DE2218716C2 - Verfahren zum Heizen oder Kühlen eines Raumes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Im Zusammenhang mit den Bemühungen um eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen in Büro- und Geschäftsräumen, wie auch in Industrieräum-:■% führt man auch in Gegenden mit gemäßigtem Klima in wachsendem Umfang Luftbehandlung ein, die auch das Kühlen der zugeführten Luft mit Hilfe von Kühlmaschinen ~mfaßt. In größeren Geschäfts- und Bürohäusern kommt es beispielsweise in Schweden nur in verhältnismäßig seltenen Ausnahmefällen vor, daß die Installationen keine künstliche Kühlung einschließen.

Durch diese Form von Kühlung entstehen bedeuten- *o de Kosten. Die Anlagekosten werden nicht nur durch die eigentlichen Kühlmaschinen belastet, hinzu kommen auch Kosten für Einrichtungen zur Kondensatkühlung, also Kühltürme oder entsprechende Anordnungen und Leitungssysteme für Kühlmittel. Auch das Kanalsystem +5 zur Verteilung der Luft erhöht die Anlagekosten, da die Kanäle, die von der gekühlten Luft durchströmt werden, isoliert werden müssen.

Bei einem normalen Bürohaus beispielsweise liegen die Gesamtkosten für die Kühleinrichtungen bei 2% und so 3% der gesamten Baukosten.

Darüber hinaus fallen Betriebskosten an. Die größten Posten sind daher der Stromverbrauch für Kompressoren und Pumpen sowie Service- und Wartungskosten für die Kühlanlagen.

Die Kühlung ist in Schweden und in anderen Ländern mit gleichgeartetem Klima nur während einer relativ kurzen Zeit des Jahres erforderlich, nämlich in einer Zeit, in der die Temperatur der Außenluft über die Zulufttemperatur liegt, um die Raumtemperatur innerhalb gewünschter Grenzen zu halten,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Heizen oder Kühlen eines Raumes in einem Gebäude mit einer Geschoßdecke aus Beton so zu verbessern, daß Energie eingespart werden kann. Dabei soll insbesondere die energiespeichernde Fähigkeit der Geschoßdecke ausgenutzt werden, um die oberhalb und/oder unterhalb dieser Geschoßdecke liegenden Räume mit Hilfe des Energieinhaltes der Außenluft zu temperieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Warme Tagesluft wird also dazu ausgenutzt, die Räume während der darauffolgenden Nacht aufzuheizen und kühle Nachtluft wird ausgenutzt, um die Räume während des darauffolgenden Tages zu kühlen.

Zwar ist aus der US-PS 26 41 449 eine Anordnung bekannt, bei der die Geschoßdecken zum Heizen verwendet werden. Dies bedeutet, daß den Kanälen in den Geschoßdecken Luft mit einer Temperatur zugeführt wird, die so bemessen ist, daß den Räumen dadurch unmittelbar die richtige Temperatur gegeben wird, d.h. daß der Energieinhalt der Luft über die Geschoßdecke direkt in den Räumen zugeführt wird. Eine Speicherung des Energieinhaltes der Luft und damit eine zeitliche Verzögerung in der Zuführung des Energieinhaltes zu den Räumen ist bei dieser bekannten Anordnung jedoch nicht vorgesehen.

Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgeniäßen Verfahrens, die die Regulierung des Wärmeaustausches zwischen der Luft und der wärmespeichernden Masse der Geschoßdecke betreffen, sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die größte Wärmebelastung in den Räumen wird durch Sonneneinstrahlung durch die Glasflächen der Fenster verursacht. Die Länge der Luftkanäle, ihre Lage in der Betonplatte, und der Luftstrom müssen deshalb so abgestimmt werden, daß die Wärmeaufnahme in der Geschoßdecke während einer Zeitperiode geschieht, in derein Bedarf an Kühlung besteht.

Das beigefügte Diagramm (F i g. I) zeigt die Schwankung der Raumtemperatur in einem Bürogebäude, dem Außenluft zugeführt wird, deren Temperatur im Tagesverlauf schwankt.

Dieses Diagramm, wie auch eine Serie ähnlicher Diagramme mit wechselnden Voraussetzungen, wurde mit Hilfe nun verfügbarer Datenvt.,r?.rbeitungsprogramme aufgestellt. Sie zeigen nun eindeutig die Möglichkeit, den Temperaturverlauf auf eine zufriedenstellende Weise zu steuern.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den Temperaturverlauf in einem Büroraum, dessen Südfassade ca 40% Glasfläche hat. Der gewählte Außenzustand entspricht einer Periode im Juli mit klarem Wetter und einer höchsten Außentemperatur von +24°C. Die Geschoßdecke hat eine Dicke von 0,3 m, und zwischen den Fensterscheiben sind Jalousien angeordnet.

