DE102013009537A1

DE102013009537A1 - Verfahren zum kontinuierlichen Gewinnen von Strom, Gebäude mit Exergie, Verfahren zum Reduzieren einer Stoffbelastung, Verfahren zum Führen von Luft in einem Wohngebäude, Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpen Anordnung, Wärmetauscher und Verfahren zum Kühlen eines Gebäudes, Verfahren zum Erwärmen von Brauchwasser

Info

Publication number: DE102013009537A1
Application number: DE102013009537.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Nutzen von Druckluft zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Flächenform für ein Gebäude, ein Verfahren zum Kühlen eines Gebäudes, ein Verfahren zum Führen von Luft und ein Verfahren zum Speichern von Strom. Angesichts der immer deutlicher werdenden Gefahren durch einen Klimawechsel werden zunehmend Energiespeicherhäuser gebaut und betrieben.
Im Jahre 2012 erschien das Buch „Energie Plus, Gebäude und Quartiere als erneuerbare Energiequelle”. Dieses Buch dokumentiert, dass Gebäude prädestiniert sind, Energieumwandlungen verschiedenster Art zu ermöglichen In dem Buch ist sehr schön herausgearbeitet, dass Ökologie und konomie sich gegenseitig beeinflussen. Der Minimum-Faktor ist immer die Energie, die nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann. Wenn Energie in Exergie umgewandelt werden kann, wird sie zur Nutzenergie.
Für eine gerechte Zukunft unserer Nachfahren ist es wichtig, dass bei Energieumwandlungen möglichst viel Nutzenergie entsteht und der Entropieanteil niedrig ist. Beim Energiespeicherhaus, das durch Wärmepumpen temperiert wird, ist der Anteil der Nutzenergie schon sehr hoch. Dies kommt durch die Rückgewinnung von mindestens 60% der Transmissionswärme auch bei den Fenstern. Bei herkömmlichen Gebäuden ist dies nicht möglich. Trotzdem sollte man überlegen, ob die Einsparmöglichkeiten bei der Erzeugung von Druckluft nicht noch größer sind. Der Energieträger wäre Luft, die überall vorhanden ist. Sie kann unter Druck potentielle Energie speichern, die bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Auf diese Weise könnte die Erzeugung von Windenergie in Gebäude verlagert werden. Das Problem des Stromtransports von Windanlagen wäre gelöst.
Zu Beginn der industriellen Revolution griff der Mensch bei Energieumwandlungen auf die ihm bekannte Energie des Feuers zurück. Der Sauerstoff der Luft reagiert mit Energieträgern von Massen. Die Wärme des Feuers war nicht nur nützlich, Feuer konnte auch Katastrophen verursachen, wenn der Wald brannte oder wenn im Krieg ganze Städte in Schutt und Asche gelegt wurden. Auch bei der Mobilität griff der Mensch immer wieder auf Energieträger zurück, deren Energie beim Verbrennen frei wird. Der Verbrennungsprozess ist aber so irreversibel, dass der Gesamtwirkungsgrad kaum 20% erreicht, das heißt 80% der Energie werden in Entropie umgewandelt. Der Wirkungsgrad von Energieumwandlungen in der Mobilität könnte bedeutend erhöht werden, wenn der Prozess der Drucklufterzeugung auch zum Antrieb von Fahrzeugen genutzt würde. Der Energieträger Luft ist überall dort vorhanden, wo sich auch Fahrzeuge befinden; er braucht nicht getankt zu werden. Mit dem Energieträger Luft hätten die Fahrzeuge Energie zum Antrieb in Form von Strom und Wärme zum Temperieren. Außerdem wäre neben dem Radantrieb ein Düsenantrieb denkbar.
Der Strom, der bei der Druckluftherstellung dem Kompressor zugeführt wird, wird zu 100% in Wärme umgewandelt. Davon bleiben ca. 25% in der Druckluft; diese Wärme wird genutzt, um die Umluft im Energiespeicherhaus 20 K mehr aufzuheizen als Wärmepumpen es vermögen.
Bei Wärmepumpen bewirkt ein Kältemittel die Energieumwandlung Strom/Wärme. Das Kältemittel kühlt die Umluft so stark ab, dass ständig mit Vereisung des Verdampfers zu rechnen ist; eine Luft-Wasserwärmepumpe muss immer wieder abgetaut werden.
76% der Wärmeleistung der Druckluftherstellung kann bei höheren Temperaturen zurückgewonnen werden. Im Energiespeicherhaus kann damit Brauchwasser mit 70°C hergestellt werden. In der Druckluft selbst bleibt so viel potentielle Energie, dass mit Hilfe eines Asynchronmotors mindestens 150 W Strom entsteht. Die entspannte Druckluft sorgt im Luftspalt des Wärmedämm-Wärmetauschers für Temperaturen, die höher sind als die erforderlichen Raumtemperaturen. Nach den bisherigen Erkenntnissen wird die Drucklufterzeugung vorwiegend zum Heizen und zur Brauchwasserbereinigung eingesetzt.
In einem Energiespeicherhaus mit Drucklufterzeugung könnten über 1300 kWh/a aus der kinetischen Energie der Druckluft in Strom umgewandelt werden. Wenn sich die Energiespeicherhäuser so vermehren würden wie die Automobile, könnte der größte Teil des Windenergiestroms in Häusern umgewandelt werden.
