DE19855594C1

DE19855594C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren von Temperaturen in gekühlten oder beheizten Baukörpern

Info

Publication number: DE19855594C1
Application number: DE19855594A
Authority: DE
Inventors: Bernd Glueck; Bechir Chahed
Original assignee: Clina Heiz & Kuehlelemente
Current assignee: CLINA HEIZ- UND KUEHLELEMENTE GMBH, 13435 BERLIN, D
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2018-12-03

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren von Temperaturen in gekühlten oder beheizten Baukörpern (1) und/oder in einem oder mehreren Wärmespeichern (1a), bei dem der Wärmeträger (3) durch ein in einem oder mehreren Baukörpern (1) verlegtes Rohrregister (4) mit festgelegten Rohrdurchmessern (4a) und Rohrabständen (4b) geleitet wird und bei dem Wärme schichtweise innerhalb des Baukörpers (1) gesteuert und kombiniert mit Wärmespeicherung verschoben wird, kann in einem Baukörper (1) die zur Verfügung stehende Wärmespeicherkapazität effektiver nutzen und u. a. eine hohe Lade- und Entladedynamik sowie eine hohe Leistungsdichte erreichen, d. h. mit hoher Dynamik arbeiten, Wärmeverschiebungen mit Speichervorgängen kombinieren, indem bei äquivalenter Lage von Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) in zumindest zwei Ebenen (10) im Baukörper (1) und/oder im Wärmespeicher (1a), einzelne Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) von Wärmeträgerströmen durchflossen werden, wobei die Kapillarrohrabstände (5b) etwa 5 bis 20 mm und der Kapillarrohrdurchmesser (5c) etwa 2 bis 5 mm beträgt, und indem thermisch unterschiedliche Wärmequellen (12) oder Wärmesenken (13) zur Heiz- oder Kühllastkompensation zeitweise angeschlossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren von Temperaturen in gekühlten oder beheizten Baukörpern und/oder in einem oder mehreren Wärmespeichern gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentan sprüche 1 und 5.

Es ist bekannt (VDI-Nachrichten vom 5.12.97; CCI Nr. 4/98, Seite 25 "Kühl- /Heizdecke "Thermokern" temperiert - Neue Messe Zürich) bei neueren Heiz- oder Kühlverfahren für Baukörper, eine große Speicherwärme bei niedriger Temperatur differenz zur Raumtemperatur vorzuhalten, so daß die große Speicherwärme beim Absinken der Raumtemperatur zur Beheizung oder bei Ansteigen der Raumtempe ratur zur Kühlung eingesetzt werden kann. Das Verfahren kann nahezu selbstregelnd arbeiten. Der niedrige Potentialunterschied (Temperaturdifferenz) der Speicherwär me zum thermischen Raumzustand gestattet, über lange Zeiträume Umweltenergie zur Aufladung des Speichers einzusetzen. Das Verfahren würde jedoch umso effizi enter arbeiten, wenn mehr negative oder positive Speicherwärme verfügbar wäre. Derzeit werden in Betondecken mit 300 mm Dicke wasserdurchflossene Rohre in Form von Rohrregistern mit 20 mm Rohraußendurchmesser und Rohrabständen von 300 mm symmetrisch verlegt. Der Erfolg derartiger Rohrregister ist nicht mehr zu friedenstellend, wenn man den Aufwand, die Leistung, die Dynamik und den Spei chernutzungsgrad vergleicht.

Die Speicherbauteile in Gebäuden sollen vorrangig durch zeitliche Verschiebung des Lastbedarfs die Nutzung der Umweltenergie in großem Umfang ermöglichen. Ein immer häufiger anstehendes Problem besteht in der Wärmeverschiebung zwischen den Räumen, um eine möglichst große Bedarfsglättung zu erreichen. Hierbei können Speichervorgänge störend wirken, so z. B., wenn ein Raum geheizt werden muß, in einem anderen aber plötzlich große innere Wärmelasten zeitgleich entstehen. Der ähnliche Fall tritt ein, wenn die Lastspitzen generell nicht durch die verfügbare Um weltenergie kompensiert werden können. Das Heizen oder Kühlen mit konventionell erzeugter Wärme oder Kälte führt beim Einspeisen in das Speicherbauteil mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu einer großen Energieaufnahme und er heblich verzögerter Kompensation der thermischen Raumlasten. In der Jahresüber gangszeit kann es zu täglichen Wechseln kommen, die letztlich eine Energievergeu dung bedeuten. Fehlende Kühlleistungen im Spitzenfall werden durch das Kühlen der gesamten Gebäudedecke mit konventionell erzeugter Kälte gedeckt, was dem eigentlichen Bemühen völlig zuwider ist.

Weitere Schwierigkeiten ergeben sich beim Auftreten der äußeren Lasten auf Ge bäude und größere ortsfeste oder bewegliche Gegenstände im Freien und bei ent sprechender Sonneneinstrahlung.

