DE2443029A1 - Durch sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares gebaeude - Google Patents

Durch sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares gebaeude

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Description

  • Durch Sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares Gebäude Die Erfindung betrifft ein durch Sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares Gebäude, insbesondere Wohnhaus. Daß sich Sonnenenergie zur Beheizung von Gebäuden verwenden läßt, ist seit langem bekannt (vgl. US PS 246 626). Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Systeme zur Klimatisierung von Gebäuden vorgeschlagen (vgl.
  • Polar Energy Utilization for Heating and Air Conditioning R.R. Avezov, S.M. Lukomkii and K.A. Shafeeva, Geliotekhnika, Vol. 8,No. 4, pp. 64 - 74, 1972, UDC 662.997:662.9).
  • Bei dem einen System wird die Sonnenenergie zur winterlichen Heizung und sommerlichen Warmwasserbereitung verwendet. Bei einem weiteren System, das mit Wärmepumpen arbeitet, wird die Sonnenenergie zur Heizung,Warmwasserbereitung und Kühlung verwendet.
  • Ein anderes System entfeuchtet und kühlt die Luft im Gebäude.
  • Ein weiteres System führt durch eine geeignete Verglasung des Gebäudes zu einer Beheizung.
  • Klimatisierungssysteme der obengenannten Art sind für eine befriedigende Wirkungsweise auf eine hohe durchschnittliche Sonneneinstrahlung angewiesen. In Gebieten mit relativ geringer Sonneneinstrahlung, beispielsweise in gemäßigten Breiten, sind derartige Systeme unwirtschaftlich, da ihr Wirkungsgrad gering ist.
  • Grundsätzlich ist aber auch in den gemäßigten Breiten, beispielsweise Mitteleuropa, die Energie der Sonneneinstrahlung groß genug, um ihre Ausnutzung zur Gebäudeklimatisierung unter Verwendung bekanntgewordener Verbesserungen wirtschaftlich erscheinen zu lassen.
  • In der Zeitschrift "Umwelt" des VDI-Verlages, Düsseldorf, Ausgabe 6/72, Seite 53 bis 58, H. Moesta, "Heizen, Kühlen durch Sonne und Weltraum" und in der Zeitschrift "Heizung Lüftung Klimatechnik Haustechnik" des gleichen Verlages, Ausgabe 11/72, Seite 363 bis 369, H. Moesta, Raumheizung und Klimatisierung mit umweltfreundlichen Energiearten" sind Bauelemente beschrieben, mit denen sich die auf eine Oberfläche eingestrahlte Sonnenenergie mit wesentlich verbessertem Wirkungsgrad einsetzen läßt.
  • Grundsätzlich wird hierfür davon ausgegangen, daß die normalerweise auftretende, im Ultrarot-Bereich liegende Abstrahlung der im sichtbaren Bereich eingestrahlten Sonnenenergie weitestgehend verhindert werden muß. Dies ist mit sogenannten thermischen Gleichrichtern möglich. Es ergibt sich also durch Vermeidung der insbesondere nächtlichen Abstrahlung eine Temperaturzunahme durch Summierung der Einstrahlungsenergie. Ein Umkehren des thermischen Gleichrichters bietet die Möglichkeit der Gebäudekühlung. Es wird in diesem Fall durch Reflexion die Energieeinstrahlung weitestgehend verhindert und die Temperaturabnahme durch die aufeinanderfolgenden nächtlichen Abstrahlungszeiten erreicht. Darüber hinaus ist in den Literaturstellen auch ein umschaltbares, thermisches Gleichrichterbauelement beschrieben.
  • In den genannten Literaturstellen sind super schwarze" Oberflächen beschrieben, die zwar 100 % der Sonneneinstrahlung aufnehmen, jedoch im wesentlichen keine Wärme durch Ultrarot-Strahlung abgeben und damit mehrere hundert Grad Celsius (z.Zt. 500 bis 600 OC) heiß werden können, ehe - ohne künstlichen Wärmeentzug - der Gleichgewichtszustand zwischen Absorption und Emission (a/e = 1) erreicht wird. Bei dem normalen schwarzen Körper liegt die max. erreichbare Temperatur (Gleichgewichtszustand a/e = 1) bekanntlich bei 150 OC.
  • Weiterhin sind in diesen Literaturstellen 'superweiße" Oberflächen erwähnt, die einerseits die Eigenschaft haben, das Sonnenlicht fast vollständig zu reflektieren (a/e -, s 0) und andererseits z.B.
