö koskee sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettua ilmastointijärjestelmää, jossa on ilmanvaihtolaitokseen toiminnallisesti integroitu lämpöä varaava ja purkava faa-5 simuutoskenno.
Faasimuutosaineeseen (phase change material, PCM) perustuvalla kennojäähdytys-järjestelmällä voidaan jäähdyttää rakennuksen sisätiloja passiivisesti ilman kylmä-koneita. Järjestelmä perustuu rakennus- tai huonetilaan asennettaviin ns. faasimuu-toskennoihin, jotka varastoivat huonetilassa olevaa ylimääräistä lämpöä. Järjestelmä 10 on mahdollista asentaa sekä uuteen rakennukseen että saneerauskohteeseen.
Auringonpaiste, runsas valaistus, ihmiset, laitteet ja koneet lämmittävät rakennusta usein tarpeettoman paljon. Sisäilman lämpötila nousee erityisesti toimistorakennuksissa ja muissa palvelurakennuksissa, kuten kouluissa, liian korkeaksi. Sisäilman lämpöolojen kannalta on tärkeää ensi vaiheessa suojautua ylimääräiseltä auringon 15 lämmöltä ja minimoida tuotetut lämpökuormat. Rakennuksen koneellista jäähdytystä joudutaan kuitenkin käyttämään myös Suomen ilmasto-olosuhteissa.
Suomessa jäähdytetyn rakennuskannan osuudeksi on arvioitu noin 20 milj. m3 eli 6 % maamme liike-, teollisuus- ja julkisista rakennuksista. Koneelliseen jäähdy- « , ·.: tykseen käytettävä sähköenergia on noin 57 GWh vuodessa ja maksimiteho noin 20 130 MW. Lisäksi on arvioitu, että jäähdytetty rakennuskanta kasvaa jopa nelinker- : täiseksi nykyisestä vuoteen 2010 mennessä. Suurin osa vanhoista toimisto-ja palve- i lurakennuksista on ilman koneellista jäähdytystä. Myös vanhemmissa rakennuksissa
• I
. ·: ·. kaivataan jäähdytystä, mutta usein toteutuksen esteeksi nousevat koneellisen jäähdy- ,·:·. tyksen korkeat investointikustannukset. Koko rakennuksen ilmanvaihdon muuttami- 25 nen jäähdytetyksi vaatii suuren saneerauksen. Toisaalta tilakohtaiset jäähdytyslait-, , teistot ovat kalliita ja kuluttavat energiaa. Sisäisten laitekuormien jatkuva kasvu ja : viimeaikaiset kylmäaineiden käyttörajoitukset tekevät koneelliselle jäähdytykselle * · * · ‘ vaihtoehtoisten jäähdytysratkaisujen kehittämisen tärkeäksi.
73 Toimisto-, liike-, teollisuus- ja muiden julkisten rakennusten lämpötiloja olisi mah- ’ ·; * ’ 30 dollista alentaa asentamalla rakennukseen, esim. sen huonetilaan, passiiviset faasi- :, 3 muutoskennot (PCM-kennot), jotka varastoivat päiväsaikaan huonetilassa olevaa ylimääräistä lämpöä ja laskevat huoneen sisälämpötilaa. Kennot on mahdollista asentaa huonetilaan jopa jälkikäteen. Kennot on helppo asentaa, eikä rakennuksen vanhaa ilmanvaihtojärjestelmää tarvitse muuttaa lainkaan. Se on edullisempi ja ym- 115853 2 päristöystävällisempi vaihtoehto huonetilojen jäähdytykselle kuin huonekohtaiset jäähdytyskoneet tai rakennuksen ilmastointi.
Faasimuutosmateriaaleihin (PCM) on mahdollista varata lämpöä lyhytaikaisesti. Faasimuutosmateriaali varaa lämpöä muuttaessaan olomuotoaan esim. kiinteästä 5 nesteeksi ja nesteestä höyryksi. Vastaavasti sitoutunut lämpö vapautuu, kun aine muuttuu esim. höyrystä nesteeksi ja nesteestä kiinteäksi. Järjestelmän toiminta perustuukin faasimuutosaineen lämmön varastointikykyyn.
Faasimuutoskennoihin latautuu lämpöä, kun huoneen lämpötila on korkeampi kuin materiaalin sulamislämpötila. Vastaavasti faasimuutoskennosta vapautuu lämpöä, 10 kun huoneilman lämpötila on alhaisempi kuin kennon faasimuutosaineen kiteyty-mislämpötila.
Faasimuutoskennojen huonona puolena on faasimuutosaineen huono lämmönjohta-vuus kennon sisällä ja pieni konvektiivinen lämmönsiirtokerroin kennon pinnalla. Lämpö ei siirry tarpeeksi tehokkaasti ilmasta kennoon ja kennosta ilmaan. Faasi-15 muutosmateriaali on helppo ladata, mutta sen purkaminen on vaikeampaa, koska faasimuutosaineilla on yleensä alijäähtymisilmiö. Alijäähtymisellä tarkoitetaan sitä, että se kiteytyy alhaisemmassa lämpötilassa kuin se sulaa.
