EP0308856A2 - Process for cooling spaces - Google Patents

Abstract

In the process, the energy exchange between warm space air and cold air takes place by self-convection of the air by means of a chute arranged in the space, which has cooling surfaces in its upper part, on which the warm space air entering cools down and flows downwards because of the specific weight difference. The cooled air leaves the chute at the lower end in a laminar flow and then spreads out in the space in a continuous cooling layer. The air leaving the chute can also be diverted into a hollow floor. It is possible to add to the cooled air flow moved by gravity disturbance air produced by a fan, which then results in turbulence.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen von Wärmelasten eines Raumes.The invention relates to a method for dissipating heat loads in a room.

Hierfür sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, von denen die meisten darauf beruhen, daß Luft in den Raum eingebracht wird, die eine geringere Temperatur als die im Raum vorhandene Luft hat und dadurch in der Lage ist, dem Raum Wärmeenergie zu entziehen und so die Raumtemperatur zu senken. Diese bekannten Verfahren basieren darauf, daß die Luft maschinell gefördert und dem Raum an verschiedenen Stellen zugeführt wird, nämlich entweder von oben oder von der Seite oder auch durch den Boden hindurch. Eine maschinelle Förderung der Luft durch Ventilatoren macht bei diesen bekannten Verfahren einen erheblichen Teil des gesamten Energie­verbrauchs aus.Various processes have been developed for this purpose, most of which are based on the fact that air is introduced into the room which is at a lower temperature than the air present in the room and is therefore able to extract thermal energy from the room and thus the room temperature reduce. These known methods are based on the fact that the air is mechanically conveyed and supplied to the room at various points, namely either from above or from the side or through the floor. Mechanical conveyance of the air by fans accounts for a significant part of the total energy consumption in these known methods.

Alternativ zur vorgenannten Raumkühlung durch Luftaus­tausch ist auch vorgeschlagen worden, dem Raum Wärme durch Kühlung an im Raum befindlichen Oberflächen zu entziehen, d. h. mittels Wärmeaustauschs durch Strah­lung und Eigenkonvektion, was jedoch in den meisten Fällen daran scheitert, daß geeignete Oberflächen im Raum nicht zur Verfügung stehen bzw. daß sich nur eine sehr geringe Temperaturdifferenz praktisch ermöglichen läßt.As an alternative to the above-mentioned room cooling by air exchange, it has also been proposed to extract heat from the room by cooling on surfaces in the room, ie by means of heat exchange by radiation and self-convection, which in most cases fails because suitable surfaces are not available in the room or that only a very small temperature difference can be practically made possible.

Erfindungsgemäß erfolgt der Energieaustausch jedoch durch Eigenkonvektion der Luft. Dazu wird die Verwen­dung eines Fallschachtes im Raum vorgeschlagen, der in seinem oberen Teil Kühlflächen aufweist, an denen sich die warme Luft abkühlt und in Folge ihrer Wichte­differenz zum Raum durch den Fallschacht abwärts strömt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die im Fallschacht abgekühlte, durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft aus dem unteren Ende des Fallschachtes in laminarer Strömung austritt und sich dann im Raum, den Boden bedeckend, in zusammenhängender Kühlschicht bis zu den Raumumfassungswänden hin ausbreitet. Die vorge­nannten Kühlflächen können dann beispielsweise durch Wasser oder Kältemittel abgekühlt werden.According to the invention, however, the energy is exchanged by self-convection of the air. For this purpose, the use of a chute in the room is proposed, which has cooling surfaces in its upper part, on which the warm air cools and flows downward through the chute as a result of its difference in weight to the room. It is preferably provided that the air cooled in the chute and moved downward by gravity emerges from the lower end of the chute in a laminar flow and then spreads in the room, covering the floor, in a coherent cooling layer up to the walls surrounding the room. The cooling surfaces mentioned above can then be cooled, for example, by water or refrigerant.

Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt in gewissen Grenzen eine Selbstregulierung, da sich bei Abkühlung des Raumes die Umtriebskraft durch Verringerung der Wichtedifferenz automatisch reduziert und somit weniger gekühlte Luft in den Raum einfließt.The method according to the invention effects self-regulation within certain limits, since when the room cools down, the rotational force is automatically reduced by reducing the difference in weight and thus less cooled air flows into the room.

Die Kühlflächen können durch an sich bekannte Glattroh­re, Rippenrohre, Wärmetauscher mit Lamellen und Platten oder dergleichen gebildet werden.The cooling surfaces can be formed by known smooth tubes, finned tubes, heat exchangers with fins and plates or the like.

