具有被动应急冷却模式的通风空调系统的制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种用于房间的通风空调系统。本发明还涉及一种对应的操作方法。

背景技术：

现代的i&c控制系统，特别是在核电站中，具有向安装室中更强的散热，并且冷却功能变得更加重要。通常，冷却通过主动通风空调系统将冷却空气吹入安装室中来实现。在丧失主动冷却功能的情况下，在所安装设备达到最大允许温度之前的宽限期通常仅为大约2小时。

技术实现要素：

本发明的目的是在特别是由于断电而丧失主动冷却功能的情况下，为主动通风空调系统提供某种应急冷却。特别地，应延长当前的宽限期。该系统应工作可靠，并且应易于安装和维护。

根据本发明，该目的通过一种包括权利要求1的特征的通风空调系统来实现。

因此，提出了一种用于建筑物中的房间的通风空调系统，该房间包含热源，并且该通风空调系统包括冷却空气供给和通风管道，

·该通风管道包括连接到冷却空气供给的主入口和通向房间的出口，

·其中，多个蓄热元件布置在主入口与出口之间的通风管道内部，

·使得在冷却空气供给的运行期间，存在穿过通风管道的强制冷却空气流，从而冷却蓄热元件，

·其中，存在进入通风管道中的副入口，该副入口与房间流体连通，并且在冷却空气供给的运行期间被风门关闭，并且

·其中，风门被设计成当来自冷却空气供给的强制冷却空气流停止时以被动方式自动打开，

·使得支持穿过通风管道的自然对流气流，其中，自然对流气流通过将热量传递给蓄热元件而被冷却。

简而言之，基本思想是借助于蓄热元件和被动止回风门从主动房间冷却被动切换到被动冷却。存在从强制冷却模式到自然对流冷却模式的被动切换，在强制冷却模式中，冷却通风管道内部的蓄热元件，在自然对流冷却模式中，先前冷却的蓄热元件为自然对流气流提供冷却能力。因此，如果主动冷却子系统停止运行(例如，由于电力中断)，则在几个小时的宽限期内仍然存在一些应急冷却(直到超过蓄热元件的冷却能力为止)。在被动冷却之后，当主动子系统恢复时，系统自动切换回到正常冷却功能。

优选地，蓄热元件包括相变材料。相变材料(pcm)是具有高熔化热的物质，在某一温度下熔化和固化的该物质能够存储和释放大量能量。当材料从固体变成液体时，吸收热量，反之释放热量；由此，pcm被分类为潜热存储单元。

优选地，相变材料在主要从16℃至30℃的温度范围内经历固-液相转变。

优选地，相变材料基于或包括水合盐。优点包括：高体积潜热存储容量、易得、低成本、相对明确熔点、高热导率、高熔化热、不易燃。

优选地，蓄热元件分别具有板状或片状形状。因此，它们可以平行地和/或在彼此后方(在所谓的块中)堆叠，其间具有用于气流的间隙。

优选地，风门被设计成在冷却空气供给的运行期间由于通风管道内部的普遍气流压力而以被动方式自动关闭。

优选地，作用在风门上的打开力由质量块和/或弹簧实现。因此，该打开力永久地作用在风门上，并且一旦关闭力降到打开力以下，就打开风门。

优选地，通风管道的出口靠近房间的地板放置，并且副入口靠近房间的天花板放置，以便支持自然对流气流。出于相同的原因，通风管道基本上是直线的并且竖直地对齐。

对应操作方法的特征在于：在冷却空气供给的运行期间，通过强制的冷却空气流来冷却蓄热元件，其中，在随后的自然对流模式期间，蓄热元件充当用于自然对流气流的冷却器。

总之，根据本发明的通风空调系统的优选实施方式如下运行：

a)在正常运行中，供应空气被引导穿过容纳pcm模块(优选地安装在经过地震考验的构造中)的壳体。

b)具有大约+17℃温度的供应空气冻结模块内部的pcm。

c)壳体内部的pcm模块的块被设计成在正常运行中用强制气流产生一定的压降。

d)经由pcm模块的块的空气的该差压确保了优选具有重量杠杆的专用止回风门保持关闭，使得空气必须穿过pcm模块，以保持它们永久地冻结在+17℃，使得具有pcm模块的安全分类壳体潜在地永久可用。