Fig.2 und 3, letztere ein Schnitt IV-IV von Fig. 2, zeigen im Längs- bzw. Querschnitt die Geschoßdecke mit Einrichtungen zum Verbessern der Wärmeübertragung zwischen der Luft und der Geschoßdecke.

Kurve 14 in F i g. I zeigt den Temperaturverlauf für die Außenluft, die in eine Geschoßdecke hineingeblasen wird. Die Temperatur der in die Geschoßdecke einströmenden Luft wurde hier gleich der Temperatur der Außenluft plus einem Zuschlag von 1°C für Gebläsearbeit angenommen. Um Mitternacht beträgt die Temperatur 16°C. Danach sinkt die Temperatur bis 4 Uhr, wo sie erneut zu steigen beginnt und um etwa 14 Uhr 25°C erreicht, wonach sie erneut sinkt.

Die Temperatur der in den Raum hineingeblasenen Luft schwankt infolge der wärmespeichernden Eigenschaften der Geschoßdecke gem. Kurve 13 weniger. In der Nacht wird die Geschoßdecke die durchströmende

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Luft erwärmen und am Tage kühlen.

Der Wärmeaustausch zwischen Geschoßdecke und durchströmender Luft wurde hierbei durch Änderung des Luftstromes geregelt. Bis 7 Uhr morgens beträgt der Luftstrom von der Geschoßdecke in den Raum 360kg'h, zwischen 7 Uhr und 11 Uhr beträgt er 144 kg/h usw, gemäß der Skala oberhalb der Stundenachse.

Kurve 12 zeigt, v/ie die Temperatur der Raumluft hierbei schwankt Bis 8 Uhr ist die Temperatur der Raumluft nahezu gleich der Temperatur der eingeblasenen Luft Nach 8 Uhr macht sich die Wirkung der Sonnenstrahlung geltend, mit resultierendem Temperaturanstieg. Um 11 Uhr erhöht sich der Luftstrom auf 360 kg/h, wobei die Temperatur der Raumluft infolge der hierdurch bewirkten Entnahme von Kälte von der Geschoßdecke sinkt Die gestrichelte Partie der Kurve 12 entspricht dem Fall, daß der Luftstrom während des ganzen Tages (und auch der Nacht) konstant gleich 360 kgV hist

Wie ,groß die Kühlwirkung durch Wärmeübertragung zwischen Geschoßdecke und Raum ist, zeigt Kuive 11, die die Temperatur der Raumluft angibt, v/enn Außenluft direkt eingeblasen wird, wenn also die Geschoßdecke konventionell ausgeführt ist, d. h. nicht für Wärmespeicherung vorgesehen ist. Da die Geschoßdecke hierbei nicht abkühlbar ist, wird ihre Oberflächentemperatur am Morgen höher und folglich ihre Kühlwirkung durch Strahlung schlechter sein.

Zur Ausnutzung der Geschoßdecken als Wärmespeieher sind Kanäle in den Geschoßdecken vorgesehen, die rechtwinklig zur Fassade angeordnet und an ihrem einen Ende an einen in der Korridordecke verlegten Zuluftkanal angeschlossen werden. Am anderen Ende kann eine geeignete Anzahl Kanäle mit einem Zuluftgierät verbunden werden.

Für eine eventuell notwendige endgültige Justierung der Zulufttemperatur kann ein Luftwärmer vorgesehen sein.

Gemäß F i g. 2 und 3 wird die Luft auf ihrem Wege durch die Kanäle durch Drosselorgane veranlaßt, einen oder mehrere Strahlen zu bilden, die gegen gewählte Partien der Kanalwand gerichtet werden.

Damit zwischen Strahl und Wand eine nennenswerte Wärmeübertragung Zustandekommen kann, muß der ^4j Strahl hierbei eme solche Geschwindigkeit haben, daß zwischen Strahl und Kanalwand Wirbelung auftritt. Die Drosselorgane 25 gemäß F i g. 2 und 3 haben den Vorteil, daß der Strahl, und damit die Wärmeübertragung, auf die Stellen der iCanalwand konzentriert '" werden kann, die die größte umgebende Menge aufweist.

Ferner kann hierdurch die die Kanalwände umgebende Masse wärmespeicherungsmäßig dadurch unwirksam gemacht werden, daß der Luftstrom unter die " Grenze vermindert wird, an der zwischen Strahl und Kanalwand Wirbelung entsteht. Durch Aufhören der Wirbelung vermindert sich nämlich der Wärmeübergang drastisch zu bedeutungslosen Werten, ohne daß dies auf Kosten der Forderung nach ausreichendem Ventilationsfluß geschieht.

Die Drosselorgane gemäß Fig.2 und 3 können nachträglich in bereits vorhandene Hohlgeschoßdekken-Konstruktionen ohne größere Änderungen eingebaut werden.

