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Grundidee
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Die
Idee gründet
darauf, dass Fenster die Stellen im Haus sind, die den größten Wärmeverlust haben,
zum einen durch die Scheiben (auch bei geschlossenem Fenster) zum
andern durch das Lüften (bei
geöffnetem
Fenster). Deshalb sollte es möglich sein,
die Verlustenergie zum Lüften
zu verwenden, um für
frische, warme Luft im Raum zu sorgen.
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Die
Fenster sollen daher neben dem primären Sinn eines Fensters gleichzeitig
als Wärmetauscher
eingesetzt werden, und durch das Temperaturgefälle von warmer Zimmerluft und
kalter Außenluft angetrieben
werden. Gleichzeitig soll das lästige Öffnen und
Schließen
der Fenster entfallen.
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Die
Idee ist zum einen,
das Lüftungs-Fenster(-Bauteil)
so zu konstruieren, dass die Wärme
im Raum bleibt, die Kalte im Freien, aber die Raumluft durch Diffusion
der Luftteilchen sich mit der Außenluft austauscht und sich
so erneuert.
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Zum
andern,
den Wärmefluß und Verlust
durchs Fenster oder einem anderen Bauteil von innen nach außen mit
der kalten Zuluft von außen
nach innen im Fenster aufzufangen und sie dem Raum wieder zuzuführen. Und umgekehrt
den Kältefluss
im Fenster nach innen durch die warme Abluft nach außen im Fenster
abzufangen und so dem Raum warm zu halten, beides in einer Art ”Gegenstrom”.
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Zum
dritten,
Zuluft und Abluft im Fenster aneinander vorbeifließen zu lassen.
Dabei tauschen sie im Gegenstrom Dampf und Wärme aus. Die feuchte (absolut
gesehen) und warme Abluft gibt „en Passand” Dampf
und Wärme an
die trockene (absolut gesehen) und kalte Zuluft ab. Dadurch wird
Dampf und Wärme
wieder dem Raum zugeführt.
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Bauweise:
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Das
Fenster (steht immer auch für
Bauteil) ist derart aufgebaut, dass im Innern Luft fließen kann:
Das
Fenster besteht im einfachsten Fall aus einer inneren und einer äußeren Glasscheibe
(steht immer auch für
Trennwand) und hat einmal unten und einmal oben eine Luftöffnung ins
Fenster Innere.
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Um
eine bessere Wirkung zu erreichen, lassen sich weitere Zwischenscheiben,
ebenfalls mit Öffnung,
einbauen.
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Diese
Idee möchte
ich schützen
lassen.
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Prinzipiell
gibt es zwei unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten:
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Möglichkeit
A (siehe Beiblatt):
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Die
Abluft wird von oben nach unten und die Zuluft von unten nach oben
aneinander vorbeigeführt.
Die innere Scheibe des Fensters erhält dazu oben einen Schlitz
als Luftdurchlass, die äußere unten.
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Möglichkeit
B (siehe 3. Beiblatt):
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Gerade
umgekehrt! Die Zuluft wird von oben nach und die Abluft von unten
nach oben aneinander vorbeigeführt.
Die äußere Scheibe
erhält
unten und die innere oben den Schlitz
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Bei Möglichkeit
A und B (siehe 2. Beiblatt):
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Die
Zwischenscheiben, wenn eingebaut, haben den Luftschlitz in der Mitte,
der halben Höhe
der Außen-
und Innen-Scheiben, oder an entgegengesetzer Stelle der nächsten äußeren oder
inneren Scheibe, also der Reihe nach abwechselnd oben und unten,
so dass die Luft zwischen allen Scheiben auf und absteigen kann.
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Um
beide Möglichkeiten
zu kombinieren und ihre Vorzüge
zu nutzen, ohne verstellbare und verschließbare Schlitze oder Drosselklappen
zu benötigen,
ist folgendes die Lösung,
die ich auch schützen lassen
möchte:
Das „Lüftungsfenster” hat in
der Mitte, halber Höhe, eine
Drehachse und ist somit schwenkbar, und zwar nach außen (Kippfenster)
und innen. Es hat mindestens zwei Scheiben, die in der Mitte oben
und unten ins Fenster Innere offen sind (siehe Abbildung auf 4. Beiblatt!)
