DE29812747U1 - Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden - Google Patents

Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden unter Ausnutzung der thermischen Energie von natürlicher Bodenluft.
Der möglichst sparsame Umgang mit Energie bei der Klimatisierung von Gebäuden ist sowohl in Bezug auf die Verringerung der Umweltbelastung als auch in Bezug auf die Reduzierung der Betriebskosten eines Gebäudes ein wichtiger Aspekt. Es sind deshalb bereits verschiedenste Anordnungen entwickelt worden, um die Klimatisierung eines Gebäudes mit geringem Energieverbrauch zu realisieren.
Aus der DE-PS 763 250 ist es bereits bekannt, daß mittels Gebläse aus Luftzuleitungsrohren oder Leitkanälen über einen Saugkorb aus dem Erdboden entnommene Erdluft zur unmittelbaren Belüftung und Temperierung insbesondere geschlossener Räume verwendet werden kann. Diese Anordnung erfordert erhebliehen Bauaufwand für das Entnahmesystem für Erdluft und den Betriebsaufwand für die stets erforderliche Zwangslüftung.
Das Wirtschaftspatent DD 69 190 beschreibt prinzipiell die gleiche technische Lösung. Auch hier wird Bodenluft, gewonnen aus wie Brunnen ausgerüsteten Bohrungen, mittels Zwangsbelüftung ebenfalls unmittelbar durch die zu lüftenden bzw. zu temperierenden Räume geleitet. Der Aufwand der Herstellung der Bohrungen mit der erforderlichen Lufteintrittsfläche im Filterbereich ist ebenfalls recht hoch. Auch hier ist die Zwangslüftung ständige Funktionsvoraussetzung und verursacht entsprechend einen hohen Betriebsaufwand.
Das DE-GM 295 19 093 U1 sieht einen ebenfalls sehr aufwendigen Luftbrunnen nach dem Konstruktionsprinzip eines Horizontalfilterbrunnens mit oder ohne Befeuchtung des um die Filterbereiche angeordneten Kiesbetts mittels aus einem zusätzlichen Brunnen geförderten Grundwassers vor. Auch hierbei ist Zwangslüftung unerläßlich.
In anderen Patentschriften beschriebene technische Lösungen, welche die Nutzung der thermischen Energie von Grundwasser zum Gegenstand haben (etwa die DE-OS 26 49 273 oder die DE-OS 31 30 772) tangieren die vorgestellte Erfindung nur insofern, als sie die natürliche Erdwärme nutzen. Da diese Lösungen aber nicht die Bodenluft als Hilfsmedium für den Energietransport verwenden, soll nicht näher auf sie eingegangen werden.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anordnung zu schaffen, mit der klimatechnische Einrichtungen und Anlagen eines Gebäudes mit geringerem technischen und wirtschaftlichen Aufwand hergestellt werden können, als dies bei den bisher bekannten technischen Lösungen möglich ist. Die Anlage soll darüber hinaus betriebskostengünstig, umweltfreundlich und energiesparend betrieben werden können.
Es wurde überraschend gefunden, daß diese Aufgabe zumindest an Standorten mit ausreichend porösen Baugrundverhältnissen und nicht zu hohem Grundwasserspiegel erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst werden kann, indem nur geringfügige Änderungen an sich bekannter Baukonstruktionsmerkmale zu deutlichen Energiekosteneinsparungen führen.
