(19)
(11) EP 0 308 856 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
29.03.1989  Patentblatt  1989/13

(21) Anmeldenummer: 88115356.3

(22) Anmeldetag:  19.09.1988
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)4F24F 7/04, F24F 5/00
(84) Benannte Vertragsstaaten:
BE DE ES FR IT

(30) Priorität: 22.09.1987 DE 3731800
29.09.1987 DE 3732792
05.10.1987 DE 3733671

(71) Anmelder: Schmidt, Christel
D-5060 Bergisch Gladbach 1 (DE)

(72) Erfinder:
  • Mayer, Georg
    D-1000 Berlin 62 (DE)
  • Schmidt, Friedrich Harald
    D-5060 Bergisch Gladbach 1 (DE)

(74) Vertreter: Stachow, Ernst-Walther, Prof. Dr. et al
Lippert, Stachow, Schmidt & Partner Patentanwälte Postfach 30 02 08
51412 Bergisch Gladbach
51412 Bergisch Gladbach (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Verfahren zum Kühlen von Räumen


    (57) Bei einem Verfahren zum Kühlen von Räumen erfolgt der Energieaustausch zwischen warmer Raumluft und kalter Luft durch Eigenkonvektion der Luft mittels eines im Raum angeordneten Fallschachtes, der in seinem oberen Teil Kühlflächen aufweist, an denen sich die eintreten­de warme Raumluft abkühlt und durch die Wichtedifferenz abwärts strömt. Die abgekühlte Luft verläßt den Fallschacht am unteren Ende in laminarer Strömung und breitet sich dann im Raum in zusammenhängender Kühl­schicht aus. Die den Fallschacht verlassende Luft kann auch in einen hohlen Boden umgelenkt werden. Dem durch Schwerkraft bewegten gekühlten Luftstrom kann durch einen Ventilator erzeugte Störluft beigemengt werden, die dann eine Verwirbelung zur Folge hat.


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen von Wärmelasten eines Raumes.

    [0002] 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.

    [0003] 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.

    [0004] 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.

    [0005] 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.

    [0006] Die Kühlflächen können durch an sich bekannte Glattroh­re, Rippenrohre, Wärmetauscher mit Lamellen und Platten oder dergleichen gebildet werden.

    [0007] 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.

    [0008] 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.

    [0009] 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.

    [0010] 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.

    [0011] 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.

    [0012] 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.

    [0013] Ein besonderer Vorteil der durch Schwerkraft erzielten Quellüftung leigt darin, daß man für den Transport der Luft keine Energie benötigt.

    [0014] 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.

    [0015] 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.

    [0016] 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.

    [0017] 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.

    [0018] 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.

    [0019] Schließlich kann man auch von außen eingebrachte Frischluft als Störluft verwenden, wobei dann eine Feuchtigkeitsregelung oder auch eine Lufterneuerung erfolgt.

    [0020] Wie der Ventilator bzw. die Injektionsdüsen gespeist werden, muß im Einzelfalle nach Abwägung der Vorteile und Nachteile entschieden werden.

    [0021] 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.

    [0022] 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.

    [0023] 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.

    [0024] 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.

    [0025] 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.


    Ansprüche

    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.
     
    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.
     
    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.
     
    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.
     
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Störluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird.
     
    6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur bei Anwesenheit von Personen im Raum Störluft zugeführt wird.
     
    7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Schwer­kraft abwärts bewegte Luft in Teilströme unterteilt wird.