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Die Erfindung betrifft ein Gebäudelüftungssystem, bestehend aus zumindest einem Solarkollektor mit einem zugeordneten Wärmetauscher zur Erwärmung der Frischluft des Lüftungssystems.
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Durch zunehmenden Dämmstandard und somit abnehmende Transmissionswärmeverluste steigt der Anteil der Lüftungsverluste am Wärmebedarf von Gebäuden. Die aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur Senkung derartiger Lüftungsverluste besteht in der Wärmerückgewinnung aus der Abluft über Wärmetauscher. Eine solche Rückgewinnung scheitert allerdings oftmals am hohen Aufwand für die für Zuluft und Abluft erforderlichen Luftkanäle zum Wärmetauscher und für dessen Vereisungsschutz, bei dem die erforderliche Frischluft-Vorwärmung zumeist über Rohrverlegungen im Erdreich realisiert wird.
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Eine Erwärmung der Frischluft mittels Solarenergie statt einer Wärmerückgewinnung aus der Abluft kann hier eine wirtschaftliche Alternative darstellen, da wesentlich weniger Luftkanäle erforderlich sind. Stand der Technik ist dabei eine solare Erwärmung dieser Frischluft mit sogenannten Luftkollektoren, welche aber nur mit hohem Aufwand Energie zusätzlich an das wasserführende Heizungssystem abgeben können. Da der Energiebedarf der Heizkreise und die Warmwasserbereitung den Hauptwärmebedarf weitgehend bestimmen, werden vorrangig mit Flüssigkeiten (Frostschutz-Wasser-Gemisch) durchströmte Solarkollektoren eingesetzt, die ihre Energie über kostengünstige und leistungsfähige Wärmetauscher für beidseitig flüssige Medien an einen wasserführenden Wärmespeicher abgegeben.
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Das Temperaturniveau der zu erwärmenden Außenluft liegt in mitteleuropäischen Regionen mit etwa 2°C in der Heizperiode deutlich unter dem Niveau eines Heizkreises, der auch in Niedertemperatur-Heizkreisen kaum unter 25°C fallen kann und oftmals noch deutlich höher liegt. Da der Wirkungsgrad der bekannten flüssigkeitsführenden Sonnenkollektoren mit jedem °C sinkender Betriebstemperatur um fast 2% steigt, sind durch eine direkte Einbindung der Frischlufterwärmung vorzugsweise unter Nutzung des Wärmeaustauschs im Gegenstromprinzip deutliche solare Mehrerträge zu erwarten.
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In
DE 197 30 691 A1 wird deshalb vorgeschlagen, einen Lüftungswärmetauscher direkt in einen Solarspeicher zu integrieren. Dieser Lösungsansatz ergibt jedoch erhebliche Nachteile. Wasserspeicher können aus physikalisch bedingten Ursachen (Anomalie des Wassers/Frostgefahr) nur bis ca. 4°C entladen werden. Hingegen haben auf tiefere Temperaturen entladbare Massivspeicher eine deutlich geringere Kapazität/Volumen und eine relativ begrenzte Leistung bei der Wärmeübertragung, wodurch zumindest bei einem großen solaren Leistungsangebot Probleme auftreten.
