DE4209251A1 - Sonnenschutzeinrichtung mit integriertem latentwaermespeicher - Google Patents

Description

Insbesondere im Sommer treten in vielen Klimaregionen auf der Erde Tag-Nacht-Temperaturschwingungen dahingehend auf, daß es nachts für Menschen erträglich kühl ist, es am Tage jedoch unerträglich warm wird. Phasenverschoben und amplitudengedämpft übertragen sich die Temperaturschwankungen in Gebäuderäume. Sonneneinstrahlung und auch innere Wärmelasten verstärken noch die Temperaturerhöhungen am Tage.

Um die Raumtemperaturschwingungen auf erträgliche Werte zu dämpfen, werden bekanntermaßen Sonnenschutzeinrichtungen installiert und die Gebäudebauteilmassen als Wärmepufferspeicher genutzt. Architekturbedingt ist es jedoch nicht immer möglich, eine schwere Bauweise mit guter Speicherwirkung und einen optimalen, außenliegenden Sonnenschutz zu verwirklichen. Bekannte hinter einem Fenster installierte Sonnenschutzeinrichtungen (innenliegende) weisen dagegen nur eine Schutzwirkung von ca. 50% oder weniger, bezogen auf die auf das Fenster treffende Sonnenstrahlung, auf, sind aber wegen ihrer einfachen Handhabung beliebt. Die tägliche Differenz wird als Wärme im Raum frei und erhöht die Raumtemperatur. Innere Wärmelasten können die Temperaturerhöhung noch verstärken.

Erfindungsgemäß sollen zusätzlich zu den ohnehin vorhandenen temperaturschwingungsdämpfenden Bauteilmassen eines Gebäuderaumes, Latentwärmespeicher in diesem installiert werden, um den Temperaturschwingungsdämpfungseffekt zu verstärken. Vorteil der Latentwärmespeicher ist dabei, daß der Effekt der Schmelzwärme genutzt wird und so nur relativ kleine Pufferspeichervolumina benötigt werden. Durch Wärmeübertragung mittels Strahlung, Konvektion und Leitung von einem Gebäuderaum auf den Latentwärmespeicher wird in diesem das Latentwärmespeichermedium bei zugehöriger konstanter Schmelztemperatur zum Schmelzen gebracht und eine Wärmepufferspeicherung mit der Schmelzwärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau vorgenommen. Sinkt z. B. nachts durch Fensterlüftung die Temperatur des Gebäuderaumes unter die Schmelztemperatur, wird der Latentwärmespeicher durch Abgabe der Kristallisationswärme über Strahlung, Leitung und Konvektion an den Gebäuderaum wieder entladen. Besonders wirkungsvoll ist, wenn die Wärmepufferspeichereinrichtung als innenliegendes Sonnenschutzsystem eingesetzt wird, da die in den Gebäuderaum eingestrahlte Sonnenwärme dort direkt in Schmelzwärme umgewandelt wird.

Die vorliegende Erfindung soll daher durch Integration eines Latentwärmespeichers in eine innenliegende Sonnenschutzeinrichtung, insbesondere in einen Vertikal-Lamellenvorhang, die Erwärmung von Gebäuderäumen auf ein unbehagliches Temperaturniveau verhindern, indem der zwangsläufig zu absorbierende nichtreflektierbare Strahlungsanteil auf niedrigem Temperaturniveau in Schmelzwärme umgewandelt wird. Dazu werden die Lamellen als dünnwandige, flache Hohlprofile (Tiefe z. B. 1 bis 1,5 cm) zur Aufnahme eines Latentwärmespeichermediums ausgebildet, das den nichtreflektierten Sonnenstrahlungsanteil in Form von Schmelzwärme absorbiert. Falls die Temperatur des Raumes, in dem die beschriebene Sonnenschutzeinrichtung installiert ist, durch zusätzliche innere Wärmelasten über die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermediums steigt, findet an den Lamellen noch ein konvektiver Wärmeübergang statt, der dann ebenfalls zur Raumtemperaturdämpfung beiträgt. In Anlehnung an die Kühllastregeln, VDI 2078, kann über die Speicherwirkung der Erfindung erreicht werden, daß ein Gebäude mit der Einordnung "wenig speichernd" zu einem Gebäude "stärker speichernd" wird, mit allen sich daraus ergebenden Vorteilen, die in der vorgenannten Regel ausführlich beschrieben werden. Die Dämpfung von Kühllastspitzen und die Verschiebung eines großen Teiles der täglichen Kühllast in die Nachtstunden hat den Vorteil, daß Klimaanlagen mit kleiner Leistung ausgelegt werden können oder ganz auf sie verzichtet werden kann, weil Fensterlüftung ausreichend ist, um behagliche Temperaturen zu gewährleisten.

