DE2937071C2 - - Google Patents

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DE2937071C2
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    • F24D11/0235Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system with recuperation of waste energy
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Transmissionswärme nach dem Oberbegriff der Patentan­ sprüche 1, 3 und 5.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 26 05 117 bekannt. Zwischen einer äußeren Vormauerung und einer sehr starken Wärme­ schutz-Isolierung ist ein Luftraum angeordnet. Er ist auf beiden Seiten der Wandscheibe, an den Ecken des Gebäudes durch ein Kanalsystem mit dem Verdampfer einer Wärmepumpe verbunden, deren Kondensator mit einem Wärmespeicher verbunden ist. Der Luftraum wird bis auf eine Temperatur unterhalb der Außentemperatur abge­ kühlt, so daß die Transmissionswärme vollständig zurückgewonnen und außerdem noch über die Vormauerung Umgebungswärme aufgenom­ men wird. Zur Wohnraumbeheizung wird Wärme aus dem Wärmespeicher einem zweiten Luftraum an der Innenseite der Wärmeschutz-Iso­ lierung zugeführt. Im Sommer dient die Vorrichtung zur Kühlung. Im Winter wird jedoch dem Verdampfer sehr kalte Luft zugeführt. Dann kann die Wärmepumpe nur mit relativ geringer Leistungszahl arbeiten.
Aus der DE-OS 26 57 282 ist bekannt, daß zumindest über einen wesentlichen Teil der Außenwände eines beheizten Gebäudes in einer von der umgebenden Atmosphäre getrennten Bahn ein Kühl­ mittelstrom, vorzugsweise Luft, von erheblich niedrigerer Temperatur als der Innentemperatur des Gebäudes geleitet wird, dem anschließend die dabei aufgenommene Wärme nach dem Prinzip der Wärmepumpe unter Rückführung auf höherem Temperaturniveau in das Gebäude wieder entzogen wird. Vor eine herkömmlich errich­ tete Außenwand kann eine zweite Wandschicht vorgesetzt werden, wobei ein zwischen den beiden Schichten vorgesehener Spalt die getrennte Bahn für das Kühlmittel bildet. Für eine möglichst vollständige Wärmerückgewinnung wird das Kühlmittel derart gekühlt in die abgetrennte Bahn zurückgeleitet, daß es darin im Mittel wenigstens angenähert die Temperatur der umgebenden Atmosphäre hat. Wenn außerdem noch von außen Wärme aufgenommen werden soll, wird das Kühlmittel derart gekühlt in die abgetrennte Bahn zurück­ geleitet, daß darin seine Temperatur wesentlich unter der der umgebenden Atmosphäre liegt. Die Kühlmitteltemperatur am Ver­ dampfer liegt also jeweils sehr niedrig und damit ungünstig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmerückgerwinnung aus der Transmissionswärme der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die angesaugte Luft am Wärmetauscher der Wärmerückgewinnungseinrichtung eine höhere Temperatur aufweist und daß die Wärmeentzugseinrichtung so unter wesentlich günstigeren Bedingungen arbeiten kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1, 3 oder 5 aufgeführten Maßnahmen gelöst.
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.
In den Wandspalt, oder, je nach Objekt, in den Säulen, Bindern usw. sind Luftkanäle oder Rohre eingebaut oder Hohlräume ge­ schaffen, 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 Luft­ menge wiederum wird von der aufzunehmenden Wärmemenge bestimmt. Die Luftmenge wird also so bemessen, daß die durch die Wärme­ aufnahme bedingte mittlere Temperaturerhöhung in Verbindung mit dem Wärmedurchlaßwiderstand der Außenschale und der Tem­ peraturdifferenz zwischen der Lufttemperatur im Spalt und der Außenluft, den Gesamtwärmeverlust nicht größer werden läßt als oben beschrieben.
Die Luftgeschwindigkeit in den Zu- und Rückluftkanälen liegt bei 5 bis 7 m/s. Im Bereich des Wand- und Deckenspaltes sind die Kanäle mit Öffnungen versehen, durch welche die Luft in den Spalt einströmen kann, die von der Innenschale abstrahlende Wärme aufnimmt und vom gegenüberliegenden Rückluftkanal an­ gesaugt wird. Nun strömt die erwärmte Luft wieder zurück zum Verdampfer. Im Verdampfer wird der Luft soviel Wärme entzogen, wie erforderlich ist, um die Differenz zwischen Fremdenergie (= Antriebsenergie des Kompressors) und Wärmebedarf für die Heizung auszugleichen.
