DE3505953C2 - Heizungsanlage für Gebäude - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage für Gebäude, bestehend aus einer Wärmepumpe, einem an diese primärseitig angeschlossenen Absorber und einer sekundär­ seitig angeschlossenen Verbrauchsanlage, wobei als Absorber ein monolithisches Flachdach mit umlaufender Attika aus wasserundurchlässigem Beton mit unterseitiger Wärmedämmung und mit eingebettetem mit Wärmetransportmedium gefüllten Leitungssystem vorgesehen ist, welches Zu- und Ableilungen aufweist, die mit der Wärmepumpe zur Bildung des Absorberkreislaufes verbunden sind.

Ein derartige Heizungsanlage ist aus der DE 28 19 642 A1 bekannt.

Dabei ist das Flachdach etwa 18 cm dick und oberseitig gegen thermische Spannungen mit einer Kiesschicht gepuffert.

Die Rohrschlangen des Leitungssystemes liegen einschichtig etwa in der Mitte des Flachdachs und haben einen Abstand von etwa 8 cm zueinander. Bei dieser Konstruktion ist die Beheizung eines eingeschossigen Hauses unter klimatisch nicht zu strengen Bedingungen monovalent möglich. Bei mehrgeschossigen Bauten und insbesondere bei sehr niedrigen Wintertemperaturen während der Nacht ist der Heizbetrieb nur in Kombination mit einem Puffer­ speicher oder mit einem bivalenten Heizsystem möglich.

Aus der DE-OS 25 57 895 ist eine Vorrichtung zum Beheizen von Gebäuden mittels einer Wärmepumpenanlage, in der ein Wärmeträger innerhalb eines in sich geschlossenen Kreislaufes kondensiert und verdampft wird und beim Verdampfen über Wärmekollektoren Energie aufnimmt und diese Energie beim Kondensieren über einen Wärmeverteilungssystem abgibt bekannt, wobei die Wärme­ kollektoren durch eine Vielzahl von parallelen Rohren gebildet sind, die beispielsweise auf einem Flachdach in der durch die Attika und die Flachdachfläche gebildeten Schüssel verlegt sind und die mit einer Kiesschicht und/oder einer Wasserschicht bedeckt sind. Hierbei liegen die dem Wärmekollektor bildenden Rohre oberhalb des Flachdachs, also nicht in der Betonschicht eingebettet. Das Wärme­ speichermedium besteht aus Wasser und/oder Kies. Mit einer solchen Ausbildung ist eine monovalente Beheizung eines Hauses nicht möglich, da nur die Speicherfähigkeit des Speichermediums (Wasser und/oder Kies) ausgenutzt wird und diese für eine monovalente Beheizung nicht ausreicht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizungsanlage der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, mit der eine monovalente Beheizung eines mehrgeschossigen Gebäudes auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen möglich ist, ohne daß hierzu aufwendig Pufferspeicher oder ein bivalentes Heizungssystem benötigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Maßnahmen vor, die im Kennzeichenteil des Hauptanspruches bezeichnet sind.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen bezeichnet.

Aufgrund der Wannenausbildung des Flachdaches mit Attika ist die Anordnung einer mehrere zentimeterstarken Wasser­ schicht, die vorteilhafter Weise im Mittel etwa 15 cm betragen sollte, unproblematisch. Die Wasserschicht hat eine volumenbezogene Wärmekapazität von 4200 kJ/m³K, wohingegen Stahlbeton eine volumenbezogene Wärmekapazität von 2400 kJ/m³K, also etwa 60% der Wärmekapazität von Wasser aufweist. Mit dieser Kombination wird die volumen­ bezogene Speichermasse der Konstruktion derart erhöht, daß auf Pufferspeicher und sogar auf bivalente Heizsysteme völlig verzichtet werden kann. Die massive Flachdach­ ausbildung, vorzugsweise in einer Stärke von mindestens 25 cm, wirkt wie eine große Speichermasse mit entsprechend hoher spezifischer Absorberleistung.

Mit der Wasserbeschichtung von vorzugsweise 15 cm steht eine weitere Speichermasse mit sehr guten Wärmeüber­ tragungseigenschaften zum Betonabsorber-Flachdach zur Verfügung.