e)在正常运行中，供应空气在地板区域离开pcm块壳体，并通过地板中的自由通风来分配到待冷却设备(较高密度的冷供应空气将气流保持在低房间水平)。

f)在供应空气损失(主动冷却气流的任何损失)的情况下，安装在结构的上部中的专用止回风门打开。

g)房间内部的空气由电气(或其它散热)设备加热并上升到房间天花板。

h)在那里，受热的空气通过打开的止回风门(几乎没有由于低气流引起的压力损失)进入pcm块壳体。

i)空气流过竖直安装的pcm模块之间的间隙，并且当通过pcm板的表面时冷却。空气的热量传入pcm材料中，该pcm材料在一定温度范围内具有明显的峰值，其中，由于潜热包含到pcm材料中，所以空气温度几乎恒定。

j)天花板下的室内空气温度升高的越暖，pcm块外部和内部的空气密度差越高。利用该差，只要pcm的温度低于室内空气温度，就产生并维持在pcm模块之间的间隙中的固有安全的对流气流。pcm在宽范围的熔化能力内的恒温是潜在能量存储的主要积极效果，并且有益于房间空气温度行为。

k)冷却的空气在地板区域中离开pcm块，并通过自然通风被引导到生热设备。

l)在强制通风被再次启动(电力的重新通电)的情况下，专用止回风门再次关闭，并且pcm模块被再次冻结。

m)在pcm块上游和下游的可选温度测量确保了关于pcm模块的热负载条件的可靠信息。

n)系统在没有附加的电气设备的情况下工作(除了用于热负载条件的可选温度测量)。

根据本发明的系统确保了在被称为“宽限期”的特定时间段内的房间的固有安全冷却。在该限定的宽限期期间，不超过最大可允许房间空气温度，使得安装的设备可以在限定的房间空气条件内运行。

所需的宽限期是用于确定通风管道内部的pcm的安装质量块的大小的基础。24小时的宽限期可凭借可承受的努力来实现。在此基础上，提高房间冷却的安全性，并且在核环境中，可以降低房间冷却hvac系统的主动零件的分类，这导致成本的大量降低。

【附图说明】

本发明的示例性实施方式在所附示意图中示出，并且在随后的段落中更详细地描述。

图1示出了包含数个电或电子仪表和控制(i&c)部件的房间的顶视图，这些部件在运行期间产生废热。

图2示出了沿着图1所示的交叉处的房间的侧面剖视图，其中，安装通风空调(vac)系统，并且通过指示气流的箭头来使主动通风模式可视化。

图3示出了图1的侧面剖视图，其中，使被动通风模式可视化。

图4示出了图2和图3中看到的通风管道的更详细的剖视图。

贯穿附图，类似的部件标记有相同的附图标记。

【具体实施方式】

图1示出了房间2(特别是核电站中的控制室)的顶视图，该房间包含在运行期间产生废热的数个电/电子部件，特别是仪表和控制(i&c)部件4。为了将室温保持在可接受的最大值以下，存在在运行期间将冷却空气吹到房间2中的通风空调(vac)系统6。在一些实施方式中，存在集成的附加供暖系统，这产生组合的暖通空调(hvac)系统。

vac系统6的正常运行模式在图2中可视化，该图示出了沿着图1中指示的交叉处的房间2的侧面剖视图。以示例的方式，i&c部件4放置在房间2的中心区域中的机柜8内部。相应的vac系统6包括在入口侧上连接到冷却空气供给12的通风管道10。仅在图2中示意性地指示的冷却空气供给12可以布置在房间2的外部。除了出口14之外，通风管道10还可至少部分地布置在房间2的外部(进一步参见下文)。通风管道10可以包括这里未示出的另外部分。冷却空气供给12可以包括例如具有蒸汽压缩循环或热电冷却的制冷机型的电空气冷却器、以及用于生成穿过通风管道10的强制冷却气流的风扇或通风机。在正常运行期间，冷却空气在通向房间2的出口14处离开通风管道10。以示例的方式，出口14布置为在围绕i&c部件4的周边区域中靠近房间2的地板16。因此，冷却空气流经这些部件，并且从部件出现的废热传递到气流。然后，借助于另一个风扇，经由排气口18从房间2抽吸受热气流，该排气口优选地位于房间2的上部区域中，在天花板20下方不远处。在图2中，穿过通风管道10和穿过房间2的气流通过对应的箭头可视化。

