DE3230639A1 - Waermeschutz und klimatisierung mit fassadenkollektoren - Google Patents

Waermeschutz und klimatisierung mit fassadenkollektoren

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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Description

FRAUNIIOFF.R-GF.SF.TJ.r.CnAFT 1AUU FöRDiCPUNr.
DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG fc . V. 3230639
Leonrodstraße 54 _
8000 München 19 O- 82/15656-ISE
Wärmeschutz und Klimatisierung mit Fassadenkollektoren
Die Erfindung betrifft ein Element zur Klimatisierung von Gebäuden über die großflächige Beeinflussung der Energieströme durch Außenflächen. Zur Klimatisierung von Gebäuden werden Energieströme durch Außenflächen durch stationäre Maßnahmen z.B. durch eine thermische Isolation oder durch temporäre Maßnahmen z.B. durch Rolläden an Fensterflächen beeinflußt.
Es ist bekannt, daß für guten Energiegewinn bei solarer Einstrahlung auch großflächige transparente Isolationen vorgeschlagen wurden (z.B. Trombe-Wand). Weiter ist bekannt, daß zur Vermeidung von überhitzung Abschattungseinrichtungen vorgeschlagen wurden.
Die vorgeschlagenen Maßnahmen eignen sich hauptsächlich für nach Süden ausgerichtete Gebäude-Außenseiten. Ein großes Problem stellt jedoch die Wärmeverteilung der so gewonnenen Energie zu den nach anderen Himmelsrichtungen orientierten Räumen dar. Die bisher vorgeschlagenen Hilfswärmeträgersysteme z.B. Umluft mit Hilfe von Naturkonvektion erweisen sich in der Praxis als nur bedingt effektiv Die bisher vorgeschlagenen Systeme sind weiter nur auf Wärmegewinn ausgelegt. Für eine Verminderung der Aufheizung der z.B. nach Süden ausgerichteten Räume während des Sommers, wäre eine Kühlfunktion dieser Solarsysteme notwendig. Diese ist mit den vorhandenen Systemen nicht realisierbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gebäudeklimatisierung für alle Räume ohne Verwendung von Hilfswärmeträger-Kreisläufen zu bewerkstelligen und außerdem für die wärmeren Jahreszeiten einen wirksamen überhitzungsschutz zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gebäudeaußenflächen
COPY
323Ü639
mit einer Isolation mit separat regelbarem Durchlaßapparat jeweils für Solarstrahlung, Raumstrahlung und Wärmeleitung und einem geeigneten Absorber zwischen Isolation und Gebäudeaußenstruktur versehen werden und daß die Regelung dieser Durchlaßeigenschaften individuell für einzelne Außenflächen-Abschnitte so vorgenommen wird, daß die unvermeidlichen Temperaturschwankungen an der Gebäudeaußenfläche über die thermische Trägheit der Gebäudestruktur in allen Gebäudeteilen zu der gewünschten Innentemperatur führen.
Die transparente Isolation wird nach weiterer Ausbildung der Erfindung durch senkrecht aufgestellte Honeycomb - Strukturen realisiert (Abb. 1), die durch Bildung kleiner Luftkammern die Verluste durch Konvektion und Abstrahlung unterdrücken (Abb. 2), ohne den Strahlungseinfall durch Reflexion zu vermindern (Abb. 3), (Lit. 1, 2, 3, 4).
