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PATENTANSPRÜCHE
1. Anordnung zur Beheizung von Gebäuden, bestehend aus einem Absorberkreis mit in einem Bauteil aus zementgebundenen Baustoffen eingebetteten Rohrschlangen, der aus der Umgebung Wärme aufnimmt und die speichert, und mit einem Heizkreis eines Niedertemperatur-Heizsystems sowie einer zwischen Absorber- und Heizkreis angeordneten Wärmepumpe, wobei im Absorberkreis Ventile und eine Umwälzpumpe vorgesehen sind, die über einen Regler schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe von Rohrschlangen (21) des Absorberkreises (20) in einem unmittelbar an die Aussenseite des Absorberbauteiles (10) angrenzenden, als Kurzzeitspeicher dienenden Bereich des Absorberbauteiles (10) und eine zweite Gruppe von Rohrschlangen (22) im Innern des Absorberbauteiles (10) angeordnet ist,
und dass die Rohrschlangen (21) der ersten Gruppe mit den Rohrschlangen (22) der zweiten Gruppe zwecks Wärmetransport durch Konvektion strömungsmässig miteinander verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlangen (21) der ersten Gruppe in einer Ebene parallel zur Aussenfläche (11) und die Rohrschlangen (22) der zweiten Gruppe in einer im Innern des Bauteiles (10) gelegenen Ebene angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlangen (21, 22) beider Gruppen in Reihe geschaltet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Absorberkreis (20) angeordnete Umwälzpumpe (23) für einen ständigen Austausch der Wärmeträgerflüssigkeiten zwischen den beiden Rohrschlangengruppen sorgt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Absorberkreis (20) zwischen den Rohrschlangen (21, 22) der ersten und zweiten Gruppe ein Umschaltventil (24) vorgesehen ist, mit welchem die Rohrschlangen (21, 22) entweder unmittelbar oder über die Verdampferseite (31) der Wärmepumpe (30) in Reihe schaltbar sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen mindestens teilweise im Erdreich befindlichen Langzeitkaltspeicher mit in Bauteilen aus zementgebundenen Baustoffen eingebetteten Rohrschlangen (22) aufweist.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beheizung von Gebäuden der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Eine derartige Anordnung ist Gegenstand des älteren Vorschlages gemäss DE-OS 3 035 538 und ist ferner aus der DE-OS 3 ob7 223 bekannt. Bei ihr wird mittels eines Wärmepumpenprozesses der Umgebung Wärme entzogen, die zu Heizzwecken einem Heizkreis zugeführt wird.
Ein wesentliches Merkmal des Gegenstandes der o.a.
DE-OS 3035538 besteht darin, dass die der Umgebung entzogene Wärme in einem Kurzzeitspeicher zwischengespeichert wird, die zwischengespeicherte Wärme dem Heizkreis und die überschüssige Wärme einem Langzeitspeicher zugeführt wird, aus dem sie im Bedarfsfall in den Heizkreis geleitet wird. Als Zwischenspeicher dienen hier Bauteile aus zementgebundenen Baustoffen, in welche die Rohre des Absorberkreises eingebettet sind. Diese Bauteile dienen gleichzeitig der Wärmeaufnahme, d.h. sie sind Wärmeabsorber und Wärmespeicher gleichzeitig.
Im Betriebszustand zirkuliert durch die Rohrleitungen eine Wärmeträgerflüssigkeit, z.B. Sole, welcher mittels einer Wärmepumpe in bekannter Weise Wärme entzogen wird.
Unter diesem Energieentzug kühlt sich das Absorber- und Speicherbauteil insbesondere in den Nachtstunden unter die Temperatur seiner Umgebung ab, so dass es Umweltenergie aufnehmen kann. Die hierbei absorbierte Umweltenergie entspricht vorwiegend dem Energieinhalt der vorbeistreichenden, wärmeren Luft, der auftretenden Niederschläge und der Energie, die bei Phasenumwandlung von Wasserdampf in Wasser und Eis frei wird.
