DE3021464C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Klimatisieren von der Einwirkung natürlicher Wärmeeinstrahlung ausgesetzten Räumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klimatisieren von, der Einwirkung natürlicher Wärmeeinstrahlung ausgesetzten Räumen, insbesondere Gewächshäusern, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. wie es aus der DE-AS 2b Ob 5J5 bekannt ist.

Bei den natürlicher Wärmceinstrahlung ausgesetzten Räumen bestehl ein Problem bei der Klimatisierung darin, auftretende Übersehußwärme aus ilen Räumen auf einfache, zuverlässige und encrgiemaßig spaisame Weise abzuführen. Dies yilt insbesondere in solchen Fällen, in denen die Raumtemperatur in relativ engen Grenzen im Bereich eines Soll-Wertes gehalten werden muß. Dies ist der Fall vor allem in Gewächshäusern, bei denen Pflanzkulturen außerordentlich empfindlich auf

Überwärmung der Räume ansprechen können: Bei solchen Räumen tritt zusätzlich häufig die Aufgabe auf, auf einfache und Energie sparende Weise die Temperatur innerhalb der Räume auch dann auf einem gewünschten Soll-Wert zu halten, wenn die Außentemperatur absinkt.

Bei Gewächshäusern kommt erschwerend hinzu, daß sie großflächig der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, so daß bei rasch wechselnder Bewölkung innerhalb der Räume rasch wechselnde Temperaturen auftreten. Um einer Überwärmung wirkungsvoll entgegentreten zu können, sind bei Gewächshäusern oft großflächige Lüftungsflügel in den Dachbereichen oder den Seitenwandbereichen vorgesehen, die mittels Hand oder motorisch betätigt werden können. Thermostatische Regelungen haben sich bei solchen großen Räumen nicht bewährt. Die Betätigung der Lüftungsflügel muß daher durch Personal überwacht werden. Die Lüftungsflügel und die Betätigungseinrichtungen ebenso wie deren Überwachung durch Personal sind sehr umständlich und aufwendig. Hinzu kommt, daß bei solchen Belüftungssystemen keine ausreichende Kontrolle über die Strömung der in die Räume eintretenden Kaltluft besteht, so daß zusätzlich die Gefahr einer Schockwirkung bei den Pflanzen nicht ausgeschlossen werden kann.

Man kann davon ausgehen, daß zu klimatisierende Räume Radiatoren oder Konvektoren aufweisen, die an herkömmliche Heizanlagen angeschlossen sind. Die Abstrahlung von den Radiatoren kann durch natürliche Konvektion oder durch Lüfter in Form einer Zwangskonvektion unterstützt werden. Damit hat man es bei der Beheizung dieser Räume ohne Schwierigkeiten in der Hand, die Warmluft gesteuert und ohne Störung der Kulturen in die Räume einzuleiten.

Es ist ferner bekannt, daß bei Gewächshäusern häufig

4(i die für die Kulturen erforderlichen Temperaturen bei Tage, also während der Vegetationszeit, höher liegen, als während der Nacht, in der mehr oder weniger eine Vegetationsruhe eintritt.

Es is¹, ferner für Energie sparende Heizzwecke bekannt. Wärmepumpen einzusetzen, denen die erforderliche Wärme aus natürlichen Wärmequellen wie Luft oder über Erdkollcktoren aus dem Erdreich zugeführt wird.

Ferner ist es beim Klimatisieren von Gebäuden entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt, überschüssige Wärme, die einem Gebäude beispielsweise durch Sonneneinstrahlung zugeführt wird, in Fluidtanks zu speichern (vergl. DE-AS 26 06 535). Bei dieser bekannten Anordnung wird angestrebt, die verfügbare Speicherenergie derart geregelt zu verbrauchen, daß auch bei verhältnismäßig großen Bedarfsschwankungen möglichst wenig Zusatzenergie erforderlich ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, das ein-

bO gangs genannte Verfahren und die zum Ausführen des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau der Vorrichtung und mit sehr geringem Hnergieeinsatz auch bei starken Schwankungen der natürlichen Wärmeeinstruhlung ein Ansteigen

h"i der Temperatur in dem Raum über den Soll-Wert zuverlässig und genau vermieden werden kann, ohne daß es da/u großflächiger Belüftungsemriehtungen oder dgl. bedarf.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Verfahrensschritte gelöst.

