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Wärmeenergie-Element
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Die Erfindung betrifft ein Wärmeenergie-Element zur Aufnahme und Weitergabe
von Wärme, insbesondere zur Aufnahme von Sonnenwärme und zur Weitergabe der Wärme
in Gebäuderäume.
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Unter dem allgemeinen Gesichtspunkt der Energieeinsparung kommt der
Art und Weise der Heizung von Gebäuderäumen und von Zimmern bekanntlich eine wesentliche
Bedeutung zu.
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Auch der Aspekt des Umweltschutzes ist dabei zu beachten, denn bei
zunehmendem Wärmebedarf und dem damit ansteigenden Verbrauch von beispielsweise
fossilen Brennstoffen wird die Belastung der Umwelt größer.
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Bekanntlich werden die Wände - vor allem die Außenwände -von Gebäuden
und Häusern isoliert, wobei allerdings eine Kompromißlösung vorgesehen werden muß.
Einerseits soll die Isolierung möglichst gut sein, damit die Wärme in einem Zimmer
möglichst dort gehalten wird und bei niedrigen Außentemperaturen nicht ohne weiteres
nach außen gelangt.
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Andererseits kann die Isolierung der Wände aber nicht zu
stark
gewählt werden. Zwar treten dann kaum Wärmeverluste auf, weil ein Wärmetransport
durch die Wand nach außen erschwert ist, allerdings kann im Falle einer höheren,
über der Zimmertemperatur liegenden Außentemperatur umgekehrt auch keine "Aufheizung"
des Zimmers beispielsweise durch Sonneneinstrahlung von außen her erfolgen.
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Um den beiden voranstehend geschilderten, sich widersprechenden Forderungen
gerecht zu werden, wird in der Praxis bei der Dimensionierung der Isolierung eine
Zwischenlösung zugrunde gelegt, die eine nicht zu starke Isolierung beinhaltet und
grundsätzlich einen Durchgang der Wärme durch die Wand hindurch ermöglicht (und
zwar in beiden Richtungen, also von innen nach außen und umgekehrt).
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Es hat sich nun gezeigt, daß die bekannten im obigen Sinne unterdimensionierten
Isolierungen zu einem beachtlichen Wärmebedarf führen, der durch erhöhten Energieverbrauch
- beispielsweise durch fossile Heizbrennstoffe - gedeckt werden muß.
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Hier greift nun die Erfindung ein, der zum Zwecke einer Energie- und
Kosteneinsparung sowie vor dem Hintergrund einer verringerten Umweltbelastung durch
die Energieerzeugung die Aufgabe zugrunde liegt, ein Wärmeenergie-
Element
zu schaffen, welches eine bessere bzw. stärkere Isolierung von Gebäudewänden ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Wärmeenergie-Element durch eine mit Abstand außen an oder in der Gebäudewand
befestigt bare Wärmeauffangplatte, welche an ihrem oberen Ende eine obere Regelklappe
und an ihrem unteren Ende eine untere Regelklappe besitzt.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, im Falle einer gegenüber
der Zimmertemperatur höheren Außentemperatur dem Zimmer einen warmen Luftstrom zuzuführen,
wobei die Wärme von außen, vorzugsweise durch Sonneneinstrahlung, herrührt.
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Die Wärmeauffangplatte bildet einen Sammler für Wärmeenergie und wird
vorzugsweise durch Sonneneinstrahlung '§aufgeheizt". Die gewonnene Wärme wird an
eine Kammer bzw. an einen Luftstromschacht weiter-bzw. abgegeben, welcher sich zwischen
der Gebäudewand und der Wärmeauffangplatte befindet. Am oberen und unteren Ende
dieses Luftstromschachtes ist in der Gebäudewand jeweils eine Öffnung vorgesehen,
die einen Durchgang zum dahinter befindlichen Raum schafft.
