EP0953131A1 - Verfahren zur wärmespeicherung mittels latentspeicherwänden und-bauteilen - Google Patents

Verfahren zur wärmespeicherung mittels latentspeicherwänden und-bauteilen

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Publication number
EP0953131A1
EP0953131A1 EP98962325A EP98962325A EP0953131A1 EP 0953131 A1 EP0953131 A1 EP 0953131A1 EP 98962325 A EP98962325 A EP 98962325A EP 98962325 A EP98962325 A EP 98962325A EP 0953131 A1 EP0953131 A1 EP 0953131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
storage
temperature
latent
latent storage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98962325A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günther Wilfried Niemes
Horst Niemes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0953131A1 publication Critical patent/EP0953131A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the subject of the innovation is a method for storing heat in outer and inner wall surfaces by means of latent storage masses
  • the room reaction is thermally independent of the control functions step response (transition function) or impulse response (weight function) of the outside and inside temperatures and the radiation influence.
  • the phase shift takes place bilaterally.
  • the instantaneous heat incidence in an air-conditioned room largely consists of radiation energy. Radiant energy does not result in an immediate increase in temperature in the room, it must first strike a solid body (wall, furniture, etc.) and be absorbed by it. The absorbed energy is converted into heat and increases the surface temperature of the body in question. The heat released into the air increases the cooling load, the heat dissipated into the material is stored and only released into the room at a later point in time. The more heat the material stores, the higher its temperature and the smaller its storage capacity.
  • the ability of the ceiling mass to store and dissipate heat is based on the transient heat flows that are initiated by the ventilation measures.
  • the air-related factors such as air speed, air volume, air distribution and air temperature, which influence the size of the heat transfer coefficient, are of particular importance.
  • the heat flow inside the store is of interest after the loading and unloading processes have ended.
  • the temperature spread in the interior of the store depends on the store loading and unloading processes, with the store discharge between the surface and the storage mass only taking place in an approximately 5 cm deep zone during the night phase.
  • the asymmetrical course of the storage loading and unloading depends on different storage temperature distribution lines and the temperature differences of the air flows.
  • Another known variant is the combination of passive and active cooling, which tries, if possible, to achieve pleasant room temperatures without the use of chillers, by storing the heat generated during the day in the visible solid ceiling, while at night using water-carrying pipes that flow into the Solid ceilings are inserted in order to dissipate heat again at night via air-water heat exchangers.
  • the warming up and cooling down takes place alternately from room to room, the warming up from the room, cooling down to the cooling pipe.
  • Latent storage uses the latent heat as the heat that can be removed and supplied again during the transition from the liquid to the solid state, the state change taking place at a constant temperature. Excess heat can therefore first be used to melt such substances, in order to later recover or remove them again if necessary.
  • the most important requirements are high storage capacity, favorable melting points, non-corrosive, little volume change during phase change, high conductivity, etc.
  • Some salt hydrates, paraffins and fatty acids are particularly suitable.
  • the difficulties with hypothermia processes of the discharge as well as stratification phenomena are limited due to the simple geometry of the local latent storage provided.
  • the subject of the innovation is a method which provides a reference temperature with the melting point of the latent storage and a significantly higher storage density within the room with the melting heat without extensive construction measures and technical facilities, which the hysteresis of the temperature storage heat function with an adjusted melting point, i.e. Reference temperature uses to offer 100 times the storage capacity of the storage medium compared to air within the room.
  • the reference level of the temperature difference determines the heat balance and the interaction of the individual heat flows and depends on:
  • the contact temperature is established on the contact surface, which is dependent on the heat induction number.
  • the subject of the innovation is to increase the heat storage capacity of the building by means of a latent storage as a "disturbance variable" and to determine an almost constant reference temperature for the nightly coolness and the instantaneous heat incidence by means of the melting temperature and to increase the storage load by melting heat to the extent that economically internal and external Thermal loads can be stored and dissipated.
  • the heat transfer figures are similar for solid building materials and liquid media, the heat transfer is subject to the same conditions. As a result, the heat of fusion of a latent storage device can be used to absorb and release internal and external loads.
  • the subject of the innovation is a practical process for heat-producing buildings, which uses the storage of heat in internal or external components using latent storage materials.
  • a latent memory makes it possible to use the base melting temperature and melting heat to the extent that the storage capacity is made available constantly and not variably.
  • the decision as to whether the storage capacity is made available inside or outside depends on the heat generated by the internal or external loads or the instantaneous heat incidence due to radiation and convection and must be calculated using building simulation.
  • the subject of the innovation is to arrange latent storage chambers within outer or inner walls so that
  • a number of substances are available as storage substances, which, because of the change in density, also determine the mechanical strength of the latent storage body.
  • paraffin was also chosen, the melting point of which can be set from 21 to 54 ° C, remains plastic and is frost-proof.
  • the specific heat capacity for building materials is 0.80 kj / kgK
  • Paraffin oil 2.13 kj / kgK, he melting temperature of water is 0 ° C
  • Paraffin oil e.g. 22 ° C
  • the greatly simplified calculation example is only intended to estimate a construction size of the latent memory; more accurate calculations using building simulations show similar results.
  • the latent memory size can be determined using the limit value method.
  • the amount of transmission heat through a wall is, for example, during summer operation over 24 hours at a temperature range of 10 K:
  • the radiant heat is approx. 250 W in 8 hours at a sun air temperature of 54 C C.
  • the latent storage wall has to absorb the following amount of heat in its latent storage:
  • Radiant heat / fusion heat 260 W / m 2 in 24 h in 5 kg / m 2 storage heat wall + storage: 500 W / m 2 in 24 h corresponds to 625 kg / m 2
  • the storage behavior of the wall with latent storage therefore corresponds to a wall of twice the wall thickness in summer temperatures.
  • the requirements for a wall structure towards SO, S, SW and W can be met for summer thermal insulation.
  • Farm buildings are subject to different criteria. The investor is not ready to install expensive mechanical systems because of the consequential costs, although the efficiency of the employees in this type of building is reduced as a heat producer and in the future the employees will be exposed to ever higher demands. The work output is reduced and the error rate increases unacceptably without summer heat protection.
  • the secondary storage heat that occurs depends on the storage properties of the room, characterized by the averaged stratified storage coefficient and the permitted deviations.
  • Type I room temperature e.g. depending on the outside air temperature
  • Type II room temperature fluctuates like type 1, but without a fixed assignment to a reference variable
  • Type III room air temperature fluctuates around average (cosine function)
  • the maximum reduction in the total cooling load can be recorded if the room air temperature increase and decrease is assigned to the cooling load curve synchronously. The maximum indoor air temperature increase is then at the time of the total maximum. This allows the hourly secondary storage heat flows to be assigned in time. If a management variable is available, it must be assigned accordingly.
  • the subject of the innovation is the assignment of a leadership size by one
  • Room air temperature in steady state enables.
  • a steady, quasi-steady state means that the daily mean value of the room air temperature does not differ significantly from that of the previous day. This can then be determined from the balance of the heat flows, in which storage processes no longer have to be taken into account.
  • the amplitude of the room air temperature is calculated from a balance of the time-dependent heat flows, including secondary storage, which is caused by the heat absorption capacity of the room. To calculate the heat absorption capacity of the room, the average stratified storage coefficient of the room is used for simplification. The phase shift of the room air temperature compared to the resulting maximum of heat load and ventilation heat flow is neglected.
  • the subject of the innovation is the reduction of the phase shift.
  • the dynamic latent energy store picks up the peak loads when the time-dependent heat flows arise, so that they can be released again at night with negative temperature levels with or without ventilation and air conditioning systems.
  • the room air temperature is calculated according to the following criteria:
  • the subject of the innovation is the steady state of the indoor air using latent storage in order to be able to use the following tasks:
  • the heat load, the flow rate of the ventilation system and the heat absorption capacity of the building influence the daily course of the room air temperature in the steady state.
  • Some components of the heat load depend on the room air temperatures used as the basis for the calculation.
  • Latent storage which can take over the function of the reference temperature and enables the phase shift of the room temperature compared to the resulting maximum of heat load and heat air flow.
  • the subject of the innovation is to define a reference temperature within the room by means of latent storage in order to be able to use the outside air temperature as a control variable instead of as a control variable of the latent storage.
  • the maximum value is reduced by approx. 35% compared to a variable room temperature.
  • 65% of the nominal volume flow and correspondingly reduced cooling capacity are required, and the maximum indoor air temperature increases under design conditions of about 4 K compared to the setpoint. This increase in temperature compared to the setpoint is taken up by the latent storage capacity during the day and dissipated again at night, so that a further approximation to the setpoint appears and the ventilation system only takes on the fresh air supply task.
