Anordnung zur Kühlung von Räumen

Abstract

 Es wird eine Anordnung zur Kühlung von Räumen in Bauten mit einer erhöhten Trägheit des Temperatur- und Feuchteausgleichs vorgestellt, die die Temperatur und die relative Luftfeuchte in dem zu kühlenden Raum, sowie in den Räumen bzw. Hohlräumen überwacht, durch die die Verrohrung der Kühlanordnung geführt ist. Durch die Anpassung der Vorlauftemperatur wird sowohl eine Kondensation, als auch das Auftreten einer für die Gebäudesubstanz kritischen relativen Luftfeuchte verhindert.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung zur Kühlung von Bauwerken mit erhöhter innerer Trägheit des Temperatur- und Feuchtigkeitsausgleichs. Dies betrifft insbesondere Bauwerke mit hohem Holzanteil, und hier ganz besonders ältere Häuser, Häuser mit Dielen bzw. Holzbodenbelägen oder Holzbalkendecken. Weiterhin wird eine Verfahrensweise zum Betrieb dieser Anordnung vorgestellt.

[0002] Kühlflächen werden in Gebäuden üblicherweise in bzw. an Wänden, Decken oder Böden angeordnet. Sie verfügen über Vorlaufleitungen, die das Kühlmedium zu den Kühlflächen und Rücklaufleitungen, die das erwärmte Kühlmedium von den Kühlflächen weg transportieren. Häufig sind zur Vergrößerung der wärmetauschenden Oberfläche noch Kühlbleche an den Kühlflächen angeordnet.

[0003] Die in den Räumen angestrebte Innentemperatur wird üblicherweise an in diesen Räumen angeordneten Thermostaten eingestellt, die für eine Kühlung des Raumes bis zum Erreichen der eingestellten Temperatur sorgen. Die Thermostate geben die voreingestellte Temperatur an Regeleinrichtungen im Raum oder eine bzw. mehrere zentrale Regeleinrichtungen weiter, die die Vorlauftemperatur und den Vorlaufvolumenstrom bestimmen.

[0004] Fortgeschrittene Systeme überwachen die Luftfeuchte im Raum oder nur die Kondensation in der Nähe der Kühlbleche. An diesen Stellen ist mit der Minimaltemperatur im Raum zu rechnen. Um eine Kondensation von Wasser zu vermeiden, wird beim Unterschreiten der Taupunkttemperatur die Kühlung unterbrochen und nach einem Temperaturanstieg wieder aufgenommen. Weiterentwickelte Systeme setzen die Kühlung mit erhöhter Vorlauftemperatur fort, um so ein Unterschreiten der Taupunkttemperatur zu vermeiden. Das Temperierregelsystem nach DE 10 2006 061 801 geht noch einen Schritt weiter. Bei diesem System wird im Raum neben einem Temperaturfühler auch ein Feuchtemesser angeordnet. Zu Kühlungsbeginn ermittelt das System aus Temperatur und Luftfeuchte eine minimal zulässige Temperatur, die oberhalb der Taupunkttemperatur liegt. Die Vorlauftemperatur wird nun so gewählt, dass sie oberhalb der minimal zulässigen Temperatur liegt und so eine Kondensation verhindert wird. Dabei überwachen Temperaturfühler in der Nähe der Kühlflächen die tatsächlich erreichte Temperatur und beeinflussen über eine Regeleinrichtung die Vorlauftemperatur. In bevorzugten Weiterbildungen können die Vorlauftemperaturen einzelner Kühlflächen getrennt geregelt werden.

