Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Klima¬ tisierung von Räumen, insbesondere von Büroräumen sowie für den Wohnbau in lärmbelasteter Umgebung, wo eine Raumbelüftung und -kühlung durch Fensteröffnung unangenehm und störend ist.

Durch die Klimatisierung soll vor allem im Sommer bei hoher Aussentemperatur und Sonneneinstrahlung eine niedrigere und dadurch angenehmer zu ertragende Innentemperatur in den zu kli¬ matisierenden Räumen erreicht werden. Daneben muss ggf. auch noch für ausreichend Frischluft in den Räumen gesorgt werden.

Stand der Technik

Üblicherweise wird bei Klimaanlagen gekühlte Frischluft in die zu klimatisierenden Räume eingeblasen, wobei zur Kühlung der Luft Kältemaschinen verwendet werden.

Im Zuge von Energiesparmassnahmen wird zunehmend jedoch der Einsatz von Kältemaschinen für die Büroklimatisierung von staatlichen Behörden nicht mehr genehmigt. Für die Klimati¬ sierung müssen deshalb neue Konzepte gesucht werden.

Am einfachsten lässt sich eine Kühlung von Räumen natürlich erreichen durch ein Öffnen der Fenster während der Nacht. Wo dies nicht möglich oder erwünscht ist, muss auf eine mehr technische Lösung zurückgegriffen werden. So wurde bereits ein Konzept erarbeitet, bei dem die zu klimatisierenden Räume während der kühleren Nachtstunden intensiv durchlüftet und dadurch abgekühlt werden. Diese Lösung erfordert jedoch grosse Querschnitte der für den Lufttransport notwenigen Schächte und einen erheblichen Energiebedarf für den Lufttransport selbst. Der Platzbedarf der Luftschächte muss bei der Erstellung der Bauwerke berücksichtigt werden und wirkt sich vor allem auf die Geschosshöhe der Bauwerke nachteilig aus. Die während der Nachtstunden erzielbare Abkühlung der Räume ist dennoch nicht immer ausreichend, um auch während heisser Tage mit Aussen- temperaturen um oder gar über 30°C die natürliche Erwärmung der Räume im Verlauf des Tages - u.a. durch die in den Räumen be¬ findlichen Personen und die darin betriebenen Büromaschinen und Lampen - auf einen noch als angenehm oder zumindest erträglich empfundenen Temperaturwert begrenzen zu können.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, ein System zur Klimatisierung von Räumen anzugeben, das ohne Kältemaschine auskommt, durch welches selbst an heissen Tagen noch angenehme Temperaturen in den zu klimatisierenden Räumen aufrechterhalten werden können, das verhältnismässig wenig Betriebsenergie benö¬ tigt und das, sich raumsparend installieren lässt.

Diese sowie weitere Aufgaben werden gemäss der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein System, wie es im Anspruch 1 ange¬ geben ist.

Das erfindungsge ässe System ist demnach gekennzeichnet durch die Kombination einer wärmeaktiven Decke, in welcher Rohr¬ leitungen eines Wärmetauschflüssigkeits-Kreislaufs angeordnet sind, mit mindestens einer in diesen Kreislauf intergrierten

oder integrierbaren Wärmetauschvorrichtung, in welcher von der Wärmetauschflüssigkeit in den genannten Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme wenigstens teilweise durch Verdampfung einer weiteren Flüssigkeit an die Aussenluft abgegeben wird.

Die Vorteile der Erfindung sind vor allem in folgenden Punkten zu sehen:

- Durch die Erfindung wird in energetisch günstiger Weise die natürliche Nachtkühle zur Raumkühlung ausgenützt;

- Die Anordnung der Rohrleitungen des Wärmeträgerflüssigkeits- Kreislaufs in der Decke verbessert die Wärmeabfuhr, da sich die warme Raumluft stets an der Decke sammelt;

- Die relative Feuchte von Aussenluft liegt üblicherweise weit unter 100%. Durch den Verdampfungsprozess in der Wärmetausch¬ vorrichtung lässt sich deshalb die Temperatur der Wärmetausch¬ flüssigkeit erheblich (bis zu 10°C) unter die Temperatur der Aussenluft absenken.

