DE3836708C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren eines Raumes und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der Fachliteratur sind Verfahren und Vorrichtungen zur Veränderung des Temperaturgradienten in einem Raum bekannt. So beschreibt die DE-OS 31 48 870 A1 ein solches Verfahren, bei dem in einer horizontalen Luftschicht des Raumes in einem begrenzten Bereich die Luft angesaugt wird, die dann in einem anderen Bereich des Raumes wieder ausgeblasen wird.

Auch eine weitere bekannte Erfindung, die in der DE-OS 34 30 031 A1 offenbart wird und eine Vorrichtung zum Ausgleich der Temperaturverteilung in Räumen beschreibt, dient lediglich dazu, den Temperaturgradienten in beheizten Räumen durch bessere Temperaturverteilung zu verändern, um Heizenergie zu sparen. Diese Lösungen sind somit nicht geeignet, Räume zu beheizen oder zu kühlen.

Der Gegenstand einer weiteren, nach der DE-OS 37 31 800 A1 bekannten Vorrichtung ist eine Einrichtung zum Temperieren eines Raumes, mit welcher aber nur gekühlt werden kann. Der Energieaustausch mit der Raumluft erfolgt durch Eigenkonvektion der Luft. An den Innenwänden der Räume werden Schächte großer Höhe für die Konvektion eingebaut, in denen von Kühlmedien durchströmte Wärmeaustauschflächen angeordnet sind. Die bekannte Einrichtung eignet sich zwar hervorragend zum Kühlen von Räumen, nicht aber zu deren Beheizung. Zur Beheizung der Räume müssen herkömmliche gesonderte Heizungen vorgesehen sein, während die Kühleinrichtung in der Heizperiode abgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das sich sowohl zum Kühlen als auch zum Beheizen von Räumen eignet, ohne daß ein größerer vorrichtungstechnischer Aufwand erforderliche ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches mit einem hohen, oben und unten offenen Schacht arbeitet, wobei die allein durch Wichtedifferenzen durch den Schacht zirkulierenden Raumluft wahlweise entweder im oberen Schachtbereich gekühlt oder im unteren Schachtbereich erwärmt wird.

Durch das erfindungsgemäßen Verfahren kann durch eine erhöhte Kühlmittel/Luft Temperaturdifferenz auf den zwangsweisen Betrieb von Primärluft verzichtet werden, weil eine große Temperaturdifferenz eine genügend große Leistungsabgabe durch Eigenkonvektion ergibt.

Die Erfindung sieht weiterhin eine Vorrichtung mit einem Schacht von großer Höhe zur Durchführung des Verfahrens vor, wobei im oberen Bereich des Schachtes Kühlflächen und im unteren Bereich des Schachtes Heizflächen angeordnet sind und die Kühl- und Heizflächen je nach Bedarf wahlweise mit einem Kühl- bzw. Heizmedium beaufschlagbar sind.

Vorzugsweise sind die Kühl- und Heizflächen hintereinander geschaltet. Damit ist gewährleistet, daß ein Gegeneinanderarbeiten der Kühl- und Heizflächen bei eventuellen Fehlschaltungen wirksam vermieden wird.

Um den Schachtquerschnitt nicht einzuengen, können beispielsweise zumindest einige Bereiche der unteren Schachtinnenflächen als Heizflächen ausgebildet sein.

Im Bereich dieser Heizflächen braucht der Schacht nach außen nicht isoliert zu sein, so daß auch die Außenseite des Schachtes mit zur Erwärmung des Raumes herangezogen werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Energieaustausch der warmen Raumluft bzw. der kalten Raumluft ohne Hilfsenergie wie Ventilatoren oder Injektionsdüsen, sondern mit Hilfe der Schwerkraft. Die Anordnung besteht aus einem Schacht von großer Höhe für die Kühlkonvektion. Am oberen Ende dieses Schachtes befindet sich ein von Wasser durchflossener Wärmeaustauscher zum vorwiegenden Kühlen, während am unteren Ende ein von Wasser durchflossener Wärmeaustauscher, vorwiegend zum Heizen, angeordnet ist.

Durch eine Wasser/Luft-Temperaturdifferenz von z.B. 16/32 K entsteht ein laminar abfallender Luftstrom (Abtrieb) im Schacht, der als Quellstrom in den Raum hineinfließt und sich auf dem Fußboden bis an die Raumumgrenzungsflächen ausbreitet. Dieses Quellstromprinzip verdrängt langsam die im Raum durch Konvektion aufsteigende Warmluft zur Decke, ohne sich mit ihr zu vermischen. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt in gewissen Grenzen eine Selbstregulierung, da sich die Umtriebskraft durch Erhöhung der Wichte­ differenz automatisch beschleunigt, wenn mehr Wärme im Raum frei wird. Die Temperaturdifferenz am Luft­ kühler steigt und fällt mit der schwankenden raumsei­ tigen Wärmelast.