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Vier
Stellungen kann dieses „Lüftungsfenster” einnehmen:
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Stellung 1:
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Das
Fenster ist oben leicht nach innen gekippt und unten nach außen, doch
nur gerade so, dass die äußere Scheibe,
oder der Rahmen(gummi) dieser Scheibe, mit dem oberen Rahmen(gummi)
der Fenstereinfassung abschließt,
und die innere mit dem unteren. So werden die Schlitze ins Fenster
Innere frei, oben zum Raum und unten ins Freie. (Möglichkeit
A)
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Stellung 2:
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Das
Fenster ist oben leicht nach außen
gekippt, unten nach innen, doch wieder nur so, dass jetzt die innere
Scheibe mit dem oberen Rahmen abschließt die äußere Scheibe mit dem unteren
Rahmen. So werden wieder die Schlitze ins Fenster Innere frei, jetzt
aber oben ins Freie und unten in den Raum. (Möglichkeit B)
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Stellung 3:
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Das
Fenster wird ganz geöffnet
wie herkömmliche
Kippfenster:
keine Wärmerückgewinnung.
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Stellung 4:
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Das
Fenster ist ganz geschlossen, nicht gekippt. Die Öffnungen
ins Innere des Fensters sind alle durch den Rahmen der Fenstereinfassung
verschlossen:
keine Lüftung.
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Funktionsweise:
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Es
gibt nun je nach Wetterlage verschiedene Situationen und Funktionsweisen:
- 1. Heizperiode
- 1.a. Winter, (bei Hoch- und Tiefdruckwetter):
innen warm
und feucht, außen
kalt und trocken (immer absolut gesehen, auch im folgenden)
- 1.b. Übergangszeit
bei Hochdruckwetter: außen tags
warm, nachts kalt.
- 1.c. Übergangszeit
bei Tiefdruckwetter:
außen
Tag und Nacht kühl
- 2. Kühlperiode
- 2.a. Sommer (bei Hoch- und Tiefdruckwetter):
innen kühl und trocken,
außen
heiß und
feucht
- 2.b. Übergangszeit
bei Hochdruckwetter:
außen
tags heiß,
nachts kühl
- 2.c. Übergangszeit
bei Tiefdruckwetter:
außen
Tag und Nacht warm
- 3. Zeiten ohne Heizung und Kühlung
- 4. Sturmtief
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1. Funktionsweise während der Heizperiode:
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1.a. Im Winter: Es ist draußen Tag
und Nacht kalt und trocken.
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Die
Möglichkeit
A, oder Stellung 1 des „Lüftungsfensters”, ist vorzuziehen.
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Die
innere Scheibe des Fensters besitzt oben den Schlitz, durch den
verbrauchte, warme und feuchte Zimmerluft ins Fensterinnere gelangt.
Diese verliert zwar Wärme
an die äußere, kalte
Scheibe, sie wird aber dadurch kühler
und schwerer (spezifische Wichte) und sinkt nach unten, an der kalten
Außenscheibe
entlang, gibt ihre Wärme
an diese ab und fangt somit den Kältefluß durch die Scheibe von außen nach
innen auf und führt
ihn mit sich nach außen, unten
durch den Schlitz an der äußeren Scheibe.
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Gleichzeitig
wird bei dieser Konvektion im Fenster Dampf und Wärme zwischen
Ab- und Zuluft beim Vorbeifließen
ausgetauscht, aufgrund des sehr guten Diffusionsvermögens von
Wasserdampf. Die schweren Geruchspartikel diffundieren praktisch nicht,
CO2 und O2 nur wenig.
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Schließlich geht
die verbrauchte Zimmerluft unten durch den äußeren Schlitz an der äußeren Scheibe
als kalte, trockene Abluft nach außen.
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Durch
diesen äußeren Schlitz
gelangt gleichzeitig unten fische, noch kältere und trockenere Außenluft
ins Fensterinnere. Diese kalte Frischluft kühlt zwar die innere Scheibe,
aber sie wird dadurch warm und leicht, steigt nach oben, führt die
Wärme mit
sich nach innen, tauscht gleichzeitig Dampf und Wärme mit
der Abluft und geht als warme, feuchte Zuluft oben durch den Schlitz
an der inneren Scheibe in den Raum, also gerade umgekehrt wie oben.
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So
wird der Wärme-
und Dampffluß nach
außen
aufgefangen und wieder dem Raum zugeführt.
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Wenn
Zwischenscheiben, wie oben unter Bauweise beschrieben eingebaut
werden:
berührt
die warme Zimmerluft nicht sofort die kalte Außenscheibe, sondern kühlt an der
kühleren
Zwischenscheibe langsam ab und sinkt langsam an ihr nach unten.
