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Heizverfahren für Gebäude sowie Gebäude
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen von
Gebäuden, wobei Wärme über ein im wesentlichen schichtförmiges in Begrenzungsteilen
des Gebäudes, wie Wänden, Böden und Decke, vorgesehenes Element zugeführt wird,
und ein im Hinblick auf die Durchführung dieses Verfahrens gestaltetes Gebäude.
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Der wichtigste Nachteil bei konventionellen Systemen für Zimmerbeheizung
mit Sonnen- und Himmelstrahlung - d.h. Systemen mit flachen Sonnenwärmesammlern
zur Beheizung von Wasser oder Luft, einem Wärmereservoir in einem Wassertank oder
in Stein und Übertragung der Wärme auf die Zimmer mittels Radiatoren oder durch
umlaufende Luft - ist der schlechte Wirkungsgrad. Dies ist darauf zurückzuführen,
dass der Sonnenwärmesammler die Wärme auf einem bedeutend über der erwünschten Zimmertemperatur
liegenden Temperaturniveau sammeln muss, damit es möglich wird, Wärme an
die
Zimmerluft abzugeben; und damit das Wärmereservoir räumlich nicht zu aufwendig wird,
muss das Temperaturniveau weiter erhöht werden. Beispielsweise kann bei einem System
mit Wasser als Spei cherungs- und Transportmittel nur Wärme mit Temperaturen über
300C ausgenützt werden, damit die Radiatoren in den Räumen nicht allzu grosse Flächen
aufweisen müssen. Dies bedeutet nun, dass der Temperaturunterschied zwischen dem
Absorbator im Sonnenwärmesammler und der Aussentemperatur hoch sein muss, damit
ausnützbare Wärme gesammelt werden kann. In einem üblichen, flachen Sonnenwärmesammler
für Wasserbeheizung mit zwei Glasschichten vor dem Absorbator ist der Wärmeverlust
vom Absorbator an die Aussenluft durchschnittlich etwa 3 W/m2PC.
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Bei einer Aussentemperatur von 0°C und 20% Reflektion und Absorption
der Strahlung in den Glasschichten muss die Sonnen-und Himmelstrahlung somit eine
Intensitatyuber 150 W/m2 aufweisen, damit es überhaupt möglich wird, Teile der Strahlung
auszunützen. Dies bedeutet, dass die Himmelstrahlung bei bewölktem Himmel kaum ausgenützt
werden kann und dass nur direkte Sonnenmit hoher Intensität strahlung/mlt einem
brauchbaren Wirkungsgrad ausgenützt werden kann, wenn man auch in Betracht nimmt,
dass die Temperatur weiter erhöht werden muss, falls das Reservoirvolumen nicht
unakzeptabel werden soll. In Ländern, wo einen gross /der Sonnenenergie als crsität
Strahlen niedri / auftritt, weisen derartige Systeme somit einen sehr niedrigen
durchschnittlichen Wirkungsgrad auf.
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Es ist bekannt, dass das obenerwähnte Problem derart gelöst werden
kann, dass man den Sonnenwärmesammler mit dem Verdampf er einer Wasserpumpe verbindet
und in gewissem Aussmass auch durch Einsatz von Salzen mit Schmelzpunkt von etwa
30 0C zur Wärmespeicherung oder durch selektive Beläge an den Glasscheiben und Absorbatoren
und Vakuum im Sonnenabsorbator. Alle erwähnten Lösungen sind indessen kostspielig,
und der Wärmepumpe muss ausserdem hochwertige Energie für ihr Funktionieren zugeführt
werden, während Wärmespeicherung mit Salzen im praktischen Fall schlecht funktioniert,
weil die Salze untergekühlt werden und unstabile Schmelzpunkte aufweisen.
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Der Hauptzweck der Erfindung ist somit die Schaffung eines Verfahrens,
welches ermöglicht, Formen von Wärme mit niedriger Temperatur zur Beheizung von
Wohnzimmern, d.h. Zimmern mit einer Temperatur von etwa 20°C, auszunützen.
