DE4442578A1 - Wärmedämmfassade für Solarenergiegewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmedämmfassade für die Solarenergiegewinnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind transparente Wärmedämmungen (TWD) entwickelt worden, die aus einer Vielzahl von senkrecht zur Oberfläche orientierten, dünnwandigen, offenen Röhrchen bestehen, die durch Verschweißen der Schnittkanten zu einer Einheit verbunden sind. Der Röhrchendurchmesser beträgt etwa 3,5 mm, und die Gesamtheit der Röhrchen innerhalb der Wärmedämmung bildet eine bienenwabenartige Struktur. Diese Kapillarstruktur ist für eine maximale Durchlässigkeit der Sonnenstrahlung optimiert und in einem Glaspaneel angeordnet, das aus beidseitigem Einscheibenglas besteht. Die Paneele werden in Verbindung mit einer weitgehend schwarzen Absorberwand verwendet, die entweder auf der von der Sonneneinstrahlung abgewandten Seite der Wärmedämmung oder auf dem Wandelementteil, auf das die Wärmedämmung aufgebracht wird, befestigt ist. Treffen die Sonnenstrahlen über die Wärmedämmschicht auf die Absorberwand auf, wird diese erwärmt und gibt die dadurch entstehende Wärme zeitlich verzögert an die hinter der Absorberwand liegenden Wandelemente bzw. Räume ab. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird vorzugsweise ein Mauerwerk mit hoher Rohdichte (< 1400 km³) verwendet. Es sind auch Wärmedämmschichten ohne puffernde Absorberwand vorgeschlagen worden, die als Direktgewinnsystem bezeichnet werden, die aber einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen.

Bei derartigen bekannten transparenten Wärmedämmschichten bzw. -paneelen können an der Absorberfläche sehr hohe Temperaturen auftreten, so daß derartige bekannte Paneele nicht hermetisch geschlossen ausgebildet sein können, sondern über Druckausgleichsöffnungen mit dem Außenbereich in Verbindung stehen müssen. Dies hat einerseits zur Folge, daß der Aufbau derartiger Paneele kompliziert wird, und daß andererseits eine Abschattungsanlage erforderlich ist, um die Wand vor thermischen Schäden und die Räume vor Überhitzung zu schützen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmedämmfassade zu schaffen, die eine möglichst weitgehende optimale Ausnutzung der von der Wärmedämmung aufgenommenen Sonnenenergie sicherstellt, eine Kurzzeitspeicherung der aufgenommenen Sonnenenergie ermöglicht und eine Kühlung der Fassade bei hohen Außentemperaturen, also im Sommer, zuläßt.

Dies wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches l erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Fassadenelement nach der Erfindung besteht im Prinzip aus einer die Außenseite darstellenden transparenten Wärmedämmung, einem dahinter angeordneten Rohrsystem, in dem ein Wärmeübertragungsmittel, in der Regel Wasser, vorgesehen ist, und tragenden Bauteilen, die die tragende Wand bilden. Das durch Sonnenenergie erwärmte Wasser des Rohrsystems wird über eine Rohrleitung einem Wärmespeicher über eine von einer Steuereinheit gesteuerte Pumpe zugeführt. Die gespeicherte Wärme wird während der kalten Jahreszeit und/oder zu ungünstigen Zeiten, z. B. am frühen Morgen, bei fehlender Sonneneinstrahlung oder dgl. wieder in die tragende Wand bzw. in den Raum hinter der tragenden Wand zurückgeführt, während bei hohen Außentemperaturen, also während der warmen Jahreszeit, diese gespeicherte Wärme zum Erwärmen des Brauchwassers genutzt wird.

