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Die
Erfindung betrifft eine energiesparende Klima- und Lüftungsanlage,
z. B. mit Solarheizung oder anderen kostenlos zur Verfügung stehenden Energiequellen
für den
Einbau in Decken bzw. Fußböden von
Gebäuden,
insbesondere Niedrigenergiehäusern.
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[Stand der Technik]
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Bekannt
sind zahlreiche Verfahren und Einrichtungen zur Energieeinsparung
bei der Regelung der Lufttemperatur in Gebäuden.
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So
beschreibt die
DE
198 27 511 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur geregelten
Lüftung,
Wärmerückgewinnung
und zur Wärmeenergieversorgung
von Niedrig-Energie-Gebäuden
mit einem Wärmespeicher
und einem Wärmepumpen-Kompaktaggregat,
in das Frischluft und Gebäudeabluft
einströmen.
Ferner ist ein Solar-Luft-Kollektor vorgesehen, der mit dem Wärmepumpenaggregat sowie
dem Wärmespeicher über Ventileinheiten
in Abhängigkeit
von der auf den Solar-Luft-Kollektor eingestrahlten
Sonnenstrahlungsstärke
derart verschaltbar ist, dass der Solar-Luft-Kollektor bei geringer
Sonnenstrahlungsstärke
im Gebäudezuluftstrom dem
Wärmepumpenaggregat
nachgeschaltet ist und die Gebäudezuluft
erwärmt
und dass bei mittlerer Sonnenstrahlungsstärke Außenluft in den Solar-Luft-Kollektor einbringbar
ist, die im Solar-Luft-Kollektor erwärmt und zu dem Gebäudeabluftstrom
im Wärmepumpen-Kompaktgerät zwischen dem
Wärmetauscher
und der Wärmepumpe
eingemischt wird und dass bei hoher Solarenergieeinstrahlung der
Solar-Luft-Kollektor in einem geschlossenen Luftkreislauf betreibbar
ist und über
einen Luft-Wasser-Wärmetauscher
der Brauchwassererwärmung dient.
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Neben
der aufwendigen Steuerung mehrer Ventile und dem Einsatz mehrerer Wärmepumpen hat
die Erfindung den Nachteil, dass weder eine Langzeitspeicherung
der Wärme
noch eine wirtschaftliche Klimatisierung der Räume eines Gebäudes möglich ist.
Da für
die Heizung konventionelle Heizkörper
verwendet werden, muss das Wasser für den Heizkreislauf auf mindestens
60° erwärmt werden.
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Demgegenüber beschreibt
die
DE 198 26 625
A1 ein Niedrigenergiegebäude mit einen Sonnenkollektor
zur Energielieferung und ein gegen den Erdboden wärmeisoliertes
Fundament, das aus einem Material von hohem Wärmespeichervermögen besteht,
welches zur Wärmespeicherung
und zur Wärmeübertragung
dient. Für
die Heizung und Klimatisierung sind ein Kanalsystem für die Aufwärmluft,
ein Primärkreislauf
für die
Solarflüssigkeit,
ein Frischluftleitsystem mit einer zur Vorwärmung durch das Fundament geführten Frischluftleitung
sowie ein Luftleitsystem mit Wärmerückgewinnung
vorgesehen.
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Die
Nachteile dieser Lösung
sind, dass nur ein großer
Wärmespeicher
angeordnet ist, durch den die Luft zur Erwärmung und Klimatisierung der
Räume geleitet
wird, dass ein zusätzlicher
Kreislauf für die
Solarflüssigkeit
mit einem Flüssigkeit-Luft Übertrager
notwendig ist und die Wärme über einen
weiteren zusätzlichen
Kreislauf in den Wärmespeicher gebracht
werden muss. Eine Heizung bzw. Klimatisierung für mehrgeschossige Gebäude ist
mit dieser Erfindung nicht sinnvoll.
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Ferner
beschreibt die
DE
102 41 751 A1 einen Luft-Erdwärmetauscher für eine kombinierte Raumheizung
und Raumkühlung
für Gebäude. Für die Klimatisierung
der Räume
wird Luft von außen über ein
in der Erde verlegtes Rohr angesaugt und so die Außenluft
im Winter vorgewärmt
und im Sommer gekühlt.
Die Heizung erfolgt konventionell durch einen Heizkessel.
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Schließlich beschreibt
die
EP 0801273 B1 den
Aufbau eines klimatisierten Bodens oder einer Decke, bei dem in
die Decke Wasserbehälter
eingelagert sind, die zur Erwärmung
des Wassers sonnenbeheizte Abschnitte aufweisen.
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Diese
Lösung
hat den Nachteil, dass das Wasserspeichervolumen aus statischen
Gründen
begrenzt ist. Eine Regulierung der Temperatur und eine Klimatisierung
durch Belüftung
der Decke ist nicht möglich.
