DE3801199A1 - Verfahren zum energiesparenden beheizen von gebaeuden sowie einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum energiesparenden beheizen von gebaeuden sowie einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energiesparenden Beheizen von Gebäuden, wobei erwärmte Luft zur Beheizung verwendet wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Ein­ richtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren sowie Einrichtungen zur Beheizung von Gebäuden mittels Warmluft sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. So besteht eine Möglichkeit darin, feste, flüs­ sige oder gasförmige Brennstoffe zu verbrennen und die abgegebene Wärme über Warmluftkanäle auf die einzelnen Räume des Gebäudes zu verteilen. Nachteilig ist hierbei, daß die Lufttemperatur sehr hoch ist, so daß es zu Staub­ verschwelungen kommen kann, die nachgewiesenermaßen zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen können. Ein weiterer Nachteil ist die Belastung der Umwelt durch die bei dem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgase.
Ein weiteres bekanntes Verfahren der eingangs genannten Art bedient sich einer Wärmepumpe, wobei diese aus der Umgebungsluft oder auch aus Abluft Wärmeenergie entzieht und diese einem Heizmedium, beispielsweise Luft, zuführt, das dann zur Beheizung des Gebäudes verwendet wird. Nach­ teilig ist bei diesem Verfahren, daß der Wirkungsgrad nur zeitweise befriedigend ist und daß ein relativ hoher Strombedarf für die Wärmepumpe besteht.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Umweltbelastungen durch Verbrennungsabgase aus­ schließen, die nur einen geringen Fremdenergiebedarf haben und niedrige Betriebskosten erfordern, wobei die Einrichtung einen Installations- und Steuerungsaufwand erfordern soll, der zumindest nicht größer ist als bei einem herkömmlichen Heizungssystem.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen, die im Kennzei­ chen des Anspruchs 1 angegeben sind bzw. durch eine Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4.
Mit dem neuen Verfahren und der zugehörigen Einrichtung wird die auf ein Gebäude auftreffende Sonnenenergie in optimaler Weise ausgenutzt und für die Beheizung des Gebäudes verfügbar gemacht. Gleichzeitig ist der Instal­ lationsaufwand für die neue Heizeinrichtung niedriger als bei herkömmlichen Warmwasser-Heizeinrichtungen. Die laufenden Betriebskosten sind bei einer Beheizung eines Gebäudes nach dem neuen Verfahren sogar nur noch ein Bruchteil der Kosten, die bei Beheizung nach herkömmli­ chen Verfahren erforderlich sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbil­ dungen des Verfahrens sowie der Einrichtung gehen aus den Ansprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 15 hervor.
Ein Ausführungsbeispiel der neuen Heizeinrichtung zur Beheizung eines Gebäudes nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläu­ tert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schemati­ scher Darstellung ein Gebäude im Querschnitt in schemati­ scher Darstellung.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, besteht das Gebäude 1 aus einem Erdgeschoß 10 und einem Dachgeschoß 11, das von einem Satteldach 2 überdeckt ist. Das Erdgeschoß 10 be­ sitzt einen Boden 10′ und das Dachgeschoß 11 besitzt einen Boden 11′, der zugleich die Decke für das Erdge­ schoß 10 darstellt.
Das Dach 2 besitzt eine äußere Dachhaut 21, die bevorzugt in Wellenform mit einer dunklen, wärmestrahlungsabsorbie­ renden Oberfläche ausgebildet ist. Unterhalb der Dachhaut 21 verläuft ein Luftspaltraum 22 von der Dachtraufe bis zum First. Gebäudeseitig ist der Luftspaltraum 22 durch eine wärmestrahlungsreflektierende Reflexionsschicht 23 begrenzt, die an ihrer Unterseite eine wärmedämmende Isolierschicht 24 trägt. Im Bereich dieser Isolierschicht 24 sind auch die in der Figur nicht eigens dargestellten tragenden Teile des Daches angeordnet.