  • the flow rate must be determined, which ensures compliance with the permissible design conditions.
  • the permissible maximum room air temperature is about 3 to 5 K above the maximum value of the selected gear of the outside temperature. If the maximum permissible values are guaranteed under design conditions, compliance with the permissible mean excess of the specified values for the room air temperature is ensured.
  • the calculation is to be carried out as a variant calculation for several volume flows, a reduction of the outside air flow by 25 - 30% is possible.
  • a further reduction in the outside air flow is possible because the increase in the ambient air temperature is limited and temporarily stored by the absorption of the peak loads in the latent storage until the outside air flow takes over the delivery of the peak loads at a low temperature.
  • Latent storage Bodies in concrete masses can also be used to absorb the heat of setting or to heat concrete structures evenly in the case of components that are subject to high levels of radiation. Basically, latent storage can be used in
  • Heating or cooling surfaces such as radiators or cooling ceilings
  • a metal cylinder with paraffin is used in the middle as a latent storage with> 50 mm, ⁇ 100 mm at a height of approx. 20 cm in prefabricated chambers in the brick (test setup with holes) .
  • the storage mass is> 10 kg / m 2 ⁇ 50 kg / m 2 .
  • Coverage of the storage mass by wall surfaces is manageable even when using combustible latent storage mass (eg paraffin: evaporation temperature 300 ° C). Larger units can also be used in prefabricated walls and prefabricated concrete parts. Basically, it should be noted that it is irrelevant whether the storage capacity is made available inside or outside.
  • a 10 cm thick plasterboard component In a 10 cm thick plasterboard component, rectangular metal pipes 75/150 mm high with KF * 4 H 2 O / 18.5 ° C as a filling are arranged at a distance of 60 cm as a supporting structure.
  • the storage mass for a room area of 10 m 2 is approx. 46 kg and can absorb approx. 4370 W as storage heat and corresponds to approx. 60 W / m 2 internal loads over 7 hours.
  • the latent storage wall can provide comfort conditions for the room temperature.
  • the required storage mass is, as shown under 2, for example 46 kg or approx. 46 dm 3 .
  • the convector panel radiator with 600 mm height, 1 row of pipes, 2 m Length, 5.5 kg water content, 4.14 m 2 heating surface has a heating output at 80/20 ° C of 2280 W in the middle heating plate.
  • Two smooth flat radiators with a thickness of 20 mm are connected to each other by convection surfaces.
  • the heating plate has 13 m 2 heating surface and a standard heating output of 3780 watts.
  • the heat emission / heat absorption is 6 K, 5 W / m 2 K as convection heat and 5 W / m 2 K as radiant heat.
  • the possible heat transfer or storage heat is based on the area:
  • Metal cassette ceiling design as a latent storage body with or without an applied cooling pipe system, as a non-active or active latent storage element, with or without insulation on the top.
  • the chilled ceiling consists of perforated sheet steel, with or without acoustic tiles, latent storage body made of sheet steel, eg 20 mm cavity with latent storage mass, with or without glued or bonded flat tube system.
  • the ceiling system without pipe system is used for passive and the ceiling system with pipe system for active loading and unloading.
  • Temperature control on the room side can be omitted because of the constant reference temperature.
  • the cooling water temperature can be below the dew point of the room air if an upper insulation is applied, heat exchanger systems can be omitted.
  • metal cassette ceilings with latent storage can be designed as fire ⁇ suspended ceilings. The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:
  • Fig. 8 shows a structure of a chilled ceiling.
  • 1 and 2 show the simple structure of a latent radiator, which can be integrated into the existing PWW heating network in the same design.
  • Modern insulation techniques and requirements in accordance with the Heat Protection Ordinance mean that much smaller radiator areas are required than the size of the radiator parapets allows.
  • heating surfaces with considerable oversizes are used to meet the architect's request for closed front surfaces of the radiator parapets.
  • 1 contains a heating plate 5 connected to a flow 3 and a return 4, a partial surface of the heating element being used as the heating surface.
  • partial areas 7 with a latent memory KF * 4H 2 O are provided.
  • Convection surfaces 6 are also provided between the partial areas mentioned. 2
  • the radiator surface is designed as a heating and latent storage surface and contains internal latent storage bodies, preferably in the form of Thermac capsules 8.
  • Fig. 3 shows a cooling and heating blanket with latent storage.
  • Metal ceiling surfaces of the cooling ceiling type are an interesting type of construction, which can also be equipped with latent storage masses.
  • the chilled ceiling of known design is additionally equipped with latent storage masses.
  • oval copper pipes are bonded to the metal cassettes in a force-locking and heat-conducting manner.
  • latent storage bodies can be applied to the oval copper pipes over a large area or as individual segments.
  • the particular advantage of this construction is that the charging temperature of the latent storage can also be lower than the melting temperature without having to expect condensate.
  • a carrier system 9 of the chilled ceiling and metal cassettes 10 are provided, the dimensions of which are predetermined, for example, from 625/625 to 625/1250 mm.
  • the metal cassette contains a perforation 1 1 and also an acoustic fleece 12 is provided.
  • the latent storage insert 13 is designed for a heat of fusion at 20 ° C. with 334 kJ / kg.
  • a cooling pipe system 14 for 12/15 ° C to 15/20 ° C with a cooling water connection 15 with a flexible connection 16 is provided.
  • Insulation 17, for example Armaflex 9 mm serves as protection against dirty water.
  • a connection 18 of the cooling pipe system for 12/15 ° C to 15/20 ° C is provided.
  • FIG. 4 shows an integration into an energy concept, specifically the construction of a heating and cooling system with a latent storage heating / cooling ceiling 19, the existing facilities for pump hot water heating being used.
  • This inexpensive variant of latent storage cooling is suitable for the location as a radiator surface or chilled ceiling as well as for retrofitting and renovation of existing systems due to changes in use of the building.
  • the system is also suitable for integration into CHP concepts in connection with absorption systems or energy piles.
  • the system type energy piles and heating / cooling ceiling is particularly effective because the temperature level of the energy piles corresponds to the discharge temperature of the latent storage and the device energy piles can be used at night, i.e. at a time when no cooling work is required by the chiller.
  • a latent-storage heating-cooling ceiling 19 is shown schematically with a connecting line to a boiler 20, a cooling machine 21 and a wet-dry cooler 22. Furthermore, energy piles 23 or CHP waste heat units 24 are provided.
  • 5 shows in a diagram the temperature behavior in an office room of 25 m 2 with a latent memory in a temperature simulation for a warm day. The temperature along the y axis is shown in ° C over the time in hours along the x axis. Curve c shows the temperature profile of the outside temperature and curve d shows the temperature profile of the inside temperature.
  • FIG. 6 shows a typical integration into an energy concept, namely the method of tip cooling using latent storage walls and components or the geothermal energy concept with deep foundation of energy piles 25 for 10/15 ° C.
  • a cooling circuit 26 for 10/15 C C, a heat exchanger 27 for the energy piles 25 and the latent storage are provided.
  • the latent storage units are designed as chilled ceilings 28 for 15/20 ° C. and a wet-closed cooling tower 29 for 15/25 ° C. is provided.
  • a water-water cooling machine 30 for 6/12 ° C, refrigeration consumer central devices 31 for 6/12 ° C or decentralized refrigeration consumer 32 for 6/12 ° C are provided.
  • the day-to-day cooling circuit is designed for 15/20 ° C.
  • FIG. 7 shows a histogram of an energy balance when using a latent memory.
  • a room with 10 m 2 and 60 W / m 2 is assumed, which has a chilled ceiling with cooling pipes.
  • the areas 34 relate to a latent memory discharge.
  • the areas 35 relate to the discharge of the room.
  • 36 is the latent discharge, while 37 denotes the discharge of the building.
  • the maximum inside temperature 38, the inside temperature 39 and the outside temperature 40 are indicated.
  • the latent storage 42 is designed in sheet steel for 21 ° C. and is provided at the bottom with acoustic fleece 44 and also with a perforated metal ceiling plate 45.
  • the area with the glued cooling tubes 43 has a thickness of 10 mm, while the latent storage 42 has a thickness of 20 mm in this exemplary embodiment.
  • the acoustic fleece 44 has a thickness of 2 mm and the perforated metal ceiling plate 49 has a thickness of 10 mm.
  • Facade construction companies have set themselves the goal of offering elaborate energy concepts as demonstration projects through the architects and builders, which usually fail due to a cost-benefit analysis, because "the technical possibilities for (winter) energy savings while maximizing comfort and optimizing workplace quality" are advertised, but it is not taken into account that in commercial buildings as heat producers with the simplest heating systems, comfortable working conditions can already be achieved in winter, if the joint ventilation ensures the hygienic requirements through a sufficient air change.
