-
Die
Erfindung betrifft zweischalige Fassadenelemente in der Art von
Verbundfenstern oder Kastendoppelfenstern, bestehend aus einer inneren Schale
und einer äußeren Schale
mit einem Luftzwischenraum.
-
Das
Problem von solchen Verbundfensterkonstruktionen – so lange
diese nicht als Isolierglas mit hermetischem Randverbund ausgeführt sind – ist die
Ansaugung feuchter Luft bei Abkühlung,
entweder von außen
oder aus dem Innenraum, zum Beispiel über undichte Rahmenteile oder
Dichtstoffe, die wasserdampfdiffusionsoffen sind. Bei nächtlicher
Abkühlung
oder inverser Wetterlage kommt es dann zu einer Kondensationsbildung
im Luftzwischenraum, zum Beispiel auf der Innenseite der äußeren, kalten Scheibe.
Diese Kondensationsbildung ist unerwünscht, da sie zu Undurchsichtigkeit,
zu Eisbildung im Winter, in der Folge aber auch zu Feuchtigkeitsschäden führen kann.
Um derartige Kondensationseffekte zu vermeiden, wird üblicherweise
die Dichtung der äußeren Scheibe
zum Luftzwischenraum aufgeschnitten, so dass es zu einer minimalen
Hinterlüftung
kommt.
-
Als
allgemeine Regel gilt, dass die angesaugte Luft kältere Außenluft
sein sollte. In tropischen Klimata sollte kühlere bzw. gekühlte Innenraumluft
angesaugt werden. Kühlere
Luft ist im Allgemeinen trockener, so dass es zu einer verminderten Kondensationsfeuchte
bei Abkühlung
kommt. Der Nachteil dieser Minimalhinterlüftung ist, dass der Luftzwischenraum
im Winter seine isolierende Wirkung verliert. Weiterer Nachteil
ist der Eintrag von Schmutzpartikeln aus der Luft und die Notwendigkeit häufiger Reinigung.
-
Weitere
Maßnahmen
zur Verhinderung der Kondensation bestehen beispielsweise darin,
den Luftzwischenraum zu erwärmen,
um eingetretene Feuchtigkeit zu verdampfen und über eine Expansion der erwärmten Luft
diese aus dem Luftzwischenraum auszutreiben. Bei Erwärmung des
Scheibenzwischenraums wird zwar die Feuchtigkeit verdampft und durch
Expansion des Luftvolumens aus dem Scheibenzwischenraum ausgetrieben.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass dies eine erhebliche Energieverschwendung
darstellt, da die Kondensation sofort wieder einsetzt, sowie die
aktive Aufheizung des Fassadenzwischenraumes aussetzt. Das Luftvolumen
kollabiert durch Abkühlung.
Es wird Luft – meist
aufgrund von baulichen Mängeln über Fugen von
innen – angesaugt.
Damit kommt es zu einer konstanten Feuchteeinleitung.
-
Andere
Maßnahmen
sehen vor, die Luft über metallisch
ausgebildete Einströmöffnungen
zu führen,
die im Schatten der Fassade liegen und eine geringere Temperatur
haben. Die Erwartung ist, dass an diesen kühleren Teilen eintretende Luftfeuchtigkeit kondensiert
und das Kondensat frei nach außen
abtropft.
-
In
der Praxis hat sich herausgestellt, dass diese metallischen Öffnungen, über die
die Luft 'eingeatmet' wird, nicht genug
abkühlen,
um eintretende Luft ausreichend zu entfeuchten. Insbesondere kommt
es bei inversen Wetterlagen, wenn Wärme und feuchte Luft angesaugt
wird, nach wie vor zu einer Kondensatbildung im Scheibenzwischenraum.
-
Die
Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, nicht hinterlüftete, zweischalige
Fassadenelemente zu konstruieren, die mit geringstem Energieaufwand
das Eintreten feuchter Luft verhindern, und gleichzeitig die relative
Luftfeuchtigkeit im Scheibenzwischenraum reduzieren.
-
Diese
Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.
