NO862274L - System for aa dekke et roms energibehov. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et system for dekking av energibehovet i et rom i en bygning hvis rom forsørges med belysningslegemer for kunstlys som er fordelt over taket og med dagslys gjennom vinduer i minst en av de ytre vegger og som tilføres frisk luft ved hjelp av et ventilasjonsanlegg, idet den tilførste frisk lufts temperatur høyden er lik den ønskede romtemperatur.

Bygningers ytre vegger består generelt delvis av gjennomsiktige bygningsdeler, eksempelvis vinduer og delvis av ikke gjennomsiktige bygningsdeler, eksempelvis fasadeplater eller murverk o.l. Disse to deler har betydelige forskjeller med hensyn til varmeoppdemningsevne. Således er varmegjennomgangstallet (k-verdien) for vanligé vinduer inntil seks ganger så stor (1,0 til 2,8 W/m 2K) som for ikke gjennomsiktige bygningsdeler (0,3 til 0,5 W/m 2K). Av denne grunn har glassruter pa kalde dager en lavere overflatetemperatur enn de andre deler i ytterveg-gen. Dette fører til et kaldluftfall foran vinduet og til at det oppstår trekk og en ensidig strålingsmangel for personer i rommet.. For å sikre den ønskede komfort for disse personer, anordnes sentralvarmeanlegg, eksempelvis radiatorer, konvektorer, tilleggsoppvarming av gulv osv., under vinduene for å kompensere for virkningene av den kalde vindusoverflate ved hjelp av det derved frembrakte varmluftgardin.

Forskjellige, tungtveiende ulemper er forbundet med disse tiltak og anordninger: Det kreves omfangsrike og kompliserte installasjoner med sentralvarmeledninger som må føres frem til bygningens periferi,. - Ved anordningen av sentralvarmeinstallasjonene påvirkes bruken i området ved vinduet sterkt,

ved varmluftgardinet forhøyes temperaturdifferansen og varmeovergangen ved vinduet, noe som fører til økede energitap ved vinduet.

Et system av den innledningsvis nevnte type er kjent fra CH 555 519. Ved dette kjente system låses den tilf ørselsluf t som er behandlet i en sentral og som er hentet som frisk luft fra atmosfæren, eventuelt blandet med omluft, via et mellomtak og trenger inn i rommet ovenfra gjennom et som hulltak utformet mellomtak. Denne til-førselsluft har herved høyden en temperatur som tilsvarer en basis- eller komforttemperatur på 20 til 22°C og tjener ved behov i tillegg til luftfornyelse og luftbefuktning også til avkjøling av rommet.

For å kunne kompensere transmisjonsforluftene utad og kaldluftfallet foran vinduet i den kalde årstid er, som foran nevnt, ved bygninger med hittil kjent tek-nikk, radiatorer som er tilkoplet et varmeanlegg som varmekilde, oppstilt foran vinduene for å dekke rommets energi-mangel om vinteren.

Bortføring av den forbrukte luft foregår umiddel-bart under mellomtaket.

Da tilførselsluften ved dette system tjener til dekning av kjølebehovet og, eksempelvis meget lave utetemp-eraturer, eventuelt for delvis dekning av oppvarmingsbe-hovet, må store "effekter" transporteres med tilførselsluf-ten på grunn av de tilsvarende store belastninger ved kjente bygninger gjennom vinduene, noe som krever store tilførselsluftmengder og relativt mange luftvekslinger pr. time. Den ovenfra innblåste tilførselsluft blandes herved mest mulig fullstendig med den forhåndenværende romluft ved induksjon og turbulens, idet innblåsingen foregår slik at betingelsene komfort, eksempelvis ifølge DIN 1946, opprettholdes i personenes oppholdsområde. Ved uttrekkingen av avluften likeledes nær taket, arbeider systemet i kortslutningsdrift .