  • the heat storage in a building depends on the building structure, unevenness of different peak loads and the heat stratification in some cases.
  • the effective cooling load is determined by the construction, sunlight, lighting and internal loads.
  • the performance of the ventilation system, the cooling system or the dynamic latent storage is determined by the heat remaining in the building, the starting load, the operating time and the instantaneous heat incidence.
  • the loading and unloading of a latent storage with the reference temperature of the eutectic melting point can do without room-side control technology components and can contribute to the air-conditioning system being able to take on its actual task, i.e. humidification and dehumidification of the room air as a convenience or operational requirement, at reasonable costs.
  • the heat protection ordinance often stands in the way of sensible energy concepts. Simulation calculations show that with considerable internal heat sources, the too low k-value of the glass surfaces reduces the heat dissipation in the summer so that the heat flows out in summer only with reduced cooling. If it is taken into account that at least double the price for mechanical cooling compared to heating costs should be considered, energy concepts should become mandatory. Reference numerals

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Abstract

Ein Verfahren dient zur Speicherung von Wärme in Aussen- und Innenwandflächen. Das Speicherverhalten derartiger Wandflächen soll verbessert werden. Hierzu wird mittels Latentspeichermassen (7, 8, 13, 42) die Wärmespeicherkapazität der Flächen erhöht und bei Aussenwandflächen der Wärmedurchgang derart begrenzt, dass die Schmelztemperatur der Bezugstemperatur angepasst ist, die Schmelzwärme den Gewichtsfaktor belastungsabhängig und die Raumreaktionen von den regelungstechnischen Funktionen Sprungantwort (Übergangsfunktion) bzw. Impulsantwort (Gewichtsfunktion) von den Aussen- und Innentemperaturen und der Strahlungsbeeinflussung thermisch entkoppelt sind.

Description

VERFAHREN ZUR WARMESPEICHERUNG MITTELS LATENTSPEICHERWANDEN UND -BAUTEILEN
Gegenstand der Neuerung ist ein Verfahren zur Speicherung von Wärme in Außen- und Innenwandflächen mittels Latentspeichermassen, die
- die Wärmekapazität der Flächen erhöhen,
- bei Außenwandflächen den Wärmdurchgang begrenzen, indem
- die Schmelzwärme den Gewichtsfaktor belastungsabhängig entkoppelt und
- die Raumreaktion von den regelungstechnischen Funktionen Sprungantwort (Übergangsfunktion) bzw. Impulsantwort ( Gewichtsfunktion ) von den Aussen- und Innentemperaturen und der Strahlungsbeeinflussung thermisch unabhängig wird. Die Phasenverschiebung erfolgt bilateral.
Während das Bauwesen den stationären Wärmedurchgang, geregelt durch die Wärmeschutzverordnung, durch Isolierungen begrenzt, bemüht sich die VDI 2078, Kühllastregeln, durch einen Temperaturfaktor den Strahlungsaustausch rechnerisch zu linialisieren und Speicherfähigkeit des Gebäudes grob mittels Aktions- und Reaktionsgrößen, unter Anwendung einer Bezugstempertur von 22°C als dynamische Raumbelastungen und Raumreaktionen, numerisch darzustellen. Baumassen und deren Speicherkapazität werden durch spezifische Kenngrößen geschätzt, ohne exakt deren Amplitutendämpfung erfassen zu können.
Untersuchungen haben gezeigt, daß moderne Vollwärmeschutzhäuser den Bauarten um die Jahrhundertwende wegen des Wärmerückgewinns bei Wintertemperaturen ebenbürdig sind. Wird jedoch der sommerliche Wärmeschutz in die Jahresbilanz einbezogen, sind vollisolierte Gebäude wegen geringer Speichermassen von den
BESTATIGUNGSKOPIE sommerlichen Außentemperaturen thermisch nicht mehr entkoppelt.Der Aufbau von Gebäuden mit homogenen großen Speichermassen und großen Flächenbedarf ist wegen der Kosten und aus statischen Gründen in moderner Bauweise nicht mehr möglich.
Wenn wir eine Klimaanlage entsprechend dem errechneten Maximum des momentanen Wärmeeinfalls auslegen, so bekommen wir je nach Baukonstruktion eine mehr oder weniger überdimensionierte Anlage. Der momentane Wärmeeinfall in einem klimatisierten Raum besteht zum größten Teil aus Strahlungsenergie. Strahlungsenergie ergibt keine sofortige Temperaturerhöhung im Raum, sie muß erst auf einen festen Körper ( Wand, Möbel ect. ) auftreffen und von diesem absorbiert werden. Die absorbierte Energie wandelt sich dabei in Wärme um und erhöht die Oberflächentemperatur des betreffenden Körpers. Die an die Luft abgegebene Wärme erhöht die Kühllast, die ins Material abgeleitete Wärme wird gespeichert und erst zu einem späteren Zeitpunkt an den Raum abgegeben. Je mehr Wärme das Material speichert desto höher seine Temperatur und desto kleiner wird seine Speicherfähigkeit.
Bei dem Bau von Bürogebäuden wird etwa seit 1985 das Prinzip verwirklicht, durch massive Stahlbetonkonstruktionen die hohen internen Lasten im Sommer mittels baulicher Maßnahmen aufnehmen zu können. Das Prinzip beruht darauf, die tagsüber ab einem bestimmten Zeitpunkt anfallenden Wärmemengen in den Massivdecken einzuspeichern und während der kühlen Nachtstunden, d.h. zu einem späteren Zeitpunkt, mit Hilfe von Lüftungsmaßnahmen wieder abzuführen. Die Masse der Massivdeckenkonstruktion muß hierfür nach thermischen Gesichtspunkten ausgelegt werden. Mittels großer Luftmengen und Strömungsgeschwindigkeiten müssen die Wärmeübergangskoeffizenten klein gehalten werden. Die bekannten Konstrukionen steuern über Luftklappen den Außenluftstrom im Bereich der Zwischendeckenkonstruktion und steuern in der Tagphase die Speicherbeladung und in der Nachtphase die Speicherentladung. Die Fähigkeit der Deckenmasse, Wärme zu speichern und wieder abzuführen, beruht auf den instationären Wärmeflüssen, welche durch die Lüftungsmaßnahmen eingeleitet werden. Dabei kommt den lufttechnischen Faktoren, wie Luftgeschwindigkeit, Luftmenge, Luftverteilung und Lufttemperatur, welche die Größe des Wärmeübergangskoeffizienten beeinflussen, besondere Bedeutung zu. Neben diesen Einflüssen von außen interessiert der Wärmestrom im Speicherinneren nach Beendigung der Beladungs- und Entladungsvorgänge. Die Temperaturspeizung im Speicherinneren hängt von den Speicherbeladungs- und Entladungsvorgängen ab, wobei während der Nachtphase die Speicherentladung zwischen der Oberfläche und der Speichermasse nur in einer etwa 5 cm tiefen Zone erfolgt. Der asymetrische Verlauf der Speicherbe- und Entladung hängt von unterschiedlichen Speichertempera- turverteilungslinien und den Temperaturdiffenzen der Luftströme ab.
Eine weitere bekannte Variante ist die Kombination von passiver und aktiver Kühlung, welche nach Möglichkeit versucht, ohne den Einsatz von Kältemaschinen angenehme Raumtemperturen zu erreichen, indem die am Tag anfallende Wärme in der sichtbaren Massivdecke gespeichert wird, während nachts mittels wasserführenden Rohren, welche in die Massivdecke eingelegt sind, um über Luft- Wasser-Wärmeaustauscher nachts Wärme wieder abzuführen. Die Aufwärmung und Abkühlung erfolgt alternierend von Raum zu Raum, die Aufwärmung vom Raum, Abkühlung zum Kühlrohr.
Die Simulation repräsentativer Räume hat gezeigt, (Programm DOE-2D, US-Departement of Energie, Programm Quick, Centre for Experimental and Numerical Thermo- flow, Universiät Pretoria, R.S.A.), daß unter Anwendung herkömmlicher Systeme aktive Kühlung und der Einsatz einer Kältemaschine selbst dann notwendig wird, wenn sonst alle denkbaren baulichen Maßnahmen ergriffen werden. Unglücklicherweise benötigen die bisher bekannten Systeme die kälteste Luft und das Kühlwasser dann, wenn die Außenluft am wärmsten ist. Es muß versucht werden, einen großen Teil der Kühlarbeit mit der kalten Nachtluft zu realisieren. Dazu muß die Phasenverschiebung zwischen der Lastspitze und deren Abgabe an die Umwelt opimiert werden.
