DE3336495A1 - Verfahren zur energieeinsparung bei der regelung der lufttemperatur in gebaeuden und gebaeude hierzu - Google Patents

Verfahren zur energieeinsparung bei der regelung der lufttemperatur in gebaeuden und gebaeude hierzu

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Description

PATENTANWALT MANFFjEDrLlER^NNT:
EUROPEAN PATENT \T» ORNEY ZUGELASSENER VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT
Düren - Josef-Schregel-Straße 19 (J
Patentanwalt M. Liermann, Josef-Schregel-Str. 19, D-5160 Düren
Einschreiben
An das
Deutsche Patentamt Zweibrückenstraße 12
8000 München 2
Tetefon (0 24 21) 17446 Telegramme: Lierpatent Düren
Postscheck Köln 305715-500 (BLZ 370100 50)
Deutsche Bank AG Düren 811 0959 (BLZ 395 700 61)
Deutsche Bank AQ Erkelenz 774 0400 (BLZ 310 700 01)
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5. Oktober 1983
Patentanmeldung
Anmelder;
Dr.-Ing.
Johannes Schmitz Nordstraße 2 5162 Niederzier
Titel:
"Verfahren zur Energieeinsparung bei der Regelung der Lufttemperatur in Gebäuden und Gebäude hierzu"
- Ό.
Verfahren zur Energieeinsparung bei der Regelung der Lufttemperatur in Gebäuden und Gebäude zur Durchführung des Verfahrens
Ein Verfahren der oben beschriebenen Art, sowie das hierzu gehörige Gebäude sind bereits bekannt geworden durch die DE-OS 31 12 677. Die dort vorgeschlagenen Maßnahmen haben sich durchaus bewährt und eine erhebliche Energieeinsparung gebracht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Regelung des Wärmezustandes der Luft des Gebäudes noch nicht allen Anforderungen gerecht wird.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben -beschriebenen Art vorzuschlagen, welches durch bessere Zustandsregelung einen größeren Energiespareffekt bewirkt, und der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein hierzu geeignetes Gebäude mit den geeigneten Gebäudekomponenten vorzuschlagen.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der oben beschriebenen Art dadurch gelöst, daß mindestens Teile der Außenwände über entsprechende Luftführungskanäle von Luft umströmt werden, wobei die Luft von einer Strömungsmaschine bewegt und saugsei tig von Abluft aus den Gebäuderäumen und Gebäudekanälen ergänzt in einem Kreislauf zur Strömungsmaschine rückgeführt und mindestens in Teilen einer Wärmepumpe zugeführt wird, die entwärmte Luft wahlweise insgesamt oder in Teilbeträgen wieder in den Kreislauf zurückführt und/oder nach außen abgibt, wobei die nach außen abgegebene Luft infolge des in den Räumen entstehenden leichten Unterdruckes über natürliche Undichtigkeiten des Gebäudes oder / und über Fensterlüftung ersetzt wird. Durch diese Maßnahmen wird es möglich mittels der Wärmepumpe, die ja im Parallelbetrieb zu dem Luftstrom, der das Gebäude umströmt, betrieben wird, die
Temperatur und damit den Wärmeinhalt dieses genannten Luftstromes zu regeln und gleichzeitig die an die Gebäudeheizungseinrichtungen von der Wärmepumpe abgegebene Wärmemenge zu regeln. Hierdurch kann die Temperatur der als Isolierschicht wirkenden, die Gebäudeteile umströmenden Luft nahezu ueliebig verändert werden, so daß durch die Regelung dieser Lufttemperatur die Richtung des Wärmeflusses von außen nach innen oder von innen nach außen geregelt werden kann. So kann beispielsweise die das Gebäude umströmende Luft in ihrer Temperatur· höher als die Lufttemperatur der Räume des Gebäudes gehalten werden, wodurch ein Abwandern der Gebäudeinnenwärme nach außen nicht mehr möglich ist. Lediglich aus dem genannten Luftstrom selbst tritt ein Wärmeverlust nach außen auf.