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Erfindungsgemäss kann dies durch das im Hauptanspruch angegebene
Verfahren erzielt werden. Grundsätzlich lässt sich dieses Verfahren mittels eines
in einem oder mehreren Begrenzungsteilen des Gebäudes vorgesehenen Wärmeaustauscher
durchführen. Das Verfahren wird indessen besonders vorteilhaft, falls Wärmeenergie
mittels eines Heizmittels mit einer Temperatur unter etwa 200C zugeführt wird. Besonders
vorteilhaft wird das Verfahren, falls Wärme direkt von einem Sonnenwärmeabsorbator
und/oder Wärmereservoir, welchem Sonnenwärme zugeführt wurde, zugeführt wird.
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Die Erfindung löst das Problem des niedrigen Wirkungsgrades in der
Sammelphase indem sie es ermöglicht, Wärme auf einem niedrigeren Temperaturniveau
als bisher möglich, ohne Einsatz einer Wärmepumpe zu sammeln und auszunützen. Die
Erfindung ermöglicht grundsätzlich das Ausnützen von Wärme bis wenige OC über der
niedrigsten Aussentemperatur im Winter. Im praktischen Fall wird es indessen nur
infragekommen, Sonnenwärme mit etwas höherer Temperatur auszunützen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren basiert sich auf folgende Erkenntnis:
In opaken Wänden, Decken oder Böden, welche eine Trennwand zwischen der Zinmerluft
und der Aussenluft bilden, herrscht üblicherweise ein Temperaturgefälle von etwas
unter der Raumtemperatur an der Innenfläche bis zu etwas über der Aussentemperatur
an der Aussenfläche, wenn es draussen kälter als drinnen ist. In einer bestimmten
Schicht der Konstruktion bei einer bestimmten Raum- und Aussentemperatur herrscht
eine bestimmte zwischen diesen Temperaturen liegende Temperatur. Falls dieser Schicht
thermische Wärme mit einer höheren Temperatur als diese bestimmte Temperatur, beispielsweise
von einem Sonnenwärmesammler oder Wärmespeicher zugeführt wird, sinkt der Wärmestrom
von der Raumluft ab. Der Wärmeverlust von den Aussenflächen der Konstruktion wird
zunehmen, dies kann jedoch in Kauf genommen werden, wenn die zugeführte Wärme anderswie
schlecht ausnützbar ist.
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Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung eines zur Durchführung
des Verfahrens einsetzbares Gebäude. Ein derartiges Gebäude soll ausserdem derart
gestaltet sein, dass es dazu imstande ist, die in sonnenreichen und/oder warmen
Perioden übrigbleibende Wärmeenergie zu speichern, damit diese Energie niedriger
Temperatur zur Beheizung des Gebäudes an einem späteren Zeitpunkt
ausgenützt
werden kann.
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Erfindungsgemäss lässt sich das Verfahren bei einem laut Anspruch
4 gestalteten Gebäude vorteilhaft durchführen. Dieses Gebäude wird besonders vorteilhaft,
falls der Leiter des Wärmemittels eine Spalte oder Kanäle für Luftzufuhr aufweist,
welche zwischen Schichten aus dem thermisch isolierenden Werkstoff in einem oder
mehreren der Begrenzungsteile des zu beheizenden Raumes vorgesehen sind. Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung eines wärmeabgebenden Elementes, welches zusammen
mit einem Werkstoff mit hoher Wärmekapazität in dem bei dem wärmeabgebenden Element
herrschenden Temperaturbereich vorgesehen ist.
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Dieser Werkstoff ist dabei imstande, Wärmeenergie in Perioden mit
ftberschusswärme zu akkumulieren, um diese Energie abzugeben, wenn die Wärmezufuhr
von aussen abnimmt.
