DE19736998C1 - Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden unter Ausnutzung der thermischen Energie von natürlicher Bodenluft.

Der möglichst sparsame Umgang mit Energie bei der Klimatisierung von Gebäuden ist sowohl in Bezug auf die Verringerung der Umweltbelastung als auch in Bezug auf die Reduzierung der Betriebskosten eines Gebäudes ein wichtiger Aspekt. Es sind deshalb bereits verschiedenste Anordnungen entwickelt worden, um die Klimatisierung eines Gebäudes mit geringem Energieverbrauch zu realisieren.

Aus der DE-PS 7 63 250 ist es bereits bekannt, daß mittels Gebläse aus Luftzulei­ tungsrohren oder Leitkanälen über einen Saugkorb aus dem Erdboden entnommene Erdluft zur unmittelbaren Belüftung und Temperierung insbesondere geschlossener Räume verwendet werden kann. Diese Anordnung erfordert erheblichen Bauauf­ wand für das Entnahmesystem für Erdluft und den Betriebsaufwand für die stets erforderliche Zwangslüftung.

Das Wirtschaftspatent DD 69 190 beschreibt prinzipiell die gleiche technische Lösung. Auch hier wird Bodenluft, gewonnen aus wie Brunnen ausgerüsteten Bohrungen, mittels Zwangsbelüftung ebenfalls unmittelbar durch die zu lüftenden bzw. zu temperierenden Räume geleitet. Der Aufwand der Herstellung der Bohrun­ gen mit der erforderlichen Lufteintrittsfläche im Filterbereich ist ebenfalls recht hoch. Auch hier ist die Zwangslüftung ständige Funktionsvoraussetzung und verursacht entsprechend einen hohen Betriebsaufwand.

Das DE 295 19 093 U1 sieht einen ebenfalls sehr aufwendigen Luftbrunnen nach dem Konstruktionsprinzip eines Horizontalfilterbrunnens mit oder ohne Be­ feuchtung des um die Filterbereiche angeordneten Kiesbetts mittels aus einem zusätzlichen Brunnen geförderten Grundwassers vor. Auch hierbei ist Zwangs­ lüftung unerläßlich.

Aus der DE 26 49 273 A1 ist es bereits bekannt, die thermische Energie von Grundwasser für Heizzwecke auszunutzen. Das aus dem Untergrund gewonnene und optional zusätzlich erwärmte Grundwasser wird über Wärmetauscher geleitet und dann direkt einem Rohrleitungssystem zugeführt, das in den Außenwänden des Gebäudes eingebettet ist. Abgesehen von dem erheblichen technischen Aufwand, der für eine solche Anordnung eines Rohrsystems in einer Gebäudeaußenwand erforderlich ist, und den dadurch verursachten erhöhten Kosten eines solchen Ge­ bäudes, weist diese Lösung weitere entscheidende Nachteile auf, die ihren prakti­ schen Einsatz unwirtschaftlich macht. Zu diesen Nachteilen gehören die Anfälligkeit der Rohrleitungen für Brüche, Undichtigkeiten und Leckstellen, die das darin trans­ portierte Grundwasser in das umliegende Außenwandmaterial dringen lassen, wo es erhebliche und unter Umständen nicht reparable Schäden hervorrufen kann, die aufwendige Baukonstruktion, das Fehlen der Möglichkeit der Installation der Anlage in bereits bestehende Gebäude sowie die hohe Wartungsintensität der Anlage.