[0005] Die Eignung der beschriebenen Systeme für moderne Bauten mit gutem internen Temperatur- und Feuchtigkeitsausgleich ist unstrittig. Problematisch ist ein Einsatz dieser Systeme jedoch für Altbauten und sonstige Bauten, die in ihrer Gebäudestruktur sehr heterogen sind und abgetrennte Hohlräume sowie eine Vielzahl organischer Materialien und Baustoffe aufweisen. Derartige Gebäude besitzen häufig nur teilweise massive Außenwände. Die Böden bzw. Decken sind häufig von Holzbalken getragen und die Leitungen für Erwärmung bzw. Kühlung sind bevorzugt in holzgetragenen Hohlräumen in Böden, Wänden oder Decken verlegt. Diese Hohlräume bilden häufig eine Abfolge voneinander getrennter Räume oder Bereiche, in denen auch unterschiedliche Klimabedingungen herrschen können und deren Temperatur- und Feuchteausgleich behindert ist. Die Gebäude weisen somit eine erhöhte Trägheit des Temperatur- und Feuchteausgleichs auf. Die Hohlräume können von Anordnungen nach dem Stand der Technik nicht vor lokalen Unterschreitungen der Taupunkttemperatur geschützt werden. Hinzu kommt, dass Holz in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte eine unterschiedliche Gleichgewichtsfeuchte hat. Sollte also über einen längeren Zeitraum aufgrund abgesenkter Temperatur eine erhöhte relative Luftfeuchte herrschen, beginnt das Holz Wasser aufzunehmen. Dementsprechend beginnen Quellungserscheinungen im Holz. In Extremfällen kann es zu Schimmel oder sonstigem Pilzbefall kommen. Es ist somit erkennbar, dass bereits Luftfeuchtewerte, die noch nicht in der Nähe der Sättigung liegen, negative Auswirkungen auf Holz haben können. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass die relative Luftfeuchte für alte Hölzer zur Vermeidung von Schäden langfristig 70% nicht überschreiten sollte.

[0006] Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Kühlsystem zu schaffen, dass für Bauten mit einer erhöhten Trägheit des Temperatur- und Feuchteausgleichs geeignet ist und die Bausubstanz vor negativen Auswirkungen bei einer Kühlung schützt. Dabei soll nicht nur im zu kühlenden Raum, sondern auch auf dem gesamten Weg der Kühlmittelverrohrung bzw. kritischen Abschnitten in Räumen, deren Temperatur- und Feuchteausgleich behindert ist, eine vorgegebene relative Luftfeuchte nicht überschritten werden.

[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart. Eine vorteilhafte Betriebsweise der Anordnung ist im rückbezogenen Verfahrensanspruch dargestellt.

[0008] Im Folgenden wird auf die Darstellung technischer Komponenten, die der Fachmann aufgrund seines Wissens der Anordnung hinzufügen würde, verzichtet. Derartiges können beispielsweise Temperatursensoren in Vor- und Rücklauf und den verschiedenen Reservoiren, Drossel- und Regelventile, Umwälzpumpen etc. sein.

[0009] Die erfindungsgemäße Anordnung weist einen oder mehrere Feuchtesensoren in unmittelbarer Nähe zu den Verrohrungen (bevorzugt zum Vorlaufrohr) des Kühlmittelkreislaufes auch in Räumen auf, die nicht mit dem zu kühlenden Raum identisch sind. Diese Feuchtesensoren geben ihre Messwerte an eine Regelungseinheit weiter, die diese gemeinsam mit den Messwerten aus dem zu kühlenden Raum verarbeitet und eine Vorlauftemperatur ermittelt, die ein Überschreiten der maximal zulässigen Luftfeuchte in allen Räumen mit Feuchtesensoren vermeidet. Die maximal zulässige Luftfeuchte kann dabei in einer bevorzugten Ausführungsform für die einzelnen Feuchtesensoren getrennt vorgegeben werden. So wird es möglich, in Räumen, die einer regelmäßigen Belüftung unterliegen, andere Werte für die relative Luftfeuchte zuzulassen, als in Räumen, die weitestgehend abgeschlossen sind. Derartige abgeschlossene Räume können neben tatsächlich genutzten Räumen auch Hohlräume in Boden, Wänden oder Decken sein, durch die die Verrohrung geführt ist. Da dort naturgemäß meist ein relativ geringer Luftaustausch herrscht, ergibt sich eine gewisse Trägheit des Systems. So wird im Sommer bei höheren Temperaturen Luft mit einer relativen Luftfeuchte langsam in einen derartigen Raum eindringen, die aufgrund der Kühlwirkung durch die Verrohrung des Systems, mit der Abnahme der Temperatur im Raum, zu einer sehr hohen relativen Luftfeuchte führt. Aufgrund des geringen Luftaustauschs mit der Außenluft wird dieser Zustand erst allmählich abgebaut. Bei Kühlprozessen ist nunmehr darauf zu achten, dass dadurch die zulässige relative Luftfeuchte in derartigen Räumen nicht unterschritten oder sogar der Taupunkt erreicht wird Diese Überwachung erfolgt mittels der Regelungseinheit.

