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Verfahren zur Rückgewinnung der Transmissionswärmeverluste
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bei Gebäuden aller Art, sowie Konstruktionsvorschläge für solche Gebäude.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückführung der Transmissionswärmeverluste
und deren Wiederaufbereitung durch einen Umwandler (z.B. Wärmepumpe), insbesondere
für Wohnhäuser, Gewächshäuser sowie für Hallen und sonstige mit einer Heizung oder
Kühlung versehene Baukörper, Behälter und ähnliches. Im Übrigen bezieht sich die
Erfindung auf Einrichtung und Durchführung des Verfahrens.
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Die Verknappung der fossilen Energieträger, die dadurch steigenden
Kosten für die Verbraucher und die ständig zunehmende Umweltbelastung durch die
Umwandlung von Öl, Kohle usw. in Wärme machen eine drastische Einsparung der genannten
El1ergieträger erforderlich. Die Behaglichkeit des Raumklimas, bzw.
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die Aufrechterhaltung der gewünschten Raumtemperatur, muß dabei sichergestellt
bleiben. Die hierzu erforderlichen Maßnahmen in baulicher Hinsicht müssen ohne handwerkliche
Schwierigkeiten und mit bewährten Materialien realisierbar sein.
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Es ist bekannt, daß mit Wasserschläuchen, die auf ähnliche Art wie
l»'ußbodenheizungsrohrschlangen verlegt, jedoch in die Außenwand eingegossen sind,
Wärme zurückgewonnen wird (Fa. Thermo Steinbau GmbH, Augsburg, Konrad-Adenauer-Allee
53). Im übrigen wird vielfältig versucht, mit Hilfe zusätzlicher Isolierung und
Mehrschichtverglasung die Wärmeverluste so niedrig wie möglich zu halten. Bei Gewächshäusern
werden neuerdings Isolierscheiben eingesetzt und während der.Nachtzeit Wärmedämmeinrichtungen
angebracht. All diese Maßnahmen sind teuer, gemessen am erzielbaren Effekt. Außerdem
ist das tägliche Entfernen und anbringen der Isolierung mit Lohnkosten verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Transmi3sionswärmeverluste
in hohem Maße mittels des Mediums Luft an den Gebäudeumfassungswänden und -decken
aufzunehmen und zur Wiederaufbereitung (Temperaturerhöhung) einem Umwandler (z.B.
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einer Wärmepumpe) zuzuführen und somit den tatsächlichen Energieverbrauch
auf den Antrieb des Umwandlers zu beschränken.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Außenwände
und das Dach zweischalig erstellt werden. Dabei kann es sich sowohl um fabrikmäßig
vorgefertigte Wand- bzw.
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Deckenelemente handeln als auch um nachträblich, an bestehenden Gebäuden,
außen oder innen angebrachte Verkleidungen. b'ür diese Schalenbauweise läßt sich
jeder Werkstoff verwenden, sofern er den objektspezifischen Anforderungen und den
am Bau geltenden Vorschriften entspricht. Bei Gewächshäuser sind z.B. normales Glas,
lichtdurchlässige Kunststoffplatten oder -folien geeignet.
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Wohn- und andere Gebäudewände werden so ausgelegt, daß der Gesamtwärmeverlust
durch die Außenschale bei ungünstigster Betriebsbedingung der Wärmepumpe (hohe Temperaturdifferenz
zwischen Warm- und Kaltseite) den Wert der erforderlichen Antriebsenergie nicht
überschreitet.
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In den Wandspalt, oder, je nach Objekt, in den Säulen, Mindern usw.
sind Luftkanäle oder Rohre eingebaut oder Hohlräume geschaffen, die Kanälen gleichzusetzen
sind. Diese Kanäle dienen für die Zu- und Rückführung der Luft. Der Querschnitt
der Kanäle ist von der zu fördernden Luftmenge abhängig. Die Luftmenge wiederum
wird von der aufzunehmenden Wärmemenge bestimmt.
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Die Luftmenge wird also so bemessen, daß die durch die Wärme aufnahme
bedingte mittlere Temperaturerhöhung in Verbindung mit dem Wärmedurchlaßwiderstand
der Außenschale und der Temperaturdifferenz zwischen der Lufttemperatur im Spalt
und der Außenluft, den zulässigen Gesamtwärmeverlust, wie oben beschrieben, nicht
übersteigt.
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Die Luftgeschwindigkeit in den Zu- und Rückluftkanälen liegt bei 5
bis 7 m/s. Im Bereich des Wand- und Deckenspaltes sid die Kanäle mit Öffnungen versehen,
durch welche die Luft in den Spalt einströmen kann, die von der Innenschale abstrahlende
Wdrrne aufnimmt und vom gegenüber liegenden Rückluftkanal angesaugt wird. lJun strömt
die erwärmte Luft wieder zurück zum Verdampfer. Im Verdampfer wird der Luft soviel
Wärme entzogen, die erforderlich ist, um die Differenz zwischen Fremdenergie (=Antriebsenergie
des Kompressors) und Wärmebedarf für die Heizung auszugleichen.
