DE3208582C2

DE3208582C2 - Anordnung zur Beheizung von Gebäuden

Info

Publication number: DE3208582C2
Application number: DE3208582A
Authority: DE
Inventors: Bernhard 7730 Villingen-Schwenningen Seemann; Karl Bauing. Seemann (Grad.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-20
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE3208582A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Be-heizung von Gebäuden mit einem Wärmepumpenprozeß. Als Wärme absorber und -speicher dient ein Betonbauteil (10), in welchem Rohre (21, 22) des Absorberkreislaufes (20) eingebettet sind. Eine erste Gruppe von Rohren (21) befindet sich in einer Ebene, welche der Wärme aufnehmenden Seite (11) des Bauteiles (10) benachbart ist. Die zweite Gruppe der Rohre (22) befindet sich im Innern des Bauteiles. Sämtliche von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmten Rohre stehen miteinander in Verbindung, so daß die mit den Rohren (21) aufgenommene Wärme über das strömende Medium rasch in das Innere des Bauteiles (10) transportiert wird. Eine Umwälzpumpe (23) sorgt für einen ständigen Umlauf der Wärmeträgerflüssigkeit. Der Absorberkreis, in welchem die Rohre (21, 22) bevorzugt in Reihe geschaltet sind, ist mit der Kondensatorseite (31) einer Wärmepumpe (30) verbunden. Diese hebt die absorbierte Wärme auf ein höheres Temperaturniveau und gibt sie auf der Verdampferseite (32) an einen Heizkreislauf ab.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beheizung von Gebäuden der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Eine derartige Anordnung ist Gegenstand des älteren Vorschlages gemäß DE-OS 30 35 538 und ist ferner aus der DE-OS 30 17 223 bekannt. Bei ihr wird mittels eines Wärmepumpenprozesses der Umgebung Wärme entzogen, die zu Heizzwecken einem Heizkreis zugeführt wird.

Ein wesentliches Merkmal des Gegenstandes der o. a. DE-OS 30 35 538 besteht darin, daß die der Umgebung entzogene Wärme in einem Kurzzeitspeicher zwischengespeichert wird, die zwischcngespcicherte Wärme dem Heizkreis und die überschüssige Warme einem Langzeitspeicher zugeführt wird, aus dem sie im Bedarfsfall in den Heizkreis geleitet wird. Als Zwischenspeicher dienen hier Bauteile aus zementgebundenun Baustoffen, in welche die Rohre des Absorberkreises eingebettet sind. Diese Bauteile dienen gleichzeitig der Wärmeaufnahme, d. h.. sie sind Wiirmeabsorbcr und Wiirmcspeichter gleichzeitig.

Im Betriebszustand zirkuliert durch die Rohrleitungen eine Wärmeträgerflüssigkeit, z. B. Sole, welcher mittels einer Wärmepumpe in bekannter Weise Wärme entzogen wird.

Unter diesem Energieentzug kühlt sich das Absorberund Speicherbauteil insbesondere in den Nachtstunden unter die Temperatur seiner Umgebung ab, so daß es Umweltenergie aufnehmen kann. Die hierbei absorbierte Umweltenergie entspricht vorwiegend dem Energieinhalt der vorbeistreichenden, wärmeren Luft der auftretenden Niederschläge und der Energie, die bei Phasenumwandlung von Wasserdampf in Wasser und Eis frei wird.

In den Tagstunden ergibt sich zusätzlich ein erheblieher Energiegewinn durch diffuse und direkte Sonneneinstrahlung auf der Oberfläche des Absorber- und Speichcrbauteiles. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Ausnutzung dieser Sonnenenergie während der Tagstunden nur zu einem Teil möglich ist Die Ursache hierfür ist, daß die eingestrahlte Energie nicht vollständig vom üblicherweise aus Beton bestehenden Wärme- und Speicherbauteil aufgenommen werden kann, weil die Aufnahmefähigkeit des Bauteiles durch die begrenzten internen Wärmeleitungs- und Wärmespeichervorgänge eingeschränkt ist.

Falls das Bauteil die Wärme möglichst rasch und vollständig aufnehmen soll, müßte der Baustoff ein möglichst hohes Wärmeleitungsvermögen und eine große Wärmekapazität besitzen.

jo Nach dem Vorschlag einer weiteren älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 31 32 773 wurde zur Lösung dieser Aufgabe ein funktionell aus zwei Teilen bestehendes Bauelement vorgeschlagen, bei welchem ein der Wärmeaufnahme dienendes Teil im Freien gelegen ist, während das andere im wesentlichen der Wärmespeicherung dienende Teil im Erdreich vorzusehen ist, wobei in beiden Teilen von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmte Rohrleitungen eingebettet sind, welche vorzugsweise in Reihe geschaltet werden können.
Ein derartiges Bauelement ist jedoch nur dort verwendbar, wo eine Erdberührung möglich ist. Für Hochbauten mit mehreren Geschossen ist dieses Bauteil nicht einsetzbar.