Hierbei wird das gleiche Fluid, das zur Wärmezufuhr für den Raum eingesetzt wird, dazu verwendet. Wärme aus dem Raum bei Bedarf abzuführen. Das bedeutet, daß die gleichen Radiatoren des Raun·« sowohl für Heizzwecke wie auch für Kühlzwecke eingesetzt werden können. Für das Abführen auch großer Mengen an Wärme aus dem Raum zum Einhalten der Soll-Tempe ratur wird die nahezu unbegrenzt zur Verfugung stehende Kühlkapazität des Erdreiches in wenigen Meter Tiefe unter der Erdoberfläche ausgenutzt In diesen Bereichen herrscht das ganze Jahr über eine Temperatur, die nur in einem relativ engen Bereich von 4° C bis 6⁰C schwankt. Durch Wärmetauschkontakt mit diesem Erdreich wird das Fluid auf annähernd diese Erdtemperatur gekühlt und dann durch die Radiatoren des Raumes geleitet, wodurch mit der gleichen Effektivität, wie bei der Heizung des Raumes durch Abstrahlung von Wärme, die Wärme aus dem Raum durch die Radiatoren und das durch diese geführte Fluid aufgenommen und abgeführt wird. Die dabei aus dem Raum abgeführte Wärme wird dem wärmeisolierten Speichertank zugeführt. In diesem Speichertank wird die natürliche Wärmeschichtung ausgenutzt, wobei seine sich zu allerletzt mit warmen Fluid füllenden Bereiche zum Schließen des Fluidkreislaufes mit dem im Erdreich angeordneten Erdtank über einen Überlauf direkt verbunden werden können (Patentanspruch 3). Erst wenn die Wärmespeicherkapazität des wärmeisolierten Speichertanks erreicht ist, überträgt das Fluid bei der Kühlung der Räume Wärme aus dem Speichertank in den Erdtank und damit in das umliegende Erdreich.

Da über weite Perioden die Außentemperatur nur nachts auf Werte absinkt, die eine Zufuhr von Wärme zu den Räumen erforderlich macht, und da die Soll-Temperatur nachts zumeist niedriger als am Tage liegen kann, wird durch einfaches Umschalten des Fluidkreislaufs in vielen Fällen die aus dem Speichertank über die Radiatoren den Räumen zugeführte Wärme ausreichen, um die niedrigere Soll-Temperatur einzuhalten.

Die Regelung gestaltet sich einfach und kann auf thermostatischem Wege erfolgen, da lediglich der Fluidkreislauf bzw. die dafür notwendige Umwälzpumpe ein- und ausgeschaltet zu werden braucht. Sind den Radiatoren zur Zwangskonvektion dienende Gebläse zugeordnet, kann durch Ein- und Ausschalten der Gebläse eine zusätzliche Regelsrufe zur Verfügung gestellt werden.

Zum Ausführen des Verfahrens dient eine Vorrichtung, die davon ausgeht, daß den Räumen Radiatoren, ggf. mit Gebläsen, zugeordnet sind und für die Klimatisierung ein Fluid mit entsprechenden Fluidtanks nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zur Virfügung steht. Die Vorrichtung ist gemäß der Erfindung denn durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 2 gekennzeichnet.

Bei Bedarf kann nach Patentanspruch 4 eine zusätzliche Wärmepumpe vorgesehen sein, um bei Kälteeinbrüchen die Temperatur des aus dem Speichertank entnommenen Fluids vor der Zufuhr zu den Radiatoren zu erhöhen.

Ist ein konventionelles Heizsystem vorhanden, so kann nach Patentanspruch 5 dieses unter Verwendung des gleichen Wärmeträgerfluids als Notaggregat in den Kreislauf einschaltbar sein.

Die Anlagekosten sind abgesehen von den Fluidtanks gering, da die für die Heizung der Räume vorhandenen Radiatoren ausgenützt werden können. Außerdem kommen die hohen Installationskosten für sonst übliche Belüftungssysteme in Fortfall. Da das übliche, mit Radiatoren oder Konvektoren arbeitende Heizsystem der Räume im allgemeinen bereits optimal hinsichtlich des Wärmeüberganges zwischen dem Raum und dem Fluid ausgebildet ist, können diese günstigen Werte auch beim Abführen von Wärme aus den Räumen voll zur Wirkung gebracht werden. Unter normalen Verhältnissen ist der Energieaufwand gering, da lediglich die Umwälzpumpe für das Fluid und bei den Radiatoren zugeordneten Gebläsen die Energie für deren Antrieb aufgewendet werden muß.