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Auch
die Klimadecke gemäß der
DE 202 08 898 U1 löst dieses
Problem nicht. Die Klimadecke ist mit Rohrleitungen durchzogen,
die von einem Heiz- und/oder Kühlmittel
durchströmt
sind. In die Decke ist ein PCM-Material eingelagert, das Wärme latent
zu speichern und abzugeben vermag.
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Auch
diese Art der Fußbodenheizung
erlaubt nur eine Kurzzeitspeicherung der Wärme, wobei eine Belüftung durch
die Decke nicht möglich
ist und weiterhin eine konventionelle Energiezufuhr nötig ist.
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[Aufgabe der Erfindung]
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine energiesparende Klima- und Lüftungsanlage,
z. B. mit Solarheizung oder anderen kostenlos zur Verfügung stehenden
Energieträgern,
insbesondere in Niedrigenergiehäusern
zu schaffen, die in einfachster und wirtschaftlichster Weise die
Klimatisierung von Räumen eines
Gebäudes
erlaubt, die Energie an den günstigsten
Stellen speichert (im Keller und im Fußboden), sowohl eine im Gebäude zentrale
Langzeitspeicherung der Energie als auch eine in den Räumen dezentrale
Kurzzeitspeicherung und für
den Menschen bedarfsgerechte und angenehme Regulierung der Raumtemperatur
gestattet, wobei der vorgeschriebene Luftmengenwechsel sowohl als
Wärmeträger und
Regulator ausgenutzt werden soll.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
energiesparende Klima- und Lüftungsanlage
für ein
Gebäude,
insbesondere für
ein Niedrigenergiehaus, besteht aus mehreren miteinander verbundenen
wasserbefüllten
Behältern,
die in der Lage sind, Wärme
zu speichern und untereinander auszutauschen.
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Einer
dieser Behälter
ist ein genügend
großer
und gut isolierter Hauptwasserspeicher, der als zentraler Langzeitspeicher
unter dem Gebäude
bzw. im Keller angeordnet ist und durch alternative und kostenlos
zur Verfügung
stehende Energiequellen, z. B. Sonnenenergie beheizt wird.
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Die
in dem Hauptwasserspeicher gespeicherte Wärme wird durch freie Konvektion
an in den Räumen
des Gebäudes,
vorzugsweise in den Fußböden bzw.
Ge schossdecken angeordneten dezentralen oberen und ebenfalls gut
isolierten Wasserspeichern übertragen.
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Der
untere große
Hauptwasserspeicher besitzt ein großes Fassungsvermögen und
dient als Langzeitspeicher, während
die oberen Behälter,
die zweckmäßigerweise
in den Geschossdecken angeordnet sind, als Kurzzeitspeicher dienen.
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Der
Hauptwasserspeicher gibt die Wärme
in der kalten Jahreszeit durch freie Konvektion an die Wasserspeicher
in den Decken der Etagen ab. Durch eine zusätzliche Durchströmung der
dezentralen Wasserspeicher mit Luft wird die Wärmeabgabe in den Decken reguliert,
wobei die Räume
im Winter beheizt und im Sommer gekühlt werden. Dazu sind die dezentralen
Wasserspeicher von einer Vielzahl von Lüftungsrohren durchzogen.
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Die
Isolation der vorzugsweise in den Geschossdecken angeordneten dezentralen
Wasserspeicher ist so ausgeführt,
dass sie sehr langsam die in ihr gespeicherten Wärme an den Raum abgeben. Soll
die Wärmeabgabe
erhöht
werden, wird mittels einer Lüftungsanlage
Luft durch die Lüftungsrohre
geblasen. Über
die Strömungsmenge
und die Zeit kann das Klima und die Temperatur in dem Raum reguliert werden.
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Die
Frischluft für
die Lüftungsrohre
wird vorteilhaft durch ein Erdrohr gezogen, welches im Winter die
Frischluft erwärmt
und im Sommer vorkühlt.
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Somit
wird die gespeicherte Wärme
in den oberen Wasserspeichern langsam an die Umgebung in den Räumen des
Gebäudes
abgegeben.
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Die
Temperatur für
eine konventionelle Heizung muss mindestens 60° C betragen, wobei für die Erwärmung des
Wassers in den Behältern
der Erfindung eine Temperatur von 30° C ausreicht. Außerdem werden
keine Pumpen für
die Umwälzung
der Flüssigkeit
benötigt.
Der langsame Austausch zwischen den Behältern durch freie Konvektion
durch aufsteigende und abfallende Rohrleitungen reicht aus.
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Die
gleiche Anlage, die in der kalten Jahreszeit die Räume beheizt,
dient in der warmen Jahreszeit als energiesparende Klimaanlage der
Kühlung der
Räume.