Wie durch die durch den beschriebenen Luftspaltraum 22 verlaufenden Pfeile angedeutet ist, kann Außenluft an der Dachtraufe in den Luftspaltraum 22 eintreten und unter Erwärmung durch die von der Dachhaut 21 absorbierte Wär­ mestrahlung nach oben steigen. Im Firstraum 25 des Daches 2 verläuft in dessen Längsrichtung ein Luftsammelkanal 27, der die erwärmte Luft aus dem Luftspaltraum 22 auf­ nimmt. Vom Sammelkanal 27 führt ein Luftschacht 6 durch das Gebäude 1 nach unten.
Aus dem rechten Teil der Figur ist ersichtlich, wie die Fassade 3 des Gebäudes 1 zur Lufterwärmung genutzt wird. Die Fassade 3 besteht aus einer Fassadenplatte 31, die außenseitig dunkel, d. h. wärmestrahlungsabsorbierend ausgeführt ist. Hinter der Fassadenplatte 31 befindet sich wieder ein Luftspaltraum 32, der gebäudeseitig von einer wärmestrahlungsreflektierenden Reflexionsschicht 33 begrenzt ist. Hinter der Reflexionsschicht 33 ist wieder eine Isolierschicht 34 zur Wärmedämmung angeordnet, die ihrerseits auf der Außenseite einer Gebäudeaußenwand 35 aufliegt. Am unteren Ende der Fassadenplatte 31 kann, wie durch den dort eingezeichneten Pfeil angedeutet, Umge­ bungsluft in den Luftspaltraum 32 eintreten und unter Erwärmung in diesem nach oben steigen. In dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß der vorliegenden Figur strömt die Luft aus dem Luftspaltraum 32 hinter der Fassadenplatte 31 in den Luftspaltraum 22 des Daches 2, um dort weiter erwärmt zu werden. Alternativ kann die Luft aus dem Luftspaltraum 32 auch unmittelbar durch einen entspre­ chenden Luftkanal in den Luftschacht 6 geführt werden, soweit schon eine ausreichende Erwärmung im Bereich der Fassade erreicht ist.
Im linken Teil der Figur ist dargestellt, wie die Fenster 4 des Gebäudes 1 zur Warmluftgewinnung verwendet werden. Das dargestellte Fenster 4 ist ein Doppelflügelfenster mit einem inneren Flügel 41 und einem äußeren Flügel 40. Der äußere Fensterflügel 40 ist als Wendeflügel ausge­ führt, d. h. der Flügel 40 ist um mindestens 180° dreh­ bar. Eine der Scheiben des Wendeflügels 40 ist einseitig mit einer wärmestrahlungsreflektierenden Beschichtung 43 versehen, die je nach Position des Wendeflügels 40 entwe­ der zum Gebäudeinneren oder nach außen weist. Zwischen den beiden Flügeln 40 und 41 des Fensters 4 besteht ein Luftspaltraum 42, in den Umgebungsluft von außen her einströmen kann, wie dies durch einen Strömungspfeil angedeutet ist. Am oberen Ende des Luftspaltraums 42 des Fensters 4 gelangt die im Luftspaltraum 42 durch Sonnen­ einstrahlung erwärmte Luft in einen Luftkasten 44, in welchem ein Walzenlüfter 45 angeordnet ist. Zusätzlich kann dieser Kasten 44 auch als Rolladenkasten verwendet werden.
Der Wendeflügel 40 wird bei starker Sonnenbestrahlung zweckmäßig so gedreht, daß die Beschichtung 43 nach außen weist, während bei geringer Sonneneinstrahlung von außen der Wendeflügel 40 mit seiner Beschichtung 43 zum Gebäu­ deinneren gedreht wird. In der ersten Stellung wird also eine Überhitzung des Gebäudeinneren vermieden, während in der zweiten, in der Figur dargestellten Stellung eine übermäßige Wärmeabstrahlung aus dem Gebäudeinneren nach außen vermieden wird.