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Damit der Wassergehalt der Luft im Spalt ständig etwa dem der Außenluft
entspricht und von der Innenschale her aufgenommene Feuchtigkeit nicht zum Vereisen
der Verdampferoberfläche führen kanll, wird kontinuierlich ca. 10 / der Gesamtluftmenge
ins Freie geblasen. Der gleiche Anteil Außenluft wird je nacn Art der Außenschale
endweder durch Sollöffnungen oder durch Konstruktionsbedingte Fugen in der Außenschale
angesaugt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine Energieeinsparung von 50 bis 70 % gegenüber konventionell beheizten Gebäuden
erreicht werden kann, ohne do13 eine Zusatzheizung erforderlich ist. Die Belastung
der Umwelt durch Abgase wird im gleichem Ausmaß verringert oder, bei Verwendung
elektrischer Wärmepumpen, ganz vermieden. Die technische Einrichtung des Systems
(Wärmepumpe, Ventilator) kann im Sommer zur klimatisierung der Räume verwendet werden.
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Für Gewächshäuser konnten sich bisher Luftheizungen wegen des großeren
Energieverbrauchs und der zusätzlichen technischen Einrichtung nicht durchsetzen.
Diese flachteile sind nun nicht netir ,ger;eben. Luftheizungen in Gewächshäusern
haben den Vorteil, daß die Pflanzen gut durchlüftet und somit Pilzkrankheiten vermieden
werden. Außerdem wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht.
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Die für das System erforderlichen Bauelemente sind in der Praxis bewährte
Teile und können nach erprobten Verfahren problemlos eingebaut bzw. verarbeitet
werden.
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Ausführungsbeispiele sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
und werden in den nachfolgenden Absätzen näher be.chrieben. kzs zeigen - Fig. 1
ein Funktionsschema einer Wärmerückgewinnungsanlage, kombiniert mit einer Niedertemperatur-Warmwasserheizung,
- Fig. 2 die Veränderung des Luftzustandes beim Wärmeaufnahme-und -entzugsprozess
im ix Diagramm, - Fig. 3 u. 4 eine schematische Darstellung der Rohrleitungs-und
Luftführung bei nachträglichen Einbau in bestehende Gebäuden, - Fig. 5 eine Detailansicnt
von Fig. 3, - Fig. 6 u. 7 Horizontalschnitte der Außenwände von Fig. 3 u. 4, - Fig.
8 ein Installationsbeispiel für eine Halle oder ein Gewächshaus mit Warmluftheizung,
- Fig. 9 einen Grundrild zu Fig. 8, - Fig. 10, 11 u. 12 Gewächshäuser unterschiedlicher
Baugröße mit Tragkonstruktion aus Sonderprofilen, - Fig. 13 u. 14- Konstruktionsdetails
der Fig. 11, - Fig. 15 die Ausbildung der Fenster- und Türanschlüsse bei Konstruktionen
nach Fig. 10, 11 u. 12, - Fig. 16 den Verlauf de Luft- und Wärmestömung in einem
Wandschnitt der Konstruktion nach Fig. 10, 11 u. 12, - Fig. 17, 18 u. 19 Gewächshäuser
unterschiedlicher Baugröße mit Tragkonstruktion aus Rohrprofil, - Fig. 20 einen
Schnitt durch die Außenwand mit Darstellung der Luft und Wärmeströmung bei Konstruktionen
nach Fig.
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17, 18 u. 19, - Fig. 21 eine befestigungsvorrichtung der Verglasung
und die auflage der Konstruktion an Fundament, - Fig. 22 u. 23 ein Umrüstungsbeispiel
bestehender Gewächshn user, - Fig. 24 ein Luftkanalschema für großflächige Hallen
aus Stahlbeton, - Fi. 25 einen Horizontalschnitt durch eine Stahlbeton-Außenwand,
- Fig. 26 einen Vertikalschnitt durch eine Stahlbeton-Außenwand, - Fig. 27 einen
Schnitt durch eine Dachdecke einer Stahlbetonhalle.
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In Fig. 1 ist die Wirkungsweise des Verfahrens schematiscn dargestellt.
Die Wärmepumpe (1) dient als Energieumwandler und hat die Aufgabe, die Raumtemperatur
auf einem vorgegebenen Wert annähernd konstant zu halten, wobei die durch die Umfassungswände
abfließende Wärme ständig ersetzt werden muß. Die erforderliche Wärmemenge wird
im gezeigten Beispiel mit Wasser in den Raum transportiert. Auch Luft ist als Wärmeträger
seit langem, z.B. bei Hallenheizungen, üblich und geeignet. Die Wärmepurnpe kann
von einem Slektro-, Gas- oder Dieselmotor angetrieben werden.