Die transparente Dämmung kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein z. B. wie eingangs erläutert; sie ist an sich nicht Gegenstand der Erfindung. Sie ist zweckmäßigerweise so aufgebaut und in das Gebäude integriert, daß die Vorderwand dieser Wärmedämmung bündig mit der Gebäudewand, bzw. mit dessen Putz vorgesehen wird. Das wärmedämmende Fassadenelement wird dabei als Wandelement beliebiger Größe, z. B. in Form eines Blindfensters oder einer größeren Fläche, die innerhalb der gesamten Gebäudewand als gestaltendes Element integriert sein kann, ausgebildet. Das Rohrsystem ist beispielsweise in Form eines Schleifenrohrsystems, ähnlich dem einer Warmwasser-Fußbodenheizung, ausgebildet, wobei die vom Wärmeübertragungsmittel durchströmten Rohrstränge in eine Matte, eine Platte oder dgl. eingebettet sein können, die auf dem tragenden Bauteil, z. B. Ziegelmauerwerk, befestigt ist, die die tragende Wand darstellen. Das Rohrsystem ist über Zu- und Ableitungen mit einem Warmwasserspeicher und einer über ein Steuergerät gesteuerten Pumpe verbunden, so daß das durch Sonnenenergie im Rohrsystem erwärmte Wasser an den Speicher abgegeben und zu erwärmendes Wasser in das Rohrsystem zurückgeführt wird. Dabei wird die von der Wärmedämmung aufgenommene Sonneneinstrahlung zum überwiegenden Teil für die Aufheizung des Mediums im Rohrsystem verwendet, während ein geringer Teil der Sonnenenergie reflektiert und ein weiterer geringer Teil zur Rücksteuerung verwendet wird. Von der im Rohrsystem aufgenommenen Wärme wird der weitaus überwiegende Teil als Wärmestrom für die Brauchwassererwärmung genutzt, während ein geringer Teil des Gesamtwärmestromes durch die tragenden Wandbauteile hindurch in den Innenraum gelangt und dort unmittelbar zur Erwärmung der Raumluft beiträgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmedämmfassadenelementes besteht aus einer der Sonneneinstrahlung zugewandten transparenten Wärmedämmschicht, die nach außen durch eine transparente Systemabdeckung geschlossen ist, und einem tragenden Wandteil mit zwei örtlich getrennten Rohrsystemen. Das erste Rohrsystem, das als Absorbersystem bezeichnet wird, ist auf der Außenseite des tragenden Wandbauteils angeordnet, während das zweite, als Wandsystem bezeichnete Rohrsystem unmittelbar unter der Wandinnenoberfläche liegt. Beide Rohrsysteme arbeiten zweckmäßigerweise hydraulisch entkoppelt, so daß der Betrieb an vorgegebene Außenbedingungen, wie z. B. Strahlung, Außenlufttemperatur und dgl. angepaßt werden kann. Damit läßt sich die Energieausbeute erhöhen und das Raumklima im angrenzenden Raum verbessern.

In der Lichtabsorberwand hinter der transparenten Wärmedämmschicht wird mit zunehmender Strahlungsintensität eine höhere Oberflächentemperatur erzeugt aus dieser Schicht wird durch das zugeordnete Rohrsystem Energie für die Speicherung oder Brauchwassererwärmung entnommen. Eine Überhitzung des an das tragende Wandbauteil anschließenden Raumes wird aufgrund der Wasserführung in diesem Rohrsystem dadurch vermieden, daß Energie hieraus abgeführt wird, indem das im Rohrsystem und in den Zu- und Ableitungen fließende Wasser in Umlauf gehalten bzw. zur Erwärmung des Wassers im Warmwasserspeicher genutzt wird.

Während die eingestrahlte und ausgenützte Sonnenenergie im Sommer vorwiegend zur Erwärmung von Brauchwasser verwendet wird, wird im Winter aufgenommene Sonnenenergie in Abhängigkeit von den Materialkennwerten der tragenden Wand zeitverzögert auf die Innenwandfläche und von dort in den angrenzenden Raum übertragen, wenn der Wasserkreislauf im Rohrsystem abgeschaltet ist. Durch Einschalten des Wasserumlaufes im Rohrsystem wird die in der Lichtabsorberwand durch Einstrahlung erzeugte Wärme an einen Zwischenspeicher bzw. Wärmespeicher abgeführt, von dem aus zumindest ein Teil der zwischengespeicherten Wärmeenergie gezielt, z. B. in den Morgen- oder Abendstunden über vorzugsweise ein zweites Rohrsystem zum Aufheizen der tragenden Wände und damit des Raumes benutzt werden kann.