Die in dem Luftkasten 44 gesammelte Luft wird durch einen Ableitungskanal 47 zu einem Luft-Luft-Wärmetauscher 5 geführt, der weiterhin von aus dem Gebäude 1 abgezogener warmer Abluft durchströmt wird. Die in dem Luftspaltraum 42 im Fenster 4 bereits vorgewärmte Luft gelangt durch den Frischlufteinlaß 51 in den Wärmetauscher 5. Dort wird sie durch die warme Abluft, die durch Abluftsammler 55 sowie einen Abluftkanal 55′ zum Ablufteinlaß 53 des Wär­ metauschers 5 geführt wird, weiter erwärmt. Die abgekühl­ te Abluft verläßt den Wärmetauscher 5 durch einen Abluft­ auslaß 54 und wird durch einen Abluftstutzen 54′ in die Umgebung entlassen. Die erwärmte Frischluft verläßt den Wärmetauscher 5 durch einen Frischluftauslaß 52 und ge­ langt durch einen Frischluftkanal 52′ in den Luftschacht 6. Alternativ kann die erwärmte Frischluft aus dem Frischluftkanal 52′ auch unmittelbar in zu beheizende und zu belüftende Räume des Gebäudes 1 geleitet werden. Zur Förderung der Luft durch den Wärmetauscher 5 besitzt dieser zweckmäßig zwei unabhängig voneinander arbeitende Gebläse.
Die in dem Luftkasten 44 über dem Fenster 4 gesammelte Luft kann teilweise auch in den Luftspaltraum 22 im Dach 2 geleitet werden, um dort noch weiter aufgeheizt zu werden. Hierzu ist der Luftkasten 44 über eine Luftregel­ klappe 46 mit dem Luftspaltraum 22 verbindbar.
Der bereits erwähnte Luftschacht 6 führt vom First des Daches 2 über die gesamte Höhe des Gebäudes 1 bis unter den Boden 10′ des Erdgeschosses 10. Zur Förderung der in dem Luftkanal 6 zu transportierenden Luft ist in dessen Verlauf ein Ventilator 60 eingebaut. An seinem unteren Ende unterhalb des Bodens 10′ des Erdgeschosses 10 ist der Luftschacht 6 als Luftverteiler 62 ausgebildet. Wei­ terhin ist unterhalb des Bodens 10′ des Erdgeschosses 10 des Gebäudes 1 ein großer Wärmespeicher 7 angeordnet, der hier als Steinspeicher mit einem Speichergesteinskörper 70 ausgebildet ist. Der Gesteinskörper 70 besteht aus einer Vielzahl von etwa kugligen, untereinander annähernd gleich großen Gesteinsteilchen, die eine relativ hohe Wärmespeicherkapazität haben und die zugleich ein Durch­ strömen von Luft in einem ausreichenden Maß gestatten. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten des Wärmespeichers 7 ist der Gesteinskörper 70 außenseitig an allen Seiten von einer Wärmedämmung 71 umgeben. Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der gesamte Kellerraum 12 unterhalb des Gebäudes 1 als Wärmespeicher 7 genutzt wird, hat dieser eine Wärmespeicherkapazität, die für eine Behei­ zung des Gebäudes 1 über etwa eine Woche ausreichend ist.