Beispielsweise beschreibt die DE 31 03 549 A1 eine Führung von Außenluft, die über eine Vielzahl von Spalten zwischen einer Gebäudewand und einer Fassade gefördert wird. Hierbei wird die Außenluft aus der Bodennähe von unten mittels eines Gebläses angesaugt und einem Verdampfer im Dachbereich zugeführt.
ie EP 1 236 704 A2 beschreibt ein Verfahren zur Führung von Außenluft in einem Gebäude, wobei die Gebäudehülle eines Gebäudes einen äußeren sowie einen inneren Spalt aufweist. In den äußeren Spalt fällt aus einem oberen Bereich Außenluft ein und dringt durch eine den äußeren Spalt und den inneren Spalt begrenzende Wärmedämmschicht in den inneren Spalt ein. Der innere Spalt ist aktiv unter Unterdruck gehalten, wobei die warme Luft nach unten gesaugt wird.
Die EP 1 243 863 A2 zeigt ein sehr vorteilhaftes Verfahren zum Führen von Außenluft und ein zugehöriges Gebäude. Um die Außenluft effektiv aufzuwärmen, schlägt die dortige Erfindung ein Verfahren zum Führen von Außenluft vor, wobei im Bereich der Gebäudehülle ein innerer Spalt von einem äußeren Spalt durch eine permeable Schicht separiert wird. In den äußeren Spalt fällt Außenluft ein, wobei die Außenluft durch die permeable Schicht in den inneren Spalt gelangt und dort in einen oberen Bereich der Gebäudehülle aufsteigt und/oder zumindest teilweise in einen unteren Bereich der Gebäudehülle sinkt, wobei die in den unteren Bereich der Gebäudehülle gesunkene Außenluft dem Dachbereich des Gebäudes zugeführt wird, bevor sie dann einer Wärmepumpe zugeführt wird,
Einsparen von Strom beim Betrieb von Luft-Wasser-Wärmepumpen. Dies geschieht durch Verdampfen von Wasser und Erwärmen der zugeführten Luft, so dass die Wärmepumpen nicht mehr abgetaut werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Technik von Häusern mit Blick auf eine nachhaltigere Nutzung der natürlichen Ressourcen zu verbessern und/oder die Energienutzung beim Antrieb von Kraftfahrzeugen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Optionale Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Begrifflich sei zunächst erläutert, dass ein ”Energiespeicherhaus” ein Haus ist, welches von extern zugeführte Energie speichern kann und somit technologisch eine Stufe weiter ist als ein ”Energiesparhaus” oder ein ”Passivhaus”. Ein Energiespeicherhaus ist beispielsweise aus der EP 1 243 863 A2 bekannt.
Insgesamt lässt sich hierzu erläutern, dass ein Energiespeicherhaus die Speicherwirkung von Baumasse, Wasser und Luft nutzt. Bei Untersuchungen des Erfinders haben sich Werte ergeben, gemäß welchen in der Luft eines Energiespeicherhauses beispielsweise etwa 10 kWh und in einem Wasserkreislauf eines Energiespeicherhauses beispielsweise etwa 20 kWh Energie an Speichermöglichkeit verfügbar sind. Es sei darauf hingewiesen, dass eine solche Energiespeicherung nicht einmal einen komplett geschlossenen Kreislauf erfordert. Der Luftkreislauf ist bevorzugt als quasi-geschlossener Kreislauf ausgebildet. Eine hermetische Abdichtung gegenüber einem Außenbereich des Hauses ist nicht notwendig und kann sogar nachteilhaft sein, da in diesem Falle keine Frischluft nachgezogen werden könnte. Selbst bei einem nur quasi-geschlossenen Luftkreislauf können jedoch die angegebenen Energiespeicherwerte erreicht werden.
Nach einem weiteren Aspekt löst die gestellte Aufgabe die Verbindung von Energiespeicherhaus und Mobilität. Die Batterie von Elektroautos dient als Stromspeicher für das Energiespeicherhaus. Diese wird während der Fahrt durch den Fahrtwind, der einen Ventilator mit Asynchronmotor antreibt, ständig aufgeladen. Der Strom wird im Elektroauto in mechanische Energie umgewandelt und bewegt das Elektroauto mit dem Ventilator durch das Luftmeer. Die durch mechanische Energie angetriebenen Flügel des Ventilators lassen den Asynchronmotor als Generator arbeiten. Durch den dadurch erzeugten Strom wird die Batterie wieder aufgeladen. Nach der Fahrt steht dem Energiespeicherhaus der gesamte Strom aus der Batterie zur Verfügung.
Das Energieproblem auf der Erde ist kein Problem des Energiemangels, sondern liegt in der Notwendigkeit, die vorhandene Energie in eine für uns und den Prozess nützliche Energieform umzuwandeln.
Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik sagt, dass die gesamte Energie bei Energieumwandlungen konstant ist. Der Mensch kann keine Energie erzeugen, sondern nur umwandeln. Die Antriebsenergie eines Autos wird in kinetische Energie des Autos umgewandelt. Diese ergibt sich aus der Formel:
E_kin = m/2·v². Mit 1000 kg Gewicht und v = 80 km/h ergibt sich 500·489 kg·m²/s³ = 244444 kg m²/s³ = 244 kJ/s = 244 kW.
Der mitgeführte Ventilator bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Auto, d. h. mit ca. 22 m/s. Die vom Ventilator durchfahrene Luft hat also gegenüber dem Ventilator eine Geschwindigkeit von 22 m/s. Die Leistung des Ventilators ist dann eine Funktion seines Querschnitts. Bei einem Querschnitt von 0,5 m² ergibt sich ein Massendurchsatz von 11 m³ Luft. Dies ergibt bei Umgebungsbedingungen auf der Erde ein Gewicht von 11·1.3 = 14,3 kg. Für die kinetische Energie der Luft und die Leistung des Ventilators ergibt sich:
E_kin = m/2·v² = 7·222 = 3388 J/s. Die verlustlose Leistung des Ventilators beträgt dann:
P_Vent = 3,4 kJ/s = 3,4 kW.