Außer durch die selbsttätige Regelung kann zur Erhöhung des Komforts eine Regelung über die Temperatur des die Kühlflächen kühlenden Mediums oder durch eine Umleitung des Kühlmediumstromes erfolgen. Wenn die Kühlleistung verringert werden soll, kann man vorsehen, daß das Kühlmedium den Wärmetauscher weiter unten durchströmt.In addition to the automatic regulation, regulation of the temperature of the medium cooling the cooling surfaces or by redirection of the cooling medium flow can be carried out to increase comfort. If the cooling capacity is to be reduced, it can be provided that the cooling medium flows through the heat exchanger further down.

Die aus dem unteren Ende des Fallschachtes austretende Luft quillt gewissermaßen in den Raum hinein und verdrängt die im Raum enthaltene wärmere Luft in einer bodennahen Schicht. Eine solche Quellüftung hat den Vorteil, daß keine Energie durch Ventilatoren ver­braucht wird. 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 aufhalten­den Personen befinden, eine tiefere Temperatur herrscht, als in her Höhe, in der sich die Köpfe der Personen befinden. Je nachdem, ob die Personen überwie­gend sitzen oder stehen oder herumgehen, befinden sich deren Köpfe in einer Höhe von zwischen 1,50 und 1,80 m. Sofern nun die Temperaturdifferenz zwischen dem Boden und der Kopfhöhe eine gewissen Grenzwert, etwa 2⁰K bis 3⁰K, überschreitet, wird das von den Personen als unbequem empfunden, obwohl der Temperaturkomfort bei dieser Art der Luftkühlung 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 unterhalb der empirisch festgelegten Grenzwerte liegt.The air emerging from the lower end of the chute swells to a certain extent into the room and displaces the warmer air contained in the room in a layer near the floor. Such a source ventilation has the Advantage that no energy is used by fans. The resultant stratification has the result that under the warmer air present in the room a cushion of more or less great height is formed from colder air. At the boundary between the colder and the warmer layer above, a certain momentum exchange takes place over time, so that the layers may no longer be separated by a sharp boundary plane, but by a more or less thick transition layer. Such a source ventilation has the result that a lower temperature prevails near the floor, where the feet of people in the room are located, than at the height at which the heads of the people are. Depending on whether the people mostly sit or stand or walk around, their heads are at a height of between 1.50 and 1.80 m. If the temperature difference between the floor and the head height exceeds a certain limit, about 2⁰K to 3⁰K, people will find this uncomfortable, although the temperature comfort with this type of air cooling by spring ventilation is already perceived as much greater than with one conventional cooling of the rooms. However, cooling with spring ventilation is particularly pleasant because of the extremely low or completely disappearing air speed, which is far below the empirically defined limit values.

An allen wärmeren Flächen des Raumes, z. B. an Stellen, an denen sich Personen, Maschinen oder Beleuchtungskör­per 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 vorgenannte 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.On all warmer surfaces of the room, e.g. B. in places where there are people, machines or lighting fixtures, as well as on surfaces that have received an elevated temperature due to sunlight, cool room air flows upwards from the lower cool layer, so that the aforementioned Temperature difference is slightly reduced again. Nevertheless, even with room cooling by source ventilation, there remains a remaining temperature gradient in the upward direction, which inevitably results from the slow displacement of the room air by the cooler air that swells in at the bottom.

In Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, daß der durch Schwerkraft abwärts bewegten abgekühlten Luft an beliebigen bodennahen Stellen ein oder mehrere, durch einen Ventilator erzeugte Luftströme als Störluft zugeführt werden. Diese Störluft bewirkt dann innerhalb einer gewissen bodennahen Schicht eine Feinverwirbelung der in dieser Schicht befindlichen eingequollenen Kühlluft und damit eine Verminderung der Temperaturdif­ferenz. Vorzugsweise wird das Verhältnis der Volumen­ströme von Störluft zu Quelluft so groß gewählt, daß durch die Störluft die Differenz der Temperatur in einer festgelegten Höhe über dem Boden zur Temperatur direkt am Boden auf einen vorbestimmten Grenzwert herabgesetzt wird. Um Personen, die sich im Raum aufhalten, ein angenehmes Klima zu schaffen, wird man als festgelegte Höhe zweckmäßig die mittlere oder auch die maximale Höhe der Köpfe der Personen nehmen.In a further development of the invention, it is now provided that the cooled air, which is moved downward by gravity, is supplied at any point near the ground with one or more air flows generated by a fan as disturbing air. This disturbing air then causes a fine swirling of the swollen cooling air located in this layer within a certain layer close to the ground and thus a reduction in the temperature difference. Preferably, the ratio of the volume flows of disturbing air to source air is chosen so large that the difference in temperature at a fixed height above the ground to the temperature directly at the ground is reduced to a predetermined limit value by the disturbing air. In order to create a pleasant climate for people who are in the room, it is advisable to take the mean or the maximum height of the heads of the people as the fixed height.

