DE102010056309A1

DE102010056309A1 - Luftkonditioniereinheit für nicht hinterlüftete, zweischalige Fassadenelemente

Info

Publication number: DE102010056309A1
Application number: DE102010056309A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft zweischalige Fassadenelemente in der Art von Verbundfenstern oder Kastendoppelfenstern, bestehend aus einer inneren Schale und einer äußeren Schale. Der Luftzwischenraum ist mit einer Öffnung zum Luftaustausch mit Umgebungsluft versehen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteinströmöffnung (18, 20) in den Luftzwischenraum (9, 11) Luftkonditioniereinheiten vorgeschaltet sind. Die Luftkonditioniereinheiten bestehen aus mindestens einer Luftröhre, die durch Kühlelemente aktiv gekühlt ist oder in die Kühlelemente eingebaut sind und in die die einströmende Luft kühlt und entfeuchtet wird. Die Konditioniereinheiten sind zwanglos durchströmbar. Die Fließgeschwindigkeit der Luftströme und die Richtung der Luftströme regelt sich autonom über Temperaturveränderungen in den Luftzwischenräumen (9, 11). Die Kühlelemente (24, 25, 51) werden vorzugsweise durch Außen-Temperaturfühler oder in der Kavität angeordnete Temperaturfühler mittels Temperaturdifferenzregler angesteuert.

Description

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. Dies erfolgt über undichte Rahmenteile oder Dichtstoffe die wasserdampfdiffusionsoffen sind oder durch offene Fugen. 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.
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.
Andere Maßnahmen sehen vor, die Luft über metallisch, gut wärmeleitend ausgebildete Einströmöffnungen z. B. aus Kupfer 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 Luft mit hoher relativer Luftfeuchte angesaugt wird, nach wie vor zu einer Kondensatbildung im Scheibenzwischenraum, die nur durch eine unerwünschte Hinterlüftung beseitigt werden kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit – obgleich dies aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist – die Metallteile z. B. durch ein Peltier-Element aktiv zu kühlen und dadurch den Kondensatausfall zu erzwingen. Damit wäre jedoch nicht geklärt, wie die Feuchte abgeführt wird, damit es nicht zur erneuten Verdampfung der Feuchte kommt und weiterhin wie die Peltier-Elemente zu steuern sind. Auch ist nicht sichergestellt, dass die angesaugte Luft ausreichend entfeuchtet wird. Der Entfeuchtungsvorgang ist nicht definier- und kontrollierbar.
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 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 Ansaugung feuchter Luft und 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.
Eine weitere, in der Praxis ausgeführte Variante besteht darin, trockene Luft in das Fassadenelement einzublasen und die Kavität unter Überdruck zu setzen, um die unkontrollierte Ansaugung über Lecks zu verhindern. Dies ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand für die zentrale Erzeugung von trockener Luft und der Verteilung in die einzelnen Fassadenelemente über Luftleitungen verbunden.
Luft durch Entfeuchtung und Abkühlung zu konditionieren und auch in einem nachgeschalteten Wärmeprozess wieder aufzuheizen, ist aus der Klimatechnik bekannt. Bislang ist es allerdings nicht gelungen, Luftkonditionierverfahren aus komplexen klimatechnischen Anlagen so zu vereinfachen, dass sie einerseits

1. mit einfachsten technischen Mitteln und minimalen Kosten und minimalen Baugrößen realisiert werden können und
2. ohne aktive Steuerung funktionierer.

Bekannte Luftkonditionieranlagen aus der Klimatechnik arbeiten mit vergleichsweise gewaltigen Luftströmen mit hoher Luftgeschwindigkeit und aufwendigen Steuerungen.
Weiterhin ist aus der EP1 970 525 A2 eine Vorrichtung bekannt, die die Trockenhaltung, der in einen Fassadeninnenraum einströmenden Luft durch ein Trockenmittel oder sonstiges Wirkelement gewährleistet. Das Prinzip dieser Patentanmeldung ist, über Ventilsteuerungen die Strömungswege der einatmenden und der ausatmenden Luft zu ordnen. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über druckempfindliche Sensoren im Fassadenelement. In einer Software sind Druckwerte zum Öffnen der Ventile hinterlegt.