Die Regulierbarkeit der Transparenz für Solarstrahlung und für Raumstrahlung erfolgt nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung mit Hilfe von vor oder hinter der transparenten Isolation bewegbaren selektiv beschichteten Folien (Abb.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Regelbarkeit der Transparenz für Strahlung zusammen mit der Regelbarkeit des thermischen Durchgangs infolge von Wärmeleitung dadurch erhalten werden, daß die Honeycomb-Struktur aus in Längsrichtung ausgerichteten Folien gefertigt wird und die vordere Haltestruktur gegen die hintere Haltestruktur verschiebbar gemacht wird, so daß durch unterschiedliche Neigungswinkel der Folienabstand verkleinert und die Anzahl der reflektierenden Oberflächen vergrößert wird (Abb. 5). Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch individuelle Regelung der gewünschten Durchlasseigenschaften sowohl für die wärmende Solarstrahlung, als auch für die kühlende Raumstrahlung und die Wärmeleitung zusammen mit der thermischen Trägheit der Außenwände für alle Bereiche
innerhalb eines Gebäudes die gewünschte Temperatur ohne die Zuhilfenahme eines Wärmeträgerstromes eine wirkungsvolle Klimatisierung möglich ist. Durch die Tatsache, daß sich zumindest der überwiegende Teil der Gebäudeaußenstruktur auf Raumtemperatur befindet, kann die Speicherfähigkeit dieser Struktur um Faktoren besser ausgenutzt werden als bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten in der Außenstruktur (Abb. 1). Die beschriebene transparente Isolation gestattet nicht nur maximalen Strahlungsgewinn am Tag, sondern verkleinert auch drastisch die Abstrahlverluste bei Nacht, die einen erheblichen Teil der Energieverluste im Winter ausmachen. Auch die Abschirmung gegen zu hohe solare Einstrahlung gelingt vollständig durch das automatische Einbringen der das Solarspektrum reflektierenden Folie. Zur weiteren Unterstützung der Kühlwirkung kann die Abstrahlung bei Nacht z.B. durch Einstellen eines starken Neigungswinkels der Folien erreicht werden.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Einrichtung kann damit eine umfassende Klimatisierung von Gebäuden durchgeführt werden und eine Zusatzbeheizng wird bei richtiger Auslegung nur an wenigen extrem ungünstigen Tagen notwendig sein.
Im folgenden wird gezeigt, daß die so gewinnbare Strahlungsenergie ausreicht, sogar in den ungünstigsten Wintermonaten in der Bundesrepublik Deutschland den Wärmeverlust durch eine Nordfassade zu verhindern. Innen befindet sich eine Wand aus Mauerwerk oder Beton, gekennzeichnet durch hohen Wärmeleitwert und hohe Wärmekapazität, außen liegt eine Schicht von hoher Wärmeisolation, d.h. hohem k-Wert, geringer Wärmekapazität und hoher Strahlungsdurchlässigkeit.
Abb. 1 zeigt einen Schnitt durch die Wand und den angenommenen Temperaturverlauf, d.h. innen 2O0C und außen O0C. Es wird nun untersucht, welche Wärmeleitungseigenschaften die äußere Abdeckung haben muß, um die hier vorausgesetzte Temperaturverteilung aufrecht zu erhalten.
Die im Winter verfügbare Strahlungsenergie ist für Nord- oder auch Ost- und Westfassaden nur sehr ungenau bekannt. Man kommt folgendermaßen zu einer Abschätzung: Im ungünstigsten Monat, Dezember, wird im Mittel für die diffuse Einstrahlung 0,5 kWh/m2d für eine ebene Fläche angegeben. Eine senkrechte Wand erhält nur die Hälfte des Raumwinkels, d.h. 0,25 kWh/m2d. Diese Abschätzung stimmt auch in etwa mit den Messungen von D. Holz (Lit. 5) überein. Der Wärmefluß q für 1 m2 ist q = k^T. Unter der Annahme des obigen Wärmeflusses erhält man für den erforderlichen k-Wert des transparenten Teils der Fassade k = 0,52 W/m2OK. Dies ist ein heute durchaus gebräuchlicher k-Wert für Isolierstoffe. Insbesondere ergibt sich für das Isolationsmaterial Luft, aus dem der Kollektor im wesentlichen besteht (ohne Konvektion) eine Dicke von 5 cm.
