CH691405A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Raumes. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines Raumes gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 6. 



  Es ist bekannt (s. z.B. H. Sokolean: "Kühldeckentechnologie zur Erreichung des bestmöglichen Raumkomforts", Architektur und Technik 8/92, S. 49-53, B+L Verlags AG, Schlieren (Schweiz)), Räume mittels Kühlelementen, die vorzugsweise im Deckenbereich angeordnet sind und gewöhnlich von einem in einem zentralen Kühlaggregat gekühlten Wärmetransportmedium durchflossen werden, zu kühlen. Die Kühlung erfolgt dabei durch konvektiven Wärmeaustausch des Kühlelements mit der Raumluft und vor allem durch direkten Strahlungsaustausch desselben mit den im Raum befindlichen Objekten. 



  Die Kühlleistung derartiger Kühlelemente wird dadurch begrenzt, dass ihre Oberflächentemperatur den Taupunkt nicht unterschreiten darf, da sich sonst während der Kühlphasen, die sich gewöhnlich mit den Benutzungszeiten des Raumes decken, Kondensat bildet. Es ist zwar vorgeschlagen worden (WO-A-91/13 294), unter den Taupunkt zu kühlen und das entstehende Kondensat über Kondensatrinnen oder -wannen abzuleiten, doch ist davon auszugehen, dass die Bildung von Kondensat während der Benutzung des klimatisierten Raums stets störend und unerwünscht ist.

   Da der Taupunkt bei den gewöhnlich herrschenden Luftfeuchtigkeiten bei ca. 12 DEG C bis 15 DEG C liegt, ist, wenn die Bildung von Kondensat vermieden werden soll, die Differenz zwischen der zulässigen  Temperatur des Kühlelements und der erwünschten Raumtemperatur von ca. 22 DEG C sehr gering und die erzielbare Kühlleistung entsprechend bescheiden. Dadurch werden sehr grosse gekühlte Flächen erforderlich, was verhältnismässig hohe Kosten nach sich zieht und die Möglichkeiten der Raumgestaltung einschränkt. 



  Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, schafft ein Verfahren zur Klimatisierung von Räumen, bei welchem die Temperatur des Kühlelements nicht mehr durch den Taupunkt beschränkt ist. Der Grundgedanke liegt dabei darin, das Kühlelement während sich im Grossen und Ganzen mit den Benutzungszeiten des klimatisierten Raumes deckenden Kühlphasen so stark abzukühlen, dass sich an demselben absetzendes Kondensat rasch vereist und dadurch kein störendes Kondenswasser entsteht. Während Regenerationsphasen, die man im Allgemeinen so wählen wird, dass sie ausserhalb der Benutzungszeiten liegen, wird das vereiste Kondensat abgeschmolzen und in flüssiger Form abgeleitet. 



  Die durch die Erfindung erzielten Vorteile liegen vor allem darin, dass die Temperatur des Kühlelements beliebig tief eingestellt werden kann. Dadurch können auch mit kleinen Kühlflächen sehr hohe Kühlleistungen erzielt werden. Diese Wirkung wird noch dadurch unterstützt, dass Eis im Infrarotbereich in seinen Strahlungseigenschaften einem schwarzen Körper sehr nahe kommt und die Vereisung des Kühlelements sich auf den entscheidenden direkten oder indirekten Strahlungsaustausch mit Objekten im klimatisierten Raum durchaus günstig auswirkt. Die  Kühlelemente können damit klein und einfach im Aufbau gehalten werden, wodurch sich natürlich die Kosten verringern, und spielen als Randbedingung der Raumgestaltung nicht mehr die bisherige einschränkende Rolle. 