Jos huonetilassa on normaali tulo- ja poistoilmanvaihto, kenno on vaikea saada purkautumaan vuorokauden syklillä. Ihanteellinen tilanne kennon toiminnalle on se, et- *··' 20 tä aamulla faasimuutosaine on latausvalmiina kiinteässä olomuodossa kennon sisäl- * ‘ * lä. Kenno pitäisi näin ollen saada täysin purettua yöaikana.
; Julkaisusta WO-88/06216 tunnetaan faasimuutosaineeseen perustuva varajäähdy- tysjärjestelmä, joka toimii mikäli sähkölaitteita sisältävän huoneen jäähdytys pettää L. ja huone lämpenee liikaa. Järjestelmää ei voida käyttää jatkuvatoimisesti. Julkaisus- ’ 25 ta DE 4 209 251 tunnetaan faasimuutosainetta sisältävät sälekaihtimet, jotka päivisin varastoivat auringon säteilylämpöä sulamislämmöksi ja yöksi vapauttavat vastaavan : : : lämmön. Tällä järjestelmällä on haittana, että se toimii vain auringonpaisteessa.
\ US-5 501 268 esittää lämpötilojen tasausta lämmönsiirrolla faasia muuttavan •;;; PCM:n ja lämpimän/kylmän ilman välillä, jossa PCM on sekoitettuna seinämateriaa- » · ·;·’ 30 liin. Kuten julkaisun sarakkeen 4 riveiltä 31-37 ilmenee, tarvitaan kuitenkin luon- nolliseen konvektioon nähden kolminkertainen konvektio PCM:n lämpökapasiteetin tehokkaaksi hyödyntämiseksi. Tämä edellyttää julkaisun mukaan niin suurta ilmavirtaa, että se on haitaksi sisätilassa oleskelijoille.
115853 3 DE-A-2712943 ja US-A-4170261 esittävät myös järjestelmää, jossa lämpöä siirretään ilmasta faasinmuutosaineeseen siitä takaisin ilmaan.
Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada sisätilojen edullinen ilmastointijärjestelmä, jossa lämpöä siirtyy jatkuvasti ja luotettavasti lämpimästä ilmasta sellaiseen faasi-5 muutosaineeseen, jossa faasimuutos varaa mainittua lämpöä. Keksinnön tavoite on nyt saavutettavissa pääasiassa siten, että faasimuutoskenno on asennettu sisätilan kattoon tai seinään avoimeen kosketukseen sisätilan ilman kanssa siten, että lämpöä voi siirtyä sisätilan lämmenneestä ilmasta vapaalla konvektiolla faasimuutoskennoon sen varaamiseksi ja faasimuutoskennosta kylmään ilmaan sen purkamiseksi.
10 Keksinnön mukainen ilmastointijärjestelmä käsittää siis faasimuutoskennon ja laitteiston sen käyttämiseksi ja regeneroimiksi.
Edellisen mallin mukaan faasimuutoskenno on faasimuutosainetta sisältävä rakenne, johon voi siirtyä lämpöä ilmasta ja josta voi siirtyä lämpöä ilmaan. Sen faasimuutos-aineen faasimuutoslämpötila on lämpimän ja kylmän ilman lämpötilojen välissä. 15 Koska yleensä operoidaan lähellä huoneenlämpötilaa, faasimuutosaineen faasimuutoslämpötila on edullisesti välillä noin 18 °C ja noin 35 °C, edullisimmin välillä noin 20 °C ja noin 30 °C. Se on myös edullisesti valittu parafiineista, suolahydraa-teista ja rasvahappoöljyistä, joiden kiinteä/neste-faasimuutoksen lämpötila on mainitulla välillä ja latenttilämpö eli lämmönvarauskyky korkea. Tyypillisiä parafiineja , ·, 20 ovat heksadekaani, heptadekaani, oktadekaani ja nonadekaani. Ks. lähemmin WO- 98/42929. Tyypillisiä suolahydraatteja ovat kalsiumkloridiheksahydraatti, litiumnit- . . raattitrihydraatti ja natriumsulfaattidekahydraatti.
* * * · : ’ *, i Kun kysymyksessä on lämmönsiirto ilman ja faasimuutoskennon välillä, faasimuu- toskenno muodostuu edullisesti ainakin metallia, grafiittia tai muuta korkean läm- ; : 25 mönjohtavuuden omaavaa materiaalia olevasta, onkalolta sisältävästä rakenteesta, jonka onkaloissa on mainittua faasimuutosainetta. Rakenne on edullisesti mahdolli- ;. t simman suuren pinta-alan omaava, kuten mehiläiskenno yms. rakenne. Siinä voi ui- • » kopuolella olla ripoja tms., joiden tehtävänä on maksimoida kosketuspinta ja läm-‘‘ mönsiirto ympäröivän ilman kanssa.
