CH677399A5

CH677399A5 - PROCEDURE TO COVER THE WAERMEBEDARFS a building.

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

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Beschreibung description

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. The present invention relates to a method for covering the heat requirement of a building by means of a heat pump system according to the preamble of claim 1, particularly to the heating of larger building objects such as office, school or apartment buildings, factory buildings etc.

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. As a heat source for the heat pump evaporator, heat pumps usually use one of the ambient heat sources, such as heat from groundwater, river water or seawater, geothermal energy, geothermal heat or the heat from the outside air. However, the sole use of such ambient heat sources is often associated with problems; either they are too far away from the building to be heated, or the capacity of the available heat source is insufficient for larger building objects, or their application is too expensive. For these reasons, heat pumps have rarely been used to heat larger buildings - despite the undeniable advantages that heat pumps generally have.

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. To eliminate these disadvantages, the method mentioned at the outset is proposed with the characterizing features contained in patent claim 1. The present invention enables the use of heat pumps at any location and for any heating power, and this inexpensively and with a relatively high power factor. The heat pump evaporator is mainly supplied with waste heat from the building, which is continuously recirculated in a circuit via the heat pump.

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. Only a small part of the heat from the surroundings is used. It guarantees the required performance of the heat pump system in cases where the energy of the recovered building waste heat, plus the energy of the heat pump drive and possibly the solar energy are not sufficient to cover the heat requirement of the building alone.

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. According to the present invention, the building waste heat is recovered from two waste heat sources: from the waste heat escaping through the building's outer wall and from the waste heat escaping with the exhaust air.

Die durch die Aussenwand entweichende Gebäude-Abwärme wird mittels Rohrleitungen zurückgewonnen, in welchen eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert und die Gebäude-Abwärme aufnimmt. The building waste heat escaping through the outer wall is recovered by means of pipelines in which a heat transfer fluid circulates and absorbs the building waste heat.

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. External wall constructions with inserted pipelines for the purpose of heat recovery are known. However, the known constructions have several disadvantages: Either the pipes are arranged in the middle of a thermal insulation layer, where they accelerate the outflow of heat from the interior of the building too much and where they are difficult to access for any repairs. Or the pipes are embedded directly in the outer parts of the facade, where they mainly absorb the heat from the outside air. The temperature of the outer part of the facade is lowered below the temperature of the outside air, which leads to the formation of condensate or ice and consequently damage to the facade material.

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. • According to the present invention, the heat recovery pipelines are installed between a heat insulation layer attached to the outer wall and a facade cover. There is a heat-insulating air gap between the facade cover and the thermal insulation layer. The temperature of the air flowing through this air gap is higher than the temperature of the surrounding outside air. The temperature of the pipes installed in the air gap is also higher than the temperature of the outside air, but at the same time lower than the temperature of the air contained in the air gap. Due to the temperature difference formed, the building waste heat is transferred to the pipelines and is then further transported to the heat pump evaporator by the heat transfer fluid circulating in the pipelines. The entire transport of the building waste heat through the outer wall, through the air gaps, through the pipes and with the heat transfer fluid takes place at temperatures that are always higher than the current temperature of the outside air. The acceleration of the heat flow from the inside of the building through the heat recovery will therefore only be minimal and in the course of the heat recovery there will be no condensation or ice formation and consequently no material damage in the facade or in other parts of the outer wall. If the facade cover can be removed, the pipes will also be easily accessible for any repairs. •

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. If the facade cover is formed as a solar energy absorber by treatment methods known per se, its temperature rises during the irradiation of the facade cover and consequently also the air temperature in the air gap. This reduces the heat loss from inside the building. At the same time, a larger amount of energy is supplied to the heat pump by the heat transfer fluid, and this at a higher temperature than in the case of the production of the building waste heat without using solar energy, so that the heat pump's coefficient of performance is increased. A glass pane can be installed in front of the solar energy absorber to increase the efficiency of the use of solar energy.

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. The second building waste heat source used in accordance with the present invention is contained in the exhaust air. This waste heat source can be recovered in a manner known per se, in which the exhaust air is discharged through channels and the heat contained in it is given off in a heat exchanger and passed on to the heat pump. If the temperature of the exhaust air in the heat exchanger is reduced below the current temperature of the outside air, this means that in addition to the building waste heat, the outside air heat is also used.

Das Dach des Gebäudes kann dazu verwendet werden, die durch das Dach entweichende Gebäu5 The roof of the building can be used for this, the building escaping through the roof5

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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. to recover de-waste heat and at the same time to use the heat of the outside air if this becomes necessary. Such heat recovery can be done in a manner known per se e.g. through the so-called energy roof.

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 order to achieve the highest possible performance figure for the heat pump, priorities are set for the use of the individual heat sources described above while the heat pump system is in operation. Heat sources of higher temperature, e.g. Solar energy or building waste heat in the exhaust air and in the outer walls are preferred. Heat sources of lower temperature, e.g. Heat from the outside air is used to ensure that the heat pump system can operate without additional heating.