-
Der
Vorteil der Erfindung ist die Gleichzeitigkeit zweier gegensätzlicher
physikalischer Prozesse: Die Kontraktion der Luft durch Abkühlung und
die Entfeuchtung einerseits und die Reduktion der relativen Luftfeuchtigkeit
durch Erwärmung
andererseits. Dies wird erreicht durch die Kühlung eines Einströmkanals,
die zu einer unmittelbaren Kondensatbildung und damit Trocknung
der einströmenden
Luft führt. Die
Restfeuchte wird durch die Erwärmung
der eingeströmten
Luft verdampft. Da sich Kondensatbildung primär im unteren Fensterbereich
infolge Absenkens kalter Luft nach unten ausbildet, ist der Wärmekörper vorzugsweise
im Bereich der Kaltzonen, also im unteren Bereich des Fensterelementes,
angeordnet. Bei einer Metallkonstruktion mag der Wärmekörper mit
dem Rahmenelement selbst in Verbindung stehen, um die Wärme im unteren
Fensterbereich gleichmäßig über Wärme leitende
Rahmen, zum Beispiel aus Aluminium, zu verteilen.
-
Luft
durch Entfeuchtung und Abkühlung
zu konditionieren und auch in einem nachgeschalteten Wärmeprozess
wieder aufzuheizen, ist aus der Klimatechnik bekannt. Bislang war
es allerdings nicht gelungen, Luftkonditionierverfahren aus komplexen klimatechnischen
Anlagen so zu vereinfachen, dass sie einerseits mit einfachsten
technischen Mitteln realisiert werden können und damit einerseits in
ihrer Baugröße, andererseits
aus dem Gesichtspunkt der Baukosten in der Konstruktion von Fenstern
und Fassaden einzusetzen gewesen wären. Bekannte Luftkonditionieranlagen
aus der Klimatechnik arbeiten mit vergleichsweise gewaltigen Luftströmen mit
hoher Luftgeschwindigkeit. Vorliegend war die Aufgabe zu lösen, mit
minimalsten Luftgeschwindigkeiten und ganz geringen Luftmengen eine
Luftkonditionierung zu erzielen, die sich mit einfachsten Methoden
steuern lässt
und durch die intelligente Nutzung natürlicher Prozesse der Luft,
Expansion und Kontraktion, die Strömungsrichtung innerhalb der
Konditioniereinheiten automatisch und autark funktioniert.
-
Die
Erfindung sieht vor, die warme und kalte Seite thermoelektrischer
Effekte gleichzeitig zu nutzen und die Luft einerseits durch Kühlung, andererseits
durch Erwärmung
zu konditionieren. Diese gegensätzlichen
Prozesse erfolgen in zeitlicher Reihenfolge nacheinander zugunsten
einer Luftentfeuchtung bei Abkühlung
und einer weiteren Reduktion der relativen Luftfeuchte durch Erwärmung. Die
Regelung der Richtung der Luftströme in der korrekten zeitlichen
Folge erfolgt über
die Expansion bzw. über die
Abkühlung
auf der Zuluftseite und eine Erwärmung
auf der Einströmseite
oder im Luftraum des Fassadenelementes. Es stellt sich automatisch
ein erfindungsgemäßer ,Thermopendeleffekt' ein. Die Erzeugung
von Kälte
bzw. Wärme
erfolgt vorzugsweise über
einen thermoelektrischen Effekt, indem ein Peltier-Element zur Kühlung und
dessen Abwärme
zur Wärmung
der Luft verwendet wird.
-
Durch
Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes wird die warme und kalte
Seite über
einen einzigen Stromimpuls gleichzeitig für den ,Thermopendeleffekt' genutzt.
-
Die
Intelligenz des Konzeptes zur Trockenhaltung des Fassadenelementes
besteht in der Gleichzeitigkeit von Kühlung und Heizung von Luft, wobei
gleichzeitig zwei gegensätzliche
physikalische Prozesse in zeitlicher Prozessfolge in Gang gesetzt werden:
Erst die Kondensation, dann die Verdampfung. Dieser Prozess zur
Luftkonditionierung wird erfindungsgemäß mit ,Thermopendeleffekt' beschrieben.
-
Hierbei
ist es wichtig, dass es trotz der geringen Luftströmungen und
der minimalen Luftbewegungen zu keiner diffusen, ungezielten Luftverteilung über den
Kälte-
und Wärmekörper kommt.
Die Konstruktionsregel lautet also, die Einströmöffnung als Luftkondensator
auszubilden und nur die hinter dem Kondensator geführte Luft
nachträglich
zu erwärmen.
-
Der
Erfindungsgedanke ist also, die 'einatmende' Luft des Fassadenelementes
so zu organisieren, dass der gewünschte
Thermopendeleffekt entsteht. Dieser wird sichergestellt, indem die
Einströmöffnung vorzugsweise
als eine gekühlte
Kondensationsröhre
ausgebildet und vertikal mit Öffnungen
nach unten angeordnet ist, damit in der Kondensationsröhre entstehendes
Kondensat nach unten austropfen kann und der Fassadenluftzwischenraum selbst
nicht mit Feuchtigkeit belastet wird. Der weitere Erfindungsgedanke
ist also, in das Fassadenelement eine Kondensatröhre einzubauen, die gleichzeitig
als Drainageröhre
verwendet wird.