Unter dem hierin verwendeten Ausdruck "klimatechnische Einrichtungen und Anlagen eines Gebäudes" sind alle diejenigen Einrichtungen zu verstehen, die zur Herstellung eines bestimmten Luftzustandes, wiez. B. Temperatur, relative Feuchte, in einem Gebäude dienen. Das sind zum Beispiel natürlich oder zwangsweise
durchströmte Luftspalte in der Außenwandkonstruktion, die Be- und Entlüftung, Heizung, Klimaanlagen und zugehörige Leitungssysteme.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können einzelne klimatechnische Einrichtungen, mehrere dieser Einrichtungen oder alle vorhandenen Einrichtungen eines Gebäudes energiesparend betrieben werden. Da die Bodenluft bei ausreichender Entnahmetiefe eine gleichbleibende Temperatur von etwa +5 0C bis +10 0C hat, kann sie vorzugsweise im Winter zu Heizzwecken und im Sommer zu Kühlzwecken verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Bodenluftentnahmeeinrichtung und Anschlußeinrichtungen an die gewünschten klimatechnischen Einrichtungen und Anlagen des Gebäudes. Die Bodenluft wird direkt unter dem Gebäude entnommen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Konvektionswärme aus der Gebäudesohle zusätzlichen Wärmegewinn für die Bodenluft liefert, daß die durch den offenen Porenraum des Bodenkörpers diffundierende Zuluft zum Bodenluftentnahmeort einen relativ langen Weg mit Unterströmung des Fundaments zurücklegen muß, wobei sie genügend Zeit hat, Erdwärme bzw. -kühle aufzunehmen und daß lange Zuleitungen für Bodenluft zum Gebäude entfallen können. Die Bodenluftentnahmeeinrichtung (fest-gasförmig-Separator) wird vorzugsweise konstruktiv sehr vorteilhaft unmittelbar aus der sogenannten Sauberkeitsschicht unterhalb der Fundamentplatte des Gebäudes gebildet.
Diese rollig-kiesige Schicht wird bautechnisch ohnehin vorgesehen und dient als Sperre gegen Kapillarwasser. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist augenscheinlich. Die ansonsten sehr aufwendigen Bauwerke zur Gewinnung der Bodenluft werden nicht benötigt.
Die Bodenluft wird zur Energieeinsparung bei der Gebäudeheizung über eine quergelochte Steinlage in Höhe der Sauberkeitsschicht direkt in spaltförmige, in der Außenwandkonstruktion angeordnete, natürlich durchströmte oder zwangsentlüftete Luftkamine gespeist. Diese Luftkamine werden konstruktiv aus einem durch vertikale Stege unterteilten Luftspalt in einem mehrschaligen Wandaufbau gebildet. Der Abstand der Stege untereinander kann dabei 1 5 cm bis 1 50 cm betragen. Sobald die oberirdische Umgebungsluft kälter ist als die Bodenluft, ergibt sich ein Wärmegewinn gegenüber herkömmlich mit Außenluft hinterlüfteten Fassaden. Infolge der Schwerkraft vergrößert sich mit wachsender Temperaturdifferenz die "Schornsteinwirkung". Durch die innere Gebäudeaußenwand diffundierter Wasser-
dampf wird zuverlässig abtransportiert. Der Effekt kann bei Erfordernis mittels Gebläse verstärkt werden.
Auch diese Anordnung entspricht weitgehend traditionellen Baukonstruktionen. Zwei-oder mehrschalige Wandaufbauten sind bekannt. Üblicherweise werden die unteren Lüftungsöffnungen bei hinterlüfteten Wandkonstruktionen über der Erdoberfläche mittels Lüftungsschlitzen nach außen geführt. Die für den Abtransport des durch die Innenwand diffundierten überschüssigen Wasserdampfes erforderliche Hinterlüftung hat bei dieser Ausführung den Nachteil, daß Luft mit Außentemperatur in die Lüftungszwischenräume geleitet wird, womit lediglich die Innenwand zur Wärmedämmung des Gebäudes beiträgt. Die Wandaußenschale hat damit nur noch die Funktion des Wetterschutzes und dient dem optischen Erscheinungsbild des Gebäudes.
Die erfindungsgemäße Lösung beseitigt diesen Nachteil mit sehr einfachen Mitteln, indem die Hinterlüftung mit Bodenlufttemperatur geschieht. Die gleiche Wandkonstruktion ist gegenüber der herkömmlichen Außenlüftung energetisch wesentlich günstiger. Anders gesagt, kann für den gleichen Dämmeffekt eine dünnere und damit preiswertere Innenwand ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt auch die notwendige Raumbelüftung direkt mit der über eine Rohrleitung aus der Sauberkeitsschicht entnommenen Bodenluft, bzw., je nach Außentemperaturverhältnissen, auch über einen Mischstrom aus Bodenluft und oberirdischer Umgebungsluft. Bei traditioneller Lüftung mit Außenluft ergibt sich der Lüftungswärmebedarf eines Raumes daraus, daß die Temperaturdifferenz zwischen oberirdischer Umgebungsluft und der gewünschten Raumtemperatur ausgeglichen werden muß. Er ist um so größer, je kalter es draußen ist. Bisher wird mittels Wärmetauschern und/oder Wärmepumpen in bekannter Weise versucht, diesen Verlust zu verringern. Wenn anstelle der Außenluft Bodenluft mit einer Temperatur von +5 0C bis +10 0C für die Raumlüftung verwendet wird, ergibt sich bei Außentemperaturen <5 0C eine Energieeinsparung, die indirekt proportional zur Umgebungslufttemperatur ist. Die Bodenluft liefert darüber hinaus mehr Feuchtigkeit als kältere Außenluft und verhindert allzu trockene Luft in den Wohnräumen während der Kälteperioden.