  Darüber hinaus wird noch ein weiteres Problem gelöst, das bei gattungsgemässen Verfahren der Raumklimatisierung bisher Schwierigkeiten bereitet hat und dem nur durch Austausch von Raumluft, der jedoch zusätzliche Installationen erfordert und die Gefahr der Entstehung unerwünschter Zugluft nach sich zieht, beizukommen war: 



  Die Feuchtigkeit der Raumluft nimmt insbesondere bei längerer Benutzung des Raumes mit hoher Personenkonzentration rasch zu. Dies wird als unangenehm empfunden und führt oft zum Versuch, durch \ffnen der Fenster Abhilfe zu schaffen, was jedoch gerade in den Sommermonaten oft wegen hoher Feuchtigkeit der Aussenluft das Problem noch verschärft. Die hohe Luftfeuchtigkeit kann schliesslich dazu führen, dass schon bei verhältnismässig hoher Temperatur der Kühlelemente die Gefahr von Kondensatbildung besteht und die Kühlanlage von Taupunktwächtern ganz abgestellt wird. Die Kühlung fällt somit gerade dann aus, wenn sie am dringendsten gebraucht würde. 



  Beim erfindungsgemässen Verfahren wird dagegen Luftfeuchtigkeit durch die Kondensatvereisung am Kühlelement gebunden. Die Raumluft bleibt dadurch trocken, was den Komfort beträchtlich verbessert und Schwierigkeiten der beschriebenen Art gar nicht aufkommen lässt. 



  Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, die lediglich Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Raum, der nach dem erfindungsgemässen Verfahren klimatisiert wird, 
   Fig. 2a eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, 
   Fig. 2b einen Querschnitt längs B-B durch die Vorrichtung von Fig. 2a, 
   Fig. 3a eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, 
   Fig. 3b einen Querschnitt längs B-B durch die Vorrichtung von Fig. 3a. 
 



  Ein zu klimatisierender Raum 1 (Fig. 1) enthält Wärme abstrahlende Objekte wie Personen und Geräte, die durch eine gelochte Decke 2 mit einer Kühlvorrichtung Wärme austauschen. Die Kühlvorrichtung umfasst mindesten ein Kühlelement 3, das über eine Zuleitung 4 und eine Ableitung 5 mit einem Kühlaggregat 6 verbunden ist sowie eine senkrecht unter dem Kühlelement 3 angeordnete Kondensatwanne 7 von etwas grösserer Fläche mit einem Ablauf 8. Die Kühlvorrichtung ist oberhalb der gelochten Decke 2 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Kondensatwanne 7  in die Decke 2 zu integrieren, z.B. so, dass sie eine Deckenplatte ersetzt. Oberhalb der Kühlvorrichtung, vorzugsweise ca. 20-30 cm vom Kühlelement entfernt, ist eine Decke oder Zwischendecke 9 aus Beton oder Gips eingezogen. 



  Während einer Kühlphase wird das Kühlelement 3 unter den Gefrierpunkt abgekühlt, mindestens auf -5 DEG C, vorzugsweise aber wesentlich tiefer, z.B. auf -40 DEG C. Gewöhnlich setzt sich dann bald Kondensat auf dem Kühlelement ab, welches sofort vereist und somit gebunden wird. Die Kühlung des Raumes 1 erfolgt überwiegend durch Strahlungsaustausch über die Zwischendecke 9, die durch unmittelbaren Strahlungsaustausch mit dem vereisten Kühlelement stark abgekühlt wird, da dasselbe im Infrarotbereich einem idealen schwarzen Körper sehr nahe kommt und die von der Zwischendecke 9 ausgehende Strahlung mit hohem Wirkungsgrad absorbiert, während es selbst wegen seiner tiefen Temperatur wesentlich weniger Wärme gegen die Zwischendecke 9 strahlt. 



  Die Zwischendecke 9 tauscht andererseits durch die gelochte Decke 2 Wärmestrahlung mit dem Raum 1, insbesondere mit den Wärme abstrahlenden Objekten in demselben aus, indem sie einen Teil der von ihnen ausgehenden Wärmestrahlung absorbiert und selbst wegen ihrer tieferen Temperatur weniger Wärme abstrahlt als sie aufnimmt. Ein Teil der die Zwischendecke 9 erreichenden Strahlung wird natürlich reflektiert und teilweise vom Kühlelement 3 absorbiert. Auch die Kondensatwanne 7 wird durch Strahlungsaustausch mit dem Kühlelement 3 abgekühlt und trägt ihrerseits durch Strahlungsaustausch mit dem Raum 1 zu dessen Kühlung bei. Allerdings darf die Temperatur an der Aussenseite der Kondensatwanne 7 nicht unter den Taupunkt sinken, da sich  sonst an ihrer Unterseite Kondensat bilden würde. Der Wärmeaustausch durch Strahlung ist in Fig. 1 durch gerade Pfeile angedeutet. 