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Weiterhin sind herkömmliche Heizungsspeicher aus Stahl und die Isolationsmaterialien für solche Speicher anfällig gegen eine Kondensatbildung, die bei Taupunktunterschreitung eine Korrosionsgefahr darstellt und Durchnässungen der Dämmung ergeben kann. Ebenso wird eine Regelbarkeit der Frischlufttemperatur schwierig. Diese Temperatur sollte komfortbedingt nicht zu stark schwanken und solche Temperaturwerte wie die Speichertemperatur eines Solarspeichers erreichen. Außerdem ist für den Aufstellort eines größeren Wärmespeichers wegen des Platzbedarfs und Gewichts üblicherweise der Keller oder das Untergeschoss eines Gebäudes vorzuziehen. Ein installationstechnisch optimaler Frischluftweg verläuft jedoch häufig durch den Dacheinlass in Schlafräume und Kinderzimmer im Obergeschoss. Demzufolge würde sich hier zwangsläufig eine aufwendige Luftkanalführung ergeben, sofern der Lüftungs-Wärmetauscher in dem im Untergeschoss angeordneten Speicher integriert ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lüftungssystem mit zumindest einen flüssigkeitsführenden Solarkollektor und einem zugeordneten Wärmetauscher zur Erwärmung der Zuluft/Frischluft für ein Wohnhaus oder auch größeres Industriegebäude zu schaffen, das gegenüber den bisher bekannten technischen Lösungen eine verbesserte Energieausnutzung und auch bei lediglich geringer Sonneneinstrahlung eine hohe Funktionsfähigkeit gewährleistet.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem das Wärmespeichersystem für den Solarkollektor aufgeteilt ist in einen konventionellen wasserführenden Wärmespeicher und einen Wärmespeicher aus Massivmaterial, wobei der Wasser-Wärmespeicher eine höhere Speicherkapazität/höheres Temperaturniveau bei einer höheren Leistung des zugeordneten Wärmeübertragers aufweist als der Massiv-Wärmespeicher, der eine geringere Speicherkapazität/geringeres Temperaturniveau bei einer geringeren Leistung des zugeordneten Wärmetauschers aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Unteransprüchen beschrieben, die in den Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Demzufolge umfasst die erfindungsgemäße technische Lösung sowohl verfahrenstechnische als auch gerätetechnische Elemente. Dabei werden einer Heizungsanlage mit bekannten flüssigkeitsführenden Solarkollektoren zusätzlich ein wasserführender Wärmespeicher und ein Wärmespeicher aus Massivmaterial zugeordnet. Der Massiv-Wärmespeicher ist über Regelglieder in den mit Solarflüssigkeit gefüllten Kreis eingebunden, wobei eine direkte Beladung des Massiv-Wärmespeichers über den Sonnenkollektor möglich ist, die vorzugsweise im Gegenstromprinzip erfolgt. Der Solarkollektor belädt bei geringer Sonneneinstrahlung den Massiv-Wärmespeicher mit niedrigerem Temperaturniveau und bei höherer Sonneneinstrahlung den Wasserspeicher mit dem höheren Temperaturniveau. Dabei kann bei Bedarf die Abluft über eine Wärmepumpe entwärmt und als Energiequelle genutzt werden. Der Wärmetauscher der Abluftwärmepumpe hat eine Speichermasse, um auch bei Stillstand der Wärmepumpe eine Rückgewinnung zu ermöglichen. Der Wärmetauscher weist so große Luft-Kanäle auf, dass diese sich bei Bereifung nicht zusetzen.
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In vorteilhafter Weise kann der Solarwärmetauscher in Umkehr seiner Beladefunktion auch einen Energieaustausch für die Nachheizung des Massiv-Wärmespeichers durch eine Entwärmung des Heizungsrücklaufs oder des wasserführenden Speichers realisieren. Vorzugsweise kann der Rücklauf des Heizkreises so geschaltet werden, dass er einen externen Wärmetauscher durchströmt.