-
Der
Thermopendeleffekt sorgt in dem nachgeschalteten Prozess für eine Aufheizung
der Luft zur Reduktion der relativen Luftfeuchte.
-
Die
Erfindung macht von einem weiteren physikalischen Effekt Gebrauch,
der durch die gezielte Aufheizung oder Abkühlung der Luft entsteht: Gekühlte Luft
kollabiert, erwärmte
Luft expandiert. Es kommt also immer dann zu einem Nachströmen von kalter
Luft in den Luftzwischenraum, wenn die Luft im Luftzwischenraum
der Fassade übermäßig abkühlt. Bei
Energieeinstrahlung, beispielsweise Sonneneinstrahlung, kommt es
zu einer Erwärmung
und damit zu einer Expansion der erwärmten Luft, die dann durch
die Kondensationsröhre
wieder ausströmen kann.
Kühlt der
Luftzwischenraum wieder ab, so kollabiert das Luftvolumen und kühlere und
jeweils trockenere Luft wird über
die Kondensationsröhre
wieder angesaugt. Die Systematik dieser naturgesetzlichen Prozesse
wird erfindungsgemäß zur Pumpwirkung
und zur Steuerung des Peltier-Elementes
genutzt, indem dieses zum Beispiel über einen Außen- oder
Innentemperaturfühler
angesteuert wird. Die Luftkonditioniereinheit arbeitet erfindungsgemäß hinsichtlich
ihrer Luftführung
und Strömungsrichtung
autark und damit fehlerfrei.
-
Wichtig
ist, dass die angesaugte Luft in kälteren Breitengraden von außen, in
tropischen Klimata aus aktiv gekühlten
Innenräumen
angesaugt wird. Die Ansaugöffnung
muß so
groß dimensioniert
sein, dass kein Unterdruck in dem Luftzwischenraum der Fassade entsteht,
damit es nicht zu einer unerwünschten
Ansaugung feuchter Innenraumluft über undichte Fugen von Fenster-
und Fassadenkonstruktionen kommt. Die Kondensationsröhre muß jedoch so
klein ausgebildet sein, dass es zu keiner ungezielten Hinterlüftung kommt.
Um eine Hinterlüftung
zu vermeiden, sollte die ausströmende
Luft entweder über
die Kondensationsröhren
wieder abgeführt
werden, oder die Ausströmöffnungen
werden mit Rückschlagventilen
versehen, so dass es über
die Ausströmöffnungen
nicht zu einer ungezielten Ansaugung von Luft kommt. Umgekehrt kann
zuluftseitig ein Rückschlagventil
eingesetzt werden. Der Grundgedanke der Erfindung ist jedoch, dass
die Luftkonditioniereinheit auch völlig autark, das heißt sogar
ohne Ventile oder aktive Regelungen auskommt. Die Regelung erfolgt
ausschließlich
bedarfsabhängig über die
Temperatureinwirkung auf die Fassadenelemente.
-
Die
Ansaugung erfolgt über
eine längliche Kondensationsröhre aus
Kupfer, die vorzugsweise vertikal, also zum Beispiel in einem Fassadenpfosten als
Drainagerohr untergebracht ist. Ein vorteilhafter Nebeneffekt der
Innovation ist, dass sich innerhalb der Ansaugröhre eventuelle Staub- und Schmutzpartikel
aus der angesaugten Luft an den Wänden niederschlagen, bzw. an
den feuchten Wandungen verkleben – also ein Selbstreinigungseffekt
der Luft stattfindet.
-
Die
Kondensationsröhre
ist daher als Wartungselement auswechselbar auszubilden, um diese von
inneren Schmutzpartikeln, die in den Wandungen kleben, zu reinigen.
Darüber
hinaus ist die Einströmöffnung der
Röhre und
eventuell die Einströmseite
zum Luftzwischenraum mit Filtern zu versehen, um restliche Schmutzpartikel
herauszufiltern. Die Kondensationsröhren stellen also gleichzeitig
ein Entstaubungs- und Reinigungssystem für in die Fassadenelemente einströmende Luft
dar.
-
1 zeigt
einen perspektivischen Schnitt einer Ganzglasfassade.
-
2 zeigt
die Ansicht eines Fenster-/Fassadenelementes mit dem Ansaugstutzen
und Wärmekörper.