Für eine Autogeschwindigkeit von 100 km/h ergibt sich eine Ventilatorleistung von 7 kW.
Nach einem weiteren Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Reduzieren einer Belastung durch einen aus Erdreich entweichenden Stoff, insbesondere Radon, in einem Wohngebäude, wobei in einem Nutzraum, insbesondere einem Keller, ein Unterdruck erzeugt und der Unterdruck über Verbindungsleitungen an eine Vielzahl von Wohnräumen weiter gegeben wird, so dass die Wohnräume ihre Luftzufuhr zwangsweise aus Frischluft aus dem oberirdischen Luftraum beziehen.
Wohngebäude sind oft auf einem Erdreich installiert, aus welchem sich Schadstoffe schleichend absondern. Dies können einerseits Stoffe sein, deren Schädlichkeit erwiesen ist. In Deutschland beispielsweise werden amtliche Listen geführt, welche Stoffe in welcher Konzentration noch als gesundheitlich unbedenklich gelten. Andererseits liegen zu vielen Stoffen keine verlässlichen Untersuchungen vor. Gerade im Bereich von Tagebauen zur Kohleförderung liegen viele Stoffe relativ leicht lösbar im Erdreich vor.
Der vorgestellte zweite Aspekt basiert auf der Erkenntnis, dass mit einer relativ einfach durchführbaren Maßnahme sichergestellt werden kann, dass die Raumluft frei von Aussonderungen aus dem Erdreich ist. Wenn – wie vorgeschlagen – ein Unterdruck erzeugt und dieser Unterdruck über Leitungen, beispielsweise über einfache Rohre, an die einzelnen Wohnräume weitergegeben wird, so herrscht in allen Wohnräumen ein Unterdruck vor. Dieser kann so gering sein, dass selbst ein empfindlicher Mensch in diesen Räumen den Unterdruck nicht als solchen wahrnehmen kann. Beispielsweise kann in den Verbindungsrohren ein Ventilator installiert sein, der eine stetige Luftbewegung von den Wohnräumen hin zum Keller bewirkt.
Dies hat zum einen die Wirkung, dass die Wohnräume ihre Raumluft von außen durch Undichtigkeiten in Fenstern und Türen nachziehen. In die Räume gelangt somit ausschließlich Frischluft aus der umgebenden oberirdischen Luft, welche in der Regel frei von den im Erdreich befindlichen Stoffen ist.
Zum anderen bewirkt die stetige Strömung der Luft auf dem Weg von den Wohnräumen zum Keller, dass keine Luft vom Keller zu den Wohnräumen strömt. Dies verhindert auch innerhalb des Hauses einen ”ungewünschten” Transport von Schadstoffen aus dem Kellerbereich nach oben in die Wohnräume.
Bevorzugt wird im Nutzraum und/oder in einer Gebäudehülle ein Umluftbetrieb betrieben, während die Wohnräume Frischluft beziehen. Dies macht das vorgeschlagene Verfahren sehr wirtschaftlich.
Nach einem dritten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Führen von Luft in einem Wohngebäude, wobei Raumluft aus einer Vielzahl von Wohnräumen mittels Unterdruck entnommen, durch Spalte in eine Gebäudehülle hindurch in einen Dachbereich und von dort in einer Leitung zu einer Wärmepumpe geführt wird.
Ein solches Verfahren zum Führen von Luft in einem Wohngebäude trägt zu der Energiespeicherleistung des Wohngebäudes erheblich bei. Durch die Entnahme der Raumluft mittels Unterdruck wird zum einen der vorstehend geschilderte Vorteil der erzwungenen Frischluftzufuhr durch die Fenster und Türen unterstützt. Im Dachbereich wärmt sich die Luft auf und/oder vereinigt sich mit von selbst infolge ihrer Wärme in den Dachbereich aufsteigenden, freien Luft. Infolge dessen, dass die Luft aus den Wohnräumen durch Spalte in eine Gebäudehülle hindurch zum Dachbereich geführt wird, wird eine Wärmedämmung an der Gebäudehülle ständig durchlüftet und somit bestmöglich trocken gehalten, was die Wärmedämmleistung erhöht.
Bevorzugt wird die Raumluft durch eine Vielzahl Raumanschlussrohre entnommen und vor dem Dachbereich in einen Raumluftsammler geführt. Jedes Raumanschlussrohr kann über einen einfach gestalteten Rohranschluss insbesondere in einem Deckenbereich eines jeden Raumes konstruktiv umgesetzt werden. Es genügt ein kleines Loch, durch welches die Luft vom Wohnraum in den großen quasi – geschlossenen Kreislauf gepumpt oder gesaugt wird.
Vorausgesetzt wird ein großer Luftkreislauf im Haus. Dieser sollte bevorzugt genau insoweit abgeschlossen sein, dass dasjenige Luftvolumen durch den Baukörper entweicht, was an Frischluftvolumen in die Wohnräume nachgezogen wird.
Ein Raumanschlussrohr weist bevorzugt ein Rückschlagventil auf. Dies ist ein einfach zu konstruierendes und probates Mittel, um eine ungewollte Rückströmung von Luft aus dem großen quasi-geschlossenen Gebäude-Luftkreislauf in den Wohnraum hinein zu verhindern. Rückschlagventile sind außerdem für beliebige Rohrquerschnitte erhältlich, insbesondere für runde und rechteckige Querschnitte.