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Zusätzliche
Kühlaggregate
oder dergleichen werden nicht benötigt.
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Für die Kühlung wird
der Wärmeaustausch von
dem unteren Hauptwasserspeicher zu den oberen Wasserspeichern unterbrochen
und die in den oberen, gut isolierten Wasserspeichern gespeicherte,
nunmehr gegenüber
der Umgebungsluft geringere Wärme
wird langsam an die Umgebung in den Räumen des Gebäudes abgegeben
und kühlt
diese an heißen
Tagen ab.
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Dabei
wird zusätzlich
die Luft für
die Lüftungsanlage über das
durch die Erde verlegte Rohr angesaugt und vorgekühlt.
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Bei
extremen und lang anhaltenden Wintern werden die als Kurzzeitspeicherspeicher
dienenden oberen Behälter
bei Bedarf zusätzlich über eine Nachtstromheizung
beheizt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
werden die Behälter
in den Decken bzw. Fußböden in Form
von wasserdichten Decketrägern
ausgeführt.
Diese müssen
stabil ausgeführt
sein, da sie der Gewichtskraft des Wassers und einer zusätzlichen
Deckenbelastung standhalten müssen.
Die in den Deckenträgern angeordneten
Lüftungsrohre
dienen gleichzeitig einer zusätzlichen
Versteifung.
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Natürlich werden
die Deckenträger,
um das Montagegewicht gering zu halten, erst nach der Montage mit
Wasser befüllt.
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[Beispiele]
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An
Hand von Zeichnungen werden der Aufbau und die Wirkungsweise der
Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Klima- und Lüftungsanlage in einem mehrstöckigen Wohngebäude,
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2 der
Aufbau eines wassergefüllten
Deckenträgers
mit Lüftungsrohren,
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3 die
Anordnung der Lüftungsrohre,
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4 die
Verbindung mehrerer wasserbefüllter
Deckenträger
zu einer Geschossdecke,
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In
einer schematischen Darstellung, 1, ist die
Anordnung einer Klima- und Lüftungsanlage
in einem mehrstöckigen
Wohngebäude 1 dargestellt.
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Als
Hauptenergiereservoir besitzt die Anlage einen großen, mit
Wasser befüllten
Behälter 2,
der unter dem Wohngebäude 1 in
der Erde oder im Keller angeordnet ist. Dieser Hauptwasserbehälter 2 ist über Leitungen,
von denen nur die Anschlüsse 4 angedeutet
sind, mit Sonnenmodulen 3 auf dem Dach des Wohngebäudes 1 verbunden.
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Die
Decken bzw. Fußböden 12 des
Gebäudes 1 bestehen
aus Deckenelementen bzw. Deckenträgern 11 in Form von
wasserdichten Behältern 5.
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Alle
Behälter 2, 5 sind
gut Wärme
isoliert, und über
aufsteigende 6 und abfallende Rohrleitungen 7 miteinander
verbunden.
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In
den Behältern 5 der
wasserdichten Deckenträgern 11 sind
eine Vielzahl von Lüftungsrohren 9 verlegt,
die als Wärmetauscher
und der Luftzirkulation dienen.
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Die
wasserdichten Deckenträger 11,
die eine Decke und gleichzeitig den Fußboden 12 eines Wohnraumes
bilden, müssen
so ausgebildet und berechnet sein, dass sie das Gewicht des Wassers
und die Deckenbelastung tragen.
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Der
Hauptwasserbehälter 2 im
Keller, der wesendlich größer als
die anderen Behälter 5 ist, kann
aus verschiedene Materialien bestehen, z.B. in einfacher Weise aus
dicker Teichfolie.
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In
den Rohrleitungen 6, 7 zwischen dem Hauptwasserbehälter 2 im
Keller und den Behältern 5 in
den Geschossen 12 sind Reglerventile 8 angeordnet,
die der Unterbrechung des Wärmeaustausches
zwischen dem Behälter 2 und
den Behältern 5 dienen.
Die Trennung der Behälter 2, 5 erfolgt,
wenn die Flüssigkeit
in den dezentralen oberen Behältern 5 kühler sei
muss als im Hauptwasserspeicher 2.
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In
dem kühleren
Erdbereich um das Gebäude
herum, etwa 1,5–2
tief, vorzugsweise in der Nasszone der Erde, wird ein Luftrohr 10 verlegt.
Die Öffnung
des Luftrohres 10 sollte im Schatten der Nordseite des
Gebäudes 1 liegen.
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Die
Funktionsweise der Anordnung ergibt sich daraus wie folgt:
Auf
dem Dach wird das Wasser durch Sonnenenergie in den Sonnenmodulen 3 erwärmt. Das
warme Wasser wird über
Rohrleitungen, von denen nur die An schlüsse 4 dargestellt
sind, in den gut isolierten Hauptwasserbehälter 2 im Keller des
Gebäudes 1 transportiert.
