DD217570A1

DD217570A1 - Bruestungselement als waermetauscher

Info

Publication number: DD217570A1
Application number: DD25488483A
Authority: DD
Inventors: Johannes G Mehlig
Original assignee: Inst F Energetik Zentralstelle
Priority date: 1983-09-16
Filing date: 1983-09-16
Publication date: 1985-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bruestungselement fuer mehrstoeckige Gebaeude, insbesondere fuer Wohn- und Gesellschaftsbauten mit nichttragenden Aussenwaenden. Zweck der Erfindung ist es, ein solches Bruestungselement in Weiterentwicklung des bekannten Standes der Technik so zu gestalten, dass ein geringer Heizenergiebedarf fuer Transmission und Lueftung sowie ein sehr guter Waermeschutz im Winter und Sommer erreicht wird. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale geloest - das Bruestungselement besteht aus Abluftfassade, Abluft/Zuluft-Waermeuebertrager und Zuluftfassade-das Bruestungselement wird von Abluft aus dem darunterliegenden Geschoss durchstroemt, die Lueftung erfolgt allein durch thermischen Auftrieb-Zum Ausgleich der Winddruckunterschiede zwischen Luv- und Leeseite des Gebaeudes verlaufen um das gesamte Gebaeude Ausgleichskanaele, die mit selbsttaetig oeffnenden und schliessenden Drosselklappen versehen sind.Die Erfindung ist anwendbar fuer den Neubau und die Rekonstruktion von Wohn- und Gesellschaftsbauten.

Description

Titel der Erfindung ,

Brüstungselement als Wärmetauscher

Anwendungsgebiet der Erfindung .

Die Erfindung betrifft ein Brüstungselement für mehrstöckige Gebäude, insbesondere für Wohn- und Gesellschaftsbauten mit nichttragenden Außenwänden. , '

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die weltweite Verknappung von Energie hat zu vielfältigen Überlegungen über .die Heizenergieeinsparung bei Wohn- und. Gesellschaftsbauten geführt. Zwei Entwicklungsrichtungen sind dabei

- die Überlagerung des Transmissions- und Lüftungswärme- -' bedarf es

- die Wärmerückgewinnung au3 der Abluft zur Erwärmung der Zuluft.

Die Überlagerung des Transmissions- und Lüftungsv/ärmebedarfes erfolgt in sog. Zuluft- und/oder A*b luft fens tern bzw. -fassaden * oder mit Hilfe von porösen Außenwänden. So ist z.B. aus der DE-OS 2725679 eine Klimafassade bekannt, bei der.in Außenwände Luftkanäle so eingebaut werden, daß beim Ansaugen oder Durch- ,

blasen von Luft durch diese Kanäle die Luit entgegen dem Wärmefluß- durch die Außenwand strömt.· In der DE-OS 2944^66 wird vorgeschlagen, die Außenwände oder Teile davon aus po- , röaen luftdurchlässigem Material herzustellen und die Liii-. tung durch diese Wände hindurch erfolgen zu lassen«

Diese Vorschläge haben den Nachteil, daß die mögliche. Heizenergieeinsparung maximal 30 % beträgt und sich bei guter Wärmedämmung- der Außenwände und hohen Lüftungswärraebedarf erbeblich verringert.

Dieser "Fall wird zukünftig immer mehr zum Nortnalfall werden. Dann bringt die direkte WärmeÜbertragung von der Abluft an die Zuluft größere Senkungen des Heizenergiebedarfes. Bei vollklimatisierten Gebäuden mit zentraler Be- und Entlüftung wird diese Wärmerückgewinnung mittels Regeneratoren und Rekuperatoren häufig vorgenommen.

Eine allgemeine Anwendung setzt jedoch voraus, daß die Wärmerückgewinnung mit geringstem technischen Aufwand dezentral, durchgeführt werden kann. In der DE-OS 2757193 wird dazu ein vor die Außenseite .eines Bauwerks setzbares Fa.ssadenelement vorgeschlagen, das zwei Luftkanäle enthält. Der außenseitig angeordnete Luftkanal wird von Abluft aus dem unteren Geschoß von unten nach oben durchströmt. Im innenseitig angeordneten Luftkanal strömt, im Gleichstrom dazu die Zuluft des jeweiligen Geschosses. Nachteile dieses Vorschlages sind

- Der Abluftkanai i'st außenseitig angeordnet und die Abluft

. gibt damit einen Teil ihrer Wärme direkt an die Umgebung ab,

- Die'StröEungsfübrung von Zuluft und Abluft erfolgt im Gleichstrom, der wärmetecbniscb ungünstig ist.

