DE10257235A1

DE10257235A1 - Zweischaliges Fassadenelement zur dezentralen Beheizung und Belüftung von Einzelräumen

Info

Publication number: DE10257235A1
Application number: DE10257235A
Authority: DE
Inventors: Johannes Georg Mehlig
Original assignee: Mehlig Johannes Georg Dr-Ing
Current assignee: Mehlig Johannes Georg Dr-Ing
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zweischaliges Fassadenelement zur dezentralen Beheizung und Belüftung von Einzelräumen, vorrangig in Niedrigenergie- und Passivhäusern. DOLLAR A Ziel der Erfindung ist ein Heizenergieverbrauch, der deutlich unter den Anforderungswerten der Energieeinsparverordnung liegt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies durch Kombination folgender Bauteile erreicht: DOLLAR A - Wasser/Wasser-Wärmepumpe, die im Brüstungsbereich unterhalb des Fensters angeordnet ist, zum Rücktransport der Transmissionswärme DOLLAR A - Fassadenkollektor im Brüstungsbereich unterhalb des Fensters, dessen Solargewinne allein durch thermischen Auftrieb in den Fassadenzwischenraum übertragen werden DOLLAR A - Zuluft/Abluft-Wärmetauscher - rechts oder links vom Fenster- und Brüstungsbereich im Fassadenzwischenraum - zur Rückgewinnung der Lüftungswärme.

Description

Die Erfindung betrifft ein zweischaliges Fassadenelement zur dezentralen Beheizung und Belüftung von Einzelräumen, vorrangig in Niedrigenergie- und Passivhäusern.
Zur Verminderung des Energieverbrauchs für die Raumheizung von Gebäuden sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden.
In der nicht vorveröffentlichten DE 10132327 A1 wird eine Vorrichtung zur energetischen Sanierung und Beheizung von Einzelräumen im Gebäudebestand beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentanmeldung wird hiermit vollinhaltlich in die Offenbarung vorliegender Anmeldung einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale der genannten Anmeldung in Anspruche vorliegender Anmeldung einzubeziehen.
Überwiegend werden derzeit zentrale Lösungen zur Beheizung und Belüftung von Gebäuden eingesetzt. Für Niedrigenergie- und Passivhäuser kommen dabei häufig Lüftungs-Kompaktgeräte mit Kompressionswärmepumpe zum Einsatz. Der Stand der Technik ist beispielsweise beschrieben in
Bühring, Andreas Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Einsatz von Lüftungs-Kompaktgeräten mit integrierter Kompressionswärmepumpe Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag 2001
Die Anforderungen an Heizung und Lüftung der einzelnen Räume sind bei verschiedenen Nutzern unterschiedlich. Mit zentralen Lösungen können diese unterschiedlichen Nutzungsanforderungen nur schwer – und insbesondere nicht mit einem minimalen Energiebedarf – erfüllt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dezentrale Beheizung und Belüftung von Gebäuden mit einem sehr niedrigen Energieverbrauch durchzuführen und dazu die bekannten technischen Lösungen zielgerichtet weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Unteransprüche 2 bis 4.
Die wesentlichen Vorteile des vorgeschlagenen zweischaligen Fassadenelementes gegenüber dem bekannten Stand der Technik sind