,'., | 30 Mainitun rakenteen onkaloissa voi faasimuutosaineen lisäksi olla metallia, grafiittia tai muuta korkean lämmönjohtavuuden omaavaa materiaalia, jonka tehtävänä on :.: : edistää lämmönsiirtoa faasimuutosaineen ja mainitun rakenteen välillä. Mainittu ma- ’:" ' teriaali on edullisesti lastujen, purujen, kuitujen, langan, tms. muodossa. Lisäämällä faasimuutoskennon faasimuutosmateriaaliin lämmönsiirtoa edistävää apuainetta 115853 4 saadaan kennon varaus- ja purkausvaiheet lyhennettyä siten, että ne mahtuvat yhteen vuorokauteen.
Kuten mainittiin, keksinnön mukaisessa ilmastointijärjestelmässä faasimuutoskenno on asennettuna sisätilan kattoon tai seinään, edullisesti kattoon, ja kosketukseen si-5 säilman kanssa. Kuten tiedetään, spontaani konventio nostaa kuumaa ilmaa ylöspäin sisätilassa, jolloin kaikkein lämpimin ilma nousee kattoon. Toisaalta spontaanissa konventiossa ilma liikkuu nopeimmin pitkin seiniä, jolloin lämmönsiirto on maksimissaan. Alan ammattimies pystyy siis lämpötilojen ja ainevirtojen perusteella päättelemään, sijoittaako hän kennon kattoon, seinään tai kenties molempiin.
10 Keksinnön mukaisen ilmastointijärjestelmän laitteisto voi esim. käsittää elektronisen säätöpiirin, joka edullisesti saa herätteensä kellosta ja/tai ilman lämpötilasta, sekä mekaaniset ohjauslaitteet, edullisesti ohjauslevyt, venttiilit ja/tai puhaltimet tms., ilmavirtojen ohjaamiseksi siten, että lämpöä siirtyy jatkuvasti ja jaksoittaisesti edellä mainitulla tavalla eli siten, että lämpö siirtyy lämpimästä ilmasta faasimuutos-15 ainekennoon sen varaamiseksi faasimuutoksella ja faasimuutosainekennosta kylmään ilmaan sen purkamiseksi faasimuutoksella.
On erityisen edullista, jos säätöpiiri ja mekaaniset ohjauslaitteet on säädetty toimimaan siten, että lämmön varaus suoritetaan päivällä ja lämmön purkaus suoritetaan yöllä.
20 Sisätila on edullisesti muotoiltuja mainittu laitteisto on lämmön varauksen aikana « ' * ‘' ·' säädetty saattamaan lämmin sisäilma kosketukseen faasimuutoskennon kanssa läm- • · • f * · mön varaamiseksi siihen. Sisätila ja laitteisto on lämmön purkauksen ajaksi muotoil- tu ja säädetty saattamaan kylmä tuloilmavirta kosketukseen faasimuutoskennon kanssa lämmön purkamiseksi siitä. Mikäli halutaan, ettei kennon regenerointi-ilma ;’j·. 25 joudu sisäilmaan, voidaan asentaa elin mainitun tuloilmavirran ohjaamiseksi faasi muutoskennon yhteydestä välittömästi ulos eikä sisäilmaan.
i . Erään suoritusmuodon mukaan keksinnön mukainen ilmastointisysteemi toimii tulo- ja poistoilmanvaihdolla, jolloin siinä on tulo- ja poistoilmanvaihtolaitteet tuloilman : johtamiseksi sisäilmaan ja poistoilman johtamiseksi sisäilmasta.
' ‘ 30 Tällöin sisätila on edullisesti muotoiltuja mainitut tulo-ja poistoilmanvaihtolaitteet * on lämmön varauksen aikana säädetty saattamaan lämmin sisäilma kosketukseen ... : faasimuutoskennon kanssa lämmön varaamiseksi siihen. Samalla on edullista, jos mainitut laitteet käsittää ohjauslevyn tai vastaavan johtamaan kylmä tuloilma suoraan sisäilmaan eikä faasimuutoskennoon.
115853 5
Vastaavasti tulo- ja poistoilmanvaihtolaitteet on lämmön purkauksen aikana edullisesti säädetty saattamaan kylmä tuloilmavirta ohjauslevyn tms. avulla kosketukseen faasimuutoskennon kanssa lämmön purkamiseksi siitä. Mikäli halutaan, ettei kennon regenerointi-ilma joudu sisäilmaan, voidaan asentaa toinen ohjauslevy tms. mainitun 5 tuloilmavirran ohjaamiseksi faasimuutoskennon yhteydestä välittömästi ulos eikä sisäilmaan.
Erään toisen suoritusmuodon mukaan keksinnön mukaisessa ilmastointisysteemissä on painovoimailmanvaihtolaitteet. Niiden avulla aikaansaadaan ilmanvaihto, jossa poistoilma virtaa sitä varten rakennettuja hormeja pitkin tiheyserojen tai tuulen ai-10 heuttamien paine-erojen johdosta ja tuloilma saadaan seinien, ikkunoiden tai muiden rakojen kautta virtaavana ulkoilmana.
Tällöin sisätila on edullisesti muotoiltuja painovoimailmanvaihtolaitteet on lämmön varauksen aikana säädetty saattamaan lämmin sisäilma kosketukseen faasimuutoskennon kanssa lämmön varaamiseksi siihen.