- Die Führung der Abluft von unten nach oben ia Wärmetauscher ergibt instabile Strömungsverhältnisse (Rückströmung der abgekühlten Abluft) .

Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist es, ein Brüs tungse leine nt in Weiter- ·, entwicklung des bekannten -Standes der Technik so zu gestalten, daß .ein geringer Heizenergiebedarf für Transmission und Lüftung sowie ein sehr guter Wärmeschutz in Winter und Sommer erreicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brüstungselement so zu gestalten, daß während.der Heizperiode

- die Lüftung vorwiegend durch das Brüstungselement erfolgt

- der hygienisch erforderliche Mindestluftwechsel automatisch ohne Aufwendung mechanischer Energie erfolgt

- ^;im Brüstungselement eine Wärme übertragung von der Abluft an die Zuluft sowie eine Kopplung von Transmissionswärmebedarf und Luftungswärmebedarf erfolgt.

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch Kombination eines innenseitig angeordneten Abluftkanales (Abluftfassade), eines Abluft/Zuluft-Gegenstrom-V/ärmeubertragers und eines außenseitig angeordneten Zuluftkanales (Zuluftfassade) gelöst.

An der Außenseite des Brüstungselementes erstreckt sich ein Zuluftkanal und ein Abluftkanal rings um das ganze Gebäude zum Ausgleich der Winddruckunterschiede zwischen Luv- und Leeseite. In der Außenwand dieser. Kanäle sind Drosselklappen angeordnet, die sich bei hohen Windgeschwindigkeiten infolge der auftretenden über- bzw. Unterdrücke selbsttätig schließen und bei niedrigen Windgeschwindigkeiten selbsttätig öffnen.

Der Abluftkanal wird von Abluft aus dein darunterliegenden Geschoß von unten nach oben durchströmt, und die Lüftung erfolgt damit allein durch thermischen Auftrieb. Die Zuluft strömt am oberen Ende des Brüstungselementes (unterhalb der Fenster-Sohlbank) außen zu und innen in den Raum.

Iii dem Abluft/Zuluft-Wärmeübertrager strömt die Abluft von oben nach;unten und die Zuluft im Gegenstrom, von unten nach , "oben. Sine hohe Wärmeübertragung zwischen Abluft und Zuluft wird erreicht durch . . · .

-.Verwirklichung des Gegenstromprinzips bei thermisch stabilen Strömungsverhältnissen

- einen großen Wannedurchgangsvd.derstand der äußeren Begrenzungswände .

- einen niedrigen Wärmedurchgangswiderstand der inneren Trennwand. '

Im Sommer erfordert ein guter Wärmeschutz, daß die auf das Brüstungselement auftreffende Sonnenenergie möglichst nicht in den Raum gelangt. Bei dem erfindungsgemäßen BrüstungseIemeht.ist dies gewährleistet, da bei etwa gleich hohen Raum-,und Außentemperaturen sich auf'der sonnenbeschienenen Seite die Strömungsrichtung im Zuluftkanal umkehrt und die nicht gewünschte Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird.

Ausf ührungs beispie 1 '

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Fig. 1 zeigt in nicht maßstäblicher, schematischer Darstellung einen senkrechten Schnitt durch das erfindungsgemäße Brüstungselement'. Bs erstreckt sich von der Oberkante des Fenstersturzes des darunterliegenden Geschosses (16) bis zur Unterkante der Fenster-Sohlbank (11). Die Höhe des Brüstungselementes ist ebenso frei wählbar wie die Breite Im Interesse eines niedrigen Heizenergiebedarfes sollte sich das Brüstungselement möglichst über den gesamten Brüstungsbereich zwischen Fenstersturz und -sohlbank erstrecken.