Es wird vorgeschlagen, dass der Raumluftsammler einen zentralen Ventilator aufweist. Beispielsweise kann ein System so installiert sein, dass sich aus jedem Wohnraum ein Rohr mit einem Durchmesser von beispielsweise 200 mm aus erstreckt, wobei aus jedem Zimmer eine solche sammelnde Luftabsaugung erfolgt. Je nach Wohnungsgröße können bei Mehrfamilienhäusern Rohre dieses Durchmessers auch beispielsweise einmal pro Wohnung installiert sein, wobei aus jedem Zimmer zu diesem größeren Rohr ein kleineres Rohr geführt wird.
Die Rohre, welche vom Wohnraum ausgeführt werden, werden im Gebäude bevorzugt zu einem großen Raumluftsammler vereinigt. Dieser kann beispielsweise ein Rohr mit einem Durchmesser von 300 mm sein. In dem Raumluftsammler kann ein großer Ventilator installiert sein, so dass ein einziger Ventilator bereits den notwendigen Unterdruck in allen Wohnräumen erzeugt.
Alternativ und kumulativ können die Raumanschlussrohre – alle oder vereinzelt – jeweils einen dezentralen Ventilator aufweisen. Wenn bereits ein zentraler Ventilator vorgesehen ist, reichen an dieser Stelle bereits sehr kleine und leise laufende Ventilatoren aus.
Es wird vorgeschlagen, dass die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit der entnommenen Raumluft gemessen wird. Eine Regelelektronik im Haus kann mit solchen Messwerten für ein sehr ausgeglichenes und gesundes Wohnklima sorgen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die entnommene Raumluft vor dem Durchlaufen der Gebäudehülle durch einen Erdbereich geführt. Der Erdbereich ist bezüglich seiner Temperatur sehr konstant und liegt über das Jahr meistens zwischen 14°C und 16°C. Im Erdbereich wird die von außen angezogene Luft im Sommer somit abgekühlt und im Winter eher erwärmt. Aus den Wohnräumen entnommene Luft wird in der Regel im Erdbereich gekühlt.
Bevorzugt ist ein Winterbetriebsmodus vorgesehen, in welchem möglichst wenig Frischluft eingesaugt wird. Die von außen in die Wohnräume hinein gezogene Frischluft muss im Winter stark aufgewärmt werden, was ein hohes Maß an Energie fordert. Dadurch, dass jedoch in den Räumen ein Unterdruck anliegt, wird permanent Frischluft durch Undichtigkeiten an den Fenstern und Türen eingezogen. Die Fenster müssen idealerweise im Winter nicht einmal geöffnet werden und dennoch herrscht permanent Frischluft in den Wohnräumen vor, kalte Außenluft bewirkt einen höheren Druck.
Ein Sommerbetriebsmodus sieht bevorzugt vor, dass Außenluft nachts aktiv durch den Erdbereich eingesaugt wird. Dies bewirkt eine Kühlung, die ohne weitere Klimatisierungsautomatik auskommt. Bevorzugt wird die Außenluft nachts durch ein offenes Kellerfenster eingesaugt. Tagsüber und nachts wird die Frischluft bevorzugt durch ein unterirdisches Rohr eingesaugt. Bei einem Neubau können solche Rohre ohne weiteres installiert werden. Sie haben eine Eintrittsöffnung am Erdreich oder am Mauerwerk und führen durch den Boden hindurch zurück in den Keller. Bei einem Altbau hingegen ist die Variante des nur nächtlichen Lufteinziehens zu bevorzugen, wobei auch dies durch das Kellerfenster geschehen sollte.
Auf dem Weg vom Kellerbereich durch die Gebäudehülle ins Dach nimmt die Luft die Feuchtigkeit von der Wärmedämmung mit. Im Dachbereich sammelt sich die Luft. Von dort wird sie in einem Rohr entnommen und zur Wärmepumpe geführt, wobei diese bevorzugt ebenfalls im Kellerbereich aufgestellt ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn ein offener Schacht von dem Kellerbereich zum Dachbereich existiert, durch welchen bevorzugt das Entnahmerohr geführt ist. Warme Luft aus dem Keller kann dann durch den offenen Schacht direkt wieder in den Dachbereich aufsteigen und von dort durch das Rohr entnommen und zur Wärmepumpe geführt werden. Die Wärmepumpe wird mit der warmen Luft aus dem Dachbereich sehr effektiv betrieben.
Die aus dem Dachbereich entnommene Raumluft wird von der Wärmepumpe aus bevorzugt zu einem Wäschetrockenraum weitergeführt.
Eine Wärmepumpe kann sowohl wärmen als auch kühlen, wobei zwischen diesen beiden Modi je nach aktuellen Klimabedingungen gewechselt werden kann.
Um mit der Wärmepumpe heizen zu können, muss ein Kältemittel verdampft werden, daher fällt jenseits der Wärmepumpe kalte Luft an. Auch diese kann jedoch zum Wäschetrocknen verwendet werden.
Wenn die Wärmepumpe zum Kühlen eingesetzt wird, fällt jenseits der Wärmepumpe jedoch warme, trockene Luft an, Im Sommer kann diese beispielsweise aus dem Gebäude hinausgeführt werden. Die Luft kann allerdings auch anders genutzt werden. So eignet sich die warme, trockene Luft besonders zum Trocknen von Wäsche. Sie ist sehr feuchtigkeitsaufnahmefähig.