Ein weiteres Problem bilden flächenförmige Heiz- und Kühlkörper, deren Leistungs dichte und/oder zur Erzielung für Menschen behaglichkeitsfördernder Oberflächen temperaturen nur kleiner Temperaturspreizungen bedürfen. Einen solchen Fall stel len frei hängende Kühlsegel dar, die parallel zur Deckenfläche angebracht sind. Die Eintrittstemperatur ist aus energetischen Gründen und/oder durch die Taupunkt temperatur begrenzt. Bei notwendigerweise niedriger Oberflächentemperatur ist eine kleine Temperaturspreizung erforderlich. Daraus resultiert ein großer Wärmeträger strom, dessen Förderung energieintensiv und der kostenträchtig ist. Niedrige Tempe raturspreizungen führen meist auch zu einer schlechten Ausnutzung eines Reser voirs.

Es ist hierzu eine Dach-, Wand- oder Bodenplatte aus Beton oder Ton bekannt (DE 80 06 071 U1), in die dünnwandige flexible Kunststoffrohre mit einem Medium für die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe eingebettet sind. Eine solche Platte soll die Kosten bei den bisher bekannten Formen der Absorption, Weiterleitung und Abgabe von Solar- und Umluftwärme senken, so daß diese in Einklang mit der erzielten Energie ersparnis kommen. Die verwendeten Kunststoffrohre besitzen jedoch hinsichtlich ih rer Lage, Gestaltung und Bemessung keine besondere Bedeutung.

Bei einem Raumklimasystem mit Speicherschicht (DE 44 34 675 C2) ist ein Wand element in Fertigbauweise vorgesehen. Um eine genauere Temperatur in Wohnräu men einzustellen, d. h. um Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht aus zugleichen, wird ein Gebäude in Leichtbauweise vorgeschlagen, mit einer Speicher schicht aus wärmespeicherfähigem Material, in dem ein Hohlraum (Rohrsystem) ausgebildet ist, der zwei oder mehr Anschlüsse für die Zuführung und die Abführung eines Luftstroms aus der oder in die Umgebung hat, der durch ein Gebläse erzeugt wird, welches durch eine Steuerung ein- oder ausschaltbar ist. Diese Verfahrenswei se berücksichtigt ebenfalls die Gestaltung und Lage der Rohrregister und die Rohr durchmesser nicht und besitzt daher keine wünschenswerten Eigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Homogenisierung der Temperatur in einem Baukörper die zur Verfügung stehende Wärmespeicherkapazität effektiver zu nutzen und eine hohe Lade- und Entladedynamik sowie eine hohe Leistungs dichte zu erreichen, d. h. mit hoher Dynamik zu arbeiten, Wärmeverschiebungen mit Speichervorgängen zu kombinieren, bei bereits entladenem Speicher die anstehen den Raumlasten ohne Speicherladung zu kompensieren, in speziellen Fällen ohne Speicherladung auszukommen, eine günstige Lastenverteilung anzustreben und die Temperaturspreizung des Wärmeträgers unter Beibehaltung der innenraumseitigen Oberflächentemperatur zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund eines Verfahrens erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte des Patentanspruches 1 gelöst. Dabei können Baukörper in ei nem Gebäude, einem Fahrzeug, einem Flugzeug, einem Schiff oder einem Trans portbehälter vorrangig durch zeitliche Verschiebung des Lastbedarfs die Nutzung von Umweltenergie in großem Umfang ermöglichen. Außerdem kann eine Wärme verschiebung zwischen Räumen stattfinden oder Wärme von einer Ebene in eine andere verschoben werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Möglichkeit, äußere Lastspitzen abzubauen.

Eine Ausgestaltung dieser Verfahrensweise sieht Patentanspruch 2 vor. Danach kann ein Ausgleich der Wärme- oder Kältelast durch Umleiten des Energiestroms in räumlicher Entfernung im Innern oder an Oberflächen erfolgen.

Die Dynamik des Wärmetransports kann dadurch gesteigert werden, daß die Durch flußrichtung des Wärmeträgerstroms in rhythmischen oder bedarfsabhängigen Zeit abständen geändert wird.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, daß durch eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte nahe der Oberfläche des Baukörpers der positive oder negative Wärmstrom der Umgebung aufgenommen wird und daß durch Vertei len des Wärmestroms an andere, weniger belastete Oberflächen des Baukörpers die thermische Gesamtbelastung eines Bauwerks reduziert wird.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund einer Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 5 gelöst. Dadurch wird ermöglicht, daß der durch die Kunststoff-Kapillarrohrmatten fließende Wärmeträgerstrom in hohem Maß Wärme an den Baukörper und/oder an den Wärmespeicher abgibt oder von dem Baukörper und/oder von dem Wärmespeicher Wärme aufgenommen wird.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, daß der Baukörper gleichzeitig als Wär mespeicher dient.