Aus der US-PS 40 86 911 ist ein Sonnenkollektorsystern bekannt, bei welchem auf der Oberfläche eines Kegelstumpfes in dichtem Abstand angeordnete, flüssigkeitsdurchströmtc Rohrschlangen vorgesehen sind, welche der Aufnahme von Strahlungswärme dienen. Diese Rohrschlangen stehen mit einem innerhalb des Kegelstumpfes vorgesehenen Flüssigkeitstank in Verbindung, mit welchem die aufgenommene Wärme über längere Zeit gespeichert werden kann.

Eine derartige Anordnung ist im Gegensatz zu dem Kurzzeitspeicher nach der DE-OS 30 35 538 nicht geeignet, als tragendes Bauelement in einem Baukörper integriert zu werden. Auch ist ein flüssigkeitsgefüllter Tank als Langzeitspeicher nicht nur weniger zweckmäßig, sondern auch wesentlich kostspieliger.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zubo gründe, ein der Wärmeaufnahme und -speicherung preisgünstiges Bauteil mit erhöhter Wärmespeicherwirkung zu schaffen, mit welchem die eingestrahlte Sonnenenergie möglichst vollständig aufgenommen und so lang wie möglich gespeichert werden kann.
hi Diese Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen und Merkmalen gelöst.

Der Grundgedanke der crfindungsgemäßen Lösung

besteht darin, einen Teil der Rohrschlangen des Absorberkreises in möglichst enger Verlegung zueinander und möglichst nahe der Wärme aufnehmenden Fläche anzuordnen, wodurch die Aufnahmefähigkeit des Absorberelements für Sonneneinstrahlung günstig beeinflußt wird. Ein zweiter Teil der Rohrschlangen des Absorberkieises wird gemäß der Erfindung in einem Bereich des Bauteiles großer Speicherfähigkeit angeordnet Während bei der Lösung nach dem älteren deutschen Patent 30 35 538 der Wärmetransport ausschließlich durch reine Wärmeleitung innerhalb des massiven Absorberbauteiles erfolgt, wird nach der erfindungsgemäßen Lösung der Wärmetransport von den außen gelegenen Rohrschlangen zu den innen gelegenen im wesentlichen durch das strömende Medium Sole selbst bewirkt Zu diesem Zweck stehen die Rohrschlangen der ersten Gruppe mit denjenigen der zweiten Gruppe in Strömungsverbindung. Durch diese Maßnahme ist eine tehr rasche Wärmeumverteilung bei sehr hohem Speichervermögen gewährleistet

Im einfachsten Anwendungsfall, nämlich bei einem platten- oder quaderförmigen Bauteil, sind die Rohrschlangen der ersten Gruppe in einer Ebene zur Außenfläche angeordnet, während die Rohrschlangen der zweiten Gruppe möglichst im Innern des Bauteiles gelegen sind. Zweckmäßigerweise sind die Rohrschlangen in Reihe geschaltet, wobei eine Umwälzpumpe im Bedarfsfall für eine Strömung sorgen kann, so daß die mit den Rohrschlangen der ersten Gruppe aufgenommene Wärme sehr rasch in die Rohrschlangen der zweiten Gruppe transportiert wird. Insbesondere im Taktbetrieb der Wärmepumpe ergeben sich energetische Vorteile, weil überschüssige Wärme von oberflächennahen Schichten abgezogen und in das Innere transportiert wird. Da die Speichermasse des Betonelements besser genutzt wird, ergibt sich auch ein deutlich höherer Ausnutzungsgrad für die eingestellte Sonnenenergie.

Da die Wärmepumpe bei einem insgesamt höheren Temperaturniveau arbeiten kann, werden bessere Leistungszahlen erreicht.

Der Gegenstand der Erfindung, dessen zweckmäßige Ausgestaltung mit den Unteransprüchen gekennzeichnet ist, ist nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigt

Fig.! Diagramm zur Veranschaulichung der Wärmeaufnahme einer nach Süden orientierten Betonwand im Verlauf eines sonnigen Tages,

Fig. 2 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Absorber- und Speicherbauteiles im Zusammenhang mit einer Wärmepumpenanordnung und

F i g. 3 Rohrschlangenverlauf innerhalb des Bauteiles gemäß F i g. 2 in Aufsicht, gleichfalls mit schematisch angedeuteter Wärmepumpenanordnung.

