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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Frei halten oder Abtauen
von
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Freiflächen von Schnee- und Eisbelag durch Beheizung der Freifläche
mittels eines unter ihr verlegten, von einem die Freifläche erwärmenden Medium unter
der Wirkung einer Umwälzvorrichtung durchströmten Rohrsystems.
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Unter Freiflächen sind dabei Verkehrsflächen, Sportplätze, aber auch
Dächer, einschließlich der Dachrinnen und Landebrücken zu verstehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch als Rohrbegleitheizungsverfahren
und als Unterfrierschutz von Kühlhäusern anwenden.
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Die Beheizung mittels in einer Heizanlage, sei es eine elektrische
oder mittels fester Brennstoffe betriebenen Heizanlage erwärmten Wassers ist außerordentlich
energie- und kostenaufwendig. Zum anderen steht solche Energie auch nicht immer
zur Verfügung oder muß unter hohem'Kostenaufwand an die Stelle gebracht werden,
wo das Freihalten von Schnee- und Eisbelag gefordert wird. Hier setzt die Erfindung
ein und will ein Verfahren schaffen, mit dem es möglich ist, Freiflächen von Schnee-
und Eisbelag unter Einsatz einer im allgemeinen immer zur Verfügung stehenden Wärmequelle
freizuhalten bzw. abzutauen.
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Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß als erwärmendes Medium
Wasser verwendet wird, das dem Grundwasser entnommen, durch das Rohrsystem gepumpt
und anschließend abgeleitet, vorzugsweise wieder in das Grundwasser eingespült wird.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, das zur Freihaltung
von Freiflächen von Schnee- und Eisbelag, aber auch z Abtauen von vorhandenem Schnee
oder Glatteis nur eine Oberflächentemperatur erforderlich ist, die nur wenig über
0°C liegt.
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Grundwasser, aber auch das tiefere Wasser in Flüssen, Seen oder im
Meer weist aber eine Temperatur auf, die im allgemeinen in der Größenordnung von
mindestens 6°, häufig jedoch darüber bis zu 10° liegt.
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Es ist also möglich, aus dem Grundwasser in einer Tiefe, welche sich
aus der Lage und dem Temperaturverlauf des Grundwassers in Abhängigkeit
von
der Entnahmetiefe ergibt, Wasser zu entnehmen, durch das unter der Freifläche verlegte
Rohrsystem zu pumpen und anschließend in das Grundwasser wieder einzuspülen. Dabei
kann man eine oder mehrere Entnahmestellen abhängig von der Größe der freizuhaltenden
Freifläche wählen und das Rohrsystem in an sich bekannter Weise in einen oder mehreren
Kreisen, gegebenenfalls parallel zueinander einsetzen.
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Durch die Wärmeabgabe von dem hochgepumpten Wasser wird die Freifläche
auf einer Temperatur etwas über 03C gehalten. Die Berechnung und Festlegung der
entsprechenden Werte des Rohrsystems erfolgt nach nachstehenden Kriterien: Bemessung
von Rohrdurchmesser und Rohrabstand sowie Durchflußgeschwindigkeit zur Festlegung
der errechneten und notwendigen Durchflußmenge pro Zeiteinheit, um den Antransport
der notwendigen Wärmeeinheiten zu gewährleisten.
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Der-Wärmeverbrauch hängt von den klimatischen Bedingungen, wie Lufttemperatur,
Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchtigkeit, Wärmeübergangswiderstand vom Freiflächenbelag
zur Luft oder zum Schnee- oder Eisbelag von der Wärmeleitfähigkeit der Rohre im
Rohrsystem und des Belages und insbesondere von der Dicke der Oberdeckung der Rohre
durch den Belag ab.
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Selbstverständlich ist es sinnvoll, die Rohre möglichst oberflächennah
zu verlegen, um eine möglichst große Wärmeabgabe des als erwärmendes Medium verwendeten
Wassers aus dem Grundwasser zu erreichen.
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Die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers läßt sich gegebenenfalls
automatisch in Abhängigkeit von der Temperatur des Belages an der Oberfläche und/oder
im Inneren des Belages sowie auch in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen
ändern, so daß die Wärmezufuhr im notwendigen Ausmaß eingeschränkt werden kann.
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Schneefall und Glatteisbildung aus Luftfeuchtigkeit und Kälte ergeben
sich immer im Bereich einer Lufttemperatur von 0°C bis ca. -6 bis -8°C.
