NO175726B - Fremgangsmåte og innretning for avkjöling av en bygning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for avkjøling av en bygning, ved hvilken tilførselsluft som skal innføres i rom som skal avkjøles i bygningen, avkjøles ved hjelp av direkte eller indirekte, fordampningsbevirkende avkjøling ved å fordampe vann inn i luften for å redusere temperaturen.

Bygninger blir i dag vanligvis avkjølt ved hjelp av kompressoraggregater som arbeider på varmepumpeprinsippet og er utviklet for et varmt, fuktig klima. Den produserte avkjølings-virkningen overføres ved hjelp av et medium, såsom luft eller vann, til de forskjellige deler av bygningen. Disse systemer er kompliserte og således kostbare og følsomme for driftsforstyrrelser. For å hindre anskaffelseskostnadene fra å stige urimelig høyt, må sådanne systemer dimensjoneres for en stor lufttempera-turforskjell. Som et resultat avkjøles luften under det såkalte doggpunkt, slik at vann kondenseres fra luften. Den frigitte fordampningsvarme forbruker avkjølingseffekt. Disse systemer er derfor forholdsvis ufordelaktige også i betraktning av forbruket av energi i de temperatursoner hvor luften er forholdsvis tørr og derfor ikke ville trenge tørking for å oppnå avkjølingsvirk-ningen. I tropene er den menneskelige temperaturfølelse i høy grad basert på den høye fuktighet i luften, slik at det er nødvendig å redusere fuktigheten.

På grunn av de høye investerings- og driftskostnader og følsomheten for driftsforstyrrelser, har mekanisk avkjøling ikke vunnet noen stor popularitet i de tempererte og kalde soner, selv om det er blitt generelt erkjent at mekanisk avkjøling har en gunstig virkning på arbeidstilfredsstillelse og arbeidseffektivi-tet. I for eksempel Finland er bare ca. 5% av nye bygninger forsynt med mekanisk avkjøling.

Halogenerte hydrokarboner, såkalte freoner, er i dag vanlig benyttet som kjølemidler i kjøleaggregater. I de senere år har man funnet at freoner ødelegger ozonlaget i atmosfæren, og internasjonale avtaler er blitt gjort for å begrense anvendelsen av disse. Det eksisterer erstatningskjølemidler, såsom kabondioksid og amoniakk, og nye er i ferd med å utvikles. Alle disse hever imidlertid prisen på kjøleaggregatet fra det nåværende nivå, hvilket allerede er for høyt, og i tillegg til dette forringer de avkjølingens energiøkonomi.

Forsøk er blitt gjort på å løse problemet ved hjelp av erstatnings-kjølemetoder. Den mest velkjente blant disse er den indirekte, evaporative eller fordampningsbevirkende avkjøling som er beskrevet for eksempel i finsk utlegningsskrift nr. 67 259 og finsk patentskrift nr. 57 478. Ved denne metode fordampes vann inn i utløpsluften eller inn i utendørsluften, slik at temperaturen på luften avtar og fuktigheten øker. Den avkjølte luft, som vanligvis er altfor fuktig til å benyttes direkte, benyttes for avkjøling av tilførselsluften til kjøleanlegget. Avkjølingen utnytter varmegjenvinningsanordninger som vanligvis er inkludert i luftkondisjoneringssystemet for bruk om vinteren. Omkostningene og energiforbruket er bare en brøkdel av de som forårsakes av kompressor avkjøl ing, og systemet benytter ikke freon. Det er også 1 en viss utstrekning blitt benyttet direkte fordampningsbevirkende avkjøling, ved hvilken utendørsluft avkjøles ved fukting av denne og deretter benyttes direkte som tilførselsluft.

En ulempe ved disse metoder er at deres avkjølings-effekt er begrenset. Luft kan avkjøles ved fukting bare opp til metningspunktet for damp, i Finland til ca. 20°C. Dette er tilstrekkelig i bygninger som har en liten varmebelastning eller en stor strøm av tilf ørselsluf t. Kurve a på fig. 1 på tegningene illustrerer avkjølingsbehovet for luft i denne type bygning, mens kurve b illustrerer den avkjølingseffekt som skal oppnås ved hjelp av indirekte, fordampningsbevirkende avkjøling.