Ist dem Kreislauf nach Patentanspruch 4 eine Wärmepumpe zuschaltbar, so kann in extremen Fällen durch den geschlossenen Kreislauf der Erdtank bedarfsweise als Erdwärmekollektor eingesetzt werden.

Bei Einsatz der Vorrichtung bei Gewächshäusern braucht die den Gewächshäusern zugeordnete Belüftung nur noch unter dem Gesichtspunkt der Steuerung des Verhältnisses von Kohlendioxyd und Sauerstoff in der Gewächshausluft ausgelegt zu werden. Dazu reicht es aus, an den Stirnseiten 2, 3 des Gewächshauses 1 Zwangslüfter vorzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der Figur ist ein Gewächshaus 1 vorhanden, mit Stirnseiten 2 und 3 und einer Dachfläche 4.

Das Gewächshaus 1 ist weitgehend nach außen abgeschlossen, braucht insbesondere keine Belüftungsklappen auf der Dachfläche 4.

Wie bei Gewächshäusern üblich, ist das Innere direkt der Wärmeeinstrahlung 5 ausgesetzt. Im gleichen Maße wird im hohen Maße Wärme nach außen abgegeben, wenn die Temperaturverhältnisse sich umkehren.

Im Inneren des Gewächshauses 1 ist ein übliches Konvektionsheizsystem angeordnet. Dieses besteht aus mehreren Radiatoren 6 und 7. |edem Radiator 6,7 kann ein Gebläse 8 zugeordnet sein, um für eine Zwangskonvektion entsprechend den Pfeilen 9 innerhalb des Gewächshauses 1 zu sorgen. In der Praxis erfolgt das Durchblasen von oben nach unten, nicht horizontal.
Die Radiatoren 6,7 werden mit einem Heizfluid über Speiseleitungen 10,11 versorgt, während das austretende Heizfluid über die Ablaufleitung 13 zurückgeführt wird. Es handelt sich hier um ein herkömmliches Heizsystem, um den Wärmebedarf des Gewächshauses zuverlässig abzudecken. Dieses Heizsystem ist an eine Heiz-

quelle, wie eine übliche Ölheizung oder eine Wärmepumpe, angeschlossen.

Um die bei Einstrahlung im Gewächshaus entstehende überschüssige Wärme zuverlässig und unter genauer Steuerung abführen zu können, ist ein Erdtank 14 vorgesehen, der ohne Wärmeisolierung in das Erdreich so eingesetzt ist. daß ein ausreichender Wärmeübergang 26 zwischen seiner Füllung und dem Erdreich 15 stattfinden kann. Der Erdtank 14 ist mit einem gegen Frost geschützten Fluid gefüllt. Dieses kann aus dem Erdtank 14 über die Leitung 16 und das Dreiwege-Umschaltventil 17 durch eine Pumpe 12 angesaugt werden. Die Pumpe 12 ist mit der Druckseite direkt an die Speiseleitungen 10 und U angeschlossen. Das Kühlfluid kann somit aus c!~m Erdtank 14 durch die Radiatoren 6 und 7 des

t,5 Konvektionshcizungssystems geleitet werden, um, statt dem Gewächshaus Wärme zuzuführen, aus dem Gewächshaus in effektiver Weise Wärme abzuführen. Das Kühlfluid wärmt sich in den Heizkörpern 6, 7 auf und

wird im aufgewärmten Zustand über die Ablaufleitung

13 abgeführt. Es kann eine Rückführung in den Erdtank

14 erfolgen, wo die aus dem Gewächshaus abgeführte Wärme vom umliegenden Erdreich aufgenommen wird.

Bevorzug! wird jedoch das aufgewärmte Fluid über die Ablaufleitung 13 in einen zweiten Tank einen Speichertank 18 geleitet, der jedoch gegen Wärmebeeinflussung von außen durch eine Wärmeisolierung 19 geschützt ist.