Die erwünschte höhere Wärmeaufnahme und Speicherung ist auf diese Weise hervorragend gelöst.

Um im Bedarfsfall einen gleichmäßigen Wärmeabzug bei einer 30 cm dicken Betonplatte zu erreichen, reicht ein einziges in einer Ebene verlegtes Rohrleitungssystem nicht aus.

Beispielsweise hat eine 25 cm dicke Betonplatte als Flachdach ihre maximale spezifische Absorberleitung erst nach ca. 10 bis 12 Stunden, d. h. nachts gegen 22.00 bis 1.00. Die Phasenverschiebung von den Tagesstunden in die Abend- und Nachtstunden ist wegen des erhöhten Wärmebedarfs für die Leistungszahl der Wärmepumpe von Vorteil. Allerdings ist der Wärmetransport nur durch die Wärmeleitung des Betons ermöglicht.

Dies ist für einen im Bedarfsfall raschen Wärmeabzug aber zu träge.

Die Erfindung schlägt deshalb die Anordnung von mehreren Rohrleitungssystemen übereinander vor, wobei sich als optimal der Abstand des oberen Leitungssystem zur Dachober­ fläche von 5 cm und zu den tiefer liegenden Leitungssystem von jeweils 10 cm ergeben hat.

Der Absorbtionseinzugsbereich eines jeden Leitungssystems hat dann immer 5 cm im Radius.

Vorteilhaft ist die wechselseitige Anordnung der Leitungssysteme übereinander und zwar in der Form, daß ein Rohrbündel in der X-Achse und das folgende in der Y-Achse verlegt wird, so daß das Flachdach kreuzweise durchzogen ist und ein gleichmäßiges Temperaturprofil erhalten wird. Neben der erfindungsgemäß erreichten zusätzlichen Speicherkapazität durch das Wasser sowie neben der hohen Wärmeleitfähigkeit des Wassers, die sich günstig auf das System auswirkt, ist auch die Änderung des Aggregat­ zustandes des Wassers besonders vorteilhaft in kalten Winternächten.

Die erwünschte Eisbildung in der Wasserschichtung durch Energieentzug der Wärmepumpe ist besonders in derart kalten Winternächten zu Heizzwecken von besonders hoher Ausbeute nützlich.

Wenn sich ein völlig kompakter Eisblock mit relativ niedrigen Temperaturen gebildet hat, ist ein weiterer Wärmeentzug für die Wärmepumpenzahl unwirtschaftlich. Da bei dem beschriebenen, innen gedämmten massiven Betonflachdach die Attikaausbildung bedingt durch die Wannenform eine große Masse darstellt, kann die tagsüber einwirkende diffuse und direkte Sonneneinstrahlung sich vorteilhaft auswirken. Hierdurch wird die Attika des Flachdaches erwärmt und die Wärme aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Betons in die unterhalb der Eisschicht befindliche Betonschicht geleitet.

Dadurch wird die Eisschicht unterseitig angetaut und von unten nach oben aufgeschmolzen.

Untersuchungen haben ergeben, daß der Eisblock vom Dachrand her zur Mitte hin auftaut.

Damit steht für die nächste Aggregatänderung wieder ein erheblicher Energiegewinn zur Verfügung.

Diese ständige Wechselwirkung tritt besonders bei klaren Wintertagen auf. Bei naßkalten regnerischen oder windigen Tagen ist die Energiezufuhr ohnehin aufgrund der Wannen­ ausbildung und der Attikaabwicklung gesichert.

Die registerförmige Anordnung von mehreren Rohrleitungs­ systemen übereinander innerhalb des Betonkörpers des Flachdaches hat nachstehend erläuterte Vorteile.

Die Dachoberseite nimmt durch den Energietransport aus der Wasser- oder der sich bildenden Eisschicht zunächst am schnellsten den Wärmestrom auf.

Daher werden die einzelnen Register kaskadenförmig von oben nach unten miteinander verbunden.

Bei dieser Anordnung muß der abgekühlte Rücklauf aus der Wärmepumpe an der energetisch günstigsten Rohrschlange, also oben, angeschlossen werden.

