FI88431C - Foerfarande och kylarrangemang foer avkylning av en byggnad - Google Patents

Description

' 88431

Menetelmä ja jäähdytysjärjestelmä rakennuksen jäähdyttämiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä rakennuksen 5 jäähdyttämiseksi, jonka menetelmän mukaisesti rakennuksen jäähdytettäviin tiloihin johdettavaa tuloilmaa jäähdytetään suoralla tai epäsuoralla evaporatiivisella jäähdytyksellä haihduttamalla vettä ilmaan lämpötilan laskemiseksi.

Rakennusten jäähdytykseen käytetään nykyisin ylei-10 sesti kuumaa ja kosteaa ilmastoa varten kehitettyjä komp-ressorikoneikkoja, jotka toimivat lämpöpumppuperiaatteella. Kehitetty jäähdytysteho siirretään ilmaa tai vettä väliaineena käyttäen rakennuksen eri osiin. Nämä järjestelmät ovat monimutkaisia ja siten kalliita ja arkoja käyttöhäi-15 riöille. Hankintakustannusten pitämiseksi siedettävinä ne joudutaan mitoittamaan suurelle ilman lämpötilaerolle. Tästä seuraa, että ilma jäähtyy ns. kastepisteen alapuolelle, jolloin ilmasta kondensoituu vettä. Vapautuva höyrystymislämpö kuluttaa jäähdytystehoa. Nämä järjestelmät 20 ovat siksi myös energiataloudellisesti melko epäedullisia lauhkealla vyöhykkeellä, jossa suhteellisen kuivaa ilmaa ei tarvitsisi jäähdytysvaikutuksen takia kuivata. Tropiikissahan ihmisen lämpöaistimus perustuu suurelta osin ilman korkeaan kosteuteen, jonka alentaminen on siten välttämä-25 töntä.

Suurten investointi- ja käyttökustannusten sekä käyttöhäiriöherkkyyden takia koneellinen jäähdytys ei ole-• kaan lauhkealla ja kylmällä vyöhykkeellä yleistynyt, vaikka sen myönteinen vaikutus viihtyvyyteen ja työtehoon on ylei-30 sesti ymmärretty. Esimerkiksi Suomessa varustetaan vain n. 5 % uudisrakennuksista koneellisella jäähdytyksellä.

Kylmäkoneikoissa käytetään yleisesti jäähdykeaineina halogenoituja hiilivetyjä, ns. freoneja. Viime vuosina on havaittu freonien ilmakehän otsonikerrosta tuhoava vaikutus 35 ja kansainvälisin sopimuksin lähdetty rajoittamaan niiden 2 88431 käyttöä. Korvaavia jäähdykkeitä on olemassa, esim. hiilidioksidi ja ammoniakki ja uusia on kehitteillä. Kaikki nämä nostavat kuitenkin jäähdytyskoneikon hintaa nykyiseltä tasolta, joka jo on liian korkea, ja lisäksi huonontavat 5 jäähdytyksen energiataloutta.

Ongelmaa on yritetty ratkaista korvaavilla jäähdy-tysmenetelmillä. Tunnetuin näistä on epäsuora evaporatii-vinen jäähdytys, jota on selostettu mm. FI-kuulutusjulkaisussa 67 259 ja FI-patenttijulkaisussa 57 478. Menetelmässä 10 poisto- tai ulkoilmaan haihdutetaan vettä, jolloin ilman lämpötila laskee ja kosteus nousee. Jäähtyneellä ilmalla, joka yleensä on suoraan käytettäväksi liian kosteaa, jäähdytetään ilmastointilaitoksen tuloilmaa. Jäähdytyksessä käytetään hyväksi lämmöntalteenottolaitetta, joka yleensä 15 kuuluu ilmastointijärjestelmään talvikäyttöä varten. Kustannukset ja energiankäyttö ovat vain murto-osa kompressori jäähdytyksen vaatimista, eikä järjestelmässä käytetä freonia. Jonkin verran on käytetty myös suoraa evaporatii-vista jäähdytystä, jossa kostuttamalla jäähdytettyä ulko-20 ilmaa käytetään suoraan tuloilmana.

