DE102016009601A1

DE102016009601A1 - Fassadenelement sowie Wärmerohr zur passiven Nutzung oberflächennaher Geothermie und deren Anwendung in der Gebäudehülle

Info

Publication number: DE102016009601A1
Application number: DE102016009601.2A
Authority: DE
Inventors: Constantin Römer; Hans-Peter Ebert; Michaela Reim
Original assignee: ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: CENTER FOR APPLIED ENERGY RESEARCH E.V., DE
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr zur passiven Nutzung oberflächennaher Geothermie zur Temperierung einer Gebäudehülle in Sandwichbauweise und einen Gebäudehüllenaufbau enthaltend eine Mehrzahl von Wärmerohren. Die Gebäudehülle enthält eine großflächige Funktionsschicht, die mittels Wärmerohre temperiert wird, sodass der Temperaturgradient zwischen Innenraumluft und Funktionsschicht in der Heiz- und Kühlperiode abnimmt. Dadurch reduziert sich der Wärmedurchgang der Gebäudehülle. Die auf Geothermie beruhende Temperierung der Fassade findet aufgrund des passiven Wärmetransportes der Wärmerohre ohne aktive Bauteile wie z. B. Pumpen statt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr zur passiven Nutzung oberflächennaher Geothermie zur Temperierung einer Gebäudehülle in Sandwichbauweise und einen Gebäudehüllenaufbau enthaltend eine Mehrzahl von Wärmerohren.
Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten und zunehmender gesetzlicher Anforderungen kommt der Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden eine Schlüsselrolle zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des Neubaus und der Altbausanierung an der Gebäudehülle vermehrt wärmedämmtechnisch optimierte Bauelemente wie Fenster, Türen und dergleichen sowie verbesserte Wärmedämmungen der Wände, Fassaden und Dächer mit geringer Wärmeleitfähigkeit bei zunehmender Dicke eingesetzt. Diese Maßnahmen dienen vor allem dazu, den Wärmestrom aus dem Gebäude in die Umgebung während der Heizperiode zu reduzieren.
Stand der Technik
In Ergänzung zu diesen Maßnahmen zur Verringerung des Wärmeverlustes wurden in der Vergangenheit verschiedene Systeme vorgeschlagen, mit denen geothermische Energieeinträge genutzt und an die Innenräume abgegeben werden können. Dies geschieht durch mehrere Erdsonden, die meist an Gebäuden durch Erdbohrungen in das Erdreich versenkt wurden, wobei die Erdsonden von einem Wärmeträgerfluid durchströmt werden und Wärme mittels einer Wärmepumpe in der Heizperiode an die Gebäuderäume abgibt oder in der Kühlperiode aus den Gebäuderäumen aufnimmt. In DE 102 006 026 531 B3 wird eine Erdsonde vorgestellt, die thermische Energie im Erdreich aufnehmen kann, wobei EP 001 983 274 A2 eine erweiterte Erdsonde beschreibt, die in der Kühlperiode Wärme an das Erdreich abgibt. Eine Heizungsvorrichtung mit einer Verschaltung einer Erdsonde und einer Wärmepumpe wird in DE 019 727 493 C2 vorgeschlagen.
Eine weitere aktive Maßnahme für die Nutzung von Geothermie stellt das Temperieren von Gebäudefassaden zur Reduzierung des Wärmedurchgangskoffizienten der Gebäudefassade dar. Beispielsweise wird in EP 1 619 444 A1 eine Wärmeträgerflüssigkeit in die Temperierschicht gepumpt. Weiterhin ist ein Energiespeicher vorgesehen, der beim Kühlen des Gebäudes aufgeladen wird und beim Heizen des Gebäudes entladen wird. Nachteil dieses Systems sind die immer noch großen Bohrtiefen von 50 m–100 m, um Temperaturen zwischen 10°C–14°C zu gewährleisten. Außerdem wird dieses System aktiv gesteuert und benötigt daher sowohl eine Steuereinrichtung als auch eine Pumpvorrichtung.
Allen diesen Vorschlägen zur Nutzung von Geothermie ist gemeinsam, dass es sich ausschließlich um aktive Systeme handelt, die über Pumpen etc. die Fassade bzw. das Gebäude temperieren.