- Im Vergleich mit der eingangs beschriebenen Durchlüftungs¬ lösung ist das erfindungsgemässe Klimatisierungssystem effek¬ tiver. Selbst während heisser Tage mit Aussente peraturen um oder gar über 30°C kann die natürliche Erwärmung der Räume im Verlauf des Tages auf einen noch als angenehm oder zumindest erträglich empfundenen Temperaturwert begrenzt werden.

- Die für den Transport der Wärmetauschflüssigkeit erforder¬ liche (elektrische Pump-) Energie ist bei gleichem Wärmetrans¬ port wesentlich (bis zu 20-fach) geringer als die Energie, die bei dem eingangs beschriebenen Durchlüftungsverfahren für den Betrieb der erforderlichen Gebläse aufgebracht werden muss.

- Bezieht man den Energieaufwand für den Betrieb der Wärme¬ tauschvorrichtung mit ein, so ist der Energiebedarf bei dem

erfindungsgemässen Klimatisierungssystem immer noch wesentlich (bis zu 4-fach) günstiger als bei der eingangs beschriebenen Durchlüf ungslösung.

- Für die Rohrleitungen des Wärmetauschflüssigkeits-Kreislaufs wird kein extra Raum im Gebäude benötigt. Mit dem erfindungs¬ gemässen Klimatisierungssystem ausgestattete Gebäude können deshalb mit geringerer Geschosshöhe gebaut werden als Gebäude, beim denen die eingangs beschriebene Durchlüftungslösungs ein¬ gesetzt wird.

- Insgesamt ergibt sich gegenüber der eingangs beschriebenen Durchlüftungslösung bei gleich grossen zu klimatisierenden Räu¬ men eine erhebliche Kostenersparnis.

Weiterbildungen sowie Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Hervorzuheben ist hier vor allem bei Räumen mit Betondecke die vorzugsweise Einbettung der Rohrleitungen des Wärmetausch- flüssikeits-Kreislaufs in den Beton der Betondecke, vorzugs¬ weise in deren unterem Bereich. Dadurch dass der Wärmeaustausch zwischen dem Beton und der Wärmetauschflüssigkeit etwa doppelt so gross wie der zwischen der Raumluft der Wärmetauschflüssigkeit ist, kann die Betonmasse der Decke in der Nacht unter den Wert der Temperatur der Raumluft abgekühlt werden. Die Betonmasse der Decke akkumuliert während der Nacht sozusagen "Nachtkühle" und wirkt auf Grund ihrer relativ grossen Wärmekapazität als Kältespeicher mit einer mehrstündigen Zeitkonstante. Die Erwärmung der zu klimatisierenden Räume während des Tages wird dadurch verzögert und auch reduziert. Eine Teil- oder Vollkühlung ist bei nicht zu heissem Wetter auch tagsüber möglich.

Als Rohrleitungen können solche verwendet werden, wie sie heute üblicherweise für Fussbodenheizungen verwendet werden. Entspre¬ chend kann die Art der Verlegung der Rohrleitungen in Serpen-

tinen sowie ihr gegenseitiger Abstand gemäss den Regeln für Fussbodenheizungen vorgenommen werden. Auch können die Rohr¬ leitungen in mehreren einzelnen, durch Ventile absprerrbaren Strängen verlegt werden. Die Rohrleitungen können z.B. vor dem Betonieren der Decke an der untersten Lage der Deckenbewehrung oder tiefer im Beton der Decke mittels spezieller Haltelemente befestigt werden.