Mit dem kaskadenförmigen Durchströmenden von oben nach unten erwärmt sich die Soleflüssigkeit, so daß die Wärme­ kapazität des gesamten Betonquerschnitts gleichmäßig ausgenutzt wird.

Die Soleflüssigkeit hat dann am Eintritt der Wärmepumpen­ seite (Verdampfer) eine Mischtemperatur (Solemitteltemperatur) die der Forderung einer möglichst hohen Wärmequellentemperatur entspricht. Damit ergeben sich wesentlich höhere Leistungszahlen der Wärmepumpe.

Die Phasenverschiebung, d. h. die Zeit zwischen dem höchsten Energieangebot der Umwelt und der höchsten spezifischen Absorberleistung liegt beim Flachdach bei 10 bis 12 Stunden.

Bei Unterfassadenabsorben liegt die Phasenverschiebung lediglich bei 4 bis 5 Stunden. Diese Eigenschaft kann durch die erfindungsgemäß bezeichnete Kombination vorzüglich ausgenutzt werden.

Mit einer einfachen konstanten Zeit- oder Temperatur­ schaltung wird der sogenannte flinke Unterfassadenabsorber tagsüber entladen, da seine maximal spezifische Absorber­ leistung in diesem Bereich liegt.

Der trägere Flachdachabsorber mit der zusätzlichen Wasserschicht wird mit dem überdies noch billigeren Nachtstrom zur Zeit seiner maximalen spezifischen Leistung entladen. Bei dieser wechselseitigen Fahrweise der beiden Absorbertypen ergeben sich zwei wichtige energetische Vorteile.

Einerseits wird immer der Absorbertyp mit der höchsten spezifischen Leistung entladen. Andererseits nehmen in der Stillstandszeit und Taktzeit der Wärmepumpe beider Absorber Energie aus der Umwelt auf und speichern sie.

Mit der vorgeschlagenen Kombination der Absorbertypen kann auch bei extremen Bedingungen bei mehrgeschossigen Bauwerken eine monovalente Betriebsweise der Wärmepumpe gewährleistet werden.

Zur Erläuterung der Erfindung wird noch auf die Zeichnungsfiguren Bezug genommen.

In Fig. 1 ist ein Flachdach gemäß vorliegender Erfindung im Querschnitt gezeigt;
In Fig. 2 ist eine Ausschnittsvergrößerung in derselben Ansicht dargestellt;
In Fig. 3 ist eine Einzelheit in Vergrößerung dargestellt.

Die Heizungsanlage für mehrgeschossige Gebäude besteht im wesentlichen aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmepumpe sowie einem an diese primärseitig angeschlossenen Absorber und einer sekundärseitig ange­ schlossenen, ebenfalls nicht dargestellten Verbrauchs­ anlage, vorzugsweise einer Niedertemperaturheizung.

Als Absorber ist ein monolithisches Flachdach 1 aus wasserundurchlässigem Beton mit unterseitiger Wärmedämmung vorgesehen.

In den Auflagerstellen ist das Dach in üblicher Weise verschieblich gelagert.

In das Betondach sind parallel zueinander und zur Absorberaußenfläche drei Leitungssysteme 2 eingebettet, wobei diese Leitungssysteme in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.

Die Leitungssysteme 2 können vor dem Vergießen des Betons an der Bewehrung des Betondaches befestigt werden, so daß ihre Lage bis zum endgültigen Abbinden des Betons gesichert ist.

Anschließend ist ihre Lage durch den abgebundenen Beton selbst gesichert.

Die Leitungssysteme 2 weisen jeweils eine Zu- und eine Ableitung auf, die in der in Fig. 3 dargestellten Art und Weise miteinander und mit dem Rücklauf sowie dem Vorlauf der Wärmepumpe verbunden sind.

Der Rücklauf der Wärmepumpe wird dabei gemäß der Zeichnung in das oberste Leitungssystem eingespeist, wobei dieses Leitungssystem ausgangsseitig an das mittlere Leitungssystem angebunden ist, welches wiederum ausgangsseitig an das untere Leitungssystem angebunden ist, welches ausgangsseitig den Vorlauf zur Wärmepumpe bildet.