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In
dem Hauptwasserbehälter 2 wird
die Energie, aufgrund seiner relativ großen Menge und der guten Isolierung, über den
ganzen Winter gespeichert. Da die Rohrleitungen 4 von den
Sonnenmodulen 3 ein Gefälle
zu dem Hauptwasserbehälter 2 im Keller
haben, entleeren sich die Rohrleitungen 4 bei Frost im
Winter von selbst und ein Frostschutzmittel ist nicht notwendig.
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Der
Hauptwasserbehälter 2 im
Keller des Gebäudes 1 ist
mit den Behältern 5 in
den wasserdichten Deckenträger 11 über Verbindungsrohrleitungen 6, 7 derart
steuerbar über
Ventile 8 miteinander verbunden, dass ein Austausch des
Wassers vom unteren Behälter 2 zu
den oberen Behältern 5 in
den Deckenträgern 11 langsam
durch Schwerkraft (warmes Wasser steigt nach oben) erfolgt. Im Sommer sind
die Ventile 8 geschlossen und im Winter bei Wärmebedarf
geöffnet.
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Die
wasserdichten Deckenträger 11,
bzw. die Behälter 5 in
ihnen, sind ebenfalls sehr gut isoliert, damit sie ihre Wärme nur
sehr langsam, aber an der richtigen Stelle (dem Fußboden)
abgeben. Somit werden die Wärmeverluste
keine Verluste sein, sondern Nutzenergie. Reicht die Raumtemperatur
nicht aus, wird Luft über
eine Lüftungsanlage
(nicht dargestellt) durch die Lüftungsrohre 9 geleitet.
Dabei kühlen
sich die wasserdichten Deckenträger 11 ab
und die Raumtemperatur erhöht
sich. Ist die gewünschte Raumtemperatur
erreicht, wird die Luftzirkulation durch die Lüftungsrohre 9 unterbrochen
und die Luft der Lüftungsanlage
gelangt bei Betrieb direkt in den Raum.
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Die
Abluft wird vorteilhafterweise durch einen Wärmetauscher (getauscht mit
der Frischluft aus dem im Winter verhältnismäßig warmen Erdluftrohr 10)
nach außen
geleitet und so ebenfalls genutzt. Die Luft wird von der Lüftungsanlage
an der Nordseite des Gebäudes 1 angesaugt
und durch das im Sommer verhältnismäßig kühle und
im Winter verhältnismäßig warme
Erdluftrohr 10 geleitet.
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Im
Sommer werden die Ventile 8 vom Hauptwasserbehälter 2 im
Keller des Gebäudes 1 zu
den wasserdichte Deckenträgern 5 geschlossen.
Wird die Luft im Sommer mittels der Lüftungsanlage an der Nordseite
des Gebäudes 1 durch
das nunmehr verhältnismäßig kalte
Erdluftrohr angesaugt und durch die Lüftungsrohre 9 durch
die wasserdichten Deckenträger 5, 11 geleitet,
kühlt sich
das Wasser in den Behältern 5 der
Deckenträger 11 ab.
An warmen Sommertagen wird somit keine kalte Luft durch hohe Energiemengen
(Klimaanlage) erzeugt, sondern vorhandene Kaltluft in den wasserdichten
Deckenträgern 11 kurzzeitig
gespeichert und ohne Energieaufwand in heißen Sommerstunden abgegeben.
Ist die gewünschte
Raumtemperatur erreicht, werden die Lüftungsrohre 9 geschlossen
und die Luft der Lüftungsanlage
kann bei Bedarf direkt in den Raum geleitet werden.
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In 2 ist
ein Deckenträger 11 bestehend aus
einem wasserdichten Behälter 5 und
den darin angeordneten Lüftungsrohren 9 dargestellt
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3 zeigt
die einzelnen, in den Deckenträgern 11 nebeneinander
angeordneten Lüftungsrohre 9.
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Alle
wasserdichten Deckenträger 11 können, wie
in 4 dargestellt zu einer Behältergruppe 12 zusammengestellt
und als Geschossdecke, wie in 1 zu sehen,
verwendet werden.
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- 1
- Gebäude
- 2
- Hauptwasserspeicher,
unterster Behälter
- 3
- Sonnenmodule
- 4
- Leitungsanschlüsse der
Rohrleitungen zu den Sonnenmodulen
- 5
- obere
Wasserspeicher, oberer Behälter
- 6
- Verbindungsrohrleitungen
für aufsteigende Flüssigkeit
- 7
- Verbindungsrohrleitungen
für abfallende
Flüssigkeit
- 8
- Ventile
- 9
- Lüftungsrohre
- 10
- Erdluftrohr
- 11
- wasserdichter
Deckenträger
- 12
- Geschossdecke