In den Tagstunden ergibt sich zusätzlich ein erheblicher Energiegewinn durch diffuse und direkte Sonneneinstrahlung auf der Oberfläche des Absorber- und Speicherbauteiles. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ausnutzung dieser Sonnenenergie während der Tagstunden nur zu einem Teil möglich ist. Die Ursache hierfür ist, dass die eingestrahlte Energie nicht vollständig vom üblicherweise aus Beton bestehenden Wärme- und Speicherbauteil aufgenommen werden kann, weil die Aufnahmefähigkeit des Bauteiles durch die begrenzten internen Wärmeleitungs- und Wärmespeichervorgänge eingeschränkt ist.
Falls das Bauteil die Wärme möglichst rasch und vollständig aufnehmen soll, müsste der Baustoff ein möglichst hohes Wärmeleitungsvermögen und eine grosse Wärmekapazität besitzen.
Nach dem Vorschlag einer weiteren älteren Patentanmeldung gemäss DE-OS 3 132773 wurde zur Lösung dieser Aufgabe ein funktionell aus zwei Teilen bestehendes Bauelement vorgeschlagen, bei welchem ein der Wärmeaufnahme dienendes Teil im Freien gelegen ist, während das andere im wesentlichen der Wärmespeicherung dienende Teil im Erdreich vorzusehen ist, wobei in beiden Teilen von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmte Rohrleitungen eingebettet sind, welche vorzugsweise in Reihe geschaltet werden können.
Ein derartiges Bauelement ist jedoch nur dort verwendbar, wo eine Erdberührung möglich ist. Für Hochbauten mit mehreren Geschossen ist dieses Bauteil nicht einsetzbar.
Aus der US-PS 4086911 ist ein Sonnenkollektorsystem bekannt, bei welchem auf der Oberfläche eines Kegelstumpfes in dichtem Abstand angeordnete, flüssigkeitsdurchströmte Rohrschlangen vorgesehen sind, welche der Aufnahme von Strahlungswärme dienen. Diese Rohrschlangen stehen mit einem innerhalb des Kegelstumpfes vorgesehenen Flüssigkeitstank in Verbindung, mit welchem die aufgenommene Wärme über längere Zeit gespeichert werden kann.
Eine derartige Anordnung ist im Gegensatz zu dem Kurzzeitspeicher nach der DE-OS 3 035 538 nicht geeignet, als tragendes Bauelement in einem Baukörper integriert zu werden.
Auch ist ein flüssigkeitsgefüllter Tank als Langzeitspeicher nicht nur weniger zweckmässig, sondern auch wesentlich kostspieliger.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs genannten Art mit erhöhter Wärmespeicherwirkung, mit welcher die eingestrahlte Sonnenenergie möglichst vollständig aufgenommen und so lang wie möglich gespeichert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung gemäss der eingangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Während bei der Lösung nach dem älteren deutschen Patent 3 035 538 der Wärmetransport ausschliesslich durch reine Wärmeleitung innerhalb des massiven Absorberbauteiles erfolgt, wird nach der erfindungsgemässen Lösung der Wärmetransport von den aussen gelegenen Rohrschlangen zu den innen gelegenen im wesentlichen durch das strömende Medium Sole selbst bewirkt. Zu diesem Zweck stehen die Rohrschlangen der ersten Gruppe mit denjenigen der zweiten Gruppe in Strömungsverbindung. Durch diese Mass
nahme ist eine sehr rasche Wärmeumverteilung bei sehr hohem Speichervermögen gewährleistet.
Im einfachsten Anwendungsfall, nämlich bei einem platten- oder quaderförmigen Bauteil können die Rohrschlangen der ersten Gruppe in einer Ebene zur Aussenfläche angeordnet sein, während die Rohrschlangen der zweiten Gruppe möglichst im Innern des Bauteiles gelegen sind. Zweckmässigerweise sind die Rohrschlangen in Reihe geschaltet, wobei eine Umwälzpumpe im Bedarfsfall für eine Strömung sorgen kann, so dass die mit den Rohrschlangen der ersten Gruppe aufgenommene Wärme sehr rasch in die Rohrschlangen der zweiten Gruppe transportiert wird. Insbesondere im Taktbetrieb der Wärmepumpe ergeben sich energetische Vorteile, weil überschüssige Wärme von oberflächennahen Schichten abgezogen und in das Innere transportiert wird. Da die Speichermasse des Betonelementes besser genutzt wird, ergibt sich auch ein deutlich höherer Ausnutzungsgrad für die eingestellte Sonnenenergie.