-
3 zeigt
den Querschnitt durch ein Fenster-/Fassadenelement mit Ansaugstutzen
und Wärmekörper.
-
4 zeigt
das Detail einer erfindungsgemäßen Lufttrocknung
mittels einer Kondensationsröhre,
einer Vorwärmröhre und
einem Peltier-Element.
-
4.1 und 4.2 zeigen
Wärme leitende Verbindungen
zwischen einem Peltier-Element und den Kondensations- und Vorwärmröhren.
-
5 und 6 zeigen
jeweils ein Fenster mit alternativer Luftführung.
-
1 zeigt
eine Ganzglasfassade 1, bestehend aus Fassadenelementen 2 bis 9.
-
2 zeigt
ein einzelnes Fassadenelement, bestehend aus einem Rahmen 10 und
einer gläsernen
Füllung
des Rahmens 11. In 3 ist vereinfacht der
vertikale Querschnitt durch dieses Fassadenelement zu sehen, bestehend
aus einer inneren Isolierverglasung 12 und einer äußeren Ein-Scheiben-Verglasung 13, wobei
zwischen den Verglasungen 12 und 13 der Luftraum 9 eingeschlossen
ist. Die innere Isolierverglasung 12 und die äußere Ein-Scheiben-Verglasung 13 stehen über die
Rahmen 14 und 15 miteinander in luftdichter Verbindung.
Je nach Größe des Luftvolumens
bildet sich bei Erwärmung ein Überdruck
aus, oder bei Abkühlung
ein Unterdruck. Über-
und Unterdruck führen
zu einem Atmen des Luftzwischenraumes, indem expandierende Luft aus
dem Luftraum ausgedrückt
oder in diesen eingesaugt wird. Die Ansaugung der Luft erfolgt über eine gestrichelt
gezeichnete Kondensationsröhre 21,
die innerhalb eines Rahmens in 2 oder 16 in 3 oder
auch innerhalb oder außerhalb
des Rahmens bzw. innerhalb oder außerhalb des Fassadenelementes
im Innen- oder Außenraum
angeordnet ist. Die Ansaugröhre
weist eine Lufteintrittsöffnung 17 bzw. 19 auf
und eine Luftaustrittsöffnung 18 bzw. 20 zum
Luftraum 9. Die Röhre 16, 21 steht
mit einem Kühlkörper 24, 25 in
thermisch leitender Verbindung und wird hierdurch zu einer erfindungsgemäßen Kondensationsröhre. Die
Kondensationsröhre 16 bzw. 21 ist
vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und leitet die Wärme, die
durch ein Peltier-Element aufgenommen wird. Bei Durchströmung von
angesaugter Luft bildet sich aufgrund der Abkühlung Kondensat, das nach unten
austropfen kann. Die Kondensationsröhre ist erfindungsgemäß dadurch
gleichzeitig als Drainagerohr ausgebildet. Das Peltier-Element steht
in guter Wärme
leitender Verbindung mit der Kondensationsröhre.
-
Innerhalb
des Luftraums 9 ist ein Wärmekörper 22, 23 angeordnet.
Dieser steht vorzugsweise in Wärme
leitender Verbindung mit einem unteren Rahmenteil zur Verdampfung
der Restfeuchte, so dass der Rahmen selbst zum Wärmekörper wird und es zu keinem
Kondensationsniederschlag an den Scheiben kommt.
-
Kommt
es zu einer Aufheizung des Fassadenelementes durch Wärmeeinwirkung
infolge Sonneneinstrahlung oder erhöhter Außentemperatur, so kann die Luft über die
Lufteintrittsöffnungen 18 und 20 nach
außen über die
Kondensationsröhre
wieder entweichen. Bei Abkühlung
des Luftraumes dreht sich der Luftstrom in der Röhre 16, 21 um,
der Luftraum 9 wird mit gekühlter und getrockneter Luft
beatmet.
-
Eine
besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Kondensationsröhren 16, 21 mit
einer Isolation zu ummanteln, um eine Erwärmung der Röhren durch die Umgebungsluft
zu verhindern. Die Kondensationsröhre wird vorteilhafterweise
in Wartungsintervallen ausgetauscht bzw. gereinigt. Dazu wird die
Röhre entweder
aus der Isolationshülle
oder nur aus dem Kühlkörper herausgenommen
und gegen eine gereinigte Röhre
durch Einschub in die Isolationshülle bzw. den Kühlkörper ausgetauscht.
Der Kühlkörper mag
eine Manschette sein, die ihrerseits in Wärme leitender Verbindung mit
dem Peltier-Element steht.