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Auf Grund natürlicher physikalischer Gegebenheiten -warme Luft steigt
nach oben - entsteht eine tuftströmung durch die Öffnungen und den Luftstromschacht,
und diese Luftströmung transportiert die an den Luftstromschacht abgegebene Wärme
in das Zimmer.
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Zur Beeinflußung und Steuerung dieses Vorganges sind in zweckmäßiger
Ausgestaltung der Erfindung Regelklappen vorgesehen, durch welche sich die beiden
genannten Öffnungen in den Wänden verschließen lassen, und welche ferner am unteren
und oberen Ende des Luftstromschachtes eine Verbindung mit der Außenatmosphäre herstellen
können.
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Wenn die beiden Klappen des Luftstromschachtes geöffnet sind, kann
somit die angesammelte Wärme, die innerhalb des Zimmers nicht benötigt wird, nach
außen entweichen.
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Um einen besonders günstigen Wirkungsgrad zu erzielen, wird die Wärmeauffangplatte
schwarz oder - in Anpassung an das jeweilige Gebäude - dunkelfarbig angestrichen.
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Ferner besitzt die Wärmeauffangplatte in einer weiteren zweckmäßigen
Ausgestaltung der Erfindung als Schutz eine Glasscheibe, die im geringen Abstand
von der Wärmeauffangplatte angeordnet ist, so daß zwischen der Wärmeauffangplatte
und der Glasscheibe ein geringer Zwischenraum verbleibt. Durch die Glasscheibe läßt
sich verhindern, daß bei Luftströmungen oder starken Winden
Wärme
von der Wärmeauffangplatte "nutzlos" wieder nach außen abgeleitet wird.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt
die Wärmeauffangplatte an ihrer dem Luftstromschacht zugewandten Fläche mehrere
Wärmeabgabelamellen, welche dafür sorgen, daß eine maximale Wärmeeinheit an den
Luftstromschacht abgegeben werden kann.
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Die voranstehende prinzipielle Erläuterung verdeutlicht den Grundgedanken
der Erfindung, außen vorhandene Wärme in das Gebäude einzuleiten, wenn die Außentemperatur
höher als die Innentemperatur ist. Die Realisierung dieses Gedankens führt zu dem
bedeutsamen Vorteil, daß die Isolierung der Gebäudewände besser und stärker als
üblich gewählt werden kann. Bei der Auslegung der Isolierung braucht nämlich jetzt
nicht mehr der Gesichtspunkt berücksichtigt zu werden, daß auch von außen her ein
Wärmetransport durch die Wände ermöglicht werden soll.
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Diese Funktion wird bei der Erfindung vielmehr durch das Wärmeenergie-Element
ermöglicht und erfüllt, indem die in dem Luftstromschacht abgegebene Wärme ohne
jegliche Fremdenergie in das hinter der Wand liegende Zimmer transportiert wird.
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Da die Isolierung der Wände nunmehr stärker und besser ausgebildet
werden kann, wird ein Wärmetransport durch die Wände hindurch von innen nach außen
praktisch vollständig unterbunden, und dies bringt den Vorteil mit sich, daß für
die eigentliche Innenheizung des betreffenden Raumes weniger Wärmeenergie und damit
auch weniger Brennstoffe benötigt werden.
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Somit läßt sich als weitere Folge eine bedeutsame Energieeinsparung
erzielen, und außerdem wird die Umweltbelastung wegen des geringeren Bedarfes an
Heizbrennstoffen verringert.