Die aus dem Luftschacht 6 kommende warme Luft wird durch die Öffnungen im Luftverteiler 62 am unteren Ende des Schachtes 6 in den Speichergesteinskörper 70 geleitet. Während die Luft, wie durch Strömungspfeile angedeutet, durch diesen Speichergesteinskörper strömt, gibt sie ihre Wärme an diesen ab. Die hierbei abgekühlte Luft wird in Luftsammelleitungen 72 am äußeren Rand des Speichers 7 gesammelt und als kühle Abluft durch eine Luftabführung 73 nach außen geführt. Soll Wärme aus dem Speicher 7 für die Beheizung des Gebäudes 1 entnommen werden, wird die wegen fehlender Sonnenbestrahlung im Luftschacht 6 zuge­ führte kühle Luft durch den Gesteinskörper 70 geführt und dabei erwärmt. Die erwärmte Luft wird ebenfalls in den Luftsammelleitungen 72 gesammelt und nach oben geführt. Durch Ändern der Stellung einer Luftsteuerklappe 75 am oberen Ende der Luftsammelleitung 72 wird die Luft jedoch nun nicht nach außen zur Luftabführung 73, sondern in das Gebäudeinnere zu einem Warmluftauslaß 74 geführt. Von dort verteilt sich die warme Luft in Fußbodenhöhe im Erdgeschoß 10 des Gebäudes 1. Steht genügend von Sonnen­ strahlung aufgeheizte Warmluft zur Verfügung, kann auch unmittelbar aus dem Luftschacht 6 Warmluft durch einen mit einer Regelklappe 61′ versehenen Warmluftauslaß 61 in zu beheizende Räume geleitet werden.
Eine bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen oder bei über längere Zeit fehlender Sonneneinstrahlung erfor­ derliche zusätzliche Beheizung des Gebäudes 1 erfolgt vorzugsweise über Strahlungsheizplatten 8, die zweckmäßig an den fensterabgewandten Innenwänden des Gebäudes ange­ ordnet sind und elektrisch betrieben werden. Die be­ schriebene Heizeinrichtung kann wahlweise durch eine Wärmepumpe ergänzt werden, die Wärmeenergie aus der von der Sonnenstrahlung erwärmten Luft zur Erhitzung von Brauchwasser verwendet. Auch kann die Wärmepumpe so aus­ gelegt sein, daß sie zusätzlich oder allein ihre erfor­ derliche Wärmeenergie aus dem das Haus umgebende Erdreich 9 entzieht. Weiterhin kann anstelle des einen Wärmetau­ schers 5, der in der einen Abseite 26 des Dachgeschosses 11 angeordnet ist, in der gegenüberliegenden Abseite 26 ein weiterer Wärmetauscher installiert werden. Schließ­ lich kann auch die zusätzliche, nur zeitweise erforderli­ che Beheizung des Gebäudes 1 durch eine Fußbodenheizung erfolgen, die sowohl von einer Wärmepumpe mit warmem Wasser versorgt werden kann als auch als direktheizende elektrische Fußbodenheizung ausgebildet sein kann. Die Wände 35 des Gebäudes 1 sind als Wärmespeicherwände ausgebildet, die in der Lage sind, eingestrahlte Sonnen­ wärme zu absorbieren, zu speichern und wiederabzustrahlen. Als Material eignet sich hierfür z.B. dunkles Lavagestein.

Claims (17)

1. Verfahren zum energiesparenden Beheizen von Gebäuden, wobei erwärmte Luft zur Beheizung verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß Luft in einen Luftspalt­ raum unterhalb einer wärmestrahlungsabsorbierenden Dachhaut geführt und in diesem erwärmt wird,
daß Luft in einen Luftspaltraum hinter einer wärme­ strahlungsabsorbierenden Fassadenverkleidung geführt und in diesem erwärmt wird,
daß Luft in einen Luftspaltraum zwischen zwei hinter­ einander angeordneten Fensterflügeln geführt und in diesem erwärmt wird,
daß Luft in einem Luft-Luft-Wärmetauscher, der wei­ terhin von warmer Abluft aus dem Gebäude durchströmt wird, erwärmt wird und