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Ein derartiges Gebäude kann für mehr umfassende und anhaltende Speicherung
von Überschusswärme verwendet werden, weil es über eine Massenschicht aufgebaut
ist, die als Wärmespeicher für absorbierte Sonnenwärme dienen kann und mit durchgehenden
Poren oder Hohlräumen zur Luftdurchblasung versehen ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung hervor, wo die Figuren
1 bis 6 Schnitte durch unterschiedliche bei einem erfindungsgemässen Gebäude verwendbare
Wände darstellen, Figur 7 ein Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäss gestaltetes
speicherndes Fundament, ist, Figur 8 ein zur Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens gestaltetes Beheizungssystem, Figur 9 einen Vertikalschnitt durch ein
in Ubereinstimmung mit der Erfindung gestaltetes Gebäude, Fig. 10a einen Vertikalschnitt
durch eine alternative Gestaltung des Gebäudes, wo ein Wärmereservoir vorliegt,
Fig. lOb einen vergrösserten Ausschnitt des Gebäudes laut Fig. 10a und Fig. 10 einen
Horizontalschnitt durch das Wärmereservoir
eines dem Gebäude laut
Fig. 10a entsprechenden Gebäude darstellt.
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In Figur 1 ist eine Wandkonstruktion dargestellt, wo zwischen einer
äusseren Isolationsmaterialschicht 11 und einer inneren Isolationsmaterialschicht
12, die mit Latten 13 in gegenseitigem Abstand gehalten werden1 eine Luft spalte
14 vorgesehen ist.
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In den Figuren 2 und 3 sind zwei denjenigen der Fig. 1 entsprechende
Wände dargestellt, wo die Latten 13 durch zwei flächenförmige Elemente 15 bzw. 15'
ersetzt sind, die längslaufende Kanäle 16 bzw. 16' mit unterschiedlichem Durchmesser
und gegenseitigem Abstand aufweisen. Die Tafeln 15 und 15' können aus Holzfasern
oder Beton hergestellt sein.
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In der in Fig. 4 dargestellten Wand ist eine Luftspalte 17 zwischen
zwei Schichten 18 bzw. 19 aus einem Werkstoff mit verhältnismässiJ hoher Wärmekapazität
abgegrenzt. In Wänden, die in Übereinstimmung mit den Figuren 2 bis 4 gestaltet
sind, erfolgt somit eine gewisse Wärmespeicherung. Diese Möglichkeit der Wärmespeicherung
kann weiter erhöht werden, fass die Wand wie in Fig. 5 dargestellt gestaltet wird,
wo ein Element eingesetzt ist, welches aus zwei Tafeln 20 und 21 aus einem Werkstoff
mit hoher Wärmekapazität besteht, die zwischen sich eine Reihe von parallelen Rohren
23, ebenfalls aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und für Luftdurchgang
vorgesehen, aufnehmen, wobei der Zwischenraum zwischen den Tafeln 20 und 21 und
den Rohren 23 mit einem Salz 22 mit geeigneten Schmelzpunkt gefüllt ist.
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Falls eine Flüssigkeit, z.B. Wasser, oder ein Gas mit Phasenänderung
in dem infragekommenden Temperaturbereich verwendet wird, kann das Wärmemittel durch
Rohre 24 aus Metall, die mit einem Metallblech 25 verbunden sind, geleitet werden,
wie in Fig. 6 dargestellt. Das wärmeabgebende Element ist in diesem Fall in einer
Schaumkunststoffisolation eingebettet.
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In den obenerwähnten Beispielen sind Schnitte durch Wandteile dargestellt,
indem Böden und Decken eine entsprechende Gestaltung aufweisen können. In Fensterbereichen
ist es natürlich, den Zwischenraum zwischen den Glasscheiben bei Fenstern mit mehreren
Glasscheibenschichten für die Zufuhr von Luft oder anderen Gasen auszunützen. Die
Wårmezlfuhr kann dabei auch das Problem der niedrigen Oberflächentemperatur der
inneren Glasscheibe lösen, wenn die Aussentemperatur sehr niedrig ist. In Sonnenwärmesammlern
zur
Lufterwärmung kann die Luftspalte zwischen dem Absorbator und den Glasschichten
im Sonnenwärmesammler an sich auch als die Schicht, der Wärme mit niedriger Temperatur
aus einem Wärmespeicher zugeführt wird, dienen. In Sonnenwärmesammiern für Wassererwärmung
kann der Absorbator an sich dieselbe Funktion haben.