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Die durch die Umfassungswände abfließende Wärme wird in einem Wandspalt
(2) von einer sich im Kreislauf befindenden Luft strömung (3) aufgenommen und zum
Wärmetauscher (4) zurücRgebracht - hierin liegt die Erfindung. Dort wird der Luft
die Wärme wieder entzogen und über die Wärmepumpe (1) an das Heizungswasser abgegeben.
Ca. 10 der Luftmenge werden kontinuierlich durch neue Außenluft ersetzt, damit der
Wassergehalt der Luft ständig den Verhaltnissen des Außenluftzustandes entspricnt.
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Dadurch kann während des Wärmeentzugsprozesses die Taupunkt-bzw. Eisgrenze
nicht unterschritteii werden. Eine Vereisung der Oberfläche des Wärmetauschers (4)
ist deshalb ausgeschlossen.
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Die Luftmenge, die im Spalt (2) entlang strömt, wird so gewählt, daß
sie sich nur um etwa 5 - 10 K erwärmen kann, damit der Wärmeverlust nach außen gering
bleibt.
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Fig. 3 und 4 mit den Detailzeichnungen Fig. 5, 6 und 7 zeigen Beispiele,
wie ein Gebäude nachtraglich mit einer Wärmerückgewinnungsanlage ausgerüstet werden
kann. Zu diesen Zweck wird eine Fassadenverkleidung (6) angebracht. Bei Fig. 3,
5 und 6 die wird zunächst Unterkonstruktion (7) an dem Haus angebracht.
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Entlang dieser Unterkonstruktion verlaufen perforierte, flexible Rohre
(8), die die Kaltluft heran- und die erwarmte Luft zur Warmepu:npe zurückführen.
Die Fassadenverkleidung (6) besteht aus imprägnierten Spanplatten, wie sie in der
Pertighaus-Verbundbauweise verwendet werden, jedoch mit zusätzlicher ca. 2 cm dicker
aufgeschäutnter Isolierschicht. Aber auch jedes andere Material und eine andere
Befestigungstechnik ist anwendbar.
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Etwa o,5 m unterhalb Terrain endet die vorgehängte Fassade.
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Von da an werden luftdichte Rohre bündelweise (9) oder Sammelrohre
(10) im Erdreich um das Gebäude herum verlegt. Durch eiii Kellerfenster oder einen
Wanddurchbruch werden die Rohre in den Heizungsraum, in dem die Wärmepunipe installiert
ist, geführt und die Rohre an der Ein- bzw. Austrittsseite der Wärmetauscher/ Ventilatoreinheit
(4 Fig. 1) angeschlossen. Der Unterschi¢d zwischen Fig. 3 und Fig. 4 besteht darin,
daß bei Fig. 4 die Luftkanäle (11 u. 12) aus Blech mit seitlich angeordneten Löchern
bestehen und zugleich tragendes Element für die Fassadenverkleidung (6) sind.
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Fig. 10,11,12,17,18 und 19 zeigen neuartige Tragkonstruktionen für
Gewächshäuser und ähnliche Bauten. Diese Tragkonstruktion dient gleichzeitig als
Luftkanal. Energieumwandler ist, je nach Wcdhl des Heizsystems, eine Luft-Luft-Wärmepumpe
oder eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Das Heizungssystem besteht aus einem Heizkreis
(13) und einem Wärmerückgewinnungskreis (14).
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Fig. 8 zeigt ein Beispiel mit Luftheizung, ebenfalls denkbar ist aber
auch eine Warmwaserheizung. Das Heizmedium Luft wird im Umwälzverfahren von einem
Wärmetauscher (Kondensator) (15) nach bedarf aufgeheizt. Gleichzeitig wird eine
geringe Menge Außenluft, zwecks Raumlufterneuerung, beigemischt. Die Verlustwärme
des beheizten Haumes wandert durch die innere Schale der Umfassungewände, wird dort
von der vorbeiströmenden Luft (Fig. 16) aufgenommen, entlang der Tragkonstruktion
(16) und sodann in den irn Boden verlegten Rohren (17 Fig. 8) oder bei groi3en Hallen
in Rohren (18 Fig. 10, 11, 14 u. 17) an der Decke zur Wärmepumpe zurückgeführt.
Im Wärmetauscher (19 Fig. 8) wird die Wärme der Luft entzogen und als Heizenergie
an den Wärmetauscher (15) abgegeben. Die Wärmepumpe ist ein seit langem bewährtes
Aggregat und deshalb nicht Bestandteil der Erfindung.