Som nevnt kreves det et stort antall luftvekslinger, 3-8 pr. time, da romluften kun utskiftes indirekte via induksjon og turbulens. I tillegg er det kjente system fra lufthygienisk synspunkt relativt lite virksomt da de skadelige stoffer som oppstår i rommet, først fordeles ensartet før de fjernes fra rommet. Fjerning av skadelige stoffer baserer således på prinsippet med fortynning. Dette betinger en relativt stor friskluftandel i tilfør-selsluften for å holde de skadelige stoffers konsentrasjon lav, noe som medfører et stort energibehov, især om vinteren, noe en meget fin regulering kun endrer lite, eksempel vis ved styring ifølge CO^innhold eller antall personer i rommet.

Oppfinnelsen tar således sikte på å løse denne oppgave, især med henblikk på fjerning av skadelige stoffer, å frembringe et forbedret system for bygninger og ventilasjon hvor energibehovet er betydelig nedsatt både for dekking av transmisjonstapene ved drift for oppvarming og for kjøling ved hjelp av tilf ørselsluf ten, hvor det videre sikres en høy luftkvalitet med relativt liten andel frisk luft som vanligvis må oppvarmes eller nedkjøles, og hvor det sikres en god komfort også ved færrest mulig luftvekslings tall.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved at det totale vindus varmegjennomgangstall (den totale k - verdi) og varmegjennomgangstallet for de ytre veggers ikke gjennomsiktige veggdeler i bygningen, hver har en verdi pa høyst 1 W/m 2K, og at tilf ørselsluf ten fordeles over minst en av rommets vegger nær gulvet og videre at tilførselsluftens innblåsingshastighet i rommet ikke overstiger en maksmimal verdi som tilsvarer hastigheten for komfort i oppholdsområdet for personer.

Det totale vindus varmegjennomgangstall, den totale k-verdi, settes sammen av de to enkelt k-verdier for glass og ramme. Den totale k-verdi kan herved enten bestemmes samlet eksperimentell eller beregnes som aritmetisk middel-verdi for de enkelte k-verdier, idet disse inngår tilsvarende deres flateandel for glass og ramme i beregningen.

Med disse tiltak oppnås at transmisjonstapene under drift med oppvarming for bruk av rommene, dekkes av de indre varmekilder, mennesker, belysning, apparatur og maskiner, samt ved eventuell innstråling og avlaster således ventilasjonssystemet med en oppvarmingsfunksjon også uten spesielle varmelegemer. Herved kan lufttilførsel-en i drift med oppvarming foregå ved den komfortable temperatur, lufttilføring og luftmengde kan velges med hensyn til en optimal lufthygienisk virkning. På grunn av den lille nødvendige mengde består lufttilførselen helt eller i det minste for størstedelen av atmosfærisk frisk luft som strømmer inn med meget lav hastighet og tilsvarende få luftvekslingstall, i oppvarmingsdrift n = 0,5 1 pr. time. Skadelige stoffer forskyves herved langsomt opp mot taket hvor de føres bort. I denne sammenheng virker den naturlige termiske effekt fra mennesker og apparaturer positivt.

Det nye system arbeider således etter prinsippet

å frembringe en termisk stabil og temperaturmessig korrekt frisk luft "sjø" med komfortabel temperatur på 20 til 22°C nær gulvet hvorfra den frembrakte termiske virkning fra mennesker, maskiner og eventuell innstråling, hentes. Da de luftforurensninger som utvikles av mennesker vanligvis opptrer ved høyere temperaturer vil de føres med de termiske strømmer oppad hvor de syges bort som bruktluft. Alle indre varmekilder samt også strålingsinnfall gjennom vinduer, bidrar til stabiliseringen av den beskrevne luft-strømning da de forstørrer temperaturdifferansen mellom de øvre og de nedre luftlag.