– Ein wesentlicher Teil der Transmissionswärmeverluste Q_T und der Lüftungswärmeverluste Q_L wird an Ort und Stelle auf einfache Weise zurück gewonnen.
– Der Fassadenkollektor im Brüstungsbereich ermöglicht in Verbindung mit dem Wasserspeicher im Fassadenzwischenraum eine aktive Nutzung der Sonnenenergie ohne Einsatz von Hilfsenergie bereits bei niedrigen Einstrahlungswerten und Temperaturdifferenzen. Der Anteil der nutzbaren Solarenergie Q_s in der Heizenergiebilanz wird damit deutlich erhöht.
– Die Anwendung einer Wasser/Wasser-Kompressionswärmepumpe ergibt gegenüber einer Luft/Luft-Kompressionswärmepumpe eine deutliche Verbesserung der Wärmeübergangszahlen und deutlich verminderte Temperaturdifferenzen bei der Wärmeübertragung am Verdampfer und am Verflüssiger mit dem Ergebnis einer Verbesserung der Leistungszahl.
– Die Wärmepumpe wird für die tiefste auftretende Außenlufttemperatur ausgelegt und ist damit an der überwiegenden Zahl der Heiztage nur kurzzeitig in Betrieb.
– Die Wasserspeicher um den Verdampfer und Verflüssiger bewirken eine Vergleichmäßigung des Wärmebedarfs. Die Wärmeübertragung von der Luft im Fassadenzwischenraum an den Verdampfer-Wasserspeicher bzw. von dem Verflüssiger-Wasserspeicher an die Raumluft mit deutlich niedrigeren Wärmeübergangszahlen erfolgt ständig – unabhängig davon, ob der Verdichter des Wärmepumpenkreislaufes in Betrieb ist oder nicht.
– Auch für den Zuluft/Abluft-Wärmetauscher ist nur in Ausnahmefällen ein durchgängiger Betrieb erforderlich. Er kann für eine Grundlüftung zeitgesteuert und darüber hinaus in Abhängigkeit von dem CO₂- und/oder Feuchtegehalt der Raumluft und/oder unmittelbar durch den Nutzer ein- und ausgeschaltet werden.
– Die Zweiteilung des Verflüssigers nach Anspruch 2 ermöglicht die optimale Nutzung der bei höherer Temperatur vorliegenden Überhitzungswärme für die Raumheizung und gleichzeitig die schnelle Reaktion der Heizung auf Nutzerwünsche nach einer höheren Raumtemperatur.
– Der Einsatz eines statischen Latentwärmespeichers nach Anspruch 3 erhöht die Wärmespeicherkapazität in dem Temperaturbereich von 5 bis 15 °C, der die überwiegende Zeit während der Heizperiode im Fassadenzwischenraum herrscht, deutlich und vergleichmäßigt und vermindert damit die erforderliche Antriebsleistung des Wärmepumpen-Verdichters.