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Als weitere Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Massiv-Wärmespeicher in mehrere kleinere Module aufgeteilt wird. Diese Aufteilung erfolgt so, dass statische Anforderungen für eine Installation im Dachgeschoss und/oder die Transportmöglichkeiten optimiert werden. Ebenso kann die Aufteilung in Module bezüglich des Temperaturniveaus oder getrennt beladbarer Zonen erfolgen. So kann der Massiv-Wärmespeicher in mindestens zwei getrennt beladbare Ebenen oder Module aufgeteilt werden, wobei eine dem Luftaustritt zum Wohnraum zugewandte Ebene durch eine Nachheizung aus dem Heizungsrücklauf/Wasserspeicher immer eine minimale Zulufttemperatur zur Komfortsicherung garantiert. Hingegen können die weiteren, also die dem Lufteintritt von außen zugewandten Ebenen bis auf Außentemperatur abkühlen, wodurch sich optimale Ertragsbedingungen für den Solarkollektor ergeben. Verschiedene Ebenen können so angesteuert werden, dass der Solarkollektor bei lediglich sehr geringer Sonneneinstrahlung nur die kühlere Ebene und bei stärkerer Sonneneinstrahlung alle Ebenen beladen kann.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Solarkreisverrohrung zwischen dem Solarspeicher im Untergeschoss und dem Solarkollektor im Dachbereich doppelt genutzt wird, so dass der Massiv-Wärmespeicher im Obergeschoss ohne zusätzliche Leitungen aus dem Untergeschoss in einfacher Weise daran angebunden werden kann. Dabei unterbinden Steuerventile wechselseitig den Durchfluss durch den Solarkollektor oder durch den Wärmetauscher so, dass eine Ladepumpe zusammen mit Umschaltventilen die Beladung des Massiv-Wärmespeichers nach der oben beschrieben Funktionalität ermöglicht.
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Als eine vorteilhafte Ausgestaltung wird für den Massiv-Wärmespeicher mit Wärmetauscherfunktion vorgeschlagen, dass dieser aus einem System einer Vielzahl von Röhrchen mit 4 bis 10 mm Durchmesser für Frischluft und Solarflüssigkeit gebildet wird. Eine bevorzugte Variante sieht dabei vor, dass der Wärmetauscher eine Vielzahl preiswerter Trinkhalme aufweist. Diese Röhrchen werden mit einer wärmeleitenden und wärmespeichernden Vergussmasse (z. B. mit Feinbeton) zu einem kompakten Speicher/Wärmetauscherblock vergossen. Der Vergussmasse können verschiedenartige Zusätze beigegeben werden, die eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit oder Wärmespeicherfähigkeit bewirken, z. B. Graphit, Siliziumcarbid. Schließlich kann der Wärmespeicher mit PCM-Latentspeichermaterialien in gekapselter Form versetzt bzw. mit Öffnungen zur Aufnahme solcher Materialien ausgestaltet werden.
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Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Diese Beschreibung erfolgt anhand eines Einfamilienhauses. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung ebenso für Anwendungen in Mehrfamilienhäusern oder gewerblichen Objekten geeignet ist.
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Gemäß 1 ist das Speichersystem für den Sonnenkollektor 1 in einen konventionell isolierten wasserführenden Speicher 2 mit höherer Speicherkapazität, höherem Temperaturniveau bei höherer Leistung des Wärmeübertragers 3 und in einen Massivspeicher 4 mit geringerer Speicherkapazität, geringerem Temperaturniveau und geringerer Leistung des Wärmetauschers 5 aufgeteilt. Der Massivspeicherbereich führt gleichzeitig den Wärmeaustausch zur Erwärmung der Frischluft 6 über eingelassene Luft-Kanäle 7 durch. Folglich liegt eine Baueinheit als Frischluft-Wärmetauscher vor, der die Zuluft 8 erwärmt.
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Zur Vermeidung von Feuchteschäden wird der Massiv-Wärmespeicher 4 mit einer diffusionsdichten Kälteisolierung 9 versehen, was im Vergleich zum großen Wasserspeicher 2 mit geringerem Aufwand möglich ist. Dabei ist die Direkteinbindung in den mit Frostschutzmittel gefüllten Solarkreis 16 auch in dem Sinne vorteilhaft, dass der Wärmetauscher 4 bei Außentemperaturen unter 0°C nicht von Frostschäden an den Rohren des Wärmetauschers 5 gefährdet ist.
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Im wasserführenden Wärmespeicher 2 befindet sich das Heizungswasser, welches direkt einen Heizkreis 11 speisen kann. In der Regel sind zusätzliche interne oder externe Wärmetauscher 12 mit einer Kaltwasserzuleitung ”KW” vorhanden, welche die Erwärmung des Warmwassers (Trinkwasser) ermöglichen. Außerdem ist überwiegend eine konventionelle Nachheizmöglichkeit 10 für eine Nachheizung bei nur ungenügender Solarstrahlung am Wärmespeicher 2 angebunden.