Eine andere Verbesserung schlägt vor, daß thermisch unterschiedliche Wärmequel len oder Wärmesenken außerhalb des Baukörpers und/oder des Wärmespeichers vorgesehen sind und in den Wärmeträgerkreislauf einschaltbar sind. Dadurch können unterschiedliche Temperaturschichten im Baukörper und/oder Wärmespeicher ein gestellt werden. Außerdem dienen mehrere einzelne Kunststoff-Kapillarrohrmatten dazu, Heiz- oder Kühllasten zu kompensieren.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß ein oder mehrere jeweils hydraulisch und/oder thermisch getrennte Wärmeträgerkreisläufe außerhalb des Baukörpers und/oder des Wärmespeichers geschlossen ausgebildet sind. Dabei können unterschiedliche Temperaturniveaus erhalten werden.

Nach anderen Merkmalen ist vorgesehen, daß die Durchflußrichtung des Wärmeträ gers in einer Kunststoff-Kapillarrohrmatte gleichsinnig oder gegensinnig zu einer be nachbarten Kunststoff-Kapillarrohrmatte oder wechselnd vorgesehen ist. Dieser Vor schlag kann durch eine fixierte Schaltung der Wärmeträgerstrom-Führung innerhalb des Baukörpers verwirklicht werden oder durch außerhalb des Baukörpers liegende Verbindungen und/oder Steuerorgane.

Eine Weiterentwicklung sieht vor, daß in einem Baukörper und/oder in dem Wärme speicher mehrere Kunststoff-Kapillarrohrmatten im Wärmeträgerkreislauf parallel ge schaltet oder hintereinandergeschaltet sind. Dadurch werden die thermische Nutzung der Wärmeträgerströme, ihre örtliche Wirksamkeit und die Mengenverteilung des Wärmeträgerstroms unterstützt.

Weitere Abwandlungen können dadurch erzielt werden, indem mehrere Wärmeträ gerkreisläufe vorgesehen sind, daß unterschiedlich temperierte Wärmequellen oder Wärmesenken vorhanden sind und daß einzelne Kunststoff-Kapillarrohrmatten oder zu Gruppen verschaltete Kunststoff-Kapillarrohrmatten zeitabhängig und/oder lade zustandsabhängig betreibbar sind. Dadurch kann die Homogenisierung der Tempe ratur im Baukörper schichtenweise erfolgen, um unterschiedlich temperierte Wärme quellen oder Wärmesenken zu nutzen oder aber die zeitliche und/oder bedarfsbe zogene Entladung des Baukörpers und/oder des Wärmespeichers an eine be stimmte Temperatur zu koppeln, wobei einzelne Kunststoff-Kapillarrohrmatten oder zu Gruppen verschaltete Kunststoff-Kapillarrohrmatten zeitabhängig und/oder lade zustandsabhängig durch einen umschaltbaren Wärmeträgerkreislauf oder mehrere Wärmeträgerkreisläufe betrieben werden können.

Eine andere Verbesserung besteht darin, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten für die Wärmespeicherung im Innern des Baukörpers und für den unmittelbaren Wär meaustausch mit dem Raum nahe der raumseitigen Baukörper-Oberfläche oder un mittelbar an dieser angeordnet sind. Dadurch erfolgt die Wärmespeicherung und der momentane positive oder negative Wärmestrom an den zu beheizenden oder zu kühlenden, an den Baukörper angrenzenden Raum, kombiniert, wobei die Kunststoff- Kapillarrohrmatten durch getrennte Wärmeträgerströme versorgt werden.

Hier trägt auch bei, daß nach anderen Merkmalen der positive oder negative Wär mestrom in den Kunststoff-Kapillarrohrmatten, der durch die Kunststoff- Kapillarrohrmatten an den Baukörper zur Speicherladung und Spitzenlastdeckung des Raumes übertragbar ist, bedarfs- und angebotsabhängig steuerbar ist.

Im Sonderfall der nicht gesteuerten (passiven) Speicherbeladung werden die Kunst stoff-Kapillarrohrmatten im Innern des Baukörpers parallel zu oder in Reihe nach den Kunststoff-Kapillarrohrmatten, die nahe der Baukörper-Oberfläche angeordnet sind, von einem Wärmeträgerstrom beaufschlagt, wobei die Eintrittsparameter durch die Leistungsanforderung an die oberflächennahen Kunststoff-Kapillarrohrmatten be stimmt sind.

Ferner wird vorgeschlagen, daß die thermische und/oder hydraulische Steuerung des Wärmeträgerstroms, der die Kunststoff-Kapillarrohrmatten durchströmt, primär auf eine Wärmeverschiebung zwischen den an die Baukörper angrenzenden Räume abgestellt ist, sekundär auf die jeweilige Umwelt-Energiesituation und tertiär durch Deckung der konventionellen Wärme- oder Kältebereitstellung. Dadurch wer den die Umweltbelastung, die Exergieverluste und/oder die Betriebskosten mini miert, wobei die genannte Reihenfolge der Maßnahmen sowohl bei der Speicherbe ladung als auch bei der Deckung des momentanen Bedarfs zum Erreichen mensch lich behaglicher und/oder technologisch bedingter thermischer Raumverhältnisse gilt.

