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Anlage zum Beheizen eines Raumes mittels Heizrastern
Es ist bekannt, Räume dadurch zu beheizen, dass in dem Boden oder in den Mauern von einem war- men Strömungsmittel durchströmte Leitungen angeordnet werden. Nach ihrer Erwärmung senden die Wän- de des Raumes eine wärmende Infrarotstrahlung aus.
Dieses Heizsystem muss jedoch bei der Herstellung des Raumes eingebaut werden. Ausserdem weist es den Nachteil einer beträchtlichen Wärmeträgheit auf, so dass es raschen Änderungen der Aussentemperatur nicht angepasst werden kann.
Ferner sind Heizungen mit Infrarotstrahlung unter Ausnutzung der elektrischen Energie bekannt, deren Strahlungsquellen auf Rotglut gebrachte elektrische Widerstände sind, welche ein verhältnismässig konzentriertes Infrarotbündel liefern. Aus diesem Grund ist dieses System, welches den Vorteil einer ge- ringen Wärmeträgheit besitzt, nur für eine Zusatzheizung oder eine stark lokalisierte Heizung geeignet.
Die Erfindung beseitigt diese Nachteile und ermöglicht die Heizung eines gesamten Raumes durch In- frarotstrahlung elektrischen Ursprunges mit einem wirtschaftlichen Stromverbrauch.
Hiezu verwendet die Erfindung eine Anlage, die als Heizmittel längs der Wände des Raumes ange- ordnete Heizraster benützt. Unter Heizraster ist eine Anordnung isolierter elektrischer Widerstandsdrähte zu verstehen, die nur auf eine geringe Temperatur gebracht werden und z. B. parallel zueinander in ge- ringen gegenseitigen Abständen voneinander gespannt sind.
Die erfindungsgemässe Ausgestaltung derartiger Anlagen besteht im wesentlichen darin, dass die von den Rastern einer bestimmten Wand des Raumes ausgestrahlte Wärmeleistung dem Wärmeverlust der Ge- samtfläche dieser Wand proportional ist und ausserdem proportional ist dem dieser Wand entsprechenden
Anteil an den Wärmeverlusten der nicht mit Heizrastern ausgestatteten Wände, Fussböden und Decken des
Raumes und an andern, die Gesamtheit des Raumes treffenden Verlusten, insbesondere infolge des Ein- dringens von Luft.
Es ist bereits bekannt, einen Raum durch Heizelemente zu beheizen, die längs seiner Wände ange- ordnet sind. Auch ist es bekannt, hiezu elektrische Widerstandsdrähte zu verwenden, die parallel ange- ordnet sind, sich über eine beträchtliche Länge der Wand erstrecken und mit niedriger Spannung gespeist werden (Schweizer Patentschrift Nr. 165085, franz. Patentschrift Nr. 994. 790 und deutsche Patentschrift
Nr. 49878). Weiter ist es bekannt (brit. Patentschrift Nr. 225, 654), die Heizfäden auf einem Rahmen mä- anderförmig anzuordnen.
Aber keiner der genannten Druckschriften ist der Vorschlag zu entnehmen, die Parameter des Heiz- rasters so zu bestimmen, dass die von diesem ausgehende Wärmeleistung proportional dem Wärmeverlust jener Wand ist, in deren Nähe er liegt. Die eben erwähnten Heizanlagen zeigen durchwegs eine gleich- mässige Ausstattung der Wände, gleichgültig, ob diese Wände aus nackten Mauern bestehen oder ob sie
Türen oder Fenster enthalten. Überdies wird auch dem Durchgangskoeffizienten der Wand und dem Tem- peraturgradienten quer durch dieselbe nicht Rechnung getragen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 - 5 der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt im geschnittenen Grundriss einen mit der erfindungsgemässen Heizanlage ausgerüsteten Raum, Fig. 2 einen lotrechten Schnitt längs der Linie II-JI der Fig. l. Fig. 3 in abgewinkelter Ansicht unter Wegbrechung von Teilen die Verteilung der Raster auf die Wände des Raumes, Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht eines
Heizdrahtes, Fig. 5 den Querschnitt durch einen ein Heizraster tragenden Rahmen.