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Bei tieferen Temperaturen ist mit Schneefall oder Glatteisbildung
aus
Luftfeuchtigkeit und Kälte nicht mehr zu rechnen. Es braucht
deshalb bei tieferen Temperaturen im allgemeinen nicht geheizt zu werden. Es genügt
deshalb, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung die Durchflußgeschwindigkeit
des Wassers derart geregelt wird, daß sie bei Absinken der Außentemperatur unter
ca. -6°C gerade noch ausreicht, um ein Zufrieren des Rohrsystems zu verhindern.
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Damit kann die Wärmemengenzufuhr und damit die Durchflußmenge des
Wassers auf eine Temperaturdifferenz von -6 bis -10°C auf +1 bis +4"C eingeschränkt
werden, was die Betriebskosten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft zu erniedrigen
gestattet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Beheizung gegebenenfalls automatisch auch so eingestellt werden, daß bei
Unterschreiten einer Lufttemperatur von -6" bis -10°C grundsätzlich darauf verzichtet
wird, die freizuhaltende Freifläche auf einer Temperatur über 0°C zu halten, da
sich bei solchen tiefen Temperaturen kein rutschiger Belag bilden kann. Es ist also
möglich, bei Erreichen von Temperaturen unter -60C das Rohrsystem zu entleeren,
wobei man jedoch bei Wiederanstieg der Temperatur vor dem erneuten Durchleiten des
Wassers das Rohrsystem auf etwas über den Gefrierpunkt des Wassers vorwärmt. Damit
läßt sich erreichen, daß bei Wiedereintreten der für Schnee- und Glatteisbildung
kritischen Temperaturen oberhalb von -10 bis -6°C keine Vereisung des Grundwassers
im Rohrsystem eintreten kann. ie Beheizung des Rohrsystems kann gegebenenfalls elektrisch
erfolgen, beispielsweise also dadurch, daß man das Rohr selbst als Heizwiderstand
verwendet oder es in einem elektrischen Heizdraht einbettet, wenn es aus. einem
entsprechenden, keinen Strom leitenden Kunststoff hergestellt ist. Man kann auch
das Wasser vorheizen, beispielsweise durch Einsatz einer U1-, Gas- oder Wärmepumpenheizung
und mit Hilfe dieses vorgeheizten Wassers die Vorwärmung des Rohrsystems vornehmen.
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Der Wirkungsgrad des Verfahrens nach der Erfindung läßt sich noch
dadurch erhöhen, daß man den Wärmeübergang vom Rohrsystem auf die Freifläche durch
Abdeckung des Rohrsystems mittels eines eingebettete wärmeleitende Partikel enthaltenden
Belages verbessert.
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Um eine unnötige Abstrahlung oder Ableitung von Wärme in das Erdreich
zu verhindern, wird in Fortbildung der Erfindung vorgeschlagen, das Rohrsystem auf
einer Wärmedämmschicht zu verlegen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Röhrenflächenheizung, insbesondere
zur Durchführung des vorstehend geschilderten Verfahrens, deren von einem vorzugsweise
flüssigen Heizmedium durchflossene Röhren schlangen- oder registerförmig sind.
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In der DE-OS 24 42 503 ist eine Flächenheizung beschrieben, mit der
die Aufgabe gelöst werden soll, insbesondere zur Vermeidung des Einsatzes zusätzlicher
Heizvorrichtungen die Röhren so zu verlegen, daß bei stark fallender Außentemperatur
oder nach dem Lüften eines Raumes bzw. im Freien auch bei Schneefall oder Glatteisbildung
die Heizung beim Einschalten rasch zur Wirkung auf die zu beheizende Oberfläche
kommt, ohne daß dadurch die Gefahr besteht, daß der Boden o. dgl., d. h. das Einbettungsmaterial,
durch von der Dehnung der Rohre herführende Sprengspannungen beschädigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird nach der DE-OS 24 42 503 dadurch gelöst, daß die
Röhren im geringen Abstand, d. h. größenordnungsmäßig - 3 cm, unterhalb der zu beheizenden
Fläche angeordnet sind und/oder aus einem Material bestehen, welches bei Erwärmung
keine wesentlichen Sprengspannungen auf das die Röhren umgebende Einbettungsmaterial-ausübt.
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Als Rohrmaterial ist beispielsweise Gummi o. dgl. vorgesehen, d. h.
ein Material, das die beim Erwärmen auftretenden Volumenvergrößerungen durch Stauchen
selbst aufzunehmen vermag, so daß sie, wenn überhaupt, nur in geringem Umfange auf
das die Röhren umgebende Einbettungsmaterial einwirken.