15 Edelleen laitteisto on muotoiltuja painovoimailmanvaihtolaitteet on lämmön purkauksen aikana säädetty saattamaan kylmä tuloilmavirta kosketukseen faasimuutoskennon kanssa lämmön varaamiseksi siihen. Purkauksen aikana tarvitaan edullisesti puhallinta tms. kylmän tuloilmavirran johtamiseksi kosketukseen faasimuutoskennon kanssa lämmön purkamiseksi siitä. Mikäli halutaan, ettei kennon purkausilmaa ·, 20 johdeta sisäilmaan, tarvitaan toinen puhallin tms. mainitun tuloilmavirran ohjaami seksi faasimuutosainekennon yhteydestä välittömästi ulos eikä sisätilaan.
» » j,| ; Keksinnön mukainen ilmastointijärjestelmä sopii sekä suurempiin sisätilakokonai- :' ·.: suuksiin että yksittäisiin sisätiloihin, kuten halleihin, saleihin, auloihin, eteisiin ja :' i *: tavallisiin huoneisiin. Edullisesti mainittu sisätila on huonetila.
♦ * * *·’ 25 Esillä olevan keksinnön PCM-kennojäähdytysjärjestelmä perustuu siis ilmavirtojen erilaiseen ohjaukseen lataus- ja purkausvaiheen aikana, faasimuutosaineen lämmön-i varauskykyyn ja lämmönsiirtoa edistävään rakenteeseen kennon sisällä. Kennon purkausvaiheessa tuloilmasuihku ohjataan kennon pintaan, jolloin kennon pinnan . , : konvektiivinen lämmönsiirtokerroin kasvaa ilmavirran kasvaessa kennon pinnalla.
30 Tällöin kenno saadaan purettua tehokkaammin yöaikana. Kennon sisälle asennetaan • · johtumislämmönsiirtoa edistävä matriisirakenne alumiinista, teräksestä tai muusta :.: ; metallista tai grafiitista. Metalli voi olla myös purumaisessa tai lastumaisessa muo- dossa faasimuutosaineen joukossa. Tällöin kenno latautuu tai purkautuu tehokkaasti.
115853 6
Seuraavassa keksintöä kuvataan lähemmin viittaamalla kuvioihin, joissa kuvio 1 esittää tulo- ja poistoilmanvaihdon ilmavirtojen kulkua päiväsaikaan, jolloin alakattoon asennettuja faasimuutoskennoja varataan, kuvio 2 esittää tulo- ja poistoilmanvaihdon ilmavirtojen kulkua yöaikaan, jolloin 5 alakattoon asennettuja faasimuutoskennoja puretaan, kuvio 3 esittää tulo- ja poistoilmanvaihdon ilmavirtojen kulkua päiväsaikaan, jolloin seiniin asennettuja faasimuutoskennoja varataan, kuvio 4 esittää tulo- ja poistoilmanvaihdon ilmavirtojen kulkua yöaikaan, jolloin seiniin asennettuja faasimuutoskennoja puretaan, 10 kuvio 5 esittää painovoimaisen ilmanvaihdon ilmavirtojen kulkua päiväsaikaan, jolloin alakattoon asennettuja faasimuutoskennoja varataan, kuvio 6 esittää painovoimaisen ilmanvaihdon ilmavirtojen kulkua yöaikaan, jolloin alakattoon asennettuja faasimuutoskennoja puretaan, kuvio 7 esittää tulo- ja poistoilmanvaihdon tulo- ja poistoilmavirtojen kulkua erik-15 seen päiväsaikaan, jolloin kattoon asennettuja palkin muotoisia faasimuu toskennoja varataan, : kuvio 8 esittää tulo-ja poistoilmanvaihdon tulo-ja poistoilmavirtojen kulkua erik- ·;··· seen yöaikaan, jolloin kattoon asennettuja palkin muotoisia faasimuutos- : kennoja puretaan, ja • « ’* '' 20 kuvio 9 esittää erilaisia lämmönsiirtoa edistäviä faasimuutoskennorakenteita.
• « I
Kuten aiemmin mainittiin, PCM-kennojärjestelmän toiminta perustuu ilmavirtojen erilaiseen ohjaukseen lataus- ja purkausvaiheen aikana, faasimuutosaineen lämmön-; · > t varauskykyyn ja lämmönsiirtoa edistävään rakenteeseen kennon sisällä. Kennot voi- '..; daan asentaa huoneeseen, jossa on tulo- ja poistoilmanvaihto. Kennot asennetaan '; · 25 alakattoon alakattolevyjen paikalle (kuvat 1, 2) tai seinään erityisten tukirakenteiden : ‘ ; varaan (kuvat 3, 4). Kennot on rakennettu alumiinista tai teräksestä, ja niiden sisällä ·:· : on faasimuutosainetta, jonka sulamislämpötila on 20-25 °C. Kennojen ulkopinnalla ; . on lämmönsiirtoripoja, joiden tehtävänä on tehostaa lämmönsiirtoa ilman ja kennon ' ‘ ; välillä. Kennon sisällä on lämmönsiirtoa edistävä matriisirakenne alumiinista, teräk- 30 sestä tai muusta metallista tai grafiitista. Metalli voi olla myös purumaisessa tai las-tumaisessa muodossa faasimuutosaineen joukossa (kuva 9).