Weiterhin werden auch Wärmerohre in Fassaden zur Nutzung von solarer Energie in der Heizperiode eingesetzt. Hierzu werden Wärmerohre als thermische Dioden in die Fassade integriert, womit Wärme durch die Fassade in die Innenräume transportiert wird. Ein Wärmerohr besteht aus einem gut wärmeleitenden Material und überträgt Wärme maßgeblich durch die Verdampfung und Kondensation eines Wärmeträgermediums im Inneren. Ein Wärmerohr besteht aus einer Verdampfersektion, einer Kondensatorsektion und mindestens einem diese beiden Sektionen verbindenden Rohr. Das Wärmeträgermedium wird an der warmen Seite verdampft, strömt zur kalten Seite, wo es wieder kondensiert (Heatpipe-Effekt). Hier unterscheidet man zwischen Zwei-Phasen-Thermosiphons, bei denen das kondensierte Wärmeträgermedium aufgrund von Gravitation zurück zu der heißen Seite fließt und Heatpipes, bei denen das kondensierte Fluid durch Kapillarkräfte zurück zur heißen Seite transportiert wird. Aufgrund des kapillaren Transports des kondensierten Fluids kann eine solche Heatpipe auch lageunabhängig eingesetzt werden. Insbesondere ermöglicht die Heatpipe den Wärmetransport in Richtung der wirkenden Schwerkraft von einer höher gelegenen heißen Seite zu einer niedriger gelegenen kalten Seite. Die Wärmerohre durchdringen eine oder mehrere Schichten der üblicherweise mehrschichtigen Gebäudefassade. Funktionswesentlich ist, dass die durchdrungene/n Schicht/en eine zumindest gewisse Dämmwirkung aufweist, es sich also beispielweise um eine Massivwand, eine Hinterlüftungs-/Kernlüftungsschicht, eine Dämmschicht oder dergleichen handelt, beispielsweise EP 0 885 369 B1 . Sowohl Zwei-Phasen-Thermosiphons als auch Heatpipes sind seit den 70ern hinreichend bekannt und finden in den verschiedensten Einsatzgebieten ihre Anwendung, beispielsweise DE 002 230 030 C3 .
Weiterhin ist den passiven Wärmerohrsystemen gemein, dass sie direkt in die Wärmedämmschicht der Gebäudefassade integriert sind und ausschließlich solare Energie nutzen.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, den Wärmedurchgang an Gebäudehüllen, insbesondere an Gebäudefassaden, durch die passive Nutzung oberflächennaher Geothermie deutlich zu senken. Hierzu werden Wärmerohre oberflächennah in das Erdreich unter der Gebäudefassade erfindungsgemäß eingebracht. Ein Wärmerohr, bestehend aus einem Verbindungsrohr 1, welches eine obere Wärmeübertragungssektion 2 mit einer unteren Wärmeübertragungssektion 3 verbindet und wärmegedämmt 4 ist, temperiert eine Funktionsschicht 5, bestehend aus einem Fluid oder Feststoff, von einer Gebäudehülle in Sandwichbauweise, indem die obere Wärmeübertragungssektion 2 thermisch in die Funktionsschicht 5 eingekoppelt ist und die untere Wärmeübertragungssektion 3 thermisch an das Erdreich angekoppelt ist und diese beiden Sektionen durch das Verbindungsrohr 1 gasdicht miteinander verbunden sind. Das Wärmerohr ist mit einem Wärmeträgerfluid gefüllt und zeichnet sich dadurch aus, dass es ein arbeitsdicht geschlossenes System darstellt sowie dass der Temperaturunterschied zwischen Erdreich und der eingeschlossenen Funktionsschicht in einer Gebäudefassade das Wärmerohr arbeiten lässt und somit die Funktionsschicht temperiert. Das Gebäudedach 17 kann in Sandwichbauweise ausgeführt sein und analog zur Gebäudefassade eine Funktionsschicht innehaben, die mit der Funktionsschicht der Gebäudefassade verbunden ist und somit temperiert wird. Gemäß 1a) nutzt das passiv arbeitende Wärmerohr die Temperatur des Erdreichs 10 und temperiert die Funktionsschicht 5, die an die äußere Gebäudehüllenschicht 7 angrenzt, wodurch der Temperaturgradient zwischen Innenraum 12 und Funktionsschicht 5 verringert wird. Die Funktionsschicht 5 grenzt vorzugsweise mit einer niedrig emittierenden Beschichtung 6 an die äußere Gebäudeschicht 7, welche die Funktionsschicht vor Umwelteinflüssen/Konvektion schützt/abgrenzt. Die äußere Gebäudeschicht 7 im Bereich der Gebäudefassade kann zusätzlich eine tragende Funktion innehaben. Zum Gebäudeinneren grenzt die Funktionsschicht 5 an die Wärmedämmung 8, welche wiederum auf der Außenseite der tragenden Gebäudehüllenkonstruktion 9 liegt. Diese stellt im Bereich der Gebäudefassade eine Gebäudewand und im Bereich des Gebäudedaches eine tragende Dachkonstruktion dar. Dieser Sandwichaufbau trennt Außen 11 und Innen 12 und stellt zusammen mit dem Wärmerohr die erfindungsgemäße Vorrichtung.
In einer weiteren Ausführung besteht mit Verweis auf 1b) die Funktionsschicht 5 aus der oberen Wärmeübertragungssektion 2 und einer Wärmeleitschicht 13 mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 Wm^–1K^–1, wobei diese Wärmeleitschicht vorzugsweise aus einem Metallblech gebildet ist und die Fläche der Funktionsschicht 5 ganz oder teilweise bedeckt und in direktem thermischen Kontakt mit der oberen Wärmeübertragungssektion steht, um die ab- oder zuzuführende Wärme in kurzer Zeit über die Fläche der Funktionsschicht ganz oder teilweise zu leiten und um somit eine möglichst homogene Temperaturverteilung auf der Funktionsschicht zu erzielen. Bei derartigen Funktionsschichten kann die Wärmeleitschicht in eine weitere umgebende Schicht, wie beispielsweise Beton, eingebettet sein. Alternativ kann bei derartigen Funktionsschichten aus oberer Wärmeübertragungssektion 2 und einer Wärmeleitschicht 13 die äußere Gebäudehüllenschicht 7 entfallen, sodass die Funktionsschicht die Außenseite der Fassade bildet.