Für eine derartige Methode sind insbesondere Ziegelwandelemente mit transparenter Wärme­ dämmung und Absorberwand auf der Außenseite geeignet, bei denen das erste Rohrsystem in den zwischen Wärmedämmung und Ziegelwand vorgesehenen Betonvorsatz, z. B. Zementputz, integriert ist, während das zweite Rohrsystem an der raumseitigen Innenwand des Ziegels, vorzugsweise in den zwischen den Ziegeln vorgesehenen Kalkmörtel eingebettet ist. Die Einzelziegel können Ziegel nach DIN 105, DIN 4159 oder vergleichbare Ziegel sein, es können jedoch auch Beton- oder Leichtbetonwandsteine verwendet werden. Zwischen den Ziegeln kann eine Zementzwischenschicht oder Zementmörtel als Speicherschicht, oder aber Kalkmörtel und/oder Fugenvergußmasse vorgesehen sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Wandelemente, insbesondere Ziegel, so ausgebildet sein, daß ein Rohrsystem oder beide Rohrsysteme in hierfür vorgesehenen speziellen Aussparungen der Ziegel untergebracht sind und in Fugenvergußmasse eingebettet werden, oder Ausnehmungen innerhalb des Ziegelkörpers vorgesehen sind, die zu den Außenseiten der Ziegel keine Verbindung haben, so daß die Rohrleitungen der Rohrsysteme die Ziegel selbst durchdringen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit einer transparenten Wärmedämmschicht versehenen tragenden Wand in an sich bekannter Ausführung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Hybrid-Wärmedämmfassade mit Wärmespeicherung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wärmedämmfassadenelementes nach der Erfindung mit Mauerziegeln und zwei Rohrsystemen in einer Ausführungsform,

Fig. 4 eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 geänderte Ausführung eines Wärmedämmfassadenelementes,

Fig. 5 einen Einzelwandziegel als Teil einer Wärmedämmfassade in einer Ausführungsform,

Fig. 6 einen Wandziegel als Teil einer Wärmedämmfassade in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer aus Wandziegeln bestehenden Wand mit Wärmedämmung und mit verschiedenen Möglichkeiten für die Integrierung des Rohrsystems.

Das in der Fig. 1 dargestellte Fassadenelement besteht aus einer transparenten Wärmedämmschicht 1 mit transparenter Außenabdeckung bzw. transparentem Putz 2 und ist mit einem dahinterliegenden tragenden Wandbauteil 3 verbunden, das auf der der Wärme­ dämmschicht 1 zugewandten Seite eine Absorptionsschicht 4 bzw. eine Lichtabsorberwand aufweist. Die transparente Wärmedämmschicht 1 besteht dabei aus senkrecht zur Oberfläche orientierten dünnwandigen Röhrchen aus Kunststoff, z. B. Plexiglas, die honigwabenartig zusammengefügt sind. Diese Kapillarstruktur ist maximal durchlässig für Globalstrahlen und minimal durchlässig für langwellige Wärmestrahlung. In Fig. 1 ist schematisch die gesamte Sonneneinstrahlung, die geringfügige Reflexion an der Wärmedämmung und die Rücksteuerung, ferner der Wärmestrom in den Innenraum und der wesentlich größere Wärmestrom zur Brauchwasservorwärmung durch die Absorptionsschicht 4 und das tragende Wandbauteil 3 hindurch schematisch angedeutet.