Auch ist zu überlegen, dass bei einem Neubau die Wärmedämmung oft bereits so gut ist, dass die Wärmepumpe idealerweise nicht zum Kühlen eingesetzt werden muss. Die Abluft der Wärmepumpe kann in diesem Falle beispielsweise durch Rohrleitungen ins Erdreich gepumpt werden und dann in die Gebäudehülle hinein. Im Erdreich kühlt die Luft auf meist etwa 15°C bis 17°C ab, wenn die Rohrleitung entsprechend lang ausgeführt ist und wenn ein ausreichend effektiver Wärmetauscher im Boden vorgesehen ist. In der Gebäudehülle ist eine Wärmedämmung vorhanden, welche als Wärmetauscher fungiert, so das selbst mit der warmen Abluft der Wärmepumpe eine Kühlung des Gebäudes an dessen äußerer Oberfläche erreicht werden kann.
Alternativ und kumulativ bietet es sich an, die entnommene Raumluft durch Wandschlitze im Kellerbereich zu einem Schacht zu führen, der zum Dachbereich aufsteigt. Die warme Luft gelangt auf diese Weise ohne weiteres Zutun zurück in den Dachbereich und wird dort von der Zuführung zur Wärmepumpe wieder entnommen, um der Wärmepumpe einen möglichst effektiven Zulauf zu ermöglichen.
Die vorstehend erwähnte Wärmedämmung ist bevorzugt mehrspaltig ausgeführt. In Versuchen des Erfinders haben sich dünne Styroporplatten als besonders geeignet erwiesen, beispielsweise mit einer Dicke von jeweils etwa 1 cm. Zwischen den Styroporplatten sind bevorzugt Distanzstücke angeordnet, um stabile Kanäle für die Luftströmung bereitzustellen. Die Distanzstücke können kostengünstig ebenfalls aus Styroporscheibchen gefertigt sein.
Nach einem vierten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanordnung in einem Gebäude, wobei ein Heizkreis-Rücklauf mit einer Temperatur von mindestens etwa 22°C bis 24°C zu einem Verdampfer einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe geführt wird, wobei eine Luft-Wasser-Wärmepumpe der Wasser-Wasser-Wärmepumpe genügend Wärme gibt, um zumindest eine in etwa konstante Leistungszahl zu halten.
Bei Versuchen des Erfinders haben sich hervorragende Leistungszahlen ergeben, oft im Bereich um 6.
Um Brauchwasser zu erhitzen, kann ein Brauchwasser-Kreislauf an das System angeschaltet werden. Das Wasser muss gegebenenfalls mehrfach durchlaufen gelassen werden, um die angestrebte heiße Temperatur zu erreichen. Zum Erreichen von Temperaturen von etwa 60°C wird dem Brauchwasser Wärme mit Hilfe von Wasserdampf zugeführt. Dies ist ein fünfter Aspekt der Erfindung.
Wenn die Sonne scheint, dann kann der Verdampferkreislauf der Wasser-Wasser-Wärmepumpe im Übrigen direkt von einem Sonnenkollektor gespeist werden. Das System wird auf diese Weise – unabhängig von der Temperatur des Heizungsrücklaufs – sehr effektiv und kann ohne weiteres Leistungszahlen von über 4 erreichen.
Bevorzugt kann der Verdampfer der Wasser-Wasser-Wärmepumpe so umgeschaltet werden, dass er zusätzlich zur oder unabhängig von der Luft-Wasser-Wärmepumpe direkt von einem Sonnenkollektor gespeist wird.
Warmes Wasser von der Luft-Wasser-Wärmepumpe wird bevorzugt zu einem Kondensator der Wasser-Wasser-Wärmepumpe geführt. Das Wasser vom Kondensator der Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird bevorzugt als Heizungsvorlauf mit einer Temperatur von mindestens 28°C bis 30°C verwendet.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel ist der Heizungskreislauf eines Gebäudes ein geschlossener Wasserkreislauf, welcher in einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe auf die erforderliche Temperatur gebracht wird. Im Kondensator wird das Wasser auf etwa 28°C bis 30°C erwärmt und als Vorlauf in den Heizungskreislauf gespeist. Der Rücklauf beträgt etwa 20°C bis 22°C und tritt in den Verdampfer der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ein.
Vom Verdampfer hin zum Kondensator der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist in einem Bypass die Luft-Wasser-Wärmepumpe angeordnet. Das Kältemittel holt sich die erforderliche Wärme sowohl in der Luft-Wasser-Wärmpumpe als auch direkt von der Sonne, wenn ein Sonnenkollektor angeschlossen ist. Die erforderliche Vorlauftemperatur wird somit in der Wasser-Wasser-Wärmepumpe sehr effektiv erreicht.
Um die Effektivität weiter zu steigern, können auch mehrere Luft-Wasser-Wärmepumpen parallel zueinander geschaltet an die Wasser-Wasser-Wärmepumpe angeschlossen sein.
Nach einem sechsten Aspekt löst diese Aufgabe ein Wärmetauscher in Flächenform für ein Gebäude, mit einer permeablen Schicht zum Separieren eines inneren Spalts von einem äußeren Spalt im Bereich einer Gebäudehülle, wobei mindestens eine weitere permeable Schicht vorhanden ist, die mindestens einen weiteren Spalt begrenzt.
Beobachtungen des Erfinders haben ergeben, dass mit einer Vergrößerung der Anzahl von Spalten in einem Wärmetauscher im Bereich der Gebäudehülle, bevorzugt an der Gebäudehülle, die Wärmeleitfähigkeit erheblich reduziert werden kann. Dies trägt deutlich zur Einsparung der benötigten Energie bei.