115853 7
Huoneen tuloilmakanavaan kytketään säätöpelti. Säätöpellin asennosta riippuen il-masuihku suunnataan joko huoneeseen tai rakenteen ja PCM-kennon väliseen tilaan. Vastaavasti poistoilmakanavaan kytketään myös säätöpelti. Tällöin säätöpellillä voidaan ohjata, otetaanko ilma alakaton ja katon välistä vai huoneesta.
5 Huoneen tulo- ja poistoilmamäärät pidetään ennallaan tarvittavan ilmanvaihdon perusteella.
Ei-lämmityskaudella järjestelmän toiminta perustuu kahteen vaiheeseen: kennojen lataus- ja purkausvaiheeseen. Päiväsaikaan huonetilassa on paljon lämpökuormia, jolloin huoneen sisäilman lämpötila nousee. Tällöin tuloilmasuihku suunnataan pää-10 asiassa huonetilaan. Ilma on ulkoilman lämpötilassa tai sitä lämmitetään ulkoilman lämpötilan ollessa liian alhainen. Huoneessa oleva ylimääräinen lämpö imeytyy huoneessa oleviin faasimuutoskennoihin, joissa oleva aine sulaa sitoen lämpöä. Kun lämpö imeytyy kennoihin, laskee huoneen sisäilman lämpötila.
Yöllä kennoihin varastoituneesta lämmöstä halutaan päästä eroon. Tällöin tuloilma-15 suihku ohjataan kulkemaan rakenteen ja PCM-kennon välisessä tilassa. Vaikka ilma-määrä ei muutu, kasvaa ilman nopeus rakenteen ja kennon välisessä tilassa ja pinnan konvektiivinen lämmönsiirtokerroin kasvaa. Tällöin lämmönsiirto kennon pinnan ja ilman välillä tehostuu ja kennoissa oleva faasimuutosaine kiteytyy ja luovuttaa lämmön ilmavirtaan. Ylimääräinen lämpö poistetaan poistoilman mukana ulos. Aamulla , . 20 kennot ovat taas kiinteässä tilassa valmiina uuteen lataukseen.
: ‘ ‘: Lämmityskaudella yötuuletusta ei tarvitse tehdä. Tällöin ylimääräinen lämpö vapau- • \ · tuu huonetilaan ja sitä voidaan hyödyntää huonetilan lämmitykseen.
!./ PCM-kenno soveltuu myös toteutettavaksi rakennukseen, jossa on painovoimanien
• · I
;,, ilmanvaihto. Faasimuutoskennot asennetaan huoneen alakattoon. Huoneen ulkosei- ‘ ’ 25 nille asennetaan tuloilmapuhallin ja poistoilmapuhallin. Päivällä ylimääräinen läm pö varastoituu faasimuutoskennoihin ilman ylimääräistä ilman ohjausta. Yöllä ken-: .: nojen ja katon väliseen tilaan suunnataan tuloilmasuihku seinään asennetun tuloil- :: mapuhaltimen avulla. Poistoilmapuhaltimilla imetään faasimuutoskennojen lämmit- . \ : tämä ilma ulos. Tuloilma- ja poistoilmapuhaltimella saadaan kennon pinnan konvek- ..,, · 30 tiivinen lämmönsiirtokerroin kasvamaan ja faasimuutoskennojen purkautuminen te hostuu.
Lämmityskaudella tuloilma- ja poistoilmapuhallinta ei tarvitse käyttää lainkaan, koska kennoista vapautuva lämpö voidaan käyttää huonetilan lämmitykseen. Tällöin rakennus toimii ympäri vuorokauden painovoimaisena.
115853 8 Yöaikana tuloilma otetaan ulkoilmasta suoraan seinän läpi, ja poistoilma ohjataan poistoilmapuhaltimella ulos.
Faasimuutoskennot on myös mahdollista laittaa roikkumaan huoneen katosta. Katso kuvat 7 ja 8, joissa päivällä tuloilmavirtaus suunnataan huonetilaan tuloilmalaittei-5 den avulla. Yöllä ilmasuihku suunnataan venttiilien avulla purkausvaiheessa suoraan kennojen pintoihin, jolloin lämmönsiirto tehostuu ja kennot purkautuvat tehokkaasti.
Yöaikana tuloilma ja poistoilma on myös mahdollista ottaa tulo-ja poistoilmapuhal-timilla ulkoilmasta rakennuksessa, jossa on painovoimainen ilmanvaihto samalla tavalla kuin kuvissa 5 ja 6.
10 Faasimuutoskennon sisälle laitetaan rakenne alumiinista, teräksestä tai jostain muusta metallista tai grafiitista. Rakenteen tehtävänä on nostaa faasimuutosmateriaalin lämmönjohtavuutta ja näin ollen edistää kennojen lataamista ja purkamista. Kuvassa 9 on esitetty metallia oleva lämmönsiirtoa edistävä rakenne, metallia tai grafiittia oleva matriisi, ja rakenne, jossa lämmönsiirtoa edistävä rakenne on puruina tai las-15 tuina tai jossain muussa muodossa homogeenisesti faasimuutosmateriaalin joukossa.