Das Brüstungselement wird zweckmäßig in bekannter Y/eise als nichttragendes Bauelement vor die Fassade vorgehängt oder vorgestellt. Es ist jedoch auch möglich, die äußere Begrenzungswand 15 in konventioneller Weise als tragende Wand auszuführen und das Brüstungselement innenseitig anzuordnen«

Die Zuluft strömt über den Zuluftkanal 13 unterhalb der Fenstersohlbank 11 in die Zuluftfassade 4 und wird hier durch den von innen kommenden Transoiissionswärraestrom erwarra't. Etwa in Fußbodenhöbe wird-die Zuluft nach oben umgelenkt. Im Abluft/ Zuluft-Wärmeübertrager wird die Zuluft 3 von der im C-egenstrom strömenden Abluft 2 erwärmt und tritt unterhalb der Fenster-· sohlbank 11 in den zu belüftenden Raum ein. '

Die Abluft - des darunterliegenden Geschosses - verläßt den Raum in Höhe des Fenstersturzes 16 bzw. des Fußbodens 10 (wenn Höhe des Fenstersturzes und des Fußbodens nicht übereinstimmen) und strömt zunächst durch die Abluftfassade 1 nach oben, wobei sie den Transmissionswärmestrom durch die Innenwand 5 vermindert. In Höhe der Fenstersoblbank wird die Abluft nach unten umgelenkt und gibt einen Teil ihrer Wärme im Abluft/Zuluft-Wärraeübertrager an die Zuluft ab. Über den Abluftkanal 14 gelangt die Abluft ins Freie.

Diese Strömungsführung der Zu- und Abluft hat folgende Vorteile: . . ,

- Eine Durchlüftung des Brüstungselementes i3t allein durch thermischen Auftrieb möglich.

- Im Abluft/Zuluft-Wärraeübertrager, in dem die Erwärmung der Zuluft und die Abkühlung der Abluft zum überwiegenden Teil erfolgt, nimmt, sowohl im Zuluftkanal als auch im Abluftkanal die Dichte von oben nach unten zu, und es herrscht damit eine stabile Strömung..

- Es findet keine Kreuzung der Strö.mungswege von Zuluft und Abluft statt.

Um im Abluft/Zuluft-Wärmeübertrager eine gute Wärmeübertragung zu'erreichen, muß die innere Trennwand 7 einen möglichst kleinen Wärmeleitwiderstand aufweisen. Sie wird vorzugsweise als Metall- oder Kunststoffplatte geringer Dicke ausgeführt; Demgegenüber soll der Wärmeleitwiderstand der Trennwände 6 und möglichst groß sein (Einsatz von bekannten Dämmstoffen). Die wärmetecbniscbe Wirksamkeit läßt sich bei gleichem Materialeinsatz verbessern, wenn die Dämmstoffdicke der bestehenden Temperaturdifferenz etwa proportional gewählt wird. An die wärmetechniscben Eigenschaften der übrigen Begrenzungseleaente werden keine besonderen Anforderungen ,gestellt.

Im Abluftkanal 2 kann es zu Tauwasserausfall kommen. Deshalb, ist die Oberkante des Fenstersturzes 16 leicht geneigt nach außen auszuführen und in der Gebäudefassade- 15 sind eine oder mehrere Entwässerungsöffnungen vorzusehen (in Figur 1 nicht dargestellt). Weiterhin muß die Trennwand 6 außenseitig eine wasserdichte Beschichtung aufweisen. . ,

Damit die-Lüftung des Raumes überwiegend durch das Brüstungselement und'durch thermischen Auftrieb erfolgt, sind zwei Bedingungen zu erfüllen:

- Es müssen.fugendicbte Fenster eingebaut werden, die während der Heizperiode geschlossen bleiben.