Voraussetzung für eine sinnvolle Anwendung der vorgeschlagenen Lösung ist, dass die Wärmedämmung des gesamten Gebäudes möglichst dem Passivhausstandard und mindestens dem Niedrigenergiehausstandard entspricht. Die Dämmwerte der Außen- und Innenschale (einschließlich Fenster) sollten dabei etwa gleich groß sein, so dass die Lufttemperatur im Fassadenzwischenraum ohne Wärmepumpenbetrieb und ohne Sonneneinstrahlung dem Mittel aus Raumluft- und Außenlufttemperatur entspricht. Durch den Betrieb des Wärmepumpen-Kreislaufes liegt die Lufttemperatur im Fassadenzwischenraum dann unter diesem Mittelwert, während sie bei Solareinstrahlung erhöht wird.
Für die Auslegung bzw. Dimensionierung der einzelnen Bauteile des erfindungsgemäßen Fassadenelementes ergibt sich eine Reihe von Freiheitsgraden. Die optimale Auslegung der einzelnen Bauteile mit dem Ziel einer insgesamt kostengünstigen Lösung kann deshalb nur nach Vorgabe der konkreten Randbedingungen durchgeführt werden.
Sie sollte so erfolgen, dass sich in dem Monat mit der niedrigsten Außenlufttemperatur ein möglichst niedriger Heizwärmebedarf Q_H gemäß der bekannten Bilanzgleichung QT + QL = QH + Qi + Qs ergibt.
Dabei sind
Q_T Transmissionswärmebedarf der Innenschale und des dem Einzelraum zuzuordnenden Anteils von Dach- und Kellerfläche
Q_L Lüftungswärmebedarf (Restbedarf unter Berücksichtigung des Zuluft/Abluft-Wärmetauschers)
Q_i Innere Wärmegewinne
Q_s Solare Wärmegewinne
Solare Wärmegewinne treten durch die passive Solarenergienutzung durch das Fenster und durch die aktive Solarenergienutzung durch den Fassadenkollektor auf. Diese Solargewinne fallen zum Teil direkt im zu beheizenden Raum Q_s,R und zum anderen Teil im Fassadenzwischenraum Q_s,F an. Von diesen ist nur der Anteil Qs,F1 = Qs,F · Ui/(Ui + Ua)über den Verdampfer der Wärmepumpe für die Raumheizung nutzbar, während der Anteil Qs,F2 = Qs,F · Ua/(Ui + Ua)über die Außenschale ungenutzt abströmt und den Heizwärmebedarf Q_H nicht vermindert. U_i und U_a sind dabei die Wärmedurchgangszahlen der Innenschale bzw. der Außenschale (jeweils gewichteter Mittelwert aus opakem und transparentem Anteil der Fassade).
Lüftungswärmebedarf Q_L und innere Wärmegewinne Q_i sind vor allem von der Zahl der sich im Raum aushaltenden Personen abhängig. Die Auslegung des Zuluft/Abluft-Wärmetauschers sollte deshalb so erfolgen, dass Q_L ≈ Q_i ist.
Unter dieser Voraussetzung gilt für die Auslegung des Wärmepumpenkreislaufes und des Fassadenkollektors die Gleichung QH = QT – Qs,R = E · N = N + Qv,wobei E die Leistungsziffer und N die Antriebsleistung des Ventilators ist.
Dem Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufes wird die Wärmemenge Qv = QTi + Qs,F1 zugeführt, wobei Q_Ti der Transmissionswärmeverlust der Innenschale (Wand und Fenster) ist. Aus diesen Gleichungen ergibt sich die energetisch sinnvolle Größe des Fassadenkollektors. Für diesen wird zweckmäßig ein handelsüblicher Flachkollektor gewählt, der sich im Bedarfsfall auch noch in den Brüstungsbereich rechts und/oder links unterhalb des Fensterbereiches erstrecken kann. In gleicher Weise kann sich bei kleinen Räumen und mittiger Fensteranordnung der Zuluft/Abluft-Wärmetauscher in den Fassadenzwischenraum des Nachbanaumes erstrecken.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen
1 die Ansicht auf die Außenschale des zweischaligen Fassadenelementes
2 die Draufsicht auf einen Horizontalschnitt der zweischaligen Gebäudekonstruktion in Höhe des Fensterbereiches längs der Linie A – A