Da die Wärmepumpe bei einem insgesamt höheren Temperaturniveau arbeiten kann, werden bessere Leistungszahlen erreicht.
Vorteilhafte Weiterausgestaltungen der erfindungsgemässen Anordnung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wärmeaufnahme einer nach Süden orientierten Betonwand im Verlaufe eines sonnigen Tages,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Anordnung im Zusammenhang mit einer Wärmepumpe; und
Fig. 3 den Rohrschlangenverlauf innerhalb des Bauteiles gemäss Fig. 2 in Aufsicht, gleichfalls mit schematisch angedeuteter Wärmepumpenanordnung.
Das Diagramm gemäss Fig. 1 veranschaulicht die grundsätzlichen Energieströme an einem sonnigen Tag zwischen Null und 24 Uhr bei einer z.B. cm dicken Betonwand. In dem Diagramm ist mit gestrichelten Linien das durch die Sonneneinstrahlung bedingte Energieangebot angedeutet.
Wie diese Kurve zeigt, wird wesentlich mehr Energie zugestrahlt, als von dem Betonbauteil aufgenommen und im Inneren gespeichert werden kann. Bei dem mit dem Diagramm wiedergegebenen realistischen Beispiel vermag das Betonbauteil nur maximal 40% der eingestrahlten Energie aufzunehmen. Es muss folglich zu einer Temperaturerhöhung an der besonnten Oberfläche kommen, so dass die nicht aufgenommene bzw. abgeführte Wärme an die Aussenluft wieder abgegeben wird, diese also verloren geht.
Zur Verbesserung der Wärmespeicherung muss darum für einen raschen Transport der aufgenommenen Wärme in das Innere des Bauteils gesorgt werden.
Diesem Zweck dient in den Fig. 2 und 3 veranschaulichte Anordnung.
Bei einem z.B. als Betonplatte 10 ausgebildeten Absorberund Speicherbauteil ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur Wärme aufnehmenden Fläche 11 eine erste Gruppe mit Rohren bzw. Rohrschlangen 21 angeordnet, welche Teil des Absorberkreislaufes 20 ist.
In einer im Innern der Betonplatte 10 gelegenen Ebene ist eine zweite Gruppe mit Rohren bzw. Rohrschlangen 22 angeordnet, welche gleichfalls Teil des Absorberkreislaufes 20 sind. Eine Umwälzpumpe 23 hält im Bedarfsfall eine Strömung im Kreislauf aufrecht, so dass die mit der ersten Gruppe aufgenommene Wärme durch Strömung sehr rasch der zweiten Gruppe zugeführt wird und von hier zur Wärmespeicherung an das Bauteil 10 abgegeben werden kann. Auf diese Weise wird überschüssige Wärmeenergie von oberflächennahen Schichten abgeführt und in das Innere verlagert.
Da die Speichermassen des aus Beton bestehenden Elementes besser genutzt werden, können diese gegenüber Bauelementen mit nur einer im Innern angeordneten Gruppe von Rohrschlangen erforderlichenfalls kleiner gehalten werden.
Grundsätzlich sind verschiedene Verbindungen zwischen den Rohren 21 und 22 denkbar. Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich bei einer Reihenschaltung, wie diese mit der Aufsicht gemäss Fig. 3 deutlich gemacht ist. Nur zum Zwecke der besseren Veranschaulichung sind die in der mittleren Ebene gelegenen, gestrichelt gezeichneten Rohre 22 versetzt zu den in der vorderen Ebene gelegenen Rohre 21 dargestellt.
Bei dieser Schaltungsanordnung sind der Anfang der ersten Gruppe und das Ende der zweiten Gruppe mit der Kondensatorseite 31 der Wärmepumpe 30 verbunden. Falls dem Absorberkreis mittels der Wärmepumpe keine Wärme entzogen werden soll, der innere Wärmetransport zwischen den Gruppen 21 und 22 jedoch gewährleistet sein soll, ist ein Umschaltventil 24 bzw. 24' vorgesehen, welches Anfang und Ende der Rohrschlangen 21 und 22 miteinander verbindet und hierbei die Verdampferseite 31 der Wärmepumpe 30 überbrückt.