Der Nachteil dieser Vorrichtung ist der hohe technische Aufwand an Ventilen und Steuerung und Regelung für die Koordination der zahlreichen Luftwege und die Abführung von Kondensat, die komplexe Steuerung über eine Software sowie die Notwendigkeit eines Trockenmittels, das gewartet und in Intervallen auch zu erneuern ist.
Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, eine Luftkonditioniereinheit für nicht hinterlüftete, zweischalige Fassadenelemente zu entwickeln, die mit geringstem konstruktivem Material- und Energieverbrauch in der Nutzung auskommen und

1. das Eintreten feuchter Luft in das Fassadenelement verhindert, damit
2. die relative Luftfeuchtigkeit im Scheibenzwischenraum reduziert und
3. das Auftreten von Kondensat im Fassadenelement verhindert wird und
4. ohne Trockenmittel auskommt und
5. ohne aktive Pumpe auskommt und
6. ohne komplexe Steuerung und Ventilsysteme sicher funktioniert.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.
Der Vorteil der Erfindung ist die gleichzeitige Nutzung zweier physikalischer Prozesse: Die Ansaugung der Luft durch Kontraktion bei Abkühlung des Luftraumes im Fassadenelement und die Entfeuchtung. Dies wird erreicht durch die Kühlung entweder der Wandungen eines Einströmkanals oder von im Einströmkanal integrierten Kühlelementen, die zu einer unmittelbaren Kondensatbildung und damit Trocknung der einströmenden Luft führt.
Der weitere Vorteil ist, dass mit minimalsten Luftgeschwindigkeiten und ganz geringen Luftmengen eine Luftkonditionierung erzielt wird. Die Erfindung macht sich die intelligente Nutzung der naturgegebenen Prozesse wie Expansion und Kontraktion der Luft zur Regelung der Strömungsrichtung innerhalb der Konditioniereinheiten so zunutze, dass die Vorrichtung automatisch und autark funktioniert. Der Vorteil besteht weiterhin darin, dass die Baugröße dieser klimatechnischen Anlagen so weit reduziert ist, dass diese sogar in einem kleinen Fassadenprofil untergebracht werden können. Damit ist die Voraussetzung erfüllt, die klimatechnischen Anlagen dezentral in jedem einzelnen Fassadenelement eines Gebäudes unterzubringen. Weiterhin ist die Anlage so kostengünstig herzustellen, dass diese an einem einzigen Gebäude, je nach Fensterzahl, hundertfach einzusetzen ist.
Die Einfachheit der technischen Vorrichtung wird durch die thermodynamischen Prozesse

– Luftkühlung/Lufttrocknung/Entfeuchtung/Feuchteableitung und
– Lufterwärmung

Die Lehre zur technischen Umsetzung dieser komplexen Anforderungen und die Prozesstechnologie werden nachfolgend erläutert.
Die Erfindung sieht vor, vorzugsweise mindestens die kalte Seite thermoelektrischer Elemente, aber auch gleichzeitig die warme Seite zu nutzen und die Luft einerseits durch Kühlung oder auch zusätzlich durch Erwärmung zu konditionieren. Diese gegensätzlichen Prozesse erfolgen entweder gleichzeitig oder in zeitlicher Reihenfolge nacheinander zugunsten einer Luftentfeuchtung bei Abkühlung und weiter zu einer Verhinderung einer Vereisung kalter Oberflächen durch Erwärmung.
Zur Regelung der Richtung der Luftströme und als Druck- und Saugpumpe nutzt die Erfindung die Saugwirkung bei Kontraktion der Luft durch Abkühlung des Luftzwischenraumes im Fassadenelement bzw. die Umkehrung der Luftströmung bei Druckaufbau durch Erwärmung der Luft in der Kavität Fassadenelemente.
Bei Aktivierung der Kühleelemente zum Zeitpunkt der Luftansaugung stellt sich automatisch ein erfindungsgemäßer Kondensationseffekt ein: Einströmende Luft wird gekühlt und der Außenluft wird durch Kondensation die Feuchte entzogen.
Die Intelligenz der Erfindung besteht darin, zu verhindern, dass es trotz der geringen Luftströmungen zu keiner diffusen, ungezielten Luftvermischung und in der kleinen Vorrichtung zu keiner ungezielten Wärmeverteilung und thermischen Kurzschlüssen zwischen den Kälte- und Wärmekörpern kommt. Die Konstruktionsregel lautet, die Einströmröhre als Kondensator auszubilden und dem Kondensationsvorgang vor- oder nachgeordnet die Luft gleichzeitig zu erwärmen.
Um der einströmenden Luft ausreichend Feuchte zu entziehen, kann es erforderlich werden, die Kühlelemente unter den Gefrierpunkt abzukühlen. Dies führt ohne besondere Vorkehrungen in der kleinen Zuluftröhre sofort zur Eisbildung und zur Verstopfung der Röhre. Es ist damit eine weitere Aufgabe der Erfindung, diese Eisbildung zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Nutzung der Abwärme der Peltier-Elemente erreicht. Der Erfindungsgedanke ist also, die 'einatmende' Luft des Fassadenelementes so zu organisieren, dass eine Lufttrocknung ohne Vereisung gewährleistet ist. Dies wird sichergestellt, indem eine Einströmröhre vorzugsweise als eine gekühlte Kondensationsröhre ausgebildet und vertikal mit Öffnungen nach unten angeordnet ist, damit in der Kondensationsröhre entstehendes Kondensat nach unten in einen Behälter und/oder frei austropfen kann. Ein weiterer Erfindungsgedanke ist somit, die Luftkonditioniereinheit gleichzeitig als Drainageröhre für anfallendes Kondensat auszubilden.
Als Regel mag gelten, die einströmende Luft nicht nur auf ihre Kondensationstemperatur abzukühlen, sondern deutlich unter die Taupunkttemperatur im Fassadenelement selbst. Nur bei Einhaltung dieser Regel ist das Fassadenelement dauerhaft kondensatfrei. Es gilt, die einströmende Luft durch Abkühlung so weit zu entfeuchten und die relative Luftfeuchte so weit abzusenken, um bei Kaltwetterperioden ausreichend Reserven bis zur Taupunktsunterschreitung in der Kavität des Fassadenelementes zu bilden
Die Intelligenz der Erfindung in Bezug auf die Steuerung und Regelung der Luftströme in der Luftkonditioniereinheit ist, von der Kontraktion bzw. Expansion der Luft bei Temperaturänderungen im Fassadenelement Gebrauch zu machen: Es kommt immer dann zu einem Nachströmen von in der Luftkonditioniereinheit getrockneter Luft, wenn die Fassade abkühlt und saugt. Bei Energieeinstrahlung, beispielsweise Sonneneinstrahlung, kommt es zu einer Erwärmung und damit zu einer Expansion der erwärmten Luft, die dann durch die Luftkonditioniereinheit wieder in umgekehrter Richtung ausströmt. Kühlt der Luftzwischenraum wieder ab, so kollabiert das Luftvolumen und kühlere und jeweils trockenere Luft wird über die Luftkonditioniereinheit wieder angesaugt. Die Richtungen der Luftströme drehen sich um. Über einen Außen- oder Innentemperaturfühler im Luftzwischenraum der Fassade wird das Peltier-Element immer bei Abkühlung eingeschaltet. Die Peltier-Elemente selbst werden über Temperaturfühler angesteuert. Kommt es zu einer Erwärmung des Fassadenzwischenraumes, schaltet das Peltier-Element ab, der Luftstrom kehrt sich um, expandierende Luft strömt durch die Kondensationsröhre aus. Kühlt sich der Fassadenzwischenraum ab, schaltet das Peltier-Element ein. Die Kavität im Fassadenelement selbst dient damit erfindungsgemäß als Regler und zusätzlich als ,Luftpumpe' und definiert die Richtung der Luftströme in der Luftröhre.
Vorteilhaft ist, die Luft in kälteren Breitengraden von außen, in tropischen Klimata aus aktiv gekühlten Innenräumen anzusaugen. Erfindungswesentlich ist, die Größe der Ansaugöffnung richtig zu dimensionieren. Die Ansaugöffnung muss einerseits 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 Zu- und Abluftöffnungen der Luftkonditioniereinheiten müssen jedoch andererseits so klein ausgebildet sein, dass es zu keiner ungezielten Durchlüftung kommt. Als Richtwert für den Öffnungsquerschnitt zum Ansaugen bzw. Ausblasen von Luft kann folgender Richtwert genannt werden: 1 m³ im Fassadenelement eingeschlossenes Luftvolumen benötigt einen Öffnungsquerschnitt von ca. 100 mm².
Um eine Durchlüftung zu vermeiden, sollte die ausströmende Luft entweder über die Kondensationsröhren wieder abgeführt werden, oder unabhängige Ausströmöffnungen werden mit Rückschlagventilen versehen. Zusätzlich kann zuluftseitig ein Rückschlagventil eingesetzt werden. Der Grundgedanke der Erfindung ist jedoch, dass die Luftkonditioniereinheit im Gegensatz zum Stand der Technik auch völlig autark, das heißt sogar ohne Ventile oder aktive Regelung auskommt. Die Regelung erfolgt vorzugsweise bedarfsabhängig nur über die Temperatureinwirkung auf die Fassadenelemente.
Die Ansaugung erfolgt über mindestens eine längliche, vertikale Kondensationsröhre aus Kupfer, die 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 zusätzlich 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 9.1 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 oder bei Abkühlung ein Unterdruck aus. Über- und Unterdruck führen zu einem Atmen des Luftzwischenraumes, indem expandierende Luft aus der Kavität ausgedrückt oder durch kollabierende Luft in diese 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, z. B. einem Peltier-Element, in thermisch leitender Verbindung und wird hierdurch zu einer erfindungsgemäß gekühlten Kondensationsröhre. Die Kondensationsröhre 16 bzw. 21 ist vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und leitet die Kälte, die durch ein Peltier-Element abgegeben wird. Bei Durchströmung von angesaugter Luft bildet sich aufgrund der kalten Rohrwandungen Kondensat, das nach unten abläuft bzw. austropfen kann. Die Kondensationsröhre ist erfindungsgemäß dadurch gleichzeitig als Drainagerohr ausgebildet.
Innerhalb des Luftraums 9 ist ein Wärmekörper 22, 23 angeordnet. Dieser steht vorzugsweise in Wärme leitender Verbindung mit einem Rahmenteil zur Verdampfung der Restfeuchte, so dass der Rahmen selbst zum Wärmekörper wird, um einen Kondensationsniederschlag zu vermeiden.
Kommt es zu einer Aufheizung des Fassadenelementes durch Wärmeeinwirkung infolge Sonneneinstrahlung oder erhöhter Außentemperatur, strömt die Luft über die Lufteintrittsöffnungen 18 und 20 in die Kondensationsröhre und entweicht. 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 sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Kondensationsröhren 16, 21 mit einer Isolation zu ummanteln, um eine Erwärmung der Röhren durch die Umgebungsluft und eine Feuchtebildung außen an der Röhre 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 zum Beispiel 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. Denkbar sind auch hintereinander geschaltete Kaskaden von Kondensationsröhren, wobei die Luft von Kaskade zu Kaskade weiter entfeuchtet wird.
Die Peltier-Elemente werden über außen oder im Luftzwischenraum angeordnete Temperaturfühler angesteuert. Fällt die Temperatur ab, so setzt ein Luftstrom ein, der an dem Peltier-Element gekühlt wird. Sowie die Temperatur einen Tiefpunkt erreicht hat, bzw. konstant bleibt, schalten die Peltier-Elemente aus.
Diese Steuerung gilt für kalte Klimata mit Ansaugung von Außenluft sowie für warme Klimata mit Ansaugung von gekühlter 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 Luftströmungsfühler 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 Schließung des Zuluftventils oder umgekehrt bei Öffnung des Abluftventils. Dies setzt jedoch voraus, dass die Luft über eine separate Luftführung aus dem Fassadenelement ausgeleitet wird.
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. 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. Dies ist besonders vorteilhaft, um die Wärme des Peltier-Elementes besonders schnell abzuführen. Es gilt die Regel, dass die Kälteleistung des Peltier-Elementes umso höher ist, umso schneller die Wärme abgeführt wird.
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen mag es auf der kalten Seite des Peltier-Elementes schnell zu Eisbildung kommen. Damit die Kondensationsröhre nicht zufriert, muss diese abgetaut werden. Deshalb sieht eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung vor, die Kondensationsröhre zu kühlen und gleichzeitig zu beheizen. Die Behitzung erfolgt entweder durch die warme Seite des Peltier-Elementes oder durch ein Heizelement, das kurzzeitig einschaltet und den Frost abtaut, sowie es zur Eisbildung gekommen ist.
Eine besonders vorteilhafte Variante sieht vor, in die Kondensationsröhre einen Heizdraht einzuführen, der dann zuschaltet, wenn es zur Eisbildung kommt. Je nach Außenklima macht es Sinn, das Heizelement immer dann mit einzuschalten, wenn das Peltier-Element einschaltet, oder den Heizdraht und das Peltier-Element abwechselnd zu schalten, so dass es nicht zur Vereisung der Kondensationsröhre kommen kann.
Eine weitere, erfindungsgemäße Variante sieht vor, das Peltier-Element mit der warmen und der kalten Seite innerhalb der Kondensationsröhre zu installieren, wobei die kalte Seite vorzugsweise mit der Rohraußenwandung in Verbindung steht und die warme Seite zum Rohrinneren liegt. Die warme Seite wird durch ein kleines Schwert in die Röhre verlängert, so dass die Röhre im Inneren immer eisfrei gehalten ist. Diese Entwicklung erspart den Heizdraht.
Eine weitere intelligente Variante gemäß 7 und 8 sieht nun vor, zwei Röhren ineinander zu führen, wobei die warme Röhre 121 in der Kondensationsröhre 120 verlegt ist. Das Peltier-Element 123, 124 wird mit der kalten Seite 127, 128 mit thermischem Kontakt zur Kondensationsröhre 120 und mit der warmen Seite 125, 126 in thermischem Kontakt zur Innenröhre eingebaut Hierdurch ergibt sich ein Rohr in Rohr-System, wobei die warme Innenröhre eine Verstopfung durch Vereisung verhindert.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante ist, die Kondensationsröhre auf der Innenseite mit Kühlrippen zu versehen. Die Kühlrippen verlaufen senkrecht zum Wärmerohr, so dass es zu keinem unmittelbaren Wärme-/Kälteausgleich zwischen der kalten Kondensationsröhre und der warmen Innenröhre kommt und ein thermischer Kurzschluss vermieden ist. Dies zeigt 7. Die Kondensationsröhre 100 bildet das Außenrohr und ist mit einer Wärmedämmung ummantelt. In der Kondensationsröhre steckt das Innenrohr 101, das als Wärmerohr dient. Das Kondensationsrohr weist eine Vielzahl von Rippen 102 bis 113 auf, die senkrecht zum Wärmerohr verlaufen. Die abzukühlende Luft strömt zwischen den Kühlrippen nach oben. Die Kondensationsröhre 100 ist oben geschlossen, das Innenrohr 101 ist oben offen, so dass es zu einer Ansaugung über das Innenrohr via Kondensationsröhre kommt. Über das beheizte Innenrohr wird die getrocknete Luft in das Fassadenelement eingesaugt. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Luftführung umzudrehen, die Luft von oben anzusaugen, so dass abkühlende Luft nach unten sinkt und die Luft im Innenrohr von unten angesaugt und nach oben in das Fassadenelement eingeleitet wird.
Luftströmungen sind in 8 beispielhaft eingetragen. Sie zeigen einen typischen Längsschnitt durch die Kondensationsröhre 120 mit der Wärmedämmung und dem Innenrohr 121. Vorliegend sind zwei Peltier-Elemente 123, 124 eingebaut, wobei die warmen Seiten 125, 126 in Wärme leitendem Kontakt mit dem Innenrohr 121 und die kalten Seiten 127, 128 mit der Kondensationsröhre 120 steht. Es wäre auch möglich, die Innenröhre zu kühlen und die Außenröhre zu heizen, ohne die Vorrichtung zu dämmen. In diesem Fall werden die Peltier-Elemente umgekehrt, also mit der kalten Seite 127, 128 zur Innenröhre und mit der warmen Seite 125, 126 zur Außenröhre eingebaut. Dies macht es jedoch erforderlich, entstehende Feuchte im Innenrohr unten auszuleiten.
9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante mit runder Kondensationsröhre 130 und runder Innenröhre 131. Die Kondensationsröhre weist radiale Lamellen als Kühlrippen auf.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, die Kondensationsröhre selbst durch ein Peltier-Element zu heizen und innerhalb der Röhre Tropfbleche anzuordnen, die mit der kalten Seite der Peltier-Elemente in Verbindung stehen. Dies zeigt 10. In die Rechteck-Röhre 200 sind mehrere Peltier-Elemente 121, 122 eingebaut. Die warme Seite gibt die Wärme an das Rohr 200 ab, die kalte Seite an die Tropfbleche 123, 124. Vorbeiströmende Luft kondensiert an den Tropfblechen, das Kondensat tropft nach unten aus oder in eine Tropfwanne 125 und wird über eine Kondensatabführung 126 entwässert.
Der Vorteil dieser weiterführenden Entwicklung ist, dass die Röhre nicht vereisen kann, weil das Kondensat sofort austropft, ohne gefrieren zu können. Durch die Wärmeabgabe des Peltier-Elements an die Röhre selbst wird die nachströmende Luft über die Rohrwandungen ständig geheizt und verhindert somit das Risiko der Eisbildung an den Tropfblechen 123, 124. Wichtig ist, dass die Röhre senkrecht angeordnet ist, damit das Kondensat innerhalb der Röhre austropft, möglichst ohne die Rohrwandungen zu benetzen oder auf andere Tropfbleche abzutropfen. Sollte es zur Benetzung der Rohrwandungen in der Nähe des Peltier-Elementes kommen, würde das Kondensat sofort wieder verdampfen. Es käme zum Kurzschluss. Der Vorteil der Innovation ist also die schnelle Ausleitung der Kondensation im Moment des Entstehens durch den Vorgang des Austropfens innerhalb der warmen Röhre. Sollte es zu einem Betropfen weiterer Tropfbleche 134 kommen, könnte sich auch Eis bilden und die Rohre verstopfen. Die Tropfbleche 133, 134 sind daher so untereinander angeordnet, dass ein sich an einem Tropfblech 133, 134 losender Kondensattropfen nach unten fällt, ohne die anderen Tropfbleche zu berühren. Die Tropfkanten sind daher räumlich so versetzt angeordnet, dass sich Tropfbahnen 144, 145 ausbilden.
Die Kondensationsröhre ist unten geschlossen, um anfallendes Kondensat auffangen und ableiten zu können. Die Luftansaugung erfolgt durch einen Stutzen 241 von unten, jedoch oberhalb des Kondensatauffangbehälters. Der Behälter sollte so groß sein, um bei einem Einfrieren, der Kondensatableitung 136 weiter anfallendes Kondensat bei Frosttemperaturen speichern zu können. Die Luftzuführung in das Fassadenelement erfolgt über den Stutzen 240.
Vorteil dieser Weiterentwicklung ist eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Luftkonditioniereinheit durch die schnelle Wärmeableitung weg vom Peltier-Element über die Rohrwandungen sowie die Nutzung dieser Abwärme für eine rekuperative Wärmerückkoppelung über die Zulufterwärmung zur Vermeidung einer Vereisung innerhalb der Luftkonditioniereinheiten und an den Tropfblechen.
Eine weitere, nicht dargestellte Variante der Luftführung sieht vor, die Luft über einen Kondensatbehälter so anzusaugen, dass die Luft von unten durch das Kondensat sprudelt. Der Vorteil dieser Luftführung ist die Reinigung und Entstaubung der angesaugten Außenluft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1970525 A2 [0010]

Claims

Zweischalige Fassadenelemente in der Art von Verbundfenstern oder Kastendoppelfenstern, bestehend aus einer inneren Schale und einer äußeren Schale mit einem Luftzwischenraum und einer Öffnung des Luftzwischenraumes zum Luftaustausch mit Umgebungsluft, dadurch gekennzeichnet, dass – den Lufteinströmöffnungen (18, 20) in den Luftzwischenraum (9, 11) Luftkonditioniereinheiten in der Art von Luft führenden Röhren vorgeschaltet sind, und – in die Luftkonditioniereinheiten Kühlelemente (16, 21, 53, 61) eingebaut sind, durch die einströmende Luft gekühlt und entfeuchtet werden kann und dass – die Luftkonditioniereinheiten zwanglos durchströmbar sind und dass – die Fließgeschwindigkeit der Luftströme und die Richtung der Luftströme über Temperaturveränderungen in den Kavitäten der Fassadenelemente (9 bis 11) regelbar sind und dass – die Kühlelemente (24, 25, 51) über eine Temperaturabsenkung in der Kavität der Fassadenelemente (9 bis 11) oder über eine Außentemperaturabsenkung aktivierbar sind.
Zweischalige Fassadenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Luftkonditioniereinheiten in beide Richtungen frei und zwanglos durchströmbar sind und dass – die Kondensationsröhren (16, 21, 53, 61) bei Erwärmung des Fassadenelementes als Abluftröhren und bei Abkühlung des Fassadenelements als Zuluftröhren dienen.
Zweischalige Fassadenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Luftkonditioniereinheiten aus gekühlten Luftröhren (16, 21, 53, 61) zur Wasserdampfkondensation bestehen und dass – die Kühlelemente (24, 25, 51, 123, 124) Peltier-Elemente sind, die in gut Wärme leitendem Kontakt mit den Luftröhren (16, 21, 53, 61, 121) stehen und dass – den gekühlten Luftröhren (16, 21, 53, 61) Wärmerohre (56, 121) vor- oder nachgeschaltet angeordnet sind und dass – die Wärmerohre mit der warmen Seite der Peltier-Elemente (50, 59, 63, 70, 123, 124) in gut Wärme leitender Verbindung stehen.
Zweischalige Fassadenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente Peltier-Elemente (24, 25, 50, 63, 123, 124, 140, 141) sind, die über Temperaturdifferenzfühler elektrisch so angesteuert werden, dass bei Temperaturabsenkung im Fassadenelement die Peltier-Elemente aktivierbar und bei Temperaturanstieg im Fassadenelement deaktivierbar sind.
Zweischalige Fassadenelemente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kondensationsröhre von innen her heizbar ausgeführt ist.
Zweischalige Fassadenelemente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Luftkonditioniereinheiten als Rohr-in-Rohrsystem ausgeführt sind, wobei – entweder das Innenrohr (101, 121) über das Peltier-Element (123, 124) geheizt und das Außenrohr (100, 120) gekühlt wird oder das Innenrohr (101, 121) gekühlt und das Außenrohr (100, 120) geheizt wird und dass – das Außenrohr (100, 120) am oberen Ende verschlossen (8) oder am oberen Ende offen und – Luft vom Innenrohr (101, 121) in das Außenrohr (100, 120) oder vom Außenrohr (100, 120) in das Innenrohr (101, 121) strömt.
Zweischalige Fassadenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Kondensationsröhren mittels der warmen Seite von Peltier-Elementen geheizt und im Luftstrom innerhalb der Röhren Kondensationsröhren angeordnet sind, die über die kalte Seite von Peltier-Elementen gekühlt werden.
Zweischalige Fassadenelemente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Luftkonditioniereinheiten senkrecht angeordnet sind und dass – innerhalb der Luftkonditioniereinheiten Peltier-Elemente (140, 141) mit Tropfblechen (133, 134) angeordnet sind, wobei – die warmen Seiten der Peltier-Elemente mit den Wandungen der Luftröhren (132) in Wärme leitendem Kontakt stehen und an den kalten Seiten der Peltier-Elemente (140, 141) Tropfbleche (133, 134) angeordnet sind und wobei – die Tropfkanten (142, 143) der Tropfbleche räumlich versetzt so angeordnet sind, dass sich Tropfbahnen (144, 145) bilden und abtropfendes Kondensat in unten angeordnete Kondensatbehälter (135) austropft.
Zweischalige Fassadenelemente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Luftein-/Luftauslassstutzen (241) oberhalb der Kondensatbehälter (135) angeordnet sind und dass – die Kondensatbehälter (135) über eine unten angeordnete Entwässerungsleitung (136) entwässert werden.