Da die Geschwindigkeit des Wärmeüberganges im wesentlichen von der Größe der Temperaturdifferenz abhängt, ist es möglich, beispielsweise einen Wärmeübergang von innen nach außen dann, wenn die Außentemperatur sehr viel niedriger ist als die Gebäudeinnentemperatur, zu verlangsamen, wenn man die Temperatur des das Gebäude umströmenden Luftstromes niedriger, nls die Gebäudeinnentemperatur, aber höher als die Gebäudeaußentemperatur einstellt, wobei diese Einstellung selbstverständlich beispielsweise über Thermofühler auch automatisch erfolgen kann. Ein solcherart in seiner Temperatur eingestellter Luftstrom weist zur Gebäudeinnentemperatur einen kleineren Temperatursprung auf, als der Temperatursprung zwischen Gebäudeinnentemperatur und Außentemperatur. Infolgedessen verlangsamt sich der Wärmestrom von innen nach außen, wobei in einem solchen Fall mit "außen" der das Gebäude einhüllende Luftstrom gemeint ist. Die aus den Gebäudeinnenteilen in diesen Luftstrom abgegebene Wärmemenge wird vom Luftstrom wieder zurückgeführt und über die Wärmepumpe rückgewonnen. Hierdurch wird der Luftstrom etwas aufgewärmt. Da aber das Temperaturgefälle zwischen Luftstrom und Außentemperatur ebenfalls geringer ist als das Temperaturgefälle
zwischen Rauminnentemperatur und Außentemperatur tritt auch hier nur ein langsamerer Wärmeübergang auf, so daß der Wärmeverlust aus dem das Gebäude einhüllenden Luftstrom an die Umwelt ebenfalls minimiert werden kann. Zusammengefaßt kann hierzu gesagt v/erden, daß in solcher Art der unkontrollierte Energieaustausch mit der Umgebung minimiert und der gewollte Energieaustausch mit technischen Komponenten maximiert wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die im Luftkreislauf umgepumpte Luft durch massereiche Teile des Gebäudes geführt wird. Diese massereichen Teile des Gebäudes, wie z.B. das Fundament des Gebäudes, dienen hierbei als Wärmespeicher, Bei Wärrneüberschuß können diese massereichen Teile aufgewärmt werden und es ist sogar möglich, das angrenzende Erdreich des Fundamentes hier mit einzubeziehen. Die Größe des solcherart zur Verfugung stehenden Wärmespeichers erlaubt in jedem Fall eine Abkühlung der abzukühlenden Luft, auf ein Temperaturniveau unterhalb der Temperatur, die in Gebäuden, in denen sich Menschen aufhalten, normalerweise gewünscht wird. So ist es beispielsweise möglich, das Fundament und gegebenenfalls im nahen Bereich das angrenzende Erdreich auf 12° bis 15° C aufzuheizen. Tritt nun ein höherer Wärmebedarf in den Räumen des Gebäudes auf, so kann die hier gespeicherte Wärme über die parallel zum Luftkreislauf für die Isolation des Gebäudes geschaltete Wärmepumpe wieder zurückgewonnen werden. Hierdurch werden recht große Speicherkapazitäten, deren Anlage keinerlei besondere Kosten verursacht, nutzbar gemacht und es ist möglich, aus dem Luftisolierkreislauf für das Gebäude die in diesen Kreislauf eindringende Umweltwärme z.B. als Sonnenenergie mitzunutzen und in dem kostenlos zur Verfügung stehenden Speicher der beschriebenen Art zu speichern und bei Bedarf wieder zurückzugewinnen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die
t.
der Wärmepumpe zugeführte Luft, falls erforderlich, durch Zufuhr von Fremdwärme auf ein für einen optimalen Betrieb der Wärmepumpe günstiges Temperarturniveau gebracht oder dort gehalten wird. Hierdurch kann die Wärmepumpe immer mit einer günstigen Leistungszahl betrieben werden, mit allen dazugehörigen Vorteilen.
.Schließlich ist nach der Erfindung noch vorgesehen, daß der Luftstrom durch Zufuhr von Fremdwärme über den Wärmetauscher auf ein günstiges Temperaturniveau gebracht und/oder dort gehalten wird, um mit der zugeführten Wärme den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken. Dies ist eine besonders günstige Betriebsweise.
Ein Gebäude zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Luftführungskanälen die in einen Sammelkanal münden und einer mit den Luftführungskanälen in geeigneter Weise verbundenen Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, daß im Sammelkanal eine Strömungsmaschine zur Erzeugung der notwendigen Luftströmung angeordnet ist, und daß die Strömungsmaschine zur Wärmepumpe hinsichtlich des Luftkreislaufs parallel geschaltet ist, wobei entwärmte Luft über eine Zusatzleitung auch an die Außenluft abgebbar ist. Hierdurch wird einerseits das Gebäude von einem geschlossenen Lufkreislauf umströmt, wobei die Wärmepumpe gegebenenfalls einen zweiten offenen. Kreislauf durch ihre Parallelschaltung hinzufügen kann, der dadurch entsteht daß ein Teil oder auch die gesamte von der Wärmepumpe entwärmte Luft nach außen abgegeben wird, wodurch im Gebäude selbst ein Luftmangel entsteht. Der hierdurch erzeugte Unterdruck sorgt für ein Ansaugen von Frischluft aus der Außenluft über die natürlichen Undichtigkeiten oder über hierfür angelegte Vorrichtungen des Gebäudes.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Luftführungskanäle eine zusätzliche Einrichtung zur
Veränderung des Wärmeinhaltes des Luftstromes aufweisen oder mit einer solchen verbindbar oder verbunden sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Wärmepumpe immer mit optimaler Loistungszahl arbeiten kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zusätzliche ■ Einrichtung zur Veränderung des Wärmeinhaltes des Luftstromes ein fremdbetriebener Wärmetauscher ist. Dies kann beispielsweise eine Nachtspeicherheizung oder überhaupt eine Elektroheizung sein, deren Leistung stufenlos oder stufenweise regelbar ist und damit dem jeweiligen Bedarf der Wärmepumpe angepaßt werden kann.