Die DE 31 30 772 A1 versucht diese obengenannten Nachteile dadurch zu beseiti­ gen, daß die thermische Wärme des Grundwassers indirekt durch Erwärmen von Luft ausgenutzt wird, die dann durch einen Zwischenraum eines zweischaligen Wandaufbaus in aufsteigender Richtung geführt wird, um eine Umhüllung des Gebäudeinneren mit ausgleichender Temperatur zu schaffen. Da jedoch die natürli­ che Temperatur des Grundwassers allein nicht ausreicht, die zirkulierende Luft in gewünschter und notwendiger Weise zu erwärmen, müssen zusätzliche Einrichtun­ gen, wie z. B. ein mit Brauchwasser oder Abwasser des Gebäudes betriebener Wärmetauscher, vorgesehen werden, um das Grundwasser auf eine erhöhte, zur Erwärmung der zirkulierenden Luft in einem weiteren Wärmetauscher ausreichende Temperatur zu bringen. Begonnen bei den zur Durchführung des Verfahrens not­ wendigen beiden Brunnen zur Grundwasserförderung und Grundwasserableitung, die beiden Wärmetauscher bis hin zu dem umfangreichen Rohrsystem für die Klimatisierungsluft ist auch hier ein relativ großer technischer Aufwand notwendig, um den gewünschten Effekt der Energieeinsparung zu erzielen. Die nur indirekte Ausnutzung der thermischen Energie des Grundwassers macht das Verfahren uneffektiv und unökonomisch.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anordnung zu schaffen, mit der klimatechnische Einrichtungen und Anlagen eines Gebäudes mit geringerem techni­ schen und wirtschaftlichen Aufwand hergestellt werden können, als dies bei den bisher bekannten technischen Lösungen möglich ist. Die Anlage soll darüber hinaus betriebskostengünstig, umweltfreundlich und energiesparend betrieben werden können.

Es wurde überraschend gefunden, daß diese Aufgabe zumindest an Standorten mit ausreichend porösen Baugrundverhältnissen und nicht zu hohem Grundwasser­ spiegel erfindungsgemäß gemäß Anspruch 1 gelöst werden kann, indem nur geringfügige Änderungen an sich bekannter Baukonstruktionsmerkmale zu deutli­ chen Energiekosteneinsparungen führen.

Unter dem hierin verwendeten Ausdruck "klimatechnische Einrichtungen und Anlagen eines Gebäudes" sind alle diejenigen Einrichtungen zu verstehen, die zur Herstellung eines bestimmten Luftzustandes, wie z. B. Temperatur, relative Feuch­ te, in einem Gebäude dienen. Das sind zum Beispiel natürlich oder zwangsweise durchströmte Luftspalte in der Außenwandkonstruktion, die Be- und Entlüftung, Heizung, Klimaanlagen und zugehörige Leitungssysteme.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können einzelne klimatechnische Einrichtun­ gen, mehrere dieser Einrichtungen oder alle vorhandenen Einrichtungen eines Gebäudes energiesparend betrieben werden. Da die Bodenluft bei ausreichender Entnahmetiefe eine gleichbleibende Temperatur von etwa +5°C bis +10°C hat, kann sie vorzugsweise im Winter zu Heizzwecken und im Sommer zu Kühlzwecken verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Bodenluftentnahmeeinrichtung und Anschlußeinrichtungen an die gewünschten klimatechnischen Einrichtungen und Anlagen des Gebäudes. Die Bodenluft wird direkt unter dem Gebäude entnom­ men. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Konvektionswärme aus der Gebäude­ sohle zusätzlichen Wärmegewinn für die Bodenluft liefert, daß die durch den offenen Porenraum des Bodenkörpers diffundierende Zuluft zum Bodenluftentnah­ meort einen relativ langen Weg mit Unterströmung des Fundaments zurücklegen muß, wobei sie genügend Zeit hat, Erdwärme bzw. -kühle aufzunehmen und daß lange Zuleitungen für Bodenluft zum Gebäude entfallen können. Die Bodenluft­ entnahmeeinrichtung (Fest-gasförmig-Separator) wird vorzugsweise konstruktiv sehr vorteilhaft unmittelbar aus der sogenannten Sauberkeitsschicht unterhalb der Fundamentplatte des Gebäudes gebildet.

