DE19609641A1 - Verfahren und System zum Kühlen eines Raumes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Raumes oder mehrerer Räume mit einem fluiden Kühlmedium, welches in einer im wesentlichen freiliegenden Betondecke des Raumes bzw. der Räume in Rohren geführt wird, sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Heiz- bzw. Kühlrohre in eine massive Betondecke einzubetten und einen Raum mit diesen in den Decken eingegossenen wasserführenden Rohren zu kühlen bzw. zu heizen. Ein so ausgestaltetes System ist aber nur eingeschränkt funktionsfähig.

Weiterhin ist bekannt, einen Raum ohne Verwendung von Wasser nur mit Luft zu kühlen. Dabei wird frische und gekühlte Außenluft durch schallabsorbierende und schalldämmende Deckenelemente geführt und über Quelluftauslässe an den be­ grenzenden Raumtrennwänden in den Raum geleitet. Die Verwendung von abgehäng­ ten Deckenelementen bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Betondecke des Raumes gegenüber dem Raum abgedeckt wird und somit eine mögliche lastmindern­ de Speicherwirkung der Betondecke behindert bzw. ausgeschlossen wird, was die erforderliche Kühlleistung des Kühlsystems erhöht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Kühlen eines oder mehrerer Räume vorzuschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll ein Kühlverfahren vorgeschlagen werden, welches es ermöglicht, einen Raum kostengünstiger zu kühlen. Desweiteren soll ein System zum Kühlen eines Raumes vorgeschlagen werden, mit welchem das Verfahren durch­ geführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren von Anspruch 1 sowie ein System mit den in Anspruch 18 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Unteransprüche sind auf zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß Luft als Kühlmedium verwendet wird, welche in einer im wesentlichen freiliegenden Betondecke in Rohren geführt wird. Dadurch wird zum einen die Korrosionsgefahr der Rohre fast völlig ausgeschlossen. Zum anderen ist es möglich, die größtenteils massiv ausgestaltete Betondecke als Wärmespeicher zu verwenden. Dies wird dadurch begünstigt, daß die Betondecke nicht kaschiert ist. Somit ist es nicht erforderlich, die benötigte Kühllei­ stung innerhalb relativ kurzer Zeit aufzubringen. Vielmehr kann die Betondecke vorgekühlt werden, wenn noch keine bzw. nur sehr wenig Kühlleistung erforderlich ist, um dann zum Zeitpunkt maximal erforderlicher Kühlleistung mittels der vor­ gekühlten Betondecke und der Luftkühlung den gewünschten Kühleffekt für einen Raum zu erzielen. In gleicher Weise muß auch die maximal auftretende Kühllast nicht spontan abgeführt werden, sondern kann in der sich dabei geringfügig er­ wärmenden Betondecke gespeichert werden und erst zu einem späteren Zeitpunkt bei geringer Last und tieferer Außentemperatur abgeführt werden. Somit kann die erforderliche Spitzenkühllast reduziert werden, wodurch es ermöglicht wird, Luft als Kühlmedium zu verwenden und ein Kühlsystem einzusetzen, das eine geringere Leistungsfähigkeit und somit geringeren Energieverbrauch aufweist. Vorteilhaft ist auch die hohe Stabilität der Raumtemperatur, da Schwankungen durch die große Wärmekapazität der Betondecke weitgehend verhindert werden. Schließlich wird auch eine Bewehrung der Betondecke für die Kälte-, bzw. allgemein ausgedrückt Wärmeleitung, vorteilhaft genutzt.

Die Kühlleistung von wassergekühlten Kühldecken ist eine stationäre Leistung. Eine stationäre Leistung ist für einen Bürobetrieb mit periodisch intermittierender Nutzung aber nicht erforderlich, da die Kühllast nicht ganztägig auftritt, sondern nur über die Zeitdauer der Nutzung von ca. 8 bis 10 Stunden pro Tag. Der Spitzenwert der Kühllast beträgt ca. 40 bis 60 W/m², wobei die Kühllast über den Tag verteilt grob vereinfacht in Form einer Sinusschwingung vorliegt. Die Kühllast über 24 Stun­ den/Tag beträgt bei dem vorgenannten Spitzenwert nur ca. 300 bis 500 W/m²d. Somit kann unter Berücksichtigung der Speicherwirkung der Decke diese Kühllast mit einer Frischluft-Kühldecke gut abgedeckt werden.