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 kann, wird kontinuierlich ca. 10% der Gesamtluftmenge ins Freie geblasen. Der gleiche Anteil Außenluft wird je nach Art der Außenschale entweder durch Sollöffnungen oder durch Kon­ struktionsbedingte Fugen in der Außenschale angesaugt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Energieeinsparung von 50 bis 70% gegenüber konventionell beheizten Gebäuden erreicht werden kann, ohne daß eine Zusatzheizung erforderlich ist. Die Belastung der Umgebung durch Abgase wird in 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.
Für Gewächshäuser konnten sich bisher Luftheizungen wegen des größeren Energieverbrauchs und der zusätzlichen technischen Einrichtung nicht durchsetzen. Diese Nachteile sind nun nicht mehr gegeben. Luftheizungen in Gewächshäusern haben den Vorteil, daß die Pflanzen gut durchlüftet und somit Pilzkrankheiten vermieden werden. Außerdem wird eine gleichmäßige Temperatur­ verteilung erreicht.
Die für das System erforderlichen Bauelemente sind in der Praxis bewährte Teile und können nach erprobten Verfahren problemlos eingebaut bzw. verarbeitet werden.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in den nachfolgenden Absätzen näher beschrieben. Es zeigt
- Fig. 1 ein Funktionsschema einer Wärmerückgewinnungsanlage, kombiniert mit einer Niedertemperatur-Warmwasserheizung,
- Fig. 2 die Veränderung des Luftzustandes beim Wärmeaufnahme- und -entzugsprozeß im h, x Diagramm,
- Fig. 3 u. 4 eine schematische Darstellung der Rohrleitungs- und Luftführung bei nachträglichem Einbau in bestehende Gebäude,
- Fig. 5 eine Detailansicht von Fig. 3,
- Fig. 6 u. 7 Horizontalabschnitte der Außenwände von Fig. 3 u. 4,
- Fig. 8 ein Installationsbeispiel für eine Halle oder ein Gewächshaus mit Warmluftheizung,
- Fig. 9 einen Grundriß 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 der Luft- und Wärmeströmung 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. 17, 18 u. 19,
- Fig. 21 eine Befestigungsvorrichtung der Verglasung und die Auflage der Konstruktion am Fundament,
- Fig. 22 u. 23 ein Umrüstungsbeispiel bestehender Gewächs­ häuser,
- Fig. 24 ein Luftkanalschema für großflächige Hallen aus Stahlbeton,
- Fig. 25 einen Horizontalschnitt durch eine Stahlbeton-Außen­ wand,
- Fig. 26 einen Vertikalschnitt durch eine Stahlbeton-Außenwand,
- Fig. 27 einen Schnitt durch eine Dachdecke einer Stahlbeton­ halle.
In Fig. 1 ist die Wirkungsweise der Vorrichtung schematisch 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 Umfassungs­ wände 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 Wärme­ pumpe kann von einem Elektro-, Gas- oder Dieselmotor angetrieben werden.
Die durch die Umfassungswände abfließende Wärme wird in einem Luftspalt 2 von einer sich im Kreislauf befindenden Luft­ strömung 3 aufgenommen und zum Wärmetauscher 4 zurückge­ bracht. Dort wird der Luft die Wärme wieder entzogen und über die Wärmepumpe 1 an das Heizungs­ wasser abgegeben. Cirka 10% der Luftmenge werden kontinuierlich durch neue Außenluft ersetzt, damit der Wassergehalt der Luft ständig den Verhältnissen des Außenluftzustandes entspricht. Dadurch kann während des Wärmeentzugsprozesses die Taupunkt- bzw. Eisgrenze nicht unterschritten werden. Eine Vereisung der Oberfläche des Wärmetauschers 4 ist deshalb ausgeschlossen. Die Luftmenge, die im Luftspalt 2 entlangströmt, wird so gewählt, daß sie sich nur um etwa 5-10 K erwärmen kann, damit der Wärmeverlust nach außen gering bleibt. Die in Fig. 2 dargestellten Temperaturen sind nur beispielhaft.