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Erfindungsgemäß wird der Massiv-Wärmespeicher 4 bei geringer solarer Einstrahlung und der Wasser-Wärmespeicher 2 bei höherer solarer Einstrahlung beladen. Dies nimmt zum einen den Bezug auf die geringere Leistung des Wärmetauschers 5 gegenüber dem leistungsfähigen Wärmetauscher 3. Andererseits ist das durch die Frischlufterwärmung deutlich geringere Temperaturniveau des Massiv-Wärmespeichers 4 in der Lage, dem Kollektor überhaupt auf dem bei geringster Einstrahlung erreichbarem Temperaturniveau einen Energie-Ertrag zu entnehmen. Der Massiv-Wärmespeicher 4 wird also wesentlich von Solarenergie mit geringer Intensität beladen, welche in konventionellen Solaranlagen ohne erfindungsgemäße Frischlufterwärmung gar nicht oder nur mit geringem Wirkungsgrad nutzbar wäre. Damit werden die Möglichkeiten der Solarthermie zur weitgehenden Abdeckung des thermischen Energiebedarfs für die Raumheizung deutlich erweitert.
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Der Massiv-Wärmespeicher 4 mit Frischlufterwärmung wird in den Regel im Dachbodenbereich 13 angeordnet und erwärmt die üblicherweise über das Dach angesaugte Frischluft 6 im Gegenstrom so weit, dass Sie in die Wohn- und Schlafräume ohne unangenehme Zugerscheinungen über einen Zuluftventilator 14 und einen Filter 15 eingespeist werden kann. Da sich die Zulufträume 17 wie z. B. Schlafzimmer und Kinderzimmer oftmals im Obergeschoss befinden, ergeben sich hier sehr kurze Luftkanalwege, welche auch im Baubestand im Dachbereich in der Regel noch gut installationstechnisch realisierbar sind. Eine Überströmmöglichkeit 18 aus den Zulufträumen 17 in die quer gelüfteten Überströmräume 19 wie Flur und sonstige Wohnräume zu den Ablufträumen 21 ist aus Gründen der Luftverteilung vorteilhaft und vermeidet auch weiteren Kanalaufwand und unnötig große Luftmengen, welche durch Austrocknung der Luft in der Heizperiode den Komfort beeinträchtigen.
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Die so relativ gering gehaltene Abluftmenge 20 aus den feuchtebelasteten Räumen 21 wie Küche und Bad kann mit dezentralen Ventilatoren 22 direkt nach außen geblasen werden. Da der Energiebedarf zur Zulufterwärmung nun weitgehend aus der kostenlosen und umweltfreundlichen Solarenergie erfolgt, kann auf die oft bezüglich des Rohrnetzes aufwendige Rückgewinnung der Abluftwärme verzichtet werden. Hierbei ist auch noch anzumerken, dass schon der kontrollierte Luftwechsel gegenüber gekippten Fenstern gute Einsparmöglichkeiten ergibt. Auch die Gesamt-Einsparung einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung kommt wesentlich aus diesem Effekt. Im Vergleich mit dieser etablierten Lösung kann die erfindungsgemäße Lösung durch die Frischlufterwärmung auch einen vergleichbaren Komfort durch Vermeidung von Zugerscheinungen kalter Luft aus Zuluftventilen einer reinen Abluftanlage liefern. Da die kürzeren Rohrwege auch eine geringere Ventilatorleistung als bei einer Lüftung mit zentralem Wärmetauscher erfordern, werden hier im Vergleich auch positive primärenergetische Effekte durch Einsparung von Lüfterstrom erreicht.