Außer der Funktionsschicht können die Gebäudehüllenschichten 7 und 8 der Sandwichbauweise aus allen üblichen Materialien gebildet sein. Bevorzugt sind für die Wärmedämmung 8 wärmedämmende Materialien wie poröse Kunststoffe (z. B. EPS, XPS, PUR/PIR), mineralische (z. B. Stein-/Glaswolle, Basaltfasern), pflanzliche (z. B. Hanf) und tierische (z. B. Schafwolle) Dämmstoffe. Besonders bevorzugt sind mikroporöse Dämmstoffe wie Aerogele oder Kieselsäure und Vakuumisolationspaneele, die eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit haben, wodurch die Gebäudehüllendicke reduziert werden kann. Die äußere Gebäudehüllenschicht 7 besteht aus einer witterungsbeständigen Konstruktion wie beispielsweise ein verputztes Holzpaneel bestehen. Das Fassadenelement kann als nicht tragendes Bauteil ausgeführt sein und an einer Massivwand als Außenschicht installiert werden. Weiterhin ist ein Einbau zwischen Ständern bei einer Ständerbauweise oder als Element in einer Pfosten-Riegelkonstruktion möglich. Die Sandwichbauweise kann bei Bestands- sowie auch beim Neubau beim Bau der Fassade vor Ort aufgebaut bzw. umgesetzt werden. Bei Funktionsschichten aus einem Feststoff wie z. B. Beton kann das Wärmerohr beim Bau der Gebäudefassade einbetoniert werden. In einer weiteren Ausführung wird die äußere Gebäudehüllenschicht des Sandwichbauteils 7 aus nicht wärmedämmenden Baustoff wie beispielsweise Beton gebildet. Somit kann diese Schicht auch eine tragende Funktion übernehmen.
In einer weiteren Ausführung der Funktionsschicht werden im Fall einer aus einem Fluid bestehenden Funktionsschicht, quer liegende Profile 14 eingebaut, die gegenüber dem von der oberen Wärmeübertragungssektion aufsteigendem Fluid einen Strömungswiderstand darstellen, wie in 2a) dargestellt. Die Profile sind bevorzugt aus einem Kunststoff und mit einem L-förmigen Querschnitt ausgeführt, sodass sich unterhalb der Profile durch das Wärmerohr erwärmtes Fluid 15 ansammelt und alternierend zwischen den Profilen aufsteigt. Somit wird ein gleichmäßiger vertikaler Temperaturverlauf in der Funktionsschicht erreicht und verhindert, dass erwärmtes Fluid 15 durch Konvektion in großem Maß in den oberen Bereich der Funktionsschicht 16 strömt, wobei der obere Bereich entweder den nach oben hin abgeschlossenen Bereich der Funktionsschicht eines Fassadenelementes oder im Fall, dass die Funktionsschicht der Gebäudefassade mit derjenigen des Gebäudedaches verbunden ist, die Funktionsschicht im Gebäudedach darstellt.
Es befinden sich mindestens 1 Wärmerohr auf einer Fassadenlänge von 1 m gleichmäßig verteilt, höchstens aber 10 Wärmerohre. Der Abstand zwischen den Wärmerohren entspricht in etwa dem Abstand der sich am Rand befindlichen Wärmerohrs zur Fassadenelementkante. Die Wärmerohre sind bevorzugt somit gleichmäßig auf die Breite des Fassadenelementes verteilt. Die Dicke des Sandwich-Fassadenelementes beträgt vorteilhaft mindestens 50 mm.
Unabhängiger Schutz wird beansprucht für ein Fassadenelement, wobei sich die zuvor beschriebene Gebäudehülle durch eine Vielzahl dieser Fassadenelemente in einfacher Art zusammensetzen lässt, und die Fassadenelemente den strukturellen Aufbau der Gebäudefassade aufweisen oder eine Erweiterung im Fall einer Massivbaukonstruktion darstellen und als Fertigelemente bereitgestellt werden können. Die Fassadenelemente weisen somit eine Funktionsschicht zur Temperierung durch die Wärmerohre auf.
Das Wärmerohr kann als Zwei-Phasen-Thermosiphon ausgeführt sein, bei dem durch eine geeignete Bauform das kondensierte Wärmeträgermedium aufgrund von Gravitation von der oberen Wärmeübertragungssektion in der Funktionsschicht zurück an die untere Wärmeübertragungssektion im Erdreich fließt. Das Zwei-Phasen-Thermosiphon nutzt hierbei in der Heizperiode die wärmere Erdreichtemperatur um die Funktionsschicht 5 in einer Gebäudehülle passiv zu heizen. Funktionswesentlich ist ein Höhenunterschied bzw. Gefälle zwischen den Wärmeübertragungssektionen im Einbauzustand, damit das Kondensat durch die Schwerkraft zur im Erdreich befindlichen unteren Wärmeübertragungssektion zurückfließt.