Die Bodenluft wird zur Energieeinsparung bei der Gebäudeheizung über eine querge­ lochte Steinlage in Höhe der Sauberkeitsschicht direkt in spaltförmige, in der Außenwandkonstruktion angeordnete, natürlich durchströmte oder zwangsentlüfte­ te Luftkamine gespeist. Diese Luftkamine werden konstruktiv aus einem durch vertikale Stege unterteilten Luftspalt in einem mehrschaligen Wandaufbau gebildet. Der Abstand der Stege untereinander kann dabei 15 cm bis 150 cm betragen. Sobald die oberirdische Umgebungsluft kälter ist als die Bodenluft, ergibt sich ein Wärmegewinn gegenüber herkömmlich mit Außenluft hinterlüfteten Fassaden. Infol­ ge der Schwerkraft vergrößert sich mit wachsender Temperaturdifferenz die "Schornsteinwirkung". Durch die innere Gebäudeaußenwand diffundierter Wasser­ dampf wird zuverlässig abtransportiert. Der Effekt kann bei Erfordernis mittels Gebläse verstärkt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt auch die notwendige Raumbelüftung direkt mit der Bodenluft, bzw., je nach Außentemperaturverhältnis­ sen, auch über einen Mischstrom aus Bodenluft und oberirdischer Umgebungsluft. Bei traditioneller Lüftung mit Außenluft ergibt sich der Lüftungswärmebedarf eines Raumes daraus, daß die Temperaturdifferenz zwischen oberirdischer Umgebungsluft und der gewünschten Raumtemperatur ausgeglichen werden muß. Er ist um so größer, je kälter es draußen ist. Bisher wird mittels Wärmetauschern und/oder Wärmepumpen in bekannter Weise versucht, diesen Verlust zu verringern. Wenn nun anstelle der Außenluft Bodenluft mit einer Temperatur von +5°C bis +10°C für die Raumlüftung verwendet wird, ergibt sich bei Außentemperaturen < 5°C eine Energieeinsparung, die indirekt proportional zur Umgebungslufttemperatur ist. Die Bodenluft liefert darüber hinaus mehr Feuchtigkeit als kältere Außenluft und verhindert allzu trockene Luft in den Wohnräumen während der Kälteperioden. Natürlich kann auch der Bodenluft zusätzlich über Wärmetauscher/pumpen zurück­ gewonnene Abluftwärme zugeführt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die ausschließli­ che Wärmezufuhr über eine aus Bodenluft gespeiste Luftheizung vorgesehen. Neben dem Ausgleich des Lüftungswärmeverlustes wird hierbei auch der Transmissions­ wärmeverlust des Gebäudes kompensiert. Wegen der notwendigen Mindestfeuchte kann ein Teilstrom der die Wärmeenergie transportierenden Luft über die Heizung im Kreislauf geführt werden.

Im Sommer kann Bodenluft zu Kühlzwecken von Gebäuden eingesetzt werden. Das ist besonders dann interessant, wenn solar ausgerichtete Architektur mit großen, nach Süden gerichteten Fenstern ein Zuviel an Wärme bekommt und die Räume dadurch überheizt werden. Durch die Raumkühlung mit Bodenluft können für die Raumkühlung vorgesehene Klimaanlagen kostengünstiger ausgeführt werden.

Die Wandhinterlüftung für Kühlzwecke bedingt eine Zwangsentlüftung.

Analog zur Raumluftheizung im Winter kann die beschriebene Anlage zur Raumlüf­ tung auch zur Klimatisierung der Räume im Sommer verwendet werden, ebenfalls je nach Außentemperaturverhältnissen im Mischstrom mit oberirdischer Umge­ bungsluft oder allein. In den Räumen sind die Zu- und Abluftleitungen zu vertau­ schen, da sonst Kurzschlußströmungen entstehen. Die Luftzufuhr aus Bodenluft zur Raumlüftung im Sommer ist gegenüber einer Außenluftzufuhr (Fensterlüftung) vor allem auch wegen der Luftfeuchte vorteilhaft. Die oft sehr warme Außenluft bewirkt im kühleren Gebäude mitunter recht hohe relative Luftfeuchtewerte. Durch die Bodenluftzufuhr wird dieses verhindert. Die erforderliche Temperaturerhöhung der Bodenluft sollte allerdings ohne Zusatzheizung durch die solare Einstrahlung und durch Transmission von Wärmeenergie aus der Umgebung des Gebäudes erfolgen.

Desweiteren kann es vorteilhaft sein, die Bodenluft durch einen Wärmetauscher vor der Einspeisung in die klimatechnischen Einrichtungen weiter zu erwärmen. Der Wärmetauscher kann vorzugsweise mit der Abluft aus den Räumen betrieben werden, aber selbstverständlich auch mit anderen wärmeführenden Medien, wie z. B. dem Brauchwasser.

Für eine noch weitere Erwärmung der Bodenluft kann bei Bedarf eine Zusatzhei­ zung, wie zum Beispiel eine Solarheizung, vorgesehen werden.