daß erwärmte Luft aus den Luftspalträumen und dem Luft-Luft-Wärmetauscher in Abhängigkeit vom jeweili­ gen Heizwärmebedarf unverzögert unmittelbar in zu beheizende Räume des Gebäudes geführt oder zeitlich verzögert über einen Wärmeenergiespeicher mittelbar in die zu beheizenden Räume geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der erwärmten Luft einer Wärmepumpe zugeführt wird und daß mit der Wärmepumpe Brauchwas­ ser erwärmt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zusätzliche Beheizung des Gebäudes durch Strahlungsheizflächen erfolgt.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebäude eine wärmestrahlungsabsorbierende Dachhaut mit einem unterliegenden Luftspaltraum, eine wärmestrahlungsab­ sorbierende Fassadenverkleidung mit einem hinterlie­ genden Luftspaltraum und Fenster mit zwei hinterein­ anderliegenden Fensterflügeln mit einem zwischenlie­ genden Luftspaltraum aufweist, daß die Luftspalträume Einlaßöffnungen zur Luftzuführung und Abzugsöffnungen zur Luftabführung besitzen, daß wenigstens ein Luft- Luft-Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme aus Abluft aus dem Gebäude an in das Gebäude geführte Luft vor­ gesehen ist, daß wenigstens ein mit erwärmter Luft aufladbarer Wärmespeicher mit einer Wärmespeicherka­ pazität für zumindest einige Tage vorhanden ist und daß Kanäle und Ventilatoren zur Sammlung, Führung und Verteilung der Luft aus den Luftspalträumen und dem Luft-Luft-Wärmetauscher auf die einzelnen Räume des Gebäudes sowie den Wärmespeicher im Gebäude angeord­ net sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalträume im Dach und in der Fasade gebäudeseitig mit einer wärmestrahlungsreflektieren­ den Folie ausgelegt sind.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß gebäudeseitig hinter bzw. unter der wärmestrahlungsreflektierenden Folie eine das Gebäude außenseitig umgebende Isolierschicht angeord­ net ist.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster Doppelfenster mit einem außenliegenden, um mindestens 180° drehbaren Wendeflügel und einem Innenflügel sind, wobei die Scheibe oder eine der Scheiben des Wendeflügels ein­ seitig mit einer wärmestrahlenreflektierenden Be­ schichtung versehen ist.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Firstraum des Daches des Ge­ bäudes ein die im Luftspaltraum im Dach erwärmte Luft sammelnder Sammelkanal angeordnet ist, und daß von diesem ausgehend ein Luftschacht zur Führung der Luft nach unten durch das Gebäude verläuft.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher als unterhalb des Erdgeschoßbodens liegender, außenseitig isolier­ ter Steinspeicher ausgebildet ist.
10. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß oberhalb der Fenster als Rolladen­ kästen nutzbare Luftsammelkästen zur Sammlung der Luft aus dem Luftspaltraum des jeweiligen Fensters angeordnet sind, in die jeweils ein Walzenlüfter zur Weiterführung der Luft in das Gebäudeinnere eingebaut ist.
11. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft-Luft-Wärmetauscher in einer der Dachgeschoß-Abseiten angeordnet ist.
12. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Räumen zumindest eines Geschosses des Gebäudes Durchlaßöffnungen zur Gewährleistung einer stetigen Strömungsverbindung untereinander vorgesehen sind.
13. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftspalträumen, in den Räumen des Gebäudes und im Wärmespeicher Temperatur­ fühler angeordnet sind, daß eine zentrale Steuerein­ heit vorgesehen ist, die Meßwerte von den Temperatur­ fühlern empfängt und mit vorgegebenen und eingebbaren Sollwerten vergleicht und daß in den Luftsammelkästen und in den Kanälen für die Luftführung und -vertei­ lung von der Steuereinheit nach Maßgabe der Meß- und Sollwerte fernbetätigbare Regel- und Steuerklappen angeordnet sind.
14. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit ein Mikropro­ zessor oder Kleinrechner ist.
15. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß an den Unterseiten der Raumdecken und/oder an den fensterabgewandten Gebäudewänden als Strahlungsheizflächen wirkende Heizelemente angeord­ net oder eingebaut sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente elektrisch betreibbar sind.
17. Einrichtung nach den Ansprüchen 4-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wände des Gebäudes zumindest teilweise als Wärmespeicherwände ausgebildet sind.
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