I "normale" bygninger er effekten ikke tilstrekkelig med "normale" luftstrømmer ved maksimale utendørstemperaturer, og innendørstemperaturen begynner å gli og overskrider dimensjoneringsverdien. For størsteparten av tiden er glidningen ganske liten. Den er betydelig bare under noen få varme dager. På fig. 2 illustrerer kurve a avkjølingsbehovet, kurve b illustrerer den effekt som skal oppnås, og det skraverte areal e derimellom illustrerer undertilførselen av effekt.

I bygninger som har en høy varmebelastning, eller i tilfeller hvor strømmen av utendørsluft er spesielt liten, er avkjølingseffekten utilstrekkelig i en forholdsvis lang tidsperiode. Den dekker bare halvparten av det totale avkjølings-behov. På fig. 3 illustrerer kurve a avkjølingsbehovet for denne type bygning, kurve b illustrerer den effekt som skal oppnås, og det skraverte areal e derimellom illustrerer undertilførselen av effekt.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en avkjølingsmetode som unngår disse ulemper og muliggjør at den fuktende avkjøling som benyttes for avkjøling av tilførselsluf-ten, kan kompletteres med ytterligere avkjøling på en slik måte at avkjølingseffekten er tilstrekkelig under alle forhold, i tillegg til hvilket den energi som kreves av den ytterligere avkjøling, er praktisk talt uten omkostninger.

Dette formål oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen som er kjennetegnet ved at tilførselsluften i tillegg avkjøles ved hjelp av ledningsvann før vannet fordeles inn i et i bygningen tilveiebrakt nettverk for kaldt ledningsvann.

Oppfinnelsen er basert på den idé at ledningsvannet for bygningen utnyttes som et ytterligere eller ekstra avkjølings-medium. Vann benyttes i nesten alle bygninger. Idet vannet når frem til bygningen, er vannets temperatur vanligvis ikke mer enn 10°C. På de fleste brukssteder (såsom et toalett) er det uten betydning hvor varmt ledningsvannet er. For mange anvendelser må kaldt vann varmes opp (vaskevann, varmt ledningsvann, vann for industrielle prosesser). Ledningsvanntemperaturen kan følgelig heves svakt uten å forårsake problemer, når vannet utnyttes for ytterligere avkjøling av tilførselsluften. Den ytterligere avkjøling forbruker ikke noen ekstra energi, da de besparelser som oppnås på grunn av foroppvarmingen av ledningsvann, sikkert dekker de effekttap som forårsakes av effektforbruket ved pumpingen av ledningsvann, og den ytterligere motstand som frembringes for luftstrømmen på grunn av avkjølingsradiatoren.

Oppfinnelsen angår også en kjøleinnretning for realise-ring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, idet innretningen omfatter en fordampningsbevirkende kjøleanordning for avkjøling av tilf ørselsluf t som skal innføres i rom som skal avkjøles i bygningen, ved å fordampe vann inn i luften. Kjøleinnretningen er kjennetegnet ved minst én varmeveksler som ved hjelp av et innløpsrør og et utløpsrør er koplet til et rør for kaldt ledningsvann i bygningen før vannet fordeles inn i et nettverk for kaldt ledningsvann i bygningen, idet tilførselsluften er innrettet til å strømme gjennom varmeveksleren for avkjøling av luften ved hjelp av kaldt ledningsvann.

Kjøleinnretningen er enkel og har fordelaktige anskaf-felseskostnader, da den kan utnytte varmeradiatoren, sirkula-sj onsvannpumpen og reguleringsanordninger som alltid inngår i alle luftkondisjoneringssystemer for oppvarming av tilførselsluf-ten om vinteren.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et sett kurver som illustrerer den avkjølingseffekt som skal oppnås ved hjelp av indirekte, fordampningsbevirkende avkjøling i forhold til avkjølingsbehovet for tilførselsluften i en bygning med en liten varmebelastning, fig. 2 viser et liknende sett av kurver for toppverdiene av utendørstemperaturen, fig. 3 viser et liknende sett av kurver ved høy varmebelastning, fig. 4 illustrerer skjematisk en første utførelse av kjøleinnretningen ifølge oppfinnelsen, hvor kjøleradiatoren for luftkondisjoneringssystemet benyttes som varmeveksler for ledningsvannet, fig. 5 illustrerer skjematisk en andre utførelse av kjøleinnretningen ifølge oppfinnelsen, hvor varmeradiatoren for luftkondisjoneringssystemet og en ytterligere varmeveksler benyttes som varmeveksler for ledningsvannet, og fig. 6 illustrerer skjematisk en tredje utførelse av kjøleinnret-ningen ifølge oppfinnelsen, hvor varmeveksleren for ledningsvannet er komplettert med en lagringsenhet for ledningsvann.