Das Diagramm gemäß Fig. 1 veranscnaulicht die grundsätzlichen Energieströme an einem sonnigen Tag zwischen Null und 24 Uhr bei einer z. B. 30 cm dicken Betonwand. In dem Diagramm ist mit gestrichelten Linien das durch die Sonneneinstrahlung bedingte Energieangebot angedeutet. Wie diese Kurve zeigt, wird wesentlich mehr Energie zugestrahlt, als von dem Betonbauteil aufgenommen und im Inneren gespeichert werden kann. Bei dem mit dem Diagramm wiedergegebenen realistischen Beispiel vermag das Betonbauteil nur maximal 40% der eingestrahlten Energie aufzunehmen. Es muß folglich zu einer Temperaturerhöhung an der besonnten Oberfläche kommen, so daß die nicht aufgenommene bzw, abgeführte Wärme an die AufScnlufi wieder abgegeben wird, diese also verloren gehl.

Zur Verbesserung der Wärmespeicherung muß darum für einen raschen Transport der aufgenommenen Wärme in das Innere des Bauteils gesorgt werden.

Diesem Zweck dient die mit den F i g. 2 und 3 veranschaulichte Wärmepumpenanlage.

Bei einem z. B. als Betonplatte 10 ausgebildeten Absorber- und Speicherbauteile ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur Wärme aufnehmenden Fläche 11 eine erste Gruppe mit Rohren bzw. Rohrschlangen 21 angeordnet, welche Teil des Absorberkreislaufes 20 ist.

In einer im Innern der Betonplatte 10 gelegenen Ebene ist eine zweite Gruppe mit Rohren bzw. Rohrschlangen 22 angeordnet, welche gleichfalls Teil des Absorberkreislaufes 20 sind. Eine Umwälzpumpe 23 hält im Bedarfsfall eine Strömung im Kreislauf aufrecht so daß die mit der ersten Gruppe aufgenommene Wärme durch Strömung sehr rasch der zweiten Gruppe zugeführt wird und von hier zur Wärmespeicherung an das Bauteil 10 abgegeben werden kann. Auf diese Weise wird überschüssige Wärmeenergie von oberflächennahen Schichten abgeführt und in das Innere verlagert. Da die Speichermassen des aus Beton bestehenden Elementes besser genutzt werden, können diese gegenüber Bauelementen mit nur einer im Innern angeordneten Gruppe von Rohrschlangen erforderlichenfalls kleiner gehalten werden.

Grundsätzlich sind verschiedene Verbindungen zwischen den Rohren 21 und 22 denkbar. Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich bei einer Reihenschaltung, wie diese mit der Aufsicht gem. Fig.3 deutlich gemacht ist. Nur zum Zwecke der besseren Veranschaulichung sind die in der mittleren Ebene gelegenen, gestrichelt gezeichneten Rohre 21 dargestellt.

Bei dieser Schaltungsanordnung sind der Anfang der

J5 ersten Gruppe und das Ende der zweiten Gruppe mit der Kondensatorseite 31 der Wärmepumpe 30 verbunden. Falls dem Absorberkreis mittels der Wärmepumpe keine Warme entzogen werden soll, der innere Wärmetransport zwischen den Gruppen 21 und 22 jedoch gewährleistet sein soll, ist ein Umschaltventil 24 bzw. 24' vorgesehen, welches Anfang und Ende der Rohrschlangen 21 und 22 miteinander verbindet und hierbei die Kondensatorseite 31 der Wärmepumpe 30 überbrückt.

zu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Beheizung von Gebäuden, bestehend aus einem Absorberkreis mit in einem Bauteil aus zementgebundenen Baustoffen eingebetteten Rohrschlangen, der aus der Umgebung Wärme aufnimmt und diese kurzzeitig speichert, mit einem Heizkreis eines Niedertemperatur-Heizsyslcms sowie einer zwischen Aborber- und Heizkreis angeordneten Wärmepumpe, wobei im Absorberkreis Ventile und eine Umwälzpumpe vorgesehen sind, die Ober einen Regler schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe (21) eng verlegter Rohrschlangen des Absorberkreises (20) nane der Wärme aufnehmenden Fläche (11) des Absorberbauteiles (10), eine zweite Gruppe (22) im Innern des Absorberbauteiles (10) angeordnet ist und daß die Rohrschlangen (21) der ersten Gruppe mit den Rohrschlangen (22) der zweiten Gruppe srrömungsmäOig miteinander verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlangen (21) der ersten Gruppe in einer Ebene parallel zur Außenfläche (H) und die Rohrschlangen (22) der zweiten Gruppe in einer im Innern des Bauteiles (10) gelegenen Ebene angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlangen (21, 22) beider Gruppen in Reihe geschaltet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine im Absorberkreislauf (20) angeordneten Umwälzpumpe (23), welche für einen ständigen Austausch der Wärmetr&gerflüssigkeitcn zwischen den beiden Rohrschlangengruppen (21, 22) sorgt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Absorberkreislauf (20) zwischen den Rohrschlangen (21, 22) der ersten und zweiten Gruppe ein Umschaltventil (24) vorgesehen ist, mit welchem die Rohrschlangen (21, 22) entweder unmittelbar oder über die Kondensatorseitc (31) der Wärmepumpe (30) in Reihe schaltbar sind.