CH677399A5

CH677399A5 - Verfahren zur deckung des waermebedarfs eines gebaeudes.

Info

Publication number: CH677399A5
Application number: CH1354/88A
Authority: CH
Inventors: Vlastislav Josef Dr.-Ing. Hurdes
Original assignee: Hurdes Energieconsulting
Priority date: 1988-04-13
Filing date: 1988-04-13
Publication date: 1991-05-15
Also published as: DE3911297A1

Description

1

CH677 399A5

2

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Deckung des Wärmebedarfs eines Gebäudes mittels einer Wärmepumpenanlage gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, besonders auf die Beheizung von grösseren Gebäudeobjekten wie Büro-, Schul- oder Mehrfamilienhäuser, Fabrikgebäude usw.

Wärmepumpen verwenden als Wärmequelle für den Wärmepumpenverdampfer üblicherweise eine der Umgebungswärmequellen, wie Wärme von Grund-, Fluss- oder Seewasser, Erdwärme, Geo-wärme oder die Wärme der Aussenluft. Die alleinige Verwendung von solchen Umgebungswärmequellen ist allerdings oft mit Problemen verbunden; entweder sind sie von dem zu beheizenden Gebäude allzu weit entfernt, oder ist die Kapazität der verfügbaren Wärmequelle für grössere Gebäudeobjekte unzureichend, oder kommt ihre Anwendung allzu teuer. Aus diesen Gründen wurden bisher Wärmepumpen zur Beheizung von grösseren Gebäudeobjekten nur selten eingesetzt - trotz der unbestreitbaren Vorteile, die Wärmepumpen im allgemeinen besitzen.

Zur Beseitigung dieser Nachteile wird das eingangs genannte Verfahren mit den im Patentanspruch 1 enthaltenen kennzeichnenden Merkmalen vorgeschlagen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Einsatz von Wärmepumpen an jedem beliebigen Ort und für jede beliebige Heizleistung, und dies kostengünstig und bei einer relativ hohen Leistungsziffer. Als Wärmequelle wird dem Wärmepumpenverdampfer hauptsächlich Gebäude-Abwärme zugeführt, welche in einem Kreislauf über die Wärmepumpe kontinuierlich rezirkuliert wird.

Die Wärme der Umgebung wird nur noch zu einem kleinen Teil genutzt. Sie garantiert die benötigte Leistung der Wärmepumpenanlage in Fällen, wo die Energie der zurückgewonnenen Gebäude-Abwärme, plus die Energie des Wärmepumpenantriebes und eventuell die Sonnenenergie nicht ausreichen, um den Wärmebedarf des Gebäudes alleine zu decken.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Gebäude-Abwärme aus zwei AbWärmequellen zurückgewonnen: aus der durch die Gebäude-Aussen-wand entweichenden und aus der mit der Abluft entweichenden Abwärme.

Die durch die Aussenwand entweichende Gebäude-Abwärme wird mittels Rohrleitungen zurückgewonnen, in welchen eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert und die Gebäude-Abwärme aufnimmt.

Aussenwandkonstruktionen mit eingelegten Rohrleitungen zum Zweck der Wärmegewinnung sind zwar bekannt. Die bekannten Konstruktionen besitzen aber mehrere Nachteile: Entweder sind die Rohrleitungen inmitten einer Wärmedämmschicht angeordnet, wo sie den Wärmeabfluss aus dem Gebäudeinneren allzu stark beschleunigen und wo sie für allfällige Reparaturen nur schwer zugänglich sind. Oder die Rohrleitungen werden direkt in die äusseren Fassadenteile eingebettet, wo sie hauptsächlich die Wärme der Aussenluft aufnehmen. Dabei wird die Temperatur des äusseren Fassadenteiles unter die Temperatur der Aussenluft gesenkt, was zu Kondensat- bzw. Eisbildung und folglich zu Schäden am Fassadenmaterial führt.

Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die Wärmegewinnungs-Rohrleitungen zwischen eine an der Aussenwand befestigten Wärmedämmschicht und eine Fassadenabdeckung installiert. Zwischen der Fassadenabdeckung und der Wärmedämmschicht befindet sich eine wärmeisolierende Luftspalte. Die Temperatur der in dieser Luftspalte durchströmenden Luft ist höher als die Temperatur der umliegenden Aussenluft Die Temperatur der in der Luftspalte installierten Rohrleitungen ist ebenfalls höher als die Temperatur der Aussenluft, gleichzeitig aber tiefer als die Temperatur der in der Luftspalte enthaltenen Luft. Durch die gebildete Temperaturdifferenz geht die Gebäude-Abwärme an die Rohrleitungen über und wird anschliessend durch die in den Rohrleitungen zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit an den Wärmepumpenverdampfer weiter abtransportiert. Der gesamte Transport der Gebäude-Abwärme durch die Aussenwand, durch die Luftspalte, durch die Rohrleitungen und mit der Wärmeträgerflüssigkeit verläuft bei Temperaturen, die immer höher sind als die momentane Temperatur der Aussenluft. Die Beschleunigung des Wärmeabflusses aus dem Gebäudeinneren durch die Wärmerückgewinnung wird deshalb nur minimal sein und im Verlauf der Wärmerückgewinnung wird es zu keiner Kondensat- oder Eisbildung und folglich zu keinen Materialschäden in der Fassade oder in anderen Teilen der Aussenwand kommen. Wird die Fassadenabdeckung demontierbar sein, werden auch die Rohrleitungen für allfällige Reparaturen leicht zugänglich sein. •

Wird die Fassadenabdeckung durch an und für sich bekannte Behandlungsmethoden als Sonnenenergieabsorber gebildet, steigt während der Bestrahlung der Fassadenabdeckung ihre Temperatur und folglich auch die Lufttemperatur in der Luftspal-te an. Dadurch werden die Wärmeverluste aus dem Gebäudeinneren reduziert. Gleichzeitig wird der Wärmepumpe durch die Wärmeträgerflüssigkeit eine grössere Energiemenge zugeführt, und dies bei einer höheren Temperatur als im Fall der Gewinnung der Gebäude-Abwärme ohne Sonnenenergienutzung, so dass die Leistungsziffer der Wärmepumpe angehoben wird. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Sonnenenergienutzung kann vor den Sonnenenergieabsorber eine Glasscheibe installiert werden.

Die zweite Gebäude-Abwärmequelle, die gemäss der vorliegenden Erfindung genutzt wird, ist in der Abluft enthalten. Diese Abwärmequelle kann in an und für sich bekannter Weise zurückgewonnen werden, in dem die Abluft durch Kanäle abgeführt und die in ihr enthaltene Wärme in einem Wärmeaustauscher abgegeben und an die Wärmepumpe weitergeleitet wird. Wird die Temperatur der Abluft im Wärmeaustauscher unter die momentane Temperatur der Aussenluft gesenkt, wird dadurch, neben der Gebäude-Abwärme, gleichzeitig die Aussenluft-wärme genutzt.

Das Dach des Gebäudes kann dazu verwendet werden, die durch das Dach entweichende Gebäu5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH677399A5

4

de-Abwärme zurückzugewinnen und gleichzeitig die Wärme der Aussenluft zu nutzen, wenn dies notwendig wird. Eine solche Wärmegewinnung kann in an und für sich bekannter Weise z.B. durch das sogenannte Energiedach realisiert werden.

Um eine möglichst hohe Leistungsziffer der Wärmepumpe zu erreichen, werden für die Nutzung einzelner oben beschriebener Wärmequellen während des Betriebes der Wärmepumpenanlage Prioritäten gesetzt. Wärmequellen von höherer Temperatur, wie z.B. Sonnenenergie oder Gebäude-Abwärme in der Abluft und in den Aussenwänden werden vorgezogen. Wärmequellen von tieferer Temperatur, z.B. Wärme der Aussenluft, werden genutzt, um einen Betrieb der Wärmepumpenanlage ohne Zusatzheizung zu gewährleisten.