Ein besonders bevorzugtes Wärmerohr kann als Heatpipe ausgebildet sein und besteht, wie in 3a) und b) zu sehen, aus mindestens einem Docht 18 oder mindestens einer kapillaraktiven Struktur 20, die ganz oder zumindest teilweise Kontakt mit dem flüssigen Wärmeträgermedium (Kondensat 25) und der Gasphase haben sowie die beiden Wärmeübertragungssektionen verbinden (Ausführung als Heatpipe), wodurch das Kondensat im Wärmerohr entgegen der Schwerkraft transportiert werden kann und somit die Funktionsschicht in der Fassade in der Kühlperiode gekühlt wird. Hierzu wird beispielsweise ein gesintertes Metallpulver oder Metallgeflechte in das Wärmerohr eingebracht bzw. die innere Oberfläche des Wärmerohrs wird als kapillaraktive, längsgerillte Oberfläche ausgebildet. Eine Kombination aus kapillaraktiver, längsgerillter innerer Oberfläche und einem kapillaraktiven Füllmaterial ist bevorzugt. Diese Ausführung eignet sich für die ganzjährige Temperierung der Funktionsschicht, da durch den Docht 18 oder die kapillaraktive Struktur 20 im Inneren der Heatpipe die Wärme mit und entgegen der Schwerkraft transportiert werden kann und somit die Funktionsschicht in der Heizperiode beheizt und in der Kühlperiode gekühlt werden kann.
Bevorzugt ist es weiterhin die Länge des Wärmerohrs so auszulegen, dass die im Erdreich 10 befindliche Wärmeübertragungssektion 3 mindestens in einer Tiefe unter der Erdoberfläche liegt, wo eine saisonale Temperaturschwankung von maximal ±4 K in Bezug auf die saisonale Mitteltemperatur an dieser Stelle herrscht, bevorzugt eine Tiefe von 6 m. Im Fall, dass die Wärmerohre als Heatpipes ausgeführt werden und somit in der Kühlperiode der Kühlung der Funktionsschicht dienen, ist die Tiefe dadurch limitiert, dass sich die Temperatur des Erdreiches an der Stelle der unteren Wärmeübertragungssektion 3 in der Kühlperiode mindestens 5 K unterhalb der Temperatur der Außenluft 11 befindet.
Die Steighöhe des Kondensats in einer Heatpipe ist durch die Beschaffenheit des Dochts 18 oder der kapillaraktiven Struktur 20 begrenzt, daher ist ab einer bestimmten Rohrlänge eine Funktion aufgrund des unzureichenden Kapillardruckes nicht mehr gegeben. Beispielsweise beträgt in einer kapillaraktiven Struktur mit einem Kapillarradius von 0,01 mm die maximale Steighöhe von Wasser bei 20°C in etwa 1,4 m. Für Wärmerohre in der Ausführung als Heatpipes ist besonders ein System aus mindestens zwei Heatpipes bevorzugt, von denen die obere Wärmeübertragungssektion 2-i bzw. 2-ii der geometrisch tiefer liegenden Heatpipe i bzw. ii mit der unteren Wärmeübertragungssektion 3-ii bzw. 3-iii der geometrisch höher liegenden Heatpipe ii bzw. iii in direktem thermischen Kontakt steht. Die Verbindung beider Sektionen kann durch eine großflächige Löt- oder Schweißverbindung oder einen gut wärmeleitenden Feststoff 21 (λ > 10 Wm^–1K^–1) wie Kupfer erfolgen, in welchen beide Sektionen in direktem thermischen Kontakt eingelassen sind. Diese Ausführungsform kann für eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Wärmerohren ausgelegt sein, siehe 3c) für drei in Reihe geschaltete Heatpipes (i–iii).
In einer bevorzugten Ausführung, dargestellt in 4, weist das Wärmerohr eine gut wärmeübertragende Konstruktion 22, die mit der oberen Wärmeübertragungssektion 2 in direktem thermischen Kontakt steht, zur Vergrößerung der wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Fläche auf. Das hierfür eingesetzte Material hat eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 Wm^–1K^–1. Bei Funktionsschichten, die sich aus einem Fluid zusammensetzen, ist für die Konstruktion insbesondere eine Anordnung vertikal angeordneter Rippen vorgesehen. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung zwischen Wärmerohr und Funktionsschicht wesentlich erhöht. Für Funktionsschichten, die aus einem Feststoff wie z. B. Beton oder bestehen, kann die Wärmeübertragung zwischen Wärmerohr und Funktionsschicht optimiert werden, indem zwischen der oberen Wärmeübertragungssektion oder der flächenvergrößernden Konstruktion 18 und der Funktionsschicht bei der Herstellung der Funktionsschicht wie z. B. Betonieren oder Verputzen ein guter thermischer Kontakt zwischen der oberen Wärmeübertragungssektion bzw. der flächenvergrößernden Konstruktion 18 und dem Beton oder Putz hergestellt wird. Bei derartigen Funktionsschichten kann eine weitere Schicht zur Umgebung entfallen, sodass die Funktionsschicht die Außenseite der Fassade darstellt.