Weiterhin ist nach der Erfindung noch vorgeschlagen, daß die von der Wärmepumpe nach draußen abgegebene Luft durch Undichtigkeiten auf dem Speicher, in den Wohnungen und im Keller bzw. durch FensterlUftung wieder ersetzt wird und über Lüftungsgitter in den Schacht und zur Wärmepumpe gelangt.
Weiterhin ist nach der Erfindung noch eine Art der Deckenheizung für die Wärmeverteilung vorgeschlagen, bei der Kupferrohrsehlangen an den Decken befestigt und die Zwischenräume zwischen den Kupferrohren durch ankleben von Hartschaumplatten zum größten Teil aufgefüllt v/erden. Der Bereich von ca. 5 cm, v/o die Kupferrohre liegen wird mit Gips aufgefüllt, wobei zur Verbesserung der Wärmeverteilung dann die ganze Decke mit Metallfolie beklebt wird.
Weiterhin ist nach der Erfindung hinsichlich der Anordnung eines Wärmetauschers im Luftkreislauf am Fuße des Zentralschachtes noch vorgesehen, daß der V/ärmetauscher bei geringem Heizwärmebedarf der Verbraucher von Heizungswasser durchflossen wird und Kellerfußboden und Kellerwände mit Hilfe der umgewälzten Luft aufgeheizt werden. Diese Aufheizung wird über einen Raumthermostaten im Luftkreislauf und über
Thermostate in den Wohnungen geregelt.
Weiterhin ist hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der Anordnung einer Parallelheizung im Vorlauf des Wasserkreislaufs noch vorgesehen, daß die Leistung der Parallelheizung die gleiche Größenordnung hat wie die elektrische Leistung der Wärmepumpe, wobei eine solche Parallelheizung in die Wärmepumpe integriert sein kann. Es ist auch möglich, daß der Wasserkreislauf des Heizungssystems über einen Wärmetauscher mit der Brauchwasserbereitung verknüpft ist. Die Zuschaltung der Parallelheizung wird über einen Thermostaten im Luftkreislauf geregelt.
Hinsichtlich der Gebäudegestaltung wird nach der Erfindung noch vorgeschlagen, daß die Hohlisolierung mit Hartschaumplatten nach Nut- und Feder- Art aus normalen Hartschaumplatten mit Abstandsstücken aus Hartschaum in einer Vorrichtung zusammengesetzt wird, wobei die versetzt angeordneten Hartschaumplatten durch Kunststoffnägel mit Widerhaken und Klebstoff zusammengehalten werden.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, die einen Schnitt durch ein geeignetes Wohnhaus zeigt, näher erläutert werden.
Das Gebäude 1 ist abgedeckt durch ein Dach 16, welches auf Außenwänden 12 ruht. Die Außenwände 12 sind in üblicher Weise abgestützt auf Kellerwände 11', die ihrerseits mit dem Fundament 11 verbunden sind.
Das Fundament 11, die Kellerwände 11' und die darauf aufbauenden Außenwände 12 und soweit erforderlich ebenfalls das Dach 16, weisen in Richtung ihrer Erstreckung längsverlaufende innere Lüftungskanäle 9 auf.
Das Gebäude 1 weist im Ausführungsbeispiel weiterhin einen als Zentralschacht ausgebildeten Luftkanal 8 auf, der
beispielsweise bei Altgebäuden von einem nicht benutzten Schornsteinzug gebildet sein kann. Dieser als Zentralschacht ausgebildete Lüftungskanal 8 ist an seinem unteren Ende direkt mit den Luftführungskanälen 9 verbunden und verbindet sich an seinem oberen Ende über den Speicher 19 mit den Luftführungskanälen 9. Am Boden des Luftführungskanals 8 ist eine Strömungsmaschine 4, beispielsweise als elektromotorgetriebener Ventilator ausgebildet, angeordnet. Diese Strömungsmaschine 4 sorgt während ihrer Betriebszeit für einen umlaufenden Luftstrom 39 der durch den als Zentralschacht ausgebildeten Luftführungskanal 8 und durch die Luftführungskanäle 9 einen geschlossenen Kreislauf bildet, wodurch mindestens Teile der Außenwände des Gebäudes und damit auch der Räume von Luft umströmt werden.
In einem Kellerraum eines Gebäudes ist eine Wärmepumpe 6 üblicher Bauart installiert, die über eine Einlaßleitung 5 rr.it dem Luftführungskanal 8 verbunden ist und somit dem Luftstrom 3 Luft entnehmen kann. Die von der Wärmepumpe 6 entwärmte Luft kann über die Ausgangsleitung 21 in die Luftführungskanäle 9 und damit in den Luftstrom 3 zurückgepumpt werden. Es ist aber auch möglich, diese von der Wärmepumpe 6 entwärmte Luft über einen Mischer 20 zu verteilen oder auch vollständig umzuleiten, so daß ebenfalls oder ausschließlich entwärmte Luft über die Zusatzleitung 10 an die Außenluft abgegeben werden kann. Selbstverständlich kann hierbei der Mischer 20 automatisch betätigt sein, so daß eine Regelung nach vorgegebenem Regelschema erfolgen kann.