Den kjøleinnretning som er vist på fig. 4 på tegningene, omfatter en inntaks- eller innløpskanal 1 for utendørsluft A som skal innføres i avkjølte rom la i en bygning. Utendørsluf-ten avkjøles på i og for seg kjent måte ved hjelp av direkte eller indirekte fordampning i en kjøleanordning 2. Innløpskanalen er forsynt med en kjøleradiator 3 som virker som varmeveksler, idet et rør 4 forbinder radiatorens innløpsside med et lednings-vannrør 5 i bygningen ved hjelp av en stenge- eller stoppeventil 6. Radiatorens utløpsside er forbundet med et rør 7 til lednings-vannrøret ved hjelp av en sirkulasjonsvannpumpe 8 og en stoppeventil 9. Radiatorens innløps- og utløpsrør er sammenkoplet ved hjelp av et forbindelsesrør 10 med en motorventil 11 hvis drift styres av en termostat 12 som er anbrakt i innløpskanalen. Fra ledningsvannrøret ledes ledningsvannet inn i et ledningsvann-nettverk 5a som er anordnet i bygningen.

Når avkjøling ved hjelp av ledningsvann er nødvendig, startes sirkulasjonsvannpumpen 8, og den begynner å sirkulere ledningsvann gjennom motorventilen 11. Radiatoren avkjøler luften som strømmer i innløpskanalen. Når avkjølingsbehovet økes, starter termostaten 12 å lukke motorventilen, slik at en del av det sirkulerende ledningsvann ledes gjennom stoppeventilen 9 inn i ledningsvannrøret, og en tilsvarende mengde kaldt ledningsvann strømmer fra ledningsvannrøret gjennom stoppeventilen 6 inn i kjøleradiatoren. Ved det maksimale effektbehov er motorventilen fullstendig lukket, slik at hele vannmengden til sirkulasjonsvannpumpen tas fra ledningsvannrøret og returneres inn i dette ved et punkt som ligger senere i ledningsvannets strømningsret-ning før vannet fordeles inn i ledningsvann-nettverket i bygningen. Dersom forbruket av vann på bruksstedene derved er mindre enn vannstrømmen fra pumpen, kan strømningsretningen reverseres i ledningsvannrøret mellom stoppeventilene 6 og 9.

I denne spesielle utførelse pumpes en del av ledningsvannet gjennom kjøleradiatoren 3 som er montert i luf tkondis jone-ringssystemet, før vannet mates til bruksstedene. Ledningsvannet oppvarmes derved til en temperatur mellom 15 og 18°C, avhengig av dimensjonene, og tilførselsluften avkjøles tilsvarende. På fig. 2 illustrerer kurve c den forbedrede avkjølingsvirkning som vil bli oppnådd ved hjelp av den ytterligere avkjøling. Den ytterligere avkjølingseffekt som oppnås på denne måte, er tilstrekkelig til å dekke undertilførselen e for avkjøling.

Utførelsen på fig. 5 utnytter en varmeradiator 13 som er koplet til et oppvarmingsnettverk 13a, dettes sirkulasjonsvannpumpe 8 og reguleringsanordninger, dvs. en motorventil 11 og en termostat 12,' som alltid er inkludert i alle luftkondisjoneringssystemer. Varmeradiatoren er på innløpssiden med et rør 15 og på avløpssiden med et rør 17 forbundet med oppvarmingsnettverket via en respektiv magnetventil 14 og 16. Ledningsvannrøret 5 er med røret 4 forbundet med magnetventilen 14 i varmeradiatorens innløpsrør 15, og med røret 7 forbundet med magnetventilen

16 i varmeradiatorens utløpsrør 17. På fig. 5 illustrerer pilene med stiplede linjer strømmen av kaldt vann fra ledningsvannrøret gjennom radiatoren 13 og tilbake til ledningsvannrøret, slik at ledningsvannet avkjøler tilførselsluften som strømmer gjennom radiatoren. Det skal bemerkes at dersom varmeradiatorens 13 effekt er tilstrekkelig for avkjøling av tilførselsluften, er de eneste ytterligere komponenter som er nødvendige, de to magnet-

ventiler 14, 16 og stoppeventilene 6, 9.