Der am unteren Ende des Schachtes befindliche Wärme­ austauscher kann wegen der Höhe des Schachtes im Heizfall sehr klein bemessen sein. Die gefürchtete Kaltluft in Fußbodennähe wird durch die hohe Um­ triebskraft aufgrund der für den Kühlfall dimensio­ nierten Schachthöhe abgesaugt. Dadurch entsteht ein befriedigendes, senkrechtes Temperaturprofil.

Auch genügt für den Heizfall wegen des überhöhten Schachtes eine geringe Wasservorlauftemperatur ge­ genüber der Raumluft. Dies hat zur Folge, daß Ab­ fallwärme, wie EDV Abwärme, oder ein Wärmepumpenprin­ zip wirtschaftlich verwendet werden kann.

Schließlich kann der Wärmeaustauscher am unteren Ende des Konvektionsschachtes auf der raumzugewandten Seite zum Strahlungsaustausch dienen.

Die Strahlungsfläche kann aus Gestaltungsgründen aus einer normalen Gipswand hergestellt sein, wenn ein wasserführendes Kapillarrohrgeflecht als Gipsträger verwendet wird. Sofern jedoch für den Heiz- oder Kühlfall ein erhöhter Strahlungsaustausch gewünscht wird, kann die Strahlungsfläche auch aus Metallrohren in Modulbauweise hergestellt werden (Flachheizkör­ per). Ebenso eignen sich hierzu Kupfer-Alu-Wasser­ führungssysteme.

Die sich ausbildende Schichtung hat zur Folge, daß sich unter der im Raum vorhandenen wärmeren Luft ein Kissen mehr oder weniger großer Höhe aus kälterer Luft bildet. An der Grenze zwischen der kälteren und der darüber liegenden wärmeren Schicht erfolgt zwar im Laufe der Zeit ein gewisser Impulsaustausch, so daß die Schichten dann unter Umständen nicht mehr durch eine scharfe Grenzebene, sondern durch eine mehr oder weniger dicke Übergangsschicht getrennt werden. Eine solche Quellüftung hat zur Folge, daß in Bodennähe, wo sich die Füße von sich im Raum aufhal­ tenden Personen befinden, eine tiefere Temperatur herrscht, als in der Höhe, in der sich die Köpfe der Personen befinden. Je nachdem, ob die Personen über­ wiegend stehen oder herumgehen, befinden sich deren Köpfe in einer Höhe von 1,50 m bis 1,80 m. Sofern nun die Temperaturdifferenz zwischen dem Boden und der Kopfhöhe einen gewissen Grenzwert, etwa 3 K, über­ schreitet, wird das von den Personen als unbehaglich empfunden, obwohl der Temperaturkomfort bei dieser Art der Lufkühlung durch Quellüftung schon als wesentlich größer empfunden wird als bei einer konventionellen Kühlung der Räume. Besonders angenehm wird aber bei der Kühlung durch Quellüftung die außerordentlich geringe bzw. ganz verschwindende Luftgeschwindigkeit empfunden, die hier weit unter­ halb der empirisch festgelegten Grenzwerte liegt.

An allen wärmeren Flächen des Raumes, z.B. an Stel­ len, an denen sich Personen, Maschinen oder Beleuch­ tungskörper befinden, sowie auch an Flächen, die durch Sonneneinstrahlung eine erhöhte Temperatur erhalten haben, strömt aus der unteren kühlen Schicht kühle Raumluft nach oben, so daß dadurch die vorge­ nannte Temperaturdifferenz wieder etwas verringert wird. Dennoch bleibt aber auch bei einer Raumkühlung durch Quellüftung ein restliches Temperaturgefälle in aufwärtiger Richtung bestehen, wie es sich aus der langsamen Verdrängung der Raumluft durch die unten einquellende kühlere Luft zwangsläufig ergibt.

Das Raumkühlungsverfahren eignet sich für alle Raum­ arten, in denen Wärmelasten bis ca. 40 W/m²h anfallen, wenn eine senkrechte Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Fuß bei sitzenden Personen von 3 K nicht überschritten werden soll.

In Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, daß der durch Schwerkraft abwärts bewegten, abge­ kühlten Luft an beliebigen bodennahen Stellen ein oder mehrere, durch einen Ventilator erzeugte Luft­ ströme als Störluft zugeführt werden. Diese Störluft bewirkt dann innerhalb einer gewissen, bodennahen Schicht eine Vermischung der Raumluft mit der ein­ gequollenen Kühlluft und damit eine Verminderung der Temperaturdifferenz in einer arbeitsplatzneutralen Zone. Vorzugsweise wird das Verhältnis der Volumen­ ströme von Störluft zu Quelluft und ihre Eindringart so gewählt, daß durch die Störluft die Differenz der Temperatur in einer festgelegten Höhe über dem Boden zur Temperatur direkt am Boden auf einen vorbe­ stimmten Grenzwert herabgesetzt wird.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung zeigen sich bei der Kühlung von Räumen, in denen sich Personen aufhalten, weil dadurch der besondere Vor­ teil der Quellüftung, nämlich eine niedrige bis verschwindend geringe Luftgeschwindigkeit, erhalten bleibt und gleichzeitig in einem unteren Bereich des Raumes eine Temperaturgleichmäßigkeit erzielt wird, wie sie bisher nicht vorstellbar war.

Ein besonderer Vorteil der durch Schwerkraft erziel­ ten Quellüftung liegt darin, daß man für den Trans­ port der Luft keine Energie benötigt.

Auch dann, wenn man entsprechend der Weiterbildung der Erfindung Störluft einsetzen will, wird für diesen relativ geringen Störluftstrom nur eine ge­ ringe Energie benötigt. Diese Energie kann man noch dadurch erheblich verringern, daß man in den Zeit­ räumen, in denen sich keine Personen im Raum aufhal­ ten, die Störluft abschaltet und eine gewisse Schicht­ bildung während dieser Zeit in Kauf nimmt. Beispiels­ weise kann man den die Störluft erzeugenden Ventila­ tor zur Nachtzeit abschalten und erst wieder morgens, wenn mit dem Eintreten von Personen gerechnet wird, einschalten. Man kann aber auch irgendwelche Sensoren, die auf die Anwesenheit von Personen ansprechen, verwenden und durch diese die Störluft einschalten lassen.

Es ist nicht besonders kritisch, an welchen Stellen und in welcher Richtung der Störluftstrom zugeführt wird. Wichtig ist nur, daß durch die Störluft eine Vermischung mit warmer Raumluft erreicht wird. Damit wird dann die relativ geringe Schichthöhe der am Boden lagernden kälteren Luft vergrößert und auch deren Temperatur entsprechend erhöht. Zur Zuführung der Störluft können Injektionsdüsen verwendet werden, die die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit abgeben und den Mischeffekt erzeugen. Ebenso kann die Störluft unmittelbar im Quellgebiet durch geeignete Ventilatoren erzeugt werden.

Als Störluft kann Warmluft aus dem oberen Teil des Raumes verwendet werden, damit ein höherer Mischef­ fekt erzielt wird.

Man kann aber auch als Störluft kalte Luft aus der durch Schwerkraft bewegten gekühlten Luft abzweigen, wobei durch die Lenkbarkeit der Quelluft ebenso eine Vermischung mit der warmen Raumluft zwecks Senkung der vertikalen Temperaturdifferenz im Aufenthaltsbe­ reich erfolgt.

Schließlich kann man auch von außen eingebrachte Frischluft als Störluft verwenden, wobei dann eine Feuchtigkeitsregelung oder auch eine Lufterneuerung erfolgt.

Wie der Ventilator bzw. die Injektionsdüsen gespeist werden, muß im Einzelfalle nach Abwägung der Vorteile und Nachteile entschieden werden.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die im Fallschacht abgekühlte, durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft in einen hohlen Boden umgelenkt wird und aus diesem in vorgegebenen Öffnungen, vorzugsweise unter oder neben den im Raum befindlichen Wärmelasten austritt. Dadurch ergeben sich vertikale Temperaturprofile, die deutlich unter der DIN-Norm mit 3 K liegen, ohne daß dazu Störluft notwendig ist.

Durch diese Umlenkung wird erreicht, daß an jeder gewünschten Stelle über dem Boden eine Kühlung er­ folgen kann. Die besonderen Vorteile dieser Weiter­ bildung des Verfahrens zeigen sich darin, daß bei Bedarf im Sommer die Räume ohne Anwesenheit von Personen vorgekühlt werden können.

Wenn Frischluftbedarf vorliegt, kann diese Luft durch Düsen dem Schwerkraftstrom zugefügt werden, um eine Umtriebsbeschleunigung zu erreichen.

Zusammenfassend ist noch einmal darauf hinzuweisen, daß ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin liegt, daß man für den Transport der Luft keine Energie benötigt. Selbst dann, wenn man zusätzlich aus den vorgenannten Gründen Störluft durch einen Ventilator zuführt, wird dafür nur eine geringe Energie benötigt. Mit einem Volumenverhältnis Störluft zur Quelluft von 1 zu 10 lassen sich durch­ aus senkrechte Temperaturprofile im Aufenthaltsbe­ reich von 1 bis 2 K erreichen.