Bei der Wärmedämmfassade nach Fig. 2 ist hinter der Wärmedämmschicht 1 und der Absorptionsschicht 4 mit dem tragenden Wandbauteil 3 verbunden ein Rohrsystem 5 dargestellt, das unmittelbar hinter der Absorptionsschicht 4 mit dem tragenden Wandbauteil 3 verbunden oder als getrennte, am tragenden Wandbauteil 3 befestigte Matte oder Platte ausgebildet ist. Das Rohrsystem besteht aus einer schlangenförmig verlegten Rohrleitung, die die über die transparente Wärmedämmschicht 1 aufgenommene Sonnenstrahlung über die Absorptionsschicht 4 aufnimmt und an das im Rohrsystem befindliche Wasser oder entsprechende Wärmeübertragungsmittel abgibt. Das Rohrsystem 5 ist über eine Ableitung 6 mit einem Wärmespeicher 7 und über die Leitung 8 mit einer Pumpe 9 verbunden, die ihrerseits über eine Steuereinheit 10 gesteuert wird. Die Pumpe 9 ist über eine Rückführleitung 11 an das entgegengesetzte Ende des Rohrsystems 5 angeschlossen, so daß ein Wasserkreislauf entsteht.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3-6 sind tragende Wandbauteile in Form von Mauersteinen dargestellt, die ein doppeltes Rohrsystem aufweisen. An die transparente Wärmedämmschicht 12 schließt sich hierbei eine Absorberschicht 13, z. B. eine Zementputzschicht an, in der das Rohrleitungssystem in Form von in gleichem Abstand voneinander und übereinander angeordneten Rohrleitungen 14, 15, 16 vorgesehen ist, die schleifenartig miteinander verbunden sind (ähnlich den schleifenartigen Rohrleitungen einer Fußbodenheizung). Die Absorberschicht 13 ist mit den übereinander angeordneten Ziegeln 17, 18, 19 verbunden, die Ausnehmungen 20-24 zur Aufnahme von Mörtelmasse aufweisen, in die die Rohrleitungen 25, 26, 27 des zweiten Rohrsystems, das der Innenseite der Mauersteine zugeordnet ist, eingebettet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Dichte der Rohrleitungen 14-16 doppelt so groß wie die der Rohrleitungen 25-27. Im Falle der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die beiden Rohrsysteme mit gleicher Rohrleitungsdichte ausgelegt.

Fig. 5 zeigt einen Wandbaustein ähnlich den Ausführungen nach Fig. 3 und Fig. 4, wobei pro Wandbaustein zwei Rohrleitungen 28, 29 in den Mörtelfugen, und zwei Rohrleitungen 14, 15 des ersten Rohrsystems in der Putzschicht 13 untergebracht sind.

Bei einer Ausführungsform nach Fig. 6 entfällt die Putzschicht 13, und die Rohrleitungen des ersten sowie des zweiten Rohrsystems 33, 34 sind in der Mörtelfuge 32 angeordnet, während die zugeordnete Mörtelfuge 35 ohne Rohrleitung bleibt. Dabei ist bei den Ausführungsformen nach der Erfindung mit doppeltem Rohrsystem das äußere Rohrsystem der Absorptionswand, also der Außenseite des tragenden Wandbauteiles, zugeordnet und für die Aufnahme der Sonnenenergie zur Weiterleitung an einen Wärmespeicher vorgesehen, während das zweite Rohrsystem, das der Innenseite des tragenden Wandbauteiles zugeordnet ist, dazu bestimmt ist, Wärme aus dem Wärmespeicher aufzunehmen, um das Rauminnere zu erwärmen.

In Fig. 7 sind eine Reihe von prinzipiellen Möglichkeiten dargestellt, um die tragenden Wandbauteile in Form von Mauerziegeln so auszubilden, daß sie Rohrleitungen des inneren und des äußeren Rohrsystems unmittelbar aufnehmen können. Hierzu besitzen die Mauerziegel­ ausnehmungen 36-39, in die die Rohrleitungen 40-43 eingesetzt und dort umgossen bzw. eingebettet werden. Eine weitere Ausführung eines entsprechenden Mauerziegels 44 weist Ausnehmungen bzw. Ausfräsungen 45, 47 mit Rohrleitungen 46, 48 auf, wobei hier nur ein einziges Rohrsystem vorgesehen ist. Eine dritte Form eines Mauerziegels 49 weist eine mittig durch den Ziegel gehende Aussparung 50 für ein erstes Rohrsystem 51 und eine entsprechende Aussparung 52 für ein zweites Rohrsystem 53 auf. Die Aussparungen 50, 52 sind in den einzelnen Mauerziegeln durchgehend ausgebildet, und die Rohrleitungen 51, 53 werden in den Ausnehmungen 50, 52 vergossen. Alternativ können Rohrleitungen 54, 55 des ersten Systems so verlegt sein, daß sie in den Fugen zwischen benachbarten Ziegeln den Seitenwänden zugeordnet vorgesehen und dort festgelegt sind.