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In dem Untergrund zuwendenden Böden kann die Schicht wie erwähnt
wie für Wände und Decken gestaltet sein, aber hier wäre einer der wichtigsten Vorteile
des erfindungsgemässen Verfahrens auszunützen, nämlich die Möglichkeit, das Fundament
unter dem Gebäude zur Wärmespeicherung über längere Zeit auszunützen.
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Bei konventionellen Sonnenbeheizungssystemen mit Wärmespeicherung
in Wasserbehältern oder wärmeisolierten mit Stein oder Salzen gefüllten Räumen,
ist die Wärmespeicherung über längere Zeit, z.B.
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vom Sommer bis zum Winter, unwirtschaftlich, weil das Wärmereservoir
enorme Abmessungen haben mUsste, falls Wärmemengen von Bedeutung für den Beheizungsbedarf
auf dem Temperaturniveau bei welchem ein brauchbarer Wirkungsgrad bei flachen Sonnenwärmesammlern
erzielbar ist, gespeichert werden sollen. Der Einsatz des Grundes unter dem Gebäude
zur Wärme speicherung über längere Zeit ist für konventionelle Sonnenbeheizungssysteme
vorgeschlagen worden, hat sich indessen als unbrauchbar erwiesen, weil zu viel Wärme
auf ein zu niedriges Temperaturniveau durchdiffundiert um ohne Einsatz einer Wärmepumpe
rückgewonnen und ausgenützt zu werden.
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Bei dem Verfahren zur Ausnützung von Wärme mit niedriger Temperatur
für das hier um Patentschutz angetragen wird, kann dagegen Wärme mit der gleichen
gleichbleibenden Temperatur, die wenige Meter im Grund unter unbepflanzter Erde
vorliegt, ausgenützt werden. Diese Temperatur entspricht annähernd dem Jahresdurchschnitt
der Lufttemperatur am Ort. Das bedeutet, dass das Durchdiffundieren der Wärme nicht
entscheidend ist. Der beschränkende Faktor ist dabei der Wärmeaustausch zwischen
dem Sonnenwärmesammler und dem Grund und zwischen dem Grund und der Wärme zuzuführenden
Schicht. Deshalb wäre die ganze Schicht gegen den Untergrund als Wärmeaustauschfläche
mit dem Untergrund auszuführen.
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Weil aber die Grundfläche oft nicht gross genug ist, um Wärme von
der Sonnen- und Himmelstrahlung, die üblicherweise über kurze Perioden von 4 bis
5 Stunden einstrahlt, zu absorbieren und übertragen, müssen die Wärmeübertragungsflächen
erweitert werden.
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Falls Luft als Transportmittel verwendet wird, lässt sich dies am
einfachsten derart durchführen, dass die Luft durch eine Stein-oder Kiesschicht
in der Schicht, die zum Absorbieren und Speichern der vom Sonnenwärmesammler gelieferten
Wärme von dem einen Tag zum nächsten abgemessen ist, geblasen wird. Dieses kurzzeitige
Wärmereservoir sorgt dann für einen gleichmässigeren Wärmestrom über Tag und Nacht
in den Grund.
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Ein Beispiel einer derartigen Bodengestaltung ist in Fig. 7 dargestellt,
wo unter einem flächenförmigen Bodenelement :28 eine Isolationsschicht 29 und unter
jener, über dem eigendlichen Fundament 30 des Gebäudes, eine verhältnismässig starke
Schicht 31 aus groben Körnern eines Werkstoffes mit hoher Wärmekapazität, wie Kies
und kleine Steine, vorgesehen ist. Bei dieser Gestaltung wird es möglich, Luft durch
die Speicherschicht 31 zu blasen, damit diese Wärme an die Schicht 31 abgibt oder
später Wärme rückgewinnt. Alternativ oder zusätzlich können Kanäle oder Rohre für
Umwälzung eines geeigneten Wärmemittels in den Grund eingegraben werden. Es ist
auch möglich, die Speicherschicht 31 mit Wasser zu füllen, das dann sowohl als Speicherungsmittel
und als Wärmemittel verwendet werden kann.