En slik driftsituasjon er kun mulig uten konvensjo-nell tilleggsoppvarming foran vinduene på grunn av de små k-verdier, især for vinduene, idet de indre kilder og en eventuell innstråling er tilstrekklig til å avlaste tilførselsluften for funksjon som oppvarming og energitran-sport, dvs. å dekke transmisjonstapene også i ekstreme tilfeller. Kaldluftfallet ved de ytre vegger, især ved vinduene må herved også i ekstreme tilfeller ligge i området for de komfortable betingelser, dvs. eksempelvis må temperaturdifferansen mellom vinduet og rommet ikke være større enn 3 til 4°C på grunn av at vinduenes overflatetemperatur må ligge så høyt som normalt dypeste overflatetemperatur for de ytre vegger at forhøyede lufttemperaturer for kompensasjon av menneskenes stråletap ikke er nødvend-ig. Disse krav oppnås med ytre vegger som har k-verdier slik det er beskrevet i krav 1.

De lave k-verdier for vinduet kan eksempelvis oppnås med glass i tillegg til flerglassvinduer eller ved de tiltak som er beskrevet i EP 117 885. En ytterligere mulighet består i bruk av sterkt varmedemmende og høytrans-perente stoffer, eksempelvis aerogelen mellom vindusrutene. K-verdiene for veggdelene oppnås ved hjelp av kjente varme-oppdemmingstiltak og/eller materialer. Dersom det i spesi elle tilfeller skulle være nødvendig med varmedemmende tiltak i tak, gulv eller indre vegger må naturligvis disse elementers k-verdier tillempes ytterveggenes.

I tider hvor rommet ikke er benyttet, om natten, helger og helligdager, er avkjølingshastigheten så liten at man i regelen kan utelate en oppvarming. Et oppvarmings-behov som tilfeldigvis måtte oppstå kan dekkes ved enkle og billige tilleggsoppvarmingsanordninger med liten effekt for å opprettholde en ønsket romtemperatur. I denne sammenheng har det vist seg hensiktsmessig at det i belysningslegemene anordnes elektriske oppvarmingslegemer med en effekt som tilsvarer det enkelte belysningslegeme. Det kan imidlertid også eksempelvis benyttes en anordning for luftbevegelse med luftoppvarming. Bruken av tilleggsoppvarmingsanordninger begrenses på ingen måte av betingelsene for komfort slik at disse oppvarmingsanordninger kan være meget enkle og brukes i intervaller.

Den "kulde" som er nødvendig for kjølende drift, "tilføres" ved det nye system på kjent måte via tilførsels-eller friskluften. Den temperaturdifferanse til den ønskede romtemperatur er imidlertid på grunn av komfort begrenset og bør ikke overstige 10 til 12°C. For dekning av nedkjøl-ingsbehovet forhøyes derfor luftvekslingene pr.time (n/h) tilsvarende kravene frem til maksimal tillatelig innblåsingshastighet for tilførselsluften. Medvirkende til en liten kjøleeffekt, dvs. en relativt liten varmemengde som skal fjernes fra rommet med tilførselsluften, bidrar vesentlig at varmebelastningen i rommet på grunn av vinduet på grunn av dettes lave k-verdi og en liten totalenergi-gjennomstrømning, som eventuelt kan oppnås ved hjelp av ytterligere solbeskyttelsestiltak, er lav. Derved er det mulig å begrense luftutvekslingstallet også om sommeren vil maksimalt n=3/hog vanligvis under dette. For slike lave luftutvekslingstall kreves ved hensiktsmessig dimen-sjonering av innblåsingstverrsnittet, innblåsingshastigheter som er mindre enn 20 cm pr. sekund. Da den varme luft som skal føres bort stiger opp på grunn av den termiske virkning, har her den kjente avsugning i taket i forbindelse med innblåsing nær gulvet, vist seg meget hensiktsmes sig, idet herved den i sammenheng med den kjente anordning beskrevne "kortslutningsdrift" , unngås. I tillegg bevirker en slik anordning av avluftsåpningene nær den ytre vegg, hhv. vinduet, at den varmluft som oppstår ved vinduet kan strømme direkte bort.