Die von der Wärmepumpe 6 erzeugte Wärme wird in üblicher Weise über Leitungen 22, Heizkörpern 24 oder zusätzlich oder ausschließlich über Leitungen 25 Kupferrohrschlangen 17 zugeführt, die an der Decke 29 und/oder auf dem Fußboden 33 eines Gebäuderaumes 14 befestigt und unter einer Metallfolie 18 angeordnet sind. Es ist weiterhin möglich, die Leitung 22 mit einer abzweigenden Leitung 26 zu versehen, die beispiels-
weise auf der Außenseite des Hauses in der freien Umgebungsluft in einen Kühler 28 mündet. Hierbei kann die Leitung 26 υ in Absperrventil 27 aufweisen und der. Einmündungspunkt der Leitung 26 in die Leitung 22 mit einem Mischer 23 ausgerüstet sein. Auch dieser Mischer 23 kann selbstverständlich automatisch nach einem vorgegebenen oder wählbaren Regelschema von einer Regeleinrichtung betätigt sein. Über den Heizkörper 24 und/oder die Kupferrohrschlangen 17 in Verbindung mit der Metallfolie 18 kann die von der Wärmepumpe 6 erzeugte Wärme an die Gebäuderäume 14 abgegeben werden. Sie kann auch verteilt oder gänzlich umgeleitet werden durch entsprechende Einstellung des Mischers 23, so daß die von der Wärmepumpe 6 erzeugte Wärme ganz oder teilweise dem außen angeordneten Kühler 28 zuführbar ist.
Innerhalb des als Zentralschacht ausgebildeten Luftführungskanals 8 kann ein Wärmetauscher 2 angebracht sein, der beispielsweise über die Regeleinrichtung 32, die einerseits mit der Wärmepumpe 6 und andererseits mit dem Wärmetauscher 2 in Verbindung steht, elektrisch beheizt und geregelt werden kann odei wahlweise andererseits über eine mit einem Absperrventil 31 ausgerüstete Leitung 30 beispielsweise über den Warmwasserkreislauf der Heizung beheizt werden kann.
Wird nun die Strömungsmaschine 4 in Betrieb genommen, so pumpt sie einen Luftstrom 3 in bereits beschriebener Weise um. Wird nun zusätzlich die Wärmepumpe 6 in Betrieb genommen, so entnimmt die Wärmepumpe 6 über die Einlaßleitung 5 auf der Saugseite 7 der Strömungsmaschine 4 der durch den Luftführungskanal 8 strömenden Luft eine bestimmte Luftmenge und entwärmt diese zur Heizenergiegewinnung. Es kann nun über (3ine entsprechende Einstellung des Mischers 20 die entwärmte Luft über die Ausgangsleitung 21 wieder in den Luftstrom 3 zurückgeführt werden. Es ist aber ebenfalls möglich, mindestens einen Teil dieser entwärmten Luft über die Zusatzleitung 10 an die Umgebungsluft außen außerhalb des Hauses
/IS.
abzugeben. Mindestens hierdurch wird innerhalb des Luftführungskanals 8 ein genügend großer Unterdruck erzeugt, so daß ei-ie Luftströmung einsetzt, die als Abluft 13 Luft aus den Gebäuderäumen 14 in den Luftführungskanal 8 hineinführt. Hierdurch wird erreicht, daß gleichzeitig mit der Abluft 13 auch Wärmeenergie aus den Gebäuderäumen 14 aufgenommen und beispielsweise an der Wärmepumpe 6 wieder zurückgewonnen und erneut dem Heizkreislauf zugeführt wird. Der Verlust an Luftmasse in den Gebäuderäumen 14 infolge der Abströmung der Abluft 13 wird durch natürliche Undichtigkeiten oder beispielsweise durch Fensterlüftung 15 durch Frischluft von außen ersetzt. Damit ist verhindert, daß Wärmeenergie über einen in seiner Richtung unkontrollierten Luftaustausch nach außen verloren geht. Auf diese Art und Weise gelingt es, alle im Gebäude selbst, beispielsweise durch menschliche Körper erzeugte Wärme zurückzugewinnen. Ebenfalls wird alle von außen zugeführte Wärme, beispielsweise durch Sonneneinstrahlung, über das Dach oder das Mauerwerk zurückgewonnen und verwertet. Ein nennenswerter und ungewollter Wärmeabfluß nach außen ist ausgeschlossen. Ist jedoch der augenblickliche Wärmebedarf geringer als die Wärmeleistung der Wärmepumpe 6, dann ist es auch möglich die Wärmepumpe 6 abzuregein oder auszuschalten. Es ist aber ebenso denkbar, die Heizleistung der Wärmepumpe auf den Wärmetauscher 2 zu schalten und die Beheizungseinrichtungen in den Gebäuderäumen 14 nicht zu bedienen. Es kann dann hierdurch der Luftstrom 3 auf der Druckseite der Strömungmaschine 4 aufgeheizt und von dort in massereiche Teile des Gebäudes, also beispielsweise in das Fundament 11 und die Kellerwände II1 über die Luftführungskanäle 9, eingeleitet v/erden, wobei dann diese massereichen Gebäudeteile, die in ihrem Temperaturniveau wesentlich niedriger liegen, die ihnen solcherart über den Luftkreislauf 3 zugeführte Wärme aufnehmen und speichern. Da auch der umgebende Boden immer recht kühl bleibt, kann auch dieser Boden ggfls. als Speicherkapazität mit benutzt werden. Mit
dem Boden steht ohne Kosten und zusätzlichen Bauaufwand ein zufäätzl icher Wärmespeicher zur verfugung. Die solcherart aufgeheizten massereichen Teile des Gebäudes und ggfls. auch der umgebende Boden können die Speicherwärme wieder an den über die Wärmepumpe 6 entsprechend kühl gehaltenen Luftstrom 3 abgeben, so daß die gespeicherte Wärme dann über die Wärmepumpe 6 wieder rückgewonnen werden kann.