Bevorzugt sind mindestens fünf Spalte vorhanden, besonders bevorzugt etwa zehn Spalte. Bei etwa zehn Spalten kann der k-Wert der Außenhülle des Gebäudes bei geeigneter Gestaltung halbiert werden.
Es wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher eine Wärmedämmschicht aufweist, insbesondere in Form eines mehrschaligen Dämmelements. Insbesondere kann der innere Spalt innerhalb einer Wärmedämmung verlaufen. Mit einem mehrschaligen Dämmelement kann auf einfache Weise ein Wärmedämm-Wärmetauscher erstellt werden. Der Wärmedämm-Wärmetauscher hat zwischen den zwei Dämmelementen einen Luftspalt. Hier nimmt die Luft, vorzugsweise die Transmissionswärme von der Wärmedämmung auf.
Es ist von Vorteil, wenn Luft nicht direkt in Kontakt mit einem Mauerwerk des Gebäudes steht, so dass der Außenluft durch das Mauerwerk keine Wärme entzogen wird. Bevorzugt kommt der Wärmedämm-Wärmetauscher entlang der Gebäudehülle zum Einsatz.
Zur Temperaturerhöhung wird auch die niedrige volumenspezifische Wärmekapazität der Gasphase der Luft im Vergleich zu der höheren volumenspezifischen Wärmekapazität des Wärmedämm-Wärmetauscher-Werkstoffs benutzt. Diese Tatsache kann auch zur Wärmerückgewinnung für ein Temperierungssystem des Gebäudes genutzt werden.
Unter einer ”Gebäudehülle” seien begrifflich alle das Gebäude umschließenden Bereiche verstanden, insbesondere das Dach. Die Außenwände, einschließlich der sich im Erdreich befindenden Außenwände, sowie das Fundament des Gebäudes.
Es versteht sich, dass ein Gebäude, welches mit einem Wärmetauscher der vorstehend beschriebenen Art ausgerüstet ist, von dessen energetischen Vorteilen unmittelbar profitiert.
Nach einem siebten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Kühlen eines Gebäudes, wobei ein Luftkreislauf betrieben wird, welcher Außenluft ansaugt, diese durch einen Erdwärmespeicher in einen unteren Gebäudebereich hin zu einem Mischbereich in einem oberen Gebäudebereich führt.
Diesem Aspekt liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die niedrige Temperatur im Erdwärmespeicher von natürlicherweise höchstens etwa 15°C in den meisten Sommern bereits ausreicht, um bei Betreiben des Luftkreislaufs eine ausreichende Gebäudekühlung herbeizuführen.
In einer Weiterführung dieses Erfindungsaspekts wird vorgeschlagen, dass eine vorhandene Luft-Wasser-Wärmepumpe beim Kühlen umgangen wird. In den meisten Konstellationen reicht bereits das ausschließliche Betreiben des Luftkreislaufs zum Kühlen des Gebäudes aus.
An sehr heißen Tagen wird nach einem achten Aspekt der Wasserkreislauf eines Energiespeicherhauses durch Verdunsten von Wasser zusätzlich gekühlt. Dies geschieht mit den gleichen Vorrichtungen, die im Winter zur Erhöhung der Leistungszahl von Luft-Wasser-Wärmepumpen genutzt werden. Der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe ist dabei nicht in Betrieb.
Nach einem neunten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Führen von Luft in einem Gebäude, wobei die Luft einer Luft-Wasser-Wärmepumpe zugeführt wird und wobei entwärmte Luft stromabwärts der Wärmepumpe abgeführt wird, wobei die entwärmte Luft innerhalb des Gebäudes einer Wäschetrocknung zugeführt wird.
Die beim Betrieb der Luft-Wasser-Wärmepumpe anfallende kältere Luft eignet sich hervorragend dazu, für eine Wäschetrocknung innerhalb des Gebäudes eingesetzt zu werden. Dort kann die kältere Luft Wärmeenergie von der frisch gewaschenen Wäsche aufnehmen und bevorzugt auch Feuchtigkeit von dort aufnehmen.
Bevorzugt wird die Luft nach der Wäschetrocknung abermals der Wärmepumpe zugeführt. Nachdem die Luft die zu trocknende Wäsche passiert hat, ist sie relativ warm, so dass sie erneut durch die Wärmepumpe geführt und hierbei entwärmt werden kann. Die beim Wäschetrocknen in die Wäsche eingebrachte Wärmeenergie wird auf diese Weise zu großem Teil innerhalb des Gebäudes behalten. Innerhalb der Wärmepumpe kann die Wärme zum Verdampfen von Kältemittel genutzt werden.
Der zehnte Aspekt ermöglicht die Wasserversorgung in heißen Ländern. Bei der Kühlung des Energiespeicherhauses fallen dort gleichzeitig große Mengen Trinkwasser an. Dort kann auch mit Hilfe von Solarzellen viel Strom gespeichert werden.
Ebenso versteht es sich, dass es von Vorteil ist, wenn Mittel zum Leiten der Luft von der Wäschetrocknung hin zur Wärmepumpe vorgesehen sind.
Der elfte Aspekt nutzt die Möglichkeit der Sonnenenergiespeicherung unterhalb von transparenten Dachflächen des Energiespeicherhauses. Innerhalb dieser Dachflächen erwärmt sich die Luft auf bis auf 100°C. Diese Energie wird durch einen Luft-Wasser-Wärmetauscher auf Wasser übertragen das diese Energie im Keller an Wasser in einem Behälter mit Vielfachluftschicht abgibt.