Das Wärmeträgerfluid des Wärmerohrs ist so ausgelegt, dass das Wärmerohr innerhalb eines Temperaturbereichs von –20°C bis 50°C in Bezug auf die kalte Wärmeübertragungssektion arbeitet. In der Heizperiode wird die Wärme vom Erdreich 10 in die Funktionsschicht, und bei Umkehrung der Temperaturverhältnisse, in der Kühlperiode, wird die Wärme von der Funktionsschicht in das Erdreich transportiert, insbesondere im Fall, dass der Wärmestrom in dem Wärmerohr durch einen kapillaren Kondensattransport ermöglicht wird. Geeignete Wärmeträgerfluide sind Aceton, Wasser, Hexan, Methanol, Pentan, Ethanol, Glykol, Kohlendioxid oder ein Gemisch zwischen den genannten Wärmeträgermedien, vorzugsweise ist ein Wasser/Glykol-Gemisch mit einem Glykolgehalt von 30% einzusetzen.
Zweckmäßig beträgt die Füllmenge mit dem flüssigen Wärmeträgermedium zwischen 1% und 10% bezogen auf das Hohlraumvolumen des Wärmerohrs, allerdings mindestens 0,1%.
Die Aufgabe wird – entsprechend 4b) – ferner gelöst durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten erfindungsgemäßen Wärmerohren, wobei die unteren Wärmeübertragungssektionen 3 untereinander und die oberen Wärmeübertragungssektionen 2 untereinander verknüpft sind, sodass unter den Wärmerohren ein Austausch der Flüssigphase 25 sowie der Gasphase 23 des Wärmeträgermediums stattfindet und die Wärmerohre somit eine gemeinsame untere und obere Wärmeübertragungssektion haben.
Weiterhin wird die untere Wärmeübertragungssektion 3 mit einer flächenvergrößernden Konstruktion 27 wie z. B. Längsrippen oder radial angeordnete Rippen, bestehend aus einem gut wärmeleitenden Material (λ > 10 Wm^–1K^–1), erweitert und bevorzugt in einen Festkörperwärmeankopplungssockel 26 eingelassen und steht in direktem thermischen Kontakt mit diesem, entsprechend 5a). Der Festkörperwärmeankopplungssockel besteht vorzugsweise aus einem Verfüllmaterial aus Beton mit Zusatz von hochwärmeleitfähigen Zusätzen (z. B. Graphit oder Blähgraphit) und bewirkt eine Optimierung der Wärmeübertragung zwischen der unteren Wärmeübertragungssektion 3 und dem Erdreich 10.
Als Material für das Wärmerohr kommen Metalle, insbesondere Kupfer, Aluminium oder Stähle, in Betracht. Die Mantelfläche des Wärmerohres wird teilweise gut wärmegedämmt 4, sodass die Wärme maßgeblich in axialer Richtung transportiert wird. Notwendigerweise ist eine Rohrdämmung mit einer Wärmeleitfähigkeit von höchstens 0,05 Wm^–1K^–1 sowie einer Dicke von mindestens 20 mm anzubringen. Besonderes bevorzugt ist eine sich teilweise über die Rohrlänge am Mantel befindliche Vakuumdämmung 28 des Wärmerohres. Das Wärmerohr wird dazu gemäß 5c) doppelwandig ausgeführt, wobei das geschaffene äußere Volumen 28 ein hermetisch abgeschlossenes Vakuum mit niedrig emittierenden- Beschichtung 29 an den Innenflächen darstellt. Auf diese Weise wird eine hervorragende Wärmedämmung für das Wärmerohr erreicht. Das doppelwandige, vakuumisolierte Wärmerohr wird am äußeren Mantel mit einer zusätzlichen Rohrdämmung 4 versehen, um das System um eine zusätzliche Wärmedämmung und um einen Schutz vor mechanischer Einwirkung zu erweitern.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Wärmerohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unabhängiger Schutz wird beansprucht für ein Fassadenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 9, sowie eine Gebäudehülle mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Zur vereinfachten zeichnerischen Darstellung ist das Füllmedium bzw. der Füllstand in keiner Figur dargestellt. Es zeigen:
1 Ausführungsform eines Fassadenelements mit einem erfindungsgemäßen Wärmerohr in eine Gebäudefassade in Sandwichbauweise a) für eine Funktionsschicht aus einem Fluid, b) Ausführungsbeispiel einer Festkörperfunktionsschicht.
2 Ausführung nach 1 mit eingebauten Profilen zur thermischen Optimierung der Funktionsschicht a) in der Gebäudefassade, b) im Gebäudedach.