Natürlich kann auch der Bodenluft zusätzlich über Wärmetauscher/-pumpen zurückgewonnene Abluftwärme zugeführt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die ausschließliche Wärmezufuhr über eine aus Bodenluft gespeiste Luftheizung vorgesehen. Neben dem Ausgleich des Lüftungswärmeverlustes wird hierbei auch der Transmissionswärmeverlust des Gebäudes kompensiert. Wegen der notwendigen Mindestfeuchte kann ein Teilstrom der die Wärmeenergie transportierenden Luft über die Heizung im Kreislauf geführt werden.
Im Sommer kann Bodenluft zu Kühlzwecken von Gebäuden eingesetzt werden. Das ist besonders dann interessant, wenn solar ausgerichtete Architektur mit großen, nach Süden gerichteten Fenstern ein Zuviel an Wärme bekommt und die Räume dadurch überheizt werden. Durch die Raumkühlung mit Bodenluft können für die Raumkühlung vorgesehene Klimaanlagen kostengünstiger ausgeführt werden.
Die Wandhinterlüftung für Kühlzwecke bedingt eine Zwangsentlüftung.
Analog zur Raumluftheizung im Winter kann die beschriebene Anlage zur Raumlüftung auch zur Klimatisierung der Räume im Sommer verwendet werden, ebenfalls je nach Außentemperaturverhältnissen im Mischstrom mit oberirdischer Umgebungsluft oder allein. In den Räumen sind die Zu- und Abluftleitungen zu vertauschen, da sonst Kurzschlußströmungen entstehen. Die Luftzufuhr aus Bodenluft zur Raumlüftung im Sommer ist gegenüber einer Außenluftzufuhr (Fensterlüftung) vor allem auch wegen der Luftfeuchte vorteilhaft. Die oft sehr warme Außenluft bewirkt im kühleren Gebäude mitunter recht hohe relative Luftfeuchtewerte. Durch die Bodenluftzufuhr wird dieses verhindert. Die erforderliche Temperaturerhöhung der Bodenluft sollte allerdings ohne Zusatzheizung durch die solare Einstrahlung und durch Transmission von Wärmeenergie aus der Umgebung des Gebäudes erfolgen.
Desweiteren kann es vorteilhaft sein, die Bodenluft durch einen Wärmetauscher vor der Einspeisung in die klimatechnischen Einrichtungen weiter zu erwärmen. Der Wärmetauscher kann vorzugsweise mit der Abluft aus den Räumen betrieben werden, aber selbstverständlich auch mit anderen wärmeführenden Medien, z. B. dem Brauchwasser.
Für eine noch weitere Erwärmung der Bodenluft kann bei Bedarf eine Zusatzheizung, wie zum Beispiel eine Solarheizung, vorgesehen werden.
Bodenluft istinfolge der physikalischen, chemischen und biologischen Filterwirkung der natürlichen Bodenschichten nahezu keim- und staubfrei sowie in gewissem Grad auch von unerwünschten gasförmigen Beimengungen befreit, was sie für den
vorgesehenen Einsatz besonders geeignet und zusätzliche Einrichtungen entbehrlich macht. Um auch noch die möglicherweise geringfügig vorhandenen gasförmigen Beimengungen zu entfernen, kann ein Aktivkohlefilter vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Hauses mit einem schematisch angedeuteten, mit Bodenluft gespeisten Luftspalt in der Außenwandkonstruktion;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung zur direkten Raumbelüftung/Raumheizung sowie für Kühlzwecke.