3 die Draufsicht auf einen Horizontalschnitt des zweischaligen Fassadenkonstruktion in Höhe des Brüstungsbereiches längs der Linie B – B
In 1 das zweischalige Fassadenelement 1 mit dem Fensterbereich 2, dem Brüstungsbereich 3 und dem opaken Fassadenbereich 4 als Ansicht auf die Außenschale dargestellt. Im Brüstungsbereich 3 ist der Fassadenkollektor 5 angeordnet. Zwischen Innen- und Außenschale des opaken Fassadenbereiches 4 befindet sich der Zuluft/Abluft-Wärmetauscher 6.
In 2 sind zusätzlich zu erkennen der zu beheizende Raum 7 mit den seitlichen Begrenzungswänden 8 und 9. Die Innenschale 10 mit dem Wandbereich 11 und dem Innenfenster 12 und die Außenschale 13 mit dem Wandbereich 14 und dem Außenfenster 15 wird durch eine durchgängige Luftschicht 16 getrennt.
Im Brüstungsbereich befindet sich innenseitig vor der Innenschale der Heizkörper 17 und außenseitig vor der Innenschale der Wasserspeicher 18. Dieser ist in zwei Kammern 19 und 20 unterteilt. Kammer 19 enthält den Verdampfer des Wärmepumpenkreislaufes. Die Kammer 20 wird vom Wärmeträger (üblicherweise Wasser-Frostschutz-Gemisch) des Fassaden-Kollektors durchströmt.
Die Verbindungsleitungen zwischen Fassadenkollektor und Speicher sind in den Bildern aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Das gilt auch für Verdichter, Expansionsventil und Rohrleitungen des Wärmepumpenkreislaufes.
Steigt bei Sonneneinstrahlung die Temperatur des Absorbers im Fassadenkollektor über die Temperatur im Wasserspeicher, so kommt es infolge der Dichteunterschiede zu einem natürlichen Umlauf des Wärmeträgers zwischen Absorber und Wasserspeicher. Günstig ist dabei eine möglichst geringe spezifische Wärmekapazität des Absorbers. Der Wärmetransport in der entgegengesetzten Richtung wird gemäß Unteranspruch 4 durch eine Rückschlagklappe verhindert. Um im Sommer eine Überheizung des Raumes zu verhindern, kann durch einen Abspenhahn der Wärmetransport auch in Richtung vom Absorber zum Wärmespeicher vermindert oder ganz unterbunden werden.
3 zeigt den Schichtaufbau des Brüstungsbereiches bei Verwirklichung der Unteransprüche 2 und 3. Der Verflüssiger des Wärmepumpenkreislaufes ist geteilt in einen Teil 21, in dem vorrangig die Überhitzungswärme abgeführt wird, und in einen Teil 22, in dem vorrangig die Kondensationswärme abgeführt wird. In gleicher Weise ist der Heizkörper 17 geteilt, wobei die Wärmeabgabe im Teil 23 vorrangig konvektiv an die Luft erfolgt, während Teil 24 als Wasserspeicher ausgebildet ist.
Zur Erhöhung der Wärmespeicherkapazität des Wasserspeichers 18 im Fassadenzwischenraum ist zwischen den beiden Kammern ein statischer Latentwärmespeicher 25 angeordnet, der erfindungsgemäß mit Paraffin im Schmelzpunktbereich von 5–15 °C gefüllt wird. Dargestellt ist dabei in 3 nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen des Latentwärmespeichers. Beispielsweise kann der Latentwärmespeicher auch als durchgängige Kammer ausgebildet werden.
Schematisch dargestellt ist der Verdampfer 26 des Wärmepumpenkreislaufes.
Der Fassadenkollektor 5 ist bündig in der Außenschale angeordnet. Dadurch werden die Wärmeverluste des Kollektors vermindert, und es ergibt sich ein optisch besseres Erscheinungsbild der Fassade.
Die erfindungsgemäße Lösung kann sowohl beim Neubau als auch im Bestand realisiert werden. Im zweiten Fall kann die zweite Schale wahlweise außen oder innen vor die vorhandene Außenwand gesetzt werden.
An die bautechnische Ausführung der Innen- und Außenschale wird erfindungsgemäß nur die Forderung gestellt, dass die Wärmedämmwerte möglichst dem Passivhausstandard entsprechen. Dies ist sowohl möglich in