Fig. 3 und 4 mit den Detailzeichnungen Fig. 5, 6 und 7 zeigen Beispiele, wie ein Gebäude nachträglich mit einer Wärmerück­ gewinnungsanlage ausgerüstet werden kann. Zu diesem Zweck wird eine Fassadenverkleidung 6 angebracht. Bei Fig. 3, 5 und 6 wird zunächst die Unterkonstruktion 7 an dem Haus angebracht. Entlang dieser Unterkonstruktion verlaufen perforierte, flexible Rohre als Luftverteil- und Sammelkanäle 8, die die Kaltluft heran- und die erwärmte Luft zur Wärmepumpe zurückführen. Die Fassadenverkleidung 6 besteht aus imprägnierten Spanplatten, wie sie in der Fertighaus-Ver­ bundbauweise verwendet werden, jedoch mit zusätzlicher ca. 2 cm dicker aufgeschäumter Isolierschicht. Aber auch jedes andere Material und eine andere Befestigungstechnik ist anwendbar.
Etwa 0,5 m unterhalb Terrain endet die vorgehängte Fassade. Von da an werden luftdichte Rohre bündelweise 9 oder Sammel­ rohre 10 im Erdreich um das Gebäude herum verlegt. Durch ein Kellerfenster oder einen Wanddurchbruch werden die Rohre in den Heizungsraum, in dem die Wärmepumpe installiert ist, geführt und die Rohre an der Ein- bzw. Austrittsseite der Wärmetauscher/ Ventilatoreinheit (4 Fig. 1) angeschlossen. Der Unterschied zwischen Fig. 3 und Fig. 4 besteht darin, daß bei Fig. 4 die Luftverteil- und Sammelkanäle 11 u. 12 aus Blech mit seitlich angeordneten Löchern bestehen und zugleich tragendes Element für die Fassaden­ verkleidung 6 sind.
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 Wahl des Heizsystems, eine Luft-Luft-Wärmepumpe oder eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Das Heizungssystem besteht aus einem Heizkreis 13 und einem Wärmerückgewinnungskreis 14. Fig. 8 zeigt ein Beispiel mit Luftheizung, ebenfalls denkbar ist aber auch eine Warmwasserheizung. Das Heizmedium Luft wird im Umwälzverfahren von einem Wärmetauscher (Kondensator) 15 nach Bedarf aufgeheizt. Gleichzeitig wird eine geringe Menge Außenluft, zwecks Raumlufterneuerung, beigemischt. Die Verlust­ wärme des beheizten Raumes wandert durch die innere Schale der Umfassungswände, wird dort von der vorbeiströmenden Luft (Fig. 16) aufgenommen, entlang der Tragkonstruktion 16 und sodann in den im Boden verlegten Rohren 17 (Fig. 9) oder bei großen 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 Wärme­ tauscher 15 abgegeben.
Fig. 16 zeigt ein Tragprofil aus gekantetem Blech. Im Bereich zwischen der Innenschale 20 und der Außenschale 21 sind in regel­ mäßigen 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. 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) können Ungenauigkeiten ausgeglichen werden.
Die Tragkonstruktion nach Fig. 17, 18 und 19 bestehen im wesentlichen aus handelsüblichen Rohren und einem speziellen Profil 27 (Fig. 20) aus Kunststoff sowie einer Kunststoffglas­ verkleidung. Das Profil 27 wird durch angegossene Zapfen 28 am Rohr 29 fixiert und damit gegen Verrutschen gesichert.
Zusätzlich kann es geklebt werden. Das Kunststoffglas 30, das sich bei gewölbten Überdachungen bewährt hat, wird in vorgesehene Fälze des Profils 27 eingelegt und mittels Spann­ bänder 31 (Fig. 20 u. 21) befestigt. Im Bereich der ebenen Giebelflächen kann die Befestigung durch Einkitten 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.
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.
Fig. 22 und 23 zeigen im Detail, wie man ein konventionell gebautes Gewächshaus nachträglich mit den erforderlichen Luftverteil- und Sammelkanälen 34 und der zusätzlichen Verglasung 35 ausrüsten kann. Die Luftverteil- und Sammelkanäle 34 sind mit einer innenliegenden Wärmedämmung 36 versehen. Die Oberfläche der Dämmschicht wird zweckmäßigerweise mit dünnem Blech 37 abgedeckt. Die Befestigung der Kanäle an der vorhandenen Profilstahlkonstruktion 38 kann durch Wider­ haken 39 erfolgen. Auch bei dieser nachträglich angebrachten Wärmerückgewinnungsanlage erfolgt die Luft- und Wärmeströmung wie bereits beschrieben.