Um die Leistungszahl der Wärmepumpe 6 bei besonders niedriger Außentemperatur nicht in einen ungünstigen Bereich abfallen zu lassen, ist es auch in einem solchen Fall möglich, den Wärmetauscher 2 beispielsweise elektrisch fremd zu heizen und hierbei über die Regeleinrichtung 32 zu steuern. Hierdurch kann die Temperatur des Luftstromes 3 auf einen für den Betrieb der Wärmepumpe 6 idealen oder wenigstens angenähert idealen oder einem sonstwie gewünschten Wert gehalten werden.
Andererseits ist es auch möglich, wenn alle Wärmespeicherkapazitäten ausgenutzt sind, der Luftstrom 3 aber kühl gehalten werden soll, diesen Luftstrom 3 über die Wärmepumpe 6 zu entwärmen und die Leistung der Wärmepumpe 6 über einen AußenkühJer 28 abzuführen. Darüber hinaus kann es auch vorteilhaft sein, die aus der Wärmepumpe 6 austretende entwärmte Luft wieder in den Lufstrom 3 zurückzuführen, d.h. also druckseitig hinter der Strömungsmaschine 4 in den Luftführungskanal 8 einzuspeisen.
Allgemein wird also ein Luftstrom 3 durch eine Strömungsmaschine 4 in Bewegung gehalten und mindestens teilweise über eine parallel installierte Wärmepumpe 6 bei Bedarf in Teilmassen entwärmt, wobei die hierdurch zurückgewonnene Wärme beispielsweise zu Heizzwecken verwendet wird. Die Wärmepumpe ist hierbei eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Parallel zur Wärmepumpe kann eine zusätzliche Heizeinrichtung, beispielsweise in Altbauten eine fossilgefeuerte Heizungsanlage, betrieben werden. Dies hat den Vorteil, daß in Altbauten das
AS,
vorhandene Heizungssystem bestehenbleiben kann und es kann Lüftungswärme aus den Wohnungen, Abstrahlungsverluste des Wärmeerzeugers und der Wärmeverteilung, Sonneneneregie vom Speicher und Erdwärme aus dem Keller zurückgewonnen werden. Hierbei sorgt das Absaugen der Abluft aus den Gebäuderäumen für eine große Luftverbesserung der Luft in diesen Gebäuderäurnen und es wird durch eine solche Heizungsanlage insgesamt Energie eingespart und die Umweltbelastung reduziert.
Anstelle der parallel betriebenen fossilgefeuerten Heizungsanlage kann natürlich auch eine andere Heizungsanlage, wie z.B. eine elektrische Nachtspeicherheizung, verwendet werden, die den Vorteil einer leichteren und energiesparenderen Regelung mit sich bringt. Bei einer weit verbreiteten Verwendung der erfindungsgemäßen Heizungsmethode unter Einsatz einer Nachtspeicherheizung wäre es möglich, die Heizleistung der Nachtspeicherheizung drastisch zu reduzieren, so daß es weiterhin möglich wird, mit den vorhandenen Energiequellen bedeutend mehr Verbraucher mit Nachtstrom zu versorgen.
Ebenso ist es möglich über einen Wärmetauscher die Brauchwasserversorgung mit der Nachtspeicherheizung zu koppeln.
Es ist somit zum Ausgleich von Wärmebedarfsschwankungen im Luftkreislauf ein Wärmetauscher vorgesehen, der mindestens auch von Heizungswasser durchflossen werden kann, wenn z.B. durch Sonneneinstrahlung der Heizwärmebedarf der Verbraucher geringer ist. Dies hat die Vorteile, daß einerseits im Kellerfußboden und in den Kellerwänden, also in massereichen Teilen des Gebäudes, Wärme gespeichert werden kann, die in Zeiten höheren Heizwärmebedarfs wieder vom Heizungssystem genutzt werden kann und daß andererseits die Wärmepumpe immer bei optimaler Leistungszahl betrieben v/erden kann.