Die wärmeaktive Decke kann auch durch eine Konstruktion aus selbsttragenden, gerippten oder profilierten Blechen gebildet sein, wobei die Rohrleitungen zwischen Rippen oder in nuten¬ artigen Vertiefungen dieser Bleche eingebettet sind. Je nach Ausführung erlauben die Nuten Deckenaufhängungen ohne Bohrungen, welche die Rohre verletzen könnten.

Mit Vorteil werden auch hierbei wieder die Rohrleitungen zwi¬ schen den Rippen der Bleche oder in den nutenartigen Vertie¬ fungen in Mörtel oder Beton eingebettet.

Als Wärmetauschvorrichtung geeignet ist insbesondere ein Hybridkühlturm. Bei einem Hybridkühlturm fliesst die Wärme¬ tauschflüssigkeit durch aussenseitig mit einer weiteren Flüs¬ sigkeit, insbesondere Wasser berieselte und von der Aussenluft umströmte Wärmetauschelemente.

Anstatt eines HybridkühIturms kann auch eine Kombination eines Wärmetauschers mit einem Hybridkühlturm vorgesehen werden, wo¬ bei der Wärmetauscher von der durch die Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke fliessenden Warmetauschflüssikeit und einer zweiten Wärmetauschflüssigkeit ohne direkte gegenseitige Berüh¬ rung durchströmt wird. Im Wärmetauscher wird die von der erst¬ genannten Wärmetauschflüssigkeit in der wärmeaktiven Decke auf¬ genommene Wärme wenigstens teilweise auf die weitere Wärme¬ tauschflüssigkeit übertragen. Die zweite Wärmetauschflüssigkeit fliesst dann im Hybridkühlturm durch aussenseitig mit einer weiteren Flüssigkeit, insbesondere Wasser berieselte und von der Aussenluft umströmte Wärmetauschelemente und gibt dabei

ihrerseits wenigstens teilweise die im Wärmetauscher aufgenommene Wärme an die Aussenluft ab. Insbesondere zur Vermeidung von Vereisungsproblemen kann die zweite Wärmetauschflüssigkeit ein Frostschutzmittel mit einen gegenüber der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit erniedrigten Gefrierpunkt sein.

Alternativ kann als Wärmetauschvorrichtung auch eine Kombina¬ tion eines Wärmetauschers mit einem von der Aussenluft durch¬ strömten Nasskühlturm eingesetzt werden. Der Wärmetauscher wird dabei, wie im Beispiel zuvor, von der durch die Rohrleitungen in der wärmeaktiven Decke fliessenden Warmetauschflussikeit und einer zweiten Wärmetauschflüssigkeit ohne direkte gegenseitige Berührung durchströmt. Im Wärmetauscher wird, wie zuvor erläu¬ tert, die von der erstgenannten Wärmetauschflüssigkeit in der wärmeaktiven Decke aufgenommene Wärme wenigstens teilweise auf die zweite W rmetauschflussigkeit übertragen. Nachfolgend wird die zweite W rmetauschflussikeit durch Verrieselung in dem Nasskühlturm im Gegenstrom der Aussenluft abgekühlt.

Die Zirkulation der Warmetauschflüssigkeit/en wird mittels Pumpen aufrechterhalten. Als Wärmetauschflüssigkeit kommt in erster Linie Wasser in Frage, ggf. mit die Korrosion verhin¬ dernden Zusätzen oder mit Zusätzen zur Gefrierpunktserniedri¬ gung. Das zur Verdampfung vorgesehene Wasser kann normales oder behandeltes Wasser sein, wobei es sich um Trinkwasser, Regenwasser oder andere Wässer handeln kann.