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Das niedrige Temperaturniveau auf welchem die Wärme ausgenützt werden
kann, eröffnet viele Möglichkeiten einer funktionellen Integration und Überlappung
von Sonnenbeheizungssystemen und baumässigen Funktionen. Die Schicht, welcher Wärme
zugeführt wird, lässt sich zu sekundären Räumen, wie Aufbewahrungsräume, Lager,
Keller, Gänge, Treppenräume, Aufenthaltsräume mit geringer Verwendungsfrequenz und
periodischer Beheizung und Räume für technische Installationen und Ausrüstung u.s.w.
erweitern. Der Sonnenwirmesammler an sich lässt sich ebenfalls verwendbare Räume
, wie Wintergarten, Gewächshaus, eingebaute Terrasse oder eingebauten Balkon, abgedecktes
Atrium, abgedecktes Verkehrs-und Gewimmel"-Areal u. s.w. erweitern, wobei derartige
Räume gleichzeitig als die Schicht dienen, der Wärme mit niedriger Temperatur aus
einem Wärmespeicher in Perioden ohne Sonnen- oder Himnelstrahlung zugeführt wird.
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Ein Sonnenbeheizungssystem zur Ausnützung von Wärme mit niedriger
Temperatur kann grundsätzlich wie ein konventionelles System aufgebaut werden, jedoch
mit dem Unterschied, dass gesammelte Wärme Schichten in den äusseren Konstruktionen
anstatt direkt
den Zimmern zugeführt wird. In Fig. 8 ist ein derartiges
System schematisch dargestellt. Es umfasst einen Sonnenwärmeabsorbator oder Sonnenbeheizer
32, einen Wärmespeicher oder ein Wärmereservoir 33 und ein Gebäude 34 mit einem
zu beheizenden Zimmer 35. Das Gebäude ist in diesem Beispiel mit Wänden der in Fig.
1 dargestellten Art gezeigt.
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In Perioden mit verwendbarer Sonnen- und Himmelstrahlung und ohne
Beheizungsbedarf für das Zimmer 35 wird Wärme vom Sonnenwärmesammler 32 durch den
Wärmespeicher 33 und zurück zum Sonnenwärmesammler durch ein Einwegventil 36 umgewälzt.
In Perioden ohne ausnützbare Strahlung und Beheizungsbedarf wird Wärme vom Wärmespeicher
33 zur Schicht 14 in der Wand des Gebäudes 34 und zurück zum Wärmespeicher umgewälzt.
Die Auslaufleitung 37 vom Sonnenwärmesammler 32 und die Zufuhrleitung 38 zum Gebäude
34 sind über ein Ventil 40 mit der Einlaufleitung 39 zum Wärmespeicher verbunden.
Entsprechend sind die Rücklaufleitung 41 vom Gebäude und die Rücklaufleitung 42
zum Sonnenwärmesammler 32 über ein Ventil 44 mit der Auslaufleitung 43 vom Wärmespeicher
33 verbunden. Die Ventile 40 und 44 sind Dreiwegventile. In der Auslaufleitung 41
vom Gebäude 34 ist ein Einwegventil 45 eingeschaltet, welches in der gleichen Weise
wie dus Einwegventil 36 Rücklauf durch die Rücklaufleitung 42 zum Sonnenwärmesammler
32 hindert, auch Rücklauf hindert.
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In Perioden mit sowohl ausnützbarer Sonnen- und Himmelstrahlung,
die gespeichert werden kann, und Beheizungsbedarf, wird ein Teil der Wärme vom Sonnenwärmesammler
32 durch den Wärmespeicher 33 und ein anderer Teil durch die Schichten 14 im Gebäude
34 und zurück zum Sonnenwärmesammler umgewälzt. In Perioden mit Beheizungsbedarf
und mit ausnützbarer Wärme von der Sonnen-und Himmelstrahlung, die aber zu niedrige
Temperatur um dem Speicher zugeführt zu werden hat, kann die Wärme direkt vom Sonnenwärmesammler
32 durch das Gebäude 34 umgewälzt werden. Und als letzte und fünfte Alternative
kann die dem Sonnenwärmesammler direkt zugeführte Wärme, wenn sie nicht für den
gesamten Beheizungsbedarf ausreicht, zusammen mit Wärme aus dem Wärmespeicher 33
durch das Gebäude umgewälzt werden. Ausser den dargestellten Hauptteilen und Leitungen
und Ventilen umfasst das System auch Transportmittel, wie Pumpen bekannter Gattung.