In einem zwölften Aspekt der Optimierung wird die Temperaturerhöhung des Luftkreislaufs durch die Sonneneinstrahlung und damit eine Erhöhung der Leistungszahl der Luft-Wasser-Wärmepumpe bewirkt.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur
einen schematischen Schnitt durch ein Energiespeicherhaus
Bei dem Gebäude 1 wird durch die Öffnungen 2 und 3 Außenluft 4 unter den Dachflächen 5 und 6 eines Daches 7 in eine Gebäudehülle eingeleitet. An der Dachfläche 5 des Daches 7 ist zusätzlich ein Sonnenkollektor 8 angeordnet.
Die Gebäudehülle besteht hierbei aus einem Mauerwerk 9 und 10, einer Kellersohle 11 sowie dem Dach 7. Das Mauerwerk 9 bzw. 10 besteht jeweils aus einer Innenmauer 12 bzw. 13, einem Wärmedämm-Wärmetauscher, der jeweils zwei begrenzende Wärmedämmschichten 14 bzw. 15 und 16 bzw. 17 aufweist, sowie einer Fassade 18 bzw. 19. Hierbei hat der Wärmedämm-Wärmetauscher jeweils zwischen den begrenzenden Wärmedämmschichten 14 und 15 sowie 16 und 17 einen inneren Spalt 20 und 21. Zwischen der jeweiligen Wärmedämmschicht 15 bzw. 17 der Wärmedämm-Wärmetauscher und der entsprechenden äußeren Fassade 18 bzw. 19 ist jeweils ein äußerer Spalt 22 bzw. 23 vorhanden. Die äußeren Spalte 22 und 23 sind in ihrem jeweiligen oberen Bereich offen und in ihrem jeweiligen unteren Bereich geschlossen.
Die Außenluft 4 gelangt über die Öffnungen 2 und 3 in die äußeren Spalte 22 und 23. Die in den äußeren Spalten 22 und 23 vorhandene Außenluft 4 durchquert jeweils die Wärmedämmschichten 15 und 17 in einer horizontalen Richtung, wobei sie in den inneren Spalt 20 bzw. 21 gelangt. Hierbei wird der Außenluft 4 erste Transmissionswärme des Gebäudes 1 zugeführt. Die so in den inneren Spalt 20 bzw. in den inneren Spalt 21 gelangte Außenluft 4 steigt oder sinkt je nach Temperaturniveau in dem inneren Spalt 20 bzw. 21 in den Dachbereich oder in den Kellerbereich des Gebäudes 1. Hierbei wird die Außenluft 4 durch die Aufnahme weiterer Transmissionswärme aus dem Gebäude 1 stetig aufgewärmt.
Ist die Außenluft 4 nach dem Durchdringen der Wärmedämmschicht 15 bzw. 17 in den inneren Spalten 20 und 21 warm genug, steigt sie bis in einen oberen Bereich 24 der Gebäudehülle auf. Dort gelangt die Außenluft 4 über Konstruktionsspalte bzw. über entsprechend angelegte Öffnungen in Richtung der Pfeile 25 und 26 in einen Mischbereich 27, welcher direkt unter dem First 28 angeordnet ist.
Auf dem Weg entlang der Dachfläche 5 in den Dachbereich 24 wird die Außenluft 4 zusätzlich durch einen Sonnenkollektor 8 erwärmt.
Außenluft 4, welche sich in den inneren Spalten 20 und 21 befindet und unmittelbar nach dem Durchdringen der Wärmedämmschichten 15 und 17 kein ausreichendes Wärmeniveau aufweist, um in den oberen Bereich 24 des Daches 7 aufzusteigen, sinkt in den inneren Spalten 20 und 21 in den Kellerbereich des Gebäudes 1. Hierbei wird die Außenluft 4 mittels Rohren im Inneren des Mauerwerks 9 bzw. 10 des Gebäudes 1 sowie unter der Kellersohle 11 im Erdreich 60 geführt.
Hierbei erwähnt sich die Außenluft 4 weiter. Die so geführte Außenluft 4 sammelt sich in einem Bereich 29. In dem Bereich 29 ist die Außenluft 4 derart erwärmt, dass sie durch ihren thermodynamischen Auftrieb nach oben steigt. Hierbei wird die Außenluft 4 durch einen Schacht 30, welcher im Gebäudeinneren angeordnet ist, geführt. Die Außenluft 4 steigt durch den Schacht 30 bis in den Mischbereich 27 des Gebäudes 1 auf. Die in den Mischbereich 27 aufgestiegene Außenluft 4 wird nun durch eine Abluft 31 angereichert. Die Abluft 31 wird hierzu durch einen Zentralabluftkanal 32 aus den beheizten bzw. aufgeheizten Räumen 33, 34, 35, 36, 37 und 38 des Gebäudes 1 entnommen. Hierzu weist der Raum 33 (exemplarisch für alle Räume 34 bis 38) einen zum Zentralabluftkanal 32 führenden Kanal 39 auf, durch den die Abluft 40 des Raumes 33 strömt. Die durch die Abluft 31 angereicherte Außenluft 4 wird nun durch einen weiteren Schacht 41 zu einer Wärmepumpe 42 geführt.