Eine andere Ausgestaltung besteht darin, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten nahe der an die Außenluft grenzenden Baukörper-Oberfläche, die positive oder negative Wärmeströme aufnehmen, unmittelbar mit einer Wärmequelle oder Wärmesenke verbunden sind und/oder umschaltbar die positiven oder negativen Wärmeströme auf thermisch weniger belastete Kunststoff-Kapillarrohrmatten übertragbar sind. Da durch werden extreme, teilweise himmelsrichtungsabhängige, positive oder negative Wärmeströme aufgenommen und unmittelbar an die Wärmequelle/Wärmesenke mit geringem Exergieverlust und/oder niedrigen Betriebskosten abgeführt. Dadurch wird ferner die thermische Gesamtbelastung eines Innenraums reduziert und zumindest eine weitere Kunststoff-Kapillarrohrmatte kann zur thermischen Raumlastkompensa tion angeordnet werden.

Nach anderen Merkmalen ist vorgesehen, daß der Baukörper aus mehreren sand wichartig angeordneten Stoffschichten besteht, wobei eine Schicht als Wärmespei cher ausgebildet ist. Die Schicht zur Wärmespeicherung weist, soweit nicht statisch oder (bau-) physikalisch bedingt, eine hohe spezifische Wärmespeicherkapazität auf. Dadurch werden die Aufgaben getrennt, die Wärmeverschiebung mittels der Kunst stoff-Kapillarrohrmatten zu bewirken und eine wärmetechnische Verbindung zwi schen der Speicherschicht und den thermisch aktiven Oberflächenschichten durch eine steuerbare hydraulische Verschaltung der Wärmeträgerströme, die durch die Kapillarrohre fließen, nach vorgegebenen Zielen der thermischen Aktivitäten entste hen zu lassen.

Diese Trennung der Funktionen kann noch dadurch unterstützt werden, daß zwi schen mit den Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückten Wärmespeicher-Schichten und oberflächennahen Schichten Wärmedämmschichten angeordnet sind.

Eine etwaige geringe Wärmeleitfähigkeit von Baukörpern und/oder Wärmespeichern kann dadurch ausgeglichen werden, daß die Kapillarrohre zweier benachbarter, selbständiger Kunststoff-Kapillarrohrmatten kreuzweise oder mit engem Abstand in nerhalb einer Kunststoff-Kapillarrohrmatte verlaufen.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß auf den gegenüberliegenden Oberflä chen des Baukörpers jeweils eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte angeordnet ist, die hydraulisch miteinander verbunden sind oder jeweils eine einzige Kunststoff- Kapillarrohrmatte größerer Länge mit einem Umschlag in zwei parallelen Ebenen verläuft. Dadurch liegt ein Teil der Kunststoff-Kapillarrohrmatte nahe der inneren Oberfläche und ein anderer Teil ist nahe der äußeren Oberfläche im Baukörper pla ziert.

Eine andere Ausführungsform ist dahingehend gestaltet, daß der Baukörper einen Baustein einer Gebäudewand oder eines Daches bildet und daß die Eintrittstempe ratur des Wärmeträgers in den Kunststoff-Kapillarrohrmatten in Abhängigkeit der thermischen Vorgaben für den von den Baukörpern umgebenen Raum steuerbar ist.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten nur teilweise inner halb des Baukörpers eingebettet sind. Dabei kann die Verbindung Baukörper/ Kunststoff-Kapillarrohrmatten durch Ankleben, Kraft- oder Formschluß u. dgl. Verbin dungsmittel erfolgen.

Vorteilhaft ist ferner, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten sichtbar auf den äußeren Oberflächen der Baukörper angebracht sind. Dadurch werden eine Kontrolle und die Zugänglichkeit für Service-Arbeiten verbessert.

Eine andere Einsatzmöglichkeit ergibt sich daraus, daß die Baukörper transportabel gestaltet sind.

Aus optischen Gründen, zur solarthermischen Nutzung, und aus Kontrollgründen kann es vorteilhaft sein, daß die Baukörper mit den Kunststoff-Kapillarrohrmatten zumindest teilweise aus transparenten Schichten aufgebaut sind.

Aus gestalterischen und/oder wärmetechnischen Gründen kann der Baukörper aus einem flexiblen Material, wie z. B. Textil, Gummi u. dgl. sowie auch aus einer Schüt tung zwischen starren oder flexiblen Berandungen bestehen, in welchen die Kunst stoff-Kapillarrohrmatten integriert oder auf der Oberfläche angebracht sind.

Eine zusätzliche Einsatzmöglichkeit ergibt sich dadurch, daß bei einem nicht gera den, eine gebogene Oberfläche aufweisenden Baukörper die Kunststoff- Kapillarrohrmatten dem Baukörper angepaßt verlaufend und mit einem einstellbaren Abstand angeordnet sind.