3 Ausführung des Wärmerohrsystems a), b) als Heatpipe-Ausführung, c) aus in Reihe geschalteter Heatpipes.
4 Erfindungsgemäßes Wärmerohr sowie eine Mehrzahl parallelgeschalteter Wärmerohre mit einer flächenvergrößerten Wärmeübertragungssektion für Funktionsschichten bestehend aus einem Fluid.
5a), b) und c) erfindungsgemäßes Wärmerohr a) mit einer flächenvergrößerten Wärmeübertragungssektion für Funktionsschichten bestehend aus Fluid und einem Festkörperwärmeankopplungssockel im Erdreich, mit einer flächenvergrößerten Wärmeübertragungssektion für Funktionsschichten bestehend aus Fluid und einer flächenvergrößernden Konstruktion an der unteren Wärmeübertragungssektion, c) mit einer flächenvergrößerten Wärmeübertragungssektion für Funktionsschichten bestehend aus Fluid und einer Vakuumrohrmanteldämmung.
[Ausführungsbeispiele]
Ausführungsbeispiel 1
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 ist das Wärmerohr in Form eines Thermosiphons mit einem Wärmeträgermedium aus Aceton bei einem Füllgrad von 1,5% gefüllt. Oberhalb eines Temperaturgradienten zwischen oberer und unterer Wärmeübertragungssektion von 5 K herrscht eine effektive Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohrs von 4000 W/(m·K). Die Gesamtlänge des Wärmerohrs beträgt 3 m mit einem Innendurchmesser von 16 mm und einer Rohrwandstärke von 1 mm. Der Mantel wird mit einer Rohrdämmung aus wärmedämmendem Polyethylenschaum mit einer Dämmdicke von 40 mm gedämmt. Die untere Wärmeübertragungssektion befindet sich in einer Tiefe von 2,8 m. Die obere Wärmeübertragungssektion 2 mit einer Länge von 0,2 m befindet sich gemäß 1a) vollständig in der Funktionsschicht, welche in dieser Ausführungsform aus Luft besteht. Das Wärmerohr beheizt die Funktionsschicht 5 in der Heizperiode mit Erdwärme. Die niedrig emittierende Schicht 6 an der Innenseite der äußeren Gebäudehüllenschicht 7 hat einen Emissionsgrad von 0,03. Die äußere Gebäudehüllenschicht 7 ist ein 2 cm starkes Holzpanel mit einer 2 cm starken Putzschicht. Die 16 cm dicke Wärmedämmung 8 besteht aus Mineralwolle mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,035 Wm^–1K^–1. Die 15 cm dicke tragende Gebäudehüllenkonstruktion 9 ist eine massive Kalksandsteinmauer.
Ausführungsbeispiel 2
Analog zu Ausführungsbeispiel 1 mit dem Unterschied, dass die Funktionsschicht 5 aus Beton besteht und die obere Wärmeübertragungssektion 2 mit einer Wärmeleitschicht 13 aus Edelstahlblech in der Betonschicht einbetoniert ist. Die äußere Gebäudehüllenschicht 7 entfällt, sodass die Gebäudeaußenseite durch eine temperierte Sichtbetonschicht ausgebildet ist.
Ausführungsbeispiel 3
Analog zu Ausführungsbeispiel 1 mit dem Unterschied, dass die Funktionsschicht aus einem Edelstahlblech ausgebildet ist, welches ganz oder teilweise flächig in der Wärmedämmschicht liegt und mit der oberen Wärmeübertragungssektion 2 in direktem thermischen Kontakt steht.
Ausführungsbeispiel 4
Analog zu Ausführungsbeispiel 1 mit dem Unterschied, dass die Funktionsschicht um L-förmige alternierende quer liegende Profile 14 erweitert ist und die Funktionsschicht der Gebäudefassade mit der Funktionsschicht des Gebäudedaches 17 verbunden ist, sodass erwärmte aufsteigende Luft in Richtung des Gebäudedaches gleichmäßig verteilt wird und vom oberen Bereich 16 der Funktionsschicht in der Gebäudefassade in die Funktionsschicht des Gebäudedaches geleitet wird. Weiterhin sorgen analog zur Funktionsschicht der Gebäudefassade quer liegende Profile in der Funktionsschicht des Gebäudedaches für eine gleichmäßige Verteilung von erwärmter aufsteigender Luft im Gebäudedach.
Ausführungsbeispiel 5
Analog zu Ausführungsbeispiel 1 mit dem Unterschied, dass das Wärmerohr im Verbindungsrohr mit einer kapillaraktiven Struktur aus einem Metallgeflecht ausgeführt ist. Somit ist das Wärmerohr in dieser Ausführung eine Heatpipe. Das Wärmerohr beheizt die Funktionsschicht 5 in der Heizperiode mit Erdwärme und führt in der Kühlperiode die Wärme in das Erdreich 10 ab. Weiterhin werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Heatpipes in Reihe geschaltetet. Die Heatpipes besitzen jeweils eine Rohrlänge von 1 m, sodass die Gesamtlänge der drei Heatpipes 3 m beträgt. Die Heatpipes stehen gemäß 3c) durch Lötverbindungen 21 zwischen den unteren 3ii/3iii und oberen 2i/2ii Wärmeübertagungssektion in direktem thermischen Kontakt.