Das aus dem Erdtank 14 mit einer Temperatur um etwa 4 bis 6°C durch das Konvektionsheizsystem geführte Fluid heizt sich beim Durchlauf durch die Radiatoren auf. Die maximale Temperatur des Fluids wird in der Regel bei der maximalen zulässigen Raumtemperatur des Gewächshauses 1 liegen, da ja über das Kühlfluid die Temperatur auf diesen Wert eingeregelt werden soll. Das aufgeheizte Fluid wird dann im Speichertank 18 gespeichert.

Da bei vielen Kulturen in Gewächshäusern die Tagestemperatur, in der die Vegetation der Pflanzen lebhaft abläuft, höher liegen muß, als die Temperatur bei Nacht, in der die Vegetationsabläufe weitgehend ruhen, kann das aufgeheizte Fluid aus dem Speichertank 18 direkt und ohne weiteres Aufheizen während der Nacht dazu verwendet werden, um die gewünschte niedrigere Soll-Temperatur innerhalb des Gewächshauses aufrecht zu erhalten. Zu diesem Zweck wird das Fluid aus dem Speichertank 18 über eine Leitung 20, das Umschaltventil 17 und die Pumpe 12 in das Konvektionsheizsysiem eingeleitet. Dabei kühlt sich das Heizfluid beim Durchgang durch die Radiatoren 6, 7 auf eine niedrigere Temperatur ab. Das abgekühltere Fluid kann in einem dritten Tank gesammelt werden. Es wird jedoch zweckmäßigerweise dem Speichertank 18 wieder zurückgeführt, so daß im Speichertank die Temperatur langsam sinkt. Solange die Temperatur im Speichertank 18 über der Soll-Temperatur des Gewächshauses für die Nacht liegt, kann die Heizung des Gewächshauses mit diesem Fluid vorgenommen werden. Sinkt jedoch, was unter erschwerten Umständen eintreten kann, die Temperatur unter den niedrigeren Soll-Wert der Nachttemperatur, so muß aufgeheizt werden. Dies kann über eine Wärmepumpe 25 erfolgen. Dabei wird die erforderliche Wärme über die Leitung 20 zunächst aus dem Speichertank 18 entnommen und über das Ventil 24 der Wärmepumpe 25 zugeführt. Die abgebende Wärme der Wärmepumpe 25 wird zum Aufheizen des Heizfluids verwendet. Die Verhältnisse sind vereinfacht durch einen direkten Anschluß der Wärmepumpe 25 an die Saugseite der Pumpe 12 dargestellt. Für die Klimatisierung stellt die Wärmepumpe 25 lediglich ein Aggregat dar, das in Ausnahmesitnationen für eine zusätzliche Wärmegewinnung zum Aufheizen des Heizfluids beiträgt. Normalerweise und über lange Zeiten funktioniert das beschriebene System allein unter Gewinnung und Wiedereinsatz der natürliche Wärme, wie sie durch die Wärmeeinstrahlung 5 in das Gewächshaus erhalten wird.

Zweckmäßigerweise ist das ganze System zu einem geschlossenen System weitergebildet und es sind Kühlfluid und Heizfluid ein und dasselbe Fluid. Um den Kreis zu schließen, sind Erdtank 14 und Speichertank 18 über jeweilige Überläufe 23 und 21 miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt über eine senkrecht nach unten verlaufende Leitungsschleife 22. Dadurch wird eine kommunizierende Verbindung zwischen den beiden Tanks sichergestellt, während gleichzeitig die Wärmeübertragung zwischen beiden Tanks weitgehend ausgeschlossen ist. Praktische Versuche haben gezeigt, daß die Wärme aus dem Speichertank 18 nicht der üblichen Konvektion entgegen durch die nach unten verlaufende Leitungsschleife 22 in den Erdtank 14 übertreten kann. Entsprechendes gilt für den Wärmeübergang in der entgegengesclzten Richtung.

Die natürliche Wärmestrahlung kann auch indirekt, z. B. über eloxierte Alu-Ziegel, zur Erwärmung eines Raumes führen. Dafür ist vorliegendes Klimatisierungsverfahren gleichermaßen anwendbar.