Die Zeichnungen beschränken sich auf die für das Verständnis der Erfindung notwendige Darstellung.
Das mit 10 bezeichnete Haus oder Gebäude weist einen zweischaligen Außenwandaufbau auf, der aus der eigentlichen Außenwand 1 und einer hinterlüfteten Fassade 2 besteht. Diese Hinterlüftung oder der Luftspalt 3 setzt sich auch am Dach fort und endet am Dachfirst in einer Entlüftung 5, die, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Zwangsentlüftung sein kann. Die Zwangsentlüftung ist insbesondere dann vorzusehen, wenn die Bodenluft im Sommer zur Gebäudekühlung verwendet werden soll. Die unterhalb des Kellerbodens bzw. der Bodenplatte 4 befindliche Kiesschicht 18 (Sauberkeitsschicht) des Hauses 10 dient gemeinsam mit der direkt unterhalb der Bodenplatte 4 des Hauses in der Gebäudeaußenwand 1 ringsum angeordneten quergelochten Steinlage 19 als Bodenluftentnahmeeinrichtung 8, die Bodenluft aus dem umliegenden Sediment entnimmt und in den Luftspalt 3 zwischen Gebäudeaußenwand 1 und Fassade 2 führt. Die Kiesschicht 18 ist mindestens so hoch wie die quergelochte Steinlage 19.
Die Bodenluftentnahme direkt unter dem Gebäude 10 hält den technischen Aufwand für die Einspeisung der Bodenluft, deren Strömung durch die Pfeile 7 angedeutet ist, so gering wie möglich. Darüber hinaus vermeidet der lange Weg der diffus anströmenden Bodenluft gegenüber der freien Außenluft Kurzschlußströmungen ohne ausreichenden Temperaturangleich an die Erdwärme bzw. -kühle.
Bei dieser Gelegenheit ist anzumerken, daß nicht alle Böden zur Luftentnahme
geeignet sind, sondern bestimmte Voraussetzungen bezüglich Porenvolumen/Korndurchmesser erfüllen müssen, um eine effektive Bodenluftentnahme zu gewährleisten. Der Luftgehalt von Böden ist vom Porenvolumen und vom Wassergehalt abhängig, wobei außerdem das Bodengefüge eine Rolle spielt. Demnach sind rollige Böden für die Bodenluftentnahme durchweg geeignet, während bindige Böden weniger oder gar nicht geeignet sind. Die Luftentnahme läßt sich zwar durch die Anordnung eines Kiesbettes (Korngerüstfilter) im Bereich der Bodenluftentnahmestelle 8 verbessern, dennoch wird dieses nicht bei allen Böden gelingen.
Eine weitere Voraussetzung istdernatürliche Grundwasserstand, dessen maximaler Pegel 13 für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel unterhalb der Fundamentunterkanten liegen muß.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, wird die aus dem Boden 9 entnommene Bodenluft direkt in die hinterlüftete Gebäudeaußenhaut 3 geleitet und steigt dort in Pfeilrichtung 7 nach oben, bis sie aus der Entlüftung 5 am Dachfirst austritt. Im Winter, bei kälterer Umgebungsluft, wird diese aufsteigende und das Gebäudeinnere umgebende Bodenluft 7 eine heizenergiesparende Wirkung haben, da sie den extremen Temperaturunterschied zwischen dem warmen Gebäudeinnenraum 6 und der kalten Gebäudeaußenseite ausgleicht. Im Sommer wird sie dagegen eine Kühlfunktion erfüllen, indem sie nämlich ausgleichend auf die Temperaturunterschiede zwischen warmer Umgebungsluft und kühlerer Luft im Gebäudeinneren 6 wirkt.
Gegen übermäßige Abkühlung der Bodenluft durch die kalte Fassade im Winter sowie gegen deren übermäßige Erwärmung durch die solar aufgeheizte Fassade im Sommer ist an der Innenseite der hinterlüfteten Fassade eine Wärmedämmschicht 20 angebracht.