Die mit einer Frischluft-Kühldecke erreichbare Spitzenkühlleistung liegt wegen der geringeren Kühlkapazität der Luft unter dem Wert von wassergekühlten Kühldecken, ist aber überraschenderweise im Normalfall ausreichend. Da die Zuluft bei der Frischluft-Kühldecke dem Raum nicht direkt zugeführt wird, kann bei Bedarf eine relativ hohe Temperaturdifferenz von z. B. -14 K gewählt werden. Unter Berücksich­ tigung einer max. Raumtemperatur von 26°C ergibt sich dabei eine Spitzenkühllei­ stung von ca. 45 bis 50 W/m².

Konventionelle raumlufttechnische Anlagen, speziell mit Kühlung und Befeuchtung, verfügen aus verfahrenstechnischen Gründen über eine zweistufige Aufheizung, Vorwärmung und Nachwärmung. Die Vorwärmung erfolgt überwiegend durch Wärmerückgewinnung. Eine Nachwärmung wird dabei trotzdem erforderlich, z. B. im Entfeuchtungsfall oder wenn in einzelnen Räumen oder Gebäudeteilen nicht die volle Last in Anspruch genommen wird.

Thermodynamisch gesehen kann man die Deckenkühlung durch Frischluft auch als zweite Stufe der Wärmerückgewinnung interpretieren, bei der den Decken die Wärme der Kühllast mit einem Austauschgrad, je nach Dimensionierung von z. B. 80%, entzogen wird. Dies unterscheidet sich damit deutlich von der klassischen Form der thermischen Luftkonditionierung, speziell bei einer Luftverteilung mit Quelluft, bei der eine Nachwärmung der Zuluft auf eine Temperatur von 20°C mit einem zusätzlichen Energieaufwand erfolgt, obwohl in den Räumen eine Kühllast abzudecken ist.

Entscheidend für den extrem niedrigen Energieverbrauch ist die thermodynamisch günstige Lage des "Speichers" Decke. Damit wird eine Nachwärmung der Zuluft ohne Energieaufwand aus der thermischen Last der Räume möglich. Es kann auch eine gleichzeitige Kühlung der Decke, bei einer mittleren Außentemperatur von ca. 8°C, über einen großen Zeitraum des Jahres, ohne Kältemaschine erfolgen. Des­ weiteren steht die Frischluft-Kühldecke zur Nachwärmung der Quelluft, zur Kühlung des Raumes und zur Wärmespeicherung des Spitzenkühllast mit einer guten Lastver­ teilung durch Phasenverschiebung zur Verfügung.

Die Frischluft-Kühldecke hat somit nur eine Kühlfunktion, d. h. die Temperatur der Deckenoberfläche liegt unter der Raumtemperatur. Die Beheizung der einzelnen Räume erfolgt in bekannter Weise durch unter den Fenstern installierte Heizkörper, welche über Heizkörperventile und einstellbare Raumthermostaten geregelt werden können. Damit ist auch eine klare Funktionstrennung gegeben, bei der jede Über­ schneidung oder ein Lastwechsel Heizen-Kühlen entfällt.

Bedingt durch die inneren Lasten und den flachen Sonnenstand tritt die höchste Kühllast vielfach im Frühjahr bei Außentemperaturen auf, bei denen, um den Komfort zu gewährleisten, noch geheizt werden muß. Diese Überschneidung von Heiz-/Kühllast ist bei konventionellen Systemen mit Komforteinbußen oder mit einem höheren Energieverbrauch verbunden.