Das Latentwärmespeichermedium mit seiner zugehörigen Schmelztemperatur muß so gewählt werden, daß einerseits die Raumtemperatur auf erträgliche Werte gedämpft wird, andererseits aber der Latentwärmespeicher in der kühleren Zeit - in der Regel nachts - durch Phasenumwandlung flüssig-fest, z. B. durch Fensterlüftung und dem damit verbundenen konvektiven Wärmeübergang wieder entladen werden kann, damit er am nächsten Tag erneut für eine Wärmepufferspeicherung zur Verfügung steht. Wahl des Latentwärmespeichermediums mit zugehöriger Schmelzwärme und -temperatur, Oberfläche und Wandstärke des Hohlprofils, Kontaktfläche zwischen Hohlprofil und Latentwärmespeichermedium, Schichtdicke des Latentwärmespeichermediums, zu absorbierende Sonnenstrahlungswärme und innere Wärmelast (Wh/Tag), Wärmelade- und Wärmeentladevorgang mittels natürlicher Wärmeübertragung müssen bestimmungsgemäß ausgelegt und aufeinander abgestimmt werden. Hier gibt es eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten.

Geeignete Latentwärmespeichermedien sind in Int. Cl³ C 09 K 5/06 beschrieben.

Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispieles soll die Erfindung weiter erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine innenliegende Sonnenschutzeinrichtung aus Vertikal-Hohllamellen.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine mit einem Latentwärmespeichermedium gefüllte Hohllamelle.

In unserer Klimaregion liegt die sommerliche Referenzlufttemperaturschwingung zwischen 32°C tags und 18°C nachts (VDI 2078). In den wärmsten Monaten Juni bis August liegt die tägliche Sonnenstrahlungsarbeit je nach Himmelsrichtung des betrachteten Fensters in der Größenordnung von 2.500 Wh/m². Vom unvermeidlich nichtreflektierbaren Anteil sollen 1.000 Wh/m² als Schmelzwärme von der Sonnenschutzeinrichtung absorbiert werden. Ein möglicher kleiner Überschuß kann gut auch von Bauteilmassen mit geringer Speicherwirkung verkraftet werden.

Ein gut geeignetes Latenwärmespeichermedium stellt gegen Unterkühlungserscheinungen behandeltes Calciumchloridhexahydrat (CaCl₂ × 6 H₂O) dar, das preiswert und gesundheitlich unbedenklich ist. Mit seinem Schmelzpunkt von 27°C kann es Raumtemperaturschwingungen auf einen noch erträglichen Wert dämpfen. Mit kühler Luft der Nachtphase zwischen 26°C und 18°C ist es über Fensterlüftung und dem damit verbundenen Wärmeübergang möglich, die Entladung der eingespeicherten Wärme vorzunehmen, indem die Phasenumwandlung flüssig-fest verursacht wird. Um den genannten Sonnenstrahlungsanteil von täglich 1.000 Wh/m² in Schmelzwärme umzuwandeln, ist eine 1 m² große Schicht CaCl₂ × 6 H₂O mit ca. 1,5 cm Stärke notwendig. Wie in Fig. 2 dargestellt, werden für diesen Zweck die Lamellen der bekannten Vertikal-Lamellenvorhänge als dünnwandige Hohlprofile (1), z. B. aus Kunststoff zur Aufnahme einer 1,5 cm starken CaCl₂ × 6 H₂O-Schicht (2) ausgebildet. Breite und Länge können wie bei den handelsüblichen Lamellen gewählt werden. Durch Materialwahl für das Hohlprofil oder durch Beschichtung, z. B. mit den für Sonnenschutzlamellen bekannten Geweben, können alle denkbaren Designs gestaltet werden. Es ist jedoch, wie bei anderen Sonnenschutzeinrichtungen auch, möglichst ein hohes Maß an Reflexionsvermögen anzustreben, um den zu absorbierenden Anteil und damit die Latentwärmespeichermediumsschicht klein halten zu können.

Eine andere Nutzungsvariante mit einem Raumtemperaturbegrenzungsziel von ca. 24,5°C kann mit einem Latentwärmespeichermedium mit der vorgenannten Schmelztemperatur realisiert werden, das in EP 02 02 712 B1 beschrieben wird. Durch Zusammenwirken einer Kühldecke und der beschriebenen Sonnenschutzeinrichtung mit diesem Latentwärmespeichermedium kann erreicht werden, daß während der Phase hoher Wärmebelastung eines Gebäuderaumes die Raumtemperatur von 24,5°C nicht überschritten wird. Die Auslegung erfolgt dermaßen, daß ein Teil der Wärmebelastung des Gebäuderaumes über die Kühldecke abgeführt, der andere Teil in den Lamellen bis zur Phase niedriger Wärmebelastung puffergespeichert wird. In der Phase niedriger Wärmebelastung wird der Gebäuderaum durch die Kühldecke soweit heruntergekühlt, z. B. 20°C, daß die puffergespeicherte Wärme in den Sonnenschutzlamellen entladen und über den Gebäuderaum und die Kühldecke abgeführt wird. Vorteil dieses Zusammenwirkens ist, daß die Kühldeckenfläche kleiner gehalten wird oder das Kühldeckentemperaturniveau angehoben werden kann, um die bekannten Kondensatbildungsprobleme bei zu kalter Decke wirkungsvoll zu verhindern. Durch Zusammenwirken der Kühldecke und der vorgenannten Sonnenschutzeinrichtung kann z. B. die Kühldecke konstant mit 20°C betrieben und teure Einzelraumregeleinrichtungen eingespart werden.