Besonders vorteilhaft läßt sich die Nachrüstung bestehender Altbauten mit dem Fassadenkollektor durchführen. Ältere Gebäude besitzen zumeist massive Wände, deren große thermische Speicherfähigkeit die Wirkung des vorgeschlagenen Klimatisierungssystems begünstigt. Die volle Wirkung des Klimatisierungssystems wird erreicht ohne die Durchführung von Umbaumaßnahmen oder von Installationsarbeiten.
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Claims (16)

FRAUNIIOFKR-GKSKT.LSCHAP1!' DUR ANGEWANDTEN 1'"UkSUi1JiH; Ii'. V. 3230639 Leonrodstraße 54 München 19 82/15656-ISE Ansprüche
1. Fassadenkollektor zur direkten Beheizung von Gebäudeaußenflächen dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorabdeckung durch eine transparente Isolation mit einstellbarem Transparenzgrad sowohl für die einfallende Solarstrahlung, als auch für die Wärmeverluste nach außen so ausgebildet wird, daß die Wärmeverluste an Gebäuden in Abhängigkeit von der Einstrahlung und den Wetterdaten für alle Gebäudeteile so reguliert werden, daß unter Berücksichtigung der thermischen Trägheit der Gebäudeaußenstruktur an allen Orten im Gebäude die gewünschte Raumtemperatur - ohne die Notwendigkeit eines Wärmetransporters über ein Hilfsmedium - erhalten wird.
2. Fassadenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kollektorrückwand und der Fassade ein guter thermischer bzw. Strahlungskontakt besteht.
3. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebäudeaußenfläche die Funktion des Absorbers übernimmt und die konvektionsunterscheidenden Elemente zur Verminderung der thermischen Abstrahlungsverluste dieser Außenflächen eingesetzt werden.
4. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvektionsunterdrückende Schicht aus transparenten, parallelen Kunststoff!ame!!en besteht, die horizontal verlaufen.
5. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvektionunterdrückende Schicht aus an einzelnen Stellen zusammengefügten Kunststoffolien besteht, dergestalt, daß sie zu einer Wabenstruktur auseinandergezogen werden oder flach zusammengefaltet werden kann (Abb. 6).
6. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konvektionsunterdrückenden Elemente als Lamellen zwischen zwei senkrecht stehenden Platten, mit denen sie fest verbunden sind, ausgebildet sind und daß die vordere, transparente Platte gegen die hintere nach oben und unten bewegt werden kann (Abb. 5).
7. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konvektionsunterdriickenden Elemente von der Wandseite her gesehen eine Neigung nach unten haben.
8. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kollektor außerhalb der Frontabdeckung ein strahlungsabweisender Rolladen angebracht ist, der b.ei Bedarf vorgezogen werden kann (Abb. 4).
9. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem konvektionsunterdrückenden Element und einer der beiden Begrenzungsflächen ein Zwischenraum befindet, in dem ein strahlungsabweisender Rolladen laufen kann.
10. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadruch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Rolladens bzw. der beweglichen Platte in Anspruch zumindest auf einem Teil der Fassadenfläche automatisch erfolgt.
11. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung durch einen Elektromotor, der über eine Speicherbatterie gespeist wird, erfolgt.
12. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung durch einen Temperaturfühler gesteuert wird.
13. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung über eine Logikschaltung erfolgt, wobei die Temperatur an mehr als einer Stelle gemessen wird.
14. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen auf den Innen- und Außenseite der Gebäudewand sowie auf der Außenseite des Kollektors gemessen werden und daß zur Steuerung Integrale der Temperatur über vorgegebene Zeiträume benutzt werden.
15. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Steckverbindungen zwischen den einzelnen an einer Fassade angebrachten Kollektoren vorgesehen sind, dergestalt, daß Steuersignale und Stromversorgung nur an einem Punkt einer Fassadenseite generiert werden müssen.
16. Fassadenkollektor nach Anspruch 1 bis 9S dadurch gekennzeichnet, daß der Rolladen manuell von außen bewegt werden kann.
ό Z J U b J
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