Menetelmien heikkoutena on rajoitettu jäähdytysteho. Ilma pystytään jäähdyttämään kostuttamalla vain vesihöyryn kyllästymispisteeseen asti, ts. Suomen oloissa n. 20 asteeseen. Tämä riittää rakennuksissa, joissa on pieni läm-25 pökuorma tai suuri tuloilmavlrta. Piirustuksissa esitetyn kuvion 1 käyrä a kuvaa tällaisen rakennuksen ilman jäähdy-tystarvetta ja käyrä b epäsuoralla evaporatiivisella jäähdytyksellä saavutettavaa jäähdytystehoa.

"Normaaleissa" rakennuksissa "normaaleilla" ilma-30 virroilla teho ei ulkolämpötilan huippuarvoilla riitä, ja sisälämpötila lähtee liukumaan korkeammaksi kuin mitoitus-arvo. Liukuma on suurimman osan ajasta melko pieni. Merkittäväksi se nousee vain muutamina hellepäivinä. Kuviossa 2 käyrä a esittää jäähdytystarvetta, käyrä b saavutettavaa 35 tehoa ja niiden välinen viivoitettu alue e tehovajausta.

3 88431

Rakennuksissa, joissa lämpökuormitus on suuri tai ulkoilmavirta poikkeuksellisen pieni, on jäähdytysteho riittämätön varsin pitkän ajan. Se kattaa vain noin puolet kokonaisjäähdytystarpeesta. Kuviossa 3 käyrä a esittää 5 tällaisen rakennuksen jäähdytystarvetta, käyrä b saavutettavaa tehoa ja käyrien välinen viivoitettu alue e tehova-jausta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada jäähdy tysmene te lmä , joka välttää nämä epäkohdat ja joka mah-10 dollistaa tuloilman jäähdyttämiseksi käytetyn kostutusjääh-dytyksen täydentämisen lisäjäähdytyksellä siten, että jäähdytysteho riittää kaikissa tapauksissa, jolloin lisäjääh-dytyksen vaatima energia lisäksi on käytännöllisesti katsoen ilmaista. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukai-15 sella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että tulo-ilmaa lisäksi jäähdytetään rakennuksen kylmällä käyttövedellä ennen sen jakamista rakennuksen käyttövesiverkkoon.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että rakennuksen käyttövettä käytetään hyväksi lisäjäähdytysväliaineena. 20 Lähes kaikissa rakennuksissa käytetään vettä. Veden lämpötila on yleensä rakennukseen tullessaan korkeintaan 10 astetta. Useimmissa käyttökohteissa (esim. WC) on yhdentekevää, miten lämmintä käyttövesi on, ja monissa kohteissa kylmää käyttövettä joudutaan lämmittämään (pesuvesi, lämmin : ·' 25 käyttövesi, teollisuuden prosessivedet). Näin ollen ei ole : mitään haittaa siitä, että käyttöveden lämpötila jonkin verran kohoaa, kun sitä käytetään hyväksi tuloilman lisä-: jäähdyttämiseksi. Lisäjäähdytys ei aiheuta ylimääräistä energiankulutusta, sillä käyttöveden esilämmityksestä syn-30 tyvät säästöt kattavat varmasti käyttöveden pumppauksen : tehonkulutuksen ja jäähdytyspatterin ilmavirtaukselle ai- heuttaman lisävastuksen tehohäviöt.

Keksinnön kohteena on myös jäähdytysjärjestelmä keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, johon jär-*v*: 35 jestelmään kuuluu evaporatiivinen jäähdytyslaite rakennuk- 4 88431 sen jäähdytettäviin tiloihin johdettavan tuloilman jäähdyttämiseksi haihduttamalla vettä ilmaan. Jäähdytysjärjestelmä on tunnettu lämmönvaihtimesta, joka on liitetty rakennuksen käyttövesijohtoon ennen kylmän käyttöveden jaka-5 mistä rakennuksen käyttövesiverkkoon ja jonka lämmönvaihtimen läpi tuloilma virtaa sen jäähdyttämiseksi kylmän käyttöveden avulla.

Jäähdytysjärjestelmässä voidaan käyttää hyväksi kaikkiin ilmastointilaitteistoihin talvisaikaan tarvittavaa 10 tuloilman lämmittämistä varten aina sisältyvää lämmityspat-teria, sen kiertovesipumppua ja säätölaitteita, minkä ansiosta järjestelmä on yksinkertainen ja hankintakustannuksiltaan edullinen.