如果例如由于电力的失去，冷却空气供给12停止运行，则房间2内以及i&c部件4之间的温度可能很快就超过临界值。为了处理这种情况，根据本发明的vac系统6配备有被动(应急)冷却系统以及从主动冷却模式到被动冷却模式的被动切换机构。该被动冷却模式在图3中例示，图3示出了与图1中相同的房间2的侧面剖视图。被动冷却系统和被动切换机构的细节以剖视图在图4中示出，这两者集成在通风管道10内或附接到通风管道。

如可以从图3且在图4中更详细地看到的，通风管道10或通道优选地包括竖直对齐的直线部分，该直线部分对应于正常冷却运行期间向下引导的冷却气流。通风管道10被壳体22围住。在顶部存在主入口24，该主入口经由供气管道流体地连接到冷却空气供给12。在底部，优选地布置为略高于房间2的地板16，存在通向房间2的出口14。出口14可以包括格栅26。

在通风管道10内部，存在数个蓄热元件30，这些蓄热元件借助于支撑结构32布置，使得在正常运行期间，由冷却空气供给12提供的强制冷却空气流流经蓄热元件。存在由蓄热元件30引起的一些压降，但在蓄热元件30之间和/或在蓄热元件30与壳体22之间的剩余自由空间确保了穿过通风管道10的气流不被阻挡。优选地，蓄热元件30具有板状形状，其平坦侧平行于由箭头指示的主流动方向对齐。蓄热元件中的几个可以平行地和/或相对于流动方向在彼此后面地安装。蓄热元件30优选地由相变材料(pcm)34制成或包括该材料，因此，它们也被称为pcm元件或pcm块或pcm板或pcm模块。pcm34被选择为使得在正常运行期间，由例如具有17℃温度的冷却空气供给12提供的冷却空气冻结pcm34，使得其处于固态。

因此，在正常运行期间，穿过通风管道10的强制冷却气流冷却并冻结蓄热元件30，并使它们为随后的应急冷却模式做准备。在经过蓄热元件30之后，冷却的空气在出口14处离开通风管道10，吹入到机柜8之间的房间地板区域。作为i&c废热的结果的受热空气上升，并在天花板20下方的排气口18处从房间2抽出。

在蓄热元件30的上游，即，在它们的上方，存在进入通风管道10中的副入口36，该副入口与房间2流体连通。优选地，副入口36布置在房间2的天花板20附近。在冷却空气供给12的正常运行期间，副入口36被风门40或翻门关闭。然而，在(h)vac运行丢失的情况下，风门40自动打开，如下面进一步描述的。由于房间2中的普遍温度分层，温度在例如24℃至52℃范围内的热空气现在经由副入口36进入通风管道10，并且将热量散发到其中的蓄热元件30，热空气从而被冷却并且在与主动冷却模式下相同的流动方向上下沉。这样，只要不超过蓄热元件30的冷却能力，就建立并支持穿过房间2并穿过通风管道10的自然对流流动。该被动冷却模式在图3中通过指示流动方向的箭头可视化。

在被动冷却过程期间，蓄热元件30的pcm34被经过的热气流加热，从而将其状态从固态变为液态(熔化)。由于所涉及的相变和相应的潜热，可以实现相当大的蓄热容量。由此，pcm元件充当潜热存储，这为自然对流气流提供冷却能力。因此，pcm34的温度保持大致恒定，直到其完全熔化为止。