Bei dem in den Fig. 1 - 3 dargestellten Beispiel ist der zu beheizende Raum ein Eckzimmer 1, das eine mit einem Fenster 2 versehene Fassadenmauer A, eine fensterlose Scheidemauer B, eine das Zimmer 1 von dem Korridor 3 trennende, mit einer Tür 4 versehene Zwischenwand C und eine weitere, das Zimmer 1 von einem zweiten Zimmer 5 trennende Zwischenwand D aufweist.
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Es ist angenommen, dass die Innentemperatur des Raumes l plus 20 C betragen soll, wenn die Aussen- temperatur t minus 10 C beträgt, wobei angenommen ist, dass im Korridor 3 eine Temperatur t von plus 14 C und im Zimmer 5 eine Temperatur t von plus 20 C herrscht und dass das Zimmer 1 zwischen den Zimmern 6 und 7 (Fig. 2) des oberen und unteren Stockwerkes liegt, und dass in diesen beiden Zimmern eine Temperatur von plus 20 C herrscht. Es sollen dabei nur die Wände A, B und C mit Heizrastern ausgerüstet werden, während die Wand D, der Fussboden 8 und die Decke 9 freibleiben. Die grösste Heizleistung, welche die auf den Wänden A, B und C angeordneten Heizraster ausstrahlen, soll nun dem Verlust der Gesamtfläche des Raumes proportional sein.
Bei Bestimmung dieser Leistung muss zunächst der von der Art der Wand herrührende, durch den Übergangskoeffizienten K bestimmte Eigenverlust berücksichtigt werden.
Beim betrachteten Beispiel ist angenommen, dass K gleich 2,2 für die Wand A ist, mit Ausnahme
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mit Ausnahme der Tür 4, für welche K = 3 angenommen ist, und für die Wand D ist K = 1, 2.
Für diese verschiedenen Oberflächen ist der stündliche Wärmefluss F bestimmt durch : F = K. S. (ti -te). worin S die Oberfläche der Wand bezeichnet, welcher der bestimmte Wert des Koeffizienten K zugeordnet ist.
Man kann so die Eigenverluste der Wände A, B, C bestimmen, während die andern Wände voraussetzungsgemäss einen Verlust Null haben. Bei den Wänden A und C, bei welchen die für die Anbringung der Heizraster verfügbare Oberfläche kleiner als die Gesamtfläche der Wand ist, werden die oben berechneten Wärmeverluste auf die verfügbare Fläche zurückgeführt. Ferner werden diese Verluste anteilmässig um den Wärmeverlust vermehrt, der vom Eindringen kalter Luft in den Raum durch die Tür und das Fenster herrührt.
Man gelangt so zu folgenden Verlustwerten :
Wand Verlust (Kalorien/Stunden oder Watt/Stunde)
A Qa = 1, 150 cal/h = 1, 350 W/h
B Qb = 865 cal/h = 1, 000 W/h
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D Qd = 0 Die Wände A, B, C werden mit Heizrastern Ta-Tbl T ausgerüstet, deren stündliche maximale Strahlungsleistung bei einer Aussentemperatur von -100e glelch Qa bzw. Qb bzw. Qc sein muss, wobei
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Raum befindlichen Personen die gewünschte Behaglichkeit zu verschaffen.
Der Ausdruck Raster bezeichnet eine oder mehrere Schichten elektrischer Widerstandsdrähte, die sich über die ganze Höhe der verfügbaren Fläche der Wand erstrecken.
Die Ausführung dieser Raster ist weiter unten beschrieben. Hier sei nur angegeben, dass dieser Raster von einem kontinuierlichen Widerstandsdraht 11 gebildet wird, der mäanderförmig angeordnet ist und sich über die ganze Höhe der Wand erstreckt (Fig. 3). Der Raster einer Wand ist über deren ganze Fläche
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Speiseleister 12,13 angeschlossene Stromkreis verteilt sein, die mit einem Thermostat Mund einem Handschalter 15 in Reihe geschaltet sind.