Auch diese geringe Störluftenergie entfällt völlig in den Zeiträumen, wo keine Personen im Raum anwesend sind.

Wenn die Heizkörper unter Fenstern angeordnet werden sollen, kann die Kombination auch getrennt werden.

Das Heiz-Kühlsystem eignet sich hervorragend zur Altbausanierung, wenn wegen der außergewöhnlich gestiegenen Innenlasten neben der bestehenden Hei­ zung eine Raumkühlung erforderlich ist.

In einem Vielraumgebäude treten gleichzeitig sehr unterschiedliche Wärmelasten auf. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich hier besonders zur individuel­ len raumabhängigen Wärmelastabführung.

Das Verfahren erlaubt auch eine automatische Filte­ rung der Raumluft, wenn vor dem Warmlufteintritt am oberen Ende des Kühlschachtes ein Elektro-Aktivkoh­ lefilter angeordnet ist. Dieses Filter hat einen dafür geeigneten, äußerst geringen Luftwiderstand und filtert auch Zigarettenrauch bei thermisch bedingter Luftrichtungsänderung.

Zusammenfassung der wesentlichen Vorteile:

• - Sehr gut geeignet zu Altbausanierung, da an vorhandene Installation angeschlossen werden kann,
• - Heizen und Kühlen ohne Ventilator, da Kühlen mit raumhohen Konvektionsschächten,
• - zweifache Nutzung der Wärmeaustauscher mög­ lich, wenn in Reihe geschaltet,
• - Heizkörper geeignet zur Abgabe von Strahlung an den Raum im Heiz- und Kühlfall,
• - einfache individuelle Regelung durch Thermos­ tatventile,
• - zentrale Umschaltung von Heizen auf Kühlen gleitend, außentemperaturabhängig,
• - elektro-Aktivkohlefilterung im Schacht mög­ lich ohne Ventilator beim Heizen und Kühlen,
• - wesentliche Kostenersparnis für Installation, Energie und Wartung wegen äußerst geringer Anordnung von Verschleißteilen und nicht benötigter, luftseitiger Förderenergie,
• - hohe Behaglichkeit, da ausschließlich ther­ mischer Auftrieb beim Kühlen und Heizen,
• - hygienisch einwandfrei, da keine Staubentwick­ lung durch Zwangslüftung und keine raumver­ bindenden Lufttransportkanäle,
• - wenig Installationsraum, wie abgehängte Decken und Maschinenräume, da zum Kühlen keine Luftleitungen etc. (RLT) notwendig sind.

Da in Bürogebäuden die Raumkühlung durch wärme­ abgebende Kommunikationsgeräte eine immer größer werdende Bedeutung erhält, ist die Raumkühlung ohne den Betrieb eines Ventilators bedeutend wirtschaftlicher als raumlufttech­ nische Anlagen (RLT).

Da es sich bei dem vorgeschlagenen System um eine wassertechnische Anlage handelt, gehört dieser Bereich, wie in der Praxis üblich, zur Heizungsinstallationstechnik und nicht zu der Raumlufttechnik. Das System unterliegt somit auch nicht den DIN-Normen für RLT-Anlagen.

Das vorgeschlagene Verfahren erfüllt deshalb folgende Bedingungen:

• - Energieeinsparung wegen Verwendung von Wasser im Niedertemperaturbereich, z.B. Abfallwärme EDV,
• - Energieeinsparung wegen nicht benötigter Ventilator-Energie zur Wärmeabfuhr im Kühl­ fall,
• - Umweltfreundlich wegen drastisch reduzier­ ter Strom-Wärme- und Kühlenergie (Nacht­ speichermöglichkeit),
• - Vereinfachung von Bedienung und Wartung, da keine bewegenden Verschleißteile, wie Ventilatoren, Volumenregler o.ä.,
• - Baukostenreduzierung im Bereich von Schächten und abgehängten Decken, da zur Kühlung Wasser - anstelle von Luft - verwendet wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Temperieren eines Raumes unter Verwendung eines hohen, oben und unten offenen Schachtes, wobei die allein durch Wichtedifferenzen durch den Schacht zirkulierende Raumluft wahlweise entweder im oberen Schachtbereich gekühlt oder im unteren Schachtbereich erwärmt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Temperieren eines Raumes mittels eines Schachtes von großer Höhe, wobei im oberen Bereich des Schachtes Kühlflächen und im unteren Bereich des Schachtes Heizflächen angeordnet sind und die Kühl- und Heizflächen je nach Bedarf wahlweise mit einem Kühl- bzw. Heizmedium beaufschlagbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- und Heizflächen hintereinander geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Bereiche der unteren Schachtinnenflächen als Heizflächen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht im Bereich der Heizflächen nach außen nicht isoliert ist.