Die bisher vorgestellten Systeme, Aufnahme der Spitzenlasten in Zwischendecken, a) nächtliche Luftführung in Zwischendecke oder b) Aufbau eines Heiz- und Kühlsystems mittels in die Zwischendecke eingelegten Rohren mit Luft-Wasser-Wärmetauscher, haben den Nachteil, daß diese Systeme aus baulichen Gründen nur Sonderfällen eingesetzt werden können, weil a) die Nachströmung der Luft durch Öffnungen in der Fassade oft nicht möglich ist oder Doppelfassadensysteme mit Luftklappen den Kostenrahmen übersteigen, b) die Installation einer Zwischendecke zur Aufnahme der Haustechnik notwendig ist. Die Nutzung der Kühlung der kalten Nachtluft mit einem viel besseren Wärmträger als Luft, d.h. Wasser mit 4-facher Speicherkapazität und 1000-facher Dichte innerhalb eines Rohrsystems ist den Luftsystem weit überlegen, hat jedoch den Nachteil, daß letztlich mit großem Aufwand wasserführende Zwischendeckenkonstruktionen in der Bauart Kühldecken erforderlich sind.
Latentspeicher nutzen die Latentwärme als diejenige Wärme, die beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand entnommen und auch wieder zugeführt werden kann, wobei die Zustandsänderung bei konstanter Temperatur erfolgt. Man kann also überschüssige Wärme zunächst zum Schmelzen derartiger Stoffe verwenden, um sie später bei Bedarf wieder durch Entzug zurückzugewinnen oder abzuführen. Die wichtigsten Anforderungen sind hohe Speicherkapazität, günstige Schmelzpunkte, nicht korrosiv, wenig Volumenänderung beim Phasenwechsel, große Leitfähigkeit u.a. Besonders geeignet sind einige Salzhydrate, Paraffine und Fettsäuren. Die Schwierigkeiten bei Unterkühlungsvorgängen der Entladung sowie Stratifikationserscheinungen halten sich wegen einfache Geometrie der vorgesehenen örtlichen Latenspeicher in Grenzen.
Gegenstand der Neuerung ist eine Verfahren, welches mit dem Schmelzpunkt des Latentspeichers eine Bezugstemperatur und mit der Schmelzwärme eine wesentlich höhere Speicherdichte innerhalb des Raumes ohne umfassende Baumaßnahmen und technische Einrichtungen zur Verfügung stellt, welches die Hysterese der Funktion Temperatur-Speicherwärme bei angepaßtem Schmelzpunkt, d.h. Bezugstemperatur nutzt, eine 100-fache Speicherkapazität des Speichermediums gegenüber Luft innerhalb des Raumes anzubieten.
Das Bezuqsniveau der Temperaturdifferenz bestimmt die Wärmebilanz und das Zusammenwirken der Einzelwärmeströme und ist abhängig von:
- Wärmeströme durch Fensterflächen aller Orientierungen mit oder ohne Sonnenschutz
- Wärmeströme durch nicht transparente Außenflächen aller Orientierungen
- Wärmestrom in Fußboden
- Wärmestrom in Decken
- alle internen Wärmequellen
- Luftvolumen der Außenluftrate zur Frischluftversorgung - Innen- und Außenlufttemperatur
- Speichervolumen der Gebäudes
- Zeitdauer Be- und Entladung durch innere und äußere Wärmelasten
- Zeitdauer Be- und Entladung durch Luftvolumen der Außenluftrate zur
Frischluftversorgung
- Wärmeübertragung durch Wärmeströmung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung.
Durch die Berührung zweier Körper verschiedener Temperaturen stellt sich an der Berührungsfläche die Kontakttemperatur ein, die abhängig von der Wärmeeindrinαzahl ist.
Für den Baustoff Beton als überwiegende Speichermasse im Gebäude gilt: b = 7ι,28 * o,88 * 2,4 *0,5 = 0,82 kJm2h*1/2
Gegenstand der Neuerung ist, mittels eines Latentspeichers als "Störgröße", die Wärmespeicherkapazität des Gebäudes zu erhöhen und mittels der Schmelztemperatur eine fast konstante Bezugstemperatur für die nächtliche Kühle und dem momentanen Wärmeeinfall festzulegen und durch Schmelzwärme die Speicherbeladung insoweit zu erhöhen, daß wirtschaftlich innere und äußere Wärmelasten gespeichert und abgeführt werden können. Als Vorausetzung für den Wärmeeindringzahl als dynamische Komponente gilt für flüssige Medien: b = 7o,6 * ι * ι *0,5 = 0,77 kJm2h*1/2
Die Wärmeübergangszahlen sind für feste Baustoffe und flüssige Medien ähnlich, die Wärmeübertragung unterliegt gleichen Voraussetzungen. Folglich kann die Schmelzwärme eines Latentspeichers für die Aufnahme und Abgabe innerer und äußerer Lasten herangezogen werden.
Das Prinzip, in Bürogebäuden, welche vorwiegend Wärmeproduzenten sind, Bauteile nicht nur nach statischen, sondern auch nach thermischen Gesichtpunkten auszulegen, hat sich nicht durchgesetzt. Die neueren Überlegungen zeigen eine Doppelfassade als zweite Haut, welche die bereits bekannten Konstruktionsmerkmale aufgreifen, jedoch gleich ungünstige konstruktive Merkmale aufzeigen
Die Merkmale sind: - große Luftmengen zwecks Speicherentladung
- geringe ganzjährliche Temperaturdifferenzen von 1 ,5 K
- Luftklappenkonstruktionen in Außenfassade
- Luftklappenkonstruktionen in Außenfassade wegen Außenlärm nicht einsetzbar
- Luftführung in Zwischendecken bzw. innerhalb massiven Bauteilen
- Auslegung der Fassaden zwecks Wärmegewinn im Winterbetrieb
- nahezu doppelte Investionskosten der Außenfassaden
- keine gesicherten Lastberechnungen bzw. thermische Gebäudesimulation
- ungesicherte Wirtschaftlichkeitsberechnungen
Gegenstand der Neuerung ist ein praxisnahes Verfahren für wärmeproduzierende Gebäude, welche die Speicherung von Wärme in Innen- oder Außenbauteile mittels Latentspeichermassen nutzt.
Mittels eines Latentspeichers wird es möglich, die Basis Schmelztemperatur und Schmelzwärme insoweit zu nutzen, daß die Speicherkapazität konstant und nicht variabel zur Verfügung gestellt wird. Die Entscheidung, ob die Speicherkapazität in Innen- oder Außenflächen zur Verfügung gestellt wird, hängt von dem Wärmeanfall der inneren oder äußeren Lasten bzw. dem momentanen Wärmeeinfall durch Strahlung und Konvektion ab und ist durch Gebäudesimulation zu errechnen.
Gegenstand der Neuerung ist, Latentspeicherkammern innerhalb von Außen- oder Innenwänden so anzuordnen, daß
- die Schmelzwärme des Latentspeichers genutzt wird, um
- thermische Raumbelastungen über den Tagestemperaturverlauf weitgehends auszugleichen, um
- bei nächtlichen Temperaturen die Lasten wieder abzuführen.
- Konzepte für Gebäude, die ein Wärmeproduzent sind, realiert werden können.
Als Speicherstoffe bieten sich eine Reihe von Stoffen an, welche wegen der Dichteänderung auch die mechanische Belastbarkeit des Latentspeicherkörpers bestimmen. Für weitere Betrachtungen wurde Paraffin auch gewählt, dessen Schmelzpunkt sich von 21 bis 54°C einstellen läßt, plastisch bleibt und frostsicher ist. Spezifische Wärmekapazität beträgt bei Baustoffen 0,80 kj/kgK
Wasser 4,18 kj/kgK
Paraffinöl 2,13 kj/kgK, ie Schmelztemperatur beträgt Wasser 0 CC
Paraffinöl z.B. 22 °C
KF * 4 H2O 18,5 °C die Schmelzwärme beträgt bei Wasser 333 kJ/kg ( 93 W/kg )
Paraffinöl 201 kJ/kg ( 56 W/kg )
KF * 4 H2O 336 kj/kg ( 93 W/kg )
Das stark vereinfachte Rechenbeispiel soll nur zur Abschätzung einer Konstruktionsgröße des Latentspeichers dienen; genauere Berechnungen über Gebäudesimulationen zeigen ähnliche Ergebnisse. Über die Grenzwertmethode läßt sich die Latentspeichergröße festlegen.