Fremdeles foregår fjerning av de skadelige stoffer, både om sommeren og om vinteren, ved hjelp av en konstant strøm oppad og ikke på grunn av generell fortynning.

Det er fordelaktig at den maksimale tilluftstempe-ratur er 20 til 22°C og at den maksimale innblåsingshastighet er 0,2 m pr. sekund, fortrinnsvis 0,15 m pr. sekund.

Tilførselsluftmengden kan i tillegg for ytterligere energiinnsparing styres på ulike måter, eksempelvis holdes-på en konstant volumstrøm i brukstiden, foregå med variabel volumstrøm, styrt ved hjelp av CC^- eller fuktighets innhol-det i den borttransporterte luft, styres med variabel volum-strøm på grunnlag av antall personer som befinner seg i rommet, eller med variabel volumstrøm som styres av temperaturen i den avsugede luft.

I det følgende beskrives oppfinnelsen på grunnlag av en utførelse i sammenheng med tegningen.

Den eneste figur viser skjematisk en perspektiv-skisse av et rom som er utstyrt ifølge oppfinnelsen.

Som utsnitt av en større bygning 1 viser figuren et rom 2 som på tre sider og over og under omgis av tilsvarende rom, hhv. en korridor, som ikke er vist detaljert. Til høyre på figuren er rommet 2 lukket med en ytre vegg 3 i hvilken et vindu 4 er anordnet.

I rommets 2 tak 5 er anordnet i avstand fra hverandre strålingsreflektorer 6, hver med et lysstoffrør som belysningslegeme 7 og et varmelement av vanlig handelsvare, eksempelvis av keramikk, som varmelegeme 8. Hver reflektor 6, hhv. hvert strålingsle.geme 7, hhv. 8 kan koples inn og ut manuelt, enkeltvis og adskilt.

Belysningslegemet 7 og varmelegemet 8 velges slik at den effekt disse opptar er lik. Denne er eksempelvis 25 W/m 2 romflate. Effektopptaket i de enkelte reflektorer 6 kan herved også være lik, men imidlertid også være ulik.

'Videre er en reflektors 6 belysningslegeme 7 og

varmelegeme 8 slik koplet til hverandre ved deres elektriske tilkopling, som i enkleste tilfelle kan betjenes manuelt ved en omkopler, at i reflektor 6 valgfritt kun den ene eller den andre av de to energiavgivende strålelegemer 7 og 8, kan være i drift.

I nærheten av gulvet 9 er anordnet i rommets vegg 18 som har en dør 10 til korridoren, utblåsingsgitter 11 fra et ventilasjonsanlegg som kun er antydet skjematisk. Ventilasjonsanlegget har en sentral luftbearbeidingsanord-ning hvorav kun en varmeveksler 12 for en varmegjenvinning av rommets 2 avluft er vist, samt en fortrinnsvis elektrisk drevet luftoppvarmingsanordning 13 og en luftavkjøler samt en ventilator 15 som transportanordning for tilførsel-sluften. Ventilatoren suger frist luft inn som eventuelt på forhånd er filtrert, oppvarmer eller avkjøler denne før den strømmer til utblåsingsgitteret 11, og oppvarmingen av friskluften foregår herved i det minste delvis ved varmegjenvinning fra avluften i varmeveksleren 12.

Utblåsingsgitteret 11, som er delt i to ved den

1 m brede dør 10, over hele rommets 2 bredde på 5 m, dybde på 4 m og høyde på 3 m. Det har en ikke vist filterduk eller et finmasket metallgitter slik at strømningsmotstand-en er betydelig større enn strømningsmotstanden i tilførs-elsledningen. Av denne grunn oppbygges i tilførselsledning-ene, i strømningsretningen, foran utblåsingsgitteret 11, et statisk lufttrykk som sikrer en ensartet fordeling av den tilf ørselsluf t som trenger inn i rommet 2, over hele utblåsingsgitterets 11 lengde.