[0010] Insgesamt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung somit mindestens die folgenden Komponenten auf:

a. mindestens einen zu kühlenden Raum, in und/oder an dessen Wand und/oder Boden und/oder Decke eine oder mehrere Kühlflächen angeordnet sind

b. mindestens eine Vorlaufrohrleitung zur Zuführung eines kühlenden Mediums zu den Kühlflächen und mindestens eine Rücklaufrohrleitung für die Abführung des kühlenden Mediums von den Kühlflächen

c. mindestens ein Reservoir A eines kühlenden Mediums, dessen Temperatur kleiner oder gleich der Temperatur in der Vorlaufrohrleitung ist

d. mindestens ein Reservoir B eines kühlenden Mediums, dessen Temperatur größer oder gleich der Temperatur in der Vorlaufrohrleitung ist

e. mindestens eine Mischvorrichtung an der Vorlaufrohrleitung zur Mischung des kühlenden Mediums aus Reservoir A und Reservoir B

f. mindestens einen Temperatursensor und mindestens einen Feuchtesensor zur Erfassung der relativen Luftfeuchte im zu kühlenden Raum

g. mindestens einen Feuchtesensor in unmittelbarer Nähe zu den Vorlaufrohrleitungen des Kühlmittelkreislaufes in Räumen, die nicht mit dem zu kühlenden Raum identisch sind

h. mindestens eine Regelungseinheit, die über Signalverbindungen Messwerte der Feuchte- und Temperatursensoren empfängt, diese verarbeitet, eine Vorlauftemperatur ermittelt und über eine Signalverbindung zur Mischeinrichtung die Temperatur des kühlenden Mediums in der Vorlaufrohrleitung einstellt.

[0011] Die Reservoire A und B können bevorzugt Behältnisse mit kühlendem Medium unterschiedlicher Temperatur sein. Es ist aber auch möglich, dass das Reservoir A als Ausgang einer Wärmepumpe oder eines Wärmetauschers ausgeführt ist. Reservoir B kann auch der Rücklauf des kühlenden Mediums sein. Die Einstellung der gewünschten Vorlauftemperatur kann dann beispielsweise durch Beimischen von rücklaufendem Medium zum vorlaufenden Medium erfolgen. Das Reservoir B kann jedoch auch Ausgang eines Wärmetauschers oder einer Wärmepumpe oder einer Heizanlage sein.

[0012] Zielgrößen der Regelung sind somit beim Betrieb der Anlage neben der vorgegebenen Temperatur im zu kühlenden Raum auch die relativen Luftfeuchtewerte auf dem Weg der Verrohrung zum zu kühlenden Raum.

[0013] Die Regelungseinheit verarbeitet die Messwerte der Feuchtesensoren gemeinsam mit den Messwerten aus dem zu kühlenden Raum auch aus den Räumen, die nicht mit dem zu kühlenden Raum identisch sind und ermittelt eine Vorlauftemperatur, die ein Überschreiten der maximal zulässigen Luftfeuchte in allen Räumen mit Feuchtesensoren vermeidet. Diese Vorlauftemperatur wird über die Signalverbindung der Regelungseinheit zur Mischeinrichtung durch Mischung der kühlenden Medien aus Reservoir A und Reservoir B eingestellt.