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Die Variante ohne Abluftwärmenutzung hat also den Vorteil, dass nur die wenigen Luftkanäle für die Zuluft verlegt werden müssen. Dies ist demzufolge für den Baubestand die praktikable Möglichkeit, den Energiebedarf für die Lüftungswärmeverluste umweltfreundlich und kostengünstig abzusenken. Die Luftführung zu den Ablufträumen erfolgt nach dem Stand der Technik über spezielle Überströmöffnungen oder Türspalte. Die Zu- und Abluftströme werden nach den geltenden Normen für verschiedene vom Nutzer wählbare Leistungsstufen abgeglichen. Dazu werden Zuluftventilator 14 und Abluftventilatoren 22 auf verschiedene Leistungsstufen abgeglichen. Die Information über die gewählte Schaltstufe wird per Verkabelung oder drahtlos per Funk oder Aufmodulation auf das Stromnetz übertragen.
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Gemäß 2 kann zusätzlich und speziell in einem Neubau die Abluftenergie über eine Wärmepumpe 23 genutzt werden. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn so bei höchstem Dämmstandard der komplette Restwärmebedarf abzudecken ist. Dabei wird vorgeschlagen, auch den Abluft-Wärmetauscher 24 für die Wärmepumpe 23 mit einer Speicherfähigkeit ähnlich dem Zuluftwärmetauscher 4 auszulegen. Dadurch kann die Abluft auch bei Stillstand der Wärmepumpe genutzt werden. Weiterhin sollte der Abluftwärmetauscher 24 so große Luftkanäle 25 haben, dass diese sich bei einer temperaturbedingten Bereifung nicht wie übliche Lamellenwärmetauscher zusetzen. Dadurch wird eine Entwärmung der Fortluft 26 bis auf sehr tiefe Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt möglich, was die nutzbare Entzugsleistung aus der Abluft deutlich erhöht.
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Gemäß 3 wird der Solar-Wärmetauscher 3 bei fehlender Solarstrahlung zeitweise in seiner Funktion umgekehrt, um den Massiv-Wärmespeicher 4 mit kleinerer Kapazität durch eine zusätzliche Entwärmung des Wasserwärmespeichers 2 im unteren Bereich nachzuladen. Durch entsprechende Stellglieder 30 und Pumpen 31 kann der Massiv-Wärmespeicher 4 wahlweise „rückwärts” über den Wärmetauscher 3 aus dem Wasser-Wärmespeicher 2 oder den Sonnenkollektor 1 über den Solarkreis 16 beladen werden. Dabei wird die verbleibende Temperaturdifferenz zwischen dem Taupunkt der Raumluft im Aufstellraum und dem Rücklauf des Heizkreises 11 im Wasserspeicher genutzt, wodurch die Probleme aus einer Kondensatbildung vermieden werden. Die zusätzliche Entwärmung des wasserführenden Speichers 2 erhöht dessen nutzbare Speicherkapazität und später den Solarertrag durch niedrigere Systemtemperaturen.
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Gemäß 4 besteht bei Ausführung des Wärmetauschers 3 als externer Wärmetauscher über entsprechende Stellglieder 27 die Möglichkeit, alternativ den Rücklauf des Heizkreises 11 in Umkehrung der Funktionalität des Wärmetauschers 3 direkt zur Nachheizung des Massiv-Wärmespeichers 4 zu entwärmen. Dies ist insbesondere bei fehlender Sonneneinstrahlung vorteilhaft.
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Gemäß 5 ist der Massiv-Wärmespeicher 4 in mehrere Teilmodule aufgeteilt, wobei in der Zeichnung eine Ausführung mit mindestens zwei Teilmodulen 28 und 29 dargestellt ist. Dies kann der Optimierung der Transportmöglichkeiten und der Deckenbelastung dienen. In weiterer Ausgestaltung kann eine Aufteilung in zwei oder mehr thermisch getrennt beladbare Ebenen in der Form erfolgen, dass die dem Luftaustritt zum Wohnraum zugewandte Ebene 28 durch eine Nachheizung aus dem Wasserspeicher immer eine minimale Zulufttemperatur zur Komfortsicherung garantiert. Die zweite, dem Lufteintritt von außen zugewandte Ebene 29 kann hingegen bis auf Außentemperatur abkühlen. Somit ergeben sich optimale Ertragsbedingungen für den Solarkollektor.