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Durch die Erfindung wird also die eigentliche Beheizung von Räumen
nicht etwa völlig überflüssig; vielmehr greift die Erfindung hier unterstützend
mit den voranstehend geschilderten Vorteilen ein, in dem bei höheren AuBentemperaturen
ein praktisch verlustloser Wärmetransport in die Innenräume durch die Öffnungen
in den Gebäudewänden ermöglicht wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche und der Zeichnung zu entnehmen.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend an Hand der
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 Eine schematische perspektivische Darstellung eines Wärmeenergie-Elementes,
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Gebäudewand mit einem daran nachträglich befestigten
Wärmeenergie-Element, Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Wärmeenergie-Elementes
ohne Regelklappen, Fig. 4 eine ausschnittsweise Draufsicht eines Wärmeenergie-Elementes,
Fig. 5 in teilweiser Querschnittsansicht ein Gebäude mit einem an der Gebäudewand
angebrachtem Wärmeenergie-Element, Fig. 6 eine detailierte Querschnittsansicht gemäß
Fig. 5, Fig. 7 eine weitere Querschnittsansicht mit einem in die Gebäudewand integrierten
Wärmeenergie-Element, Fig. 8 eine Draufsicht bzw. Querschnittsansicht eines mit
kreisförmigen Querschnitt ausgebildeten
Wärmeenergie-Elementes
mit zwei unterteilten Luftstromschächten, und Fig. 9 ebenfalls eine Draufsicht eines
im Querschnitt kreisförmig ausgebildeten Wärmeenergie-Elementes mit zwei unterteilten
Luftstromschächten.
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Das in Fig. 1 zeichnerisch dargestellte Wärmeenergie-Element 10 ist
für den nachträglichen Ein- bzw. Anbau bei bereits vorhandenen Gebäuden vorgesehen.
Es umfaßt zwei Seitenwände 12 sowie eine Bodenwand 16 und eine Deckenwand 18. Die
vordere Fläche ist durch das plattenförmige Wärmeenergie-Element selbst abgedeckt,
und auf der hinteren, einer Gebäudewand 24 zugewandten Seite ist die Anordnung offen.
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Im Bereich der Bodenwand 16 ist eine untere Regelklappe 20 vorgesehen,
während die obere Deckenwand 18 eine obere Regelklappe 22 umfaßt. Die beiden Regelklappen
20 und 22 sind - von Hand oder elektromotorisch - bewegbar, so daß der durch die.
Seitenwände 12 und 14 sowie durch die Bodenwand 16 und die Deckenwand 18 umgrenzte
Raum wahlweise verschließbar oder mit der Außenatmosphäre in Verbindung bringbar
ist, wenn das Wärmeenergie-Element 10 gemäß Fig. 2 an der Gebäudewand
24
befestigt ist.
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Wie die Darstellungen gemäß Fig. 3 und 4 besonders deutlich zeigen,
umfaßt das Wärmeenergie-Element 10 als wesentlichen Bestandteil eine Wärmeauffangplatte
30, die aus einem wärmeleitenden Material - vorzugsweise Kupfer - besteht und dessen
Oberfläche schwarz oder dunkel angestrichen ist.
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Im Abstand vor der Wärmeauffangplatte 30 befindet=sich unter Bildung
eines Zwischenraumes 28 eine Glasscheibe 26 an der Außenseite der Wärmeauffangplatte
30. Durch die Glasscheibe 26 wird verhindert, daß die von der Wärmeauffangplatte
30 in Folge von Sonneneinstrahlung aufgenommene Wärme durch Luftströmungen oder
Winde nutzlos wieder nach außen "abgeleitet" wird.
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Auf der Innenseite der Wärmeauffangplatte 30 befinden sich Wärmeabgabelamellen,
welche - ebenso wie die Wärmeauffangplatte selbst - die Wärme an den Luftstromschacht
58 (vgl. Fig. 5 - 7) abgeben.Die Seitenwände 12, 14 und die Regelklappen 20, 22
sind in Fig. 3 und 4 aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung
nicht dargestellt.
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Fig. 5 und 6 zeigen in schematischen Querschnittsansichten jeweils
ein nachträglich an einer Hauswand 44 eines Gebäudes 36 befestigtes Wärmeenergie-Element
10 (die Befestigungsmittel sind nicht dargestellt).
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Die Regelklappen 20 und 22 sind in einer geschlossenen Stellung, so
daß der Luftstromschacht 58 zwischen der Hauswand 44 und dem Wärmeenergie-Element
10 keine Verbindung zur Außenatmosphäre besitzt.