Die Vorrichtungen für das Auf- und Zuziehen des Vertikal-Lamellenvorgangs aus Hohlprofilen vor einem Fenster sowie für das Drehen der Hohlprofillamellen kann wie bei den schon bekannten Vertikal-Lamellenvorhängen realisiert werden.

Wegen der einfachen Konstruktion und besonders guten Wirkung wurde in den Beispielen Sonnenschutzeinrichtungen aus Vertikalhohllamellen, gefüllt mit einem Latentwärmespeichermedium, gewählt, was aber nicht heißen soll, daß die Erfindung hierauf beschränkt ist.

Es sind viele Varianten denkbar, Latentwärmespeicher konstruktiv auszubilden und in Gebäuderäumen zu installieren, daß Oberfläche, Wärmeleitfähigkeit, Wandstärke, Wärmestrahlungsabsorptions- und Wärmestrahlungsreflexionseigenschaften des Behälters, die Kontaktfläche zwischen Behälter und Latentwärmespeichermedium, die Schichtdicke, die Schmelzwärme und die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermediums so aufeinander abgestimmt sind, daß die gewünschte Wärmeladung, Pufferspeicherung und Wärmeentladung der Speichereinrichtung zur Temperaturschwingungsdämpfung in Gebäuderäumen über natürliche Wärmeübertragungsvorgänge möglich ist. So kann der Pufferspeicherbehälter oder speziell eine Hohllamelle in Kammern unterteilt werden, die mit unterschiedlichen Latentwärmespeichermedien gefüllt werden, z. B. von außen nach innen mit steigendem Schmelzpunkt, um noch eine bessere Raumtemperaturdämpfungswirkung zu erzielen, aber trotzdem noch die Entladung mit Fensterlüftung sicher zu stellen. Alle möglichen Varianten sind das Wesen dieser Erfindung.

Claims (7)

1. Wärmepufferspeichereinrichtung dahingehend geschützt, daß sie aus einem oder mehreren Behältern besteht, die mit einem Latentwärmespeichermedium gefüllt sind und die innerhalb des umbauten Raumes eines Gebäudes zum Zweck der Wärmeaufnahme über Strahlung, Konvektion, Leitung und Wärmepufferspeicherung durch Schmelzen des Latentwärmespeichermediums und anschließender Abgabe der gespeicherten Wärme über Strahlung, Konvektion und Leitung unter Kristallisation des Latentwärmespeichermediums installiert wird, um die Temperaturerhöhung des umbauten Raumtes eines Gebäudes während einer Phase hoher Wärmebelastung zu dämpfen und die gespeicherte Wärmemenge während einer kühleren Phase unterhalb der Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermediums an den umbauten Raum zurückzugeben.

2. Wärmepufferspeichereinrichtung nach Anspruch 1, dahingehend geschützt, daß die Oberfläche, die Wärmeleitfähigkeit, die Wandstärke, die Wärmestrahlungsabsorption- und -reflexionseigenschaften des Behälters, die Kontaktfläche zwischen Behälter und Latentwärmespeichermedium, die Schichtdicke, die Schmelztemperatur und die Schmelzwärme des Latentwärmespeichermediums so aufeinander abgestimmt sind, daß die auslegungsmäßig gewünschte Wärmeladung, Pufferspeicherung und Wärmeentladung des Behälters durch natürliche Wärmeübertragungsvorgänge ohne maschinell erzwungene Wärmeübertragungsvorgänge stattfindet.

3. Wärmepufferspeichereinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dahingehend geschützt, daß der Behälter in Kammern unterteilt sein kann, die mit unterschiedlichen Latentwärmespeichermedien gefüllt sind.

4. Wärmepufferspeichereinrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dahingehend geschützt, daß sie hinter einer Lichtöffnung, insbesondere Fenster oder Tür, eines Gebäuderaumes als Sonnenschutzeinrichtung installiert wird.

5. Wärmepufferspeichereinrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dahingehend geschützt, daß sie aus Hohlprofillamellen besteht.

6. Wärmepufferspeichereinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dahingehend geschützt, daß die Behälter aus flexiblem Material gebildet werden können, die durch innen angebrachte Zugseile in der gewünschten Form gehalten werden.

7. Wärmepufferspeichereinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dahingehend geschützt, daß die Behälter mit einer mechanischen Vorrichtung installiert werden, die es zuläßt jeden Behälter in einer beliebigen Lage zu halten, um Achsen zu drehen und räumlich zu verschieben, bis hin zu allen räumlichen Freiheitsgraden.