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Das oben beschriebene System ist technisch das bisher
meist
wirksame. Das Sonnenbeheizungssystem kann vereinfacht und preiswerter gemacht werden,
wenn man es in einer zweckmässigen Weise mit Gebäudefunktionen integriert. Ein derartiges
integriertes Luft als Transportmittel für Wärme ausnützendes System ist in Fig.
9 schematisch dargestellt. In diesem System werden Wände und Dachkonstruktionen
wie in Fig. 1 dargestellt verwendet. Die Luftschicht 13 in der Wand wirkt dabei
als kombinierter Zufuhrkanal und Wärmeabgeber. Hier ist ein Sonnenwärmesammler 46
an der einen Dachhälfte des Gebäudes vorgesehen. Die Luftschicht 47 hinter dem Glas
48 des Sonnenwärmesammlers 46 wirkt gleichzeitig als Beheizungsschicht. Erwärmte
Luft wird vom Sonnenwärmesammler 46 zum obersten Bereich des Gebäudes geleitet,
wo sie mittels eines Gebläses 49 durch einen oder mehrere mittige Kanäle 50 zum
Boden des Gebäudes geführt wird, wo die erwärmte Luft durch Luftschichten 13 im
Boden t'es Gebäudes und dann in Wänden und im Dach umgewälzt wird. Dieses System
hat zwei Wirkungsweisen, nämlich mit oder ohne umgewälzte Luft.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Gebäude der Fig.
9 Boden, Wand- und Dachkonstruktionen der in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Art
aufweisen, wo es Speicherungsmöglichkeiten für die Wärmeenergie gibt.
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In den Figuren 10a bis 10c ist eine abgeänderte Ausführungsform des
Gebäudes laut Fig. 9 dargestellt, wo unter dem Boden ein Kurzzeit-Wärmespeicher
aus Stein oder Kies 51 vorgesehen ist. Der mittige Kanal 50' st hier in die Steinschicht
51 hinabgeführt und zweckmässig gestaltet, damit die zugeführte warme Luft gleichmässig
durch die Steinschicht verteilt und diese überall auf eine ziemlich gleichartige
Temperatur erwärmt wird. Zur Vermeidung unnötiger Wärmeverluste und Überhitzung
der Schichten, wenn starke Sonnen- und Himmelstrahlung vorhanden ist, können Ventile
oder Klappen zur Regelung des Luftstromes eingesetzt werden. In Fig. 10b ist bei
52 eine Klappe dargestellt, die zum Ausschalten der Luftzufuhr zu unterschiedlichen
Wand- und Dachteilen des Gebäudes benutzt werden kann. Diese Klappe 52 kann beispielsweise
die Umwälzung zu Schichten 13 die nach Nord, Ost oder West wenden unterbinden, während
die Luft unbehindert durch die nach Süd wendende Schicht 13 zum Sonnenwärmesammler
46 strömen kann. In Fig. 10c ist dargestellt, wie die Luft durch die Steinschicht
51.mittels Trennwänden 53 verteilt werden kann. Bei
einer abgeänderten
Ausführungsform kann dieses Beheizungssystem weiter verbessert werden, indem ein
getrennter Zufuhrkanal 54 zwischen dem Wärmespeicher 51 und dem Sonnenwärmesammler
46 (Fig. 10c) vorgesehen wird. Durch Ausschalten des Luftstromes von der südlichen
Wand, kann die Luft vom Sonnenwärmesammler 46 ausschliesslich zum Beheizen des Wärmespeichers
51 verwendet werden, indem die Luft durch den Kanal 54 umgewälzt wird.
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L e e r s e i t e