Bodenluft ist infolge der physikalischen, chemischen und biologischen Filterwirkung der natürlichen Bodenschichten nahezu keim- und staubfrei sowie in gewissem Grad auch von unerwünschten gasförmigen Beimengungen befreit, was sie für den vorgesehenen Einsatz besonders geeignet und zusätzliche Einrichtungen entbehrlich macht. Um auch noch die möglicherweise geringfügig vorhandenen gasförmigen Beimengungen zu entfernen, kann ein Aktivkohlefilter vorgesehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten, bevor­ zugten Ausführungsbeispieles erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Hauses mit einem schematisch angedeuteten, mit Bodenluft gespeisten Luftspalt in der Außenwandkon­ struktion;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung zur direk­ ten Raumbelüftung/Raumheizung sowie für Kühlzwecke.

Die Zeichnungen beschränken sich auf die für das Verständnis der Erfindung notwendige Darstellung.

Das mit 10 bezeichnete Haus oder Gebäude weist einen zweischaligen Außen­ wandaufbau auf, der aus der eigentlichen Außenwand 1 und einer hinterlüfteten Fassade 2 besteht. Diese Hinterlüftung oder der Luftspalt 3 setzt sich auch am Dach fort und endet am Dachfirst in einer Entlüftung 5, die, wie in Fig. 1 darge­ stellt, eine Zwangsentlüftung sein kann. Die Zwangsentlüftung ist insbesondere dann vorzusehen, wenn die Bodenluft im Sommer zur Gebäudekühlung verwendet werden soll. Unterhalb des Kellerbodens bzw. der Bodenplatte 4 des Hauses 10 ist eine Bodenluftentnahmeeinrichtung 8 angeordnet, die Bodenluft aus dem um­ liegenden Sediment entnimmt und in den Luftspalt 3 zwischen Gebäudeaußenwand 1 und Fassade 2 führt. Die Bodenluftentnahmeeinrichtung 8 besteht aus querge­ lochten Steinlagen 19, die direkt unterhalb der Bodenplatte 4 des Hauses in der Gebäudeaußenwand 1 ringsrum angeordnet sind sowie einer Kiesschicht 18 unterhalb der Bodenplatte 4, die mindestens so hoch wie die quergelochte Steinlage 19.

Die Bodenluftentnahme direkt unter dem Gebäude 10 hält den technischen Auf­ wand für die Einspeisung der Bodenluft, deren Strömung durch die Pfeile 7 ange­ deutet ist, so gering wie möglich. Darüber hinaus vermeidet der lange Weg der diffus anströmenden Bodenluft gegenüber der freien Außenluft Kurzschlußströmun­ gen ohne ausreichenden Temperaturangleich an die Erdwärme bzw. -kühle.

Bei dieser Gelegenheit ist anzumerken, daß nicht alle Böden zur Luftentnahme geeignet sind, sondern bestimmte Voraussetzungen bezüglich Porenvolumen/Korn­ durchmesser erfüllen müssen, um eine effektive Bodenluftentnahme zu gewähr­ leisten. Der Luftgehalt von Böden ist vom Porenvolumen und vom Wassergehalt abhängig, wobei außerdem das Bodengefüge eine Rolle spielt. Demnach sind rollige Böden für die Bodenluftentnahme durchweg geeignet, während bindige Böden weniger oder gar nicht geeignet sind. Die Luftentnahme läßt sich zwar durch die Anordnung eines Kiesbettes (Korngerüstfilter) im Bereich der Bodenluftentnahme­ stelle 8 verbessern, dennoch wird dieses nicht bei allen Böden gelingen.

Eine weitere Voraussetzung ist der natürliche Grundwasserstand, dessen maximaler Pegel 13 für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel unterhalb der Fun­ damentunterkanten liegen muß.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, wird die aus dem Boden 9 entnommene Bodenluft direkt in die hinterlüftete Gebäudeaußenhaut 3 geleitet und steigt dort in Pfeilrichtung 7 nach oben, bis sie aus der Entlüftung 5 am Dachfirst austritt. Im Winter, bei kälterer Umgebungsluft, wird diese aufsteigende und das Gebäudeinnere umgebende Bodenluft 7 eine heizenergiesparende Wirkung haben, da sie den extremen Temperaturunterschied zwischen dem warmen Gebäudeinnenraum 6 und der kalten Gebäudeaußenseite ausgleicht. Im Sommer wird sie dagegen eine Kühlfunktion erfüllen, indem sie nämlich ausgleichend auf die Temperaturunter­ schiede zwischen warmer Umgebungsluft und kühlerer Luft im Gebäudeinneren 6 wirkt.

