[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.
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.