Die Transmissionswärmemenge durch eine Wand beträgt beispielsweise bei Som- menbetrieb über 24 Stunden bei einer Temperaturspanne von 10 K :
Qt = k * Δt * h = 1 * 10 * 24 = 240 W bei 300 kg/m2
Die Strahlungswärme beträgt bei einer Sonnenluftemperatur von 54CC in 8 Stunden ca. 250 W.
Die Latentspeicherwand hat folgende Wärmemenge in seinem Latentspeicher aufzunehmen:
Transmissionswärme: 240 W/m2 in 24 h bei 300 kg/m2
Strahlungswärme / Schmelzwärme : 260 W/m2 in 24 h in 5 kg/m2 Speicherwärme Wand + Speicher : 500 W/m2 in 24 h entspricht 625 kg/m2
Das Speicherverhalten der Wand mit Latentspeicher entspricht folglich bei sommerlichen Temperaturen einer Wand von doppelter Wandstärke. Die Voraussetzungen für einen Wandaufbau in Richtung SO, S , SW und W sind für den sommerlichen Wärmeschutz realisierbar.
Technologien für die Gebäude von Morgen haben das Ziel, Fenster und Verglasungen zu optimieren und durch transparente Wärmedämmungen von Außenwänden die passive Solarenergienutzung im Winter zu nutzen, ohne jedoch eine Behaglichkeit im Sommer bieten zu können. Aufwendige technische Systeme versuchen, kumulierte Energiesysteme darzustellen, um des gesamten Jahresenergiebedarf eines Wohnhauses zu optimieren und um den Wärmebedarf zu vertretbaren Kosten abzudecken. Wegen zu geringen Luftwechsels der Fugenlüftung und Schadstoffen im Gebäude wird in Zukunft eine kontrollierte Be- und Entlüftung mit Wärmerückgewinnung erforderlich.
Wirtschaftgebäude unterliegen anderen Kriterien. Der Investor ist nicht bereit, teure mechanische Systeme auch wegen der Folgekosten zu installieren, obwohl die Leistungsfähigkeit der Beschäftigten bei dieser Art von Gebäuden als Wärmeproduzent herabgesetzt ist und in Zukunft die Mitarbeiter immer höheren Anforderungen ausgesetzt sind. Die Arbeitsleistung ist herabgesetzt und die Fehlerquote steigt ohne sommerlichen Wärmeschutz unvertretbar.
Wird vorausgesetzt, daß vernünftige Tageslichtberechnungen die Fensterflächen minimieren, ist das vorgestellte System bei vertretbaren Kosten in der Lage,
- auch ohne Kühleinrichtungen auszukommen, oder
- zumindest eine Klima- bzw. Lüftungsanlage auf die Außenluftaufbereitung zu reduzieren.
Die Entscheidung, ob eine Klimarisierung von z.B. Büroflächen zum Einsatz kommen soll, hängt von folgenden Parametern ab:
- thermische Gründe, wie Kosteneinsparung gegenüber unkontrollierter Fensterlüftung.
- akustische Gründe, wie Fenster können wegen Außenlärm nicht geöffnet werden
- hygienische Gründe, wie ausreichener Raumluftwechsel mindestens 2-fach
- physikalische Gründe, wie Schachteffekt in hohen Gebäuden, d.h. notwendiger Überdruck
Die Entscheidung, ob die Gesamtkühllast bei konstanter oder variabler Raumtemperatur abzuführen ist, hängt von folgenden Wärmelastkomponenten, welche im Tagesgang zu addieren sind, ab:
- Strahlungwärme
- Transmissionwärmelast Außenwand
- Sekundärwärmespeichestrom
- Wärmeprozenten im Raum
- Personen
- Transmissionswärmelast Fenster Das Berechnungsverfahren Gesamtkühllast bei variabler Raumtemperatur scheidet aus, wenn die Einhaltung einer konstanten Raumlufttemperatur gefordert wird. Latentspeicher sind dann nicht sinnvoll einzusetzen. Besteht diese Forderung nicht, muß im Interesse einer wirtschaftlichen Bemessung überprüft werden, ob eine Anwendung zweckmäßig ist. Dazu dienen nachstehende Kriterien:
1. Die Anwendung ist sinnvoll bei einem Tagesgang der Gesamtkühllast ( ermittelt für eine konstante Raumlufttemperatur) mit ausgeprägtem Maximum.
2. Die Anwendung ist nicht sinnvoll bei Raumlufttemperaturanhebungen von nur 2 K.
3. Die auftretende Sekundärspeicherwärme ist abhängig von den Speichereigenschaften des Raumes, charakterisiert durch den gemittelten Schichtspeicherkoeffizienten und den zugelassenen Abweichungen.
Folgende Berechnungsverfahren, d.h. Regelungsart, bestimmen den Raumtemperaturverlauf:
Typ I Raumtemperatur gleitend geführt, z.B. in Abhängigkeit von der Außenlufttemperatur
Typ II Raumtempertur schwankend wie Typ 1 , aber ohne feste Zuordnung zu einer Führungsgröße
Typ III Raumlufttemperatur schwankt um Mittelwert ( Kosinusfunktion )
Die maximale Verringerung der Gesamtkühllast ist dann zu verzeichnen, wenn die Raumlufttemperaturanhebung und -absenkung dem Kühllastverlauf synchron zugeordnet wird. Die maximale Raumlufttemperaturerhöhung liegt dann zum Zeitpunkt des Gesamtmaximums vor. Damit kann die zeitliche Zuordnung der stündlichen Sekundärspeicherwärmeströme vorgenommen werden. Bei Vorliegen einer Führungsgröße hat die Zuordnung dieser entsprechnend zu erfolgen.
Der Gegenstand der Neuerung ist die Zuordnung einer Führunαsαröße durch einen
Latentspeicher welcher dynamisch den Sekundärspeicherstrom durch die Schmelztemperatur eine
Führungsgröße fixiert und die Auslegung nach dem Berechnungsverfahren Typ III durch die Schmelzwärme um einen Mittelwert als Kosinusfunktion, d.h.
Raumlufttemperatur bei eingeschwungenen Zustand, ermöglicht. Eingeschwungener, quasistationärer Zustand bedeutet, daß der Tagesmittelwert der Raumlufttemperatur sich von dem des Vortages nicht wesentlich unterscheidet. Dieser kann dann aus der Bilanz der Wärmeströme ermittelt werden, in der keine Speichervorgänge mehr berücksichtigt werden müssen. Die Amplitude der Raumlufttemperatur errechnet sich aus einer Bilanz der zeitabhängigen Wärmeströme einschließlich der Sekundärspeicherung, die durch das Wärmeabsorptionsvermögen des Raumes verursacht wird. Für die Berechnung des Wärmabsorptionsvermögens des Raumes wird vereinfachend der mittlere Schichtspeicherkoeffizient des Raumes verwendet. Die Phasenverschiebung der Raumlufttemperatur gegenüber dem resutie- renden Maximum von Wärmelast und Lüftungswärmestrom wird vernachlässigt.
Der Gegenstand der Neuerung ist die Reduzierung Phasenverschiebung Der dynamische Latentspeicher nimmt zum Zeitpunkt der Entstehung der zeitabhängigen Wärmeströme die Spitzenlasten auf, um diese bei negativen Temperaturniveau mit oder ohne raumlufttechnische Anlagen nachts wieder abzugeben.
Die Berechnung der Raumlufttemperatur erfolgt nach folgenden Kriterien:
- Raumluftzustand bei eingeschwungenem Zustand
- Raumluftemperatur nicht eingeschwungene Zusand
- Raumluftemperatur bei unterbrochenem Betrieb
- Raumluftzustand bei Wärmelastspitzen
Der Gegenstand der Neuerung ist der eingeschwungene Raumluftzustand mittels Latentspeicher, um folgende Aufgabenstellungen anwenden zu können:
- Berechnung des Außenluftförderstromes für lufttechnische Anlagen ohne thermische Luftaufbereitung im Sommer, die eine maximale Raumluftemperatur unter Auslegungsbedingungen, sowie Einhaltung einer bestimmten Überschreitungshäufigkeit garantieren.
- Berechnung der Raumlufttemperatur bei bekannten Außenluftförderstrom durch Fugenlüftung, Fensterlüftung und lufttechnische Anlagen.
- Transmissions- und Strahlungsaustausch nachts/tags, mit/ohne Sonnenschutz
Als Anwendungskriterien für die Anwendung des Berechnungsverfahrens gelten nachstehende Vorausetzungen:
- Durchgehender ( 24 stündiger ) oder eingeschränkter Betrieb der lüftungstech- nischen Anlage
- Ideale Raumdurchmischung, d.h. es kann von einer repräsentativen Raumlufttemperatur ausgegangen werden
- es liegt ein eingeschwungener Zustand vor.