  • auf konvektivem bzw. wärmeleitendem Wege zugeführte Wärmeenergie in Form von Ultrarot-Strahlung abgeben können und damit praktisch keine Temperaturzunahme erfahren, d.h. sie bleiben selbst bei Wärmezufuhr durch Konvektion oder auf wärmeleitendem Wege in etwa so kalt wie ohne merkliche Sonneneinstrahlung. Die superschwarze Oberfläche eignet sich aufgrund der genannten Eigenschaften insbesondere zur Gebäudeheizung, die superweiße insb. zur Gebäudekühlung.
  • In den Literaturstellen werden diese beidenSchichten nach dem Entdecker auch als Meinelschichten bezeichnet und weiterhin Kombinationen von weißen und schwarzen Dachschichten, die eine Kühlung des Gebäudeinneren bewirken, beschrieben.
  • Fernerhin sind aus der Weltraumfahrt Solarzellen, das sind Halbleiterelemente, an künstlichen Satelliten bekannt, die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, die u.a. zu Heiz- und/oder Kühlzwecken benutzt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gebäude vorzuschlagen, das schon von seiner geometrischen Gestaltung her den jahreszeitlichen Sonnenstrahlungsbedingungen so angepaßt ist, daß sich die Sonneneinstrahlung nach den jeweiligen Bedürfnissen unterschiedlich verwerten läßt.
  • Ein erfindungsgemäßes Gebäude ist dadurch gekennzeichnet, daß dieses mit einem Dachgeschoß versehen ist, dessen eine Dachfläche einen steileren Neigungswinkel aufweist als eine andere, wobei in nördlichen Breiten der steilere Neigungswinkel etwa dem winterlichen Mittags-Sonneneinfallwinkel entspricht, in Südrichtung weist und für die Sonneneinstrahlung als Kollektor ausgelegt ist, während die andere Dachfläche als Reflektor für die Sonneneinstrahlung ausgebildet ist.
  • Im Winter, das heißt bei niedrigem Sonnenstand, wird die als Kollektor ausgebildete steilere Dachfläche im wesentlichen senkrecht von der Sonneneinstrahlung beaufschlagt. Die Sonnenenergie kann dadurch optimal zur Beheizung des Gebäudes ausgenutzt werden. Im Sommer, d.h. bei mittags hohem Sonnenstand, fällt die Sonneneinstrahlung hauptsächlich auf die andere Dachfläche mit dem flacheren Neigungswinkel, von der sie reflektiert wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die steilere Dachfläche mit einem superschwarzen und die flachere Dachfläche mit einem sußerweißen Belag zu versehen. Die super schwarze Fläche führt bei der Beheizung zu einem günstigen Wirkungsgrad,da sie eine Abstrahlung von Energie im Ultrarotbereich selbst bei hohen Temperaturen weitgehend vermeidet. Die ultraweiße Fläche ergibt, insbesondere im Sommer, einen Kühleffekt, da sie einerseits Sonnenstrahlung fast vollständig reflektiert und andererseits Wärme, die ihr vom Gebäudeinneren zugeführt wird, ultrarot abzustrahlen vermag.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Dachflächen durch eine oder mehrere verstellbare Hilfsflächen abdeckbar zu machen. Mit solchen Hilfsflächen läßt sich beispielsweise die flachere Dachfläche mit dem superweißen Belag im Winter, wenn eine Kühlwirkung nicht erwünscht ist, abdecken. Im Sommer läßt sich die steilere Dachfläche mit dem super schwarzen Belag ganz oder teilweise verdecken.
  • Gleichzeitig eignen sich die Hilfsflächen in bestimmten Stellungen als Windschutz und zur Beschattung von an das Gebäude angrenzenden Bereichen. Die Hilfsflächen selbst können ebenfalls mit einem superschwarzen bzw. superweißen Belag versehen sein. Auch können die unterschiedlichen Beläge auf unterschiedlichen Seiten der Hilfsfläche angeordnet sein.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Dachgeschoß auf dem unteren Gebäudegeschoß drehbar gelagert. Hierdurch können die Dachflächen in eine gewünschte Lage gegenüber dem tages- bzw.
  • jahreszeitlichen Sonnenstand gebracht werden.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, die Drehung bzw. Verschwenkung des Dachgeschosses in Abhängigkeit vom wandernden Sonnenschatten durch an sich bekannte Mittel zu steuern.
  • Weitere Ausgetaltungen und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung und den Unteransprüchen.