Järjestelmän etuina ovat mm., että se voidaan asentaa tiloihin, joissa on jäähdytyksen tarvetta, joko uudisrakennukseen tai vanhaan rakennukseen saneerauksen yhteydessä. Suomessa on suuret määrät toimisto-, palvelu- ja liikerakennuksia, joissa kärsitään liian korkeista huonelämpötiloista. Nykyisin rakennuksissa käytetään koneel-. i.; 20 lista jäähdytystä. Kylmä tuotetaan kylmäkoneilla, joissa käytetään ympäristölle hai- :": tallisia kylmäaineita. Koneellisen jäähdytyksen osuus rakennuksen energiankäytöstä ; | J on myös melko suuri. Käyttämällä PCM-kennoja päästään haitallisista aineista ja :' .: kennot eivät tarvitse lainkaan sähköä. Tällöin säästetään myös energiakustannuksia.
;,, Kennot on helppo asentaa eri tiloihin ja niiden lukumäärä voidaan mitoittaa tarvitta- ’ 25 van jäähdytystarpeen mukaan tilakohtaisesti. Pohjoispuolen huoneissa ei tarvita yhtä paljon kennoja kuin eteläpuolen huoneissa.
‘ « *
Talviaikaan kennot varastoivat päiväaikaan syntyvää ylimääräistä lämpöä. Talvella , - , lämpöä ei kuitenkaan tarvitse tuulettaa ulos, vaan sitä voidaan hyödyntää huonetilan ‘ : lämmittämiseen.
30 Järjestelmän asennuksen edellytyksenä on kuitenkin, että rakennuksessa on tulo- ja : : ; poistoilmanvaihto tai huonetilaan pitää ottaa ilma ulkoilmasta tulo- ja poistoilmapu- haltimilla. PCM-kennot toimivat myös ilman ilmanvaihtoa, mutta lämpö purkautuu 115853 9 takaisin huonetilaan ja nostaa huonetilan lämpötilaa yöllä. Kennot laskevat kuitenkin yleisesti ottaen 1-2 °C huonetilan lämpötilaa tässäkin tapauksessa.
PCM-kennot sopivat parhaiten saneerauskohteisiin, joissa ei halutakaan päästä nykyisten sisäluokitusten Sl-luokkaan, jossa huonelämpötilan tulee Suomessa olla ke-5 säliä alle 24 °C ja talvella alle 21 °C. PCM-järjestelmä on osin passiivinen systeemi, jota ei voida säätää samalla tavalla kuin koneellista jäähdytysjärjestelmää. PCM-kennot soveltuvat kohteisiin, joissa halutaan pudottaa kesäaikaisia lämpötilatasoja viihtyvyystekijöiden vuoksi ja työtehon parantamisen kannalta.
IMI· t · « 1 i · · * · · · * · t » « t * ·

Claims (20)

115853 ίο
1. Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä, jossa on ilman-vaihtolaitokseen toiminnallisesti integroitu lämpöä varaava ja purkava faasimuutos-kenno, tunnettu siitä, että faasimuutoskenno on asennettu sisätilan kattoon tai sei- 5 nään avoimeen kosketukseen sisätilan ilman kanssa siten, että lämpöä voi siirtyä sisätilan lämmenneestä ilmasta vapaalla konvektiolla faasimuutoskennoon sen varaamiseksi ja faasimuutoskennosta kylmään ilmaan sen purkamiseksi.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että faasimuutoskenno sisältää faasimuutosainetta, jonka faasimuutoslämpötila on lämpimän ja kyl- 10 män ilman lämpötilojen välissä.
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että faasimuutos-aineen faasimuutoslämpötila on välillä noin 20 °C ja noin 30 °C ja että se edullisesti on valittu parafiineista, suolahydraateista ja rasvahapoista, joiden faasimuutoksen lämpötila on mainitulla välillä ja latenttilämpö korkea.
4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että faasi muutoskenno muodostuu ainakin metallia, grafiittia tai muuta korkean lämmönjoh-tavuuden omaavaa materiaalia olevasta, onkalolta sisältävästä rakenteesta, jonka onkaloissa on mainittua faasimuutosainetta.
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu me-20 talli, grafiitti tai muu korkean lämmönsiirtokertoimen omaava materiaali on faasi-: ; ’: muutoskennon rakenteen lisäksi myös onkaloissa, edullisesti lastujen, purujen, kui- : * *, * tujen, langan tms. muodossa. ‘ 6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että maini- v ’ tussa rakenteessa on ulkopuolella ripoja tms., joiden tehtävänä on maksimoida kos- 25 ketuspinta ja lämmönsiirto ympäröivän ilman kanssa. . · ·, 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen ilmastointijärjestelmä, tunnet- ‘ · * tu siitä, että faasimuutoskenno sisältyy alakattoon, joka jakaa sisätilan ylä- ja ala- ...: osaan.