Fig. 5 illustrerer et tilfelle hvor effekten til den eksisterende varmeradiator 13 ikke alene er helt tilstrekkelig for avkjølingsformålene. For å tilføre ytterligere effekt, er en ytterligere varmeveksler 3 koplet i serie med radiatoren 13 etter denne. For klarhetens skyld er de konvensjonelle deler i luftkondisjoneringssystemets oppvarmingsanordninger tegnet med stiplede linjer, og de ytterligere komponenter som kreves av den ytterligere avkjøling, er tegnet med heltrukne linjer. Den ytterligere varmeveksler 3 er ved hjelp av et rør 18 forbundet med ledningsvannrørets grenrør 4, og ved hjelp av et rør 19 og en magnetventil 20 forbundet med varmeradiatorens 13 innløpsside. Oppvarmingsnettverket frakoples og ledningsvann-nettverket tilkoples under drift ved hjelp av de ovennevnte tre magnetventi-ler 14, 16, 20. Strømmen av kaldt ledningsvann fra ledningsvann-røret via radiatorene 3, 13 og tilbake til ledningsvannrøret er vist med piler som er tegnet med heltrukne linjer.

Dersom avkjølingsbehovet for bygningen er stort, og forbruket av ledningsvann er normalt, er den ytterligere avkjølingseffekt som oppnås ved hjelp av utførelsen på fig. 5, og som er vist ved kurve c på fig. 3, fremdeles ikke tilstrekkelig. Det krysskraverte areal f mellom kurvene a og c illustrerer undertilførselen av effekt. Undertilførselen av effekt i løpet av ett døgn er imidlertid begrenset til noen få timer om ettermiddagen når utendørstemperaturen er høy.

Fig. 6 viser en utførelse ved hjelp av hvilken avkjø-lingsef fekten kan økes ytterligere. Kjøleinnretningen på fig. 6 er forsynt med en lagringsenhet 21 som akkumulerer ledningsvann som skal forbrukes i løpet av ett døgn. Ved å dimensjonere sirkulasjonsvannpumpen 8 i overensstemmelse med det maksimale forbruk av avkjølingseffekt, kan den effekt som oppnås fra lagringsenheten 21, og som er illustrert ved kurve d på fig. 3, for en kort tidsperiode være dobbelt så høy som det gjennomsnitt-lige vannforbruk. For klarhetens skyld er kurve d tegnet synlig over hele sin lengde, selv om den effekt som er representert ved denne, benyttes bare i det krysskraverte område som er avgrenset mellom kurvene c, a og d. Et større effektforbruk ville ikke en gang være mulig, da den tilgjengelige effektreserve består av det uskraverte område mellom kurvene a og c, fra hvilket konveksjons-og blandingstap er fratrukket. Blandingstapene kan reduseres vesentlig ved å forsyne lagringsenheten med en strømningsutjev-ner, såsom et mellomgulv 22 som er fremstilt av perforert plate, som vist på fig. 6. Strømningsretningen i de rør som er koplet til lagringsenheten, kan reverseres, avhengig av om effekt avledes fra lagringsenheten eller om effekt tilføres til enheten. Dimensjoneringen av sirkulasjonsvannpumpen 8 i overensstemmelse med det maksimale forbruk har en annen fordel ved at temperaturen på returvannet, når forbruket er lavt, stiger til en verdi som er høyere enn dimensjoneringsverdien, 15 til 17°. Behovet for ledningsvann reduseres derved når varmebelastningen er liten, og en større kjøleeffektreserve er tilgjengelig for den maksimale belastning. Dette er ikke tatt i betraktning i kurve d.