Dieser Strömungsverlauf ist in der Zeichnungsfigur 3 mit Pfeilen verdeutlicht.

Der als Flachdach 1 ausgebildete Absorber weist umlaufend außenrandseitig eine Attika 3 auf, die zusammen mit der eigentlichen Dachfläche eine Schüsselform bildet.

In dieser Schüssel ist eine Kiesschicht 4 in einer Stärke von ca. 5 cm angeordnet, die bei dieser Dachform üblich ist und als Wärmepuffer dient. Zusätzlich ist eine Wasser­ schicht 5 in einer Höhe von mindestens 15 cm aufgefüllt, wobei die Wasserschicht einen zusätzlichen Absorber bzw. Speicher bildet.

Der üblicher Weise bei Flachdächern vorgesehene Wasserablauf, der normalerweise bündig in der Schüsselebene des Flachdaches liegt, ist bei der erfindungsgemäßen Ausbildung so verlegt, daß eine Wasser­ schicht in der entsprechenden Höhe aufgebaut werden kann und nur das durch Regen oder sonstige Einflüsse zusätzlich über die gewünschte Schichthöhe hinaus aufgebrachte Wasser abgeführt werden kann.

Die Entwässerung kann in Form einer Innenentwässerung oder einer Überlaufentwässerung erfolgen.

Beim Ausführungsbeispiel ist der Abstand der einzelnen Rohrleitungssysteme 2 voneinander etwa 10 cm, während der Abstand des untersten und des obersten Rohrleitungs­ system 2 von der Außenhaut des Daches etwa 5 cm beträgt. Im Attikabereich sind diese Maße natürlich nicht zutreffend, da die Rohrleitungssysteme in einer Ebene verlegt sind und im Attikabereich also größeren Abstand von der Außenhaut des Daches aufweisen.

Die Stärke des Betondaches im Mittelbereich beträgt etwa 30 cm.

Im Attikabereich ist die Stärke des Betondaches erheblich höher.

Claims (7)

1. Heizungsanlage für Gebäude, bestehend aus einer Wärme­ pumpe, einem an diese primärseitig angeschlossenen Absorber und einer sekundärseitig angeschlossenen Verbrauchsanlage, wobei als Absorber ein monolithisches Flachdach mit umlaufender Attika aus wasser­ durchlässigem Beton mit unterseitiger Wärmedämmung und mit eingebettetem mit Wärmetransportmedium gefüllten Leitungssystemen vorgesehen ist, welches Zu- und Ableitungen aufweist, die mit der Wärme­ pumpe zur Bildung des Absorberkreislaufes verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Attika (3) und die Fläche des Flachdachs (1) gebildete Schüssel mit Wasser (5) angefüllt ist, wobei die Wasserschicht mehrere Zentimeter dick ist, und daß das Leitungssystem (2) in mindestens zwei Ebenen übereinander im Beton des Flachdaches (1) eingebettet ist, wobei die Ebenen des Leitungssystems (2) den doppelten Abstand voneinander aufweisen, als dem Abstand der jeweils äußersten Ebene von der Außen­ fläche des Flachdachs (1) entspricht.

2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserschicht mindestens 15 cm hoch ist.

3. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Ebenen des Leitungssystems (2) 10 cm beträgt.

4. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betondach (1) im zwischen der Attika (3) liegenden Bereich eine Dicke von mindestens 25 cm aufweist.

5. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen der übereinander angeordneten Leitungssysteme (2) einander kreuzend angeordnet sind.

6. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Leitungssystem (2) eingangsseitig mit dem Rücklauf der Wärmepumpe und ausgangsseitig mit dem darunter befindlichen Leitungssystem verbunden ist, wobei das unterste Leitungssystem ausgangsseitig mit dem Vorlauf der Wärmepumpe verbunden ist.

7. Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wände des Gebäudes als Unterfassaden­ absorber mit eingebetteten Leitungssystemen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem der Unterfassadenabsorber im Wechsel mit dem Leitungssystem (2) des Betondachs mit der Wärmepumpe verbunden sind.