Gegen übermäßige Abkühlung der Bodenluft durch die kalte Fassade im Winter sowie gegen deren übermäßige Erwärmung durch die solar aufgeheizte Fassade im Sommer ist an der Innenseite der hinterlüfteten Fassade eine Wärmedämmschicht 20 angebracht.

Somit wird durch die gleiche, technisch einfache und effektive, erfindungsgemäße Lösung zu allen Jahreszeiten, besonders natürlich im Sommer und Winter, eine kosten- und energiesparende Gebäudeklimatisierung erhalten.

In Fig. 2 ist eine Einsatzmöglichkeit für die Raumlüftung mit Bodenluft gezeigt. Die Bodenluft 7 wird zunächst in einem Aktivkohlefilter 12 gefiltert, um eventuell in der Bodenluft enthaltene gasförmige Bestandteile aus der biologischen Aktivität des Bodens zu entfernen. Dem Aktivkohlefilter 12 nachgeschaltet ist ein Mischer 17 zur Mischung von Bodenluft mit Außenluft in beliebigem prozentualen Verhält­ nis, danach ein Wärmetauscher 14, der im vorliegenden Beispiel ein Kreuzstrom­ wärmetauscher ist. Es können ebenso andere Arten verwendet werden. Vorzugs­ weise ist das wärmeabgebende Medium die aus dem Rauminneren 11 abgeführte Luft, die über eine Rohrleitung 15 mit Lüftergebläse, z. B. über dem Dach, abgeführt wird. Die Strömungsrichtung der Heiz- bzw. Kühlluft für Heiz- bzw. Kühlzwecke ist den Pfeilen in der Fig. 2 zu entnehmen, d. h., die Zu- und Abluftleitungen werden für Heizung und Kühlung jeweils vertauscht.

Soll die Bodenluft für die ausschließliche Wärmezufuhr in das Rauminnere 11 verwendet werden, empfiehlt sich eine Zusatzheizung 16, die beispielsweise eine Solarheizung sein kann.

Auch aus der bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 2 wird offensichtlich, daß mit technisch einfachen Anlagen unter Ausnutzung der thermi­ schen Energie der Bodenluft eine effektive Gebäudeklimatisierung im Winter als auch im Sommer möglich ist, die kosten- und energiesparend arbeitet.

Claims (8)

1. Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden mit Bodenluft, wobei mindestens eine der klimatechnischen Einrichtungen und Anlagen eines Gebäudes mit Bodenluft gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bodenluftentnah­ meeinrichtung, bestehend aus einer Kiesschicht (18), unmittelbar unterhalb des Kellerbodens bzw. der Bodenplatte (4) des Gebäudes (10) angeordnet ist.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Strei­ fenfundament unterhalb eines Kellerbodens bzw. einer Bodenplatte (4) des Gebäudes (10) zwischen der Bodenluftentnahmeeinrichtung und einem oben entlüfteten, inneren Luftspalt (3) einer mehr als einschaligen Gebäudeaußen­ wand (1) eine rings um das Gebäude (10) verlaufende, quergelochte Steinlage (19) eingebaut ist.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenluft als direkte Raumbelüftung allein oder in Mischung mit oberirdischer Umgebungsluft in das Gebäudeinnere (6; 11) eingespeist wird.

4. Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenluft eine Luftheizung zur Wärmezufuhr in das Gebäudeinnere (6; 11) und/oder eine Luftkühlung zur Wärmeentnahme aus dem Gebäudeinneren (6; 11) speist.

5. Anordnung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenluft vor der Einspeisung in die klimatechnischen Einrichtungen und Anlagen des Gebäudes (10) durch einen Aktivkohlefilter (12) und/oder einen Wärmetauscher (14) und/oder eine Zusatzheizung (16) geleitet wird.

6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme­ tauscher (14) mit der Abluft aus dem Gebäudeinneren (6; 11) betrieben wird.

7. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Luftspalt (3) der mehr als einschaligen Gebäudeaußenwand (1) durch senkrecht verlaufende Trennstege in einzelne Luftkanäle aufgeteilt ist.

8. Anordnung gemäß Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine hinterlüftete Fassade (2) der mehr als einschaligen Gebäudeaußenwand (1) auf seiten des inneren Luftspaltes (3) mit einer Wärmedämmschicht (20) ausgerü­ stet ist.