I det tilfelle som er vist på fig. 3, er det normale forbruk av ledningsvann ikke i stand til fullt ut å dekke belastningstoppene. Dette lille behov for avkjølingseffekt kan dekkes ved å benytte bare for kjøling en liten mengde ledningsvann som ledes direkte ned i en regnvannskloakk 24. På fig. 6 er en motorventil 26 som styres av en returvann-termostat 25, anordnet for dette formål i en regnvannskloakkforbindelse 23. Motorventilen 26 begynner å åpne når motorventilen 11 er helt åpen og termostaten 12 krever mer kjøleeffekt. Den nødvendige vannmengde er liten og bruken er av kort varighet. Det krysskraverte område mellom kurvene a og d representerer behovet for kjøleenergi. I dette eksempel, som ligger meget nær det maksi-mumstilfelle som kan opptre i praksis, er behovet mindre enn 5% av totalbehovet for kjøleenergi.

På fig. 4-6 er varmeveksleren 3 tilkoplet til en luftkondisjoneringsanordning. Avkjølingen kan selvsagt utføres ved hjelp av hvilke som helst andre, i og for seg kjente systemer, f.eks. i etterkjølingsradiatorer som er anbrakt i kanalsystemet, i konvektorer eller i strålingskjølere som er anordnet for individuelle rom eller soner. Anvendelsen av anordninger som er anbrakt i rom, er særlig fordelaktig i systemet, da ledningsvannets returtemperatur derved kan variere mellom 19 og 22° i stedet for 15 og 17°. Dette øker i betydelig grad den mengde avkjølingseffekt som er gratis, og fjerner i de fleste tilfeller behovet for å benytte ledningsvann bare for avkjølingsformål.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved avkjøling av en bygning, ved hvilken tilførselsluft (A) som skal innføres i rom (la) som skal avkjøles i bygningen, avkjøles (2) ved direkte eller indirekte, fordampningsbevirkende avkjøling (2) ved å fordampe vann inn i luften for å redusere temperaturen, KARAKTERISERT VED at tilførselsluf-ten (A) i tillegg avkjøles (3; 13) ved hjelp av kaldt ledningsvann (5) før vannet fordeles inn i et i bygningen tilveiebrakt nettverk (5a) for kaldt ledningsvann.

2. Kjøleinnretning for en bygning, omfattende en fordampningsbevirkende kjøleanordning (2) for avkjøling av tilførselsluf t (A) som skal innføres i rom (la) som skal avkjøles i bygningen, ved å fordampe vann inn i luften, KARAKTERISERT VED minst én varmeveksler (3; 13) som ved hjelp av et innløpsrør (4) og et utløpsrør (7) er koplet til et rør (5) for kaldt ledningsvann i bygningen før vannet fordeles inn i et nettverk (5a) for kaldt ledningsvann i bygningen, idet tilførselsluften (A) er innrettet til å strømme gjennom varmeveksleren for avkjøling av luften ved hjelp av kaldt ledningsvann.

3. Kjøleinnretning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at varmeveksleren for ledningsvannet er en varmeradiator (13) som er inkludert i bygningens luftkondisjoneringssystem for oppvarming av tilførselsluften (A) om vinteren, idet varmeradiatoren er forsynt med ventiler (14, 16) for selektivt å tilkople varmeradiatoren til bygningens ledningsvannrør (5).

4. Kjøleinnretning ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED en ytterligere varmeveksler (3) som er montert i en tilførselsluft-kanal (1) i serie med varmeradiatoren (13) etter denne i tilførselsluftens (A) strømningsretning, idet den ytterligere varmeveksler er koplet til ledningsvannrøret (5).

5. Kjøleinnretning ifølge krav 3 eller 4, KARAKTERISERT VED en lagringsenhet (21) for kaldt ledningsvann som er koplet til ledningsvannrøret (5) og fra hvilken ledningsvann er innrettet til å pumpes inn i varmeradiatoren (13) og/eller til den ytterligere varmeveksler (3) under det maksimale forbruk av kjøleeffekt.

6. Kjøleinnretning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at lagringsenheten (21) er forsynt med en strømningsutjevner (22) for å redusere blandingstap.

7. Kjøleinnretning ifølge ett av kravene 3-6, KARAKTERISERT VED at varmeradiatoren (13) eller den ytterligere varmeveksler (3) er forsynt med et overløpsrør (23, 24) for ledningsvannet som ledes gjennom radiatoren og/eller varmeveksleren, idet overløpsrøret er forsynt med en ventil (26) for selektivt å tilkople radiatoren eller den ytterligere varmeveksler til ledningsvann-nettverket (5) eller til overløpsrøret.