Ausführungsbeispiel 6
Analog zu Ausführungsbeispiel 1 oder 5 mit dem Unterschied, dass das Wärmerohr mit einer Vakuumisolation 28 gemäß 5c) wärmegedämmt ist. Die Innenoberfläche des Außenmantels der Vakuumisolation ist mit einer niedrig emittierenden Beschichtung 29 ausgebildet, um Wärmeverluste durch Wärmestrahlung zu minimieren. An der niedrig emittierenden Beschichtung liegt ein Emissionskoeffizient von 0,03 vor.
Ausführungsbeispiel 7
Analog zu Ausführungsbeispiel 1, 5 oder 6 mit dem Unterschied, dass sich 4 parallel geschaltete Wärmerohre in einem Fassadenabschnitt einer Breite von 1 m in gleichmäßigem Abstand von 20 cm befinden, entsprechend 4b).
Ausführungsbeispiel 8
Analog zu Ausführungsbeispiel 1, 5, 6 oder 7 mit dem Unterschied, dass die in der Funktionsschicht 5 befindliche obere Wärmeübertragungssektion 2 in direktem Kontakt mit einer flächenvergrößernden Rippenkonstruktion 22 steht und die Funktionsschicht 5 aus Luft temperiert.
Ausführungsbeispiel 9
Analog zu Ausführungsbeispiel 1, 5, 6, 7 oder 8 mit dem Unterschied, dass die im Erdreich 10 befindliche nicht wärmedämmte untere Wärmeübertragungssektion 3 durch eine flächenvergrößernde Rippenkonstruktion 27 erweitert ist und in einen würfelförmigen Festkörperwärmeankopplungssockel aus Beton 26, dem ein 30-prozentiger Anteil von hochwärmeleitendem Graphit zugeschlagen wird, mit einer Kantenlänge von 0,5 m einbetoniert ist.
Ausführungsbeispiel 10
Ein quaderförmiges Fassadenelement aufgebaut aus 4 parallel geschalteten Wärmerohre aus Edelstahl gemäß 4b) nach einem der 9 genannten Ausführungsbeispiele hat eine übliche Abmessung der Großfläche von 2,5 m × 1 m und im Beispielsfall eine Dicke von 0,2 m. Die Wärmerohre haben eine Länge von 3 m, einen Innendurchmesser von 16 mm bei einer Wandstärke von 1 mm und sind mit Pentan bei einem Füllgrad von 1,5% gefüllt. Zur Vergrößerung der wärmetauschenden und der wärmeabgebenden Fläche weist die gemeinsame obere Wärmeübertragungssektion 2 eine flächenvergrößerte Rippenkonstruktion 22 für die Funktionsschicht 5 aus Luft auf. Die Wärmerohre sind als Thermosiphons ausgeführt und mit einer Vakuumisolation 28 entlang des Rohrabschnittes zwischen unterer 3 und oberer 2 Wärmeübertragungssektion wärmegedämmt. Die Innenoberfläche des Außenmantels der Vakuumisolation ist mit einer niedrig emittierenden Beschichtung mit Emissionskoeffizient 0,03 29 ausgebildet. Die untere Wärmeübertragungssektion ist mit sternförmig angeordneten Rippen der Länge 0,1 m 27 erweitert und in einen würfelförmigen Festkörperwärmeankopplungssockel 26 der Kantenlänge 0,5 m aus Beton mit hochwärmeleitender 30-prozentiger Graphitbeimischung einbetoniert.