图4所示的通风管道10可布置在房间2内，即，布置在围墙48所围的空间内，如图3所示。然而，在另选实施方式中，通风管道10可放置在墙壁48本身内部或在另一房间中的墙壁48之外，只要副入口36和出口14分支到房间2中即可。然而，优选的是保持整个流路相当短且为直线的，以便支持自然对流流动。在任一实施方式中，优选在壳体22内和/或周围包括隔热材料。壳体22中的维护门或窗也是有利的，其便于接近蓄热元件30。整个壳体22优选地具有模块化结构，由此便于容易的安装和扩展(如果需要)。在通风管道10底部的底架50确保了地板16上的牢固且振动安全的站立。优选地，在顶部的连接件60确保了到来自冷却空气供给12的供气管道的挠性连接。蓄热元件30所附接到的内部支撑结构32优选地被设计成承受并吸收或抑制地震载荷。

对于从主动到被动冷却运行的完全被动切换，在副入口36内或之后不远放置有专用的止回风门或简单地为风门40，该风门在主动冷却运行期间借助于强制气流的普遍压力而自动关闭，假定由蓄热元件30引起背压。风门40被设计成当强制冷却空气流并因此相应的关闭压力停止时以被动方式自动打开。这优选地通过弹簧元件和/或通过质量块52和/或其自身重量将风门40拉到打开状态来实现。可以存在杠杆54，特别是弹簧和/或重量加载的杠杆，以便将打开力增加到合适的水平。换言之，风门40借助于弹簧力和/或重量拉动并且在静止位置中保持打开，并且仅通过通风管道10内部的强制流动引起的压力关闭，该压力超过打开力。在强制通风和冷却恢复之后，风门40自动地再次关闭，使得储热元件30被冷却并再次冻结。

结构的细节可以在一定程度上变化。例如，主入口24和副入口36可以如图2和图3所示地放置在壳体22顶部的相对侧上，或者另选地并排或在彼此上方或以任何其它合适的方式放置。在图4所示的另选实施方式中，主入口和副入口可以放置在借助于连接件60连接到壳体22的供气管道62的一部分内。在这种情况下，供气管道62的相应部分可以被当做通风管道10的一部分。附加的导叶66对于向止回风门给予(关于主动通风气流的叙述)足够的推动力以将位置从打开变为关闭可以是有利的。当然，若干通风管道10可以放置在单个房间2内，优选地相对于由冷却空气供给12提供的强制气流成平行构造。在这种情况下，供气管道62包括如图1所示的相应分支。当然，房间2内部的热源可以是与迄今为止描述的电/电子部件不同的类型。

总而言之，在(h)vac运行丧失之后，实现了被动(应急)冷却的相对长的宽限期，优选地在核环境中为24小时，条件是根据实际冷却需要适当地选择蓄热元件30的数量、特定pcm34以及流动通道的几何形状。

蓄热元件30的pcm34优选地被选择为使得它在与由冷却空气供给12提供的冷却气流接触时被冻结，该冷却空气供给通常具有在16℃至30℃范围内的温度。另一方面，在自然对流模式期间，pcm34优选地在16℃至30℃范围内的熔化温度下熔化。至于这一点，必须考虑该冻结/熔化滞后。

合适的材料包括石蜡或水合盐。优选基于水合盐的pcm块，因为它们不可燃或至少几乎不可燃。此外，当经历若干次冻结和熔化循环时，它们不具有不利地影响它们的蓄热容量的记忆效应。水合盐还具有高体积潜热存储容量。

在实验和数值计算期间，证实了在通风管道10内部的例如400个这种水合盐pcm块的叠层能够用12件这种通风管道10在至少24小时内以大约25.5kw的热负荷为大约160m²面积和3.4米高度的房间提供所需的总冷却能力，对于，该总冷却能力在大约2200000kj的范围内，每个块具有大约1100×700×2500mm的尺寸、大约1400kg的重量(包括壳体和底架)以及大约183000kj的热容量。

附图标记的列表

2房间

4i&c部件

6vac系统

8机柜

10通风管道

12冷却空气供给

14出口

16地板

18排气口

20天花板

22壳体

24主入口

26格栅

30蓄热元件

32支撑结构

34pcm

36副入口

40风门

44气流

48墙壁

50底架

52质量块

54杠杆

60连接件

62供气管道

66导叶