Zur Deckung der höchsten Wärmebedarfsspitzen bei sehr tiefen Außentemperaturen, wird dann die Parallelheizung beispiels-
Λ.
weise im Wasserkreislauf mit einer Leistung in der Größenordnung der elektrischen Wärmepumpenleistung vorgesehen und betrieben. Es kann hierdurch beispielsweise wie sich gezeigt hat, mit einer Gesamtleistung von 6 kW der Wärmebedarf eines 5-Familienhauses mit ca. 320 qm Wohnfläche gedeckt werden. Eine solche Parallelheizung kann z.B. dadurch verwirklicht werden, daß der Wasserkreislauf des Heizungssystems über einen Wärmetauscher mit der Brauchwasserbereitung verknüpft wird. Hierdurch kann die Wärmepumpe auch bei sehr tiefen Außentemperaturen bei optimaler Leistungszahl -wie bereits beschrieben- betrieben werden, weil die Leistung der Parallelheizung zusätzlich als Wärme zur Verdampfung des Kältemittels der Wärmepumpe zurückgewonnen werden kann. Hierbei wird das Zuschalten der Parallelheizung vorzugsweise über die Temperatur des Luftkreislaufs gesteuert, so daß die Parallelheizung erst nach Verbrauch der Speicherwärme in Betrieb geht. Hierbei kann wegen der großen Speichermassen sowohl im Luftkreislauf (Kellerboden, Kellerwände)· als auch im Wasserkreislauf (Fußboden- und Deckenheizung) eine elektrische Prallelheizung vorteilhafterweise mit Nachtstrom betrieben werden. Zur Senkung der Investitionskosten kann diese Pa1^aI] elheizung gleich in den Heizungsvorlauf der Wärmepumpe eingebaut werden. Auch wird schon durch die Erhöhung der Rücklauftemperatur des Heizungswassers vor Einspeisung der durch die Parallelheizung erzeugten Wärme die von der Wärmepumpe gelieferte Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Was also bei einer herkömmlichen Wärmepumpe nur durch höhere elektrische Leistung des Kompressors möglich ist, wird nach der Erfindung durch ein nicht bewegtes Bauteil, nämlich durch einen Wärmetauscher, bewirkt. Hierdurch ist es möglich eine Wärmepumpe mit halb so großer elektrischer Leistung wie bisher üblich zu verwenden, deren Betriebszyklen aber bedeutend länger sind. Hierdurch werden Investitionskosten eingespart und die Lebensdauer der Wärmepumpe verlängert.
Die von car Wärmepumpe aus dem Luftkreislauf abgesaugte Luft wird nach Abkühlung im Verdampfer teilweise nach draußen gegeben. Dadurch werden noch höhere Temperaturen (cai 15° C im Luftkreislauf) erreicht, weil die neu zuströmende Außenluft in den Wohnungen auf über 20° C und in den Kellerräumen auf ca. 12° C erwärmt wird, bevor sie in den Verdampfer gelangt. Auf diese Weise wird nicht nur die Abwärme aus den Wohnungen, wie bereits beschrieben, optimal genutzt, sondern auch die im Keller und im benachbarten Erdreich gespeicherte Wärme. Ein weiterer Wärmegewinn kommt dadurch zustande, daß der Luftstrom 3 des Luftkreislaufes auch durch die Abwasser- und Brauchwasserschächte des Gebäudes geführt werden kann, so daß die dort aufnehmbare Wärme ebenfalls rückgewonnen wird. Wenn der Luftstrom 3 durch das Erdreich (z.B. in Drainagerohren) geführt wird, nimmt er die dort vorhandene Feuchtigkeit auf.
Ein Vorzug der Erfindung liegt in ihrer Anwendbarkeit auch bei bestehenden Gebäuden. Hierzu werden Hohlräume im Kellerfußboden und an der Innenseite der Außenwände des Gebäudes (z.B. Hohlisolierung mit Hartschaumplatten nach Nut- und Feder-Art zusammengesetzt) geschaffen, durch welche die Luft zum Verdampfen des Kältemittels auf den Speicher gelangt. Auf dem Weg durch die Hohlräume nimmt die Luft Transmissionswärme auf. Die umgewälzte Luft wird im als Zentralschacht ausgebildeten Luftführungskanal 8, durch den die Luft wieder in den Keller und zur Wärmepumpe gelangt, mit Abwärme in der bereits beschriebenen Weise auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Nach Abkühlung im Verdampfer wird die über die Wärmepumpe abgesaugte Luft teilweise nach draußen gegeben. Bei dieser Art der Innenisolierung ist außerdem die Gefahr der Schwitzwasserbildung nicht gegeben, weil die umgewälzte Luft evtl. auftretende Feuchtigkeit aufnimmt und im Verdampfer wieder abgibt. Ein zusätzlicher Vorteil liegt also in der Trockenheit des Gebäudes.