Hierzu weist die Wärmepumpe 42 einen Ventilator auf, der die Außenluft 4 aus dem Mischbereich 27 unter dem First 28 durch den Schacht 41 ansaugt. Hierbei wird die Wärmeenergie der angesaugten Luft 43 mittels eines Verdampfers der Wärmepumpe 42 an ein Kältemittel abgegeben, wodurch die Luft 43 entwärmt wird. Die entwärmte Luft 44 wird durch den Ventilator der Wärmepumpe in den Erdwärmetauscher geblasen. Die mittels der Wärmepumpe produzierte Wärme wird hierbei einem Temperierungssystem 46 des Gebäudes 1 zugeführt. Das Temperierungssystem 46 besteht hierbei aus einem großflächigen Rohrnetzwerk 47, welches wiederum aus einzelnen Rohren 48 besteht, die in dem Fußboden 49 bzw. in der Decke 50 angeordnet sind. Hierbei haben die Rohre 48 ein möglichst großes Verhältnis von der Oberfläche zu Volumen. Das großflächige Rohrnetzwerk 47 des Temperierungssystems 46 ist sowohl zur Wärmeabgabe als auch zur Wärmeaufnahme einzusetzen.
Die mittels der Wärmepumpe 42 erzeugte Energie wird ebenfalls für die Brauchwassererwärmung genutzt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein monovalenter Energiebetrieb des Gebäudes 1 möglich.
Hinsichtlich des sechsten geschilderten Aspekts der Erfindung wird vorgeschlagen, dass hinter der Fassade 18, 19 zusätzlich zu den inneren Spalten 20, 21 und den äußeren Spalten 22, 23 noch weitere Spalte (nicht dargestellt) vorgesehen sind.
Insbesondere sei daran gedacht, mit mehreren Wärmedämmlagen 14, 15, 16, 17 (weitere Wärmedämm-Lagen nicht dargestellt) mehrere Spalte zu erzeugen, insbesondere etwa zehn Spalte an der Außenhaut des Gebäudes.
Zum Umsetzen des siebten Aspekts der Erfindung wird während des Sommers die relativ niedrige Temperatur des Erdreichs 60 unterhalb der Kellersohle 11 genutzt. Das Erdreich hat üblicherweise auch in den warmen Sommermonaten eine Temperatur, welche 15°C nicht übersteigt. Bei einem reinen Betreiben des Luftkreislaufs innerhalb des Gebäudes 1 kann bereits eine sehr angenehme Kühlung in den Räumen 33, 34, 35, 36, 37, 38 erreicht werden.
Da im Gebäude in den Wohnräumen ständig Frischluft angesaugt wird und kein Umluftbetrieb stattfindet, ergibt sich außerdem eine Minimierung der Radon-Belastung für die Bewohner oder Benutzer des Gebäudes 1.
Zur Verwirklichung des achten vorgestellten Aspekts der Erfindung wird entwärmte Luft 44 abgezweigt und somit zunächst innerhalb des Gebäudes 1 weiter verwendet. So kann beispielsweise in einem der Kellerräume ein automatischer Wäschetrockner aufgestellt sein, der die entwärmte Luft 44 zur Abfuhr seiner Wärmeenergie nutzt und die entwärmte Luft 44 somit aufwärmt und anfeuchtet.
Die entwärmte Luft 44 kann nach dem Anreichern mit Wärme und Wasser ideal in den Schacht 41 hin zur Wärmepumpe 42 eingespeist werden. Diese erwärmt somit die zur Wärmepumpe 42 geführte Luft 43 und unterstützt die Verdampfung des Kältemittels in der Wärmepumpe 42.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3103549 A1 [0009]
EP 1236704 A2 [0010]
EP 1243863 A2 [0011, 0015]

Claims

Verfahren zum Nutzen von Druckluft zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckluft in oder an einem Gebäude gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckluft mit einem Drucklufttank in das Kraftfahrzeug verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in oder an einem Gebäude gewonnene Energie dazu verwendet wird, einen im Kraftfahrzeug angeordneten Drucklufttank mit Druckluft zu befüllen.
Verfahren zum Antrieb in Form von Strom und Wärme zum Temperieren.
Verfahren zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit zwei Antrieben, nämlich einem Radantrieb und einem Düsenantrieb, wobei der Düsenantrieb eine Druckluftzuführung aufweisen kann und ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zusätzlich zum Einsatz kommen kann.
Verfahren zum Speichern von Strom in einem Gebäude, insbesondere in einem Energiespeicherhaus, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie von Elektroautos als Stromspeicher dient und bei der Autofahrt durch den Fahrtwind über einen Asynchronmotor eines Ventilators ständig aufgeladen wird.
Verfahren zum Speichern von Strom in einem Gebäude, insbesondere in einem Energiespeicherhaus, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme für Brauchwasser durch Stromzufuhr in einem Behälter mit einer Vielfachluftschicht gespeichert wird.
Verfahren zum Erwärmen von Brauchwasser, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeabgebende Wassermenge sehr groß und die wärmeaufnehmende Wassermenge sehr klein ist.
Verfahren zum Reduzieren einer Belastung durch einen aus Erdreich entweichenden Stoff, insbesondere Radon, in einem Wohngebäude, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Nutzraum, insbesondere in einem Keller, ein Unterdruck erzeugt und der Unterdruck über Verbindungsleitungen an eine Vielzahl von Wohnräumen weitergegeben wird, so dass die Wohnräume ihre Luftzufuhr zwangsweise aus Frischluft aus oberirdischem Luftraum beziehen.
Verfahren zum Aufheizen der Umluft in einem Energiespeicherhaus, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepotential der Druckluft genutzt wird.
Verfahren zum Herstellen von Brauchwasser mit über 70°C, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleistung der Kühlung bei der Drucklufterzeugung genutzt wird.
Verfahren zum Umwandeln der kinetischen Energie der Druckluft in Strom, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Energiespeicherhaus geschieht.