- Der Einfluß von Windkräften auf die Durcbströrnung des 3rüstungseleraentes "muß· eliminiert werden.-

Zur'Erfüllung der zweiten Forderung sind außenseitig vor des Brüstungsei em ent ein 'Zuluftkanal 13 und sin Abluftkanal 14 rings ura das ganze Gebäude-mit einem verhältnismäßig großen Strömungsquerschnitt zum Druckausgleich zwischen Luv- und Leeseite angeordnet. Die' Offnungen dieser Kanäle nach außen sind mit drehbaren Drosselklappen 12 versehen, die, sich nach de.ei Prinzip des Rückschlagventils sowohl bei hoben Überdrücken als

auch bei hoben Unterdrücken selbsttätig schließen und bei niedrigen Über- bzw. Unterdrücken selbsttätig öffnen*

Die ströraungstechnische Auslegung des Brüstungselementes gemäß der Grundgleichung Auftrieb = Widerstand erfolgt "zweckraäßigerweise so, daß bei einer Temperaturdifferenz von etwa 10 K zwischen innen und außen der gewünschte Luftdurchsatz erreicht wird. Bei kleineren Temperaturdifferenzen muß eine Zusatzlüftung durch zeitweises öffnen dsr Fenster erfolgen. Bei größeren Temperaturdifferenzen ist der Luftdurchsatz durch das Brüstungselement zu drosseln. ..Dies kann in bekannter Y/eise dadurch geschehen, daß die innenseitigen Zuluft- und/oder Abluftöffnungen init geeigneten, manuell zu betätigenden Absperrorganen (in Figur 1 nicht dargestellt) versehen werden.

Pur ein Beispiel des erfindungsgeraäßen Brüstungselementes soll nachfolgend eine wärme- und strömungstecbnische Auslegungsrecimung durchgeführt werden. Folgende Ausgangswerte sind vorgegeben .

Tiefe des Brüstungselementes A,00 m

Höhe des Brüstungselementes ' 1,25 ώ .

Innentemperatur " 20 C

Außentemperatur OC.

Luftwechsel 30 s³/h (36 kg/h)

Lüftungsheizlast 200 W (40 W/m²)

2 7/ärmeübergang durch Konvektion otrr = .o W/m K

δ. 2 Wärmeübergang durch Strahlung ex 5 = 5 -W/m K.

2 Wärmeüberleitwiderstand ^ = 0,15 m K/7/

der 'fände 5 und 9 (einschließlich raum- bzw. außenseitiger Konvektion und Strahlung)

' . ' -p-Wärmeleitwiderstand der Wände β und 8 R = 0,60 m~K/v7.

2 Wärmeleitwiderstand der Wand 7 H^O α K/W

Der Y/ärraedurcbgangswiderstand_des gesagten Brüstungselementes beträgt damit R gut gedämmten Außenwand.

2 tes beträgt damit R = 2 m . K/W und entspricht dem einer

O' ft	1	8	15	30	1	45
17,88	1	1	,31	16,72	1	9,01
10,63		8	,92	12,95		3,77
9,37		1	,18	7,05		6,23
2,12		,7σ	1,28	0,99

PUr die.Ausgangswerte ergeben sich in Abhängigkeit von Luftdurchsatz folgende mittlere Kanaltemperaturen in C

Luftwechsel in m /b

Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 4

Die dazugehörigen Ka na lendt ein per a türen in C betragen

Luftwechsel in m³/h . '0 . 15 30 \ 45

Kanal 1 ... ,. 18,65 13,67 18,81

Kanal 2 ' 7,25 8,32 9,45

Kaiial 3 ',- .12,75 11,68 ' 10,55

Kanal 4 : 1,35 1,33 1,19

Der Wärmebedarf für Transmission und Lüftung beträgt Luftwechsel in m³/b 0. .15 30 45

q	in	W/m²	10	,00	15	,53	23	,30 .	33	,85
^qo	in	W/rn²	10	,00 ·	30	,00	"50	,00	.70	,00
q	in	% von q	100	,00	51	,76	46	,59	48	,36

Es 1st zu erkennen, daß der Wärmebedarf des Brüstungs-elementes mit zunehmender Belüftung nur langsam zunimmt

Bei der vorstehenden Rechnung (Pa11.1) wurde der Wärmeleitwiderstand der Wände 6 und 8 über die geaaste Höhe als konstant angenommen. Sine geringfügige Verbesserung ist

10	,00	13	,68	21,	47	32,	27
10	,00	30	,00	50,	00	70,	00
100	,00	45	,59	42,	94	46,	09

möglich, wenn man den Wärmeleitwiderstand, linear mit der Höhe von 0* m² K/W auf 1,20 m² K/W ändert. In diesem Pail beträgt der Wärmebedarf für Transmission und Lüftung