Das erfindungsgemässe Klimatisierungssystem lässt sich mit Vorteil nicht nur zur Raumkühlung im Sommer, sondern daneben auch zu Heizzwecken im Winter verwenden. Dazu wird in den War¬ metauschflüssikeits-Kreislauf alternativ zu der Wärmetauschvor¬ richtung einfach eine Wärmequelle integriert. Von Bedeutung für die Wirksamkeit dieser Heizung ist die Tatsache, dass die zur Heizung erforderliche Heizleistung selbst bei extrem niedrigen Aussentemperaturen im Winter wesentlich geringer als die zur Kühlung benötigte Kühlleistung im Sommer ist. Das für eine op-

timale Kühlung im Sommer speziell ausgebildete erfindungs- gemässe Klimasystem kann daher, insbesondere bei gut isolierten Bürogebäuden, durchaus für die erforderliche Raumheizung im Winter ausreichend sein.

Eine Begrenzung der Heizleistung der wärmeaktiven Decke ergibt sich insofern, als eine Wärmeabgabe über die Decke von mehr als etwa 12-15 W/m2 als unangenehm empfunden wird. Andererseits ist auch die maximale Kühlleistung begrenzt durch die Tatsache, dass bei einer Deckentemperatur unterhalb von etwa 18°C die Gefahr von Kondenswasserbildung an der Decke besteht. Durch Entfeuchtung der Frischluft kann diese Temperatur jedoch gesenkt werden.

Zur noch besseren Ausnutzung von Nachtkühle oder Tageswärme kann das erfindungsgemässe System auch noch um einen an den Warmetauschflüssigkeits-Kreislauf anschliessbaren Kälte- oder Wärmespeicher ergänzt werden.

Im Hinblick auf die meist auch noch erhobene Forderung nach einer ausreichenden Frischluftzufuhr kann schliesslich auch noch eine Verdrängungslüftung der Räume vorgesehen sein. Diese Art der Frischluftzufuhr ist speziell geeignet zur Anwendung im Rahmen des erfindungsgemässen Klimatisierungssystems. Dabei wird Frischluft mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit und einer Temperatur nur wenig unterhalb der Raumtemperatur in Bodennähe in die zu klimatisierenden Räume eingeführt wird und zwar derart, dass sich in Bodennähe ein Frischluftsee ausbilden kann. In der Nähe der Decke, vorzugsweise auf einer gegenüber¬ liegenden Raumseite, wird dann die gleiche, zwischzeitlich erwärmte und aufgestiegene Luftmenge aus den Räumen abgezogen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er¬ findung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen er¬ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt einen Büroraum mit einem wärmeaktiven Decke sowie einer Verdrängungslüftung;

Fig. 2 schematisch einen Warmetauschflüssikeits-Kreislauf mit einem Hybridkühlturm;

Fig. 3 in einem Diagramm die mit einem System nach der Erfindung theoretisch erreichbare Abkühlung ;

Fig. 4 in einem Diagramm den Verlauf der Aussenlufttemperaur, während einer Sommerwoche gegen einen typischen zugehörigen Verlauf der Innenluftemperatur eines erfindungsge äss klimatisierten Raumes sowie der zugehörigen Temperatur der Wärmetauschflüssigkeit; und

Fig. 5 in einem Histogramm die sich ergebende zugehörige Häufigkeitsverteilung der Innenlufttemperaturen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 1 ein Büroraum bezeichnet. In der Betondecke 2 des Büroraumes 1 sind Rohrleitungen 3 wie sonst bei Fuss- bodenheizungen im Fussboden üblich eingebettet. Die Rohrlei¬ tungen 3 sind Teil eines Warmetauschflüssigkeits-Kreislaufs 4, welcher in Fig. 2 dargestellt ist. Weiter integriert in diesen Kreislauf ist ein Hybridkühltürm 5. Dieser weist Wärmetauschelemente 6 auf, durch welche die Wärmetauschflüssigkeit strömt. Ein Ventilator 7 sorgt für einen Strom von Aussenluft an den Wärmetauschelementen 6 entlang. Neben dem Kreislauf 4 ist ein weiterer Flüssigkeitskreislauf 8 vorgesehen. Durch diesen Kreislauf 8 werden die Wärmetauschelemente 6 mit Wasser von oben berieselt. Zur Erzeugung einer Stömung im Kreislauf 4 dient eine Pumpe 9. Im Kreislauf 8 sind dazu entsprechend eine oder zwei Pumpen 10

bzw. 11 vorgesehen (je nach Fabrikat und Leistung). Das zur Verdampfung vorgesehene Wasser kann zum Teil gespeichertes oder behandeltes Regenwasser sein.