Bekannte Systeme mit Kühldecken benötigen eine Sequenz Heizen - Kühlen mit einer zwischenliegenden Totzone, um eine Überschneidung mit höherem Energieverbrauch zu vermeiden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt diese Sequenz Heizen - Kühlen inklusiv Totzone, wodurch die Regelqualität höher und der Energieverbrauch gesenkt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die Kühlung der Betondecke mit Luft überwiegend nachts vorzunehmen, da nachts zum einen günstiger Nachtstrom genutzt werden kann und zum anderen die Nachttemperatur zur Auskühlung durchschnittlich kühler ist als die Tagestemperatur. Somit wird der "Speicher" Betondecke ca. acht Stunden pro Tag "aufgeladen", wohingegen für die "Entladung" 16 Stunden pro Tag zur Verfü­ gung stehen. Somit können die erforderlichen Kosten wesentlich reduziert werden, da zum Beispiel keine hohen Kühllastspitzen mit einer wassergekühlten Kühldecke spontan, d. h. zum Zeitpunkt des Entstehens, abgeführt werden müssen.

Bevorzugt wird, vorzugsweise bei besetzten Räumen, als Kühlmedium Außenluft ohne Umluftbeimischung verwendet. Das heißt, daß mit Frischluft gekühlt wird, wobei sich für den Volumenstrom eine flächenbezogene Außenluftrate von ca. 5 bis 12 m³/hm² als vorteilhaft herausgestellt hat.

Vorteilhaft kann das Kühlmedium Luft auch gefiltert werden, falls dies erforderlich ist. Desweiteren ist es vorteilhaft, das Kühlmedium Luft zu erwärmen, falls zum Beispiel sehr kalte Außenluft verwendet wird, da es im allgemeinen nicht wünschens­ wert ist, eine Kühlung mit sehr kalter Luft vorzunehmen. Natürlich kann auch bei höheren Außentemperaturen eine Kühlung des Kühlmediums Luft, zum Beispiel mit Kaltwasser, erfolgen. Desweiteren ist es vorteilhaft, um eine möglichst komfortable Kühlung zu erreichen, daß die als Kühlmedium verwendete Luft be- bzw. entfeuchtet wird.

Besonders bevorzugt erfolgt die Kühlung der Oberfläche der Betondecke dadurch, daß durch das Kühlmedium Luft der Kern der Betondecke gekühlt wird und somit, bedingt durch die gute Wärmeleitfähigkeit von Beton, eine Kühlung der Decke erfolgen kann.

Vorteilhaft wird das Kühlmedium Luft nach Kühlung der Betondecke einem Raum bzw. mehreren Räumen, insbesondere dem gekühlten Raum bzw. den gekühlten Räumen, als Zuluft zugeführt, so daß keine zusätzlichen Rohre für die Frischluft­ zufuhr erforderlich sind.

Bevorzugt wird die Zuluft dem Raum bzw. den Räumen als Quelluft zugeführt, um so zu verhindern, daß sich ausgeprägte Strömungsrichtungen ausbilden und einen gemeinhin als nachteilig empfundenen "Zug" verursachen. Die Luftverteilung ist aber auch in Form einer diffusen Raumluftströmung und anderen Formen der Luftverteilung möglich.

Vorteilhaft wird, vorzugsweise bei unbesetzten Räumen, zur Vorwärmung des Kühlmediums Umluft verwendet, da so eine Vorwärmung der zeitweise sehr kalten Außenluft sehr energiesparend durchgeführt werden kann.

Bevorzugt erfolgt die Erwärmung der Zuluft energiesparend durch die Kühlung der Decke, d. h. daß die der Betondecke entnommene Wärme zur Erwärmung, ins­ besondere zur Nachwärmung, der Zuluft verwendet wird.

Besonders bevorzugt wird die Decken-Kühlluft in Abhängigkeit von den Stellungen von Temperaturregeleinrichtungen der Heizkörper des bzw. der zu kühlenden Räume eingestellt. Dadurch kann die Kühlung so vorgenommen werden, daß sie auf die gewünschten Temperaturen der einzelnen Räume abgestimmt ist.

Besonders bevorzugt kann die Temperatur und/oder die Menge der Decken-Kühlluft eingestellt werden, so daß durch diese Einstellungen eine Veränderung der Kühllei­ stung vorgenommen werden kann.