Claims (15)

1. Wärmedämmfassade mit einer transparenten Wärmedämmung, die aus einer Vielzahl von senkrecht zur Oberfläche orientierten dünnwandigen Röhrchen besteht, die auf der der Sonnenstrahlung zugewandten Seite Sonnenlicht aufnehmen und auf der abgewandten Seite durch eine Absorberwand abgeschlossen sind, die durch die Sonnenwärme aufgeheizt wird und Sonnenenergie an den dahinterliegenden Raum oder dgl. abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der transparenten Wärmedämmschicht (1) und der diese abschließenden Lichtabsorberwand (4) ein ein Wärmeübertragungsmittel, vorzugsweise Wasser, führendes Rohrsystem (5) angeordnet ist, das die aufgenommene Wärme an einen Pufferspeicher (7), z. B. an einen damit zu erwärmenden Raum, einen Brauchwasservorrat, an wandbildende Elemente (3) oder dgl. abgibt.

2. Wärmedämmfassade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem (5) zwischen der transparenten Wärmedämmung (1) und den tragenden Wandbauteilen (3) angeordnet ist.

3. Wärmedämmfassade nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem (5) in eine Matte oder Platte integriert ist.

4. Wärmedämmfassade nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem in die tragenden Wandbausteine integriert ist.

5. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandbauteil bzw. die Wandbausteine aus Mauerziegeln, z. B. nach DIN 105 bzw. DIN 4159 bestehen.

6. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandbauteil bzw. die Wandbausteine aus Beton oder Leichtbeton bestehen.

7. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem (5) mit einem Warmwasserspeicher (7) und einer über ein Steuergerät (10) geschalteten Pumpe (9) verbunden ist.

8. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem (14, 15, 16; 25, 26, 27; 28, 29) zweiteilig ausgebildet und den tragenden Wandbauteilen (18, 19, 20) zugeordnet ist, daß das erste Rohrsystem (14, 15, 16) auf der Außenseite der tragenden Wandbauteile und das zweite Rohrsystem (25, 26. 27; 28, 29) der Innenseite des tragenden Wandbauteils zugeordnet ist.

9. Wärmedämmfassade nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrsystem (14, 15, 16) in einer auf der Außenseite der Wandbauteile (18, 19, 20) aufgebrachten Putzschicht (13), z. B. einer Zementputzschicht angeordnet ist.

10. Wärmedämmfassade nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohrsysteme (14, 15, 16; 25, 26, 27; 28, 29) hydraulisch entkoppelt ausgebildet sind.

11. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrsystem in einer auf der Außenseite des Wandbauteiles aufgebrachten Zementputzschicht angeordnet ist, und daß das zweite Rohrsystem in der Verbundmörtelschicht zwischen jeweils zwei miteinander verbundenen, tragenden Wandbauteilen angeordnet ist.

12. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rohre im ersten Rohrsystem doppelt so groß wie die Anzahl der Rohre im zweiten Rohrsystem ist.

13. Wärmedämmfassade nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rohre im ersten Rohrsystem gleich der Anzahl der Rohre im zweiten Rohrsystem ist.

14. Wärmedämmfassade nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Wärmedämmung unmittelbar auf der Außenseite der tragenden Wandelemente angebracht ist, und daß die beiden Rohrsysteme in der Mörtelschicht zwischen den Wandelementen angeordnet sind, derart, daß das erste Rohrsystem nahe dem Außenende und das zweite Rohrsystem nahe dem Innenende des Wandelementes in die Mörtellage eingebracht ist.

15. Wärmedämmfassade nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Rohrsystem in Aussparungen der tragenden Wandelemente, u.z. auf der Außenbegrenzung oder im Inneren der tragenden Wandelemente angeordnet sind (Fig. 7).