In den Zeichnungen sind die Prinzipien und Aus-führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt:

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Ge-bäude-Aussenwand und die Anordnung der Wärme-rückgewinnungs-Rohrleitungen. Die als Beispiel abgebildete Aussenwand besteht aus einem Mauerwerk 4, einer Wärmedämmschicht 5, einer Luftspalte 7 und einer Fassadenabdeckung 6. Das Temperaturprofil in einer solchen Aussenwand ohne Wärmerückgewinnung ist schematisch durch die gestrichelte Linie 2 dargestellt. Die Raumtemperatur

I ist höher als die Temperatur der Aussenluft 10. Ebenfalls höher als die Temperatur der Aussenluft ist die Temperatur der Luft 8 in der Luftspalte 7. In die Luftspaite sind in Abständen Rohrleitungen 9 eingelegt, in welchen Wärmeträgerflüssigkeit 14 zirkuliert. Das geänderte Temperaturprofii in der Aussenwand während der Rückgewinnung der Gebäude-Abwärme ist schematisch durch die volle Linie 3 dargestellt. Je nach Dimensionen und Anordnung der Rohrleitungen 9, der Luftspalte 7 und der Fassadenabdeckung 6 wird die durch die Aussenwand entweichende Gebäude-Abwärme voll oder nur teilweise zurückgewonnen.

Fig. 2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die gleiche Aussenwand wie in Fig. 1 abgebildet, welche zwecks Sonnenenergienutzung in einen Sonnenenergieabsorber umgewandelt wurde. Während verfügbarem direktem oder diffusem Sonnenstrahl

II wird die Temperatur der Fassadenabdeckung und die Temperatur in der Luftspalte erhöht, wie durch das mit voller Linie gezeichnete Temperaturprofil dargestellt wird.

Um den Wirkungsgrad der Sonnenenergienutzung zu erhöhen, wird vor den Sonnenenergieabsorber eine lichtdurchlässige Schicht 12 installiert, wie in den Fig. 3 a, b dargestellt. Die Fig. 3a zeigt einen vertikalen, die Fig. 3b einen horizontalen Schnitt durch eine mit geformtem Sonnenenergieabsorber ausgestattete Aussenwand. In diesem Beispiel wurde der Querschnitt der hinterlüfteten Luftspalte durch den Einsatz eines geformten Sonnenenergieabsorbers vergrössert. Durch einen genügend grossen Querschnitt der Luftspalte wird verhindert, dass es nach einem Abkühlen des Sonnenenergieabsorbers zur Kondensat- oder Eisbildung in der Luftspalte kommt. Die Rohrleitungen sind an der Aussenwand mittels Halterungen 13 befestigt.

Fig. 4 zeigt eine Aussenwand mit den Wärme-rückgewinnungs-Rohrleitungen, bevor sie mit einer Fassadenabdeckung zugedeckt wurden. Die durch die Wärmeträgerflüssigkeit in den Rohrleitungen 9 aufgenommene Gebäude-Abwärme und evtl. Sonnenenergie werden durch Sammelleitungen 23 zur Wärmepumpe 22, die z.B. auf dem Gebäudedach installiert werden kann, abtransportiert. Nach der Wärmeübergabe in der Wärmepumpe zirkuliert die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit durch Sammelleitungen 24 zurück in die Rohrleitungen 9, um erneut Gebäude-Abwärme und evtl. Sonnenenergie aufzunehmen« Zwecks einer optimalen Regelung der Wärmeflüsse kann die Wärmeträgerflüssigkeit durch die Aussenwände in mehreren, separaten Kreisläufen zirkulieren.

Fig. 5 zeigt eine Aussenwand mit raumseitig installierten Luftkanälen 28. Die Abluft 29 wird mittels eines Ventilators 30 durch die Luftkanäle zum Wärmeaustauscher 31 befördert, wo die in der Abluft enthaltene Gebäude-Abwärme und evtl. Aussen-luftwärme abgegeben und zur Wärmepumpe weitergeleitet werden kann. Der Wärmeaustauscher kann gleichzeitig der Wärmepumpenverdampfer sein. Statt eines zentralen Ventilators 30 kann die Abluft durch die Luftkanäle mittels mehreren, in verschiedenen Teilen der Luftkanäle stationierten kleineren Ventilatoren befördert werden. Die in dem Wärmeaustauscher 31 abgekühlte Abluft wird an die Umgebung abgegeben.