Die Funktion des vorbeschriebenen Systems ist wie folgt: Die im Hybridkühlturm verrieselte und an den Wärmetauschelementen 6 nach unten fliessende Flüssigkeit des Kreislaufs 8 verdampft zum Teil unter Erhöhung der Feuchtigkeit der durch den Hybridkühlturm 5 strömenden Aussenluft. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird der durch die Wärmetauschelemente 6 strömenden Wärmetauschflüssigkeit des Kreislaufs 4 entzogen. An den Wärmetauschelementen 6 nicht verdampfte Flüssigkeit wird durch Auffangvorrichtungen 12 aufgefangen und zu einem im Kreislauf 8 angeordneten Vorratsgef ss 13 zugeführt.

Anhand des Diagramms von Fig. 3 lässt sich ablesen, dass z.B. bei einer Aussenluft mit einer Temperatur von 32°C und einer relativen Feuchte von 42% (Punkt A) auf die vorbeschriebene Weise theoretisch eine Temperaturreduktion auf 21,8°C (Punkt B) ereichbar ist.

Fig 4. zeigt einen zu erwartenden typischen zeitlichen Verlauf der Temperatur (Kurve I) in einem mit einem erfindungsgemässen System der vorbeschriebenen Art klimatisierten Raum in einem gut isolierten Bürogebäude während einer Hochsommerwoche. Der Verlauf der Aussentemperatur ist im unteren Teil von Figur 4 dargestellt. Daneben ist auch der Verlauf der Temperatur der in der Decke des klimatisierten Raumes zirkulierenden Wärmetausch¬ flüssigkeit dargestellt (Kurve II). Deutlich erkennbar sind die täglichen Schwankungen, wobei die Innenraumtemperatur am Montag Morgen bei etwa 20°C liegt. Im Verlauf der Woche ergibt sich bedingt durch die Wärmeabstrahlung der in den Räumen betrie¬ benen elektrischen Einrichtungen sowie auch durch die Wärme¬ abgabe der sich in den Räumen aufhaltenden Personen von Tag zu Tag ein gewisser mittlerer Temperaturzuwachs. Dieser wird je¬ doch am folgenden arbeitsfreien Wochenende wieder ausgeglichen.

Die täglichen Temperaturschankungen, die für die Aussen- temperatur mehr als 15°C betragen sind durch das erfindungs- gemässe Klimatisierungssystem auf lediglich nur etwa 5,5°C reduziert.

Die Innenraumtempertur geht über den Wert von 26,5°C nicht hinaus. Wie inbesondere anhand des Histogramms von Fig. 5 zu erkennen ist, wird auch dieser Wert nur gegen Ende der Woche sowie kurzfristig vor Büroschluss erreicht, wohingegen die Innenraumtemperatur für den grossten Teil der Bürozeit bei noch komfortabel zu ertragenden 23 - 25°C liegt.

In Figur 1 ist schliesslich noch mit 14 ein Rohrleitungssystem einer Verdrängungslüftung dargestellt. Durch diese wird fen- sterseitig aus dem Fussboden heraus Frischluft mit äusserst geringer Strömungsgeschwindigkeit und daher praktisch unhörbar in den Raum 1 eingeführt. Da die eingeführte Frischluft weiter eine etwas geringere Temperatur als die Raumtemperatur aufweist bildet sie im Fussbodenbereich des Raumes 1 einen Frischluftsee. Erwärmt, beispielsweise durch die Körperwärme der in dem Raum sich aufhaltenden Personen, steigt sie dann nach oben zur Decke und wird dort über Abluftkanäle 15 abgeführt.