Noe under taket 5 er i den samme vegg 18 avlufts-slisser 16 eller flere åpninger anordnet over hele bredden, gjennom hvilke den forbrukte avluft med skadelige stoffer og eventuelt med overskytende varme, suges av en avlufts-vifte 17 og tilføres varmeveksleren 12 som varmeavgivende medium. I varmeveksleren avgir avgiften, om nødvendig, varme til den innstrømmende frisk luft, før avluften transporteres ut av bygningen 1. Avluftslissen 16 kan fordelaktig også ligge over vinduet 4 i ytterveggens 3 område, noe som imidlertid ikke er vist spesielt.

Den termiske strømning som oppstår fra mennesker, symbolisert ved en stående person 12, er vist med piler som den "drevne" luftstrømning i rommet 2.

Beregningseksempel: Av de nevnte dimensjoner fremkommer rommets 2 volum V til 60 m 3. Den ytre veggs flate

2 2 2

er 15 m , hvorav 10 m vindu og 5 m brystning. Vinduet 4 har dobbelt glass og dets k-verdi er ved hjelp av utspen-ning av gjennomsiktig, pålagt plastfolie mellom glassene, senket til omtrent 0,7 W/m 2K, mens varmegjennomgangstallet for de ikke-gjennomsiktige deler av den ytre vegg 3, er 0,5 W/m<2>K.

Av de forannevnte tall fremkommer om vinteren transmisjonstap for vinduet 4 på 7 W/K og for brystningen 2,5 W/K, således totalt 9,5 W/K. Av disse tall kan beregnes en tapseffekt ved transmisjon på maksimalt 304 W ved ute-temperatur på -10°C og en komfortverdi for romtemperaturen på +22°C.

Den i rommet 2 installerte belysnings- hhv. opp-varmingseffekt er derimot 500 W slik at transmis jonstap i rikt monn kan dekkes.

I tillegg avleverer et menneske i rommet tilnærmet 80 W. Uten innstråling av dagslys må belysningen koples inn slik at varmeproduksjonen i rommet blir 2580 W, hvorved en betydelig overoppvarming av avluften foregår, noe som muliggjør oppvarming av friskluften ved hjelp av varmegjenvinning. Når rommet benyttes er det således tilstrekkelig, ved en midlere energitransmisjon for innstrålingen på g=0,32 i rommet 2, gjennom vinduet 4, med en strålingsin-tensitet på 70 W/m 2, for å dekke transmisjonstapene. Dette tilsvarer innstrålingen fra sterkt dekket himmel hvor i alle fall ytterligere deler av belysningen må være koplet inn.

Under forutsetning av at 2/3 av utblåsingsgitterets 11 bredde består av åpne slisser, og at slissenes høyde h b er 0,1 m, er det strømningstverrsnitt A som 2er tilgjeng-elig for innblåsingen av friskluften, 2667 cm . En luftveksel for tilstrekkelig fjerning av skadelige stoffer om vinteren er omtrent n=0,5 l/h. Herav fremkommer luftmengder på 8333 til 16 667 cm 3 pr. sekund for frisklufttilførselen til rommet 2, idet det er nødvendig med strømningshastig- heter på 3,1 til 6,3 cm pr. sekund ved den antatte utblås-ingsåpning. Disse hastigheter ligger lagt under de maksmi-malt tillatelige innblåsingshastigheter for komfortable bet ingelser.

For oppvarmingen av friskluften kreves ved en varmegjenvinning på 65% med utgangspunkt i utetemperaturem på -10°C, med en luftveksling på n=0,5/h, i tillegg en effekt på 112 W som eventuelt kan oppnås ved forvarming av friskluften.