Vorteilhaft wird die Temperatur und/oder die Menge der Decken-Kühlluft in Abhän­ gigkeit vom Mittelwert der ermittelten Stellungen der Temperaturregeleinrichtungen der Heizkörper eingestellt. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch die optimale gewünschte mittlere Kühlleistung ermittelt werden kann. Desweiteren ist es vorteilhaft, be­ stimmte untere und obere Grenzwerte für die Temperatur und/oder Menge der Decken-Kühlluft vorzusehen, um so einen Betrieb des Kühlsystems innerhalb vernünftiger Grenzen sicherzustellen. Es ist auch denkbar, die oben genannten Einstellungen anhand von Daten vorzunehmen, welche in Referenzräumen ermittelt werden.

Besonders bevorzugt werden zur Einstellung der Decken-Kühlluft die Stellungen von Heizkörperventilen bzw. Raumthermostaten berücksichtigt, da diese ausschlaggebend für die gewünschte Raumtemperatur sind.

Bevorzugt werden die Stellungen der Temperaturregeleinrichtungen über eine Datenleitung, wie zum Beispiel ein Bussystem, zu einem zentralen Rechner über­ mittelt, welcher dann die Steuerung der Parameter der Decken-Kühlluft in Abhängig­ keit von den ihm übermittelten Daten vornehmen kann.

Vorteilhaft wird die Decken-Kühlluft so geregelt, daß eine bestimmte Temperatur des Raumes zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie zum Beispiel zum Beginn der Bürozeit, erreicht werden kann.

Besonders bevorzugt werden für die individuelle Beheizung der einzelnen Räume nur Heizkörper am Fenster verwendet, welche über Heizkörperventile und einstellbare Raumthermostaten geregelt werden können. Bisher war es bei Räumen, welche neben einer Beheizung auch mit einer raumlufttechnischen Anlage ausgestattet waren, üblich, die Zuluft über Nachwärmer bzw. über den Volumenstrom zu regeln. Diese zusätzlichen Geräte, wie Nachwärmer bzw. Volumenstromregler und die dazugehöri­ gen Regeleinrichtungen für die raumlufttechnische Anlage sind jedoch sehr teuer und können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfallen. Somit kann die individuelle Beheizung nur über die Heizkörper, Heizkörperventile und Thermostate erfolgen.

Das System zum Kühlen eines Raumes oder mehrerer Räume weist eine im wesentli­ chen freiliegende Betondecke auf, in welcher Rohre zur Führung von kühlender Luft verlegt sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die oben beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens erreicht werden können.

Besonders bevorzugt bestehen die Rohre zur Führung der kühlenden Luft aus gut wärmeleitendem Material, wie zum Beispiel Aluminium oder einem geeigneten Kunststoff.

Da die luftseitige Wärmeübergangszahl wesentlich geringer als die wasserseitige Wärmeübergangszahl ist, ist eine luftseitige Flächenvergrößerung der Kühlrohre zur Verbesserung der Wärmeübergangszahl erforderlich. Besonders bevorzugt wird dies dadurch erreicht, daß die Rohre an ihrer Innenseite Rippen aufweisen. Natürlich ist es auch vorteilhaft, an der Außenseite der Rohre Rippen vorzusehen, um den Wärmedurchgang zu erhöhen.

Vorteilhaft weisen die Rohre einen Durchmesser von 60 bis 100 mm auf.

Besonders bevorzugt werden die Rohre direkt in den Beton eingegossen, um so eine günstige Lage der Rohre sicherzustellen und die Wärmeleitung zu verbessern.

Erfindungsgemäße Kühlrohre werden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Kühlrohr mit inneren Rippen;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Kühlrohrs mit inneren Rippen; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Kühlrohr mit inneren und äußeren Rip­ pen.

Das in Fig. 1 dargestellte Kühlrohr 1 weist einen in etwa kreisförmigen Querschnitt auf, wobei sich in gleichen Abständen von der Innenseite des Kühlrohres 1 einzelne Kühlrippen 2 zur Mitte hin erstrecken. Die zwischen den einzelnen Kühlrippen 2 liegenden Wandstücke des Rohres 1 sind nach außen gewölbt, um so eine Erhöhung der Oberfläche zur Erhöhung des Wärmedurchgangs zu erreichen. Die einzelnen Kühlrippen 2 ragen bis zu etwa 1/4 des Durchmessers des Kühlrohres 1 in Richtung des Mittelpunktes in das Kühlrohr 1 hinein und weisen eine Dicke auf, welche in etwa der Dicke der Außenwand des Kühlrohres 1 entspricht.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann das Kühlrohr 1 auch eine nicht gewellte äußere Oberfläche aufweisen, also rohrartig ausgebildet sein. Auch bei diesem Kühlrohr 1 sind auf der Innenseite des Kühlrohres 1 Kühlrippen 2 ausgebildet, welche in etwa wie die in Fig. 1 gezeigten angeordnet sind.