-
Die
Kondensationsröhre
hat vorteilhafterweise eine Länge
von mindestens 50 cm, ohne auf diese Größe beschränkt zu sein. Bei großen Fassadenelementen
kann es auch sinnvoll sein, mehrere Peltier-Elemente, eventuell
auch mehrere Kondensationsröhren,
in die Fassadenelemente einzubauen oder die Kondensationsröhren zu
verlängern.
-
Die
Steuerung des Peltier-Elementes ist wesentlich für die Erzielung des Thermopendeleffektes: Das
Peltier-Element kann über
einen außen
oder im Luftzwischenraum angeordneten Temperaturfühler angesteuert
werden. Fällt
die Temperatur ab, so setzt ein Luftstrom ein, der am Peltier-Element
gekühlt wird.
Sowie die Temperatur einen Tiefpunkt erreicht hat, bzw. konstant
bleibt, kann das Peltier-Element bereits ausschalten – spätestens
jedoch bei Erhöhung
der Temperatur, da sich die Luftströmung in der Kondensationsröhre umkehrt.
-
Diese
Steuerung gilt für
kalte Klimata mit Ansaugung von Außenluft sowie für warme
Klimata mit Ansaugung von Innenluft. Aber auch in kalten Klimata
kann die Luft von innen angesaugt werden, wenn das Peltier-Element
die angesaugte Luft ausreichend abkühlt, um diese zu Entfeuchten.
-
Ein
weiteres Verfahren zur Steuerung der Peltier-Elemente ist ein Luftströmungsfilter
in der Kondensationsröhre.
Sowie Luft einströmt,
schaltet das Peltier-Element ein. Bei Aufheizung des Fassadenelementes
expandiert die Luft, der Luftstrom erfährt eine Umkehrung, das Peltier-Element
schaltet ab. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, das Peltier-Element über Ventilklappen anzusteuern,
die entweder in der Zuluft- und/oder Abluftzone angeordnet sind.
Das Peltier-Element erhält
Strom im Moment der Öffnung
der Ventilklappe in der Zuluftzone oder schaltet ab bei Schließen des
Zuluftventils oder umgekehrt bei Öffnung des Abluftventils.
-
4 zeigt
ein Detail zur Luftkonditionierung: Zentral ist ein Peltier-Plattenelement 50 angeordnet,
das über
eine kalte Seite 51 in eine warme Seite 52 verfügt. Die
kalte Seite steht mit einer Kondensationsröhre 53 in Wärme leitender
Verbindung, die mit einer Wärmedämmung 54 umhüllt ist.
Oberhalb der Kondensationsröhre
ist ein Überströmrohr 55 zur
Vermeidung eines thermischen Kurzschlusses aus einem schlecht Wärme leitenden
Material, z. B. Kunststoff, angeordnet, das die gekühlte und
getrocknete Luft einem Vorwärmrohr 56 zuführt. Dieses Vorwärmrohr 56 steht
in Wärme
leitender Verbindung mit der warmen Seite 52 des Peltier-Elementes 50 und
ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Die erwärmte Luft wird von dem abgekühlten Luftzwischenraum
des Fassadenelementes angesaugt. Auch das Vorwärmrohr kann – hier nicht
dargestellt – wärmeisoliert
ausgeführt
sein. Das Peltier-Element selbst sitzt entweder – wie dargestellt – am Ende
der Kondensationsröhre
oder in der Mitte, oder ganz am Anfang der Kondensationsröhre bzw.
in der Nähe
der Einströmöffnung zum
Luftraum des Fassadenelementes.
-
4.1 und 4.2 zeigen
unterschiedliche Varianten der Wärmeübertragung
vom Peltier-Element auf die Kondensations- und Vorwärmröhren. In 4.1 wird eine Wärmeüberträgerlasche verwendet, in 4.2
sind die Vorwärm-
und Kondensationsröhren
mindestens im Bereich des Wärmekontaktes
mit dem Peltier-Element als Flachrohre ausgebildet.
-
5 zeigt
die Anordnung der erfindungsgemäßen Luftkonditioniereinheit
aus 4 innerhalb eines Fensterrahmens 60.
Die Kondensationsröhre 61,
die Vorwärmröhre 62 und
das Peltier-Element 63 sind schematisch dargestellt.
-
6 zeigt
eine vereinfachte Ausführung der
Luftkonditioniereinheit: Hier steht das Peltier-Element 70 in
direkter, Wärme
leitender Verbindung mit dem Fensterrahmen aus Aluminium.