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Fig. 16 zeigt ein Tragprofil aus gekantetem Blech. Im Bereich der
Innenscheibe (20) und der AuBenscheibe (21) sind im regelmäßigen Abständen Luftauslaß-
bzw. Lufteinlaßöffnungen (22 Fig.14) angebracht. Fig. 15 zeigt die Anordnung und
Form von Tür- und Fensterflügeln (23). Fig. 13 zeigt eine Eckverbindung (24).
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Die Flanschplatten - auch Steckverbindungen sind möglich -müssen ausgeschnitten
sein, damit sie den Strömungsverlauf der Luft nicht behindern. Fig. 13 und 14 zeigen,
wie die weitere Rohrführung (25) von und zur Wärmepumpe am zweckmäßigsten angeschlossen
werden kann. Mit flexiblen Schläuchen (26 Fig. 14) kennen Ungenauigkeiten ausgeglichen
werden.
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Die Tragtonstruktion nach Fig. 17,18 und 19 bestehen im wesentlichen
aus handelsüblichen Rohren und einem speziellen Profil (27 Fig. 20) aus Kunststoff
sowie einer lzunststoffglasverkleidung. Das Profil (27) wird durch angegossene Zapfen
(28) am Hohr (29) fixiert und damit gegen Verrutschen gesichert.
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Zusätzlich kann es geklebt werden. Das Kunstetoffglas (30), das sich
bei gewölbten tberdachungen bewährt hat, wird in vorgesehene Falze des Profils (27)
eingelegt und mittels Spannbänder (31 Fig. 20 u. 21) befestigt. Im Bereich der ebenen
Giebelflächen kann die Befestigung durch Sinkitten oder mittels Leisten (32) und
Schrauben erfolgen. Durch Bohrungen (33 Fig. 20) kann die Kaltluft aus dem Rohr
(29) bzw. die erwärmte Luft in das Rohr strömen.
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Die im Erdreich verlegten Rohre (17 Fig. 9) sollen annähernd gleich
lang sein, gegebenenfalls können Schlaufen gelegt werden, damit die Reibungsverluste
der einzelnen Rohrstränge etwa gleich groß sind und somit eine gleichmäßige Luftverteilung
erreicht wird.
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Fig. 22 und 23 zeigen im'Detail, wie man ein konventionell gebautes
Gewächshaus nachträglich mit den erforderlichen Kanälen (34) und der zusätzlichen
Verglasung (35) ausrüsten kann.
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Die Kanäle (34) sind mit einer innenliegenden Wärmedämmung (36) versehen.
Die Oberfläche der Dämmschicht wird zweckmäßigerweise mit dünnem Blach (37) abgedeckt.
Die Befestigung der Kanäle an der vorhandenen Profilstahlkonstruktion (58) kann
durch Widerhaken (39) erfolgen. Auch bei dieser nachträglich angebrachten WElrlnerückgewinnwrBsanlage
erfolgt die Luft und Wärmeströmung wie bereits beschrieben.
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Fig. 24 zeigt, schematisch dargestellt, die Kanalfünrung bei Hallen
aus Betonfertigteilen. Die durch Linien dargestellten Flaupt- (40) und Nebenkanäle
(41) sind in Fertigteile integriert.
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Die Führung der Zu- und Rückluft (Kalt- und Warmluft) erfolgt - zwischen
Wärmepumpe und Außenwand - auch hier vorzugsweise unterhalb des Fußbodens in hierfür
vorgesenene Kanäle aus Beton oder anderen Naterial. Im Fundamentbereich (42 Fig.
25) strömt die Luft in den Hohlraum der Säulen (43) ein, der auch anders ausgebildet
sein kann als dargestellt. Von hier strömt die Luft teilweise in die Wandkanäle
(41 Fig. 24) und (44 Fig.?6) und teilweise weiter innerhalb des Unterzuges (45 Fig.
27) zu den Dachkanälen (46 Fig. 24).
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Die Wand- und Dachplatten (47 Fi. 25, 26 u. 27) sind vorzugsweise
in Sandwichbauweise hergestellt. Die Zwischenlage (48) besteht aus Schaumstoff oder
ähnlichem Isolierstoff und ist mit durchgehenden Kanälen versehen. Diese Kanäle
stellen eine direkte Verbindung zwischen den Zuluft-Veiteilkanälen (41) und (46
Vig. 24) und den Rückl uft-Sammelkanälen (49 u. 50) her.
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Im Bereich der Wand- und Deckenplatten g7 Fig. 25, 26 und 27) wird
die Verlustwärme von der ständig zirkulierenden Luft aufgenommen und zur Wärmepumpe
gebracht, wo die Wärme wie bereits beschrieben, entzogen wird.
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L e e r s e i t e