Dabei gibt sie gleichzeitig an die aufsteigende kühlere und
trockenere Zuluft im Vorbeifließen Dampf
und Wärme
ab, siehe oben. In der Mitte (halber Höhe) der Zwischenscheiben kann
sie nun durch den Schlitz derselben weiter nach außen gehen
und, wenn die Luft im Spalt zwischen Zwischenscheibe und Außenscheibe
kälter ist,
wieder außen
an der Zwischenscheibe nach oben steigen, um anschließend an
der sie kühlenden
kalten Außenscheibe
wieder nach unten zu sinken. So fangt sie, noch besser wie schon
beschrieben, den Kältefluß von außen nach
innen durch die Scheiben auf und nimmt ihn quasi im Gegenstrom mit
sich nach außen
mit. Ab der Mitte (halber Höhe)
der Zwischenscheiben gibt sie wiederum auch an die aufsteigende
kalte und trockene Zuluft Dampf und Wärme ab und geht kalt und trocken
nach außen,
wie schon oben beschrieben.
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Umgekehrt
kühlt die
kalte Außenluft
nicht sofort die Innenscheibe und somit den Raum, sondern fließt gerade
umgekehrt zur Abluft wie gerade beschrieben, und nimmt die Abwärme der
Scheiben und den Dampf und Wärme
der Abluft, mit nach innen.
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1.b. Funktionsweise in der Übergangszeit
bei Hochdruckwetter, wenn's
außen
nachts auch kalt ist, aber tags warm.
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Immer
noch und gerade jetzt ist die Möglichkeit
A, also Stellung 1 des „Lüftungsfensters”, optimal:
Nachts
ist die Situation und Funktionsweise wie im Winter, siehe oben.
Aber tagsüber,
wenn es draußen warmer
ist als im Raum, kann ungehindert die warme Luft von außen im Fenster
von unten nach oben in den Raum strömen und die kühle Luft
von innen im Fenster von oben nach unten fallen und nach außen strömen, so
schnell, dass kaum Wärme
ausgetauscht wird und der Raum somit tagsüber von selbst aufgewärmt wird.
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Diese
Möglichkeit
A (oder Stellung 1) besitzt zwar den Vorteil, dass die Schlitze
auf eine solche Weise angeordnet sind, dass sich aufgrund des Temperaturgefälles (oben
wann und unten kalt) im Winter keine starke Strömung bilden kann und somit
keine verstellbaren Öffnungen
(Drosseln) benötigt
werden.
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Allerdings
hat dies den Nachteil, vor allem bei Einbau von Zwischenscheiben,
dass man bei geringem Temperaturgefälle in der Übergangszeit aufgrund des sehr
guten Diffusionsvermögens
von Wasserdampf (diffundiert schneller als die Luft fließt: zu geringe
Konvektion), trockene Zimmerluft erhält.
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Diesen
Nachteil kann die zweite prinzipielle Konstruktionsvariante beseitigen.
Hierbei werden die Schlitze im Fenster nämlich derart angeordnet, dass auch
bei milder, kühler
Wetterlage noch Luft im Fenster fließt:
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1.c. Funktionsweise in der Übergangszeit
bei Tiefdruckwetter, wenn's
draußen
Tag und Nacht kühl
ist:
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Jetzt
ist die Möglichkeit
B vorzuziehen, also Stellung 2 des ”Lüftungsfensters”.
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An
der inneren Scheibe werden die Luftschlitze unten und an der äußeren Scheibe
oben angeordnet. Also genau umgekehrt wie bei der ersten Variante.
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Im
Fenster fällt
die kühlere
und schwerere Luft von außen
ab und wärmt
sich an der nach oben steigenden wärmeren und leichteren Innenluft.
Die Frischluft nimmt dabei den Wasserdampf der verbrauchten Luft
auf, während
die schweren Geruchspartikeln sowie CO2 nicht in den Frischluftstrom
eindiffundieren. Damit wird die Luftfeuchtigkeit im Raum gehalten,
aber schlecht diffundierende Stoffe (Geruchsstoffe) nach außen transportiert.
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Auch
fließt
die warme, leichte Innenluft im Fenster inwändig an der warmen Innenscheibe
nach oben und die kühle
schwerere Außenluft
im Fenster inwändig
an der kühlen
Außenscheibe
nach unten. Dadurch entsteht praktisch kein Wärmeverlußt durch die Scheiben, da warme
Luft an warmer Scheibe und kalte Luft an kalter Scheibe vorbeifließt.
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Bei
dieser Möglichkeit
B kann und muss wohl die bei starkem Temperaturgefälle sich
einstellende starke Luftströmung
gedrosselt werden (oder auf Möglichkeit
A umgestellt werden, von Stellung 2 auf Stellung 1 des Lüftungsfensters):
Durch
spezielle Anordnung der Öffnungen
soll gewährleistet
werden, dass sich verbrauchte und frische Luft im Gegenstromprinzip
aneinander vorbeibewegen ohne sich direkt zu vermischen. Dabei sollen
sie ihre Wärme
und Dampf austauschen. Hierbei ist natürlich wichtig, dass die Luft
nicht zu schnell und nicht zu langsam strömt. Dies bedeutet, dass man ihre
Strömungsgeschwindigkeit
regeln muss. Da die Strömungsgeschwindigkeit
offensichtlich von der Temperaturdifferenz von Innenluft und Freiem
abhängt,
bietet sich beispielsweise an, die Öffnungsweite elektronisch zu
steuern, um mithilfe von Drosselventilen eine zu große Strömung zu
verhindern.