Keksintöä selitetään lähemmin seuraavassa viitaten 15 oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää käyrästöä, joka havainnollistaa epäsuoralla evaporatiivisella jäähdytyksellä saavutettavaa jäähdytystehoa rakennuksen tuloilman jäähdytystarpeeseen nähden pienellä lämpökuormalla, 20 kuvio 2 esittää samantapaista käyrästöä ulkolämpö- tilan huippuarvoilla, kuvio 3 esittää samantapaista käyrästöä suurella lämpökuormalla, kuvio 4 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen 25 jäähdytysjärjestelmän ensimmäistä sovellutusmuotoa, jossa käyttöveden lämmönvaihtimena käytetään ilmastointilaitteiston jäähdytyspatteria, kuvio 5 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen jäähdytysjärjestelmän toista sovellutusmuotoa, jossa käyt-30 töveden lämmönvaihtimena käytetään ilmastointilaitteiston lämmityspatteria ja lisälämmönvaihdinta, ja kuvio 6 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen jäähdytysjärjestelmän kolmatta sovellutusmuotoa, jossa käyttöveden lämmönvaihdinta on täydennetty käyttövesivä-35 raajalla.

5 88431

Piirustusten kuviossa 4 esitetyssä jäähdytysjärjestelmässä on tulokanava 1 rakennuksen jäähdytettyihin tiloihin 1a johdettavaa ulkoilmaa A varten, jota on jäähdytetty sinänsä tunnetulla tavalla suoralla tai epäsuoralla evapo-5 raatiolla jäähdytyslaitteessa 2. Tulokanavaan on asennettu lämmönvaihtimena toimiva jäähdytyspatteri 3, jonka tulopuoli on liitetty johdolla 4 rakennuksen käyttövesijohtoon 5 sulkuventtiilin 6 välityksellä. Patterin poistopuoli on liitetty johdolla 7 käyttövesijohtoon kiertovesipumpun 8 10 ja sulkuventtiilin 9 välityksellä. Patterin tulo- ja pois-tojohdot on liitetty toisiinsa yhdysjohdolla 10, jossa on moottoriventtiili 11, jonka toimintaa ohjaa tulokanavassa oleva termostaatti 12. Käyttövesijohto johtaa käyttöveden rakennuksen käyttövesiverkkoon 5a.

15 Kun käyttövesi jäähdytystä tarvitaan, kiertovesi pump pu 8 käynnistyy ja alkaa kierrättää käyttövettä moottori-venttiilin 11 kautta. Patteri jäähdyttää tulokanavassa virtaavaa ilmaa. Kun jäähdytystarve kasvaa, alkaa termostaatti 12 sulkea moottoriventtiiliä, jolloin osa kiertä-20 västä käyttövedestä ohjautuu sulkuventtiilin 9 kautta käyttövesi johtoon ja vastaava määrä kylmää käyttövettä virtaa käyttövesijohdosta sulkuventtiilin 6 kautta jäähdytyspat-teriin. Maksimitehontarpeella moottoriventtiili on täysin * suljettu, jolloin koko kiertovesipumpun vesimäärä otetaan '..I 25 käyttövesijohdosta ja palautetaan takaisin siihen käyttö veden virtaussuuntaan nähden myöhemmässä kohdassa ennen veden jakamista rakennuksen käyttövesiverkkoon. Mikäli * veden käyttö kulutuspisteissä tällöin on pienempi kuin pumpun vesivirta, virtaussuunta saattaa muuttua käyttöve-30 sijohdossa sulkuventtiilien 6 ja 9 välillä.

Tässä sovellutusmuodossa osa käyttövedestä pumpataan ilmastointilaitteistoon asennetun jäähdytyspatterin 3 kaut-/ . ta ennen kuin vesi syötetään kulutuskohteisiin. Tällöin ’· · käyttövesi lämpiää mitoituksesta riippuen 15-18 asteeseen, 35 ja tuloilma jäähtyy vastaavasti. Kuviossa 2 käyrä c esittää 6 88431 lisäjäähdytyksellä saavutettavaa parannettua jäähdytystehoa. Näin saatu lisäjäähdytysteho riittää peittämään jäähdytys tehonvajauksen e.

Kuviossa 5 esitetyssä toteutusmuodossa käytetään 5 hyväksi kaikkiin ilmastointilaitteistoihin aina sisältyvää lämmitysverkkoon 13a kytkettyä lämmityspatteria 13, sen kiertovesipumppua 8 ja säätölaitteita, ts. moottorivent-tiiliä 11 ja termostaattia 12. Lämmityspatteri on liitetty tulopuolella johdolla 15 ja poistopuolella johdolla 17 10 lämmitysverkkoon magneettiventtiilin 14 ja vastaavasti 16 kautta. Käyttövesijohto 5 on liitetty johdolla 4 lämmitys-patterin tulojohdon 15 magneettiventtiiliin 14 ja johdolla 7 lämmityspatterin poistojohdon 17 magneettiventtiiliin 16. Kuviossa 5 on esitetty katkoviivanuolilla kylmän käyt-15 töveden virtaus käyttövesijohdosta patterin 13 läpi ja takaisin käyttövesijohtoon, niin että käyttövesi jäähdyttää patterin läpi virtaavaa tuloilmaa. Huomataan, että jos lämmityspatterin 13 teho riittää tuloilman jäähdyttämiseksi, ei lisäosiksi tarvita kuin kaksi magneettiventtiiliä 20 14, 16 ja sulkuventtiilit 6, 9.

Kuvio 5 esittää tapausta, jossa jo olemassa olevan lämmityspatterin 13 teho ei täysin riitä jäähdytyskäyttöön. Lisätehon saamiseksi on patterin 13 jälkeen kytketty sen kanssa sarjaan lisälämmönvaihdin 3. Havainnollisuuden vuok-25 si on ilmastointilaitteiston lämmitysjärjestelmään tavallisesti kuuluvat osat piirretty katkoviivoilla ja lisäjääh-dytyksen vaatimat lisäosat jatkuvilla viivoilla. Lisälämmönvaihdin 3 on liitetty johdolla 18 käyttövesijohdon haa-rajohtoon 4 ja johdolla 19 ja magneettiventtiilillä 20 30 lämmityspatterin 13 tulopuolelle. Lämmitysverkko kytketään irti ja käyttövesiverkko kytketään käyttöön mainituilla kolmella magneettiventtiilillä 14, 16, 20. Kylmän käyttöveden virtaus käyttövesijohdosta patterien 3 ja 13 läpi ja takaisin käyttövesijohtoon on esitetty jatkuvaviivanuo-35 lilla.

7 88431

Jos rakennuksen jäähdytystarve on suuri, ja käyttöveden kulutus on normaali, ei kuvion 5 mukaisella sovel-lutusmuodolla aikaansaatu jäähdytys tehon lisäys, jota kuvaa käyrä c kuviossa 3, vielä riitä. Tehontarpeesta jää kat-5 tamatta ristiviivoituksella esitetty alue f käyrien a ja c välissä. Vuorokautinen tehonvajaus rajoittuu kuitenkin vain muutamiin iltapäivän tunteihin, jolloin ulkolämpötila on korkea.

Kuvio 6 esittää sovellutusmuotoa, jolla jäähdytys-10 tehoa voidaan edelleen lisätä. Kuviossa 5 esitettyyn jäähdytysjärjestelmään on lisätty varaaja 21 , johon kerätään koko vuorokauden aikana kulutettava käyttövesi. Mitoittamalla kiertovesipumppu 8 jäähdytystehon huippukulutuksen mukaisesti voidaan varaajasta 21 ottaa lyhytaikaisesti 15 keskimääräistä käyttöveden kulutusta noin kaksi kertaa suurempi teho, jota kuviossa 3 esittää käyrä d. Käyrä d on selvyyden vuoksi piirretty näkyviin koko pituudeltaan, vaikka sen tehoa ei käytännössä käytetä kuin käyrien c, a ja d rajoittamalla ristiviivoitetulla alueella. Enempää 20 ei voidakaan käyttää, koska tehoreservinä on käytettävissä vain käyrien a ja c välinen viivoittamaton alue vähennettynä johtumis- ja sekoittumishäviöillä. Sekoittumishäviöitä voidaan olennaisesti pienentää varustamalla varaaja vir-tauksen tasaajalla, jollaisena on esitetty kuviossa 6 rei-‘..I 25 kälevystä tehty välipohja 22. Varaajaan liittyvissä put- . kissa voi virtaussuunta vaihtua riippuen siitä, otetaanko varaajasta tehoa vai syötetäänkö siihen tehoa. Kiertovesi-pumpun 8 huippukulutuksen mukaisesta mitoituksesta on li-säksi se hyöty, että kulutuksen ollessa pieni, paluuveden 30 lämpötila nousee korkeammaksi kuin mitoitusarvo 15-17 as-: .: tetta. Tällöin käyttöveden tarve pienenee lämpökuormituksen ollessa pieni ja käytettävissä on enemmän jäähdytystehore-. serviä huippukuormitusta varten. Tätä ei ole huomioitu • ; käyrässä d.