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Am oberen und unteren Ende des Luftstromschachtes ist in der Hauswand
44 jeweils eine Öffnung 50 bzw. 52 vorgesehen, die mittels Wandklappen 54 und 56
verschließbar sind.
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Ebenso wie die Regelklappen 20,22 besitzen auch die Wandklappen 54
und 56 eine Isolierschicht 62,64, um im Bereich der Öffnungen 50,52 bei geschlossenen
Wandklappen bzw. auch bei geschlossenen Regelklappen längs der Hauswand 44 eine
gleichbleibende Isolierung zu erhalten. Dadurch lassen sich Kältebrücken vermeiden.
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Ferner ist an der Außenseite der Hauswand 44 eine Isolierplatte 60
vorgesehen, um eine zusätzliche Isolierung der Hauswand 44 zu erzielen, da die Erfindung
- wie weiter
oben schon erläutert - in vorteilhafter Weise eine
stärkere Isolierung der Wände erlaubt. Die Isolierplatte 60 verhindert auch, daß
die in dem Luftstromschacht 58 vorhandene Wärme in die Hauswand 44 geleitet wird.
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In Fig. 5 ist durch die Sonneneinstrahlung 34 eine Aufheizung des
Wärmeenergie-Elementes angedeutet. Die Wärmeauffangplatte 30 sowie die Wärmeabgabelamellen
32 geben diese Wärme an den Luftstromschacht 58 weiter. Dieser steht bei geöffneten
Wandklappen 54 und 56 in direkter Verbindung mit dem Zimmer 46, und es bildet sich
eine durch die Pfeile 48 angedeutete Luftströmung aus.
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Durch die untere Öffnung 52 gelangt kalte Zimmerluft in den Luftstromschacht
58, wo sie erwärmt wird, nach oben steigt und durch die obere Öffnung 50 wieder
in das Zimmer 46 eintritt. Auf diese Weise erfolgt eine direkte Erwärmung der Zimmerluft.
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Das Dach 38 des Hauses 36 kann in an sich bekannter Weise mit Solarzellen
40 ausgelegt werden, um die dadurch gewinnbare elektrische Energie einer Batterie
42 zuzuführen.
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Letztere ermöglicht eine Betätigung der Wandklappen 54 und 56 und
der Regelklappen 20 und 22.
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In dem Zwischenraum (vgl. Fig. 3) ist ein Temperaturfühler 74 angeordnet,
und ein weiterer Temperaturfühler 76 befindet sich innerhalb des Zimmers 46. Aufgrund
von Temperaturmessungen und der dabei ermittelten Temperaturdifferenz können die
Regelklappen 20 und 22 und auch die Wandklappen 54 und 56 gesteuert werden.
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Wenn die Temperatur im Zwischenraum 28 größer als die Innentemperatur
des Zimmers 56 ist, kann gemäß der Prinzipdarstellung in Fig. 5 die gewünschte Heizung
des Zimmers 46 direkt mit der Raumluft erfolgen, indem die aufgefangene Wärme direkt
an die Raumluft abgegeben wird.
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Im übrigen kann die aufgefangene Wärme selbstverständlich auch einer
anderen Nutzung - beispielsweise zur Erwärmung von Wasser - zugeführt werden.
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Es ist ersichtlich, daß die eingestrahlte Sonnenenergie auf sehr kurzem
Wege direkt an die zu erwärmende Raumluft weitergegeben wird, so daß die Wärmeverluste
sehr niedrig gehalten werden können. Ein Wärmestrom findet dabei nur von außen nach
innen statt, während umgekehrt eine Wärmeströmung von innen nach außen wegen der
verbesserten Isolierung der Hauswand 44 praktisch vollständig unterbunden ist. Die
somit ermöglichte verbesserte Wärmeisolierung des Hauses verhindert in erheblichem
Maße die Transmissionswärmeverluste.