  • In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes Wohnhaus, Figur 2 verschiedene Sonnenstände für gemäßigte nördliche Breiten, Figur 3 schematisch die Erdbahn und die Richtung der Sonneneinstrahlung im Winter und im Sommer.
  • Auf einem Erdgeschoß 1 eines Wohnhauses ist ein Dachgeschoß 2 drehbar gelagert. Die Drehachse ist mit 3 bezeichnet. Das nach geschoß 2 weist zwei DachflAchen 4 und 5 auf. Die Dachfläche 5 ist steiler als die Dachfläche 4. Ihr Neigungswinkel 6 entspricht dem winterlichen Mittags-Sonneneinfallwinkel 7 (vgl. Fig. 2 und 3) in der Weise, daß sich beide Winkel möglichst zu 90 Grad ergänzen. Hierdurch ist gewährleistet, daß zur kalten Jahreszeit (exakt bei der Wintersonnenwende) die Sonne die Dachfläche 5 praktisch senkrecht bestrahlt.
  • Damit auch bei höheren Sonnenständen zur kalten Jahreszeit ein möglichst senkrechter Sonneneinfall erzielbar ist, ist die Dachfläche 5 so verschwenkbar ausgebildet, daß sich ihr Neigungswinkel verkleinern läßt. In Figur 1 ist eine derartige Verschwenkstellung durch unterbrochene Linienführung angedeutet.
  • Um auch in Verschwenkstellungen die Abdichtung des Dachgeschosses aufrechtzuerhalten, sind zwischen dessen Kanten und deren Dachfläche 5 faltenbalgartige Bauelemente vorgesehen.
  • Die Dachfläche 5 ist mit einem super schwarzen Belag versehen und weist eine Teil-Verglasung 8 auf. Die Dachfläche 4 trägt einen superweißen Belag.
  • An den horizontalen Kanten der Dachflächen 4 und 5 sind verstellbare Hilfsflächen 9, 10 und 11 angeordnet. Diese lassen sich im Sinne der eingezeichneten Drehpfeile verschwenken.
  • Die Hilf sflächen 9, 10 und 11 erfüllen verschiedene Funktionen.
  • Einerseits kann mit den Hilfsflächen 9 und 10 die Dachfläche 5 bzw. mit den Hilfsflächen 10 und 11 die Dachfläche 4 vollständig abgedeckt werden. Andererseits lassen sich die Dachflächen 4 und 5 mittels der Hilfsfläche 10 je nach dem Sonnenstand und der gewünschten Sonneneinstrahlung beschatten. Die Hilfsflächen, insbesondere 9 und 11, sind darüber hinaus zur Beschattung und als Windschutz der unter ihnen liegenden Bereiche geeignet. Außerdem können die Hilfsflächen 9 und 10 mit einem geeigneten Belag Sonnenstrahlung auf die Dachfläche 5 spiegeln. . -, Um die für die Verstellung der Hilfsflächen notwendige bzw. bei Wind auftretenden Kräfte zu verkleinern, können die Hilfsflächen als in Rahmen geführte Rolläden oder als Jalousetten ausgebildet sein.
  • Die drehbare Verbindung zwischen dem Erdgeschoß und dem Dachgeschoß kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Dachgeschoß auf einem Drehkranz gelagert ist. Durch das Innere des Drehkranzes sind die Verbindungen zwischen dem Dachgeschoß und dem Erdgeschoß hergestellt. Beispielsweise sind im Inneren des Drehkranzes eine Wendeltreppe und die Installationseinrichtungen geführt.
  • Die Drehbarkeit des Dachgeschosses bringt neben dem bereits genannten Vorteil der Anpassung an den täglichen bzw. jahreszeitlichen scheinbaren Sonnenlauf weitere Vorteile. So ist es beispielsweise möglich, bei Wetterphasen mit Mittagsbewölkung das Dachgeschoß 2 und damit die Dachfläche 5 auf die Vormittags-oder Nachmittagssonne einzustellen. Außerdem läßt sich im Falle der Verbauung das Dachgeschoß und damit die Dachfläche 5 entsprechend umjustieren. Auch für die Reinigung ist die Verdrehbarkeit günstig.
  • Wird beim gezeichneten Ausführungsbeispiel das Dachgeschoß um 90 Grad verschwenkt, dann ist von der Oberseite des Erdgeschosses 1 her die Dachfläche gut zu erreichen.