8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen ilmastointijärjestelmä, tunnet-‘ · ’ 30 tu siitä, että se käsittää välineet kylmän ulkoilman ohjaamiseksi faasimuutosken- •. : noon sen purkamiseksi. 115853
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen ilmastointijärjestelmä, tunnettu siitä, että välineet kylmän ulkoilman ohjaamiseksi faasimuutoskennoon ohjaavat mainitun ilman myös välittömästi takaisin ulos.
10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen ilmastointijärjestelmä, tunnettu siitä, että 5 mainitut välineet voidaan säätää ohjaamaan kylmää ulkoilmaa sisätilan yläosaan faasimuutoskennon purkamiseksi.
11. Jonkin patenttivaatimuksista 8-10 mukainen ilmastointijärjestelmä, tunnettu siitä, että mainitut välineet voidaan säätää ohjaamaan kylmää ulkoilmaa sisätilan alaosaan faasimuutoskennon varauksen aikana.
12. Jonkin patenttivaatimuksista 8-11 mukainen ilmastointijärjestelmä, tunnettu siitä, että välineet kylmän ilman ohjaamiseksi käsittävät elektronisen säätöpiirin, joka edullisesti saa herätteensä kellosta ja/tai ilman lämpötilasta, sekä mekaaniset ohjauslaitteet, edullisesti ohjauslevyt, venttiilit ja/tai puhaltimet, ilman ohjaamiseksi.
13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainittu 15 elektroninen säätöpiiri on säädetty toimimaan siten, että mainittu lämmön varaus suoritetaan päivällä ja mainittu lämmön purkaus suoritetaan yöllä.
14. Jonkin patenttivaatimuksista 12 tai 13 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että mainitut välineet käsittävät tulo- ja poistoilmanvaihtolaitteet ulkoilman syöttämi- ;, i seksi sisäilmaan ja sisäilman poistamiseksi. ; 20 15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen järjestelmä, tunnettu ohjauslevystä, jolla \ lämmön varauksen aikana johdetaan kylmä ulkoilmavirta suoraan sisäilmaan eikä ;, ’ · kosketukseen faasimuutoskennon kanssa.
16. Patenttivaatimuksen 14 tai 15 mukainen järjestelmä, tunnettu ohjauslevystä, jolla lämmön purkauksen aikana johdetaan kylmä ulkoilmavirta kosketukseen faa-: . 25 simuutoskennon kanssa. '·· ‘ 17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen järjestelmä, tunnettu ohjauslevystä, jolla :· mainittu ulkoilmavirta ohjataan kosketuksesta faasimuutoskennon kanssa välittö- . * ‘ . mästi ulos. '3 18. Jonkin patenttivaatimuksista 8-17 mukainen järjestelmä, tunnettu puhaltimes- ;' *.; 30 ta, jolla lämmön purkauksen aikana saatetaan kylmä tuloilmavirta kosketukseen faa simuutoskennon kanssa. 115853
19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen järjestelmä, tunnettu puhaltimesta, jolla mainittu tuloilmavirta ohjataan faasimuutosainekennon yhteydestä välittömästi ulos.
20. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että sisätila on huonetila.
5 Patentkrav
FI992516A 1999-11-25 1999-11-25 Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä FI115853B (fi)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI992516A FI115853B (fi) 1999-11-25 1999-11-25 Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä
AU18660/01A AU1866001A (en) 1999-11-25 2000-11-24 Air conditioning method and system for indoor use including cyclic charging and discharging of heat
PCT/FI2000/001023 WO2001038810A2 (en) 1999-11-25 2000-11-24 Air conditioning method and system for indoor use including cyclic charging and discharging of heat

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI992516A FI115853B (fi) 1999-11-25 1999-11-25 Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä
FI992516 1999-11-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI19992516A FI19992516A (fi) 2001-05-26
FI115853B true FI115853B (fi) 2005-07-29

Family

ID=8555641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI992516A FI115853B (fi) 1999-11-25 1999-11-25 Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU1866001A (fi)
FI (1) FI115853B (fi)
WO (1) WO2001038810A2 (fi)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9434869B2 (en) 2001-09-21 2016-09-06 Outlast Technologies, LLC Cellulosic fibers having enhanced reversible thermal properties and methods of forming thereof
DE10321646A1 (de) 2002-06-03 2004-07-15 Rubitherm Gmbh Verfahren zur Wärme- und Kälteversorgung eines Raumes und Gebäude mit einer Mehrzahl mit einer Mehrzahl von Räumen
EP1509738B1 (de) * 2002-06-03 2016-10-12 Autarkis B.V. Verfahren zur wärme- und kälteversorgung eines raumes und gebaüdes mit einer mehrzahl von räumen
DE102005008536A1 (de) * 2004-02-24 2005-12-15 Fischer, Volker, Dr. Ing. Verfahren und Vorrichtung zur Kühlleistungssteigerung bei Nur-Luft- und Luft-Wasser-Systemen zur thermischen Konditionierung von Räumen
ES2262391B1 (es) * 2004-05-06 2007-11-01 Acufrio, S.L. Sistema de climatizacion.
ES2277758B2 (es) * 2005-09-28 2008-03-16 Universidad Politecnica De Madrid Sistema integrado de aprovechamiento, control y regulacion de energias renovables en edificios autosuficientes.