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Die Isolierplatte 60 in Fig. 6 kann in zweckmäßiger Ausgestaltung
durch eine Alufolie mit einer glatten Oberfläche gebildet sein. Die glatte Oberfläche
verhindert Luftverwirbelungen innerhalb des Luftstromschachtes 58, so daß sich die
Luftströmung 48 ungehindert ausbilden kann.
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Wenn im Sommer auf eine Aufheizung verzichtet werden soll, können
die Regelklappen 20 und 22 in die in Fig. 6 gestrichelt gezeichnete Stellung gebracht
werden, wobei die aufgefangene Wärme an die Außenatmosphäre abgeleitet wird. Die
beiden Wandklappen 54 und 56 können je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden.
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Das neue Wärmeenergie-Element 10 ist als ein selbständiges Bauelement
nach Art einer Bautafel aufzufassen. Dabei ist nicht nur - wie bisher beschrieben
- ein nachträglicher Einbau möglich, vielmehr kann beim Neubau eines Hauses auch
von vornherein der Einsatz von Wärmeenergie-Elementen 10 berücksichtigt werden,
wie dies in Fig. 7 beispielsweise dargestellt ist. Hier wird also eine glatte Außen
fläche der Hauswand 44 erzielt, die im Bereich des Wärmeenergie-Elementes 10 eine
geringere Wandstärke aufweist, um die Bildung des Luftstromschachtes 58 zu ermöglichen.
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Bei den bisher beschriebenen Wärmeenergie-Elementen ist die äußere
Fläche eben ausgebildet, d.h. die Verwendung ist auf ebene Hauswände abgestellt.
Vorrangig wird die örtliche Lage eines Wärmeenergie-Elementes 10 aber natürlich
von der möglichen Sonneneinstrahlung bestimmt.
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Um hier eine optimale Ausnutzung erzielen zu können, ist es möglich,
das Wärmeenergie-Element 10 auch an der Ecke eines Hauses anzubringen und mit einem
kreisbogenförmigen Querschnitt zu versehen, wie Fig. 8 zeigt.
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Durch eine isolierende Trennwand erfolgt eine Unterteilung in zwei
Luftstromschächte 68 und 70, die innen durch einen Isolierkern 72 abgegrenzt sind.
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Zunächst wird durch die im Osten 0 aufgehende Sonne der obere Luftstromschacht
70 aktiviert. Wenn die Sonne dann weiter nach Süden S und nach Westen W wandert,
sammelt sich zunächst in beiden Luftstromschächten 70 und 68 Wärme, während später
nur noch der Luftstromschacht 68 "in Betrieb" ist. Die im Querschnitt kreisbogenförmige
Ausgestaltung des Wärmeenergie-Elementes 10 gestattet also den ganzen Tag über eine
optimale Ausnutzung der Sonnenenergie.
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Die Anwendung eines kreisförmigen Wärmeenergie-Elementes ist allerdings
nicht auf Hausecken beschränkt. Gemäß Fig. 9 ist es auch möglich, ein im Querschnitt
halbkreisförmig ausgebildetes Wärmeenergie-Element an einer ebenen Hauswand zu befestigen.
Dabei sollte sich die Hauswand 44 möglichst in Ost-West-Richtung erstrecken, um
- wie voran stehend schon beschrieben - während des ganzen Tages über eine optimale
Sonneneinstrahlung zu erzielen. Im übrigen sind auch weitere Querschnittsformen
für das Wärmeenergie-Element 10 denkbar, beispielsweise dreieckförmig oder trapezförmig.
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Um die Zirkulation innerhalb der Luftstromschächte 68,70 und 58 zu
erhöhen, kann bei Bedarf ein gesonderter Ventilator vorgesehen werden, für dessen.Eergieversorgung
die Solarzellen 40 dienen.
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Die Anwendung des neuen Wärmeenergie-Elementes ist selbstverständlich
nicht auf Wohnhäuser beschränkt, vielmehr ist es auch denkbar, damit Fabrikhallen
oder dergleichen zusätzlich mit Wärme zu versorgen.
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