  • Unterhalb der Beläge der Dachflächen 4 und 5 können vorzugsweise Latent-Wärmespeicher mit Wärmetauschern vorgesehen sein, wie sie beispielsweise in den eingangs genannten Literaturstellen beschrieben sind. Der Speicher der Dachfläche 5 hält die eingestrahlte Wärme zur Beheizung des Gebäudes in sonnenscheinfreier Zeit bereit.
  • Der der Dachfläche 4 zugeordnete Speicher kann Wärme aus dem Gebäude aufnehmen und diese über den superweißen Belag nach außen abführen.
  • Die Funktionsweise ist im wesentlichen folgende: Während der Heizperiode fällt die Sonneneinstrahlung aufgrund der gewählten Gestaltung im wesentlichen auf die superschwarze Dachfläche 5. Diese gibt die Wärme nach innen ab und vermeidet, insbesondere während der Nachtzeit, eine Abstrahlung von Wärme nach außen. Da eine Kühlung in dieser Zeit nicht erwünscht ist, ist die superweiße Dachfläche 4 mittels der Hilfsflächen 10 und 11 abgedeckt, oder es ist der dieser Dachfläche zugeordnete Speicher bzw. der Wärmetauscher abgeschaltet.
  • Nach Beendigung der Heizperiode wird entweder die superschwarze Dachfläche 5 ganz oder teilweise mittels der Hilfsflächen 9 und 10 abgedeckt oder es wird der dieser zugeordnete Speicher bzw.
  • der Wärmetauscher abgeschaltet. Die superweiße Dachfläche 4 kann aus dem Inneren des Gebäudes Wärme nach außen abführen.

Claims (15)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    =================== 1. ) Durch Sonnenenergie mehr bzw. weniger beheizbares Gebäude, insbesondere Wohnhaus, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das Gebäude mit einem Dachgeschoß (2) versehen ist, dessen eine Dachfläche (5) einen steileren Neigungswinkel (6) aufweist als eine andere, wobei der steilere Neigungswinkel (6) etwa dem winterlichen Mittags-Sonneneinfallwinkel (7) entspricht, und daß die steilere Dachfläche (auf der nördlichen Erdhalbkugel) in Südrichtung weist und als Kollektor für die Sonneneinstrahlung und die andere Dachfläche als Reflektor für die Sonneneinstrahlung ausgebildet ist.
  2. 2. Gebäude nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die steilere Dachfläche (4) mit einem superschwarzen Belag versehen ist.
  3. 3. Gebäude nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die flachere Dachfläche mit einem superweißen Belag versehen ist.
  4. 4. Gebäude nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die flachere Dachfläche mit einem kombinierten weißen und schwarzen Belag versehen ist.
  5. 5. Gebäude nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Dach- und Hilfsflächen ganz oder teilweise mit Solarzellen zwecks elektrischer Beheizung bzw. Kühlung des Gehäuses bestückt sind.
  6. 6. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Neigungswinkel der steileren Dachfläche verstellbar ist.
  7. 7. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dachflächen (4, 5) durch eine oder mehrere verstellbare Hilfsflächen (9, 10, 11) abdeckbar sind.
  8. 8. Gebäude nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Hilfsflächen wenigstens auf einer Seite mit einem super schwarzen oder superweißen bzw. aus diesem kombinierten Belag, die beiden letzteren zu Kühlzwecken, versehen sind.
  9. 9. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drehachsen der Hilfsflächen (9, 10, 11) in horizontalen Ebenen liegen.
  10. 10. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Hilfsfläche (10) an der gemeinsamen Kante der steileren und der flacheren Dachfläche und je eine weitere Hilfsfläche (9, 11) an den zu diesen parallelen Kanten der Dachflächen angelenkt ist.
  11. 11. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hilfsflächen als Rolläden ausgebildet sind.
  12. 12. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hilfsflächen als Jalousetten mit in sich verstellbaren und ganz oder teilweise auf unterschiedlichen Seiten unterschiedlich super schwarz und superweiß belegten Lamellen ausgebildet sind.
  13. 13. Gebäude nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Dachgeschoß (2) auf dem unteren Gebäudegeschoß (1) drehbar gelagert ist.
  14. 14. Gebäude nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß im Bereich der Drehachse (3) eine Wendeltreppe und Installationseinrichtungen von dem unteren Gebäudegeschoß (1) in das Dachgeschoß (2) geführt sind.
  15. 15. Gebäude nach Anspruch 13 und 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Drehbarkeit bzw. Verschwenkung des Dachgeschosses (2) in Abhängigkeit vom wandernden Sonnenschatten mit an sich bekannten Mitteln gesteuert wird.
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