Schließlich ergeben sich Vorteile durch die Anwendung der Erfindung auf bewegli che Transportbehälter, Trockenschränke, Kühlboxen oder elektrische Schaltschränke und andere Gehäuse.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Betondecke als Baukörper und Wärme speicher mit einem herkömmlichen Rohrregister,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine Betondecke gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm der Temperaturverläufe bei Kühlung des Baukörpers,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Baukörpers mit Kunststoff- Kapillarrohrmatten in vier Ebenen,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung aus einer einzigen Kunststoff- Kapillarrohrmatte mit drei gebogenen Umschlägen,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung mit jeweils zwei parallel angeordneten Kunst stoff-Kapillarrohrmatten, die an zwei Wärmeträgerkreisläufe angeschlossen sind und

Fig. 7 eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte im Baukörper-Querschnitt in der Ausführung gemäß Fig. 5 mit oberflächennaher Anordnung.

Gemäß Fig. 1 ist die Temperaturverteilung in der Betondecke als Baukörper 1 ge zeigt (der Baukörper 1 kann auch aus dem Erdreich bestehen). Derzeit werden z. B. in Betondecken mit 300 mm Dicke wasserdurchflossene Rohrregister 4 mit 20 mm Rohrdurchmesser 4a und Rohrabständen 4b von 300 mm symmetrisch verlegt. Die Berechnung mit einem Simulationsprogramm auf der Grundlage von (1) Glück, B.: Strahlungsheizung - Theorie und Praxis, Berlin: Verlag für Bauwesen Berlin 1982, S. 63-74, sowie (2) Glück, B.: Wärmeübertragung - Wär meabgabe von Raumheizflächen und Rohren, 2. Auflage, Berlin: Verlag für Bauwe sen 1990, S. 377-386 und (3) Glück, B.: Wärmetechnisches Raummodell, Heidelberg: C. F. Müller Verlag 1997, S. 154-159, ergibt im stationären Zustand für einen typi schen Kühlfall bei einer Wassertemperatur von 18°C und einer konstanten Raum temperatur von 24°C und den bautechnischen Daten (Belagdicke 10 mm, Wärme leitfähigkeit des Betons 1,4 W/(mK) und des Belags 0,07 W/(mK), spezifische Wärmekapazität des Betons 1050 J/(kgK), Be tondichte 2400 kg/m³) die theoretisch verfügbare "negative" Speicherwärme in der Betondecke bezogen auf die Raumtemperatur von 24°C von Q = -0,646 kWh/m². Weiterhin betragen: Kühlleistung (= Wärmeaufnahme vom unteren Raum und insge samt) 17,9 W/m²; 27,0 W/m², mittlere, minimale und maximale Temperatur an der Deckenunterseite: 22,1°C; 22,1°C; 22,2°C.

Substituiert man in dem Baukörper 1 die dicken Rohre durch Kunststoff- Kapillarrohrmatten 5 mit einem Kapillarrohrabstand 5b von 15 mm gemäß Fig. 2, so liefert die stationäre Berechnung des Kühlfalls unter gleichen Randbedingungen wie bei Fig. 1 folgende Ergebnisse:
verfügbare Speicherwärme in dem Baukörper 1 : Q = -0,982 kWh/m²;
Kühlleistung (Wärmeaufnahme vom darunter befindlichen Raum und insgesamt): 27,9 W/m²; und 42,0 W/m²,
mittlere, minimale und maximale Temperatur an der Baukörper-Unterseite: 21,2°C; 21,2°C; 21,2°C.

Demgegenüber stellt sich die Temperaturverteilung in dem Baukörper 1 gemäß Fig. 2 mit erhöhter Wärmespeicherung und Verbesserung der Dynamik wie folgt dar (Ta belle):

Die graphische Darstellung der Temperaturverteilungen im Querschnitt des Baukör pers 1 für den jeweils halben Rohrabstand 4b bzw. 5b (150 mm bzw. 7,5 mm) zeigt Fig. 3.

Die Temperaturverläufe sind bei Kühlung des Baukörpers 1 im stationären Zustand bei einer Wassertemperatur von 18°C und einer Raumtemperatur von 24°C darge stellt, ausgehend von einer Rohrachse 4c bis zur Mitte der jeweils rechts davon lie genden nächsten Rohrachse 4c. Die Vertikalpfeile kennzeichnen den Temperaturbe reich des Betons im stationären Ladezustand: Links befindet sich die konventionelle Konstruktion gemäß Fig. 1 und rechts die erfindungsgemäße Bauweise gemäß Fig. 2. Die bezogen auf das Raumtemperaturniveau gespeicherte "Kälte" ist bei der Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 um 52% größer als bei der bekannten Bauweise.

Die Wärmekapazität des Baukörpers 1 ist gleich geblieben. Aufgrund der Einbrin gung der Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 entsteht jedoch eine Erhöhung der Spei cherwärme - in diesem Fall der "gespeicherten Kälte" - um 52%. Da diese Spei cherwärme z. B. in den Nachtstunden mittels freier Kühlung der Umwelt entnehmbar ist, während diese tagsüber mit einer Kältemaschine erzeugt werden muß, bedeutet die Vergrößerung der Speicherwärme im Baukörper 1 eine Umweltentlastung und eine Betriebskostenersparnis.