Luftwechsel in ur/b 0 15 30 ' 45

ο q in Y//Qj

q₀ in W/a² q in % von q

Ss ist fraglich, ob bei den niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten in den Kanälen eine konvektive Wärmeübergangszahl

2 von cC-cr = 6 W/m K tatsächlich erreichbar ist. Nimmt man

^H ρ ·

einen Wert von nur ct_K = 3,3 W/m K an, so kann bei gleichem Wärmedurchgangsvjiderstand R₀₁₀₀, der Wärmeleitwiderstand

gea ρ

der Wände 6 und 8 auf R = 0,55 m· K/W vermindert werden. In diesem Pail 3 beträgt der Wärmebedarf für Transmission und Lüftung

Luftwechsel in m³/b , 0· 15 30 . '. 45

q	in	W/a²	^o	10,	OO	16,	59	26	,88	39	,85
^q-o	in	W/qj²	10,	OO .	30,	OO	•50	,00	70	,00
q	in	% von	100,	OO	55,	29	53	,76	56	,93

Der Temperaturverlauf in den Kanälen des Brüstungselementes ist für die obigen Fälle I.bis 3 bei'einem Luftweebsel von 30 m^/h in Pig. 2 dargestellt.

Die Dichtedifferenz zwischen Raumluft und Außenluft beträgt bei einer Temperaturdifferenz von 10 K δ^_£ = O,O45^? kg/a . Bei einer Pensterböhe von H = 1,50 m ergibt sich damit - unter Vernachlässigung der Auftriebskräfte im Brüstungselement - ein Auftrieb von A = 0,65.Pa.

-.10 - .

Bei einer Kanalbreite von 0,05 in ergibt sich bei einem Luftdurchsatz von 30 cd /b eine Strömungsgeschwindigkeit-von. V-, - 0,04 m/s. Aus der Bedingung Auftrieb = Widerstand' ergibt sich ein. zulässiger Widerstandsbeiwert von ζ = 680. Den größten Anteil am Gesamtwiderstand haben dabei die Drosselklappen und die innenseitigen Absperrorgane.. Bei größeren lemperaturdifferenzen ist für den gleichen luftdurchsatz ein größerer Widerstandsbeiwert- erforderlich.

Claims

Erfindungsansprüche

1. Brüstungselement für mehrstöckige Gebäude, insbesondere für Wohn- und Gesellschaftsbauten mit nichttragenden Aui3enwänden,, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale '

- dem Abluftkanal - Abluftfassade - (1), gebildet durch die Innenwand (5)- und die Trennwand (6), der eintrittsseitig zum darunterliegenden Geschoß geöffnet ist

- dem Abluft/Zuluft-Gegenstrom-Wärmeübertrager mit dem Abluftkanal (2) und dem Zuluftkanal (3), gebildet durch die Trennwände (6), (7) und (8) .

- dem Zuluftkanal - Zuluftfassade - (4), gebildet durch die Trennwand (8) und die Trenn- bzw. Außenwand (9) ,

- dem Fenstersturz (16) als untere und der Penstersohlbank (11). als obere Begrenzung.

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2. Brüstungseiement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß zum Ausgleich der Winddruckunterschiede zwischen Luv- und Leeseite des Gebäudes um das gesamte Gebäude in Höhe jedes Brüstungselementes vor den außenseitigen Zuluft- und Ab-

luftöffnungen Kanäle (13) und (Τ4) angeordnet sind und die Außenwandöffnungen dieser Kanäle (13) und (14) mit drehbar gelagerten Drosselklappen (12) versehen sind.

3. Brüstungseiement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß

die Trennwände (6) und (8) Wärmeleitwiderstand voxi min-

p

destens S = 0,40 m~ K/V/ haben. .

4. Brüstungselement nach Punkt 1 und 3 gekennzeichnet dadurch, daß die Schichtdicke der Trennwände (6) und (8) (und damit der-Wärmedurchgangswiderstand) den örtlichen Temperaturdifferenzen etwa proportional ist.. .. .

5· Brüstungselernent nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch,
daß die Lüftungsintensität durch Absperrorgane vor den .innenseitigen Zuluft- und/oder Abluftöffnungen - am Zuluftkanal (4) - und/oder Abluftkanal (1) regelbar ist.

- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen -