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Die Erfindung betrifft ein Fenstersystem mit aktiver Belüftung, das mit einen effizienten Wärmerückgewinnungssystem (Zu- und Abluft) ausgestattet ist. Die Anwendung des Fenstersystems bietet sich insbesondere bei Schallschutzfenstern an.
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Luftaustauschsysteme werden regelmäßig in Gebäuden eingesetzt, bei denen keine Belüftung durch Öffnen der Fenster vorgesehen ist, wie z.B. in Krankenhäusern oder Altenheimen. Aber auch in Bürogebäuden oder im privaten Bereich kommen zunehmend aktive Belüftungssysteme zum Einsatz. Nach der Energiesparverordnung sind bis spätestens 2020 für alle aktiven Luftaustauschsysteme (Systeme mit aktiver Belüftung) in Neubauten und zu sanierenden Bauten Wärmerückgewinnungssysteme mit einem Wirkungsgrad (Grad der Wärmerückgewinnung) von mindestens 80 % zwingend vorgeschrieben.
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Ein so hoher Grad der Wärmerückgewinnung lässt sich (mit vertretbarem technischem Aufwand) zurzeit nur mit vergleichsweise großen Baueinheiten erreichen, die in Außenwänden der Gebäude oder als Zusatzgerät in Fensterinnenleibungen eingebracht sind. In solchen Baueinheiten werden üblicherweise Plattenwärmeübertrager (Gegenstromprinzip), Module, die Wärme sensibel speichern können (Keramikspeicher) oder sog. Enthalpietauscher eingesetzt. Kompakte Zuluftsysteme für Fenster, bei denen die Belüftungseinheit in den Fensterrahmen integriert ist, sind zwar bekannt (z.B.
US 4,572,282 2A ), eine Wärmerückgewinnung von mindestens 80 % wird mit diesen jedoch bei Weitem nicht erreicht.
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Zudem ist bekannt, die Wärmeübertragung zwischen der Zu- und Abluft mittels sog. Wärmerohren (Heatpipes) zu realisieren.
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So wird in
DE 100 22 354 C1 ein rekuperativer Vertikalflurraumlüfter für eine dezentrale Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung beschrieben, bei dem ein Abluftkanal und ein Zuluftkanal von Wärmerohren – die ein konvertibles Wärmeträgermedium enthalten – durchdrungen werden, die mit einem geringem Winkel (gegenüber der Horizontalen) in Richtung des benachbarten Zulaufkanals ansteigen. Der Einlass für die Außenluft und der Austrag der Fortluft erfolgt unterhalb des äußeren Fensterbrettes.
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In
WO 2011/132998 A2 wird ein Belüftungssystem für Fenster mit einem Wärmeübertragungsmodul gezeigt, das einen Wärmetausch zwischen der in einen Raum zu- und abgeführten Luft ermöglicht. Die Wärmeübertragung erfolgt mittels eines geraden, horizontal angeordneten Wärmerohrs.
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Durch den Einsatz von Wärmerohren kann die Effizienz des Wärmeübertrags zwar gesteigert werden, der geforderte Wirkungsgrad wird jedoch damit noch nicht erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fenstersystem mit aktiver Belüftung zu finden, mit dem ein Grad der Wärmerückgewinnung (durch einen Wärmetausch zwischen der Zu- und der Abluft) von mindestens 80 % erreichbar ist, das zugleich erhöhten Schallschutzanforderungen genügt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
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Nach Maßgabe der Erfindung weist das Fenstersystem ein Fenster (das einen Innen- von einem Außenraum trennt), eine Belüftungseinrichtung, die über mindestens einen Zu- und mindestens einem Abluftkanal verfügt und einen Luftaustausch zwischen dem Innen- und dem Außenraum ermöglicht, und ein Wärmerohr (Hochleistungswärmerohr), das zum Wärmetausch zwischen durch den mindestens einen Zuluftkanal strömender Zu- und durch den mindestens einen Abluftkanal strömender Abluft dient, auf. Das Wärmerohr, bestehend aus einem rohrförmigen Gehäuse, dessen Stirnflächen verschlossen sind, ist mit einem Kältemittel gefüllt.
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Das mindestens eine Wärmerohr umfasst mindestens einen ersten Wärmeübertragungsbereich, der mit der Zuluft in thermischem Kontakt steht (der im Zuluftkanal angeordnet ist), und mindestens einen zweiten Wärmeübertragungsbereich, der mit der Abluft in thermischem Kontakt steht (der im Abluftkanal angeordnet ist). In den Wärmeübertragungsbereichen ist auf der Außenseite des Gehäuses des mindestens einen Wärmerohrs eine Struktur ausgeformt, die eine Vergrößerung der Oberfläche (einen verbesserten Wärmetausch mit der die Strukturen umgebenden Luft und dem Kältemittel im Wärmerohr) bewirkt.
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Im Innern des Wärmerohrs sind (zumindest in einem Teilabschnitt) Kapillaren angeordnet, d.h., das Wärmerohr ist (zumindest abschnittsweise) als sog. Kapillarwärmerohr ausgebildet. Im Gegensatz zu den Gravitationswärmerohren können Kapillarwärmerohre (bzw. die Abschnitte, die als Kapillarwärmerohr ausgeformt sind) auch so angeordnet werden, dass flüssiges Kältemittel, das sich in den kühlen Bereichen des Wärmerohrs bildet, gegen die Schwerkraft (bzw. ohne Schwerkraftunterstützung, d.h. bei waagrechter Ausrichtung des Wärmerohrs) in die warmen Bereiche (wo das Kältemittel wieder verdampft) transportiert wird.
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Mit Wärmerohren können dann besonders hohe Wirkungsgrade/Wärmeleitfähigkeiten erreicht werden, wenn eine Seite der Wärmerohrs stets auf etwa demselben Temperaturniveau bleibt. Da Innenräume (Wohn- oder Büroräume) üblicherweise auf Temperaturen von ca. 18–24 °C gehalten werden, ist diese Bedingung am zweiten Wärmeübertragungsbereich (Abluft) erfüllt. Versuche haben zudem überraschenderweise gezeigt, dass, obwohl Kapillarwärmerohre bekanntermaßen träger sind als entsprechende Gravitationswärmerohre, mit dem erfindungsgemäßen Fenstersystem dennoch ein vergleichsweise hoher Grad der Wärmeübertragung (zwischen der Zu- und Abluft) erreicht wird.
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Die Wärmerohre (und entsprechend die Zu- und Abluftkanäle) des erfindungsgemäßen Systems können, da sie sehr kompakt aufgebaut und bezüglich ihrer Lage flexibel einsetzbar sind, wahlweise im Rahmen des Fensters, in die Fensterleibung, an den Rahmen des Fensters angrenzend oder beliebig in die Fensterleibung eingebracht sein. Das Fenstersystem ist also demgemäß sowohl für Neubauten (Integration des mindestens einen Wärmerohrs in die Fensterleibung oder den Fensterrahmen) als auch für die kostengünstige Nachrüstung von Bestandsbauten (Integration des Wärmerohrs bevorzugt in den Fensterrahmen) gut geeignet. Auch die Anforderungen an das Fenster hinsichtlich des Schallschutzes können durch die beschriebene Wärmerohranordnung erfüllt werden.
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Das Gehäuse und die Kapillaren der Wärmerohre bestehen bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium, sodass die Rohre in vorgegebenen Grenzen (Einhaltung der minimalen Biegeradien) in eine passende Form gebogen werden können. Grundsätzlich bieten sich für den Einbau in das Fenstersystem Wärmerohre mit U- und L-förmigen Geometrien sowie gerade, senkrecht stehende Wärmerohre an.
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Die Struktur zur Vergrößerung der Oberfläche im (mindestens einen) ersten oder zweiten Wärmeübertragungsbereich des Wärmerohrs kann mittels Lamellen und/oder Kühlrippen und/oder offenporigem Metallschaum realisiert sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden mehrere Wärmerohre mit einem kreisrunden Rohrquerschnitt, die auch in kleineren Stückzahlen kostengünstig erhältlich sind, in einer senkrecht zum Fenster verlaufenden Reihe, hintereinander angeordnet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann als das mindestens eine Wärmerohr auch ein Wärmerohr mit einem rechteckförmigen Rohrquerschnitt eingesetzt sein, wobei zwei Seiten des den Rohrquerschnitt definierenden Rechtecks mindestens dreimal länger sind, als die übrigen zwei Seiten. Die längeren Seiten (des Rechtecks des Rohrquerschnitts) werden (im Zuge der Montagegenauigkeit) parallel zur Tiefe des Fensterrahmens und die betreffenden kürzeren Seiten parallel zur Fensterscheibe angeordnet. Derartige Wärmerohre haben den Vorteil einer kompakteren Bauform, sie sind jedoch meist nur als Spezialanfertigungen erhältlich; ihr Einsatz in einem Fenstersystem ist deshalb erst wirtschaftlich, wenn höheren Stückzahlen des betreffenden Fenstersystems hergestellt werden.