Es ist weiterhin bemerkenswert, daß die Kühlleistung (Wärmeaufnahme) des Bau körpers 1 im Fall der Anwendung von Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5 ebenfalls um 56% höher liegt als im Fall der bekannten Verrohrung. Dieses thermodynamisch günstige Verhalten ist in zweifacher Weise vorteilhaft:

a) der Vorteil der Lastverschiebung liegt z. B. darin, daß nachts bei niedrigen Au ßentemperaturen besonders viel "Kühlenergie" umweltgerecht zur Verfügung steht. Damit muß der Baukörper 1, aber auch der Raum 14 mit den übrigen Raumumfassungen und der Inneneinrichtung heruntergekühlt werden. Man be nötigt dafür eine Vorrichtung, welche der Masse des Baukörpers 1 möglichst gleichmäßig die Wärme entnimmt, gleichzeitig aber auch eine große Leistung aus dem Raum 14 abführt.
b) Für den Fall, daß Lastspitzen im Raum 14 nicht allein durch die Speicherdynamik kompensierbar sind, muß durch konventionelle Kältetechnik Kaltwasser bereitge stellt werden. Es kommt darauf an, einen schnellen und intensiven Wärmeaus tausch mit dem Umgebungsraum oder Innenraum herzustellen.

In beiden Fällen liefert die im Beton integrierte Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 bessere Voraussetzungen als das zu Fig. 1 beschriebene Rohrregister 4.

Die Dynamik der gezielten, d. h. aktiven Be- und Entladung des Wärmespeichers 1a bei gleicher Temperaturleitfähigkeit des Speichermaterials hängt von der Entfernung der "Speicherzelle" von der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke (im vorliegenden Fall des Rohrregisters 4) ab. Die Auswertung der "Wärmetransportlängen", gewichtet mit den Anteilen der Speicherkapazität des jeweiligen Volumenelementes bezogen auf die gesamte Speicherkapazität ergibt für

- das konventionelle Rohrregister: 115 mm,
- die erfindungsgemäße Kapillarrohrmatte: 75 mm.

Die beim bekannten Rohrregister 4 um die 1,53fache größere "Wärmetransportlänge" wirkt sich negativ auf die aktive Beeinflussung des Wärmespeichers 1a aus. Die sta tionären Temperaturverteilungen zeigen beim Einsatz der Kunststoff-Kapillarrohr matten 5 bereits ab einem senkrechten Abstand von ±10 mm von der Symmetriee bene der Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 parallele Isothermenverläufe hierzu. Diese Isothermenverläufe sind sehr vorteilhaft für die Größe der Speicherladung und für die Dynamik.

Analog zum beschriebenen Baukörper 1 besteht generell bei der Be- und Entladung von Wärmespeichern 1a mit festen Stoffen, z. B. Erdreichkollektoren, oder mit flüssi gen Stoffen, z. B. Wasserspeichern, und von Latentwärmespeichern mit Phasen wechsel oder chemischen Umwandlungsprozessen, z. B. Eisspeichern, die gemein same Aufgabe, den gesamten Speicherraum effizient zu nutzen und eine hohe Lade- und Entlade-Dynamik zu erreichen.

Die Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 (Fig. 2) ist von einem Wärmeträger 3, meist Wasser, mit gleicher oder rhythmisch wechselnder Durchflußrichtung durchflossen. Die angestrebte hohe Speicherwärme sowie die Lade- und Entlade-Dynamik ergibt sich durch den beschriebenen Kapillarrohrabstand 5b bei sehr kleinem Kapillarrohr durchmesser 5c. Dabei sind auf der Bezugsfläche 6 eine hohe Anzahl von parallelen oder sich kreuzenden Kapillarrohre 5a zwischen jeweils einem Verteilerrohr und ei nem Sammelrohr angeordnet. Die Belegungsdichte mit Kapillarrohren 5a auf der Be zugsfläche 6 kann außerdem durch den Umschlag 5d von gebogenen einteiligen Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5 durch Vorgabe eines Abstandes 11 eingestellt wer den (Fig. 5).

Gemäß Fig. 4 sind mehrere Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5, bestehend aus vier in parallelen Ebenen 10 übereinander angeordneten einzelnen Kunststoff-Kapillarrohr matten 5 angebracht, die an einen gemeinsamen ersten Wärmeträgerkreislauf 7 an geschlossen sind. Die Kapillarrohre 5a sind mit kleinstmöglichem Kapillarrohrabstand 5b auf der Bezugsfläche 6 angeordnet. Alle Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5 befinden sich innerhalb der Dicke 2 des Baukörpers 1. Die jeweils unterste oder oberste Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 liegt nahe der Oberfläche 1b des Baukörpers 1. Diese Bereiche bilden somit eine oberflächennahe Schicht 1c.

Der Baukörper 1 kann aus mehreren Stoffschichten gebildet sein, wobei eine Wär medämmschicht 15 dazwischen liegt.

Gemäß Fig. 5 ist eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 mit größerer Länge und mit drei Umschlägen 5d ausgeführt. Die Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 ist nur an einen Wärmeträgerkreislauf 7 angeschlossen.

Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 6 gestaltet, die mehrlagig angeordnete, ein zelne Kunststoff-Kapillarrohrmatten 5 zeigt, wobei jeweils zwei an einen ersten Wär meträgerkreislauf 7 und an einen zweiten Wärmeträgerkreislauf 8 angeschlossen sind.

Gemäß Fig. 7 ist eine mehrlagige, umgeschlagene, einzelne Kunststoff-Kapillar rohrmatte 5 dargestellt. In zwei Ebenen 10 liegen jeweils Abschnitte, die an einen ersten Wärmeträgerkreislauf 7 angeschlossen sind. Diese Baugruppe stellt einen dreischichtigen Baukörper 1 dar. Die erste Oberflächenschicht des Baukörpers 1 stellt ein Blech 16 mit angeklebter Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 dar, die andere Oberflächenschicht ist als Putzschicht 9 mit integrierter Kunststoff-Kapillarrohrmatte 5 ausgebildet, und diese beiden thermisch aktiven Schichten sind durch die Wärme dämmschicht 15 entkoppelt.

In die Wärmeträgerkreisläufe 7 und 8 sind außerhalb des Baukörpers 1 Wärmequel len 12 und Wärmesenken 13 Zeit- und/oder bedarfsabhängig zur Speicherladung und/oder Spitzenlastdeckung eingebunden (Fig. 7).

Bezugszeichenliste

1

Baukörper

1

a Wärmespeicher (-Schicht)

1

b Oberfläche des Baukörpers

1

c oberflächennahe Schicht

2

Dicke des Baukörpers

3

Wärmeträger

4

Rohrregister

4

a Rohrdurchmesser

4

b Rohrabstand

4

c Rohrachse

5

Kunststoff-Kapillarrohrmatte

5

a Kapillarrohre

5

b Kapillarrohrabstand

5

c Kapillarrohrdurchmesser

5

d Umschlag einer Kunststoff-Kapillarrohrmatte

6

Bezugsfläche

7

erster Wärmeträgerkreislauf

8

zweiter Wärmeträgerkreislauf

9

Putzschicht

10

Ebenen der Kunststoff-Kapillarrohrmatten

11

Abstand zwischen zwei Kunststoff-Kapillarrohrmatten

12

Wärmequelle

13

Wärmesenke

14

angrenzende/umgebene Räume

15

Wärmedämmschicht

16

Blech

Claims

1. Verfahren zum Homogenisieren von Temperaturen in gekühlten oder beheizten Baukörpern und/oder in einem oder mehreren Wärmespeichern, bei dem der Wärmeträger durch ein in einem oder mehreren Baukörpern verlegtes Rohrre gister mit festgelegten Rohrdurchmessern und Rohrabständen geleitet wird und bei dem Wärme schichtweise innerhalb des Baukörpers gesteuert und kombi niert mit Wärmespeicherung verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei äquidistanter Lage von Kunststoff-Kapillarrohrmatten in zumindest zwei Ebenen im Baukörper und/oder im Wärmespeicher, einzelne Kunststoff- Kapillarrohrmatten von Wärmeträgerströmen durchflossen werden, wobei die Kapillarrohrabstände etwa 5 bis 20 mm und der Kapillarrohrdurchmesser etwa 2 bis 5 mm beträgt, und daß thermisch unterschiedliche Wärmequellen oder Wärmesenken zur Heiz- oder Kühllastkompensation zeitweise angeschlossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere geschlossene Wärmeträgerkreisläufe außerhalb des Baukörpers und/oder des Wärmespeichers an die Wärmequellen oder die Wärmesenken angeschlossen sind und daß ihre Eintrittstemperatur in Abhän gigkeit des thermischen Ladezustandes des Baukörpers und/oder des Wär mespeichers und/oder in Abhängigkeit der momentan erforderlichen Kühl- oder Heizlastkompensation eines Raumes durch den gekühlten oder beheizten Baukörper geregelt und/oder gesteuert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrichtung des Wärmeträgerstroms in rhythmischen oder be darfsabhängigen Zeitabständen geändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte nahe der Oberfläche des Baukör pers der positive oder negative Wärmestrom der Umgebung aufgenommen wird und daß durch Verteilen des Wärmestroms an andere, weniger belastete Oberflächen des Baukörpers die thermische Gesamtbelastung eines Bau werks reduziert wird.