[0014] Aufgrund der Betriebsweise ist es möglich, dass unter Umständen die angestrebte Temperatur im zu kühlenden Raum gar nicht, oder erst nach deutlich längerer Zeit erreicht wird. Es wird jedoch auf diese Weise zuverlässig verhindert, dass es nicht nur nicht zu Taupunktunterschreitungen und damit Kondensationserscheinungen kommt, sondern auch, dass die Luftfeuchtewerte in allen überwachten Verrohrungsbereichen vorgegebene Werte übersteigen. So kann die Bausubstanz, insbesondere das Holz, vor negativen Einwirkungen durch die Feuchte zuverlässig geschützt werden. Da Haupteinsatzzweck die Kühlung von Wohnräumen ist, stellt dies nur eine geringe Beeinträchtigung dar, die der Nutzer im Interesse des Erhalts der Bausubstanz in Kauf nimmt.

[0015] In einer bevorzugten Ausführungsform sind in räumlicher Nähe zu einem oder mehreren der Feuchtemesser auch Temperatursensoren angeordnet, die ebenfalls ihre Messwerte an die Regelungseinheit abgeben.

[0016] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstellt die Regelungseinheit eine Prognose, ob die vorgegebene Zieltemperatur im zu kühlenden Raum voraussichtlich erreicht wird. Der Nutzer wird vorteilhaft über eine optische oder akustische Meldung beim Einstellen der Zieltemperatur für den Raum und der zulässigen relativen Luftfeuchten für die Luftfeuchtemesser in den Räumen auf dem Weg zum zu kühlenden Raum darüber informiert, ob die vorgegebene Temperatur voraussichtlich zu erreichen ist.

[0017] Vorteilhaft ist die Regelungseinheit als Zusatzmodul zur Nachrüstung bestehender Kühlungsregelungssysteme ausgeführt.

[0018] Die Regelungsvorrichtung der Anordnung ist als Zusatzmodul für einen herkömmlichen Kühlregler nach dem Stand der Technik ausgeführt. Das Modul weist eine Reihe von Eingängen auf, in die die Messsignale der Feuchtemesser eingespeist werden. In dieser Ausführungsform wird am Modul ein einheitlicher Maximalwert für alle Feuchtemesser von 70% für die relative Luftfeuchte vorgegeben. Das Modul weist am Ausgang ein galvanisch getrenntes Stellglied in Form einer Widerstandsmatrix auf. Das Ausgangssignal wird in den Außenfühlermesskreis des herkömmlichen Kühlreglers eingespeist. Das Modul erscheint somit im herkömmlichen Kühlregler als simulierter Außenfühler. Aufgrund der Signale des Moduls regelt der Kühlregler die Vorlauftemperatur auf einen Wert, der verhindert, dass die relative Luftfeuchte an den einzelnen Feuchtemessern den vorgegebenen Wert überschreitet.

[0019] Im Einzelnen wird dies wie folgt realisiert:

Zur Überwachung der Feuchtigkeit an n Stellen in einem Gebäude werden n resistive Feuchtigkeitssensoren (S1..Sn) verwendet. Diese werden über einen Messstellenumschalter (1) sequentiell auf eine Widerstands-zu-Spannungs-Umsetzerschaltung (3) geschaltet. Das Ausgangssignal des Umsetzers (3) wird auf einen Analog-Digital-Umsetzer-Eingang (4) einen µ-Controllers (5) geführt. Die Software wertet die Messsignale der N-Messstellen (S1..Sn) aus. Entsprechende Feuchtigkeits-Grenzwerte können über ein einfaches Bedieninterface bestehend aus LCD-Display (7) und Menütasten (8) individuell für jede Messstelle (S1..Sn) eingestellt werden. Die Einstellwerte werden im EEPROM des µ-Controllers (5) abgespeichert, so dass diese auch nach Spannungsausfall erhalten bleiben.