Bei Berechnung der Anlage sind gewisse Parameter zu beachten, z. B. die Länge des Widerstandsdrahtes, der gegenseitige Abstand der Drähte, der Widerstand des Drahtes je Längeneinheit oder seine Wärmeabgabe je Längeneinheit, die Zahl der parallelgeschalteten gleichen Stromkreise usw.
Die nachstehenden Rechnungen zeigen, wie diese Parameter gewählt werden, um eine Anlage zu berechnen, die den erfindungsgemäss festgelegten Anpassungsbedingungen entspricht.
Bestimmung des Rasters Ta
Da die verfügbare Oberfläche 6, 10 m2 beträgt, muss die Wärmeabgabe je m2 betragen :
Qa/6, 10 = 1, 330/6, 10 = 220 W/m
Bei Wahl eines Widerstandsdrahtes, dessen Wärmeabgabe unter 220 V 11 W/m beträgt, sind je m2 der Oberfläche erforderlich :
220/11 = 20 m Drahtlänge, was einem Abstand von 5 cm zwischen den Drähten entspricht.
Der Raster Ta erfordert somit : 20 x 6, 10 = 122 m Draht.
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Die Kenngrössen des Drahtes und die Zahl der anzuschliessenden Stromkreise können unter Berücksichtigung der Tatsache bestimmt werden, dass die alle Stromkreise durchfliessende Stromstärke folgenden Wert hat :
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7 Stromkreisen in jedem Stromkreis eine Stromstärke von : 6, 10/7 = 0, 87 A, was zulässig ist.
Hieraus ergibt sich die Drahtlänge für jeden Stromkreis mit 122/7 =-17, 5 m.
Der Widerstand r des Drahtes je Längeneinheit kann leicht bestimmt werden, da die Einheitsleitleistung, nämlich 11 W/m, und die Stromstärke, nämlich 0, 87 A, bekannt sind.
Man erhält so : r = 11, 087 x 0, 87 = 15 Ohm/m (ungefähr).
Die Wand A wird also mit einem Draht versehen, welcher einen Widerstand von 15 Ohm/m hat und auf 7 parallelgeschaltete Stromkreise aufgeteilt ist, deren jeder eine Länge von 17, 5 m hat, wobei der Abstand der Drähte 5 cm beträgt und sechs Stromkreise auf den beiderseits des Fensters liegenden Wänden und ein Stromkreis auf der Wandfläche unterhalb des Fensters angeordnet sind (Fig. 3).
Bestimmung des Rasters Tb
Da die Wand B eine vollständig verfügbare Fläche von 10 m2 hat, muss die Wärmeabgabe je m2 betragen : 0/10 = 100 W/m
Obwohl diese Methode gültig bleibt, soll eine andere Methode zur Bestimmung der Stromkreise benutzt werden, um die Anpassungsfähigkeit der Anlage nachzuweisen.
Wenn auf der Wand B sechs getrennte Stromkreise angebracht werden, erhält man, da die Gesamtstromstärke unter einer Spannung von 220 V 1000/220 = 4, 55 A beträgt, als Eigenstromstärke für jeden Stromkreis : 4, 55/6 = 0, 76 A.
Bei einem Draht mit einem Einheitswiderstand von 15 Ohm/m (gleicher Wert wie bei dem Draht der Wand A) beträgt die Einheitswärmeabgabe :
15 x 0, 76 X 0, 76 = 8, 6 W/m.
Die je m2 Oberfläche anzubringende Drahtlänge beträgt daher : 100/8, 6 = 11, 6 m, und der Abstand der Drähte beträgt : 100/11, 6 = 8, 6 cm.
Ein Raster mit sechs Stromkreisen, welche 116 m Draht enthalten, deren Stränge einen Abstand von 8, 6 cm haben, ist in Fig. 3 dargestellt.
Bestimmung des Rasters Tc Unter Berücksichtigung der verfügbaren Oberfläche von nur 5 m2 ist die erforderliche Wärmeabgabe je m2 :
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20 cm festgelegt wird.