Fig. 6 zeigt schematisch die Energieflüsse in einem Gebäude, welches durch kontinuierlich rezirkulierende Wärme und Wärmepumpe beheizt wird. Das Gebäude hat einen Wärmebedarf 15, bestehend z.B. aus Wärmebedarf für Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung. Die in den Aussenwänden zurückgewonnene Gebäude-Abwärme 16 und die aus der Abluft gewonnene Gebäude-Abwärme 17 werden der Wärmepumpe zugeführt. Durch die Wärmepumpe wird die Temperatur der zurückgewonnenen Gebäude-Abwärme auf ein nützliches Niveau gebracht. Durch die Antriebsenergie 20 der Wärmepumpe wird gleichzeitig diejenige Energie 21 ersetzt, die aus dem Gebäude, z.B. durch Fenster, Türen, oder mit Abwasser, ohne Rückgewinnung verlorengeht.

Fig. 7 zeigt schematisch die Energieflüsse in einem Fall, wo in den Aussenwänden neben der Gebäude-Abwärme 16 auch Sonnenenergie 19 genutzt wird. Durch die Nutzung der Sonnenenergie wird der Anteil der durch den Wärmepumpenantrieb zu liefernden Energie 20 reduziert.

Fig. 8 zeigt schematisch die Energieflüsse in einem Gebäude, wo zur Deckung des vollen Wärmebedarfs auch Umgebungswärme 18 genutzt wird, indem z.B. die Gebäude-Abluft im Wärmeaustauscher unter die Temperatur der Aussenluft abgekühlt oder Umgebungswärme durch weitere, an und für sich bekannte Einrichtungen wie z.B. ein Energiedach genutzt wird.

Um eine möglichst wirtschaftliche Wärmeerzeugung zu erzielen und gleichzeitig einen Betrieb der

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 677 399 A5

Wärmepumpenanlage ohne Zusatzheizung zu gewährleisten, können die in den Fig. 6, 7, und 8 erwähnten Wärmequellen beliebig kombiniert werden. Zwecks Ausgleichung von Unterschieden zwischen Wärmeangebot und Wärmebedarf können einzelne Energiequellen, wie z.B. die Sonnenenergie, zwischengespeichert werden,

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Deckung des Wärmebedarfes eines Gebäudes mittels einer Wärmepumpenanlage, der durch die Aussenwände des Gebäudes entweichende Gebäude-Abwärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man in einer wärmeisolierenden Luftspalte (7), die zwischen einer mit einer Wärmedämmschicht (5) versehenen kälteren Oberfläche der Gebäudeaussenwand und einer Fassadenabdeckung (6) gebildet ist, Luft (8) von einer Temperatur strömen lässt, die höher als die Temperatur der Aussenluft (10) ist, dass in in die Luftspalte eingelegten Rohrleitungen (9) eine Wärmeträgerflüssigkeit (14) von einer Temperatur zirkuliert, die höher als die Temperatur der Aussenluft und gleichzeitig tiefer als die Temperatur der Luft in der Luftspalte ist, so dass die in der Luftspalte enthaltene Gebäude-Abwärme durch die Wärmeträgerflüssigkeit aufgenommen und an die Wärmepumpe (22) weitergeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wärmeträgerflüssigkeit (14) neben der Gebäude-Abwärme (16) auch ein Teil (19) der an die als Sonnenenergieabsorber ausgebildete Fassadenabdeckung (6) anfallenden Sonnenenergie (11) aufgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Sonnenenergieabsorber (6) ausgebildete Fassadenabdeckung mit einer davor angeordneten lichtdurchlässigen Schicht (12) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben der hinter der Fassadenabdeckung gewonnenen Wärme die in der Abluft enthaltene Gebäudeabwärme (17) in einem Wärmeaustauscher zurückgewonnen und an die Wärmepumpe (22) weitergeleitet wird und durch den Wärmepumpenantrieb der restliche, zur vollen Deckung des Gebäude-Wärmebedarfes (15) notwendige Energieteil (20) geliefert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpe (22) neben der Gebäude-Abwärme (16 und 17) und der Sonnenenergie (19) der Umgebung entnommene Wärme (18) zugeführt wird.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4