Sofern es um empfindliche Geräte oder Vorrichtungen oder um Meßnormale geht, wird als festgelegte Höhe die Höhe gelten, in der sich diese Vorrichtungen oder dergleichen befinden.If sensitive devices or devices or measuring standards are involved, the height at which these devices or the like are located will be the defined height.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung zeigen sich bei der Kühlung von Räumen, in denen sich Personen aufhalten, weil dadurch der besondere Vorteil 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.The particular advantages of the solution according to the invention are evident in the cooling of rooms in which people are staying, because the special advantage of spring ventilation, namely a low to vanishingly low air speed, is retained and At the same time, a temperature uniformity is achieved in a lower area of the room, which was previously inconceivable.

Ein besonderer Vorteil der durch Schwerkraft erzielten Quellüftung leigt darin, daß man für den Transport der Luft keine Energie benötigt.A particular advantage of the spring ventilation achieved by gravity is that no energy is required to transport the air.

Auch dann, wenn man entsprechend der Weiterbildung der Erfindung Störluft einsetzen will, wird für diesen relativ geringen Störluftstrom nur eine geringe Energie benötigt. Diese Energie kann man nach einer Weiterbil­dung des Erfindungsgedankens noch dadurch erheblich verringern, daß man in den Zeiträumen, in denen sich keine Personen im Raum aufhalten, die Störluft abschal­tet und eine gewisse Schichtbildung während dieser Zeiten in Kauf nimmt. Beispielsweise kann man den die Störluft erzeugenden Ventilator 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 Störluftventilatoren einschalten lassen. Derartige Vorrichtungsmerkmale gehören jedoch nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.Even if you want to use perturbing air according to the development of the invention, only a small amount of energy is required for this relatively low perturbing air flow. This energy can be significantly reduced, according to a further development of the inventive concept, by switching off the interfering air in the periods in which no one is in the room and accepting a certain layer formation during these times. For example, you can switch off the fan generating the disturbing air at night and only switch it on again in the morning when people are expected to enter. But you can also use any sensors that respond to the presence of people and use them to turn on the disturbance air fans. However, such device features are not within the scope of the present invention.

Es ist nicht besonders kritisch, an welchen Stellen und in welcher Richtung der Störluftstrom zugeführt wird. Wichtig ist es nur, daß durch die Störluft eine Verwirbelung erreicht wird. Damit wird dann die relativ geringe Schichthöhe der am Boden lagernden kälteren Luft vergrößert und auch deren Temperatur entsprechend erhöht.It is not particularly critical at which points and in which direction the disturbing air flow is supplied. It is only important that the interfering air causes turbulence. This then increases the relatively low layer height of the colder air stored on the floor and also increases its temperature accordingly.

Zur Zuführung der Störluft können zweckmäßig Injek­tionsdüsen verwendet werden, die die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit abgeben. Diese Injektionsdüsen können an beliebigen Stellen angeordnet werden, wenn sie nur die Störluft in der gewünschten Weise der gekühlten Quelluft zuführen.Injection nozzles can be expediently used for supplying the interfering air, which inject the interfering air with high Deliver flow rate. These injection nozzles can be arranged at any point if they only supply the interfering air to the cooled source air in the desired manner.

Als Störluft kann man entweder Warmluft aus dem oberen Teil des Raumes verwenden, wobei sich dann, beim Zusammentreffen dieser wärmeren Störluft mit der gekühlten Luft, ein höherer Mischeffekt ergibt.Warm air from the upper part of the room can be used as the disturbing air, which then results in a higher mixing effect when this warmer disturbing air meets the cooled air.

Man kann aber auch als Störluft kalte Luft aus der durch Schwerkraft bewegten gekühlten Luft abzweigen, wobei dann der Kühlluftstrom oder die sich ausbildende Schichthöhe vergrößert wird.However, cold air can also be branched off as interference air from the cooled air moved by gravity, in which case the cooling air flow or the layer height that is formed is increased.

Schließlich kann man auch von außen eingebrachte Frischluft als Störluft verwenden, wobei dann eine Feuchtigkeitsregelung oder auch eine Lufterneuerung erfolgt.Finally, fresh air introduced from the outside can also be used as disturbing air, in which case moisture control or air renewal takes place.

Wie der Ventilator bzw. die Injektionsdüsen gespeist werden, muß im Einzelfalle nach Abwägung der Vorteile und Nachteile entschieden werden.How the fan or the injection nozzles are fed must be decided in individual cases after weighing up the advantages and disadvantages.

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.In a development of the method according to the invention it is provided that the air cooled in the chute and moved downwards by gravity is deflected into a hollow floor and exits from it in predetermined openings, preferably under or next to the heat loads in the room.