Andere Schaltmöglichkeiten liegen im Rahmen des Erfindungsgedankens.
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PATENT CLAIMS
1. Arrangement for heating buildings, consisting of an absorber circuit with pipe coils embedded in a component made of cement-bound building materials, which absorbs and stores heat from the environment, and with a heating circuit of a low-temperature heating system and a heat pump arranged between the absorber and heating circuit, Valves and a circulating pump are provided in the absorber circuit and can be switched via a controller, characterized in that a first group of coils (21) of the absorber circuit (20) is used as a short-term storage device in a directly adjacent to the outside of the absorber component (10) Region of the absorber component (10) and a second group of coils (22) is arranged inside the absorber component (10),
and that the coils (21) of the first group are connected to each other in terms of flow by convection for the purpose of heat transfer by convection.
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pipe coils (21) of the first group are arranged in a plane parallel to the outer surface (11) and the pipe coils (22) of the second group are arranged in a plane located inside the component (10) .
3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the coils (21, 22) of both groups are connected in series.
4. Arrangement according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the circulation pump (23) arranged in the absorber circuit (20) ensures a constant exchange of the heat transfer fluids between the two coil groups.
5. Arrangement according to claim 4, characterized in that in the absorber circuit (20) between the coils (21, 22) of the first and second groups, a changeover valve (24) is provided with which the coils (21, 22) either directly or via the evaporator side (31) of the heat pump (30) can be connected in series.
6. Arrangement according to claim 1, characterized in that it has an at least partially in the ground long-term cold storage with pipe coils (22) embedded in components made of cement-bound building materials.
The invention relates to an arrangement for heating buildings of the type specified in the preamble of claim 1.
Such an arrangement is the subject of the older proposal according to DE-OS 3 035 538 and is also known from DE-OS 3 ob7 223. It uses a heat pump process to extract heat from the surroundings, which is then fed to a heating circuit for heating purposes.
An essential feature of the subject of the above
DE-OS 3035538 is that the heat extracted from the environment is temporarily stored in a short-term memory, the temporarily stored heat is fed to the heating circuit and the excess heat is fed to a long-term memory, from which it is conducted into the heating circuit if necessary. Components made of cement-bound building materials, in which the pipes of the absorber circuit are embedded, serve as a buffer. These components also serve to absorb heat, i.e. they are heat absorbers and heat stores at the same time.
In the operating state, a heat transfer fluid, e.g. Brine, which heat is extracted in a known manner by means of a heat pump.
As a result of this energy drain, the absorber and storage component cools below the temperature of its surroundings, particularly at night, so that it can absorb environmental energy. The environmental energy absorbed here corresponds primarily to the energy content of the warmer air flowing past, the precipitation that occurs and the energy that is released during the phase change of water vapor into water and ice.
In the daytime hours there is also a significant energy gain due to diffuse and direct sunlight on the surface of the absorber and storage component. Studies have shown that only part of this solar energy can be used during the day. The reason for this is that the radiated energy cannot be completely absorbed by the heat and storage component, which is usually made of concrete, because the absorption capacity of the component is limited by the limited internal heat conduction and heat storage processes.
If the component is to absorb the heat as quickly and completely as possible, the building material should have the highest possible thermal conductivity and a large heat capacity.
According to the proposal of a further older patent application according to DE-OS 3 132773, a functionally two-part component was proposed to solve this problem, in which one part serving for heat absorption is located outdoors, while the other part essentially serving for heat storage is in the ground is to be provided, in which the heat transfer fluid flows through the pipelines, which can preferably be connected in series.
However, such a component can only be used where it is possible to touch the earth. This component cannot be used for multi-storey buildings.
From US-PS 4086911 a solar collector system is known, in which on the surface of a truncated cone, liquid-flowed coils are provided, which serve to absorb radiant heat. These coils are connected to a liquid tank provided inside the truncated cone, with which the absorbed heat can be stored over a long period of time.