Für die Hauptanwendung des Verfahrens, es liegt ein eingeschwungener Zustand vor, d.h. die Volumenstromberechnung lufttechnischer Anlagen ohne thermische Luftaufbereitung im Sommer, ist im Regelfall durch diese Vorausetzung erfüllt. Bei kleinem Volumenstrom (z.B. Fensterlüftung und Fensterlüftungsgeräte ) und großem Speichervermögen ( > 500 kg/m2 ) ist obiges Kriterium zu überprüfen. Liegen die berechneten Werte höher als die zu erwartende Raumlufttemperatur ( z.B. sommerlicher Wärmeschutz ), so sind übliche raumlufttechnische Anlagen oder Kühleinrichtungen einzusetzen.
Einfluß auf den Tagesgang der Raumlufttemperatur im eingeschwungenem Zustand nehmen die Wärmelast, der Förderstrom der Lüftungseinrichtung und das Wärmeabsorptionsvermögen des Gebäudes.
Einige Komponenten der Wärmelast sind von der der Berechnung zugrunde gelegten Raumlufttemperaturen abhängig.
Diese Komponenten müssen für eine Bezuqstemperatur berechnet werden. Dafür eignet sich üblicherweise der Tagesmittelwert der Außenlufttemperatur oder eine technische Einrichtung innerhalb des Raumes, d.h. Latentspeicher, welche die Funktion der Bezugstemperatur übernehmen kann und die Phasenverschiebung der Raumtemperatur gegenüber dem resultierenden Maximum von Wärmelast und Wärmeluftstrom ermöglicht..
Der Gegenstand der Neuerung ist mittels Latentspeicher eine Bezugstemperatur innerhalb des Raumes festzulegen um die Außenlufttemperatur nicht als Führungs- sondern als Regelgröße des Latentspeichers rechnerisch in Ansatz bringen zu können.
Gegenüber einer konstanten Raumlufttempertur ergibt sich gegenüber einer variablen Raumtemperatur eine Verringerung des Maximalwertes von ca. 35 %. Bei der In- tallation einer lüftungstechnischen Anlage sind folglich 65 % des Nennvolumenstromes und entsprechend reduzierter Kälteleistung erforderlich und es ergibt sich unter Auslegungsbedingungen eine Anhebung der maximalen Raumlufttemperatur von etwa 4 K gegenüber dem Sollwert. Diese Temperaturerhöhung gegenüber dem Sollwert wird durch das Speichervermögen des Latentspeichers tagsüber aufgenommen und nachts wieder abgeführt, sodaß sich eine weitere Näherung zum Sollwert darstellt und die lüftungstechnische Anlage nur noch die Aufgabe Frischluftversorgung übernimmt.
Es ist der Förderstrom zu bestimmen, der die Einhaltung der zulässigen Auslegungsbedingungen gewährleistet. In Abhängigkeit von der spezifischen inneren Kühllast liegt die zulässige maximale Raumlufttemperatur etwa 3 bis 5 K über dem Maximalwert des gewählten Ganges der Außentemperatur. Bei Gewährleistung der zulässigen Maximalwerte unter Auslegungsbedingungen ist die Einhaltung der zulässigen mittleren Überschreitung der festgelegten Werte der Raumlufttemperatur gesichert. Die Rechnung ist als Variantenrechnung für mehrere Volumenströme durchzuführen, eine Verringerung des Außenluftstromes um jeweils 25 - 30 % ist möglich.
Eine weitere Absenkung des Außenluftstromes ist möglich, weil sich durch die Aufnahme der Spitzenlasten in dem Latentspeicher die Erhöhung der Raumlufttemperatur derart begrenzt und zwischenspeichert, bis der Außenluftstrom mit niedriger Temperatur die Abgabe der Spitzenlasten übernimmt.
Berechnungen zeigen, daß die resultierende Zeitverschiebung des Wärmewerts des Förderstrom ausreichen, ganz auf die Installation von Zu- und Abluftanlagen zu ver- ichten, wenn die Fugenlüftung für die Außenluftversorgung tagsüber ausreicht und nachts über einfache mechanische Fensterlüftungsgeräte der Wärmestrom abgeführt wird. Die Vorrüstung üblicher Bürogebäude erfordert somit nur noch die Installation von Latentspeicherbauteilen und die fallweise dezentrale Anordnung von Umluftkühlgeräten, vorzugsweise mit Teilentfeuchtung, nur für Raumbereiche mit hohen Lasten.
Konstruktionsmerkmale:
In eine Wand werden Einzelkammern oder Flächen mit Latentspeichermassen, vorzugweise mit metallischer Hülle eingebracht. Durch die Lage, die Auswahl des La- entspeichermediums und die Form lassen sich die Wärmeströme als finite Elemente optimieren. Der Einbau kann vor Ort oder vorgefertigt in Einzelbauteilen oder in Großflächen erfolgen und erfordert keine zusätzlichen Fertigkeiten. Latentspeicher- körper in Betonmassen lassen sich bei hochbelastenen Teilen auch zur Aufnahme der Abbindewärme oder zur gleichmäßigen Erwärmung von Betonkonstuktionen bei stark strahlungsbelasteten Bauteilen anwenden. Grundsätzlich können Latentspeicher eingesetzt werden in
- Außenbauteilen bzw. Wänden
- Innenbauteilen bzw. Wänden
- Heiz- bzw. Kühlflächen, wie Heizkörper oder Kühldecken
1. Konstruktionsbeispiel Außenwand
In ein Porotonwandteil von 40 cm Stärke , 25 cm Breite und 25 cm Höhe werden mittig ein Metalizylinder mit Parafin als Latentspeicher mit > 50 mm, < 100 mm in einer Höhe von ca. 20 cm in vorgefertigte Kammern im Mauerstein ( Versuchsaufbau mit Bohrungen ) eingesetzt. Die Speichermasse beträgt > 10 kg/m2 < 50 kg/m2. Für eine Anpassung an die Erfordernisse besteht wegen spezifischer innerer Lasten des Nutzers ein Spielraum. Eine Überdeckung der Speichermasse durch Wandflächen ist auch bei einem Einsatz von brennbarer Latentspeichermasse (z.B. Parafin : Verdampfungstemperatur 300°C ) beherrschbar. Der Einsatz größerer Einheiten ist auch in vorgefertigten Wänden und in Fertigbetonteilen möglich. Grundsätzlich ist festzustellen, daß es unerheblich ist, ob die Speicherkapazität in Innen- oder Außenflächen zu Verfügung gestellt wird.
2. Konstruktionsbeispiel Innenwand
In einem Rigipsbauteil von 10 cm Stärke werden vertikal Metallrechteckrohre 75/150 mm geschoßhoch mit KF * 4 H2O/ 18,5 °C als Füllung im Abstand von 60 cm als Tragekonstruktion angeordnet. Die Speichermasse für eine Raumfläche von 10 m2 beträgt ca. 46 kg und kann ca. 4370 W als Speicherwärme aufnehmen und entspricht etwa 60 W/m2 interne Lasten über 7 Stunden. Unter der Voraussetzung, daß die Speicherwärme nachts z.B. über Fensterlüftungsgeräte abgeführt wird, kann die Latentspeicherwand Komfortbedingungen an die Raumtemperatur ermöglichen.
3. Konstruktionsbeispiel Heizkörperheizflächen
Die erforderliche Speichermasse beträgt, wie unter 2 dargestellt, z.B 46 kg oder ca. 46 dm3. Der Konvektorplattenheizkörper mit 600 mm Bauhöhe, 1 Rohrreihe, 2 m Länge, 5,5 kg Wasserinhalt, 4,14 m2 Heizfläche hat eine Heizleistung bei 80/20°C von 2280 W in der mittleren Heizplatte. Durch Konvektionsflächen sind hintereinander zwei glatte Flachheizkörper mit 20 mm Stärke miteinander verbunden. In der Bauart doppellagig hat die Heizplatte 13 m2 Heizfläche und eine Normheizleistung von 3780 Watt. Im Niedertemperaturbereich beträt die Wärmabgabe / Wärmeaufnahme bei 6 K, 5 W/m2K als Konvektionswärme und 5 W/m2K als Strahlungswärme. Über 7 Stunden Lade-Entlade- Zeit beträgt die mögliche Wärmeübertragung bzw. Speicherwärme auf die Fläche bezogen:
Q = 6 [K] * 10 [W/m2K] * 13 [m2] * 7 [h] = 5460 [W], d.h. 4370 W Speicherwärme können durch den Latentspeicher aufgenommen werden. Die Umrechnung der Wärmeauf- bzw. -abgäbe über den Temperaturgradienten (nach Cammerer) zeigt ähnliche Ergebnisse. Versuchsergebnisse aus thermischen Auftriebs- und Fallströmungen ergeben experientell doppelt so hohe Ge- chwindigkeiten (nach Bayley und Eckert), als theoretische oder halbempirische Lösungen. In der dreilagigen Konstruktion zirkuliert in der mittleren Heizplatte das übliche Pumpenheizwasser, die hinteren und vorderen Kammern sind als Latentspeicher ausgebildet. Der Pumpenwarmwasserkreisiauf kann über einen geschlossenen Trocken- oder Naßkühler zusätzlich das Gebäude und den Latenspeicher Speicherwärme zu- oder abführen. Mit dieser einfachen Konstruktion ist es möglich, Wäme- rückgewinn im Winter und Wärmeabfuhr im Sommer ohne aufwendige lufttechnische Einrichtungen zu realisieren.