5. Vorrichtung zur Homogenisierung von Temperaturen in gekühlten oder be heizten Baukörpern und/oder in einem oder mehreren Wärmespeichern, in denen Wärme in Schichten verschiebbar ist und der Wärmeträger durch ein im Baukörper verlegtes Rohrregister mit festgelegten Rohrdurchmessern und Rohrabständen leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Baukörper (1) und/oder in einem Wärmespeicher (1a) mehrere zumindest an einen Wärmeträgerkreislauf (7) angeschlossene Kunststoff- Kapillarrohrmatten (5) äquidistant in jeweiligen Ebenen (10) mit eingestelltem Abstand (11) angeordnet sind, wobei mehrere Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) jeweils abhängig von anderen geschaltet sind und die Kunststoff- Kapillarrohrmatten (5) auch im Bereich einer Oberfläche (1b) des Baukörpers (1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Baukörper (1) gleichzeitig als Wärmespeicher (1a) dient.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß thermisch unterschiedliche Wärmequellen (12) oder Wärmesenken (13) außerhalb des Baukörpers (1) und/oder des Wärmespeichers (1a) vorgese hen sind und in den Wärmeträgerkreislauf (7) einschaltbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere jeweils hydraulisch und/oder thermisch getrennte Wärmeträgerkreisläufe (7; 8) außerhalb des Baukörpers (1) und/oder des Wärmespeichers (1a) geschlossen ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrichtung des Wärmeträgers (3) in einer Kunststoff- Kapillarrohrmatte (5) gleichsinnig oder gegensinnig zu einer benachbarten Kunststoff-Kapillarrohrmatte (5) oder wechselnd vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Baukörper (1) und/oder in dem Wärmespeicher (1a) mehrere Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5; 5) im Wärmeträgerkreislauf (7) parallel ge schaltet oder hintereinandergeschaltet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeträgerkreisläufe (7; 8) vorgesehen sind, daß unterschied lich temperierte Wärmequellen (12) oder Wärmesenken (13) vorhanden sind und daß einzelne Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) oder zu Gruppen ver schaltete Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) zeitabhängig und/oder ladezu standsabhängig betreibbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) für die Wärmespeicherung im Innern des Baukörpers (1) und für den unmittelbaren Wärmeaustausch mit dem Raum (14) nahe der raumseitigen Baukörper-Oberfläche (1b) oder unmittelbar an dieser angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der positive oder negative Wärmestrom, der durch die Kunststoff- Kapillarrohrmatten (5) an den Baukörper (1) zur Speicherladung und Spitzen lastdeckung des Raumes (14) übertragbar ist, bedarfs- und angebotsabhängig steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische und/oder hydraulische Steuerung des Wärmeträger stroms, der die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) durchströmt, primär auf eine Wärmeverschiebung zwischen den an die Baukörper (1) angrenzenden Räu me (14) abgestellt ist, sekundär auf die jeweilige Umwelt-Energiesituation und tertiär durch Deckung der konventionellen Wärme- oder Kältebereitstellung.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) nahe der an die Außenluft grenzen den Baukörper-Oberfläche (1b), die positive oder negative Wärmeströme auf nehmen, unmittelbar mit einer Wärmequelle (12) oder Wärmesenke (13) ver bunden sind und/oder umschaltbar die positiven oder negativen Wär meströme auf thermisch weniger belastete Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) übertragbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Baukörper (1) aus mehreren sandwichartig angeordneten Stoff schichten besteht, wobei eine Schicht als Wärmespeicher (1a) ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mit den Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) bestückten Wärme speicher-Schichten (1a) und oberflächennahen Schichten (1c) Wärmedämm schichten (15) angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (5a) zweier benachbarter, selbständiger Kunststoff- Kapillarrohrmatten (5; 5) kreuzweise oder mit engem Abstand innerhalb einer Kunststoff-Kapillarrohrmatte (5) verlaufen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf den gegenüberliegenden Oberflächen (1b) des Baukörpers (1) jeweils eine Kunststoff-Kapillarrohrmatte (5) angeordnet ist, die hydraulisch miteinan der verbunden sind oder jeweils eine einzige Kunststoff-Kapillarrohrmatte (5) größerer Länge mit einem Umschlag (5d) in zwei parallelen Ebenen (10) ver läuft.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Baukörper (1) einen Baustein einer Gebäudewand oder eines Daches bildet und daß die Eintrittstemperatur des Wärmeträgers (3) in den Kunststoff- Kapillarrohrmatten (5) in Abhängigkeit der thermischen Vorgaben für den von den Baukörpern (1) umgebenen Raum (14) steuerbar ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) nur teilweise innerhalb des Baukör pers (1) eingebettet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) sichtbar auf den äußeren Oberflä chen (1b) der Baukörper (1) angebracht sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Baukörper (1) transportabel gestaltet sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Baukörper (1) mit den Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) zumindest teilweise, aus transparenten Schichten aufgebaut sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Baukörper (1) aus einem flexiblen Material, wie z. B. Textil, Gummi o. dgl. sowie auch aus einer Schüttung zwischen starren oder flexiblen Beran dungen bestehen, in welchen die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) integriert oder auf der Oberfläche angebracht sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem nicht geraden, eine gebogene Oberfläche (1b) aufweisenden Baukörper (1) die Kunststoff-Kapillarrohrmatten (5) dem Baukörper (1) ange paßt verlaufend und mit einem einstellbaren Abstand (11) angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 26, gekennzeichnet durch die Anwendung auf bewegliche Transportbehälter, Troc kenschränke, Kühlboxen oder elektrische Schaltschränke und andere Gehäuse.