35 Kuvion 3 esittämässä tapauksessa ei normaali käyt- 8 88431 töveden kulutus täysin riitä peittämään kuormitushuippuja. Tämä vähäinen jäähdytysenergian tarve voidaan kattaa käyttämällä pelkästään jäähdytykseen pieni määrä käyttövettä, joka ajetaan suoraan sadevesiviemäriin 24. Kuviossa 6 on 5 tätä varten sadevesiviemäriliitännässä 23 paluuvesitermos-taatin 25 ohjaama moottoriventtiili 26, joka alkaa aueta moottoriventtiilin 11 ollessa täysin auki ja termostaatin 12 vaatiessa lisää jäähdytystehoa. Tarvittava vesimäärä on pieni ja käyttö lyhytaikaista. Jäähdytysenergian tar-10 vettä kuvaa käyrien a ja d väliin jäävä ristiviivoitettu alue. Se on esimerkkitapauksessa, joka on hyvin lähellä käytännössä mahdollista maksimitapausta, alle 5 % jäähdytysenergian kokonaistarpeesta.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoi-1 5 tettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan voivat keksinnön mukainen jäähdytysmenetelmä ja sen toteuttamiseksi kehitetyt jäähdytysjärjestelmät vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Kuvioissa 4-6 on lämmönvaihdin 3 liitetty ilmastoin-20 tilaitteistoon. Jäähdytys voi tietysti tapahtua kaikkia muitakin sinänsä tunnettuja järjestelmiä käyttäen, kuten kanavistoon sijoitetuissa jälkijäähdytyspattereissa, huone-tai vyöhykekohtaisissa konvektoreissa tai säteilyjäähdyt-timissä. Erityisesti huoneeseen sijoitettujen laitteiden ' : 25 käyttö järjestelmässä on edullista, koska käyttöveden pa- luulämpötila voi tällöin olla 15-17 asteen sijasta 19-22 ·*. astetta. Tämä nostaa huomattavsti käytettävissä olevan ilmaisen jäähdytysenergian määrää ja poistaa useimmissa tapauksissa käyttöveden kulutuksen pelkästään jäähdytykseen 30 kokonaan.

Claims (4)

9 88431

1. Menetelmä rakennuksen jäähdyttämiseksi, jonka menetelmän mukaisesti rakennuksen jäähdytettäviin tiloihin 5 (la) johdettavaa tuloilmaa (A) jäähdytetään (2) suoralla tai epäsuoralla evaporatiivisella jäähdytyksellä (2) haihduttamalla vettä ilman lämpötilan laskemiseksi, tunnettu siitä, että tuloilmaa (A) lisäksi jäähdytetään (3; 13) rakennuksen kylmällä käyttövedellä (5) ennen sen 10 jakamista rakennuksen käyttövesiverkkoon (5a).

2. Rakennuksen jäähdytysjärjestelmä, johon kuuluu evaporatiivinen jäähdytyslaite (2) rakennuksen jäähdytettäviin tiloihin (la) johdettavan tuloilman (A) jäähdyttämiseksi haihduttamalla vettä ilmaan, tunnettu läm- 15 mönvaihtimesta (3; 13), joka on liitetty rakennuksen käyt-tövesijohtoon (5) ennen kylmän käyttöveden jakamista rakennuksen käyttövesiverkkoon (5a) ja jonka lämmönvaihtimen läpi tuloilma (A) virtaa sen jäähdyttämiseksi kylmän käyttöveden avulla.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen jäähdytysjärjes telmä, tunnettu siitä, että käyttöveden lämmön-vaihtimena on rakennuksen ilmastointilaitteistoon talvella tuloilman (A) lämmittämiseksi sisältyvä lämmityspatteri (13), joka on varustettu venttiileillä (14, 16) lämmitys-25 patterin yhdistämiseksi käyttövesijohtoon (5) kylmän käyttöveden johtamiseksi patteriin (13).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen jäähdytysjärjestelmä, tunnettu tuloilman (A) virtaussuuntaan nähden lämmityspatterin (13) jälkeen sen kanssa sarjaan kyt-30 ketystä tuloilmakanavaan (1) asennetusta 1isälämmönvaih-timesta (3), joka on liitetty käyttövesijohtoon (5). ίο 88 431