Einer der Kerngedanken der Erfindung liegt darin, die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen energieaustauschenden Energiespeichern möglichst gering zu halten um einen nicht gewollten Energieaustausch mit der Umgebung klein zu halten. Hierbei sollen die Energiespeicher des Heizungssystems eine möglichst große Wärmekapazität besitzen, so daß mindestens angenähert stationäre Energieübertragungsverhältnisse erreicht werden können.
Die beiden wichtigsten Energiespeicher des Heizungssystems sind, wie beschrieben, die Fußboden- und Deckenheizung in den Wohnungen und der Luftkreislauf der das Gebäude einhüllt. Bei beiden Energiespeichern wird die hohe Kapazität durch die große Masse der verwendeten Baukomponenten erreicht. So wird die Wärme des Verteilungssystems in den Fußböden und Decken der Wohnungen gespeichert."Der Luftkreislauf nutzt die Masse der tragenden Außenwände, des Kellers mit benachbartem Erdreich und des Speichers. Hierbei verändert sich die Temperatur im Luftkreislauf maximal um 5 K wenn die Außentemperatur Unterschiede von mehr als 20 K aufweist. Zwischen dem Luftkreislauf und dem Wärmeverteilungssystem wird mit Hilfe des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe die notwendig0 Energie übertragen. Dabei wird wegen der großen Masse der beiden Energiespeicher und der großen Fläche des Wärmeverteilungssystems die Temperaturdifferenz zwischen Kondensation und Verdampfung des Kältmittels nicht größer als 30 K und dies bedeutet, daß die Wärmepumpe eine sehr günstige Leistungszahl hat. Wärme aus dem Wärmeverteilungssystem wird nur über nicht mit Luft umströmte Bauteile als Transmissionsverluste direkt an die Außenluft abgegeben. Alle übrige Wärme aus den Innenräumen 14 wird vorn Luftkreislauf aufgenommen und zum Verdampfen des Kältemittels genutzt oder als Transmissionswärme an die Kellerluft abgegeben. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nehmen die Transmissionsverluste aus dem Luftkreislauf, d.h. aus dem beheizten Gebäude, somit nicht proportional der Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Außentemperatur zu.
In aller Regel sinkt die Temperatur des Luftkreislaufs nicht unter 7° C, so daß ein erfindungsgemäßes Heizungssystem nur für einen Temperaturunterschied zwischen Wohnraum und Luftkreislauf von 15 K in Bezug auf die Wandtransmissionsverluste ausgelegt werden muß. Bei den Lüftungsverlusten genügt auch ein Temperaturunterschied von 15 K, weil die von der Wärmepumpe nach draußen abgegebene Luft eine Temperatur von ca. 2° C hat.
Wegen des relativ gleichmäßigen Potentialunterschieds der Energiespeicher, kann das erfindungsgemäße Heizungssystem so ausgelegt werden, daß die Wärmepumpe bei Außentemperaturen unter 10° C ständig durchläuft. Eine beispielsweise elektrische Parallelheizung ermöglicht dann, z.B. bei Temperaturen unterhalb 5° C, eine stufenweise Erhöhung der Heizleistung. Das Heizungssystem wird dann wochenlang mit der gleichen Leistung betrieben und wird damit zum typischen Grundlastverbraucher. Hierbei hat dann die Parallelheizung den Vorteil, daß die Wärmepumpe auch bei sehr tiefen Außentemperaturen bei optimaler Leistungszahl betrieben werden kann, weil, wie bereits beschrieben, die Leistung der Prallelheizung zusätzlich als Wärme zur Verdampfung des Kältemittels der Wärmepumpe zurückgewonnen werden kann.
Es gelingt somit bei niedrigen Investitionskosten sowohl bei Neubauten als auch bei Altbauten, besonders energiesparend zu heizen mit Komponenten des Heizungssystems die auch den Einsatz von Wärme geringer Temperatur möglich macht. Das gesamte System ermöglicht jedoch nicht nur die Heizung, sondern ermöglicht gleichzeitig eine Klimatisierung und bewirkt verbesserte Luft der Innenräume.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Gebäude
2 Wärmetauscher
3 Luftstrom
4 Strömungsmaschine
5 Einlaßleitung Wärmepumpe
6 Wärmepumpe
7 Saugseite
8 Luftführungskanale
9 Luftführungskanäle
10 Zusatzleitung
11 massereiche Teile des Gebäudes (Fundament)
11 ' Kellerwände
12 Außenwände
13 Abluft
14 Gebäuderäume
15 Fensterlüftung
16 Dach
17 Kupferrohrschlangen
18 Metallfolie
19 Speicher
20 Mischer
21 Ausgangsleitung
22 Leitung
23 Mischer
24 Heizkörper
25 Leitung
26 Leitung
27 Absperrventil
28 Kühler
29 Decke
30 Leitung
31 Ventil
32 Regeleinrichtung
33 Fußboden

Claims (13)

  1. OO43O
    Patentansprüche
    / Ij Verfahren zur Energieeinsparung bei der Regelung der ^-^ Lufttemperatur in Gebäuden dadurch gekennzeichnet, daß mindestens Teile der Außenwände (12) über entsprechende Luftführungskanäle (9) von Luft umströmt werden, wobei die Luft von einer Strömungsmaschine (4) bewegt und saugsei tig (7) von Abluft (13) aus den Gebäuderäumen (14) und Gebäudekanälen ergänzt in einem Kreislauf zur Strömungsmaschine (4) rückgeführt und mindestens in Teilen einer Wärmepumpe (6) zugeführt wird, die entwärmte Luft wahlweise insgesamt oder in Teilbeträgen wieder in den Kreislauf zurückführt und / oder nach außen abgibt, wobei die nach außen abgegebene Luft infolge des in den Räumen (14) entstehenden leichten Unterdrucks über natürliche Undichtigkeiten des Gebäudes (1) oder / und Fensterlüftung (15) ersetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die im Luftkreislauf umgepumpte Luft durch rnassereiche Teile (11) des Gebäudes (l) geführt wird.