4. Konstruktionsbeispiel Kühl- und Heizdecken
Bauart Metallkassettendecke als Latentspeicherkörper mit oder ohne aufgebrachtem Kühlrohrsystem, als nicht aktives oder aktives Latentspeicherelement , mit oder ohne oberseitige Isolierung. Der Reihenfolge von unten nach oben besteht die Kühldecke aus gelochtem Stahlblech, mit oder ohne Akustikflies, Latentspeicherkörper aus Stahlblech z.B. 20 mm Hohlraum mit Latentspeichermasse, mit oder ohne aufgeklebten oder aufgebondeten Flachrohrsystem. Das Deckensystem ohne Rohrsystem dient der passiven und das Deckensystem mit Rohrsystem der aktiven Be- und Entladung. Eine raumseitige Temperaturregelung kann wegen der konstanten Bezugstemperatur entfallen. Die Kühlwassertemperatur kann.wenn eine obere Isolierung aufgebracht wird, unter dem Taupunkt der Raumluft liegen, Wärmetauschersysteme können entfallen. Als Nebeneffekt können Metallkassettendecken mit Latentspeicher als Brand¬ schutzunterdecke ausgelegt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Plattenheizkörper mit Latentspeicher,
Fig. 2 eine Heizplatte mit Latentspeicherkapseln,
Fig. 3 eine Kühl- und Heizdecke mit Latentspeicher,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Einbindung in Energiekonzepte,
Fig. 5 ein Diagramm einer Temperatursimulation für einen warmen Tag,
Fig. 6 schematisch die Einbindung in ein geothermisches Energiekonzept,
Fig. 7 ein Histogramm der Energiebilanz eines Latentspeichers,
Fig. 8 einen Aufbau einer Kühldecke.
Fig. 1 und 2 zeigen den einfachen Aufbau eines Latent-Heizkörpers, welcher in gleicher Bauart in das bestehende PWW-Heizungsnetz eingebunden werden kann. Moderne Isoliertechniken und Auflagen nach der Wärmeschutzverordnung haben zur Folge, daß wesentlich kleinere Heizkörperfiächen erforderlich sind, als es die Größe der Heizkörperbrüstungen zuläßt. In vielen Fällen werden Heizflächen mit erheblichen Übergrößen eingesetzt, um dem Wunsch des Architekten nach geschlossenen Frontfiächen der Heizkörperbrüstungen zu entsprechen. Der Heizkörper gemäß Fig. 1 enthält eine an einen Vorlauf 3 und einen Rücklauf 4 angeschlossene Heizplatte 5, wobei eine Teilfläche des Heizkörpers als Heizfläche genutzt wird. Ferner sind Teilflächen 7 mit Latentspeicher KF*4H2O vorgesehen. Zwischen den genannten Teilflächen sind ferner Konvektionsflächen 6 vorgesehen. Gemäß Fig. 2 ist die Heizkörperfläche als Heiz- und Latentspeicherfläche ausgebildet und enthält innenliegende Latentspeicherkörper, bevorzugt in Form von Thermac-Kapseln 8.
Fig. 3 zeigt eine Kühl- und Heizdecke mit Latentspeicher. Als interessante Konstruktionsart bieten sich Metalldeckenflächen der Bauart Kühldecke an, welche zusätzlich mit Latentspeichermassen ausgerüstet werden. Die Kühldecke bekannter Bauart wird zusätzlich mit Latentspeichermassen ausgerüstet. In der Bauart Kühldek- ke werden auf die Metallkassetten Oval-Kupferrohre kraftschlüssig und wärmeleitend aufgeklebt. In gleicher Fertigungsart lassen sich auf die Oval-Kupferrohre Latentspeicherkörper flächig oder als Einzelsegmente Latentspeichermassen aufbringen. Der besondere Vorteil dieser Konstruktion ist, daß die Ladetemperatur des Latentspeichers auch niedriger als die Schmelztemperatur sein kann, ohne Kondensat erwarten zu müssen.
Es ist ein Trägersystem 9 der Kühldecke und Metallkassetten 10 vorgesehen, deren Abmessungen beispielsweise mit 625/625 bis 625/1250 mm vorgegeben werden. Die Metallkassette enthält eine Perforierung 1 1 und ferner ist ein Akustikvlies 12 vorgesehen. Der Latentspeichereinsatz 13 ist für eine Schmelzwärme bei 20 °C mit 334 kJ/Kg ausgelegt. Ferner ist ein Kühlrohrsystem 14 für 12/15 °C bis 15/20 °C mit einem Kühlwasseranschluß 15 mit einem flexiblen Anschluß 16 vorgesehen. Als Schmutzwasserschutz dient eine Isolierung 17, beispielsweise Armaflex 9 mm. Ferner ist ein Anschluß 18 des Kühlrohrsystems für 12/15 °C bis 15/20 °C vorgesehen.
Fig. 4 zeigt eine Einbindung in ein Energiekonzept, und zwar den Aufbau eines Heiz- und Kühlsystems mit einer Latentspeicher-Heiz-Kühldecke 19, wobei die bereits vorhandenen Einrichtungen einer Pumpenwarmwasserheizung genutzt werden. Diese kostengünstige Variante einer Latentspeicherkühlung eignet sich für den Standort als Heizkörperfläche oder Kühldecke ebenso wie für Nachrüstung und Sanierung bestehender Anlagen aufgrund von Nutzungsänderungen des Gebäudes. Für die Einbindung in BHKW-Konzepte in Verbindung mit Absorptionsanlagen oder auch Energiepfählen ist das System auch geeignet. Die Anlagebauart Energiepfähle und Heiz- Kühldecke ist besonders effektiv, weil das Temperaturniveau der Energiepfähle der Entladungstemperatur des Latentspeichers entspricht und die Einrichtung Energiepfähle nachts eingesetzt werden kann, also zu einem Zeitpunkt, an dem keine Kühlarbeit von der Kältemaschine benötigt wird.
Schematisch ist eine Latentspeicher-Heiz-Kühldecke 19 dargestellt mit Verbindungsleitung zu einem Heizkessel 20, einer Kältemaschine 21 und einem Naß-Trockenkühler 22. Ferner sind Energiepfähle 23 bzw. BHKW-Abwärmeeinheiten 24 vorgesehen. Fig. 5 zeigt in einem Diagramm das Temperaturverhalten in einem Büroraum von 25 m2 mit einem Latentspeicher in einer Temperatursimulation für einen warmen Tag. Über der Zeit in Stunden entlang der x-Achse ist die Temperatur entlang der y-Achse in °C dargestellt. Die Kurve c zeigt den Temperaturverlauf der Außentemperatur und die Kurve d den Temperaturverlauf der Innentemperatur.
Fig. 6 zeigt eine typische Einbindung in ein Energiekonzept, nämlich das Verfahren der Spitzenkühlung mittels Latentspeicherwänden und -bauteilen bzw. das geother- mische Energiekonzept mit Tiefgründung von Energiepfählen 25 für 10/15 °C. Es sind ein Kühlkreislauf 26 für 10/15 CC, ein Wärmeaustauscher 27 für die Energiepfähle 25 und die Latentspeicher vorgesehen. Die Latentspeicher sind als Kühldecken 28 für 15/20 °C ausgelegt und es ist ein naß-geschlossener Kühlturm 29 für 15/25 °C vorgesehen. Des weiteren sind eine Wasser-Wasser-Kältemaschine 30 für 6/12 °C, Kälteverbraucherzentralgeräte 31 für 6/12 °C bzw. dezentrale Kälteverbraucher 32 für 6/12 °C vorgesehen. Der tagsüber wirksame Kühlkreislauf ist für 15/20 °C ausgelegt.