Bei Überschreitung eines Feuchtigkeitsgrenzwertes wird der Widerstand im Messkreis des Temperatursensors (9) der Mischersteuerung (11) durch ein mit Relais geschaltetes Widerstandsnetzwerk (12) verändert und die Mischersteuerung (11) veranlasst, die Vorlauftemperatur anzuheben. Der Widerstand im Temperaturmesskreis kann durch Einschleifen von Zusatzwiderständen erhöht (Relais k3, k4) oder durch Parallelschalten von Zusatzwiderständen verringert werden (Relais k1, k2). Welche Art der Beeinflussung erforderlich ist, hängt von der Art des Temperatursensors (9) ab.

Im vorliegenden Fall besitzt das Widerstandsnetzwerk (12) nur 1 Stufe. Für anspruchsvollere Regelalgorithmen kann es jedoch sinnvoll sein, den Widerstand des Temperaturmesskreises in mehreren Stufen zu beeinflussen.

Eingesetzte Hardwarekomponenten

[0020] 

• Messstellenumschalter (1): Relaismatrix, es sind jedoch auch Analogschalter möglich, die zwar kostengünstiger und verschleißfrei sind, jedoch aufwändigere Schutzmaßnahmen gegen elektromagnetische Beeinflussung vor allem gegen Überspannung erfordern,
• µ-Controller (5): µ-Controller von ATMEL mit wieder beschreibbarem Flashspeicher als Programmspeicher und wieder beschreibbarem EEprom-Speicher als Parameterspeicher sowie integrierten ADC-Eingängen (4)
• IO-Expander/Treiber (6): CPLD zur E/A-Decodierung von XILINX, mit Standard-Treiber-ICs als Treiber
• geschaltetes Widerstandsnetzwerk (12): Industrierelais mit hoher Zahl an Schaltzyklen (>1.000.000), Da hier in den Messkreis von konfektionierten Erzeugnissen eingegriffen wird, ist Potentialtrennung über Relais notwendig, obwohl Analogschalter die Funktionalität ebenfalls realisieren können. Es werden Chip-Widerstände mit 0,1% Toleranz als Zusatzwiderstände eingesetzt.
• LCD-Display (7) und Bedientasten (8): Alphanumerisches Low-Cost-Display mit 1x16 Zeichen 3,5 mm Zeichenhöhe, ohne Hintergrundbeleuchtung. 4-Tastenbedienung (z.B. >,<, Enter, ESC)
• R/U-Umsetzer (3): Widerstands-Spannungsumsetzer entweder als Brückenschaltung wobei spannungs- oder stromgespeiste R/U-Umsetzer ebenfalls möglich sind
• Spannungsversorgung: Konfektionierter Schaltregler mit Potentialtrennung 2000Vrms je nach verfügbarer Spannung (Netzspannung 230V 50Hz Wechselstrom oder 24V Gleichstrom)

Figur

[0021] Fig. 1 stellt die schaltungstechnische Umsetzung des Ausführungsbeispiels als Blockdiagramm der steuernden Komponenten dar. Die Sensoren (S1..Sn) erfassen dabei die Feuchtewerte in verschiedenen Räumen, durch die die Verrohrung des Kühlsystems führt. Einer oder mehrere der Sensoren (S1 .. Sn) sind dabei auch in dem zu kühlenden Raum angeordnet. Die Messwerte der Sensoren (S1 .. Sn) werden an den Mikrokontroller (5) weitergegeben, der diese zusammen mit den Vorgabewerten, die mit LCD-Display (7) und Tastatur (8) eingegeben wurden, verarbeitet. Es werden Steuersignale generiert, die gemeinsam mit dem Temperaturwert im zu kühlenden Raum, der vom Temperatursensor (9) erfasstwird, über ein Widerstandsnetzwerk (12) an die Mischersteuerung (11) weitergegeben werden, wo die Vorlauftemperatur des Kühlkreislaufs eingestellt wird.