Durch diese Umlenkung wird erreicht, daß an jeder gewünschten Stelle des Bodens eine besondere Kühlung erfolgen kann. Die besonderen Vorteile dieser Weiter­bildung des Verfahrens zeigen sich darin, daß bei Bedarf im Sommer die Räume ohne Anwesenheit von Personen vorgekühlt werden können, ohne daß der bereits erwähnte Ventilator arbeitet. Sofern dann eine größere Kühlleistung im Raum erforderlich wird, kann man in Weiterbildung des Verfahrens Ventilatoren einsetzen, die hier einen Transport der vom Fallschacht abgegebe­nen gekühlten Luft durch den Hohlboden hindurch vergrößern.This deflection ensures that special cooling can take place at any desired location on the floor. The particular advantages of this further development of the method are shown in the fact that, if necessary, the rooms in the absence of People can be pre-cooled without the fan already mentioned working. If a greater cooling capacity is then required in the room, fans can be used in a further development of the method, which increase the transport of the cooled air discharged from the chute through the hollow floor.

Auch hier werden durch die Ventilatoren bzw. durch eingesetzte Injektionsdüsen Wirbel in der den Hohlboden durchfließenden kalten Luft erzeugt, die einen besseren Wärmeaustausch an die umgebenden Flächen bewirken. Auch hierbei kann zugeführte Störluft innerhalb einer gewissen bodennahen Schicht eine Feinverwirbelung der eingequollenen Kühlluft und damit eine Verringerung der Temperaturdifferenz bewirken.Here too, the fans or the injection nozzles used create vortices in the cold air flowing through the hollow floor, which bring about better heat exchange to the surrounding surfaces. In this case, too, supplied interfering air can cause a fine swirling of the swollen cooling air within a certain layer close to the ground and thus reduce the temperature difference.

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. Auch diese Energie wird noch erheblich verringert, daß man in den Zeiträumen, in denen man die Störluft nicht benötigt, die Ventilatoren abschaltet.In summary, it should be pointed out once again that a particular advantage of the method according to the invention lies in the fact that no energy is required for the transport of the air. Even if, for the reasons mentioned above, additional air is fed through a fan, only a small amount of energy is required. This energy is also considerably reduced by switching off the fans in the periods in which the interfering air is not required.

Die durch Schwerkraft bewegte Luft ebenso wie die Störluft können in an sich bekannter Weise durch Luftfilter gereinigt werden. Da man für die durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft keine Luftfilter mit einem merklichen Luftwiderstand verwenden kann, eignen sich hier besonders gut die bekannten elektrostatischen Luftfilter mit Aktivkohle. Diese Filter sind aber nicht Gegenstand der Erfindung.The air moved by gravity as well as the disturbing air can be cleaned by air filters in a manner known per se. Since it is not possible to use air filters with a noticeable air resistance for the air that is moved downwards by gravity, the known electrostatic air filters with activated carbon are particularly suitable here. However, these filters are not the subject of the invention.

Claims (7)

1. Verfahren zum Abführen von Wärmelasten eines Raumes, gekennzeichnet durch die Verwen­dung eines Fallschachtes im Raum, der in seinem oberen Teil Kühlflächen aufweist, an denen sich die warme Raumluft abkühlt und in Folge ihrer Wichte­differenz zum Raum durch den Fallschacht abwärts strömt.1. A method for dissipating heat loads of a room, characterized by the use of a chute in the room, which has cooling surfaces in its upper part, at which the warm room air cools and flows down through the chute as a result of its difference in weight to the room. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die im Fallschacht abgekühlte, durch Schwerkraft abwärts bewegte Luft aus dem unteren Ende des Fallschachtes in laminarer Strömung austritt und sich dann im Raum, den Boden bedeckend, in zusammenhängender Kühlschicht bis zu den Raumumfassungswänden hin ausbreitet.2. The method according to claim 1, characterized in that the cooled in the chute, gravity downward air exits from the lower end of the chute in laminar flow and then spreads in the room, covering the floor, in a coherent cooling layer to the room surrounding walls . 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, 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.3. The method according to claim 1, characterized in that the cooled in the chute, gravity downward air is deflected into a hollow floor and from this in predetermined openings, preferably under or next to the heat loads in the room, exits. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Schwer­ kraft abwärts bewegten, abgekühlten Luft an beliebi­gen bodennahen Stellen ein oder mehrere durch einen Ventilator erzeugte Luftströme als Störluft zuge­führt werden.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the heavy Due to the downward moving, cooled air, any one or more air streams generated by a fan are supplied as disturbing air at any points near the ground. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the disturbing air is supplied at a high flow rate. 6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur bei Anwesenheit von Personen im Raum Störluft zugeführt wird.6. The method according to claim 4 and 5, characterized in that disturbing air is supplied only in the presence of people in the room. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Schwer­kraft abwärts bewegte Luft in Teilströme unterteilt wird.7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the air moved downwards by gravity is divided into partial flows.