In contrast to the short-term memory according to DE-OS 3 035 538, such an arrangement is not suitable for being integrated as a load-bearing component in a building structure.
A liquid-filled tank is not only less useful as a long-term storage, but also much more expensive.
The object of the present invention is to provide an arrangement of the type mentioned at the outset with an increased heat storage effect, with which the incident solar energy can be absorbed as completely as possible and stored for as long as possible.
This object is achieved according to the invention according to the characterizing part of patent claim 1 in an arrangement according to the type mentioned at the outset.
While in the solution according to the older German patent 3,035,538 the heat transport takes place exclusively by pure heat conduction within the solid absorber component, according to the solution according to the invention the heat transport from the outside coils to the inside is essentially effected by the flowing medium brine itself. For this purpose, the coils of the first group are in flow communication with those of the second group. By this measure
Very rapid heat redistribution with very high storage capacity is guaranteed.
In the simplest application, namely in the case of a plate-shaped or cuboid component, the coils of the first group can be arranged in one plane to the outer surface, while the coils of the second group are located as far as possible inside the component. The coils are expediently connected in series, a circulation pump being able to provide a flow if necessary, so that the heat absorbed with the coils of the first group is very quickly transported into the coils of the second group. In particular, in cyclical operation of the heat pump, there are energetic advantages because excess heat is drawn off from layers near the surface and transported into the interior. Since the storage mass of the concrete element is better used, there is also a significantly higher degree of utilization for the set solar energy.
Since the heat pump can work at an overall higher temperature level, better performance figures are achieved.
Advantageous further developments of the arrangement according to the invention are the subject of claims 2 to 6.
The invention is explained below with reference to the drawing, for example. It shows:
1 is a diagram illustrating the heat absorption of a south-facing concrete wall in the course of a sunny day,
2 shows a schematic illustration of the arrangement according to the invention in connection with a heat pump; and
Fig. 3 the pipe coil course within the component of FIG. 2 in supervision, also with a schematically indicated heat pump arrangement.
The diagram according to Fig. 1 illustrates the basic energy flows on a sunny day between zero and midnight for a e.g. cm thick concrete wall. In the diagram, the energy supply caused by the solar radiation is indicated by dashed lines.
As this curve shows, significantly more energy is radiated in than can be absorbed by the concrete component and stored inside. In the realistic example shown in the diagram, the concrete component can only absorb a maximum of 40% of the radiated energy. Consequently, there must be an increase in temperature on the sun-drenched surface, so that the heat that is not absorbed or dissipated is released into the outside air again, so that it is lost.
To improve the heat storage, it must therefore be ensured that the absorbed heat is transported quickly into the interior of the component.
The arrangement illustrated in FIGS. 2 and 3 serves this purpose.
With e.g. An absorber and storage component designed as a concrete slab 10 is arranged in the immediate vicinity of the heat-absorbing surface 11, a first group with tubes or coils 21, which is part of the absorber circuit 20.
In a plane located inside the concrete slab 10, a second group with pipes or coils 22 is arranged, which are also part of the absorber circuit 20. If necessary, a circulation pump 23 maintains a flow in the circuit, so that the heat absorbed by the first group is very quickly supplied to the second group by flow and can be released from there to the component 10 for heat storage. In this way, excess thermal energy is dissipated from layers near the surface and transferred to the interior.
Since the storage masses of the element consisting of concrete are better used, they can be kept smaller compared to components with only one group of coils arranged inside if necessary.
In principle, various connections between the tubes 21 and 22 are conceivable. A particularly simple arrangement results in a series connection, as is made clear with the supervision according to FIG. 3. For the sake of better illustration only, the pipes 22 shown in dashed lines in the middle plane are shown offset to the pipes 21 located in the front plane.
In this circuit arrangement, the beginning of the first group and the end of the second group are connected to the condenser side 31 of the heat pump 30. If no heat is to be extracted from the absorber circuit by means of the heat pump, but the internal heat transport between groups 21 and 22 is to be ensured, a changeover valve 24 or 24 'is provided, which connects the start and end of the coils 21 and 22 with one another and thereby the Evaporator side 31 of the heat pump 30 bridges.
Other switching options are within the scope of the inventive concept.