Das in Fig. 3 gezeigte Kühlrohr 1 weist, wie das Kühlrohr aus Fig. 1, an seiner Innenseite innere Rippen 2 auf. Desweiteren sind an der Außenseite des Kühlrohres 1 äußere Rippen 3 vorgesehen, um somit den Wärmedurchgang vom Kühlrohr 1 über die äußeren Rippen 3 zur Betondecke zu erhöhen und somit eine bessere Kühlung der das Rohr 1 bzw. die äußeren Rippen 3 umgebenden Betondecke zu erreichen.

Claims (24)

1. Verfahren zum Kühlen eines Raumes oder mehrerer Räume mit einem fluiden Kühlmedium, welches in einer im wesentlichen freiliegenden Be­ tondecke des Raumes bzw. der Räume in Rohren geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Luft verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Betondecke mit Luft zumindest zeitweise in den Nachtstunden erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, vorzugs­ weise bei besetzten Räumen, als Kühlmedium Außenluft ohne Umluft­ beimischung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flächenbezogene Außenluftrate in dem Bereich von 5 bis 12 m³/hm² liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlmedium Luft gefiltert oder erwärmt bzw. gekühlt oder be- bzw. entfeuchtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlung der Oberfläche der Betondecke dadurch erfolgt, daß der Kern der Betondecke gekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlmedium Luft nach Kühlung der Betondecke einem Raum bzw. mehreren Räumen, insbesondere dem betreffenden Raum bzw. den betreffenden Räumen, als Zuluft zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuluft dem Raum bzw. den Räumen als Quelluft oder als diffuse Raumluftströmung zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, vorzugsweise bei unbesetzten Räumen, zur Vorwärmung des Kühlmediums Umluft verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die der Betondecke entnommene Wärme zur Erwärmung, ins­ besondere zur Nachwärmung, der Zuluft verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stellungen von Temperaturregeleinrichtungen der Heiz­ körper des Raumes bzw. der Räume ermittelt werden, und daß die Decken-Kühlluft in Abhängigkeit von den ermittelten Stellungen eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur und/oder Menge der Decken-Kühlluft einge­ stellt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur und/oder Menge der Decken-Kühlluft in Ab­ hängigkeit vom Mittelwert der ermittelten Stellungen und/oder einer Mini­ mal-/Maximalbegrenzung eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Temperaturregeleinrichtungen Heizkörperventile bzw. Raumthermostate verwendet werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Signale für die Stellungen der Temperaturregeleinrichtungen über eine Datenleitung, insbesondere ein Bussystem, zu einem zentralen Rechner übermittelt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Decken-Kühlluft so geregelt wird, daß eine bestimmte Temperatur des Raumes zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht werden kann.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die individuelle Beheizung der einzelnen Räume ausschließlich Heizkörper am Fenster verwendet werden, die über Heiz­ körperventile und einstellbare Raumthermostaten geregelt werden können.

18. System zum Kühlen eines Raumes bzw. mehrerer Räume mit einer im wesentlichen freiliegenden Betondecke des Raumes und Rohren zur Füh­ rung von kühlender Luft in der Decke.

19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus gut wärmeleitendem Material bestehen.

20. System nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus Metall, insbesondere aus Aluminium, bestehen.

21. System nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus Kunststoff bestehen.

22. System nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre an ihrer Innen- und/oder Außenseite Rippen aufweisen, um den Wärmedurchgang zu erhöhen.

23. System nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre einen Durchmesser von weniger als 150 mm, insbesondere von 60 bis 100 mm, aufweisen.

24. System nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre direkt in den Beton eingegossen werden.