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Die DE-OS 24 42 503 nennt noch weitere Maßnahmen zur Lösung der in
ihr gestellten Aufgabe.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die aus der DE-OS 24 42 503 bekannt
gewordene technisch einwandfreie und auch kostenmäßig vertretbare Röhrenflächenheizung
insbesondere für die Zwecke des Verfahrens nach der Erfindung weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Röhren
aus einem Material gefertigt oder mit einer Substanz überzogen sind, die keine Bindung
zwischen Röhrenoberfläche und Estrich- oder Belagmaterial zulassen, und daß an den
Umbiegungs- oder Wendestellen der Röhren für sie einen Freiraum vorgesehen ist.
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Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß allein vom Material her die
Röhren am Material des Estrichs oder Belages gleiten können und keine reibungsfeste
Verbindung eingehen, aber die Möglichkeit besteht, daß sich die Wärmedehnung, welche
nunmehr nicht örtlich als Sprengspannung auf den umhüllenden Estrichoder Belag wirkt,
an den Umbiegungs- oder Wendestellen der Röhren als Längsdehnung frei auswirken
kann.
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Vorzugsweise werden beispielsweise die Röhren mit einem Film oder
Anstrich versehen, welcher diese Reibung verhindert und die Röhren entsprechend
gleitfähig macht.
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Eine alternative, im Rahmen der Erfindung liegende Möglichkeit, ist
die Umhüllung der Röhren mit einem dünnen Schlauch aus Kunststoff oder einem Textilmaterial
oder einem Mineralfasergewebe.
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Der Freiraum an den Umbiegungs- oder Wendestellen der Röhren erstreckt
sich zweckmäßig in horizontaler Richtung beiderseits der Wendeschleife der Röhren.
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Zur Schaffung des Freiraumes gibt es in weiterer Ausbildung der Erfindung
mehrere Möglichkeiten, beispielsweise das Einlegen von Formstücken, welche ohne
besonderen Kraftaufwand zusammendrückbar sind und beim Zusammendrücken gegebenenfalls
zerfallen. Solche Formstücke können beispielsweise Schaumstofformstücke aus dem
unter dem Handelsnamen Styropor bekannten oder einem ähnlichen Material sein.
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Man kann elastische Formstücke einlegen, die bei der Wärmedehnung
der Röhren zusammengedrückt werden und sich anschließend beim Zusammenziehen der
Röhren wieder entsprechend ausdehnen.
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An den Umbiegungs- oder Wendestellen können auch Schalungselemente,
wie
biegsame Leisten, vorzugsweise aus Kunststoff eingelegt werden, die den gewünschten
Freiraum abgrenzen, der somit am Verlegungsort der Röhrenfußbodenheizung ausgeschäumt
werden kann. Dabei ist es gegebenenfalls möglich, oberflächig derart behandelte
Leisten zu verwenden, daß diese vom entstandenen Schaumkörper gelöst und an anderen
Stelle erneut verwendet werden können.
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Eine weitere Möglichkeit ist das Einlegen von luftgefüllten Formstücken,
deren Hülle sich z, B. nach vergleichsweise kurzer Zeit zersetzt, so daß damit der
elastische Druck zwischen Hülle und Heizrohr beseitigt ist.
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Man kann auch die Heizröhren beim Verlegen im Einbettungsmaterial
mit einer Flüssigkeit füllen, deren Temperatur in der Größenordnung der Vorlauftemperatur
der Röhrenflächenheizung liegt. Damit werden die Röhren gedehnt. Während der Erstarrung
des Estrichs oder Belages wird die heiße Flüssigkeit, bei der es sich beispielsweise
um Wasser handeln kann, durch eine kalte Flüssigkeit, ebenfalls zweckmäßig Wasser,
ersetzt, so daß sich das Röhrensystem zusammenzeiht und damit an den Wende- und
Umbiegungsstellen der erwünschte Freiraum geschaffen wird. Gegebenenfalls läßt sich
der Erwärmungs- und Abkühlungsvorgang mehrfach während der Erstarrung des Einbettungsmaterials
wiederholen.
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Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile lassen sich noch vergrößern,
wenn man Röhren in der statisch neutralen Zone des Estrichs oder Belages verlegt.
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Hierdurch ergibt sich nicht nur eine gewünschte Anhebung der Röhren
in die Nähe der Oberfläche, die von der Röhrenflächenheizung zu beheizen ist, sondern
insbesondere auch eine Verlagerung eventuell noch verbleibender Biege- oder Zugspannungen
in die am wenigsten beanspruchte Zone des Estrichs oder Belages und schließlich
auch noch eine wesentlich gleichmäßigere Erwärmung von der Mitte des Estrichs oder
Belages aus, so daß Wärmestauungen und die damit verbundenen Aufwölbungen mit unzulässigen
Biegespannungen, welche zu Rißbildung führen können, vermieden sind.