In den Zeichnungen sind die Prinzipien und Aus-führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt: The principles and exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawings:

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 Fig. 1 shows a vertical section through the building's outer wall and the arrangement of the heat recovery pipes. The outer wall shown as an example consists of masonry 4, a heat insulation layer 5, an air gap 7 and a facade cover 6. The temperature profile in such an outer wall without heat recovery is shown schematically by the broken line 2. The room temperature

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. I is higher than the temperature of the outside air 10. The temperature of the air 8 in the air gaps 7 is also higher than the temperature of the outside air. Pipelines 9 are inserted at intervals into the air gap, in which heat transfer fluid 14 circulates. The changed temperature profile in the outer wall during the recovery of the building waste heat is shown schematically by the full line 3. Depending on the dimensions and arrangement of the pipelines 9, the air gaps 7 and the facade cover 6, the building waste heat escaping through the outer wall is fully or only partially recovered.

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 FIG. 2 shows a vertical section through the same outer wall as shown in FIG. 1, which was converted into a solar energy absorber for the purpose of using solar energy. While available direct or diffuse sunbeam

II wird die Temperatur der Fassadenabdeckung und die Temperatur in der Luftspalte erhöht, wie durch das mit voller Linie gezeichnete Temperaturprofil dargestellt wird. II, the temperature of the facade cover and the temperature in the air gap is increased, as shown by the temperature profile drawn with a full line.

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. In order to increase the efficiency of the use of solar energy, a translucent layer 12 is installed in front of the solar energy absorber, as shown in FIGS. 3 a, b. FIG. 3a shows a vertical, FIG. 3b shows a horizontal section through an outer wall equipped with a shaped solar energy absorber. In this example, the cross-section of the rear-ventilated air gaps was enlarged by using a shaped solar energy absorber. A sufficiently large cross-section of the air gaps prevents the formation of condensate or ice in the air gaps after the solar energy absorber has cooled. The pipes are attached to the outer wall by means of brackets 13.

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. 4 shows an outer wall with the heat recovery pipes before they were covered with a facade cover. The building waste heat and possibly solar energy absorbed by the heat transfer fluid in the pipelines 9 are converted to the heat pump 22 by manifolds 23, which e.g. can be installed on the roof of the building. After the heat transfer in the heat pump, the cooled heat transfer fluid circulates back through pipes 24 into the pipelines 9 in order to absorb building waste heat and possibly solar energy again. «For an optimal control of the heat flows, the heat transfer fluid can circulate through the outer walls in several separate circuits.

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. 5 shows an outer wall with air ducts 28 installed on the room side. The exhaust air 29 is conveyed by means of a fan 30 through the air ducts to the heat exchanger 31, where the building waste heat and possibly the outside air heat contained in the exhaust air can be released and passed on to the heat pump . The heat exchanger can also be the heat pump evaporator. Instead of a central fan 30, the exhaust air can be conveyed through the air ducts by means of several smaller fans stationed in different parts of the air ducts. The exhaust air cooled in the heat exchanger 31 is released into the environment.

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. 6 schematically shows the energy flows in a building which is heated by continuously recirculating heat and a heat pump. The building has a heat requirement 15 consisting of e.g. from heat demand for building heating and water heating. The building waste heat 16 recovered in the outer walls and the building waste heat 17 obtained from the exhaust air are fed to the heat pump. The heat pump brings the temperature of the recovered building waste heat to a useful level. The drive energy 20 of the heat pump simultaneously replaces that energy 21 which, for example, lost through windows, doors, or with sewage, without recovery.

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. 7 schematically shows the energy flows in a case where solar energy 19 is used in addition to the building waste heat 16 in the outer walls. The use of solar energy reduces the proportion of energy 20 to be supplied by the heat pump drive.

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. Fig. 8 shows schematically the energy flows in a building, where ambient heat 18 is also used to cover the full heat requirement, e.g. the building exhaust air in the heat exchanger is cooled below the temperature of the outside air or ambient heat by other, known per se facilities such as an energy roof is used.

Um eine möglichst wirtschaftliche Wärmeerzeugung zu erzielen und gleichzeitig einen Betrieb der In order to achieve the most economical heat generation and at the same time to operate the

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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, To ensure heat pump system without additional heating, the heat sources mentioned in FIGS. 6, 7 and 8 can be combined as desired. In order to balance differences between heat supply and heat demand, individual energy sources, e.g. the solar energy, are temporarily stored,

Claims

1. A method for covering the heat requirement of a building by means of a heat pump system, which is supplied through the outer walls of the building escaping building waste heat, characterized in that in a heat-insulating air gaps (7) between a colder provided with a heat insulation layer (5) Surface of the building outer wall and a facade cover (6) is formed, air (8) can flow at a temperature that is higher than the temperature of the outside air (10) that in the air gaps inserted pipes (9) a heat transfer fluid (14) circulates a temperature that is higher than the temperature of the outside air and at the same time lower than the temperature of the air in the air gap, so that the building waste heat contained in the air gap is absorbed by the heat transfer fluid and passed on to the heat pump (22).

2. The method according to claim 1, characterized in that the heat transfer fluid (14) in addition to the building waste heat (16) also absorbs a part (19) of the facade cover (6) formed as a solar energy absorber (11).

3. The method according to claim 2, characterized in that a facade cover designed as a solar energy absorber (6) with a light-transmitting layer (12) arranged in front of it is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in addition to the heat obtained behind the facade cover, the building waste heat (17) contained in the exhaust air is recovered in a heat exchanger and passed on to the heat pump (22) and by the heat pump drive the rest , for the full coverage of the building's heat requirement (15) necessary energy part (20) is supplied.

5. The method according to claim 4, characterized in that the heat pump (22) in addition to the building waste heat (16 and 17) and the solar energy (19) of the surroundings, heat (18) is supplied.

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