Es müssen dann fünf Drähte/m2 benutzt werden und die Einheitswärmeabgabe des Drahtes muss folgenden Wert haben :
28/5 = 5, 6 W/m, was einer Drahtlänge von
140/5, 6'= 25 m entspricht.
Die Stromstärke beträgt 140/220 = 0, 64 A.
Der Einheitswiderstand des Drahtes muss folgenden Wert haben :
5, 6 W/m/0, 64 x 0, 64 A = 13, 5 Ohm/m.
Das obige Beispiel zeigt, dass die Kenngrössen der Heizraster den Wärmeverlusten der Wände genau angepasst werden können, wobei ausserdem ein beliebiger Parameter im voraus festgelegt werden kann.
Auch können bei ein und demselben Raster die Abstände der einen oder verschiedenen Stromkreisen angehörenden Drähte verändert werden, um die Wärmeabgabe der Oberfläche eines bestimmten Wandteiles zu verstärken oder zu vermindern.
Die Heizdrähte 11 haben gemäss Fig. 4 eine Seele 131 aus einem gespritzten oder gezogenen mineralischen hitzebeständigen Werkstoff, auf die in schraubenförmigen, einander nicht berührenden Windungen ein Widerstandsdraht 132 mit einem Wärmedehnungskoeffizienten aufgewickelt ist, der sehr klein
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oder Null ist, z. B. Konstantan. Die Schraube 132 ist von einer dünnen Isolierhülle 133 aus einem gewebten mineralischen Stoff, z. B. einer Tresse aus Glasfasern oder Mineralwolle, überzogen. Auf die Hülle 131 ist durch Tauchen ein biegsamer Isolierüberzug 134, z. B. aus chloriertem Gummi, künstlichem Silikongummi oder einem andern biegsamen hitzebeständigen Werkstoff aufgebracht.
Während des Betriebes kann die Temperatur des Widerstandsdrahtes 132 z. B. 1000 und die des Überzuges 134 500 betragen. Der Draht wird auf nebeneinanderliegenden Rahmen 31 (Fig. 5) ausgespannt und durch Krampen 91 befestigt. Hinter den Drähten 11 befindet sich eine Wand 32 aus einem Wärmeschutzmittel (z. B. aus Glasgewebe oder einem Zellkunststoff), sowie eine reflektierende Platte 33, z. B. ein poliertes Blech, und eine zweite Isolierwand 32', welche der Wand 32 entspricht und von einem am Rahmen 31 befestigten Rahmen 31'getragen wird. Die Rahmen 31, 31'reichen vorzugsweise über die ganze Höhe der Mauer.
Vor dem Rahmen ist eine Wand 35, z. B. eine Tapete, ein Kunstgewebe, ein bemaltes Blech oder eine Platte aus Kunststoff, angeordnet, die zur sekundären Aussendung und Zerstreuung der von den Drähten 11 erzeugten Infrarotstrahlen dient.
Die Rahmen 31 können ausserdem Konvektionsströme erzeugen, wofür sie in dem Raum mündende Luftumlaufkanäle 92 enthalten. Eine derartige Ausbildung ist leicht und hat eine sehr geringe Wärmeträgheit.
PATENTANSPRÜCHE : l. Anlage zum Beheizen eines Raumes mittels Heizrastern, die aus elektrischen Widerstandsdrähten bestehen, die vorzugsweise parallel auf Rahmen ausgespannt sind, welche nahe den Wänden des Raumes die verfügbare Oberfläche derselben bedeckend angeordnet sind, wobei die Drähte im Betrieb auf eine nur wenig erhöhte Temperatur gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Rastern einer bestimmten Wand des Raumes ausgestrahlte Wärmeleistung dem Wärmeverlust der Gesamtfläche dieser Wand proportional ist und ausserdem proportional ist dem dieser Wand entsprechenden Anteil an den Wärmeverlusten der nicht mit Heizrastern ausgestatteten Wände, Fussböden und Decken des Raumes und an andern, die Gesamtheit des Raumes treffenden Verlusten, insbesondere infolge des Eindringens von Luft.