Bezugszeichenliste

[0022] 

S1 ... Sn

Sensor 1 bis Sensor n

k1 ... kn

Relais zum Schalten der Zusatzwiderstände

1

Messstellenumschalter (Relaismatrix oder Analogschalter)

2

Spannungsversorgung

3

R/U Umsetzer (Widerstands-Spannungs-Umsetzer)

4

ADC in (Eingang des analog-Digital-Konverters)

5

Mikrocontroller (µ-Controller) und Peripherie

6

Treiber (I/O Expander)

7

LCD-Display

8

Bedientasten

9

Temperatursensor

10

Eingang Temperaturfühler

11

Mischersteuerung

12

geschaltetes Widerstandsnetzwerk

Ansprüche

1. Anordnung zur Kühlung von Räumen in Bauten mit einer erhöhten Trägheit des Temperatur- und Feuchteausgleichs, aufweisend:

a. mindestens einen zu kühlenden Raum, in und/oder an dessen Wand und/oder Boden und/oder Decke eine oder mehrere Kühlflächen angeordnet sind

b. mindestens eine Vorlaufrohrleitung zur Zuführung eines kühlenden Mediums zu den Kühlflächen und mindestens eine Rücklaufrohrleitung für die Abführung des kühlenden Mediums von den Kühlflächen

c. mindestens ein Reservoir A eines kühlenden Mediums, dessen Temperatur kleiner oder gleich der Temperatur in der Vorlaufrohrleitung ist

d. mindestens ein Reservoir B eines kühlenden Mediums, dessen Temperatur größer oder gleich der Temperatur in der Vorlaufrohrleitung ist

e. mindestens eine Mischvorrichtung an der Vorlaufrohrleitung zur Mischung des kühlenden Mediums aus Reservoir A und Reservoir B

f. mindestens einen Temperatursensor und mindestens einen Feuchtesensor zur Erfassung der relativen Luftfeuchte im zu kühlenden Raum

g. mindestens einen Feuchtesensor in unmittelbarer Nähe zu den Vorlaufrohrleitungen des Kühlmittelkreislaufes in Räumen, die nicht mit dem zu kühlenden Raum identisch sind

h. mindestens eine Regelungseinheit die über Signalverbindungen Messwerte der Feuchte- und Temperatursensoren empfängt, diese verarbeitet, eine Vorlauftemperatur ermittelt und über eine Signalverbindung zur Mischeinrichtung die Temperatur des kühlenden Mediums in der Vorlaufrohrleitung einstellt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in räumlicher Nähe eines oder mehrerer der Feuchtesensoren Temperatursensoren angeordnet sind, die ihre Messwerte an die Regelungseinheit weitergeben.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit als Zusatzmodul für die Nachrüstung bestehender Kühlungsregelungssysteme ausgeführt ist.

4. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit die Messwerte der Feuchtesensoren aus den Räumen, die nicht mit dem zu kühlenden Raum identisch sind, gemeinsam mit den Messwerten aus dem zu kühlenden Raum verarbeitet und eine Vorlauftemperatur ermittelt, die ein Überschreiten der maximal zulässigen Luftfeuchte in allen Räumen mit Feuchtesensoren vermeidet, und diese Vorlauftemperatur über die Signalverbindung zur Mischeinrichtung durch Mischung der kühlenden Medien aus Reservoir A und Reservoir B einstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die angestrebte Temperatur für den zu kühlenden Raum an der Regelungseinheit vorgegeben ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Regelungseinheit die maximal zulässige Luftfeuchte für Räume vorgegeben ist, die nicht mit dem zu kühlenden Raum identisch sind, jedoch Feuchtesensoren aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit Messwerte verarbeitet, die von Temperatursensoren in der Nähe wenigstens einiger Feuchtesensoren stammen und eine Prognose erstellt, ob die angestrebte Temperatur im zu kühlenden Raum voraussichtlich erreicht werden wird.

Zeichnung