Somit wird durch die gleiche, technisch einfache und effektive, erfindungsgemäße Lösung zu allen Jahreszeiten, besonders natürlich im Sommer und Winter, eine kosten- und energiesparende Gebäudeklimatisierung erhalten.
In Fig. 2 ist eine Einsatzmöglichkeit für die Raumlüftung mit Bodenluft gezeigt.
Die aus der Bodenluftentnahmeeinrichtung 8 über eine durch die Fundamentplatte des Hauses geführte Rohrleitung entnommene Bodenluft 7 wird zunächst in einem Aktivkohlefilter 1 2 gefiltert, um eventuell in der Bodenluft enthaltene gasförmige Bestandteile aus der biologischen Aktivität des Bodens zu entfernen. Dem Aktiv-
kohlefilter 12 nachgeschaltet ist ein Mischer 17 zur Mischung von Bodenluft mit Außenluft in beliebigem prozentualen Verhältnis, danach ein Wärmetauscher 14, der im vorliegenden Beispiel ein Kreuzstromwärmetauscher ist. Es können ebenso andere Arten verwendet werden. Vorzugsweise ist das wärmeabgebende Medium die aus dem Rauminneren 11 abgeführte Luft, die über eine Rohrleitung 15 mit Lüftergebläse, z. B. über dem Dach, abgeführt wird. Die Strömungsrichtung der Heiz- bzw. Kühlluft für Heiz- bzw. Kühlzwecke ist den Pfeilen in der Fig. 2 zu entnehmen, d. h., die Zu- und Abluftleitungen werden für Heizung und Kühlung jeweils vertauscht.
Soll die Bodenluft für die ausschließliche Wärmezufuhr in das Rauminnere 11 verwendet werden, empfiehlt sich eine Zusatzheizung 16, die beispielsweise eine Solarheizung sein kann.
Auch aus der bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 2 wird offensichtlich, daß mit technisch einfachen Anlagen unter Ausnutzung der thermischen Energie der Bodenluft eine effektive Gebäudeklimatisierung im Winter als auch im Sommer möglich ist, die kosten- und energiesparend arbeitet.

Claims (8)

SCHUTZANSPRÜCHE
1. Anordnung zur Klimatisierung von Gebäuden mit Bodenluft; wobei mindestens eine der klimatechnischen Einrichtungen und Anlagen eines Gebäudes mit Bodenluft gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bodenluftentnahmeeinrichtung, bestehend aus einer Kiesschicht (18), unmittelbar unterhalb des Kellerbodens bzw. der Bodenplatte (4) des Gebäudes (10) angeordnet ist.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Streifenfundament unterhalb eines Kellerbodens bzw. einer Bodenplatte (4) des Gebäudes (10) zwischen der Bodenluftentnahmeeinrichtung und einem oben entlüfteten, inneren Luftspalt (3) einer mehr als einschaligen Gebäudeaußenwand (1) eine rings um das Gebäude (10) verlaufende, quergelochte Steinlage (19) eingebaut ist.
3. Anordnung gemäßAnspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenluft als direkte Raumbelüftung allein oder in Mischung mit oberirdischer Umgebungsluft in das Gebäudeinnere (6; 11) eingespeist wird.
4. Anordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenluft eine Luftheizung zur Wärmezufuhr in das Gebäudeinnere (6; 11) und/oder eine Luftkühlung zur Wärmeentnahme aus dem Gebäudeinneren (6; 11) speist.
5. Anordnung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenluft vor der Einspeisung in die klimatechnischen Einrichtungen und Anlagen des Gebäudes (10) durch einen Aktivkohlefilter (12) und/oder einen Wärmetauscher (14) und/oder eine Zusatzheizung (16) geleitet wird.
6. Anordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (14) mit der Abluft aus dem Gebäudeinneren (6; 11) betrieben wird.
7. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Luftspalt (3) der mehr als einschaligen Gebäudeaußenwand (1) durch senkrecht verlaufende Trennstege in einzelne Luftkanäle aufgeteilt ist.
8. Anordnung gemäß Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine hinterlüftete Fassade (2) dermehralseinschaligen Gebäudeaußenwand {1) auf Seiten des inneren Luftspaltes (3) mit einer Wärmedämmschicht (20) ausgerüstet ist.
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