Fig. 24 zeigt, schematisch dargestellt, die Kanalführung bei Hallen aus Betonfestigteilen. Die durch Linien dargestellten Haupt- 40 und Nebenkanäle 41 sind in Fertigteile integriert. Die Führung der Zu- und Rückluft (Kalt- und Warmluft) erfolgt - zwischen Wärmepumpe und Außenwand - auch hier vorzugsweise unterhalb des Fußbodens in hierfür vorgesehene Kanäle aus Beton oder anderem Material. Im Fundamentbereich 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 44 (Fig. 26) und teilweise weiter innerhalb des Unterzuges 45 (Fig. 27) zu den Dachkanälen 46 (Fig. 24).
Die Wand- und/oder Dachfertigteile 47 (Fig. 25, 26 u. 27) sind vorzugs­ weise 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-Verteilkanälen 41 und 46 (Fig. 24) und den Rückluft-Sammelkanälen 49 u. 50 her. Im Bereich der Wand- und/oder Dachfertigteile 47 (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.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Transmissions­ wärme bei Räumen, die mit einer Heiz- und/oder Kühlanlage sowie mit einem Luftspalt (2) zwischen zwei Schalen der Wände und/oder des Daches oder mit innerhalb der Wände und/ oder des Daches angeordneten Kanälen zur Luftführung versehen sind, wobei diese Hohlräume über Kanäle mit der Heizeinrich­ tung verbunden sind, die aus den Hohlräumen gesammelt abge­ führte Luft einem Wärmetauscher (4) der Heizeinrichtung zum Entzug der aufgenommenen Wärme zugeführt wird und die den Wärmetauscher verlassende Luft in einem Kreislauf erneut den Hohlräumen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an den Wänden oder Dächern abwechselnd in Abstand von­ einander perforierte Luftverteil- und -sammelkanäle (8) angeordnet sind, die durch die luftführenden Hohlräume verbunden sind, und daß die äußere Schale als Fassadenver­ kleidung (6) mit zusätzlicher Wärmedämmung ausgeführt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierten Luftverteil- und -sammelkanäle (11, 12) in der Tragkonstruktion der Fassadenverkleidung (6) angeordnet sind.
3. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Transmissions­ wärme bei Räumen, die mit einer Heiz- und/oder Kühlanlage sowie mit einem Luftspalt (2) zwischen zwei Schalen der Wände und/oder des Daches oder mit innerhalb der Wände und/ oder des Daches angeordneten Kanälen zur Luftführung versehen sind, wobei diese Hohlräume über Kanäle mit der Heizeinrich­ tung verbunden sind, die aus den Hohlräumen gesammelt abge­ führte Luft einem Wärmetauscher (4) der Heizeinrichtung zum Entzug der aufgenommenen Wärme zugeführt wird und die den Wärmetauscher verlassende Luft in einem Kreislauf erneut den Hohlräumen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Gewächshaus oder ähnlichem Bauwerk perforierte Luft­ verteil- und -sammelkanäle in oder an der Tragkonstruktion (16) angeordnet sind, die durch den luftführenden Spalt ver­ bunden sind, und daß die beiden Schalen (20, 21) aus licht­ durchlässigem Material bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten der der Außenluftseite zugewandten Wandungen der perforierten Luftverteil- und -sammelkanäle (34) eine Wärmedämmung (36) aufweisen.
5. Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Transmissions­ wärme bei Räumen, die mit einer Heiz- und/oder Kühlanlage sowie mit einem Luftspalt (2) zwischen zwei Schalen der Wände und/oder des Daches oder mit innerhalb der Wände und/ oder des Daches angeordneten Kanälen zur Luftführung versehen sind, wobei diese Hohlräume über Kanäle mit der Heizeinrich­ tung verbunden sind, die aus den Hohlräumen gesammelt abge­ führte Luft einem Wärmetauscher (4) der Heizeinrichtung zum Entzug der aufgenommenen Wärme zugeführt wird und die den Wärmetauscher verlassende Luft in einem Kreislauf erneut den Hohlräumen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an den Wänden und/oder Dächern ein Kanalsystem (40, 41, 44, 46) zur Luftverteilung und ein Kanalsystem (49, 50) zur Luftsammlung angeordnet sind, wobei diese beiden Kanalsysteme durch durchgehende Kanäle verbunden sind, die innerhalb einer Zwischenlage (48) aus Wärmedämmstoff von in Sandwichbauweise hergestellten Wand- und/oder Dachfertigteilen (47) angeordnet sind.
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