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Eine weitere Ausgestaltung ist möglich, indem mehrere Teilmodule wiederum zu mehreren Teilblöcken zusammengefasst werden, die mit unterschiedlichen Temperaturregelungen betrieben werden. So kann beispielsweise ein Teilstrang mit geringerer Vorheiztemperatur dem Schlafzimmer und Flur sowie ein anderer Teilstrang mit höherer Vorheiztemperatur dem Wohnzimmer und dem Kinderzimmer zugeordnet werden. Ebenso ist es möglich, dass die Teilmodule nicht ausschließlich in Reihe geschaltet werden, sondern zumindest teilweise in Parallelschaltung.
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In vorteilhafter Weise wird der Solarkreis 16 zwischen dem Solarspeicher 2 im Untergeschoss und dem Solarkollektor 1 im Dachbereich so doppelt genutzt, dass der Massivspeicher/Wärmetauscher 28 + 29 im Obergeschoss ohne zusätzliche Leitungen für die Nachheizung aus dem Untergeschoss direkt benutzt werden kann. Die Steuerventile 30 unterbinden wechselseitig den Durchfluss durch den Kollektor 1 oder den Wärmetauscher des Wasserspeichers 3 so, dass die Ladepumpe 31 zusammen mit den Umschaltventilen 32 eine Beladung des Massiv-Wärmespeichers 28 + 29 nach der oben beschrieben Funktionalität ermöglicht. Dabei ist hier ein Rückschlagventil 33 vorteilhaft.
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Gemäß 6 besteht der Massiv-Wärmespeicher 4 mit Wärmetauscherfunktion aus einer Vielzahl von Kanälen 7 für Frischluft mit einem geringen Durchmesser von 4 bis 10 mm und aus Wärmetauscherrohren 5, die mit einer wärmeleitenden und wärmespeichernden Vergussmasse (z. B. Feinbeton) 34 zu einem Speicher/Wärmetauscherblock vergossen werden. Für die Luftkanäle 7 können preiswerte und physiologisch unbedenkliche Trinkhalme verwendet werden, welche in Längen bis zu 1 m und im Durchmesser 6 mm handelsüblich sind.
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Der Vergussmasse 34 können Zusätze zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit oder Wärmespeicherfähigkeit beigegeben werden. Ebenso können in vorteilhafter Weise PCM-(Latentwärmespeicher) Materialien 35 mit auf die gewünschte Zuluft-Temperatur angepasstem Phasenwechselpunkt in gekapselter Form 36 beigegeben werden bzw. solche Materialien durch geeignete Aussparungen 37 oder an der Oberfläche im Wärmetauscher/Speicherkörper 4 angebunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonnenkollektor
- 2
- wasserführender Wärmespeicher
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Massiv-Wärmespeicher
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Frischluft
- 7
- Luftkanäle
- 8
- Zuluft
- 9
- diffusionsdichte Kälteisolierung
- 10
- Nachheizmöglichkeit
- 11
- Heizkreis
- 12
- Wärmetauscher mit Kaltwasserzuleitung ”KW”
- 13
- Dachbodenbereich
- 14
- Zuluftventilator
- 15
- Filter
- 16
- Solarkreis
- 17
- Zuluftraum (Schlafzimmer, Kinderzimmer usw.)
- 18
- Überströmmöglichkeit
- 19
- Überströmraum (Flur usw.)
- 20
- Abluftmenge
- 21
- Abluftraum (Bad, Küche usw.)
- 22
- Abluftventilator
- 23
- Wärmepumpe
- 24
- Abluft-Wärmetauscher
- 25
- Luftkanäle
- 26
- Forttluft
- 27
- Stellglied
- 28
- Teilmodul des Massiv-Wärmespeichers
- 29
- Teilmodul des Massiv-Wärmespeichers
- 30
- Stellglied
- 31
- Pumpe
- 32
- Umschaltventil
- 33
- Rückschlagventil
- 34
- Vergussmasse
- 35
- Latentwärmespeichermaterial
- 36
- Materialkapselung
- 37
- Aussparung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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