ίο Der Erdtank 14 ist in der Praxis, anders als in der vereinfachten Darstellung in der Oberfläche wesentlich größer, als der isolierte Speichertank 18, um für einen guten Wärmeübergang zwischen Fluid und Erdreich 15 zu sorgen. Der Erdtank 14 bildet praktisch den Kollektor für die Primärseite einer Wärmepumpe, wird hier aber vor allem auch zum Kühlen eingesetzt.

Die eventuelle Einbeziehung eines vorhandenen konventionellen Heizsystems hat hier den besonderen Vorteil, daß durch die Zwangskonvektion an den Radiatoren mit niedriger Oberflächentemperatur von z. B. nur etwa 30° statt üblicherweise etwa 75⁰C gearbeitet werden kann. Es kann somit das gleiche Fluid für das Gesamtsystem verwendet werden. Im Notfall braucht dieses über das konventionelle Heizsystem nur um wenige Grad erwärmt zu werden.

Da das Gewächshaus nach außen abgeschlossen ist, muß gesondert für die Steuerung des Gashaushaltes gesorgt werden. Das dafür vorgesehene Ventilationssystem kann hier zusätzlich als Notaggregat zur Übernahme von Klimatisierungsaufgaben eingesetzt werden, wenn die Anlage zur Klimatisierung ausfällt.

Der Erdtank ist frostfrei in einer ausreichenden Tiefe von 1 m im Erdreich eingebaut und nicht wärmeisoliert. Bei Einsatz im Zusammenhang mit einem Gewächshaus kann seine Aufnahmekapazität etwa 30 m³ betragen. Zu diesem Zweck kann ein 30 m langes Rohr mit etwa 1,20 m lichtem Durchmesser im Erdreich verlegt sein. Der Speichertank ist wärmeisoliert. Aus Isolierungszwecken sollte seine Gesamtoberfläche möglichst klein sein. Als Speichertank kann man einen wärmeisolierten Tank von 10 m Länge und 2 m Durchmesser einsetzen, der ebenfalls eine Fluidaufnahmekapazität von etwa 30 m^J aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Klimatisieren von der Einwirkung natürlicher Wärmeeinstrahlung ausgesetzten Räumen, insbesondere Gewächshäusern, bei denen die Raumtemperatur tagsüber auf einem vorbestimmten, höheren und nachts auf einem vorbestimmten, niedrigeren Wert gehalten werden soll, unter Verwendung von Fluidtanks zum Speichern der Wärme und von ggf. mit Gebläse ausgerüsteten Radiatoren, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von zwei Fluidtanks zjm Abführen der überschüssigen Wärme das Fluid zuerst durch den ersten Fluidtank, einen Erdtank (14) ohne Wärmeisolierung, geführt und in diesem durch Wärmeaustausch mit dem Erdreich auf annähernd die Erdtemperatur gebracht wird, daß darauf das Fluid unier Wärmeaufnahme durch die Radiatoren (6, 7) geführt und anschließend in den zweiten, wärmeisolierten Speichertank (18) geleitet wird, und daß während der Wärmebedarfszeit des Raumes das Fluid aus dem Speichertank (18) den Radiatoren (6, 7) zugeführt und zum Speichertank (18) wieder zurückgeführt wird.

2. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ggf. mit Gebläse (8) ausgerüsteten Radiatoren (6, 7) über Speiseleitungen (10, 11) an ein Dreiwege-Umschaltventil (17) angeschlossen sind, daß einerseits mit einem wärmeisolierten Speichertank (18) und andererseits mit einem im Erdreich (15) versenkt eingebauten und mit dem Erdreich in direktem Wärmekontakt stehenden Erdtank (14) verbunden ist, und daß der Leitungsablauf (S3) der Radiatoren (6,7) in den Speichertank (18) führt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Erdtank (14) und der wärmeisolierte Speichertank (18) jeweils einen Oberlauf (21, 23) aufweisen, die durch eine nach unicn geführte Lcitungsschleife (22) für das Wärmelrägerfiuid nach An der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Wärmepumpe (25) in dem Kreislauf für die Wärmebedarfszeit zwischen dem Speichertank (t8) und den Radiatoren (6,7) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorhandenes konventionelles Heizsystem unter Verwendung des gleichen Wärmeträgerfluids als Notaggregat in den Kreislauf cinschaltbar ist.