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Insbesondere beim Einsatz des Fenstersystems für Schallschutzsysteme/Schallschutzfenster ist vorgesehen, die Zu- und/oder Abluftkanäle flach auszuführen, d.h. diese mit einer geringen Höhe (von z.B. höchstens 5 cm) zu realisieren. Bei Schallschutzfenstern können zudem im mindestens einen Zu- und/oder Abluftkanal Strukturen angeordnet sein, die eine Schalldämmung bewirken. Solche Strukturen können aus Schalllenkelementen bestehen, die eine Verlängerung des Schallwegs und/oder (mehrfache) Richtungsänderungen des Schalls bewirken. Die verbleibenden Hohlräume (in den Zu- und/oder Abluftkanälen) werden üblicherweise mit einem schalldämmenden Material, wie z.B. schalldämmendem Schaum, ausgefüllt. Der hierdurch verursachte, erhöhte Strömungswiderstand wird ggf. durch den Einsatz von leistungsstärkeren Lüftern kompensiert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fenstersystems ist die Belüftungseinrichtung mit nur einer Gebläseeinheit ausgestattet, die auf der Außenseite des Abluftkanals angeordnet ist und die im Betrieb Luft vom Innen- in den Außenraum fördert. Da die Gebläseeinheit im Außenbereich angeordnet ist, gelangt der von dem bzw. den Lüftern der Gebläseeinheit abgegebene Schall nur stark gedämpft in den Innenraum; da der Luftstrom vom Innenraum weggerichtet ist, erfolgt zudem nur eine stark verminderte Schallübertragung über den Luftstrom. Die Zuluft wird bei dieser Ausführungsform lediglich durch den aufgebauten Differenzdruck durch den Zuluftkanal in den Innenraum gesaugt.
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Denkbar ist auch, den Zuluftkanal mit einer eigenen Gebläseeinheit zu versehen, was den Vorteil hat, dass die Luftströmungen im Zuluftkanal genau definiert werden können. Allerdings steht dem ein höherer technischer Aufwand (zusätzliche Gebläseeinheit) sowie eine höhere Schallentwicklung entgegen.
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In dem mindestens einen Wärmerohr herrscht bevorzugt ein Unterdruck von ca. 10–5 bar. Als Kältemittel kann z.B. Wasser, Methanol, oder R134a eingesetzt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich in (Integration in Fensterrahmen) oder an (angrenzend an den Rahmen oder in der Fensterleibung integriert) der Unterseite des Rahmens des Fensters der (mindestens eine) Zuluftkanal und in oder an der oberen Seite des Rahmens des Fensters der (mindestens eine) Abluftkanal. Diese Anordnung wird aus strömungstechnischen Gründen gewählt, da erhebliche Zuglufterscheinungen auftreten würden, wenn die kältere Zuluft von der Oberseite des Fensters aus in den Innenraum geleitet würde (die kältere Zuluft strömt sofort beim Eintreten in den Raum nach unten). Der erste und der zweite Wärmeübertragungsbereich des mindestens einen Wärmerohrs wird über einen ersten Verbindungsbereich verbunden, in dessen Innern Kapillaren angeordnet sind. Das Wärmerohr hat dann die Form eines liegenden "U’s". In den kalten Jahreszeiten (Winterbetrieb; Außentemperatur ist kleiner als die Temperatur im Innenraum) wird in den Kapillaren des ersten Verbindungsbereichs (beim Betrieb der Gebläseeinheit/der Gebläseeinheiten) flüssiges Kältemittel gegen die Schwerkraft vom untenliegenden ersten Wärmeübertragungsbereich zum obenliegenden zweiten Wärmeübertragungsbereich des Wärmerohrs transportiert. Mit dieser Anordnung wird die Zuluft durch die Abluft vorgewärmt.
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Die oben beschriebene Ausführungsform kann für einen Betrieb in warmen Jahreszeiten (Sommerbetrieb; die Außentemperatur ist größer als die Innentemperatur), zum Kühlen der Zuluft durch die Abluft, erweitert werden, indem das (mindestens eine) Wärmerohr mit einem zweiten Verbindungsbereich ausgestattet wird, der, da in ihm eine Bewegungsrichtung des flüssigen Kältemittels von oben nach unten vorgesehen ist, als Gravitationswärmerohr ausgeführt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen in schematischer Darstellung:
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1: ein Fenstersystem, bei dem der gesamte Fensterumfang zur Wärmeübertragung zwischen Zu- und Abluft genutzt wird,
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2: ein Fenstersystem, bei dem lediglich die Fensterseiten zur Wärmeübertragung zwischen Zu- und Abluft genutzt werden.