  Daneben kommt es natürlich auch zu konvektivem Wärmeaustausch des Raumes 1 vor allem mit der Zwischendecke 9, aber auch direkt mit der Kühlvorrichtung. In Fig. 1 ist dies für die aufsteigende Warmluft durch durchgezogene und für die absinkende Kaltluft durch gestrichelte gebogene Pfeile angedeutet. Die Konvektion spielt jedoch nur eine untergeordnete Rolle. 



  Durch den grossen Temperaturunterschied zwischen dem Kühlelement 3 und dem Raum 1, der ohne weiteres 60 DEG C betragen kann, ist die Kühlwirkung des Strahlungsaustauschs, der bekanntlich einem T<4>-Gesetz folgt, sehr hoch. Dadurch kann auch mit einem kleinen Kühlelement 3 eine starke Kühlwirkung erzielt werden. Zudem bleibt die Luft im Raum 1 stets verhältnismässig trocken, da sich überschüssige Luftfeuchtigkeit auf dem Kühlelement 3 niederschlägt und vereist. Auf diese Weise stellen sich ohne weitere Massnahmen für den Raumkomfort optimale Verhältnisse ein. 



  Während einer längeren Kühlphase schlägt sich verhältnismässig viel Eis auf dem Kühlelement nieder, das während einer Regenerationsphase, die man gewöhnlich in eine Zeit legen wird, in der der Raum 1 nicht benützt wird, abgetaut und abgeleitet werden muss. Gewöhnlich genügt es, zum Abtauen das Kühlaggregat abzustellen und das am Kühlelement 3 abgelagerte Eis durch Wärmeaustausch mit der Umgebung abschmelzen zu lassen, es ist aber auch möglich, durch Heizen des Kühlelements 3 eine Schnellregeneration  vorzunehmen. Das abgeschmolzene Wasser wird von der Kondensatwanne 7 aufgefangen und über den Ablauf 8 abgeleitet. Nach vollständigem oder eventuell auch nur teilweisem Abschmelzen des Eises ist die Kühlvorrichtung wieder einsatzbereit. 



  Gemäss einer ersten Ausführungsform der Kühlvorrichtung (Fig. 2a, b) ist das Kühlelement 3 als Verdampfer aus Stahlblech ausgebildet, der über eine wärmeisolierte Zuleitung 4 und eine ebensolche Ableitung 5 mit dem Kühlaggregat 6 (Fig. 1) verbunden ist, das in diesem Fall als Kondensator ausgebildet ist. Durch die Zuleitung wird flüssiges Kühlmittel, z.B. Freon, in den Verdampfer geleitet, das in einem die Zuleitung 4 mit der Ableitung 5 verbindenden mäanderförmigen Durchlass 10 verdampft und dadurch das Kühlelement auf ca. -40 DEG C abkühlt. Der Dampf wird durch die Ableitung 5 wieder dem Kühlaggregat 6 zugeleitet und dort unter Wärmeentzug kondensiert. 



  Die unterhalb des Kühlelements 3 angeordnete Kondensatwanne 7 weist eine Aussenschale 11 aus Stahl auf, die an der Aussenseite pulverbeschichtet ist, sodass sie dort gut absorbiert, und eine in die Aussenschale 11 eingesetzte Innenschale 12 aus Polyurethan oder Steinwolle oder einem anderen Material geringer Wärmeleitfähigkeit. An der Innenseite ist sie mit einer Auskleidung aus reflektierender Metallfolie versehen. Durch den geschilderten Aufbau wird in der Regel eine Abkühlung der Aussenseite der Kondensatwanne 7 unter den Taupunkt verhindert. Falls diese Massnahmen nicht genügen, kann die Aussenschale 11 leicht geheizt werden. Zwecks erleichterter Ableitung von Kondensat ist die Kondensatwanne 7 etwas gegen den Ablauf 8 hin geneigt. 