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Für die zuletzt genannte Maßnahme der Verlegung der Röhren in die
statisch neutrale Zone des Estrichs oder Belages wird selbständiger Schutz begehrt,
da allein dadurch bereits unzulässige Sprengspannungen in dem Estri-ch oder Belag
unabhängig von der Maßnahme der möglichen gleitenden Bewegung zwischen Estrich oder
Belag und Röhren sehr weitgehend herabgesetzt werden können.
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In Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Röhren
doppelt zu verlegen und im Gegenstrom mit dem erwärmenden Medium zu beschicken.
Man erhält dadurch einen günstigen Temperaturausgleich über die verlegte Rohrlänge
und damit eine geringere Beanspruchung des Einbettungsmaterials. Diese Lösung ist
allgemein für Röhrenflächenheizungen brauchbar.
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Die doppelt verlegten Röhren können zu einem einzigen Rohr zusammengefaßt
werden, wenn der Rohrquerschnitt durch eine Zwischenwand unterteilt wird. Als Querschnittsform
eines solchen Doppelrohres ist ein Achterquerschnitt auch in Form zweier übereinandergesetzter
Quadrate denkbar.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen Anschnitt aus dem Röhrensystem
der Röhrenheizung zur Wiedergabe des an der Wendestelle einer Röhre zu schaffenden
Freiraumes; Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Möglichkeit der
nachgiebigen Einbettung eines Rohres an einer Wendestelle; Fig. 3 die Spannungsverteilung
an einem gemäß der Erfindung in einem Estrich verlegten Rohr, Fig. 4 eine Klammer
zur Verlegung der Röhren nach der Erfindung, Fig. 5 und 6 zwei Rohrquerschnitte.
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In Fig. 1 ist mit 1 allgemein beispielsweise der Estrich über einer,
vorzugsweise als Wärmedämmung ausgebildeten Tragschicht bezeichnet, in den die Heizröhren
2 verlegt sind, von denen in Fig. 1 lediglich eine Wendestelle wiedergegeben ist.
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Entweder legt man an der Stelle 3 ein Formstück ein, welches ohne
besonderen Kraftaufwand zusammendrückbar ist und beim Zusammendrücken gegebenenfalls
zerfällt, wobei es sich beispielsweise um ein Schaumstofformstück handeln kann,
oder man legt ein elastisches Formstück ein, das bei der Wärmedehnung des Röhres
zusammengedrückt wird und sich- anschließend beim Zusammenziehen des Rohres 2 wieder
einer sprechend ausdehnt.
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Man kann aber auch an die Stelle 3 ein luftgefülltes Formstück einlegen,
dessen Hülle sich z. B. nach vergleichsweise kurzer Zeit zersetzt, so daß damit
der elastische Druck zwischen Hülle und Heizrohr beseitigt ist.
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Aus der Fig. 2 erkennt man bei 1 wieder den Estrich über einer vorzugsweise
als Wärmedämmung ausgebildeten Tragschicht mit einem Kanal 11 zur Aufnahme eines
nicht gezeichneten Heizrohres. Bei 12 ist dieser Kanal aufgeweitet und nimmt ein
den aufgeweiteten Teil nach innen begrenzendes, gegebenenfalls mehrteiliges Schalungselement
13 auf.
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Fig. 3 läßt bei 4 die Tragschicht erkennen, auf der der Estrich 5
aufgebaut ist. Es ist erkennbar das Rohr 6 der Röhrenflächenheizung in die neutrale
Zone verlegt, wie sich aus den Kräfteflächen bei 7 erkennen läßt.
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Fig. 4 zeigt eine Halterung für ein Rohr 8 bestehend aus einem Fuß
9, der auf der Tragschicht 10 verlegt ist und zwei Armen 11, 12 die federnd zwischen
sich das Rohr 8 aufnehmen. Es gibt für die Ausbildung dieser Halter die verschiedensten
Möglichkeiten. Wesentlich ist, daß sie es gestattet, das Rohr 8 von einer Auflage
unmittelbar auf der Tragschicht 10 in die neutrale Zone anzuheben.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Rohrquerschnitte für Rohre, die doppelt
verlegte
Einzelrohre ersetzen, indem eine Trennwand in einem Einzel rohr vorgesehen ist,
die die Beschickung dieses Rohres mit dem erwärmenden Medium im Gegenstrom ermöglicht.
Beim Querschnitt nach Fig. 6 ist durch die größer flächige Trennwand ein besserer
Wärmeaustausch zwischen den beiden Rohrhälften möglich.