Die angegebenen Abmessungen und Materialangaben haben lediglich illustrierenden Charakter. Andere Abmessungen und Materialien liegen im Rahmen der beanspruchten Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungsrohr der Wärmeübertragungssektionen
2: Obere Wärmeübertragungssektion
3: Untere Wärmeübertragungssektion
4: Wärmedämmung des Verbindungsrohrs
5: Funktionsschicht
6: Niedrig emittierenden Schicht
7: Äußere Gebäudehüllenschicht
8: Wärmedämmung
9: Tragende Gebäudehüllenkonstruktion
10: Erdreich
11: Außen
12: Innen
13: Wärmeleitschicht an der oberen Wärmeübertragungssektion
14: Quer liegende Profile
15: Erwärmtes Fluid
16: Oberer Bereich der Funktionsschicht
17: Gebäudedachquerschnitt
18: Docht
19: Querschnitt eines kapillaraktiven Rohrs
20: Kapillaraktive Struktur
21: Wärmeankopplungssystem
22: Flächenvergrößerte Wärmeübertragungssektion für Funktionsschichten bestehend aus Gas oder Fluid
23: Gasförmiges Wärmeüberträgermedium
24: Kondensiertes Wärmeüberträgermedium
25: Kondensat
26: Festkörperwärmeankopplungssockel
27: Flächenvergrößernde Wärmeübertragungssektion für Erdreich bzw. Verfüllmaterial
28: Vakuumisolation
29: Niedrig emittierende Beschichtung der Vakuumisolation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006026531 B3 [0003]
EP 001983274 A2 [0003]
DE 019727493 C2 [0003]
EP 1619444 A1 [0004]
EP 0885369 B1 [0006]
DE 002230030 C3 [0006]

Claims

Wärmerohr zur passiven Nutzung der oberflächennahen Geothermie zur Temperierung einer mehrschichtigen Gebäudefassade, bestehend aus zwei Wärmeübertragungssektionen und mindestens einem diese Sektionen verbindenden Rohr oder Schlauch, mit einer Füllung eines Wärmeträgermediums dadurch gekennzeichnet, dass i. das Wärmeträgermedium einen Arbeitsbereich von –20°C bis 50°C aufweist und aus Aceton, Wasser, Hexan, Methanol, Pentan, Ethanol, Glykol, Kohlendioxid oder einem Gemisch der genannten Wärmeträgermedien, vorzugsweise einem Wasser/Glykol-Gemisch mit einem Glykolgehalt von 30%, besteht, ii. das Wärmerohr eine Füllmenge mit dem flüssigen Wärmeträgermedium von 0,1% bis 10% bezogen auf das Hohlraumvolumen des Wärmerohrs aufweist und iii. die eine Wärmeübertragungssektion im Erdboden liegt und die andere Wärmeübertragungssektion in einer Funktionsschicht einer Gebäudehülle.
Wärmerohr nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wärmeübertragungssektionen durch eine kapillaraktive Struktur im Inneren des Wärmerohrs miteinander verbunden sind, insbesondere durch ein kapillaraktives Füllmaterial, wie zum Beispiel gesintertes Metallpulver oder Metallgeflechte, oder durch eine innere kapillaraktive, längsgerillte Oberfläche des Verbindungsrohrs oder durch eine Kombination aus kapillaraktivem Füllmaterial und kapillaraktiver, längsgerillter Oberfläche.
Wärmerohr nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Wärmeübertragungssektionen aus einer Konstruktion aus einem gut wärmeleitendem Material zur Vergrößerung der wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Flächen bestehen, vorzugsweise die untere Wärmeübertragungssektion in einen Festkörper liegt, insbesondere in Beton, insbesondere mit einem gut wärmeleitenden Verfüllmaterial einbetoniert ist, und vorzugsweise die obere Wärmeübertragungssektion eine vergrößerte Fläche aus einem gut wärmeleitendem Material ist.
Wärmerohr nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmerohre hintereinander in Reihe geschaltet sind und die obere Wärmeübertragungssektion des geometrisch tiefer liegenden Wärmerohres mit der unteren Wärmeübertragungssektion des geometrisch höher liegenden Wärmerohres durch ein gut wärmeleitendes Material thermisch angekoppelt ist.
Wärmerohr nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmerohre parallelgeschaltet sind und die oberen Wärmeübertragungssektionen und die unteren Wärmeübertragungssektionen gasdicht offen miteinander verbunden sind oder durch ein gut wärmeleitendes Material gasdicht getrennt, aber thermisch angekoppelt sind.
Wärmerohr nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungsrohr der Wärmeübertragungssektionen durch Vakuumisolation wärmegedämmt ist, vorzugsweise ist mindestens eine Innenseite der Vakuumhülle mit einer niedrig emittierenden Beschichtung beaufschlagt.
Fassadenelement zur passiven Nutzung der oberflächennahen Geothermie zur Temperierung einer mehrschichtigen Gebäudefassade, bestehend aus mindestens einem Wärmerohr vorzugsweise aus einer Mehrzahl von parallel geschalteten Wärmerohren, nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens ein Wärmerohr in direktem thermischem Kontakt mit einer Funktionsschicht in der Gebäudehülle befindet.
Fassadenelement nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht aus einem gut wärmeleitendem (λ > 1 Wm^–1K^–1) Festkörper besteht und dieser flächig ganz oder teilweise auf oder in die Wärmedämmung der Gebäudeinnenwand eingebracht ist.
Fassadenelement nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht gleichzeitig die äußere Gebäudehüllenschicht darstellt.
Fassadenelement nach einem der Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht durch eine äußere Gebäudehüllenschicht nach außen abgegrenzt ist.
Fassadenelement nach einem der Ansprüche 7 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass in der fluidartigen Funktionsschicht quer liegende Profile als Strömungswiderstände für das aufsteigende erwärmte Fluid integriert sind.
Fassadenelement nach einem der Ansprüche 7, 8, 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass sich eine niedrig emittierende Schicht auf der Innenseite der äußeren Gebäudehüllenschicht befindet.
Fassadenelement, aufweisend mindestens eine Dämmschicht nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Funktionsschicht auf der Wärmedämmung der inneren Gebäudewand befindet.
Gebäudehülle aufweisend mindestens ein Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mindestens ein Fassadenelement nach einem der Ansprüche 7 bis 13.