– schwerer Bauweise (beispielsweise hinterlüftete Mauerwerkskonstruktion) als auch in
– Leichtbauweise (beispielsweise Holzrahmenbau).

Der zweckmäßige Wandaufbau der Innenschale und der Außenschale ist von der bautechnischen Ausführung abhängig und nicht Gegenstand der Erfindung. Die gestrichelte Umgrenzungslinie in 1 kann demgemäß eine tatsächlich sichtbare Fuge oder eine nicht erkennbare fiktive Grenzlinie sein.
Auch die Unterteilung des Fassadenzwischenraumes in horizontaler und vertikaler Richtung kann im Bedarfsfall weitgehend unabhängig von der erfindungsgemäßen Lösung erfolgen. Sie ist zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung nicht erforderlich.

Claims

Zweischaliges Fassadenelement zur dezentralen Beheizung und Belüftung von Einzelräumen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.1 Das zweischalige Fassadenelement untergliedert sich in folgende Bereiche – Fensterbereich – Brüstungsbereich unterhalb des Fensters – Opaker Fassadenbereich links oder rechts vom Fenster- und Brüstungsbereich 1.2 Der Fensterbereich besteht aus zwei unabhängig von einander zu öffnenden Fenstern in der Innenschale und in der Außenschale, wobei Größe und Anordnung des Fensterbereiches sich aus der Erfüllung der Forderung nach ausreichender Belichtung des zugehörigen Raumes und nicht aus dem Ziel einer maximalen passiven Sonnenenergienutzung ergeben. 1.3 Der Brüstungsbereich unterhalb des Fensters dient der dezentralen Beheizung des dahinter liegenden Raumes, die durch eine Wasser/Wasser-Kompressionswärmepumpe (bestehend aus Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil mit den zugehörigen Verbindungsleitungen) erfolgt. 1.3.1 Der Verdampfer befindet sich in einem plattenförmigen Wasserspeicher, der unterhalb des Fensters außenseitig vor der Innenschale im Brüstungsbereich angeordnet ist und diesen weitgehend überdeckt. 1.3.2 Der Verflüssiger befindet sich in einem raumseitig vor der Innenschale unterhalb des Fensters angeordneten plattenförmigen Wasserspeicher, der gleichzeitig den Heizkörper bildet. 1.4 Der Brüstungsbereich unterhalb des Fensters dient darüber hinaus zur aktiven Sonnenenergienutzung, die durch einen wasserdurchströmten Fassadenkollektor erfolgt, der unterhalb des Fensters in oder vor der Außenseite der Außenschale angeordnet ist. Die im Fassadenkollektor gewonnene Wärme wird allein durch thermischen Auftrieb an einen plattenförmigen Wasserspeicher übertragen, der mit dem Wasserspeicher nach Punkt 1.3.1 eine bautechnische Einheit aus zwei benachbarten Kammern bildet. 1.5 Für den Brüstungsbereich unterhalb des Fensters ergibt sich damit folgender Aufbau von innen nach außen – Heizkörper mit Verflüssiger – Luftschicht – Innenschale mit Wärmedämmung – Wasserspeicher aus zwei Kammern – Luftschicht, die in Verbindung mit der Luftschicht des Fensterbereiches steht – Außenschale mit Wärmedämmung – Fassadenkollektor 1.6 Der opake Fassadenbereich links oder rechts vom Fenster- und Brüstungsbereich dient der dezentralen Be- und Entlüftung des dahinter liegenden Raumes, die durch einen Zuluft/Abluft-Wärmetauscher erfolgt, der sich über die gesamte Geschosshöhe erstreckt. 1.6.1 Die Strömung erfolgt vorrangig im Gegenstrom, wobei – die Abluft in dem nach innen liegenden Kanal von oben nach unten und – die Zuluft in dem nach außen liegenden Kanal von unten nach oben strömt. 1.6.2 Die Zuluft wird dabei unmittelbar aus dem Fassadenzwischenraum entnommen. 1.6.3 Die Abluft wird nach Durchströmen des Wärmetauschers in einem Abluftkanal (Kamin) nach oben geführt und über Dach ausgeblasen. 1.7 Für den opaken Bereich links oder rechts vom Fenster und Brüstungsbereich ergibt sich damit folgender Aufbau von innen nach außen – Innenschale mit Wärmedämmung und den raumseitigen Zu- und Abluftöffnungen – Zuluft/Abluft-Wärmetauscher – Luftschicht, die in Verbindung mit der Luftschicht des Fenster- und Brüstungsbereiches steht – Außenschale mit Wärmedämmung.
Zweischaliges Fassadenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Heizkörper und Verflüssiger zweigeteilt sind, wobei – im ersten Teil des Heizkörpers, dessen Verflüssiger zuerst durchströmt wird, im wesentlichen die Überhitzungswärme des im Wärmepumpenkreislaufes umlaufenden Kältemittels vorrangig konvektiv unmittelbar an die Raumluft abgegeben wird – im zweiten Teil des Heizkörpers, der als Wasserspeicher ausgebildet ist, das Kältemittel kondensiert und das Kondensat leicht unterkühlt wird.
Zweischaliges Fassadenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Kammern des Wasserspeichers im Fassadenzwischenraum Paraffin mit Schmelzpunkten zwischen 5 und 15 °C als statischer Latentwärmespeicher eingelagert ist.
Zweischaliges Fassadenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass in der unteren Verbindungsleitung zwischen Fassadenkollektor und Wasserspeicher eine Rückschlagklappe eingebaut ist, die ein Rückströmen des Wärmeträgers vom Wasserspeicher zum Fassadenkollektor verhindert, wenn die Wassertemperatur im Speicher über der Wassertemperatur im Kollektor liegt – dass in der oberen Verbindungsleitung zwischen Fassadenkollektor und Wasserspeicher ein Abspenhahn eingebaut ist, mit dem in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung der Wärmeträgerumlauf gedrosselt oder ganz unterbunden werden kann, um eine Überhitzung des zu beheizenden Raumes zu verhindern.