  Zur Erleichterung des Strahlungsaustauschs des Kühlelements 3 mit dem Raum 1 über die Zwischendecke 9 ist die Kühlvorrichtung mit Abstand unterhalb derselben angeordnet. Der oberhalb des Kühlelements 3 liegende Teil der Zwischendecke 9 wird durch Strahlungsaustausch mit demselben stark gekühlt und kühlt seinerseits den Raum 1 durch Strahlungsaustausch. Durch Wärmeleitung in der Zwischendecke 9 wird dieser Effekt unterstützt. Der Strahlungsaustausch mit der Zwischendecke 9 kann - jedenfalls in der Anfangsphase einer Kühlphase, wenn sich noch keine Eisschicht gebildet hat - weiter dadurch verstärkt werden, dass das Kühlelement an der Oberseite mit einer gut absorbierenden Lackierung versehen ist. 



  Bei einer zweiten Ausführungsform der Kühlvorrichtung (Fig. 3a, b) ist das Kühlelement als U-förmig gebogenes Stahlrohr 13 ausgebildet, durch welches im Kühlaggregat 6 (Fig. 1) auf ca. -40 DEG C abgekühlte Sole geleitet wird. Zur Verstärkung des Strahlungsaustauschs mit der Zwischendecke 9 trägt das Stahlrohr 13 an der Oberseite eine Stahlplatte 14, mit der es verschweisst ist. Sie kann an der Oberseite mattschwarz lackiert sein. 



  Die Kondensatwanne 7 ist prinzipiell gleich aufgebaut wie gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel, doch ist sie an einer zu ihrer Längsrichtung parallelen schwenkbaren Achse 15 befestigt, sodass sie aus ihrer Lage unterhalb des Kühlelements 3 um ca. 90 DEG  (Pfeil) zur Seite geschwenkt werden kann. Das Kühlelement 3 liegt dann frei und kann mit Objekten im Raum 1 in direkten Strahlungsaustausch treten. Auf diese Weise kann eine besonders starke Kühlwirkung erzielt werden, wie sie z.B. zum Herunterkühlen eines  überhitzten Raums zu Anfang einer Kühlphase erwünscht sein kann. Die Ränder der Kondensatwanne 7 sind etwas eingebogen, sodass ein allfälliger Rest von Kondensat beim Schwenken der Wanne nicht auslaufen kann. 

Claims (10)

1. Verfahren zur Klimatisierung eines Raumes (1) mittels mindestens eines Kühlelements (3), dadurch gekennzeichnet, dass Kühlphasen mit Regenerationsphasen abwechseln, wobei während einer Kühlphase jeweils die Temperatur des Kühlelements (3) derart eingestellt wird, dass allfällig sich an demselben bildendes Kondensat vereist und während einer Regenerationsphase jeweils derart, dass allfällig am Kühlelement (3) vereistes Kondensat abschmilzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Regenerationsphase jeweils allfällig abgeschmolzenes Kondensat aufgefangen und abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Kühlphase jeweils die Temperatur des Kühlelements (3) auf eine Temperatur von höchstens -2 DEG C eingestellt wird.

4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Regenerationsphase jeweils das Kühlelement (3) abgeschaltet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) im Deckenbereich angeordnet ist und sein Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Raum (1) überwiegend durch Strahlungsaustausch über oberhalb des Kühlelements angeordnete Flächen erfolgt.

6. Kühlvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Kühlelement (3) und einer senkrecht unterhalb desselben angeordneten Kondensatwanne (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite der Kondensatwanne (7) gegenüber ihrer dem Kühlelement (3) zugekehrten Innenseite thermisch isoliert ist.

7.

Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite der Kondensatwanne (7) absorbierend ausgebildet ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Kondensatwanne (7) reflektierend ausgebildet ist.

9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatwanne (7) aus dem senkrecht unterhalb des Kühlelements (3) liegenden Bereich schwenk- oder schiebbar ist.

10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) an der Oberseite absorbierend und an der der Kondensatwanne (7) zugewandten Unterseite reflektierend ausgebildet ist.