Fig. 7 zeigt ein Histogramm einer Energiebilanz bei Einsatz eines Latentspeichers. Beispielshaft wird von einem Raum mit 10 m2 und 60 W/m2 ausgegangen, welcher eine Kühldecke mit Kühlrohren aufweist. Die Bereiche 34 beziehen sich auf eine latente Speicherentladung. Die Bereiche 35 betreffen die Entladung des Raumes. Mit 36 ist die latente Entladung bezeichnet, während mit 37 die Entladung des Gebäudes bezeichnet ist. Ferner ist die maximale Innentemperatur 38, die Innentemperatur 39 und die Außentemperatur 40 angegeben.
Fig. 8 zeigt die Kühldecke mit einer Isolierung 41 als Klimaschutz und auf dem Latentspeicher 42 verklebte Kühlrohre 43. Der Latentspeicher 42 ist in Stahl-Blech für 21 °C ausgelegt und ist unten mit Akustikvlies 44 und ferner mit einer perforierten Metalldeckenplatte 45 versehen. Der Bereich mit den verklebten Kühlrohren 43 weist eine Dicke von 10 mm auf, während der Latentspeicher 42 eine Dicke von 20 mm bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt. Das Akustikvlies 44 besitzt eine Dicke von 2 mm und die perforierte Metalldeckenplatte 49 weist eine Dicke von 10 mm auf. Schlußbetrachtunq
Fassadenbauunternehmen haben sich zum Ziel gesetzt, über den Architekten und Bauherren aufwendige Energiekonzepte als Demonstrationsprojekte anzubieten, welche meist an einer Kosten-Nutzen- Analyse scheitern, weil zwar "die technischen Möglichkeiten zur ( winterlichen) Energieeinsparung bei gleichzeitiger Komfortmaxi- mierung und Optimierung der Arbeitsplatzqualität" angepriesen werden, jedoch wird nicht berücksichtigt , daß in Wirtschaftsgebäuden als Wärmeproduzenten mit einfachsten Heizungsanlagen bereits komfortable Arbeitsplatzbedingungen im Winter erreicht werden, wenn die Fugenlüftung den hygienischen Ansprüchen durch einen ausreichenden Luftwechsel sorgt. Die Wärmespeicherung in einem Gebäude ist abhängig von der Gebäudestruktur, Ungleichmäßigkeit verschiedener Spitzenbelastungen und der Wärmeschichtung in manchen Fällen. Die effektive Kühllast wird bestimmt durch Baukonstruktion, Sonneneinstrahlung, Beleuchtung und innere Lasten. Die Leistung der lufttechnischen Anlage, der Kühleinrichtung oder des dynamischen Latentspeichers wird durch die im Gebäude verbleibende Wärme, der Anfahrlast, der Betriebszeit und dem momentanen Wärmeeinfall bestimmt. Die Be- und Entladung eines Latentspeichers mit der Bezugstemperatur eutektischer Schmelzpunkt kann ohne raumseitige regelungstechniche Komponenten auskommen und dazu beitragen, daß mit vertretbaren Kosten die Klimaanlage ihre eigentliche Aufgabe, d.h. Be- und Entfeuchtung der Raumluft als Komfortanspruch oder betriebtechnische Erfordernis, auch übernehmen kann. Vernünftigen Energiekonzepten steht vielmals die Wärmschutzverordnung im Wege. Simulationsberechnungen zeigen, daß bei erheblichen inneren Wärmequellen der zu niedrige k-Wert der Glasflächen den Wärmabfluß im Sommer so gemindert ist, daß die Wärme i m Sommer bei nächtlicher Kühle nur vermindert abströmt. Wird berücksichtigt, daß mindestens der doppelte Preis für mechanische Kühlung gegenüber Heizkosten anzusetzen ist, sollten Energiekonzepte Pflicht werden. Bezugszeichen
Vorlauf Rücklauf Teilfläche mit Latentspeicher KF*4H 0 Konvektionsflächen Heizplatte Thermac-Kapseln Trägersystem Kühldecke Metallkassette Perforierung Metallkassette Akustikvlies Latentspeichereinsatz Kühlrohrsystem Kühlwasseranschluß flexibler Anschluß Kühlrohrsystem Isolierung als Schmutzwasserschutz Anschluß Kühlrohrsystem Latentspeicher Heiz-Kühldecke Heizkessel Kältemaschine Naß-Trockenkühler Energiepfähle BHKW-Abwärme Energiepfähle Kühlkreislauf Wärmeaustauscher Latentspeicher-Kühldecken Kühlturm naß-geschlossen Wasser-Wasser-Kältemaschine Kälteverbraucherzentralgeräte Kälteverbraucher dezentral Kühlkreislauf tagsüber Speicherentladung latent
19 Entladung Raum
Entladung latent
Entladung Gebäude
Innentemperatur maximal
Innentemperatur
Außentemperatur
Isolierung
Latentspeicher
Kühlrohr
Akustikvlies
Metalldeckenplatte

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren der Speicherung von Wärme in Außen- und Innenwandflächen mit dem Zweck, mittels Latentspeichermassen die Wärmespeicherkapazität der Flächen zu erhöhen und bei Außenwandflächen den Wärmedurchgang derart zu begrenzen, daß die Schmelztemperatur der Bezugstemperatur angepaßt ist, die Schmelzwärme den Gewichtsfaktor belastungsabhängig und die Raumrekationen von den regelungstechnischen Funktionen Sprungantwort (Ubergangsfunktion) bzw. Impulsantwort (Gewichtsfunktion) von den Außen- und Innentemperaturen und der Strahlungsbeeinflussung thermisch entkoppelt.
2. Konstruktionsmerkmal ist die Anordnung von Latentspeicherkammern innerhalb von Außen- oder Innenwänden, welche die Schmelzwärme des Latentspeichers nutzt, um thermische Raumbelastungen über den Tagestemperaturverlauf auch bei sommerlichen Temperaturen weitgehends auszugleichen, bei Stahlungsbelastungen und inneren Wärmelasten die Spitzenlasten aufzunehmen und bei nächtlichen Temperaturen diese Lasten wieder abzuführen.
3. Konstruktionsmerkmal ist in eine Wand Einzelkammern oder Flächen mit Latentspeichermassen mit vorzugsweise metallischer Hülle. Durch die Lage, die Auswahl des Latentspeichermediums und die Form lassen sich die Wärmeströme als finite Elemente optimieren. Der Einbau kann vor Ort oder vorgefertigt in Einzelbau- teiien oder in Großflächen erfolgen und erfordert keine spezieilen Kenntnisse.
4. Die Kombination oder Mischung verschiedener Schmelzpunkte des Latentspeichern zur Festlegung verschiedener Bezugstemperaturen, wie z.B. Sommer und Winter.
5. Die Anwendung als vorgehängtes Fassadenteil (z.B. Brüstungselement) zur Aufnahme der Strahlungswärme und aufsteigenden Konvektionswärme der Fenster- und Fassadenflächen, auch hinterlüftet. Die Fassadenfläche ist in der Bauart Heizkörperflächen vergleichbar.
6. Die Anwendung in der Bauart Heizkörperflächen, vorzugsweise in Kombination mit Heizplatten zur Be- und Entladung von Wärme in Einzelräumen unter Anwendung der Bezugstemperatur Schmelzpunkt und Schmelzwärme. Der Schmelzpunkt liegt zwischen der täglichen Temperaturspanne von 10 K in hiesigen Breiten, z.B. 14,5°C nachts, Schmelzpunkt Latentspeicher 19,5°C, Innentemperatur tags 24,5°C.
7. Bauart Kühldeckenkonstruktion mit Latentspeicher, mit oder ohne Kühlrohrsystem, sowie die Auslegung als Brandschutzunterdecke.
8. Die Anwendung als Jalousie- bzw. Rolladenelement mit integriertem Latentspeicherkörper, angewandt als Sonnenschutz und Temperaturpuffer für Tag-Nacht- Betrieb.
9. Konstruktionsmerkmal ist in Rahmenkonstruktionen von Fenster- oder Fassadenflächen eingesetzter Latentspeicher zur thermischen Entlastung, welche die thermischen Lasten z.B. von Absorptionsgläsern vermindern.
10. Die Anwendung von Latentspeicherkörper in Betonmassen, welche an hochbelasteten Teilen zur Aufnahme der Abbindewärme oder zur gleichmäßigen Erwärmung von Betonkonstruktionen mit stark strahlungsbelasteten Bauteilen dienen, oder auch feuerbelasteten Bauteilen, wie z.B. Stahl- und Stahlbetonstützen, eine längere Standzeit im Brandfall oder eine Begrenzung der Längenausdehnung ermöglichen.
EP98962325A 1997-11-11 1998-11-06 Verfahren zur wärmespeicherung mittels latentspeicherwänden und-bauteilen Withdrawn EP0953131A1 (de)

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