  3. 3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2 daduch gekennzeichnet, daß die der Wärmepumpe (6) zugeführte Luft, falls erforderlich durch Zufuhr von Fremdwärme auf ein für einen optimalen Betrieb der Wärmepumpe (6) günstiges Temperaturniveau gebracht oder dort gehalten wird.
  4. 4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom 3 durch Zufuhr von Fremdwärme über den Wärmetauscher 2 auf ein günstiges Temperaturniveau gebracht und/oder dort gehalten wird, um mit der zugeführten Wärme den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken.
    Z.
  5. 5. Gebäude zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit Luftführungskanälen, die in einen Sammelkanal münden und einer mit den Luftführungskanälen in geeigneter Weise verbundenen Wärmepumpe dadurch gekennzeichnet, daß im Sammelkanal (8) eine Strömungsmaschine (4) zur Erzeugung der notwendigen Luftströmung angeordnet ist, und daß die Strömungsmaschine (4) zur Wärmepumpe (6) hinsichtlich des Luftkreislaufes parallel geschaltet ist, wobei entwärmte Luft über eine Zusatzleitung (10) auch an die Außenluft abgebbar ist.
  6. 6. Gebäude nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Luftführungskanäle (S,9) eine zusätzliche Einrichtung" (2) zur Veränderung des Wärmeinhaltes des Luftstromes (3) aufweisen, oder mit einer solchen verbindbar oder verbunden sind.
  7. 7. Gebäude nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung (2) zur Veränderung des Wärmeinha tes des Luftstromes (3) ein fremdbetriebener Wärmetauscher ist.
  8. 8. Gebäude nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Wärmepumpe nach draußen abgegebene Luft durch Undichtigkeiten auf dem Speicher, in den Wohnungen und im Keller bzw. durch Fensterlüftung wieder ersetzt wird und über Lüftungsgitter in den Schacht und zur Wärmepumpe gelangt.
  9. 9. Gebäude nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8 gekennzeichnet durch die Verwendung einer Deckenheizung für die Wärmeverteilung, bei der Kupferrohrschlangen an den Decken befestigt und die Zwischenräume zwischen den Kupferrohren durch Ankleben von Hartschaumplatten zum größten Teil aufgefüllt werden, wobei ein Bereich von ca.
    OOOOtOÜ
    5 cm, in dem die Kupferrohre liegen, mit Gips aufgefüllt und die Decke zur Verbesserung der Wärmeverteilung dann mit Metallfolie beklebt wird.
  10. 10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Wärmetauscher im Luftkreislauf am Fuß des Zentralschachtes dadurch gekennzeichneb, daß der Wärmetauscher bei geringem Heizwärmebedarf der Verbraucher von Heizungswasser durchflossen wird und Kellerfußboden und Kellerwände mit Hilfe der umgewälzten Luft aufgeheizt werden, wobei die Aufheizung über einen Raumthermostaten im Luftkreislauf und über Thermostate in den Wohnungen geregelt wird.
  11. 11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung einer Parallelheizung im Vorlauf des Wasserkreislaufs die Leistung der Parallelheizung die gleiche Größenordnung hat wie die elektrische Leistung der Wärmepumpe, wobei eine solche Parallelheizung in die Wärmepumpe integriert sein kann.
  12. 12. Gebäude nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlisolierung mit Hartschaumplatten nach Nut- und Feder-Art aus normalen Hartschaumplatten mit Abstandsstücken aus Hartschaum in einer Vorrichtung zusammengesetzt wird, wobei die versetzt angeordneten Hartschaumplatten durch Kunststoffnägel mit Widerhaken und Klebstoff zusammengehalten werden.
  13. 13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe im Keller Luft über den Luftführungskanal 8 aus den Wohnräumen 14 und dem Keller ansaugt und nach Abkühlung der Luft auf ca. 20C nach draußen bläst.
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