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Das in 1 dargestellte Fenstersystem umfasst ein Fenster, das sich aus einem Fensterglas- 1 bzw. Fensterflügelbereich und einem Fensterrahmen 2 zusammensetzt, einen Zuluftkanal 3 im/am unteren Teil des Fensterrahmens 2, der als Zuluftnachströmeinheit für den Winterbetrieb dient, einen Abluftkanal 4 im/am oberen Teil des Fensterrahmens 2, der als Abluftfördereinheit für den Winterbetrieb dient, und mehrere U-förmiggeformte Wärmerohre 5 für den Winterbetrieb, die über die Breite des Fensterrahmens 2 verteilt hintereinander angeordnet sind und die sich jeweils aus einem ersten Wärmeübertragungsbereich 5.1 im Zuluftkanal 3, einem als Kapillarwärmerohr ausgeführten Übergangsbereich 5.2 und einem zweiten Wärmeübertragungsbereich 5.3 im Abluftkanal 4 zusammensetzen. Für den Sommerbetrieb ist das Fenstersystem mit einem Zuluftkanal 6 im/am oberen Teil des Fensterrahmens 2, der als Zuluftnachströmeinheit für den Sommerbetrieb wirkt, einem Abluftkanal 7 im/am unteren Teil des Fensterrahmens 2, der als Abluftfördereinheit für den Sommerbetrieb wirkt, und mehreren U-förmig geformten Wärmerohren 8 für den Sommerbetrieb ausgestattet, die ebenfalls über die Breite des Fensterrahmens 2 verteilt hintereinander angeordnet sind und die sich jeweils aus einem ersten Wärmeübertragungsbereich 8.1 im Zuluftkanal 6, einem als Gravitationswärmerohr ausgeführten Übergangsbereich 8.2 und einem zweiten Wärmeübertragungsbereich 8.3 im Abluftkanal 7 zusammensetzen.
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Sowohl die Zu- 3, 6 als auch die Abluftkanäle 4, 7 sind jeweils mit einer Verschlussklappe 9 und einem Luftfilter 10 ausgestattet. Die ersten Wärmeübertragungsbereiche 5.1, 8.1 ragen in die zugehörigen Zuluftkanälen 3, 6, die zweiten Wärmeübertragungsbereiche 5.3, 8.3 in die zugehörigen Abluftkanäle 4, 7. Die Abluftkanäle 4, 7 sind jeweils mit einer Gebläseeinheit 11 (Ventilator) ausgestattet. Für die Zuluftkanäle 3, 6 sind keine Antriebe vorgesehen, da die Luftströmungen in den Zuluftkanälen 3, 6 allein durch den Aufbau einer Druckdifferenz über den entsprechenden Antrieb in einem der Abluftkanäle 4, 7 erzeugt wird.
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Bei einem entsprechenden Fenstersystem, das ausschließlich für den Winterbetrieb konzipiert ist, würde das Wärmerohr 8 entfallen, und der Zuluftkanal 3, der Abluftkanal 4 und die zugehörigen Wärmeübertragungsbereiche 5.1, 5.3 des Wärmerohrs 5 wären soweit verlängert, dass sie sich jeweils (nahezu) über die gesamte Fensterbreite erstrecken.
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Wie in 2 dargestellt, können die Zu- 5.1, 8.1 und Abluftkanäle 5.3, 8.3 anstatt in die Unter- bzw. Oberteile des Fensterrahmens 2 auch in die Seitenteile des Fensterrahmens integriert sein, indem die Seitenteile des Fensterrahmens 2 (senkrechte Rahmenprofile) durch die entsprechenden Belüftungseinheiten ersetzt werden. Alternativ können die Belüftungseinheiten als eigenes Bauteil zwischen Fensterrahmen und Leibung integriert werden. Die jeweilgen Wärmerohre 5, 8 (Winter- und Sommerbetrieb) sind bei dieser Ausführungsform nicht U-förmig sondern ungebogen, wobei das Wärmerohr 5 komplett als Kapillarwärmerohr und das Wärmerohr 8 komplett als Gravitationswärmerohr ausgeführt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fensterglas-/Fensterflügelbereich
- 2
- Fensterrahmen
- 3
- Zuluftkanal für den Winterbetrieb
- 4
- Abluftkanal für den Winterbetrieb
- 5
- Wärmerohr für den Winterbetrieb
- 5.1
- erster Wärmeübertragungsbereich des Wärmerohrs
- 5.2
- Übergangsbereich des Wärmerohrs
- 5.3
- zweiter Wärmeübertragungsbereich des Wärmerohrs
- 6
- Zuluftkanal für den Sommerbetrieb
- 7
- Abluftkanal für den Sommerbetrieb
- 8
- Wärmerohr für den Sommerbetrieb
- 8.1
- erster Wärmeübertragungsbereich des Wärmerohrs
- 8.2
- Übergangsbereich des Wärmerohrs
- 8.3
- zweiter Wärmeübertragungsbereich des Wärmerohrs
- 9
- Verschlussklappe
- 10
- Luftfilter
- 11
- Gebläseeinheit/Ventilator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4572282 [0003]
- DE 10022354 C1 [0005]
- WO 2011/132998 A2 [0006]