US8171984B2 (en) * 2006-02-01 2012-05-08 Sgl Carbon Ag Latent heat storage devices
US7735327B2 (en) * 2006-07-19 2010-06-15 Neal Energy Management Llc Active thermal insulation system utilizing phase change material and a cool air source
EP1884719A1 (de) * 2006-07-31 2008-02-06 Barcol-Air Ag Kühleinrichtung sowie Verfahren zu ihrem Betrieb
CZ302477B6 (cs) * 2009-12-11 2011-06-08 Vysoké ucení technické v Brne Tepelne akumulacní modul na bázi materiálu s fázovou zmenou a sestava z techto modulu
EP2591291B1 (en) 2010-07-05 2019-05-08 Glasspoint Solar, Inc. Concentrating solar power with glasshouses
NL2006421C2 (en) * 2011-03-18 2012-09-19 Autarkis B V Displacement ventilation system and inlet part for such a system.
ITMI20112036A1 (it) * 2011-11-09 2013-05-10 Celant Tel S R L Dispositivo per il condizionamento passivo di ambienti, in particolare shelter per telecomunicazioni
DE102015203939B4 (de) * 2015-03-05 2024-06-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kühlelement für die Kühlung von Räumen
AU2016287485A1 (en) * 2015-06-30 2018-01-18 Glasspoint Solar, Inc. Phase change materials for cooling enclosed electronic components, including for solar energy collection, and associated systems and methods
US11598536B2 (en) 2017-05-26 2023-03-07 Alliance For Sustainable Energy, Llc Systems with multi-circuited, phase-change composite heat exchangers
EP3631340B1 (en) 2017-05-26 2023-11-29 Alliance for Sustainable Energy, LLC Systems with multi-circuited, phase-change composite heat exchangers
DE102018100140B3 (de) 2017-12-14 2019-03-28 Institut Für Luft- Und Kältetechnik Gemeinnützige Gmbh Lüftungsanlage mit Wärmespeicher
US20220034547A1 (en) * 2020-08-03 2022-02-03 Robert Joe Alderman Ductwork System for Modulating Conditioned Air
IT202200017301A1 (it) * 2022-08-12 2022-11-12 Univ Degli Studi Di Ferrara Barriera termica per tetti ventilati a manto continuo o discontinuo

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT371241B (de) * 1976-09-24 1983-06-10 Laing Nikolaus Vorrichtung zur nutzung der solarenergie
DE2712943C3 (de) * 1977-03-24 1981-03-26 Günter 76872 Minfeld Keller Verfahren und Vorrichtung zur Heizung und Lüftung von Häusern und Räumen
US5501268A (en) * 1993-06-28 1996-03-26 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Method of energy load management using PCM for heating and cooling of buildings
JP3688303B2 (ja) * 1997-03-26 2005-08-24 アウトラスト・テクノロジーズ・インコーポレーテッド 相変化材料を使用する建物の空調技術

Also Published As

Publication number Publication date
FI19992516A (fi) 2001-05-26
WO2001038810A3 (en) 2001-10-18
WO2001038810A2 (en) 2001-05-31
AU1866001A (en) 2001-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI115853B (fi) Sisätilojen jäähdytykseen tarkoitettu ilmastointijärjestelmä
Iten et al. A review on the air-PCM-TES application for free cooling and heating in the buildings
Navarro et al. PCM incorporation in a concrete core slab as a thermal storage and supply system: Proof of concept
Wang et al. Raising evaporative cooling potentials using combined cooled ceiling and MPCM slurry storage
Halliday et al. The use of solar desiccant cooling in the UK: a feasibility study
Wang et al. Performance of cooled-ceiling operating with MPCM slurry
Alam et al. Evaluating the passive and free cooling application methods of phase change materials in residential buildings: A comparative study
EP2047203B1 (en) Active thermal insulation system utilizing phase change material and a cool air source
Madessa A review of the performance of buildings integrated with Phase change material: Opportunities for application in cold climate
US11125450B2 (en) Room space cooling with improved thermal storage
CN105423472B (zh) 用于数据中心的热管式空调系统及其散热方法
CA2962291C (en) Micro environmental control system
Xiang et al. Thermal performance of a window-based cooling unit using phase change materials combined with night ventilation
EP2766938B1 (en) A wall structure
CN103940019A (zh) 一种空调系统以及热泵设备
Konstantinidis Integration of thermal energy storage in buildings
Etheridge et al. A PCM/heat pipe cooling system for reducing air conditioning in buildings: review of options and report on field tests
WO2008096157A1 (en) A method of changing the temperature of a thermal load
JP2007032913A (ja) 蓄熱装置及び空調装置
CN200972295Y (zh) 一种用于通讯机房之相变恒温系统
JP2009236458A (ja) 地中熱利用室内空調システム
CN2809484Y (zh) 具有热水功能的四季节能环保冷暖空调机
JP2007127294A (ja) 太陽熱利用蓄熱天井構造
JP2015045461A (ja) 蓄熱装置
JP2005024139A (ja) ソーラーウォールシステム

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 115853

Country of ref document: FI

MA Patent expired