Når rommet ikke er i bruk faller de samme transmisjonstap, idet det antas en luftveksel på n=0,l/h for mulige utettheter. Herved fremkommer totaltap på tilnærmet 368 W som uten videre kan frembringes av de installlerte varmelegemer 8. Disse kan herved styres, alle eller kun noen, eksempelvis av et koplingsur eller av en romtermo-stat, i avhengighet av temperaturen, i intermitterende drift. I sammenheng med dekningen av energitapene når rommet ikke er benyttet, skal det i tillegg bemerkes at det ved lengre perioder uten bruk vil kunne regnes med betydelige innstrålinger iløpet av dagen som . på grunn av bygningens lagringsevne yter et tilleggsbidrag for dekning av tapene.

Ved drift for kjøling eller om sommeren, kan til-førselsluften innblåsingshastighet i rommet 2 forhøyes opp til v=20 cm pr. sekund uten at det fryktes trekk og dermed nedsatt komfort. I tillegg synker tilførselsluftens hastighet på grunn av innblandingen med romluften relativt hurtig og luftbevegelsene i rommet bestemmes i overveiende grad av de termiske forhold.

Også i dette tilfelle sikrer vinduets 4 lave k-verdi og den relativt lille forskjell til k-verdien for den resterende ytre vegg 3. Især i forbindelse med ytterligere kjente solbeskyttelsestiltak, eksempelvis persienner og/eller reflekterende belegg på vinduets 4 glassruter, oppnås at vinduet 4, hhv. den ytre vegg 3 ikke danner den dominerende "varmekilde" under kjølende drift og også at luftstrømmen i rommet 2 ikke for stor grad påvirkes. På denne måte er de ifølge oppfinnelsen tilstrekkelig innblåsingshastigheter hvormed nedkjølt tilførselsluft hvis temperatur kan ligge ned til 12°C under den ønskede romtemperatur, tilstrekkelig for en fjerning av den varme som er overskytende i forhold til de komfortable betingelser, som kjent tillater en romtemperatur ned til 6°C under utetemperaturen.

Dersom de allerede nevnte grenseverdier for innblåsingshastigheten og temperaturen av den nedkjølte til-førselsluft legges til grunn, er tilførselsluftstrømmen større enn 53000 cm<3>pr. sekund. Herav beregnes et luftvekslings tall for rommet 2 på n 3/h. ved en temperaturfor-skjell på 12°C mellom tilførselsluften og romluften kan herved en overskuddsvarme på 640 W føres bort.

Claims (4)

1. System for dekning av energibehovet i et rom i en bygning, hvor rommene tilføres kunstig lys fra belysningslegemer som er fordelt i taket, samt dagslys gjennom vinduer i minst en ytre vegg og videre tilføres frisk tilførselsluft ved hjelp av et ventilasjonsanlegg, idet tilførselsluftens temperatur høyden er lik den ønskede romtemperatur, KARAKTERISERT VED at det totale vindus (4) varmegjennomgangstall (krW 7), den totale k-verdi (kr_) og varmegj ennomgangs tallet (^w ) f° r clen ytre veggs (3) ikke gjennomsiktige veggdeler i bygningen (1), hver har høyden en verdi på 1 W/m 2K, og at lufttilførselen (11) fordeles over minst en vegg (18) i rommet (2), nær gulvet (9), og innblåsingshastigheten for tilførselsluften i rommet (2) ikke overstiger en maksimalverdi som tilsvarer den komfortable hastighet i den sone hvor personer (19) oppholder seg.

2. System ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den maksimale temperatur for tilførselsluften er 22°C og den maksimale innblåsingshastighet er 0,2 m pr. sekund, fortrinnsvis 0,15 m pr. sekund.

3. System ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at ventilasjonsanleggets (11-17) utsugingsanordning (16) er anordnet i taket (5) nær den ytre vegg, hhv. vegger, og strekker seg over et stort område, eksempelvis minst 80% av de ytre veggers bredde.

4. System ifølge krav 1-3, KARAKTERISERT VED at ytterligere elektriske varmeelementer (8) er anordnet i belysningslegemene (7), i disses effekt i det minste tilnærmet tilsvarer vedkommende belysningslegemes (7) effekt.