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2. Funktionsweise in der Kühlperiode:
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2.a. Im Sommer: Es ist draußen, Tag
und Nacht, heiß und
feucht.
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Wieder
ist die Möglichkeit
B (Stellung 2 des „Lüftungsfensters”) vorzuziehen,
(wie unter i. e.),
aber die Situation und Funktionsweise ist
nun wie im Winter bei Möglichkeit
A, nur dass Innen und Außen, Zuluft
und Abluft vertauscht sind, siehe unter 1.a.!
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Die
Hitze und Feuchte der Außenluft
wird im Gegenstrom von der kühlen
und trockenen Abluft abgefangen und dem Raum ferngehalten.
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Eine
Drosselung, (siehe unter i. e.), kann entfallen, da sich höchstens
in kühler
Sommernacht eine starke, jedoch jetzt wünschenswerte Strömung einstellen
kann, wenn kühle
Außenluft
dann ungehindert in den Raum strömen
kann und diesen, von der Tageshitze aufgeheitzt, abkühlt. Dagegen
müßte bei Möglichkeit
A im Sommer durch verstellbare Öffnungen
der Schlitze, entsprechend wie bei Möglichkeit B im Winter (siehe
unter i. e.), bei extremen Außentemperaturen
die sich einstellende starke Luftstömung gedrosselt werden, maschinell
oder manuell.
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2.b. Funktionsweise in der Kühlperiode
in der Übergangszeit
bei Hochdruckwetter, wenn's
draußen
tags heiß aber
nachts kühl
ist.
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Immernoch
und gerade jetzt ist die Möglichkeit
B (also Stellung 2 des „Lüftungsfensters”) optimal.
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Tags
ist die Situation und Funktionsweise wie im Sommer, siehe oben:
Die Hitze der Außenluft
wird durch die Abluft im Gegenstrom aufgefangen und dem Raum ferngehalten,
die Kühle
des Raumes durch die Zuluft zurückgehalten.
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Aber
nachts ist die Situation und Funktionsweise gleich wie im Winter,
nur dass die Drosselung der Luftströme entfallen kann und muss,
das heißt, die
Schlitze müssen
ganz geöffnet
werden, damit wie schon oben unter 2.a. Beschrieben, dem Raum kühle Nachtluft
zuströmen
kann.
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2.c. Funktionsweise in der Übergangszeit
bei Tiefdruckwetter: außen
ist es Tag und Nacht warm, innen kühl.
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Jetzt
ist wieder Möglichkeit
A, Stellung 1 des „Lüftungsfensters”, vorzuziehen:
Die
Situation und Funktionsweise ist genau umgekehrt wie unter i. e.,
siehe oben, nur innen und außen sind
vertauscht, oben und unten: Die kühlere Innenluft fallt im Fensterinnern
ab, die wärmere
Außenluft steigt
nach oben und tauschen Dampf und Wärme.
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3. Funktionsweise in Zeiten
ohne Heizung und Kühlung
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Sowohl
bei Möglichkeit
A (Stellung 1), als auch B (Stellung 2 des ”Lüftungsfensters”) gelangt Verbrauchte
Zimmerluft von innen und Frischluft von außen durch die Schlitze ins
Fensterinnere. Da es sich annähernd
um gleichwarme Luft handelt sinkt und steigt diese nicht ab oder
auf: Es bildet sich keinerlei Strömung.
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Die
Luft strömt
nicht, aber durch Diffusion können
die Mischungsverhältnisse
der beiden Gase sich ausgleichen.
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Bei
niedriger Belegung des Raumes oder genügend großer Lüftungsfenster-Fläche wird
dies genügen,
ansonsten muss herkömmlich
gelüftet
werden, was in den Zeiten, wo weder Heizung noch Kühlung nötig ist,
gut und gerne eine herkömmliche
Dauerlüftung
durch Offenstehenlassen der Fenster sein kann: Stellung 3 des „Lüftungsfensters”!
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4. Funktionsweise bei Sturmtief:
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Wenn
es stürmt,
kann und sollte das Fenster einfach geschlossen gehalten werden:
Stellung 4 des „Lüftungsfensters”.