Die eigentliche Geschoßdecke ist mit 21 bezeichnet. Durch die Geschoßdecke /n ihrer Längsrichtung erstreckt sich eine Anzahl paralleler Kanäle 22, die wie F i g. 3 zeigt kreisrunden Querschnitt haben. Die Kanäle 22 sind in F i g. 3 mit 22a, 226, 22c und 22d bezeichnet Das Einlaßende des Kanales 22 weist ein Drosselorgan 25 mit einer Düsenöffnung 26 auf. Das Drosselorgan 25 ist eine in die Kanalöffnung eingesetzte drehbare Einheit Tiefer in den Kanal 22 hinein können ein oder mehrere weitere Drosselorgane 25 mit Düsenöffnung 26 eingesetzt sein.

Der Luftstrahl von der Düsenöffnung wird gegen eine geeignete Partie der Kanalwand gerichtet Am Kanal 226 in Fig.3 wird der Strahl gegen die Decke des Kanales gerichtet Hierbei wird die Decke innerhalb der gestrichelten Markierung 27 vom Luftstrahl gekühlt bzw. erwärmt Im Kanal 22c gemäß Fig.3 ist der Übersichtlichkeit halber das Drosselorgan 25 etwas gedreht so daß hier im wesentlichen die Decke innerhalb der Markierung 28 Wärme mit der durch die Geschoßdecke hindurchströmenden Luft austauschen wird.

Auf diese V/eise ist es möglich, den Wännr austausch dorthin zu konzentrieren, wo sich die größte Deckenmasse befindet. Wenn durch Aufgießen von Beton 24 die Masse oberhalb der Kanäle größer wird, ist es möglich, durch zweckdienlich gerichtete Düsenöffnungen und Anpassung der Luftgeschwindigkeit den Wärmeaustausch auf diese Masse zu konzentrieren.

In den Figuren ist jedes Drosselorgan 25 mit nur einer Düsenöffnung gezeigt Es versteht sich, duß mehrere Düsenöffnungen in einem Drosselorgan angeordnet werden können.

Der Wärmeübergang zwischen Strahlen von der Düsenöffnung wird infolge der verhältnismäßig hohen Strahlengeschwindigkeit v\ von ca. 10 m/s mit einer um viele Male höheren Wärmsübergangszahl als der Wärmeübergang weiter kanaleinwärts geschehen, die dort z. B. eine Geschwindigkeit V2 von ca. 1 m/s haben kann, da der Wärmeübergang im ersteren FaI! unter kräftiger Turbulenz geschieht. Wenn die Strahlengeschwindigkeit genügend gesenkt wird, hört die Turbulenz auf, was in einer drastischen Verminderung des Wärmeüberganges resultiert. Diese Eigenschaft kann so ausgenutzt werden, daß man, wenn man die Geschoßdecke als Speicher anzuwenden wünscht, den Luftstrom so erhöht, daß zwischen Strahl und Kanalwand Turbulenz eintritt. Wünscht man nicht, daß die Luft temperaturmäßig von der Geschoßdecke beeinflußt wird bzw. sie beeinflußt, senkt man den Luftstrom unter den Wert, der Turbulenz zwischen Strahl und Wand auslöst.

Durch Änderung von Ausbildung, Plazierung und Anzahl der Drosselorgane 25 läßt sich leicht der gewünscht-^ Wärmeaustausch mit der wärmespeichernden Masse erhalten. Bei einem verhältnismäßig kurzen Kanal kann ein einziges Drosselorgan im Kanal ausreichend sein, während bei längeren Kanülen zwei oder meh längs dem Kanal verteilte Drosselorgane erforderlich sein können, damit die den Kanal umgebende wärmespeic.iernde Masse in ausreichendem Umfang ausgenutzt werden kann.

Bei der Geschoßdecke in Fig. 2 läßt sich das Drosselorgan 25 am Einlaß des Kanales auch tin Stück in den Kanal hinein versetzt anordnen.

Mit einer auf diese Weise ausgeführten Anlage, kann auch bei nordeuropäischem Klima Heiz- oder Kühlencrgie eingespart werden und die Klimaanlage entsprechend kleiner ausgeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Heizen oder Kühlen eines Raumes in einem Gebäude mit einer Geschoßdecke aus Beton, die mit hohlen Kanälen zur Durchströmung von Luft während solcher Zeitperioden, in denen die Außentemperatur höher oder niedriger als die gewünschte Raumtemperatur ist, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle während eines Halbtages (Tag oder Nacht) von Außenluft durchströmt werden, deren Energie (Wärme oder Kälte) in der Geschoßdecke gespeichert und während des darauffolgenden Halbtages an den Raum abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch zwischen Luft und der wärmespeichernden Masse durch Änderung des Luftstromes durch die Kanäle regelbar ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft auf ihrem Weg durch die Kanäle durch Drosselorgane veranlaßt wird, einen oder mehrere Strahlen zu bilden, die gegen gewählte Partien der Kanalwand gerichtet werden.